第2章半導(dǎo)體與PN結(jié)

第二章：半導(dǎo)體與PN結(jié)2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)1§2.1簡(jiǎn)介§2.2基本原理§2.3載流子的產(chǎn)生§2.4載流子的復(fù)合§2.5載流子的運(yùn)動(dòng)§2.6PN結(jié)§2.1簡(jiǎn)介

一直以來(lái)，太陽(yáng)能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)系在一起。接下來(lái)的幾節(jié)將講述半導(dǎo)體材料的基本問(wèn)題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識(shí)。這些物理原理可以用來(lái)解釋PN結(jié)的運(yùn)作機(jī)制。PN結(jié)不僅是太陽(yáng)能電池的核心基礎(chǔ)，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基礎(chǔ)。2023/2/52

右圖是一個(gè)硅錠，由一個(gè)大的單晶硅組成，這樣一個(gè)硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導(dǎo)體器件，包括太陽(yáng)能電池和電腦芯片。§2.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性的結(jié)構(gòu)鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個(gè)原子都被8個(gè)電子包圍著。一個(gè)單原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核則包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周?chē)?。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個(gè)原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個(gè)元素都是不同的），每個(gè)電子都占據(jù)著特定的能級(jí)。2023/2/53

半導(dǎo)體材料可以來(lái)自元素周期表中的Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素與Ⅴ族元素相結(jié)合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半導(dǎo)體），還可以是Ⅱ族元素與Ⅵ族元素相結(jié)合（叫做Ⅱ-Ⅵ型半導(dǎo)體）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，它是集成電路（IC）芯片的基礎(chǔ)，也是最為成熟的技術(shù)，而大多數(shù)的太陽(yáng)能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關(guān)材料性能將在硅的材料性質(zhì)一節(jié)給出。4§2.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)右圖展示了一種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)。硅晶格中的共價(jià)鍵示意圖。硅原子共價(jià)鍵§2.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

上圖是元素周期表的一部分。相同半導(dǎo)體材料以藍(lán)色字體顯示。半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)成，如Si或Ge，化合物，如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。其中X是元素的組分，數(shù)值從0到1。

半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體材料的性能。一個(gè)關(guān)鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級(jí)和電子在晶格之間的移動(dòng)。半導(dǎo)體中，圍繞在每個(gè)原子的電子都是共價(jià)鍵的一部分。共價(jià)鍵就是兩個(gè)相鄰的原子都拿出自己的一個(gè)電子來(lái)與之共用，這樣，每個(gè)原子便被8個(gè)電子包圍著。共價(jià)鍵中的電子被共價(jià)鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周?chē)哪硞€(gè)地方。因?yàn)樗鼈儾荒芤苿?dòng)或者自行改變能量，所以共價(jià)鍵中的電子不能被認(rèn)為是自由的，也不能夠參與電流的流動(dòng)、能量的吸收以及其它與太陽(yáng)能電池相關(guān)的物理過(guò)程。2023/2/56§2.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)§2.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)然而，只有在絕對(duì)零度的時(shí)候才會(huì)讓全部電子都束縛在價(jià)鍵中。在高溫下，電子能夠獲得足夠的能量擺脫共價(jià)鍵，而當(dāng)它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。在室溫下，半導(dǎo)體擁有足夠的自由電子使其導(dǎo)電，然而在到達(dá)或接近絕對(duì)零度的時(shí)候，它就像一個(gè)絕緣體?！?.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

價(jià)鍵的存在導(dǎo)致了電子有兩個(gè)不同能量狀態(tài)。電子的最低能量態(tài)是其處在價(jià)帶的時(shí)候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來(lái)打破共價(jià)鍵，那么它將進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子。電子不能處在這兩個(gè)能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價(jià)鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵，但它吸收的能量有個(gè)最低限度，這個(gè)最低能量值被叫做半導(dǎo)體的“禁帶”。自由電子的數(shù)量和能量是研究電子器件性能的基礎(chǔ)。

電子擺脫共價(jià)鍵后留下來(lái)的空間能讓共價(jià)鍵從一個(gè)電子移動(dòng)到另一個(gè)電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這個(gè)留下的空位置通常被叫做“空穴”，它與電子相似但是帶正電荷。9

右邊動(dòng)畫(huà)展示了當(dāng)電子能夠逃脫共價(jià)鍵時(shí)自由電子和空穴是如何形成的§2.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)對(duì)于太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體最重要的參數(shù)是：1.禁帶寬度2.能參與導(dǎo)電的自由載流子的數(shù)目3.當(dāng)光射入到半導(dǎo)體材料時(shí)，自由載流子的產(chǎn)生和復(fù)合。

關(guān)于這些參數(shù)的更詳細(xì)描述將在下面幾頁(yè)給出。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)10§2.2.1

基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體的禁帶寬度是指一個(gè)電子從價(jià)帶運(yùn)動(dòng)到能參與導(dǎo)電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值。半導(dǎo)體的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)顯示了（y軸）電子的能量，此圖也被叫做“能帶圖”。半導(dǎo)體中比較低的能級(jí)被叫做“價(jià)帶”（Evvalenceband），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級(jí)叫“導(dǎo)帶”（Ec）。處于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的便是禁帶（EG）了。§2.2.2基本原理

--禁帶§2.2.2基本原理

--禁帶2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)12

固體中電子的能帶示意圖。

一旦進(jìn)入導(dǎo)帶，電子將自由地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)并參與導(dǎo)電。然而，電子在導(dǎo)帶中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致另外一種導(dǎo)電過(guò)程的發(fā)生。電子從原本的共價(jià)鍵移動(dòng)到導(dǎo)帶必然會(huì)留下一個(gè)空位。來(lái)自周?chē)拥碾娮幽芤苿?dòng)到這個(gè)空位上，然后又留下了另外一個(gè)空位，這種留給電子的不斷運(yùn)動(dòng)的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格間運(yùn)動(dòng)的正電荷。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)13§2.2.2基本原理

--禁帶§2.2.2基本原理

--禁帶因此，電子移向?qū)У倪\(yùn)動(dòng)不僅導(dǎo)致了電子本身的移動(dòng)，還產(chǎn)生了空穴在價(jià)帶中的運(yùn)動(dòng)。電子和空穴都能參與導(dǎo)電并都稱(chēng)為“載流子”。移動(dòng)的“空穴”這一概念有點(diǎn)類(lèi)似于液體中的氣泡。盡管實(shí)際上是液體在流動(dòng)，但是把它想象成是液體中的氣泡往相反的方向運(yùn)動(dòng)更容易理解些?！?.2.3基本原理

--本征載流子濃度

把電子從價(jià)帶移向?qū)У臒峒ぐl(fā)使得價(jià)帶和導(dǎo)帶都產(chǎn)生載流子。這些載流子的濃度叫做本征載流子濃度，用符號(hào)ni表示。沒(méi)有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料叫做本征材料。本征載流子濃度就是指本征材料中導(dǎo)帶中的電子數(shù)目或價(jià)帶中的空穴數(shù)目。載流子的數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度。寬禁帶會(huì)使得載流子很難通過(guò)熱激發(fā)來(lái)穿過(guò)它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低。但還可以通過(guò)提高溫度讓電子更容易被激發(fā)到導(dǎo)帶，同時(shí)也提高了本征載流子的濃度。2023/2/515導(dǎo)帶價(jià)帶§2.2.3基本原理

--本征載流子濃度

下圖顯示了兩個(gè)溫度下的半導(dǎo)體本征載流子濃度。需要注意的是，兩種情況中，自由電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目都是相等的。室溫高溫§2.2.4基本原理

--摻雜

通過(guò)摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平衡。比硅原子多一個(gè)價(jià)電子的原子可以用來(lái)制成n型半導(dǎo)體材料，這種原子把一個(gè)電子注入到導(dǎo)帶中，因此增加了導(dǎo)帶中電子的數(shù)目。相對(duì)的，比硅原少一個(gè)電子的原子可以制成p型半導(dǎo)體材料。在p型半導(dǎo)體材料中，被束縛在共價(jià)鍵中的電子數(shù)目比本征半導(dǎo)體要高，因此顯著地提高了空穴的數(shù)目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數(shù)目比另一種載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫“多子”，相反，濃度低的載流子就叫“少子”。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)17§2.2.4基本原理

--摻雜

下面的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成n型和p型半導(dǎo)體。2023/2/519下表總結(jié)了不同類(lèi)型半導(dǎo)體的特性P型（正）N型（負(fù)）摻雜Ⅲ族元素（如硼）Ⅴ族元素（如磷）價(jià)鍵失去一個(gè)電子（空穴）多出一個(gè)電子多子空穴電子少子電子空穴§2.2.4基本原理

--摻雜

下面的動(dòng)畫(huà)展示了p型硅與n型硅。在一塊典型的半導(dǎo)體中，多子濃度可能達(dá)到1017cm-3，少子濃度則為106cm-3。這是一個(gè)怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比例比一個(gè)人與地球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過(guò)熱激發(fā)又可以通過(guò)光照產(chǎn)生。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)20N型半導(dǎo)體。之所以叫n型是因?yàn)槎嘧邮菐ж?fù)電的電子（

Negativelychargedelectrons）。P型半導(dǎo)體。之所以叫p型是因?yàn)槎嘧邮菐д姷目昭ǎ?/p>

Positivelychargedholes）?！?.2.4基本原理

--摻雜§2.2.5

基本原理

--平衡載流子濃度

在沒(méi)有外加偏壓的情況下，導(dǎo)帶和價(jià)帶中的載流子濃度就叫本征載流子濃度。對(duì)于多子來(lái)說(shuō)，其平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導(dǎo)體的自由載流子的濃度。在多數(shù)情況下，摻雜后半導(dǎo)體的自由載流子濃度要比本征載流子濃度高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載流子的濃度。在平衡狀態(tài)下，多子和少子的濃度為常數(shù)，由質(zhì)量作用定律可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式。

n0p0=n2i

式中ni表示本征載流子濃度，n0和p0分別為電子和空穴的平衡載流子濃度。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)21§2.2.5

基本原理

--平衡載流子濃度使用上面的質(zhì)量作用定律，可得多子和少子的濃度：

上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增加而減少。例如，在n型材料中，一些額外的電子隨著摻雜的過(guò)程而加入到材料當(dāng)中并占據(jù)價(jià)帶中的空穴，空穴的數(shù)目隨之下降。n型

n0=NDP0=n2i/NDp型

P0=NAn0=n2i/NA

下圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。并顯示，當(dāng)摻雜水平提高時(shí)，少子的濃度減小。N型半導(dǎo)體材料低摻雜高摻雜價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶§2.2.5

基本原理

--平衡載流子濃度§2.3.1

載流子的產(chǎn)生

--光的吸收

入射到半導(dǎo)體表面的光子要么在表面被反射，要么被半導(dǎo)體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過(guò)。對(duì)于光伏器件來(lái)說(shuō)，反射和透射通常被認(rèn)為損失部分，就像沒(méi)有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。如果光子被吸收，將在價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)電子并運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶。決定一個(gè)光子是被吸收還是透射的關(guān)鍵因素是光子的能量?；诠庾拥哪芰颗c半導(dǎo)體禁帶寬度的比較，入射到半導(dǎo)體材料的光子可以分為三種：1.Eph<Eg

光子能量Eph小于禁帶寬度Eg，光子與半導(dǎo)體的相互作用很弱，只是穿過(guò)，似乎半導(dǎo)體是透明的一樣。2.Eph=Eg

光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個(gè)電子-空穴對(duì)，能量被完全吸收。3.Eph>Eg

光子能量大于禁帶寬度并被強(qiáng)烈吸收。

2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)24

下面的動(dòng)畫(huà)展示了三種不同能量層次的光子在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的效應(yīng)。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)25§2.3.1

載流子的產(chǎn)生

--光的吸收§2.3.1

載流子的產(chǎn)生

--光的吸收對(duì)光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。在很多光伏應(yīng)用中，光生載流子的數(shù)目要比由于摻雜而產(chǎn)生的多子的數(shù)目低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在被光照的半導(dǎo)體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。但是對(duì)少子的數(shù)量來(lái)說(shuō)情況則完全相反。由光產(chǎn)生的少子的數(shù)目要遠(yuǎn)高于原本無(wú)光照時(shí)的光子數(shù)目，也因此在有光照的太陽(yáng)能電池內(nèi)的少子數(shù)目幾乎等于光產(chǎn)生的少子數(shù)目?！?.3.2

載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)

吸收系數(shù)決定著一個(gè)給定波長(zhǎng)的光子在被吸收之前能在材料走多遠(yuǎn)的距離。如果某種材料的吸收系數(shù)很低，那么光將很少被吸收，并且如果材料的厚度足夠薄，它就相當(dāng)于透明的。吸收系數(shù)的大小決定于材料和被吸收的光的波長(zhǎng)。在半導(dǎo)體的吸收系數(shù)曲線(xiàn)圖中出現(xiàn)了一個(gè)很清晰的邊緣，這是因?yàn)槟芰康陀诮麕挾鹊墓鉀](méi)有足夠的能量把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶。因此，光線(xiàn)也就沒(méi)被吸收了?！?.3.2

載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)砷化鎵磷化銦鍺硅下圖顯示幾種半導(dǎo)體材料的吸收系數(shù)：四種不同半導(dǎo)體在溫度為300K時(shí)的吸收系數(shù)α，實(shí)驗(yàn)在真空環(huán)境下進(jìn)行。

該圖表明，即使是那些能量比禁帶寬度高的光子，它們的吸收系數(shù)也不是全都相同的，而是與波長(zhǎng)有密切的聯(lián)系。一個(gè)光子被吸收的概率取決于這個(gè)光子能與電子作用（即把電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶）的可能性。對(duì)于一個(gè)能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來(lái)說(shuō)，其吸收的概率是相對(duì)較低的，因?yàn)橹挥刑幵趦r(jià)帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。當(dāng)光子的能量增大時(shí)，能夠與之相互作用并吸收光子的電子數(shù)目也會(huì)增大。然而，對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒(méi)有實(shí)際作用的，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)到導(dǎo)帶后的電子又很快因?yàn)闊嶙饔没氐綄?dǎo)帶的邊緣。硅的其它光學(xué)性質(zhì)在硅的光學(xué)性質(zhì)一節(jié)中給出。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)29§2.3.2

載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)§2.3.3

載流子的產(chǎn)生

--吸收深度

吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系導(dǎo)致了不同波長(zhǎng)的光在被完全吸收之前進(jìn)入半導(dǎo)體的深度的不同。下面將給出另一個(gè)參數(shù)--吸收深度，它與吸收系數(shù)成反比例關(guān)系，即為α-1。吸收深度是一個(gè)非常有用的參數(shù)，它顯示了光在其能量下降到最初強(qiáng)度的大概36%（或者說(shuō)1/e）的時(shí)候在材料中走的深度。因?yàn)楦吣芰抗庾拥奈障禂?shù)很大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅太陽(yáng)能電池就在幾微米以?xún)?nèi)），而紅光在這種距離的吸收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是所有的紅光都能被硅吸收。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)30§2.3.3

載流子的產(chǎn)生

--吸收深度

藍(lán)光在離表面非常近處就被吸收而大部分的紅光則在器件的深處才被吸收。動(dòng)畫(huà)顯示了紅光與藍(lán)光的吸收深度的不同。下圖顯示了幾種半導(dǎo)體的吸收深度：2023/2/532§2.3.3

載流子的產(chǎn)生

--吸收深度§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率

生成率是指被光線(xiàn)照射的半導(dǎo)體每一點(diǎn)生成電子的數(shù)目。忽略反射，半導(dǎo)體材料吸收光線(xiàn)的多少?zèng)Q定于吸收系數(shù)（α

單位為cm-1）和半導(dǎo)體的厚度。半導(dǎo)體中每一點(diǎn)中光的強(qiáng)度可以通過(guò)以下的方程計(jì)算：

I=I0e-αx

式中α為材料的吸收系數(shù)，單位通常為cm-1，x為光入射到材料的深度，I0為光在材料表面的功率強(qiáng)度。

該方程可以用來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能電池中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的數(shù)目。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)33假設(shè)減少的那部分光線(xiàn)能量全部用來(lái)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，那么通過(guò)測(cè)量透射過(guò)電池的光線(xiàn)強(qiáng)度便可以算出半導(dǎo)體材料生成的電子空穴對(duì)的數(shù)目。因此，對(duì)上面的方程進(jìn)行微分將得到半導(dǎo)體中任何一點(diǎn)的生成率。即G=αN0e-αx

其中N0為表面的光子通量（光子/單位面積.秒）

α為吸收系數(shù)，x為進(jìn)入材料的距離。

方程顯示，光的強(qiáng)度隨著在材料中深度的增加呈指數(shù)下降，即材料表面的生成率是最高的。2023/2/534§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率進(jìn)入硅的深度電子空穴對(duì)的生成率

對(duì)于光伏應(yīng)用來(lái)說(shuō)，入射光是由一系列不同波長(zhǎng)的光組成的，因此不同波長(zhǎng)光的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長(zhǎng)的光在硅材料中的生成率。

計(jì)算一系列不同波長(zhǎng)的光的生成率時(shí)，凈的生成率等于每種波長(zhǎng)的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜時(shí)，不同深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對(duì)數(shù)的，顯示著在電池表面產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對(duì)，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。2023/2/536§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率§2.4.1

復(fù)合理論

--復(fù)合的類(lèi)型

所有處在導(dǎo)帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會(huì)回到價(jià)帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個(gè)空的價(jià)帶能級(jí)中，所以，當(dāng)電子回到價(jià)帶的同時(shí)也有效地消除了一個(gè)空穴。這種過(guò)程叫做復(fù)合。在單晶半導(dǎo)體材料中，復(fù)合過(guò)程大致可以分為三種：輻射復(fù)合俄歇復(fù)合肖克萊-雷德-霍爾復(fù)合這些復(fù)合在右邊的動(dòng)畫(huà)中都有描述。2023/2/5輻射復(fù)合輻射復(fù)合是LED燈和激光這類(lèi)的半導(dǎo)體器件的主要復(fù)合機(jī)制。然而，對(duì)于由硅制成的陸地用太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，輻射復(fù)合并不是主要的，因?yàn)楣璧慕麕Р⒉皇侵苯咏麕В沟秒娮硬荒苤苯訌膬r(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。輻射復(fù)合的幾個(gè)主要特征是：

1）在輻射復(fù)合中，電子與空穴直接在導(dǎo)帶結(jié)合并釋放一個(gè)

光子。2）釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，

大部分能夠飛出半導(dǎo)體。

2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)38§2.4.1

復(fù)合理論

--復(fù)合的類(lèi)型通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合

通過(guò)復(fù)合中心的輻射也被叫做肖克萊-萊德-霍爾或SRH復(fù)合，它不會(huì)發(fā)生在完全純凈的、沒(méi)有缺陷的材料中。SRH復(fù)合過(guò)程分為兩步：

1）一個(gè)電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產(chǎn)生的禁帶中的一個(gè)能級(jí)所俘獲。這些缺陷要么是無(wú)意中引入的要么是故意加入到材料當(dāng)中去的，比如往材料中摻雜。§2.4.1

復(fù)合理論

--復(fù)合的類(lèi)型2）如果在電子被熱激發(fā)到導(dǎo)帶之前，一個(gè)空穴（或電子）也被俘獲到同一個(gè)能級(jí)中，那么復(fù)合過(guò)程就完成了。載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級(jí)的概率取決于能級(jí)到兩能帶（導(dǎo)帶和禁帶）的距離。因此，如果一個(gè)能級(jí)被引入到靠近其中一能帶的邊緣地區(qū)，發(fā)生復(fù)合的可能性將比較小，因?yàn)殡娮颖容^容易被激發(fā)到導(dǎo)帶去，而不是與從價(jià)帶移動(dòng)到同一個(gè)能級(jí)的空穴復(fù)合?；谶@個(gè)因素，處在禁帶中間的能級(jí)發(fā)生復(fù)合的概率最大。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)40§2.4.1

復(fù)合理論

--復(fù)合的類(lèi)型

俄歇復(fù)合一個(gè)俄歇復(fù)合過(guò)程有三個(gè)載流子參與。一個(gè)光子與一個(gè)空穴復(fù)合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的形式傳播出去，而是把它傳給了第三個(gè)載流子，即在導(dǎo)帶中的電子。這個(gè)電子接收能量后因?yàn)闊嶙饔米罱K又回到導(dǎo)帶的邊緣。

俄歇復(fù)合是重?fù)诫s材料和被加熱至高溫的材料最主要的復(fù)合形式。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)41§2.4.1

復(fù)合理論

--復(fù)合的類(lèi)型

如果半導(dǎo)體中少子的數(shù)目因?yàn)橥饨绲亩虝杭ぐl(fā)而在原來(lái)平衡的基礎(chǔ)上增加，這些額外激發(fā)的少子將因?yàn)閺?fù)合過(guò)程而漸漸衰退回原本平衡時(shí)的狀態(tài)。在太陽(yáng)能電池中一個(gè)重要的參數(shù)是復(fù)合發(fā)生的速率，這樣也叫做”復(fù)合率”。復(fù)合率決定于額外少子的數(shù)目。例如，當(dāng)沒(méi)有額外少子時(shí)，復(fù)合率將為零?！吧僮訅勖保ㄓ梅?hào)和表示）是指產(chǎn)生電子空穴對(duì)之后處在激發(fā)狀態(tài)的載流子在復(fù)合之前能存在的平均時(shí)間。還有一個(gè)相關(guān)的參數(shù)—少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，是指在復(fù)合之前一個(gè)載流子從產(chǎn)生處開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的平均路程?！?.4.2

復(fù)合理論

--擴(kuò)散長(zhǎng)度2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)42少數(shù)載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度在很大程度上取決于材料的類(lèi)型和復(fù)合的數(shù)量。對(duì)于許多種類(lèi)的硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，SRH復(fù)合是主要的復(fù)合機(jī)制。而復(fù)合率則決定于材料中存在的缺陷數(shù)量，因此，當(dāng)太陽(yáng)能電池的摻雜量增加時(shí)，SRH復(fù)合的速率也將隨著增加。另外，因?yàn)槎硇獜?fù)合更多的是在重?fù)诫s和被加熱的材料發(fā)生，所以俄歇復(fù)合過(guò)程也會(huì)隨著摻雜的增加而增強(qiáng)。此外，生成半導(dǎo)體薄片的方法和過(guò)程對(duì)擴(kuò)散長(zhǎng)度也有重要影響?！?.4.2

復(fù)合理論

--擴(kuò)散長(zhǎng)度2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)44右圖為高效率的PERL（NSW特有技術(shù)）多晶硅太陽(yáng)能電池的比色圖。圖下的比例系數(shù)代表著光生載流子的多少以及由于太陽(yáng)能電池中擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同而引起的電池中不同區(qū)域的差異，而擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同是由多晶硅材料的晶界變化造成的。在硅中，少子壽命可以達(dá)到1μs。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散長(zhǎng)度通常在100-300μm之間。這兩個(gè)參數(shù)表征了材料相對(duì)于電池應(yīng)用的質(zhì)量和適用度。§2.4.2

復(fù)合理論

--擴(kuò)散長(zhǎng)度§2.4.3

復(fù)合理論

--表面復(fù)合

任何在半導(dǎo)體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會(huì)促進(jìn)復(fù)合。因?yàn)樘?yáng)能電池表面存在著嚴(yán)重的晶格分裂，所以電池表面是一個(gè)復(fù)合率非常高的區(qū)域。高復(fù)合率導(dǎo)致表面附近的區(qū)域的少子枯竭。就如擴(kuò)散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流子濃度會(huì)引起周?chē)邼舛葏^(qū)域的載流子往此處擴(kuò)散。因此，表面復(fù)合率受到擴(kuò)散到表面的載流子的速率的限制。“表面復(fù)合率”的單位為cm/sec，被用來(lái)描述表面的復(fù)合。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)45半導(dǎo)體表面的掛鍵引起了此處的高復(fù)合率。在沒(méi)有發(fā)生復(fù)合的表面，往表面運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目也為零，因此表面復(fù)合率也為零。當(dāng)表面復(fù)合非?？鞎r(shí),向表面運(yùn)動(dòng)的載流子的速度受到最大復(fù)合速率的限制，而對(duì)大多數(shù)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)最大速度為1×107cm/sec。半導(dǎo)體表面的缺陷是由于晶格排列在表面處的中斷造成的，即在表面處產(chǎn)生掛鍵。減少掛鍵的數(shù)目可以通過(guò)在半導(dǎo)體表面處生長(zhǎng)一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)46§2.4.3

復(fù)合理論

--表面復(fù)合§2.5.1

載流子的運(yùn)動(dòng)

--半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)

導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴之所以被叫做自由載流子，是因?yàn)樗鼈兡茉诎雽?dǎo)體晶格間移動(dòng)。一個(gè)很簡(jiǎn)單但在多數(shù)情況下都適用的對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的描述是，在一定溫度下，在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載流子在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)的距離長(zhǎng)度叫做散射長(zhǎng)度。一旦與原子發(fā)生碰撞，載流子將往不同的隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。

載流子的速度決定于晶格的溫度。在溫度為T(mén)的半導(dǎo)體內(nèi)載流子的平均運(yùn)動(dòng)能量為mv2/2，其中m為載流子的質(zhì)量，v代表熱運(yùn)動(dòng)速度。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)472023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)48

盡管半導(dǎo)體中的載流子在不停地做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但是并不存在載流子勢(shì)運(yùn)動(dòng)，除非有濃度梯度或電場(chǎng)。因?yàn)檩d流子往每一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的概率都是一樣的，所以載流子往一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)最終會(huì)被它往相反方向的運(yùn)動(dòng)給平衡掉。§2.5.1

載流子的運(yùn)動(dòng)

--半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng)速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動(dòng)畫(huà)顯示了載流子的運(yùn)動(dòng)。

在下面的動(dòng)畫(huà)中，一個(gè)載流子在與晶格原子碰撞之前在隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)了與散射長(zhǎng)度相等的距離（為了看得更加清晰，晶格原子并沒(méi)有顯示出來(lái)）。在與晶格原子碰撞后，載流子再次以隨機(jī)方向運(yùn)動(dòng)。下面的動(dòng)畫(huà)舉出了50個(gè)散射粒子。盡管在動(dòng)畫(huà)中碰撞的次數(shù)很少，載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)（

netmotion）還是很小的。2023/2/549§2.5.1

載流子的運(yùn)動(dòng)

--半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)§2.5.2

載流子的運(yùn)動(dòng)

--擴(kuò)散

如果半導(dǎo)體中一個(gè)區(qū)域的載流子濃度要比另一個(gè)區(qū)域的高，那么，由于不停的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，將引起載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，在兩個(gè)不同濃度的區(qū)域之間將會(huì)出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。這種載流子的流動(dòng)叫做“擴(kuò)散”，是由于載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。在器件的所有區(qū)域中，載流子往某一方向的運(yùn)動(dòng)的概率是相同的。在高濃度區(qū)域，數(shù)量龐大的載流子不停地往各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，包括往低濃度方向。然而，在低濃度區(qū)域只存在少量的載流子，這意味著往高濃度運(yùn)動(dòng)的載流子也是很少的。這種不平衡導(dǎo)致了從高濃度區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢(shì)運(yùn)動(dòng)。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)50§2.5.2

載流子的運(yùn)動(dòng)

--擴(kuò)散如下面的動(dòng)畫(huà)所示。

擴(kuò)散的速率決定于載流子的運(yùn)動(dòng)速度和兩次散射點(diǎn)相隔的距離。在溫度更高的區(qū)域，擴(kuò)散速度會(huì)更快，因?yàn)樘岣邷囟饶芴岣咻d流子的熱運(yùn)動(dòng)速度。擴(kuò)散現(xiàn)象的主要效應(yīng)之一是使載流子的濃度達(dá)到平衡，就像在沒(méi)有外界力量作用半導(dǎo)體時(shí)，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合也會(huì)使得半導(dǎo)體達(dá)到平衡。下面的動(dòng)畫(huà)將闡述這一現(xiàn)象，圖中一個(gè)區(qū)域有很高濃度的電子，另一個(gè)則有高濃度的空穴。因?yàn)橹挥休d流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，所以最終這兩種濃度會(huì)變成一致的。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)52§2.5.2

載流子的運(yùn)動(dòng)

--擴(kuò)散§2.5.2

載流子的運(yùn)動(dòng)

--擴(kuò)散

這個(gè)動(dòng)畫(huà)顯示了半導(dǎo)體的高濃度部分是怎樣趨向于平均分布的。載流子填滿(mǎn)可利用的空間，僅僅是通過(guò)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，靜電斥力的影響甚微，因?yàn)檩d流子之間的距離很遠(yuǎn)。此外，空穴（藍(lán)色）的擴(kuò)散率比電子的低，所以需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)填滿(mǎn)整個(gè)空間。§2.5.3

載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)

在半導(dǎo)體外加一個(gè)電場(chǎng)可以使做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的帶電載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，載流子在隨機(jī)方向以一定的速度移動(dòng)一段距離。然而，在加了電場(chǎng)之后，其方向與載流子的隨機(jī)方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場(chǎng)方向?qū)⒆黾铀龠\(yùn)動(dòng)，電子則反之。在特定方向的加速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了載流子的勢(shì)運(yùn)動(dòng)，如下面動(dòng)畫(huà)所示。載流子的方向是其原來(lái)方向與電場(chǎng)方向的向量疊加。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)54§2.5.3

載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)顯示了電場(chǎng)的存在是如何使載流子往一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的。動(dòng)畫(huà)中的粒子是空穴，所以運(yùn)動(dòng)的方向與電場(chǎng)方向相同。

由外加電場(chǎng)所引起的載流子運(yùn)動(dòng)叫“漂移運(yùn)動(dòng)”。漂移運(yùn)動(dòng)不僅發(fā)生在半導(dǎo)體材料中，在金屬材料中同樣存在。而接下來(lái)動(dòng)畫(huà)將分別展示有伴隨和沒(méi)有伴隨電場(chǎng)的載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。途中的載流子是電子。因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電的所以它將朝著與電場(chǎng)方向相反的方向運(yùn)動(dòng)。值得注意的是，在大多數(shù)情況下，電子是往電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)的。但是在有些情況中，例如電子跟隨著一系列往電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，則有可能是勢(shì)運(yùn)動(dòng)，并沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)了一小段距離。2023/2/556§2.5.3

載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)§2.5.3

載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)

下面一個(gè)動(dòng)畫(huà)描述了擁有相等數(shù)目的電子和空穴的本征半導(dǎo)體。沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，電子和空穴隨機(jī)地在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)。加入電場(chǎng)后電子和空穴往相反的方向漂移。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)58為了看得更加清晰，動(dòng)畫(huà)夸大了電場(chǎng)的作用效果。事實(shí)上，對(duì)于通常的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)對(duì)載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響是很有限的?！?.5.3

載流子的運(yùn)動(dòng)

--漂移運(yùn)動(dòng)§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

pn結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)不僅是太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)還是其它許多電子器件的基礎(chǔ)，如LEDS、激光、光電二極管還有雙極結(jié)二極管（BJTS）。一個(gè)pn結(jié)把之前所描述的載流子復(fù)合、產(chǎn)生、擴(kuò)散和漂移全部集中到一個(gè)器件中。

pn結(jié)的形成

pn結(jié)是n型半導(dǎo)體材料和p型半導(dǎo)體材料的結(jié)合形成的，如下圖所示。因?yàn)閚型半導(dǎo)體區(qū)域的電子濃度很高，而p型區(qū)域的空穴濃度很高，所以電子從n型區(qū)擴(kuò)散到p型區(qū)，同理，空穴也從p型區(qū)擴(kuò)散到n型區(qū)。如果電子和空穴都是不帶電的，擴(kuò)散過(guò)程將持續(xù)到兩個(gè)區(qū)域的電子和空穴的濃度都分別相等，就像兩種氣體相互往對(duì)方區(qū)域擴(kuò)散一樣。

2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)59然而，對(duì)于pn結(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)電子和空穴運(yùn)動(dòng)到pn結(jié)的另一邊時(shí)，也在雜質(zhì)原子區(qū)域留下了與之相反的電荷，這種電荷被固定在晶格當(dāng)中不能移動(dòng)。在n型區(qū)，被留下的便是帶正電的原子核，相反，在p型區(qū)，留下的是帶負(fù)電的原子核。于是，一個(gè)從n型區(qū)的正離子區(qū)域指向p型區(qū)的負(fù)離子區(qū)域的電場(chǎng)E就建立起來(lái)了。這個(gè)電場(chǎng)區(qū)域叫做“耗盡區(qū)”，因?yàn)榇穗妶?chǎng)能迅速把自由載流子移走，因此，這個(gè)區(qū)域的自由載流子是被耗盡的。源于電場(chǎng)E的內(nèi)建電勢(shì)Vbi在pn結(jié)中形成。下面的動(dòng)畫(huà)將展示n型和p型材料之間的pn結(jié)所形成的電場(chǎng)E的結(jié)構(gòu)。2023/2/560§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

平衡狀態(tài)下載流子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有外加刺激的pn結(jié)代表著，由于耗盡區(qū)的電場(chǎng)的存在，載流子之間的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散以及漂移將會(huì)達(dá)到平衡。盡管電場(chǎng)的存在阻礙了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過(guò)電場(chǎng)，但有些載流子還是依然通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過(guò)了電場(chǎng)。在下面的動(dòng)畫(huà)中，大多數(shù)進(jìn)入耗盡區(qū)的多子都被移回它們本來(lái)的區(qū)域。然而，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，有一些載流子會(huì)以很高的速度往pn結(jié)方向運(yùn)動(dòng)，最終穿過(guò)電場(chǎng)。一旦多子穿過(guò)電場(chǎng)就會(huì)變成另一區(qū)的少子。在被復(fù)合之前，這個(gè)載流子將繼續(xù)做遠(yuǎn)離電場(chǎng)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)距離等于平均擴(kuò)散長(zhǎng)度。由載流子通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過(guò)電場(chǎng)而產(chǎn)生的電流叫做擴(kuò)散電流。2023/2/5UNSW新南威爾士大學(xué)61§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管在下面的動(dòng)畫(huà)中，注意觀察跑入耗盡區(qū)的載流子，并留意穿過(guò)pn結(jié)的載流子。2023/2/562§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，實(shí)際的pn結(jié)中載流子的數(shù)目和速度都是比動(dòng)畫(huà)中的要高得多，而穿過(guò)pn結(jié)的載流子數(shù)目也是非常大的。到達(dá)擴(kuò)散區(qū)與耗盡區(qū)的交界處時(shí)，少子會(huì)被電場(chǎng)拉到耗盡區(qū)。由此形成的電流叫做漂移電流。在平衡狀態(tài)下，漂移電流的大小受到少子數(shù)目的限制，這些少子是在與耗盡區(qū)的距離小于擴(kuò)散長(zhǎng)度的區(qū)域通過(guò)熱激發(fā)產(chǎn)生的。在平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的凈電流為零。電子的漂移電流與電子的擴(kuò)散電流是相互抵消的（試想如果沒(méi)有抵消的話(huà)，將在半導(dǎo)體的其中一邊出現(xiàn)電子的聚集）。同理，空穴的漂移電流與空穴擴(kuò)散電流也是相互抵消的?！?.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

半導(dǎo)體器件共有三種狀態(tài)模式：

1.熱平衡狀態(tài)

在熱平衡模式下，半導(dǎo)體沒(méi)有額外的刺激，如光照射或外加電壓。載流子的電流相互抵消所以在器件內(nèi)沒(méi)有凈電流。

2.穩(wěn)態(tài)

在恒穩(wěn)模式下，將有光線(xiàn)照射或施有外加電壓，但這些條件并不隨時(shí)間而改變。器件通常處在穩(wěn)定狀態(tài)，要么正向偏壓要么反向偏壓。

3.突變狀態(tài)

當(dāng)施加的電壓迅速改變時(shí)，太陽(yáng)能電池的對(duì)變化的響應(yīng)將會(huì)出現(xiàn)延遲。鑒于太陽(yáng)能電池并不是高速運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域使用的電子器件，在這里將不對(duì)突變效應(yīng)多加描述。2023/2/564

正向偏壓下的二極管正向偏壓（也叫正向偏置）指的是在器件兩邊施加電壓，以使得pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)減小。即在p型半導(dǎo)體加正極電壓而在n型半導(dǎo)體加負(fù)極電壓，于是，一個(gè)穿過(guò)器件方向與內(nèi)建電場(chǎng)相反的電場(chǎng)便建立起來(lái)了。因?yàn)楹谋M區(qū)的電阻要比器件中其他