第10章半导体电化学和光电化学基础

电化学原理 2、耗尽层的特点
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。
空间电荷层
空间电荷层
x
l sc
B
0
EC EF
E C .s
EV
x
E V .s
l sc
(c)耗尽层
3、反型层
电化学原理
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，形成所谓的反型层。
空间电荷层
ni2
NCNV
expkETg
ni2 n0 p0
电化学原理
2、掺杂半导体的费米能级与载流子浓度
⑴N型半导体
施主浓度
载流子浓度 n0 ND
空穴浓度
p ni2
0
ND
源自文库
掺杂后半导体的费米能级
EC
EF
EV
（b）N型半导体能带结构
EFE CkTlnN N C D
⑵P型半导体
电化学原理
载流子浓度
p0 NA
3/ 2
2 2mn*kT
N C
h3
电化学原理 价带中空穴浓度为：
p0NVexpEVk TEF
价带中的有效状态密度
3/ 2
2 2mp*kT
N V
h3
半导体载流子的浓度积为：
n 0 p 0 N C N V e x p E C k T E V N C N V e x p k E T g
空间电荷层
EC
x
l sc
B
0
EF EV
E C .s
x
E V .s
l sc
(d)反型层
4、平带
x B
l sc
电化学原理
EC EF
0
EV
x
l sc
E C .s
E V .s
(b)平带
电化学原理
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
d d x 8n sickTeyey2 1/2
EC
EF
E
0 F
O
/
R
EV
N型半导体 溶液
E电子能量 E C .s
EC
EF
E
0 F
O
/
R
E V .s
EV
N型半导体 溶液
(a)溶液接触前
(b)溶液接触后
图10.5N型半导体与溶液接触前后能带的变化
电化学原理
EFEF0O/R
平
e0
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。
1、积累层（富集层）及其特点
电化学原理 ⑴电位和能带弯曲
空间电荷层
x B
0
l sc
EC
EF EV
x
l sc
空间电荷层
E C .s
E V .s
(a)积累层
电化学原理 ⑵空间电荷层载流子分布服从Boltzmann统计规律
nxn0expe0 k T
pxp0expe0 k T
⑶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。
（b）受主与P型半导体的能带
图10.3施主能级和受主能级
电化学原理
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：
Z E4V2m n*3/2EEC1/2
C
h3
Z E4V2mp*3/2EVE1/2
①电子
②空穴
电化学原理 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
电化学原理
EC
EC
+ + + + ED
EA
EV
EV
（a）施主与N型半导体的能带
n 少子（电子）浓度
n
2 i
0
NA
掺杂后半导体的费米能级
EFEVklnN NV A
EC
EF
EV
（c）P型半导体能带结构
电化学原理
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
动态平衡
EF EF0O / R
电化学原理
E电子能量
V
h3
电化学原理
半导体在热平衡状态下，电子按Fermi-Direc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：
F E 1
exp
EEF kT
1
1FE1expE1 kT EF1
电化学原理 导带中电子浓度为：
n0N CexpEC kT EF
导带中的有效状态密度
电化学原理
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
电化学原理 ⑴半导体中的能带结构
能带
导带 禁带 价带
图10.1价带、导带和禁带
能带
电化学原理
EC Eg
EV
图10.2价带中的电子被激发到导带
电化学原理 ⑵半导体中的载流子
E
空间电荷层
E C .s EC
EF
E V .s
E
0 F
O
/
R
EV
N型半导体 0 溶液 (c)能带弯曲
电化学原理
10.2.2空间电荷层的不同表现形式
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。
y e 0 S k T B ,S0 ,B B
电化学原理
SCH1
B
B S
S
x 半导体
H
1
溶液
图10.8半导体/溶液界面的电位分布
0
EF , EFO / R
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。
②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。
电化学原理
空间电荷层
OHP
x
l s c N型半导体 0
溶液
（b）界面电位分布
电化学原理
③ “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。
电化学原理 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
n0 p0
本征半导体的费米能级
ECEV kTlnN NV C
E F
2
2
EC
EF
EV
（a）本征半导体能带结构
电化学原理 本征半导体的载流子浓度
n in 0p 0N C N V1 /2ex p 2k E T g
电化学原理
2、半导体中的空间电荷层、电位分布与能带弯曲
界面
空间电荷层
OHP
⑴空间电荷层
+-
+ +
++-
-
+- - -
++
++-
+ +-
-
-
-
+
+-
+ +- -
++-
-
x
l s c N型半导体 0
溶液
（a）空间电荷层
电化学原理 ⑵电位分布与能带弯曲的方向和程度
①电位分布与能带弯曲的方向取决于初始 的相对位置。