3-5 能带理论与半导体
材料的输运性质之一 能带理论半导体和光电化学
2、ｐ型半导体
四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的 杂质元素〔如Ｂ、Ga（镓）、Ｉn（铟）等〕形成空 穴型半导体，称 p 型半导体． ●受主能级的形成 在四价的本征半导体硅或锗中掺入少量的三价元 素，如硼，则硼原子分散地取代一些硅或锗形成共价 键时，由于其缺少一个电子而出现一个空穴的能量状 态——空穴。 量子力学计算表明，这种掺杂后多余的空穴的能级 在禁带中紧靠满带处，ED～10-2eV，称之为局部能级。 其能带宽度比起满带到导带的禁带宽度E要小得多，因 此满价带中的电子很容易受激而跃入到局部能级。 由于该局部能级是收容从满价带中跃迁来的电子， 该能级称受主能级． 此时的杂质即称为受主杂质。
P型半导体
Si Si Si Si Si + BSi
空带
受主能级
Si
满带
Eg ED
在p型半导体中 空穴……多数载流子 电子……少数载流子
● 两点说明：
（1）受主能级中的空穴并不参与导电，参与导电 的是：满价能带中电子跃迁到受主能级后遗留下的空穴。 （2）同样，在P型半电体中也有两种载流子，但 主要是空穴载流子。
二、杂质半导体
在本征半导体中，以扩散的方式掺入微量其它元 素的原子，这样的半导体称为杂质半导体。例如，在 半导体锗（Ge）中掺入百万分之一的砷（As），它的 导电率将提高数万倍。
杂质半导体，由于所掺杂质的类型不同，又可分 为P型半导体和N型半导体。
1、n型半导体
四价本征半导体 Si、Ge等，掺入少量五价的杂质 元素（如P、As等）形成电子型半导体, 称 n 型半导体．
/ 2s // 2s / E1s
1s
// E1s
由Ｎ个原子组成固体时， 原先的一个单原子能级分裂成 Ｎ个子能级。
半导体物理学中的半导体能带理论与能带间隙分析
半导体物理学中的半导体能带理论与能带间隙分析半导体能带理论是半导体物理学的基础，它是理解半导体行为和特性的重要理论模型。
半导体能带理论将电子在半导体中的运动和能量分布描述为围绕原子核的能带结构。
在能带理论中，半导体的电子由两个主要的能带组成，即价带和导带。
价带中的电子处于较低能量状态，不参与电流传导；而导带中的电子能量较高，可以导致电流流动。
能带之间的能量差称为能带间隙。
半导体能带理论的发展可以追溯到20世纪中叶，此前，人们对于材料中电子行为的理解仅仅局限于金属和绝缘体的行为。
通过实验观察到的现象和理论推导，科学家们开始认识到，半导体具有介于金属和绝缘体之间的特性。
他们发现，在某些特殊的材料中，电子的行为与能量与电路中电流的行为有着密切的关系。
半导体能带理论的核心概念是“带隙”或“能带间隙”。
在半导体中，价带和导带之间的能量差距被称为能带间隙。
这个能带间隙决定了半导体的导电性能以及其他许多特性。
能带间隙大小与材料的种类密切相关。
一般来说，带隙较小的半导体在室温下更容易导电，而带隙较大的半导体则需要更高的能量激发才能导电。
能带理论还解释了半导体中电子行为的一些重要特性。
例如，材料中的电子处于能带中的不同态，在外加电场或热激发等作用下，电子可以跃迁自价带到导带，形成电流。
此外，能带理论还解释了半导体中的禁带掺杂。
掺杂是指向半导体中引入一些杂质，以改变其导电性能。
半导体通过掺杂可以增加其导电性能，例如从n 型半导体变为p型半导体。
能带理论的发展不仅为半导体物理学提供了基本的理论基础，也为半导体器件的设计和制造提供了重要的指导作用。
半导体器件例如晶体管、二极管和光电二极管等都是基于半导体能带理论的原理工作的。
在设计和制造这些器件时，能带理论不仅可以提供有关器件特性和性能的重要信息，还可以指导材料选择和结构优化，从而获得更好的器件性能。
值得一提的是，尽管半导体能带理论已经广泛应用于半导体物理学和器件工程中，但这并不意味着它是完美的。
半导体材料发光的能带理论
一、固体发光理论基础
1.4 固体发光的物理要求
（1）各类发光材料，不论是单晶，薄膜还是粉末，都是晶体材料。 （2）晶体中的缺陷对于发光有非常重要的影响。理想晶体具有严格的周期结 构，实际晶体中，由于物理或化学的原因，在某些地方晶体结构周期性遭到破 坏，形成缺陷。缺陷的性质与材料的发光有密切的关系。
研究方 研究成 hk-hk'=光子动量 果 案
hk=hk' → k=k'
因为一般半导体中吸收光子动量远小于能带中电子动量，所以光子动量可忽略
即在跃迁过程中，波矢可视为不变，跃迁前状态与跃迁后状态位于同一垂直线 上，因而成为竖直跃迁或直接跃迁。
二、半导体材料发光理论
对应不同的k值，导带价带之间的垂直距离各 不相等，但相应能量均大于Eg，这说明光子 能量大于Eg的光子都可能被不同k值的电子所 吸收，因此，本征吸收形成连续的吸收光谱。 （2）间接跃迁
研究方 案
研究成 果
会自发地向低能级跃迁。
某 系统的某种变量由暂态趋于 种定态所需要的时间。
一、固体发光理论基础
（3）受激发射过程：
研究方 案
子，受激发射两个光子，实现光放大。
研究成 果
这是激光产生的原理。通过光泵浦，系统吸收能量，远离平衡态，吸收一个光
ห้องสมุดไป่ตู้
一、固体发光理论基础
1.3 发光和猝灭
发光：处于激发态的离子回到基态的过程，如果发射出光子，这就是发光，也 叫做发光跃迁或辐射跃迁。 猝灭：如果离子再回到基态时不发射光子，而是将激发的能量散发为热（晶格 振动），这就称为无辐射跃迁或猝灭。
研究方 案
研究成 果
研究方 研究成 对于半导体材料，由激发产生的电子和空穴，它们也是不稳定的，最终会复合。 案 果
能带理论在半导体材料中的应用与优化
能带理论在半导体材料中的应用与优化半导体材料是当代科技领域中的重要组成部分，它的应用范围非常广泛。
在半导体材料中，能带理论作为一种重要的物理模型，被广泛应用于材料的设计、优化以及性能预测等方面。
本文将探讨能带理论在半导体材料中的应用与优化。
能带理论是基于固体物理学与量子力学原理的重要模型，它描述了电子在晶体结构中的能量分布。
在半导体材料中，能带理论被用来描述电子在能级的分布和行为，进而影响半导体材料的性能。
通过对半导体材料的能带结构进行研究，可以预测材料的电子导电性质、能带间隙大小以及光电转换性能等重要参数。
在半导体材料的应用方面，能带理论为材料的电子结构调控提供了理论基础。
通过改变材料的组分和结构，可以调整材料的能带结构，从而实现特定的功能和性能。
例如，利用能带理论可以预测和设计出具有优异光学性能的半导体材料，如用于太阳能电池和光电器件的材料。
此外，能带理论还可以应用于设计新型的电子传输材料，为传感器、导线以及半导体元件等提供基础。
在半导体材料的优化方面，能带理论可以用来指导材料的合成和制备工艺。
例如，通过能带结构的计算和分析，可以优化半导体材料的晶格结构和成分配比，进而获得更好的电子输运性能和光电转换效率。
此外，能带理论也可以用来评估和预测材料的稳定性和耐久性，为材料的长期应用提供参考。
除了应用和优化方面，能带理论还可以用来解释一些半导体材料的特殊性质和现象。
例如，通过对能带理论的研究，我们可以了解到一些半导体材料的禁带宽度很小或者接近零，这表明这些材料可以表现出特殊的电子行为，如金属或者弱半导体特性。
能带理论的研究还可以帮助我们理解由电子激发引起的光学响应和热学性质。
然而，尽管能带理论在半导体材料研究中有着广泛的应用与优化潜力，但其仍然存在一些局限性。
一方面，能带理论往往假设晶体结构的完美性和无损耗，但实际材料中存在各种缺陷和杂质，这使得理论计算结果与实际表现之间存在一定差距。
另一方面，能带理论需要大量的计算资源和复杂的计算算法，这对于材料科学研究者来说是一个挑战。
半导体物理学中的能带理论分析
半导体物理学中的能带理论分析半导体是当前信息技术的基础材料之一。
要了解半导体的性质和行为，能带理论是一种重要的理论工具。
能带理论提供了一种解释半导体特性的框架，对于研究半导体材料的电子传导和光学行为至关重要。
一、能带理论的基本概念能带理论是半导体物理学的基石，通过描述半导体中电子的能量分布，给出了半导体能带结构和导电特性的解释。
在固体中，电子的能量与其空间分布状态是密切相关的。
根据量子力学理论，电子在晶格结构中的能量是量子化的，即只能取一些特定的能量值。
这些能量分布的区间被称为“能带”。
在固体半导体中，通常有两种能带存在，分别是导带和价带。
导带是指电子的载流带，当电子位于导带中时，可以自由移动。
价带是指填充电子的带，当电子位于价带中时，无法自由移动。
导带和价带之间的能量区域被称为“带隙”，带隙决定了半导体的导电特性。
二、带隙的大小与导电特性半导体的导电能力取决于其带隙的大小。
根据带隙划分，半导体可分为两类，一类是本征半导体，另一类是掺杂半导体。
本征半导体指的是单一元素组成的纯净晶体，如硅(Si)和锗(Ge)。
这类半导体具有较大的带隙，寡载流子，本质上是不导电的。
然而，如果在本征半导体中引入杂质，即进行掺杂，可以通过控制杂质的类型和浓度来调整半导体的导电性能。
通过掺杂，产生了两种不同类型的载流子：电子和空穴。
电子由带隙中的价带精确地跃迁到导带，而空穴则是由价带中的空穴移动而成的。
三、载流子的输运规律能带理论不仅可以解释带隙和导电性能，还可以描述在外部场下载流子的输运规律。
在半导体中，载流子的运动受到杂质和晶格的散射作用的影响。
散射是指当载流子与杂质或晶格振动相互作用时，产生偏转或改变方向的过程。
对于本征半导体来说，电子和空穴的输运机制主要受到晶格散射的影响。
而在掺杂半导体中，掺杂杂质起到了主导作用。
通过研究散射机制，可以了解载流子在半导体中的输运规律，进一步优化半导体器件的性能。
结论半导体物理学中的能带理论是理解半导体材料特性的关键。
能带理论与半导体材料的特性分析
能带理论与半导体材料的特性分析近年来，能带理论和半导体材料的研究引起了广泛的关注。
能带理论是揭示半导体材料电子结构与性质的重要工具，而半导体材料作为现代电子学和光电学的基础，其特性分析对于深入理解半导体器件的工作原理和性能优化具有重要意义。
首先，我们来介绍一下能带理论。
能带理论是描述固体材料中电子能级分布的理论模型。
根据这个理论，固体中的电子能级并非离散的，而是连续的能带。
能带是指一定能量范围内允许电子存在的能量带隙。
通常将能带分为价带和导带，价带是指占据较低能级的电子能带，而导带则是指未被占据的较高能级的电子能带。
半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有重要的电子、光学和热学特性。
半导体材料的特性主要与其能带结构有关。
例如，若半导体材料的导带和价带之间存在较大的能带隙，则该材料对光的吸收能力较强，适用于光电器件的制备。
另外，半导体材料还表现出电阻率随温度变化的特性，这被用于热敏电阻和温度传感器等应用中。
除了能带结构，材料的载流子浓度也是分析半导体材料特性的重要指标。
载流子是指在材料中携带电荷的粒子，可以是带正电荷的空穴（不带负电荷的离子空位）或带负电荷的电子。
半导体材料中的载流子浓度决定了材料的导电性能。
通过控制载流子浓度，我们可以调节半导体材料的导电性能，从而实现晶体管、二极管和光电二极管等器件的设计与优化。
此外，半导体材料还表现出许多特殊的物理现象，如霍尔效应和光电效应等。
霍尔效应是指在垂直于流动电流方向施加磁场时，电流产生横向偏转，并在两侧形成电压差。
这个效应被广泛应用于测量材料的电荷载流子浓度和电阻率。
而光电效应是指当材料受到光照后，产生的电子和空穴对激发出电流。
这个效应被利用于太阳能电池等光电器件的制备。
然而，不同的半导体材料具有不同的电子能带结构和特性。
例如，硅材料是一种常用的半导体材料，具有较大的禁带宽度和稳定的化学性质，适用于集成电路芯片的制备；而砷化镓等三五族半导体材料具有较少的禁带宽度和高的电子迁移率，适用于高频电子器件的制备。
半导体物理中的能带理论及其在器件设计中的应用
半导体物理中的能带理论及其在器件设计中的应用引言半导体是当今信息时代中不可或缺的关键材料，其广泛应用于电子器件和光电子器件中。
能带理论是解释半导体物理行为的重要理论，对于器件设计具有重要的指导意义。
一、能带理论的基本原理能带理论是通过研究半导体中电子能量分布的方式来解释物质导电性质的理论基础。
根据量子力学的原理，物质中的电子存在于能量分层的能带中。
在半导体中，常见的能带包括价带和导带。
价带是指由最外层电子填充的带，它们与原子核之间的相互作用力较强。
导带是指位于价带上方的电子能级，它们与原子核之间的相互作用力较弱。
半导体处于室温下，价带通常被填满，导带处于空席状态，形成禁带宽度。
禁带宽度决定了半导体的导电性能。
如果禁带宽度很小，可以吸收辐射能量并导电，即为导体；如果禁带宽度很大，几乎不吸收辐射能量，无法导电，即为绝缘体；而半导体则处于介于导体和绝缘体之间的状态。
二、能带理论在器件设计中的应用能带理论为半导体器件的设计和性能优化提供了重要的指导。
以下介绍两个在实际应用中常见的应用案例。
1. pn结pn结是半导体器件中最基本的结构之一，其原理可以通过能带理论解释。
当一个p型半导体与一个n型半导体相接触时，两者中的电子将发生能量转移。
在pn结中，n型半导体中的自由电子会向p型半导体中的空席能级移动。
这种移动会导致n区变得带负电，p区变得带正电，形成内建电场。
当外加电压使内建电场与外加电场相等时，将达到动态平衡，这时pn结处于截止状态，没有电流通过。
而当外加电压改变内建电场，使内建电场消失时，pn结将进入导通状态，电流开始流动。
通过对pn结的能带特性的研究，可以优化器件的特性，如改善导通特性和减小截止电流。
2. 光电二极管光电二极管是一种利用光的能量将其转化为电信号的器件。
能带理论被广泛应用于光电二极管的设计中。
当光子入射到光电二极管的p-n结上时，光子的能量会被半导体材料吸收。
光子的能量可以使电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
能带理论与半导体物理
能带理论与半导体物理半导体物理是研究半导体材料中电子行为和能带结构的科学领域。
能带理论作为半导体物理的基础，解释了半导体材料的电子特性和导电机制。
本文将介绍能带理论的基本原理和半导体物理的相关概念，以便更好地理解半导体器件的工作原理。
能带理论的基本原理能带理论是解释固体物质中电子能级分布和导电性质的重要理论。
根据能带理论，半导体材料的电子能级分布可以用能带图表示。
能带图将固体材料的能量水平划分为不同的能带，包括价带和导带。
价带是离子束缚电子的能带，而导带是能够自由移动的电子能带。
在晶体中，电子的行为受到准周期性势场的影响。
根据能带理论，当准周期势变化趋于周期性时，会出现能量分裂成离散能级的现象。
这些离散能级形成了能带结构，其中离散能级之间存在禁带，即能量不能连续变化的区域。
半导体物理的相关概念半导体物理研究的核心问题是半导体材料的导电性质。
半导体材料在温度较低时表现出良好的绝缘性质，而在高温下则可变为导电性材料。
这个特性可以通过能带理论来解释。
在半导体中，导带中的电子数量相对较少，而价带中的电子数量相对较多。
这是因为价带的能级较低，导带的能级较高。
因此，半导体材料中的自由载流子（电子或空穴）的浓度较低。
当半导体材料加热时，温度的升高会导致价带中的电子更容易跃迁到导带中。
这样会在导带形成一些自由的载流子，从而提高半导体的导电性。
这就是半导体材料的本征导电性。
半导体材料还可以通过掺杂的方式改变其导电性质。
掺杂是向半导体中引入杂质（如磷或硼）来改变其晶格结构和电子能级分布的过程。
掺杂可以使半导体成为n型或p型半导体，大大改变了其导电性质。
半导体器件的工作原理基于半导体物理的理论和概念，我们可以更好地理解半导体器件的工作原理。
现代电子设备中的大部分器件都是基于半导体材料制造的。
例如，二极管是一种最简单的半导体器件之一。
它由p型和n型半导体材料组成，通过pn结形成。
当施加正向偏置电压时，p型材料中的空穴和n型材料中的电子会在pn结中重新组合，形成导电通道。
半导体器件的能带理论与导电性质
半导体器件的能带理论与导电性质随着科学技术的不断进步和发展，半导体器件作为电子学领域的重要组成部分，已经成为现代社会中不可或缺的一部分。
半导体器件是一种介于导体和绝缘体之间的材料，它的导电性质与其能带理论密切相关。
本文将探讨半导体器件的能带理论和导电性质，并介绍它们在实际应用中的重要性。
半导体器件的能带理论是解释其导电性质的基础。
在固体物质中，电子的能量与位置是紧密相连的，能带理论描述了电子能量与其在晶格中的位置之间的关系。
在半导体材料中，能带分为价带和导带。
价带中的电子处于较低的能量级，无法自由移动；而导带中的电子能量较高，可以自由移动。
两者之间的能隙称为禁带宽度，是半导体导电性质的关键。
半导体器件的导电性质与其价带、导带的填充情况密切相关。
在绝缘体中，价带被填满，导带空无一人，因此无法形成电流。
而在导体中，价带和导带之间的能隙非常小，电子可以自由跃迁，形成电流。
而半导体器件处于这两者之间，其导电性质可以通过控制其能带填充情况来改变。
掺杂是一种常见的改变导电性质的方法，通过在半导体中引入掺杂原子，可以在价带或导带中引入额外的电子或空穴，从而改变其导电性质。
半导体器件的导电性质不仅与能带理论有关，还与外界条件和器件结构密切相关。
温度是影响半导体导电性质的重要因素之一。
随着温度的升高，半导体的晶格振动会增强，导致电子和空穴的散射增多，从而导致导电性质的变化。
此外，半导体器件的结构也会对其导电性质产生影响。
常见的器件结构包括PN结、MOS结构等。
这些结构中的电场分布会改变能带的形状，从而影响器件的导电性质。
半导体器件的能带理论和导电性质在实际应用中具有重要意义。
例如，半导体器件在电子器件中的应用已非常广泛。
半导体二极管、晶体管、集成电路等器件都是基于能带理论和导电性质设计和制造的。
这些器件的研究和发展推动了电子技术的迅速发展，使得现代社会充满了各种电子设备和应用。
此外，半导体器件的研究还对能源产业的发展产生了重要影响。
半导体材料中的能带理论
半导体材料中的能带理论在我们日常生活中，半导体材料无处不在，从电脑、手机到电视等电子设备，都离不开半导体的应用。
而实现这些应用的核心便是半导体材料中的能带理论。
本文将介绍半导体材料中的能带理论，让我们更好地了解半导体的工作原理。
尽管半导体材料具有导电性，但其与导体劣质材料截然不同。
导体中的电子在固体中自由移动，形成电流；而半导体材料中的电子却处于能带结构之中，只有在接受足够能量时才能跃迁到导带中。
这也就是半导体材料不能像导体那样具有低电阻的原因。
能带理论解释了电子跃迁的概念，其核心是能带和禁带。
将半导体材料的能级依照能量分成离散的段落，成为能带。
其中，最低能量的能带称为价带，而能量较高的能带称为导带。
两个能带之间的能级差距称为禁带。
在半导体晶体中，价带中的电子处于最低能量状态，表现为良好的绝缘性能。
而导带中的电子则可以在外加能量的作用下跃迁到该能带中，形成电流。
这也是半导体材料能够在适当条件下表现出导电性的原因。
通过掌握能带理论，我们能够更好地理解半导体材料的性质。
半导体材料可以细分为本征半导体和掺杂半导体两种类型。
本征半导体指的是未经掺杂的纯净半导体材料，在室温下具有较小的导电能力。
这是因为价带和导带之间的禁带较大，需要更高的能量才能使电子跃迁到导带中。
掺杂半导体是通过在纯净半导体材料中引入其他元素来改变其性质的材料。
掺入的外来元素称为杂质，根据添加的杂质类型不同，可以分为N型和P型半导体。
在N型半导体中，引入的杂质是含有多余电子的元素，如磷或氮。
这些多余的电子使得导带中的电子数增加，增强了导电性能。
而在P型半导体中，引入的杂质是含有缺少电子的元素，如铝或硼。
这些缺少的电子会产生空穴，可以看作正电荷载体，在电流传导中起到重要作用。
半导体材料中涉及的能带理论不仅仅是理论上的考虑，也是半导体器件设计和制造的基础。
例如，根据能带理论，半导体二极管被设计成具有不同能带结构的P 型和N型半导体材料。
当这两种半导体材料相接触时，由于电子跃迁的规则，形成了PN结，并形成了重要的电流控制功能。
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将其转化效率提高到7%，继
D
而迎来了DSSC的新时代。
TiO2染料敏化太阳能电池：DSSC
Dye-sensitized Solar Cell
近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人们的重视。 Honda-Fijishima效应： 本田-藤岛（Honda-Fijishima）在1972年发现，水溶液中的 TiO2电极被光照射后，光激发的电子进入半导体电极内部，空 穴到达半导体表面。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则 通过铂电极与氢离子相互作用。 结果是： 在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气。
在接触开始时，金属和半导体的间距大于原子的间距， 在两类材料的表面形成电势差Vms。
接触电势差：
Vms
Vm
V‘s
Ws
Wm q
紧密接触后，电荷的流动使得在半导体表面相当厚的一 层形成正的空间电荷区。空间电荷区形成电场，其电场 在界面处造成能带弯曲，使得半导体表面和内部存在电 势差，即表面势Vs。接触电势差分降在空间电荷区和金 属与半导体表面之间。但当忽略接触间隙时，电势主要 降在空间电荷区。
2013年春
现在考虑忽略间隙中的电势差时的 极限情形:
第3章 导电物理
3.5 能带理论的应用
2013年春-甄
3.5 能带理论的应用
（1）半导体的表面能级 （2）半导体与半导体的接触 （3）半导体与金属的接触
2013年春
（1） 半导体的表面能级
能带结构是在无限扩展的3维晶体产生的周期场的前提下得 到的。 在材料的表面，势场不再与晶体内部的周期性势场相同， 所以材料表面的电子能级分布就会发生变化。
图3. p型半导体的表面能带结构
p-n结
（2） 半导体与半导体的接触
2013年春
图4. 表示p-n结在结合瞬间的能级状态
2013年春
图5.热平衡状态下的p-n结的能级状态
(a) 扩散电位;(b) 杂质浓度; (c) 载流子浓度；(d) 空间电荷
p-n结整流的原理：反向截止
•空间电荷层：以接触面为界限，n型区域有一个带正电的空 间电荷层，在p型区域有一个带负电的空间电荷层。这个空间 电荷层产生一个内电场。 •正向导通（扩散）顺着扩散电压的方向，即p型区域为正电 位，n型区域为负电位时，载流子容易流动。 •整流原理（漂移）：而逆着扩散电位的方向，即p型区域为 负电位，n型区域为正电位时，载流子不容易流动。这就是pn结整流的原理。
载流子运动定则：
在能带结构图中，电子的能级向上为越来越高，空穴的能级向下 为越来越高。 例如： 在N型半导体中，如果外来的射线将价带的电子激发到导带，同 时在价带留下空穴。
电子，空穴如何运动？（提示：往低能级移动）
2013年春
激发电子就会向半导体内部移动， 而空穴则会向半导体表面移动。
思考：
Wm Ws
即半导体的费米能EFs 高于金属的费米能EFm
Wm
E Fm
Ws
En
E0
EEFsc
金属的传导电子的浓度 很高，1022～1023cm-3 半导体载流子的浓度比 较2低013，年春1010～1019cm-3
金属
Ev n半导体
金属半导体接触前后能带图的变化：
E0
Wm
W
s
Ec
EFm
EFs
因为能带是连续的，禁带宽度不可改变，故形成能带弯曲。
N型半导体表面有一个很薄的P型反转层 •由于电子从内部向表面迁移，在表面会出现负电荷，而接近 表面的内部会因缺少电子而出现带正电荷的空穴。表面电势 •这些空穴的存在，使n型半导体的表面附近出现了一个p型的 反转层。（书中的能带图上看不出）
2013年春
此时，禁带较宽的半导体将吸收波长较短的光线，禁带较窄 的半导体则吸收波长较长的光线，可以利用的太阳光波长范 围更大，从而增加了太阳能利用效率。
哪个材料朝向太阳更好？
一般都将禁带宽度较大的半导体设计在朝向太阳 光一侧，这种半导体又称为电池的窗口材料。
2013年春
思考1：在太阳能电池中窗口层材料是什么？有什么作用？ 答：窗口层的意思同他的中文意思是一样的，指太阳能电池首先接受光的地
2013年春
图6 异质结的光伏特效应原理
（3）半导体与金属的接触
半导体
半导体
金属
金属
What?
能带结构发生变化
2013年春
新的物理效应和应用
典型的金属与半导体接触有两类： 一类是整流接触，即制成肖特基势垒二极管， 另一类是非整流接触，即欧姆接触 半导体与金属的接触状态与这两种材料的功函数有关。 材料的功函数，是指材料的费密能级与真空能级之间的差值。
Honda-Fijishima效应给了人们一种利用太阳能将水分解成 氢气和氧气的可能性。
电解水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁带至少要 1.23eV以上，实际需要2eV以上。
二氧化钛的禁带有3eV，满足此条件，SnO2也满足此条件。
局限：由于TiO2半导体的禁带宽度比较大，如果制成太阳 能电池，则只有波长很短的紫外线能够将TiO2的价带电子 激发到导带上去，因此对太阳能的利用效率很低。
解决方法：可以在TiO2 表面吸附染料，这些染料能够吸收 大部分太阳光线，染料中激发出来的电子又注入到TiO2 的 导带上。同时将TiO2制成纳米晶体，以增加吸附染料的面 积。这样制得 “纳米TiO2染料敏化太阳能电池”。
和其他太阳能电池不同，在染料敏化太阳能电池中，光的捕获和 光生载流子的传输是由敏化剂和TiO2半导体分别完成的。
E0
E0为真空中电子的能量， 又称为真空能级。
Wm
(EF)m
金属铯Cs的功函数最低1.93eV，Pt最高为5.36eV
2013年春
2、半导体的功函数 Ws
E0与费米能级之差称为半导体 的功函数。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ即：Ws E0 (EF )s
E0
χ Ws
Ec
En
(EF)s
Ev
用Χ表示从Ec到E0的能量间隔：
E0 Ec
2013年春
2013年春
图6 金属与n型半导体的整流接触 (a) 接触前;(b) 接触后
n型半导体与金属接触的情况1： 假设ФM>ФS
1）反向：如果加上偏压，使金属与负极连接，半导体与正极连 接，电子在此偏压的作用下从金属流向半导体，要越过一个很大 的势垒。故此时为反向偏压，电流很小。
2）正向：如果使金属与正极连接，半导体与负极连接，电子在 此偏压下从半导体流向金属，要越过的势垒较小，此时为正向偏 压，电流较大。
2013年春
补充：
备注： 1）阻挡层：高电阻区，理解为肖特基接触 2）反阻挡层：高电导区，理解为欧姆接触
2013年春
金属和半导体的功函数 Wm 、Ws
1、金属的功函数 Wm
表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内 部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。
即：Wm E0 (EF )m
p-n结不仅能将光子能量转变成电荷能量，更重要的是能够在 空间位置上将正负电荷分离开来。
如果在p-n结的外部接上回路，这些被分离的正负电荷就可以 通过回路相互结合，这就是太阳能电池。
2013年春
异质结太阳能电池：工作原理
异质结：可以将两个禁带宽度不同的半导体材料组成p-n结， 这种由不同材料组成的p-n结又称异质结。
故常用亲和能表征半导体
Ws Eo (EF )s Eg Ep
式中： Ep (EF )s Ev
2013年春
半导体
金属 能带结构发生变化
3、金属/半导体接触
半导体 金属
What?
新的物理效应 和应用
2013年春
金属与半导体的接触及接触电势差
1. 阻挡层接触
（1） 设想有一块金属和一块n型半导体，并假定 金属的功函数大于半导体的功函数，即：
此时金属的费密能级较高，电子从金属流向半导体，使金属表 面带正电。半导体表面因积累电子而带负电，半导体内部电子 增多而费密能级上升。当半导体和金属的费密能级相等时，电 子停止流动，达到平衡状态。
半导体表面能带向下弯曲，金属与半导体界面没有势垒。无论 所加的偏压极性如何，电子都可以自由通过界面，此时的半导 体与金属的接触状态称为欧姆接触 。
2013年春
图1 晶体表面的能带结构
N型半导体表面能级？
•判断一个系统是否处于平衡状态的根据是看其费密能级是否相等。 •两个分立的材料，费密面可以不一样。 •但如果这两个材料连成一个系统，就会在这两个材料之间发生电 荷的移动，最终使费密能级相等。
图2. n型半导体的表面能级
为了达到平衡，位于表面附近的电子就会移到表面去，占 据表面电子能级，最后表面的费米能级与内部相等。
接触前
Ev
接触前，半导体的费米能 级高于金属（相对于真空 能级），所以半导体导带 的电子有向金属流动的可 能
2013年春
E0
接触后
qm
在半E导F 体内，电 场从右到左，越 靠左，电子动能 xd 越小，势能越高
qVD Ec EF
Ev
接触后，金属和半导体的费
米能级应该在同一水平，半导体 的导带电子必然要流向金属，而 达到统一的费米能