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1、第10章半导体电化学与光电化学基础,10.1半导体的基本性质,10.1.1半导体的能带结构简介,1、半导体中的能带结构及载流子种类,半导体中的能带结构,半导体中的载流子,空穴,电子,2、本征半导体、施主能级、受主能级、N型和P型半导体,不含任何杂质，没有缺陷的半导体称为本征半导体,能够向半导体导带中提供电子的杂质原子称为施主能级,能够接受或捕获半导体价带中电子的杂质原子称为受主能级,10.1.2半导体中的状态密度与载流子的分布,半导体中起主要作用的是靠近EC的电子和靠近EV的空穴。通常，导带底和价带顶的状态密度函数Z(E)随电子能量E关系为：,半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc
2、分布规律分布在不同量子态上，即某一量子态被电子或空穴占据的几率分别为：,导带中电子浓度为：,导带中的有效状态密度,半导体载流子的浓度积为：,价带中空穴浓度为：,价带中的有效状态密度,1、本征半导体的费米能级与载流子浓度,本征半导体的电子浓度与空穴浓度相等，即满足,本征半导体的费米能级,本征半导体的载流子浓度,2、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度,载流子浓度,N型半导体,施主浓度,掺杂后半导体的费米能级,空穴浓度,P型半导体,载流子浓度,少子（电子）浓度,掺杂后半导体的费米能级,10.2半导体/溶液界面的结构与性质,10.2.1半导体/溶液界面的结构与性质,1、半导体/溶液界面接触时的能带结构,
3、动态平衡,图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化,(a)溶液接触前,N型半导体能带从本体到表面向上弯曲。同理，P型半导体能带一般从本体到表面向下弯曲。,2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲,空间电荷层,电位分布与能带弯曲的方向和程度,电位分布与能带弯曲的方向取决于初始,的相对位置。,由于标度不同，电位标的正方向与电子能级标的正方向恰恰相反。,实际上界面还有吸附离子，表面态等形成剩余电荷，作为半导体/溶液界面双电层的其他来源。,“自发”形成的双电层结构，同金属电极一样，也可以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成的电极电位。,10.2.2空间电荷层的不同表
4、现形式,1、积累层（富集层）及其特点,空间电荷层的存在是半导体电极界面结构的一个最基本特征。通过对半导体电极施加外电势，可以对其空间电荷层进行调节。不同电极电位及其引起的能带弯曲不同，可以导致三种形式的空间电荷层。,电位和能带弯曲,空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律,积累层中，负的空间电荷是由于过剩的导带电子组成，故此层载流子类型与本体相同，但浓度更高，因此其导电性明显增加。,2、耗尽层的特点,(c)耗尽层,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。,3、反型层,(d)反型层,N型半导体和表面能量差进一步增加时，电极/溶液界面处的能带弯曲进一步加大，形成所谓的反型
5、层。,4、平带,(b)平带,10.2.3半导体/溶液界面的电位分布,1.半导体/溶液界面半导体一侧空间电荷层的电位分布,2.半导体/溶液界面电容,3.费米能级的“钉扎”,4.表面态的来源与类型,本征表面态,非本征表面态,10.3半导体/溶液界面上的电荷传递,10.3.1平衡电位下的电荷传递,1.半导体/溶液界非平衡条件下面两种载流子对平衡电流的贡献,图10.10平衡电位下N型半导体/溶液界面的电子跃迁,2.交换电流密度j0,3.平衡电位下的电荷传递特点,10.3.2非平衡条件下（极化时）的电荷传递,1.非平衡条件下半导体/溶液界面的能带结构,图10.11阴极极化时N型半导体/溶液界面的电子跃迁,2.非平衡条件下半导体/溶液界面的净电流,10.4半导体/溶液界面上的光电化学,10.4.1半导体/溶液界面的光电效应,1.光照条件下半导体/溶液界面的能带结构,2.光电压与光电流,10.4.2光电化学电池,1.光电化学伏打电池,2.光电化学合成电池,图10.14由N型半导体电极构成的光电化学合成的工作原理图,-,N型半导体,溶液,辅助电极,
