半导体电化学与光电化学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

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1、电电 化化 学学 原原 理理第第10章半导体电化学与光电化学基础章半导体电化学与光电化学基础10.1半导体基本性质半导体基本性质10.1.1半导体能带结构介绍半导体能带结构介绍1、半导体中能带结构及载流子种类、半导体中能带结构及载流子种类第1页电电 化化 学学 原原 理理图图10.1价带、导带和禁带价带、导带和禁带能带能带价带价带导带导带禁带禁带能带能带半导体中能带结构半导体中能带结构第2页电电 化化 学学 原原 理理图图10.2价带中电子被激发到导带价带中电子被激发到导带第3页电电 化化 学学 原原 理理半导体中载流子半导体中载流子空穴空穴电子电子第4页电电 化化 学学 原原 理理2、本征半

2、导体、施主能级、受主能级、本征半导体、施主能级、受主能级、N型和型和P型半导体型半导体不含任何杂质，没有缺点半导体称为本征半导体不含任何杂质，没有缺点半导体称为本征半导体能够向半导体导带中提供电子杂质原子称为施主能级能够向半导体导带中提供电子杂质原子称为施主能级能够接收或捕捉半导体价带中电子杂质原子称为受主能级能够接收或捕捉半导体价带中电子杂质原子称为受主能级第5页电电 化化 学学 原原 理理图图10.3施主能级和受主能级施主能级和受主能级（a）施主与）施主与N型半导体能带型半导体能带（b）受主与）受主与P型半导体能带型半导体能带+第6页电电 化化 学学 原原 理理10.1.2半导体中状态密度

3、与载流子分布半导体中状态密度与载流子分布 半导体中起主要作用是靠近半导体中起主要作用是靠近EC电子和靠近电子和靠近EV空穴。通常，导带空穴。通常，导带底和价带顶状态密度函数底和价带顶状态密度函数Z(E)随电子能量随电子能量E关关系为：系为：第7页电电 化化 学学 原原 理理 半导体在热平衡状态下，电子按半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc分分布规律分布在布规律分布在不一样量子态上，即某一量子态被电子或空穴占据几率分别为：不一样量子态上，即某一量子态被电子或空穴占据几率分别为：第8页电电 化化 学学 原原 理理导带中电子浓度为：导带中电子浓度为：导带中有效状态密度导带中有效状态密度

4、第9页电电 化化 学学 原原 理理半导体载流子浓度积为：半导体载流子浓度积为：价带中空穴浓度为：价带中空穴浓度为：价带中有效状态密度价带中有效状态密度第10页电电 化化 学学 原原 理理1、本征半导体费米能级与载流子浓度、本征半导体费米能级与载流子浓度本征半导体电子浓度与空穴浓度相等，即满足本征半导体电子浓度与空穴浓度相等，即满足本征半导体费米能级本征半导体费米能级（a）本征半导体能带结构）本征半导体能带结构第11页电电 化化 学学 原原 理理本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度第12页电电 化化 学学 原原 理理2、掺杂半导体费米能级与载流子浓度、掺杂半导体费米能级与载流子浓度载流子浓度

5、载流子浓度N型半导体型半导体（b）N型半导体能带结构型半导体能带结构施主浓度施主浓度掺杂后半导体费米能级掺杂后半导体费米能级空穴浓度空穴浓度第13页电电 化化 学学 原原 理理P型半导体型半导体（c）P型半导体能带结构型半导体能带结构载流子浓度载流子浓度少子（电子）浓度少子（电子）浓度掺杂后半导体费米能级掺杂后半导体费米能级第14页电电 化化 学学 原原 理理10.2半导体半导体/溶液界面结构与性质溶液界面结构与性质10.2.1半导体半导体/溶液界面结构与性质溶液界面结构与性质1、半导体、半导体/溶液界面接触时能带结构溶液界面接触时能带结构动态平衡动态平衡第15页电电 化化 学学 原原 理理图

6、图10.5N型半导体与溶液接触前后能带改变型半导体与溶液接触前后能带改变E电子能量电子能量N型半导体型半导体溶液溶液(a)溶液接触前溶液接触前E电子能量电子能量N型半导体型半导体溶液溶液(b)溶液接触后溶液接触后第16页电电 化化 学学 原原 理理 N型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理，型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理，P型半导体能型半导体能带普通从本体到表面向下弯曲。带普通从本体到表面向下弯曲。第17页电电 化化 学学 原原 理理2、半导体中空间电荷层、电位分布与能带弯曲、半导体中空间电荷层、电位分布与能带弯曲（a）空间电荷层）空间电荷层N型半导体型半导体溶液溶液0 x-+-OHP

7、界面界面空间电荷层空间电荷层空间电荷层空间电荷层第18页电电 化化 学学 原原 理理电位分布与能带弯曲方向和程度电位分布与能带弯曲方向和程度电位分布与能带弯曲方向取决于初始电位分布与能带弯曲方向取决于初始相对位置。相对位置。因为标度不一样，电位标正方向与电子能级标正方向恰恰相反。因为标度不一样，电位标正方向与电子能级标正方向恰恰相反。实际上界面还有吸附离子，表面态等形成剩下电荷，作为半实际上界面还有吸附离子，表面态等形成剩下电荷，作为半导体导体/溶液界面双电层其它起源。溶液界面双电层其它起源。第19页电电 化化 学学 原原 理理（b）界面电位分布）界面电位分布N型半导体型半导体溶液溶液0 xO

8、HP空间电荷层空间电荷层第20页电电 化化 学学 原原 理理EN型半导体型半导体溶液溶液(c)能带弯曲能带弯曲空间电荷层空间电荷层0 “自发自发”形成双电层结构，同金属电极一样，也能够由外形成双电层结构，同金属电极一样，也能够由外电源充电形成界面双电层。此时界面结构与能带弯曲取决于充电形电源充电形成界面双电层。此时界面结构与能带弯曲取决于充电形成电极电位。成电极电位。第21页电电 化化 学学 原原 理理10.2.2空间电荷层不一样表现形式空间电荷层不一样表现形式1、积累层（富集层）及其特点、积累层（富集层）及其特点 空间电荷层存在是半导体电极界面结构一个最基本特征。经过空间电荷层存在是半导体电

9、极界面结构一个最基本特征。经过对半导体电极施加外电势，能够对其对半导体电极施加外电势，能够对其空间电荷层进行调整。不一样空间电荷层进行调整。不一样电极电位及其引发能带弯曲不一样，能够造成三种形式空间电荷层。电极电位及其引发能带弯曲不一样，能够造成三种形式空间电荷层。第22页电电 化化 学学 原原 理理0 x空间电荷层空间电荷层(a)积累层积累层x空间电荷层空间电荷层电位和能带弯曲电位和能带弯曲第23页电电 化化 学学 原原 理理空间电荷层载流子分布服从空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律统计规律积累层中，负空间电荷是因为过剩导带电子组成，故此层载流子积累层中，负空间电荷是因为过剩

10、导带电子组成，故此层载流子类型与本体相同，但浓度更高，所以其导电性显著增加。类型与本体相同，但浓度更高，所以其导电性显著增加。第24页电电 化化 学学 原原 理理2、耗尽层特点、耗尽层特点(c)耗尽层耗尽层0 x空间电荷层空间电荷层x空间电荷层空间电荷层N型半导体与溶液接触时，当不施加外电场时通常形成耗尽层。型半导体与溶液接触时，当不施加外电场时通常形成耗尽层。第25页电电 化化 学学 原原 理理3、反型层、反型层(d)反型反型层层0 x空间电荷层空间电荷层x空间电荷层空间电荷层 N N型半导体和表面能量差深入增加时，电极型半导体和表面能量差深入增加时，电极/溶液界面处能带溶液界面处能带弯曲深

11、入加大，形成所谓反型层。弯曲深入加大，形成所谓反型层。第26页电电 化化 学学 原原 理理4、平带、平带(b)平带平带0 xx第27页电电 化化 学学 原原 理理10.2.3半导体半导体/溶液界面电位分布溶液界面电位分布1.半导体半导体/溶液界面半导体一侧空间电荷层电位分布溶液界面半导体一侧空间电荷层电位分布第28页电电 化化 学学 原原 理理第29页电电 化化 学学 原原 理理图图10.8半导体半导体/溶液界面电位分布溶液界面电位分布半导体半导体溶液溶液x第30页电电 化化 学学 原原 理理2.半导体半导体/溶液界面电容溶液界面电容第31页电电 化化 学学 原原 理理第32页电电 化化 学学

12、 原原 理理图图10.9P型半导体型半导体/溶液界面费米能级钉扎溶液界面费米能级钉扎xx3.费米能级费米能级“钉扎钉扎”第33页电电 化化 学学 原原 理理4.表面态起源与类型表面态起源与类型本征表面态本征表面态非本征表面态非本征表面态第34页电电 化化 学学 原原 理理10.3半导体半导体/溶液界面上电荷传递溶液界面上电荷传递10.3.1平衡电位下电荷传递平衡电位下电荷传递1.半导体半导体/溶液界非平衡条件下面两种载流子对平衡电流贡献溶液界非平衡条件下面两种载流子对平衡电流贡献第35页电电 化化 学学 原原 理理图图10.10平衡电位下平衡电位下N型半导体型半导体/溶液界面电子跃迁溶液界面电

13、子跃迁（a）能带结构）能带结构（b）正逆反应电流密度）正逆反应电流密度第36页电电 化化 学学 原原 理理2.交换电流密度交换电流密度j0第37页电电 化化 学学 原原 理理3.平衡电位下电荷传递特点平衡电位下电荷传递特点第38页电电 化化 学学 原原 理理10.3.2非平衡条件下（极化时）电荷传递非平衡条件下（极化时）电荷传递1.非平衡条件下半导体非平衡条件下半导体/溶液界面能带结构溶液界面能带结构第39页电电 化化 学学 原原 理理图图10.11阴极极化时阴极极化时N型半导体型半导体/溶液界面电子跃迁溶液界面电子跃迁（a）能带结构）能带结构（b）正逆反应电流密度）正逆反应电流密度第40页电

14、电 化化 学学 原原 理理2.非平衡条件下半导体非平衡条件下半导体/溶液界面净电流溶液界面净电流第41页电电 化化 学学 原原 理理10.4半导体半导体/溶液界面上光电化学溶液界面上光电化学10.4.1半导体半导体/溶液界面光电效应溶液界面光电效应1.光照条件下半导体光照条件下半导体/溶液界面能带结构溶液界面能带结构第42页电电 化化 学学 原原 理理+图图10.12光照对光照对N型半导体能带结构影响型半导体能带结构影响（a）N型半导体/溶液界面光生电子-空穴对分离（b）光照后半导体一侧）光照后半导体一侧/能带结构改变能带结构改变第43页电电 化化 学学 原原 理理2.光电压与光电流光电压与光

15、电流第44页电电 化化 学学 原原 理理10.4.2光电化学电池光电化学电池1.光电化学伏打电池光电化学伏打电池第45页电电 化化 学学 原原 理理图图10.13由由N型半导体电极组成光伏达电池工作原理图型半导体电极组成光伏达电池工作原理图-N型半导体型半导体溶液溶液惰性金属惰性金属第46页电电 化化 学学 原原 理理2.光电化学合成电池光电化学合成电池第47页电电 化化 学学 原原 理理图图10.14由由N型半导体电极组成光电化学合成工作原理图型半导体电极组成光电化学合成工作原理图-N型半导体型半导体溶液溶液辅助电极辅助电极第48页电电 化化 学学 原原 理理第49页电电 化化 学学 原原 理理第50页电电 化化 学学 原原 理理第51页电电 化化 学学 原原 理理第52页电电 化化 学学 原原 理理第53页电电 化化 学学 原原 理理第54页