半导体光电化学中国科学院化学研究所林 原半导体光电化学一、前言二、半导体材料的物理化学基础三、半导体/溶液界面性能四、半导体光电化学反应过程五、半导体纳米材料一 前 言什么是半导体光电化学以半导体材料为研究对象研究半导体/溶液界面热力学性能研究光激发下半导体/溶液界面反应热力学为什么要研究半导体光电化学在太阳能利用领域的应用在环境治理方面的研究可再生能源种类与储量太阳能1.2x105TW生物质能5-7TW水电4.6TW地热能9.7TW风能2-4TW海洋/潮汐能2TW能源需求14TWby205033TWby2100只有太阳能超过人类能源消耗总量太阳能利用方式太阳能光电转换太阳能化学转换太阳能热转换CO2sugarH2OO2NCONCH3NNNNHHH自然光合作用人工光合作用50-200°Cspace,waterheating500-3000°CheatengineselectricitygenerationprocessheatH2OO2CO2H2,CH4CH3OHe-h+热能转换率高，应用广泛，成本低化学能易于储存，合成化学品、调峰电能品质高，便于使用太阳能恭恭敬敬3x1024J/年 1000W/m2人类耗能15000倍大气外接近黑体地表有大气吸收UV5%Vis43%IR52%太阳能应用的难点不稳定：年、昼夜、天气分散：1000W/m2成本高：材料用量大，要求高便宜、高效的新材料以化学能的方式存储1、半导体的发现1833年法拉第發現一種半導體材料：硫化銀電阻隨著溫度上升而降低1874年布勞恩注意到硫化物的電導率與所加電壓的方向有關，這就是半導體的整流作用1929年佩爾斯指出幾乎完全填滿的能帶，其電特性可以用帶正電的電荷來解釋，這就是空穴1939年肖特基(Schottky)發表了有關整流理論的重要論文，做了許多推論，布洛赫在能帶理論方面做出了重要的貢獻1956年巴丁、布喇顿和肖克利三人因发明半导体晶体管获得了诺贝尔物理学奖，开创半导体应用时代2、半导体的定义导 体 电导率＞102Scm-1,大部分金属绝缘体 电导率＜10-10Scm-1的物质半导体 电导率介于导体与绝缘体之间元素半导体： 硅，锗金属氧化物：二氧化钛，氧化锌Ⅲ－Ⅴ族： 砷化镓，氮化镓Ⅱ－Ⅵ族： 硒化镉，硫化锌描述半导体的理论价键理论（价键理论）能带理论（分子轨道理论）理论只是描述我们不能直接看到的现象的方法盲人摸象 光波粒二象性本征半导体和结构特点杂质半导体N型半导体杂质半导体的能带模型PPPPPPPPPP导带导带价带价带杂质能带掺磷生成N型半导体，电子的密度大于空穴杂质基本完全电离，电子空穴密度不同杂质半导体的能带模型B导带导带价带价带杂质能带掺硼生成P型半导体，空穴的密度大于电子杂质基本完全电离，电子空穴密度不同BBBBBBBBB杂质半导体中的载流子浓度N型n0=NDP0=ni2/NDP型p0=NAn0=ni2/NA载流子平衡浓度在300K硅的本征电子浓度ni=1.5x1010cm-3,硅原子的密度为4.4x1022cm-3试计算当渗入1ppm磷杂质后电子和空穴的浓度磷为施主，N0＝4.4x1016cm-3P0＝ni2/N0=5.1x103cm-3浅能级：在导带底或价带顶附近的杂质能级深能级：在禁带中间产生杂质的能级浅能级杂质： 有意引入改变导电类型深能级杂质或缺陷：无意识地带进去 捕获自由运动载流子 引起无辐射跃迁费米能级费米能级（EF）：从无粒子系统开始，将粒子逐个填入现有而未被占据的最低能量的量子态，直到所有粒子全部填完量子统计经典统计费米能级T=0EEFf(E)=0T>0E1/2E=EFf(E)=1/2E>EFf(E)<1/2费米能级时电子占据的几率为1/2（半空半满）Ef(E)EFEf(E)EF费米能级的解释费米能亦可等价定义为在绝对零度时，处于基态的费米子系统的化学势但是在半导体物理和电子学领域中，由于温度低于费米温度，费米能级可以被当做电子或空穴化学势的代名词电子与空穴密度在非简并的情况下对电子填充几率进行积分可得由费米能级位置可以求得平衡时电子空穴浓度本征型N型P型EF在中间EF靠近导带EF靠近价带EFEVECEFEVECEFEVECEDEA费米能级表征半导体的掺杂类型半导体－水溶液的类比本征半导体纯水杂质半导体水溶液电子氢离子施主碱空穴氢氧根受主酸本征浓度解离度深能级弱酸碱费米能级pH浅能级强酸碱P型半导体碱溶液轻掺杂稀溶液N型半导体酸溶液重掺杂浓溶液
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