《半导体与PN结》PPT课件.ppt

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1、第二章：半第二章：半导体与体与PN结2022/10/26UNSW新南威尔士大学1 2.1简介简介 2.2基本原理基本原理 2.3载流子的产生载流子的产生 2.4载流子的复合载流子的复合 2.5载流子的运动载流子的运动 2.6 PN结结 2.1 简介介 一一直直以以来来，太太阳阳能能电池池与与其其它它的的电子子器器件件都都被被紧密密地地联系系在在一一起起。接接下下来来的的几几节将将讲述述半半导体体材材料料的的基基本本问题和和物物理理原原理理，这些些都都是是光光伏伏器器件件的的核核心心知知识。这些些物物理理原原理理可可以以用用来来解解释PN结的的运运作作机机制制。PN结不不仅是是太太阳阳能能电池池

2、的的核核心心基基础，还是是绝大多数其它大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基子器件如激光和二极管的重要基础。2022/10/262 右图是一个右图是一个硅锭硅锭，由，由一个大的单晶硅组成，这一个大的单晶硅组成，这样一个硅锭可以被切割成样一个硅锭可以被切割成薄片然后被制成不同半导薄片然后被制成不同半导体器件，包括太阳能电池体器件，包括太阳能电池和电脑芯片。和电脑芯片。2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构 半半导体体是是由由许多多单原原子子组成成的的，它它们以以有有规律律的的周周期期性性的的结构构键合合在在一一起起，然然后后排排列列成成型型，借借此此，每每个个原原子子都都被被8个

3、个电子子包包围着着。一一个个单原原子子由由原原子子核核和和电子子构构成成，原原子子核核则包包括括了了质子子（带正正电荷荷的的粒粒子子）和和中中子子（电中中性性的的粒粒子子），而而电子子则围绕在在原原子子核核周周围。电子子和和质子子拥有有相相同同的的数数量量，因因此此一一个个原原子子的的整整体体是是显电中中性性的的。基基于于原原子子内内的的电子子数数目目（元元素素周周期期表表中中的的每每个个元元素素都都是是不不同同的的），每每个个电子子都都占占据据着特定的能着特定的能级。2022/10/263 半半导体体材材料料可可以以来来自自元元素素周周期期表表中中的的族族元元素素，或或者者是是族族元元素素与

4、与族族元元素素相相结合合（叫叫做做 -型型半半导体体 ），还可可以以是是族族元元素素与与族族元元素素相相结合合（叫叫做做 -型型半半导体体 ）。硅硅是是使使用用最最为广广泛泛的的半半导体体材材料料，它它是是集集成成电路路（ICIC）芯芯片片的的基基础，也也是是最最为成成熟熟的的技技术，而而大大多多数数的的太太阳阳能能电池池也也是是以以硅硅作作为基基本本材材料料的的。硅硅的的相相关关材材料料性性能能将将在在硅的材料性硅的材料性质一一节给出。出。4 2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构右右图图展展示示了了一一种种半半导导体体的的结结构构。硅硅晶晶格格中中的共价键示意图。的共价键示意

5、图。硅原子硅原子共价键共价键 2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构 上上图图是是元元素素周周期期表表的的一一部部分分。相相同同半半导导体体材材料料以以蓝蓝色色字字体体显显示示。半半导导体体可可以以由由单单原原子子构构成成，如如Si或或Ge，化化合合物物，如如GaAs、InP、CdTe，还还可可以以是是合合金金，如如SixGe（1-x）或或AlxGa（1-x）As。其中其中X是元素的组分，数值从是元素的组分，数值从0到到1。半半导体体的的价价键结构构决决定定了了半半导体体材材料料的的性性能能。一一个个关关键影影响响就就是是限限制制了了电子子能能占占据据的的能能级和和电子子在在晶晶

6、格格之之间的的移移动。半半导体体中中，围绕在在每每个个原原子子的的电子子都都是是共共价价键的的一一部部分分。共共价价键就就是是两两个个相相邻的的原原子子都都拿拿出出自自己己的的一一个个电子子来来与与之之共共用用，这样，每每个个原原子子便便被被8个个电子子包包围着着。共共价价键中中的的电子子被被共共价价键的的力力量量束束缚着着，因因此此它它们总是是限限制制在在原原子子周周围的的某某个个地地方方。因因为它它们不不能能移移动或或者者自自行行改改变能能量量，所所以以共共价价键中中的的电子子不不能能被被认为是是自自由由的的，也也不不能能够参参与与电流流的的流流动、能能量量的的吸吸收收以以及及其其它与太阳

7、能它与太阳能电池相关的物理池相关的物理过程。程。2022/10/266 2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构 2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构 然然而而，只只有有在在绝绝对对零零度度的的时时候候才才会会让让全全部部电电子子都都束束缚缚在在价价键键中中。在在高高温温下下，电电子子能能够够获获得得足足够够的的能能量量摆摆脱脱共共价价键键，而而当当它它成成功功摆摆脱脱后后，便便能能自自由由地地在在晶晶格格之之间间运运动动并并参参与与导导电电。在在室室温温下下，半半导导体体拥拥有有足足够够的的自自由由电电子子使使其其导导电电，然然而而在在到到达达或或接接近近绝绝对零

8、度的时候，它就像一个绝缘体。对零度的时候，它就像一个绝缘体。2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构 价价键键的的存存在在导导致致了了电电子子有有两两个个不不同同能能量量状状态态。电电子子的的最最低低能能量量态态是是其其处处在在价价带带的的时时候候。然然而而，如如果果电电子子吸吸收收了了足足够够的的热热能能来来打打破破共共价价键键，那那么么它它将将进进入入导导带带成成为为自自由由电电子子。电电子子不不能能处处在在这这两两个个能能带带之之间间的的能能量量区区域域。它它要要么么束束缚缚在在价价键键中中除除于于低低能能量量状状态态，要要么么获获得得足足够够能能量量摆摆脱脱共共价价键键，但

9、但它它吸吸收收的的能能量量有有个个最最低低限限度度，这这个个最最低低能能量量值值被被叫叫做做半半导导体体的的“禁禁带带”。自自由由电电子子的的数数量量和和能量是研究电子器件性能的基础能量是研究电子器件性能的基础。电子子摆脱脱共共价价键后后留留下下来来的的空空间能能让共共价价键从从一一个个电子子移移动到到另另一一个个电子子，也也因因此此出出现了了正正电荷荷在在晶晶格格中中运运动的的现象象。这个个留留下下的的空空位位置置通通常常被被叫叫做做“空穴空穴”，它与，它与电子相似但是子相似但是带正正电荷。荷。9 右边动画展示右边动画展示了当电子能够逃脱共了当电子能够逃脱共价键时自由电子和空价键时自由电子和

10、空穴是如何形成的穴是如何形成的 2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构对于太阳能于太阳能电池来池来说，半，半导体最重要的参数是：体最重要的参数是：1.禁禁带宽度度 2.能参与能参与导电的自由的自由载流子的数目流子的数目 3.当光射入到半当光射入到半导体材料体材料时，自由，自由载流子的流子的产生和复生和复 合。合。关于关于这些参数的更些参数的更详细描述将在下面几描述将在下面几页给出。出。2022/10/26UNSW新南威尔士大学10 2.2.1 基本原理基本原理 -半半导体的体的结构构 半半导导体体的的禁禁带带宽宽度度是是指指一一个个电电子子从从价价带带运运动动到到能能参参与与导导

11、电电的的自自由由状状态态所所需需要要吸吸收收的的最最低低能能量量值值。半半导导体体的的价价键键结结构构显显示示了了（y轴轴）电电子子的的能能量量，此此图图也也被被叫叫做做“能能带带图图”。半半导导体体中中比比较较低低的的能能级级被被叫叫做做“价价带带”（Ev valence band），而而处处于于其其中中的的电电子子能能被被看看成成自自由由电电子子的的能能级级叫叫“导导带带”（Ec）。处于导带和价带之间的便是禁带（处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。）了。2.2.2 基本原理基本原理-禁禁带 2.2.2 基本原理基本原理-禁禁带2022/10/26UNSW新南威尔士大学12 固体中电子的

12、能固体中电子的能带示意图。带示意图。一一旦旦进入入导带，电子子将将自自由由地地在在半半导体体中中运运动并并参参与与导电。然然而而，电子子在在导带中中的的运运动也也会会导致致另另外外一一种种导电过程程的的发生生。电子子从从原原本本的的共共价价键移移动到到导带必必然然会会留留下下一一个个空空位位。来来自自周周围原原子子的的电子子能能移移动到到这个个空空位位上上，然然后后又又留留下下了了另另外外一一个个空空位位，这种种留留给电子子的的不不断断运运动的的空空位位，叫叫做做“空空穴穴”，也也可可以以看看作作在晶格在晶格间运运动的正的正电荷。荷。2022/10/26UNSW新南威尔士大学13 2.2.2

13、基本原理基本原理-禁禁带 2.2.2 基本原理基本原理-禁禁带 因因此此，电电子子移移向向导导带带的的运运动动不不仅仅导导致致了了电电子子本本身身的的移移动动，还还产产生生了了空空穴穴在在价价带带中中的的运运动动。电电子子和和空空穴穴都能参与导电并都能参与导电并都称为都称为“载流子载流子”。移移动动的的“空空穴穴”这这一一概概念念有有点点类类似似于于液液体体中中的的气气泡泡。尽尽管管实实际际上上是是液液体体在在流流动动，但但是是把把它它想想象象成成是是液液体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。2.2.3 基本原理基本原理 -本征本征载流子流子浓度度 把

14、把电子子从从价价带移移向向导带的的热激激发使使得得价价带和和导带都都产生生载流流子子。这些些载流流子子的的浓度度叫叫做做本本征征载流流子子浓度度，用用符符号号ni表表示示。没没有有注注入入能能改改变载流流子子浓度度的的杂质的的半半导体体材材料料叫叫做做本本征征材材料料。本本征征载流流子子浓度度就就是是指指本本征征材材料料中中导带中中的的电子子数数目目或或价价带中中的的空空穴穴数数目目。载流流子子的的数数目目决决定定于于材材料料的的禁禁带宽度度和和材材料料的的温温度度。宽禁禁带会会使使得得载流流子子很很难通通过热激激发来来穿穿过它它，因因此此宽禁禁带的的本本征征载流流子子浓度度一一般般比比较低低

15、。但但还可可以以通通过提提高高温温度度让电子子更容易被激更容易被激发到到导带，同，同时也提高了本征也提高了本征载流子的流子的浓度。度。2022/10/2615导带导带价带价带 2.2.3 基本原理基本原理 -本征本征载流子流子浓度度 下下图图显显示示了了两两个个温温度度下下的的半半导导体体本本征征载载流流子子浓浓度度。需需要要注注意意的的是是，两两种种情情况况中中，自自由由电电子子的的数数目目与与空空穴穴的的数数目目都是相等的。都是相等的。室温室温高温高温 2.2.4 基本原理基本原理-掺杂 通通过掺入入其其它它原原子子可可以以改改变硅硅晶晶格格中中电子子与与空空穴穴的的平平衡衡。比比硅硅原原

16、子子多多一一个个价价电子子的的原原子子可可以以用用来来制制成成n型型半半导体体材材料料，这种种原原子子把把一一个个电子子注注入入到到导带中中，因因此此增增加加了了导带中中电子子的的数数目目。相相对的的，比比硅硅原原少少一一个个电子子的的原原子子可可以以制制成成p型型半半导体体材材料料。在在p型型半半导体体材材料料中中，被被束束缚在在共共价价键中中的的电子子数数目目比比本本征征半半导体体要要高高，因因此此显著著地地提提高高了了空空穴穴的的数数目目。在在已已掺杂的的材材料料中中，总是是有有一一种种载流流子子的的数数目目比比另另一一种种载流流子子高高，而而这种种浓度度更更高高的的载流流子子就就叫叫“

17、多多子子”，相相反反，浓度度低低的的载流子就叫流子就叫“少子少子”。2022/10/26UNSW新南威尔士大学17 2.2.4 基本原理基本原理-掺杂 下面的示意图描述了单晶硅掺杂后制成下面的示意图描述了单晶硅掺杂后制成n型和型和p型半导体。型半导体。2022/10/2619下表总结了不同类型半导体的特性下表总结了不同类型半导体的特性P型（正）型（正）N型（负）型（负）掺杂掺杂族元素族元素（如硼）（如硼）族元素族元素（如磷）（如磷）价键价键失去一个电子失去一个电子（空穴）（空穴）多出一个电子多出一个电子多子多子空穴空穴电子电子少子少子电子电子空穴空穴 2.2.4 基本原理基本原理-掺杂 下下面

18、面的的动画画展展示示了了p型型硅硅与与n型型硅硅。在在一一块典典型型的的半半导体体中中，多多子子浓度度可可能能达达到到1017cm-3，少少子子浓度度则为106cm-3。这是是一一个个怎怎样的的数数字字概概念念呢呢？少少子子与与多多子子的的比比例例比比一一个个人人与与地地球球总的的人人口口数数目目的的比比还要要小小。少少子子既既可可以以通通过热激激发又又可可以以通通过光照光照产生。生。2022/10/26UNSW新南威尔士大学20N型半导体。之所以叫型半导体。之所以叫n型是因为多型是因为多子是带负电的电子（子是带负电的电子（Negatively charged electrons）。）。P型半

19、导体。之所以叫型半导体。之所以叫p型是因为型是因为多子是带正电的空穴（多子是带正电的空穴（Positively charged holes）。2.2.4 基本原理基本原理-掺杂 2.2.5 基本原理基本原理-平衡平衡载流子流子浓度度 在在没没有有外外加加偏偏压的的情情况况下下，导带和和价价带中中的的载流流子子浓度度就就叫叫本本征征载流流子子浓度度。对于于多多子子来来说，其其平平衡衡载流流子子浓度度等等于于本本征征载流流子子浓度度加加上上掺杂入入半半导体体的的自自由由载流流子子的的浓度度。在在多多数数情情况况下下，掺杂后后半半导体体的的自自由由载流流子子浓度度要要比比本本征征载流流子子浓度度高高

20、出出几几个个数数量量级，因因此此多多子子的的浓度度几几乎乎等等于于掺杂载流子的流子的浓度。度。在在平平衡衡状状态下下，多多子子和和少少子子的的浓度度为常常数数，由由质量量作作用用定律定律可得其数学表达式。可得其数学表达式。n0p0=n2i 式式中中ni表表示示本本征征载流流子子浓度度，n0和和p0分分别为电子子和和空空穴穴的平衡的平衡载流子流子浓度。度。2022/10/26UNSW新南威尔士大学21 2.2.5 基本原理基本原理-平衡平衡载流子流子浓度度使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：上上面面的的方方程程显显示示少少子子的的浓浓度度随

21、随着着掺掺杂杂水水平平的的增增加加而而减减少少。例例如如，在在n型型材材料料中中，一一些些额额外外的的电电子子随随着着掺掺杂杂的的过过程程而而加加入入到到材材料料当当中中并并占占据据价价带带中中的的空空穴穴，空穴的数目随之下降。空穴的数目随之下降。n型型 n0=NDP0=n2i/ND p型型 P0=NAn0=n2i/NA 下图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。下图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。N型半导体材料型半导体材料低掺杂低掺杂高掺杂高掺杂价带价带价带价带导带导带导带导带 2.2.5

22、基本原理基本原理-平衡平衡载流子流子浓度度 载流子的流子的产生生-光的吸收光的吸收 入入射射到到半半导体体表表面面的的光光子子要要么么在在表表面面被被反反射射，要要么么被被半半导体体材材料料所所吸吸收收，或或者者两两者者都都不不是是，即即只只是是从从此此材材料料透透射射而而过。对于于光光伏伏器器件件来来说，反反射射和和透透射射通通常常被被认为损失失部部分分，就就像像没没有有被被吸吸收收的的光光子子一一样不不产生生电。如如果果光光子子被被吸吸收收，将将在在价价带产生生一一个个电子子并并运运动到到导带。决决定定一一个个光光子子是是被被吸吸收收还是是透透射射的的关关键因因素素是是光光子子的的能能量量

23、。基基于于光光子子的的能能量量与与半半导体禁体禁带宽度的比度的比较，入射到半，入射到半导体材料的光子可以分体材料的光子可以分为三种：三种：1.EphEg 光子能量大于禁光子能量大于禁带宽度并被度并被强烈吸收。烈吸收。2022/10/26UNSW新南威尔士大学24 下面的下面的动画展示了三种不同能量画展示了三种不同能量层次的光子在半次的光子在半导体体内内产生的效生的效应。2022/10/26UNSW新南威尔士大学25 载流子的流子的产生生-光的吸收光的吸收 载流子的流子的产生生-光的吸收光的吸收 对光的吸收即产生了多子又产生少子。对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很在很多光伏应用中多光伏应用中

24、，光生载流子的数目光生载流子的数目要比由于掺杂要比由于掺杂而产生的多子的数目而产生的多子的数目低低几个数量级。因此，在被几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要生的少子的数目要远高于远高于原本无光照时的光子数原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。几乎等于光产生的少子数目。载流子的流子的产生生-吸收系数吸收系数 吸吸收收系系数数决决定定着着一

25、一个个给定定波波长的的光光子子在在被被吸吸收收之之前前能能在在材材料料走走多多远的的距距离离。如如果果某某种种材材料料的的吸吸收收系系数数很很低低，那那么么光光将将很很少少被被吸吸收收，并并且且如如果果材材料料的的厚厚度度足足够薄薄，它它就就相相当当于于透透明明的的。吸吸收收系系数数的的大大小小决决定定于于材材料料和和被被吸吸收收的的光光的的波波长。在在半半导体体的的吸吸收收系系数数曲曲线图中中出出现了了一一个个很很清清晰晰的的边缘，这是是因因为能能量量低低于于禁禁带宽度度的的光光没没有有足足够的的能能量量把把电子子从从价价带转移到移到导带。因此，光。因此，光线也就没被吸收了。也就没被吸收了。

26、载流子的流子的产生生-吸收系数吸收系数砷化镓砷化镓磷化铟磷化铟锗锗硅硅下下图图显显示示几几种种半半导导体体材材料料的的吸吸收收系系数数：四四种种不不同同半半导导体体在温度为在温度为300K时的吸收系数时的吸收系数，实验在真空在真空环境下境下进行。行。该该图图表表明明，即即使使是是那那些些能能量量比比禁禁带带宽宽度度高高的的光光子子，它它们们的的吸吸收收系系数数也也不不是是全全都都相相同同的的，而而是是与与波波长长有有密密切切的的联联系。系。一一个个光光子子被被吸吸收收的的概概率率取取决决于于这个个光光子子能能与与电子子作作用用（即即把把电子子从从价价带转移移到到导带）的的可可能能性性。对于于一

27、一个个能能量量大大小小非非常常接接近近于于禁禁带宽度度的的光光子子来来说，其其吸吸收收的的概概率率是是相相对较低低的的，因因为只只有有处在在价价带边缘的的电子子才才能能与与之之作作用用并并被被吸吸收收。当当光光子子的的能能量量增增大大时，能能够与与之之相相互互作作用用并并吸吸收收光光子子的的电子子数数目目也也会会增增大大。然然而而，对于于光光伏伏应用用来来说，比比禁禁带宽度度多多出出的的那那部部分分光光子子能能量量是是没没有有实际作作用用的的，因因为运运动到到导带后的后的电子又很快因子又很快因为热作用回到作用回到导带的的边缘。硅的其它光学性硅的其它光学性质在在硅的光学性硅的光学性质一一节中中给

28、出。出。2022/10/26UNSW新南威尔士大学29 载流子的流子的产生生-吸收系数吸收系数 载流子的流子的产生生-吸收深度吸收深度 吸吸收收系系数数与与波波长的的关关系系导致致了了不不同同波波长的的光光在在被被完完全全吸吸收收之之前前进入入半半导体体的的深深度度的的不不同同。下下面面将将给出出另另一一个个参参数数-吸吸收收深深度度，它它与与吸吸收收系系数数成成反反比比例例关关系系，即即为-1。吸吸收收深深度度是是一一个个非非常常有有用用的的参参数数，它它显示示了了光光在在其其能能量量下下降降到到最最初初强度度的的大大概概36%（或或者者说1/e）的的时候候在在材材料料中中走走的的深深度度。

29、因因为高高能能量量光光子子的的吸吸收收系系数数很很大大，所所以以它它在在距距离离表表面面很很短短的的深深度度就就被被吸吸收收了了（例例如如硅硅太太阳阳能能电池池就就在在几几微微米米以以内内），而而红光光在在这种种距距离离的的吸吸收收就就很很弱弱。即即使使是是在在几几微微米米之之后后，也也不不是是所所有有的的红光光都都能能被被硅硅吸收。吸收。2022/10/26UNSW新南威尔士大学30 载流子的流子的产生生-吸收深度吸收深度 蓝光在离表面非常近处蓝光在离表面非常近处就被吸收而大部分的红光则在就被吸收而大部分的红光则在器件的深处才被吸收。器件的深处才被吸收。动画画显示了示了红光与光与蓝光的光的吸

30、收深度的不同。吸收深度的不同。下下图显示了几种半示了几种半导体的吸收深度：体的吸收深度：2022/10/2632 载流子的流子的产生生-吸收深度吸收深度 载流子的流子的产生生-生成率生成率 生生成成率率是是指指被被光光线照照射射的的半半导体体每每一一点点生生成成电子子的的数数目目。忽忽略略反反射射，半半导体体材材料料吸吸收收光光线的的多多少少决决定定于于吸吸收收系系数数（单位位为cm-1）和和半半导体体的的厚厚度度。半半导体体中中每每一一点点中中光的光的强度可以通度可以通过以下的方程以下的方程计算：算：I=I0e-x 式式中中为材材料料的的吸吸收收系系数数，单位位通通常常为cm-1，x为光光入

31、入射到材料的深度，射到材料的深度，I0为光在材料表面的功率光在材料表面的功率强度。度。该方方程程可可以以用用来来计算算太太阳阳能能电池池中中产生生的的电子子空空穴穴对的数目的数目。2022/10/26UNSW新南威尔士大学33 假假设减减少少的的那那部部分分光光线能能量量全全部部用用来来产生生电子子空空穴穴对，那那么么通通过测量量透透射射过电池池的的光光线强度度便便可可以以算算出出半半导体体材材料料生生成成的的电子子空空穴穴对的的数数目目。因因此此，对上上面面的的方方程程进行行微分将得到半微分将得到半导体中任何一点的生成率。即体中任何一点的生成率。即 G=N0e-x 其中其中N0为表面的光子通

32、量（光子表面的光子通量（光子/单位面位面积.秒）秒）为吸收系数，吸收系数，x为进入材料的距离。入材料的距离。方方程程显示示，光光的的强度度随随着着在在材材料料中中深深度度的的增增加加呈呈指指数数下降，即材料表面的生成率是最高的。下降，即材料表面的生成率是最高的。2022/10/2634 载流子的流子的产生生-生成率生成率 载流子的流子的产生生-生成率生成率进入硅的深度进入硅的深度进入硅的深度进入硅的深度电电子子空空穴穴对对的的生生成成率率 对于于光光伏伏应用用来来说，入入射射光光是是由由一一系系列列不不同同波波长的的光光组成成的的，因因此此不不同同波波长光光的的生生成成率率也也是是不不同同的的

33、。下下图显示三种不同波示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。的光在硅材料中的生成率。计算算一一系系列列不不同同波波长的的光光的的生生成成率率时，净的的生生成成率率等等于于每每种种波波长的的总和和。下下图显示示入入射射到到硅硅片片的的光光为标准准太太阳阳光光谱时，不不同同深深度度的的生生成成率率大大小小。Y轴的的范范围大大小小是是成成对数数的的，显示示着着在在电池池表表面面产生生了了数数量量巨巨大大的的电子子空空穴穴对，而而在在电池池的的更更深深处，生生成成率几乎是常数。率几乎是常数。2022/10/2636 载流子的流子的产生生-生成率生成率 复合理复合理论-复合的复合的类型型 所有所有处在在

34、导带中的中的电子都是子都是亚稳定状定状态的，并最的，并最终会会回到价回到价带中更低的能量状中更低的能量状态。它必。它必须移回到一个空的价移回到一个空的价带能能级中，所以，当中，所以，当电子回到价子回到价带的同的同时也有效地消除了一也有效地消除了一个空穴。个空穴。这种种过程叫做复合。在程叫做复合。在单晶半晶半导体材料中，复合体材料中，复合过程大致可以分程大致可以分为三种：三种：辐射复合射复合俄歇复合俄歇复合肖克莱肖克莱-雷德雷德-霍霍尔复合复合这些复合在右些复合在右边的的动画中都有画中都有描述。描述。2022/10/26 辐射复合射复合 辐射射复复合合是是LED灯灯和和激激光光这类的的半半导体体

35、器器件件的的主主要要复复合合机机制制。然然而而，对于于由由硅硅制制成成的的陆地地用用太太阳阳能能电池池来来说，辐射射复复合合并并不不是是主主要要的的，因因为硅硅的的禁禁带并并不不是是直直接接禁禁带，它它使使得得电子子不不能直接从价能直接从价带跃迁到迁到导带。辐射复合的几个主要特征是：射复合的几个主要特征是：1）在）在辐射复合中，射复合中，电子与空穴直接在子与空穴直接在导带结合并合并释放一个放一个 光子。光子。2）释放的光子的能量近似于禁放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，度，所以吸收率很低，大部分能大部分能够飞出半出半导体。体。2022/10/26UNSW新南威尔士大学38 复合理复

36、合理论-复合的复合的类型型通过复合中心的复合通过复合中心的复合 通通过过复复合合中中心心的的辐辐射射也也被被叫叫做做肖肖克克莱莱-莱莱德德-霍霍尔尔或或SRH复复合合，它它不不会会发发生生在在完完全全纯纯净净的的、没没有有缺缺陷陷的的材材料料中中。SRH复合过程分为两步：复合过程分为两步：1）一一个个电电子子（或或空空穴穴）被被由由晶晶格格中中的的缺缺陷陷产产生生的的禁禁带带中中的的一一个个能能级级所所俘俘获获。这这些些缺缺陷陷要要么么是是无无意意中中引引入入的的要要么么是是故故意意加入加入 到材料当中去的，比如往材料中掺杂。到材料当中去的，比如往材料中掺杂。复合理复合理论-复合的复合的类型型

37、 2）如如果果在在电子子被被热激激发到到导带之之前前，一一个个空空穴穴（或或电子子）也也被俘被俘获到同一个能到同一个能级中，那么复合中，那么复合过程就完成了。程就完成了。载流流子子被被俘俘获到到禁禁带中中的的缺缺陷陷能能级的的概概率率取取决决于于能能级到到两两能能带（导带和和禁禁带）的的距距离离。因因此此，如如果果一一个个能能级被被引引入入到到靠靠近近其其中中一一能能带的的边缘地地区区，发生生复复合合的的可可能能性性将将比比较小小，因因为电子子比比较容容易易被被激激发到到导带去去，而而不不是是与与从从价价带移移动到到同同一一个个能能级的的空空穴穴复复合合。基基于于这个个因因素素，处在在禁禁带中

38、中间的的能能级发生复合的概率最大。生复合的概率最大。2022/10/26UNSW新南威尔士大学40 复合理复合理论-复合的复合的类型型 俄歇复合俄歇复合 一一个个俄俄歇歇复复合合过程程有有三三个个载流流子子参参与与。一一个个光光子子与与一一个个空空穴穴复复合合后后，其其释放放的的能能量量并并不不是是以以热能能或或光光子子的的形形式式传播播出出去去，而而是是把把它它传给了了第第三三个个载流流子子，即即在在导带中中的的电子子。这个个电子接收能量后因子接收能量后因为热作用最作用最终又回到又回到导带的的边缘。俄俄歇歇复复合合是是重重掺杂材材料料和和被被加加热至至高高温温的的材材料料最最主主要要的复合形

39、式的复合形式。2022/10/26UNSW新南威尔士大学41 复合理复合理论-复合的复合的类型型 如如果果半半导导体体中中少少子子的的数数目目因因为为外外界界的的短短暂暂激激发发而而在在原原来来平平衡衡的的基基础础上上增增加加，这这些些额额外外激激发发的的少少子子将将因因为为复复合合过过程程而而渐渐渐渐衰衰退退回回原原本本平平衡衡时时的的状状态态。在在太太阳阳能能电电池池中中一一个个重重要要的的参参数数是是复复合合发发生生的的速速率率，这这样样也也叫叫做做”复复合合率率”。复复合合率率决决定定于于额额外外少少子子的的数数目目。例例如如，当当没没有有额额外外少少子子时时，复复合合率率将将为为零零

40、。“少少子子寿寿命命”（用用符符号号 和和 表表示示）是是指指产产生生电电子子空空穴穴对对之之后后处处在在激激发发状状态态的的载载流流子子在在复复合合之之前前能能存存在在的的平平均均时时间间。还还有有一一个个相相关关的的参参数数少少子子扩扩散散长长度度，是是指指在在复复合合之之前前一一个个载载流流子子从从产产生生处处开始运动的开始运动的平均路程平均路程。复合理复合理论-扩散散长度度2022/10/26UNSW新南威尔士大学42 少少数数载载流流子子寿寿命命和和扩扩散散长长度度在在很很大大程程度度上上取取决决于于材材料料的的类类型型和和复复合合的的数数量量。对对于于许许多多种种类类的的硅硅太太阳

41、阳能能电电池池来来说说，SRH复复合合是是主主要要的的复复合合机机制制。而而复复合合率率则则决决定定于于材材料料中中存存在在的的缺缺陷陷数数量量，因因此此，当当太太阳阳能能电电池池的的掺掺杂杂量量增增加加时时，SRH复复合合的的速速率率也也将将随随着着增增加加。另另外外，因因为为俄俄歇歇复复合合更更多多的的是是在在重重掺掺杂杂和和被被加加热热的的材材料料发发生生，所所以以俄俄歇歇复复合合过过程程也也会会随随着着掺掺杂杂的的增增加加而而增增强强。此此外外，生生成成半半导导体体薄薄片片的的方方法法和和过过程程对对扩扩散散长度也有重要影响。长度也有重要影响。复合理复合理论-扩散散长度度2022/10

42、/26UNSW新南威尔士大学44 右图为高效率的右图为高效率的PERL（NSW特有特有技术技术）多晶硅太阳能电池的比色图。）多晶硅太阳能电池的比色图。图下的比例系数代表着光生载流子的图下的比例系数代表着光生载流子的多少以及由于太阳能电池中扩散长度多少以及由于太阳能电池中扩散长度的不同而引起的电池中不同区域的差的不同而引起的电池中不同区域的差异，而扩散长度的不同是由多晶硅材异，而扩散长度的不同是由多晶硅材料的晶界变化造成的。料的晶界变化造成的。在在硅硅中中，少少子子寿寿命命可可以以达达到到1s。对于于单晶晶硅硅太太阳阳能能电池池来来说，扩散散长度度通通常常在在100-300m之之间。这两两个个参

43、参数数表表征征了了材材料料相相对于于电池池应用用的的质量量和适用度。和适用度。复合理复合理论-扩散散长度度 复合理复合理论-表面复合表面复合 任任何何在在半半导体体内内部部或或表表面面的的缺缺陷陷和和杂质都都会会促促进复复合合。因因为太太阳阳能能电池池表表面面存存在在着着严重重的的晶晶格格分分裂裂，所所以以电池池表表面面是是一一个个复复合合率率非非常常高高的的区区域域。高高复复合合率率导致致表表面面附附近近的的区区域域的的少少子子枯枯竭竭。就就如如扩散散这一一节所所解解释的的，某某些些区区域域的的低低载流流子子浓度度会会引引起起周周围高高浓度度区区域域的的载流流子子往往此此处扩散散。因因此此，

44、表表面面复复合合率率受受到到扩散散到到表表面面的的载流流子子的的速速率率的的限限制制。“表表面面复复合率合率”的的单位位为cm/sec，被用来描述表面的复合。，被用来描述表面的复合。2022/10/26UNSW新南威尔士大学45半导体表面的挂键引起了此处半导体表面的挂键引起了此处的高复合率。的高复合率。在在没没有有发生生复复合合的的表表面面，往往表表面面运运动的的载流流子子数数目目也也为零零，因因此此表表面面复复合合率率也也为零零。当当表表面面复复合合非非常常快快时,向向表表面面运运动的的载流流子子的的速速度度受受到到最最大大复复合合速速率率的的限限制制，而而对大大多多数数半半导体体来来说最最

45、大大速速度度为1107cm/sec。半半导体体表表面面的的缺缺陷陷是是由由于于晶晶格格排排列列在在表表面面处的的中中断断造造成成的的，即即在在表表面面处产生生挂挂键。减减少少挂挂键的的数数目目可可以以通通过在在半半导体体表表面面处生生长一一层薄薄膜膜以以连接接这些挂些挂键，这种方法也叫做种方法也叫做表面表面钝化化。2022/10/26UNSW新南威尔士大学46 复合理复合理论-表面复合表面复合 2.5.1 载流子的运流子的运动 -半半导体中体中载流子的运流子的运动 导带中中的的电子子和和价价带中中的的空空穴穴之之所所以以被被叫叫做做自自由由载流流子子，是是因因为它它们能能在在半半导体体晶晶格格

46、间移移动。一一个个很很简单但但在在多多数数情情况况下下都都适适用用的的对载流流子子运运动的的描描述述是是，在在一一定定温温度度下下，在在随随机机方方向向运运动的的载流流子子都都有有特特定定的的速速度度。在在与与晶晶格格原原子子碰碰撞撞之之前前，载流流子子在在随随机机方方向向运运动的的距距离离长度度叫叫做做散散射射长度度。一一旦旦与与原原子子发生碰撞，生碰撞，载流子将往不同的随机方向运流子将往不同的随机方向运动。载流流子子的的速速度度决决定定于于晶晶格格的的温温度度。在在温温度度为T 的的半半导体体内内载流流子子的的平平均均运运动能能量量为mv2/2，其其中中m为载流流子子的的质量量，v代代表表

47、热运运动速度。速度。2022/10/26UNSW新南威尔士大学472022/10/26UNSW新南威尔士大学48 尽管半导体中的载流子在尽管半导体中的载流子在不停地做随机运动，但是并不不停地做随机运动，但是并不存在载流子存在载流子势运动势运动，除非有浓，除非有浓度梯度或电场。因为载流子往度梯度或电场。因为载流子往每一个方向运动的概率都是一每一个方向运动的概率都是一样的，所以载流子往一个方向样的，所以载流子往一个方向的运动最终会被它往相反方向的运动最终会被它往相反方向的运动给平衡掉。的运动给平衡掉。2.5.1 载流子的运流子的运动 -半半导体中体中载流子的运流子的运动 热热运运动动速速度度指指的

48、的是是载载流流子子速速度度的的平平均均值值，即即载载流流子子的的速速度度是是分分散散的的、不不均均匀匀的的，有有些些速速度度快快有有些些则则很很慢慢。下下面面的的动动画画显显示了载流子的运动。示了载流子的运动。在在下下面面的的动画画中中，一一个个载流流子子在在与与晶晶格格原原子子碰碰撞撞之之前前在在随随机机方方向向运运动了了与与散散射射长度度相相等等的的距距离离（为了了看看得得更更加加清清晰晰，晶晶格格原原子子并并没没有有显示示出出来来）。在在与与晶晶格格原原子子碰碰撞撞后后，载流流子子再再次次以以随随机机方方向向运运动。下下面面的的动画画举出出了了50个个散散射射粒粒子子。尽尽管管在在动画画

49、中中碰碰撞撞的的次次数数很很少少，载流流子子的的势运运动（net motion）还是很小的。是很小的。2022/10/2649 2.5.1 载流子的运流子的运动 -半半导体中体中载流子的运流子的运动 载流子的运流子的运动-扩散散 如如果果半半导体体中中一一个个区区域域的的载流流子子浓度度要要比比另另一一个个区区域域的的高高，那那么么，由由于于不不停停的的随随机机运运动，将将引引起起载流流子子的的势运运动。当当出出现这种种情情况况时，在在两两个个不不同同浓度度的的区区域域之之间将将会会出出现载流流子子梯梯度度。载流流子子将将从从高高浓度度区区域域流流向向低低浓度度区区域域。这种种载流流子子的的流

50、流动叫叫做做“扩散散”，是是由由于于载流流子子的的随随机机运运动引引起起的的。在在器器件件的的所所有有区区域域中中，载流流子子往往某某一一方方向向的的运运动的的概概率率是是相相同同的的。在在高高浓度度区区域域，数数量量庞大大的的载流流子子不不停停地地往往各各个个方方向向运运动，包包括括往往低低浓度度方方向向。然然而而，在在低低浓度度区区域域只只存存在在少少量量的的载流流子子，这意意味味着着往往高高浓度度运运动的的载流流子子也也是是很很少少的的。这种种不不平平衡衡导致致了了从从高高浓度度区域往低区域往低浓度区域的度区域的势运运动。2022/10/26UNSW新南威尔士大学50 载流子的运流子的运