半导体物理基础外文翻译资料

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3 半导体物理基础

通常，太阳能电池由半导体组成。为了了解太阳能电池的工作原理，我们将首先处理半导体的结构和特性。这与考虑pn结和半导体的光学特征有关。

• 1. 半导体结构
     1. 玻尔的原子模型

首先，我们将考虑单个原子。根据玻尔的原子模型，原子由核和层组成。原子核包含质子和中子，而层体则包含电子，这些电子绕原子核运行。质子带 q的正电荷带正电，电子带-q的带负电荷。基本电荷的大小为1.6∙10^minus;19As。由于原子核中的质子数等于电子数（所谓的原子数），因此原子对外部是电中性的。

玻尔的第二个假设：

电子只允许在某些离散的层上。

我们知道的最简单的原子是氢原子（图3.1）。它的原子序数为1，因此原子核中只有一个质子，层中只有一个电子。

尼尔斯·玻尔（Nils Bohr）认识到电子只能绕核子在非常特殊的路径（所谓的“层”）中循环，并在其第一定律中对此进行了定义。

这些层中的每一个代表代表电子各自能量状态的特定路径半径。外层用字母K，L，M等表示。在图3.1中示出了氢原子的可能的能量状态。在基本状态下，电子位于K层上。如果电子移动到L层，则需要10.2eV（电子伏特）的能量。为了将电子与原子完全分离（从而将其传输到“无穷大”中），必须使用13.6eV的所谓电离能W_infin;。

核

K层

W_infin;

L层

电子

图3.1 氢原子的结构和能量模型

从一个层到另一个层的转移会发生什么？以下假设对此进行了描述：

因此，该辐射的频率f由以下公式确定：

玻尔的第二个假设：

电子从一个层到另一个层的转移是在电磁辐射的发射或吸收下发生的。

(3.1)

其中

W₁：转移前的能量

W₂：转移后的能量

h：普朗克常数；

为了从频率f确定波长lambda;，使用以下公式：

(3.2)

其中

c₀：真空中的光速，c₀= 299.792 km / sasymp;3∙10⁸m / s

为了更好地理解玻尔的第二假设，请考虑图3.2：左侧部分显示了L层中的电子如何落到K层上。由此释放的能量以光的形式作为光子辐射。此过程称为发光。特定波长的光包（“光粒子”）被称为光子。

图3.2 光线的发射（左）和吸收（右）的示意图

相反的情况显示在图3.2的右侧：轻粒子撞击电子并被“吞咽”。由此释放的能量将电子从K提升到L层。此过程称为光吸收。

例3.1 发光量

氢原子的电子从M落到L层。辐射的波长是多少？

计算方式：

通过以下方式再次计算波长：

光在651nm处辐射，因此在红色区域辐射。

• • 1. 元素周期表

表3.1列出了元素周期表的一部分。该表的各行提供了被电子占据的最高层。该值也可以从元素的相应列中获得。这被理解为外层中电子的数量，通常被称为化合价。例如，我们认识到稀有气体氦（He）具有两个电子，因此完全占据了K层层。在随后的锂（Li）中，K层也被占据；第三电子位于L层上。最外层的电子称为价电子，因为它们对原子的键合起决定性作用。

表3.1 从元素周期表中提取。元素名称下的数字是原子序数

主要组/价								层
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
H 氢 1							He 氦 2	K
Li 锂 3	Be 铍 4	B 硼 5	C 碳 6	N 氮 7	O 氧 8	F 氟 9	Ne 氖 10	L
Na 钠 11	Mg 镁 12	Al 铝 13	Si 硅 14	P 磷 15	S 硫 16	Cl 氯 17	Ar 氩 18	M
K 钾 19	Ca 钙 20	Ga 镓 31	Ge 锗 32	As 砷 33	Se 硒 34	Br 溴 35	Kr 氪 36	N
Rb 铷 37	Sr 锶 38	Ln 铟 49	Sn 锡 50	Sb 锑 51	Te 碲 52	I 碘 53	Xe 氙 54	O

例3.2 硅的价电子

硅（Si）对光伏发电非常重要，其原子序数为14，位于第四主族中。K和L层已满，最上面的层中有四个电子。因此，Si原子具有四个价电子。

• • 1. 硅晶体的结构

当相邻原子的电子建立固定连接时，可以形成规则的晶格结构。这种结构称为晶体。对于硅，每个价电子与相邻原子的电子连接。以这种方式形成的晶格在图3.3中显示为球体和二维图示。

在此，原子核与所有内部层一起绘制为圆形。正确命名为Si⁴ ，因为原子核中的14个质子与内层上的10个电子一起产生4个正电荷。同时，人们认识到每个硅原子核都被八个价电子包围。之所以称为稀有气体构型，是因为它们与在外层中也具有八个电子的稀有气体氩具有可比性（参见表3.1）。

原子核

价电子

图3.3 硅晶体的结构：左图显示了球形模型，右图显示了二维视图

图3.4 示例GaAs和CdTe的化合物半导体的晶格

• • 1. 复合半导体

到目前为止，所考虑的晶格仅由硅（第IV组的元素）组成。但是，可以合并不同主要组的元素。著名的代表是可以确保太阳能电池高效的材料连接砷化镓（GaAs）。它由三价镓和五价砷原子组成，因此被称为III / V半导体。图3.4显示了结构：晶体同时包含镓和砷原子粒子，这些粒子始终在连接中包含价电子，因此结果又是特别稳定的稀有气体构型。除了III / V半导体外，II / VI半导体也很有趣。图3.4在碲化镉（CdTe）的示例中显示了这一点。

• 1. 半导体的能带模型
     1. 能带的起源

同时，我们知道单个原子的电子存在确定的离散能级。如果我们进行思想实验并将两个原子放在一起会发生什么？原子之间发生相互耦合。结果是能量条件发生变化，每个状态都分为两个单独的状态（见图3.5）。从经典力学中可以看到这种现象的类比。如果一个耦合两个谐波振荡器（例如，两个吉他弦），则结果是两个新的共振频率。对于三个耦合原子，结果始终是三个新的水平，依此类推。如果一个人观看一种半导体晶体，那么实际上无限多个原子可以耦合在一起。个人的水平将仍然很难被识别，在这种情况下，人们会谈论能带。能带显示了电子允许的所有能态。

能量水平

能带

n原子：

3原子：

1个原子：

图3.5 半导体晶体中能带的起源：原子的耦合导致能级的扩展。对于n→infin;，这导致连续的能带

价带

价带

禁区

导带

导带

T gt; 0 K:

T = 0 K:

图3.6 硅的价带和导带：随着温度的升高，单个电子上升到导带中

仍然被电子占据的最高能带决定着固态物体的电关系。由于它被价电子占据，因此称为价带（见图3.6）。第一未占用带称为导带。为了进入导带，电子必须首先克服禁带。禁区的宽度决定了移出价带进入导带所需的能量。这也称为带隙Delta;W_G。这是导带W_L的下侧和价带W_V的上侧不同的结果。对于硅，带隙为Delta;W_G= 1.12eV。索引“ G”代表术语带隙。

这对晶体的电行为意味着什么？在绝对温度（T = 0 K）的情况下，价电子保持固定在其键中。在这种情况下，由于没有可用的自由载流子，晶体无法传导电流。

如果现在温度升高，则电子由于热振荡而开始移动。如果温度进一步升高，则各个电子可能会脱离其键，从而以自由电子的形式进入晶体。在能带模型中，这对应于以下情况：这些电子被带出价带，克服了禁带并到达导带。它们成为导体电子，并增加了晶体的电导率。

T = 0 K（开尔文）的绝对零温度对应于upsilon;= minus; 273.15 °C。

• • 1. 绝缘体，半导体和金属的差异

认识了半导体之后，我们将扩展到其他材料。为此，图3.7显示了绝缘体，半导体和金属的能带方案的比较。在绝缘体的情况下，禁区很大。绝缘体通常是带隙大于约3eV的材料。这意味着即使在高温下也几乎没有自由电子可用。低温半导体也充当绝缘体。然而，在中等温度下，电导率会增加，直到在非常高的温度（例如，超过200°C）下它们成为良好的导体（因此称为半导体）。

绝缘体： 半导体： 金属：

图3.7 绝缘体，半导体和金属的能带描述

表3.2 各种材料的带隙比较

材料	材料类型	带隙Delta;WG（eV）
钻石	绝缘体	7.3
砷化镓	半导体 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[409539]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

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