太阳电池基础(编辑修改稿)

太阳电池基础(编辑修改稿)内容摘要：

所以这种杂质能级称施主能级。 因搀杂 (即使很少 )， 会使空带中自由电子的浓度比同温下纯净半导体空带中的自由电子的浓度大很多倍 ，从而大大增强了半导体的导电性能。 导电机制： 杂质中多余电子经激发后跃迁到空带 (或导带 )而形成的。 电子 ─ 多数载流子 (多子 ) 空穴 ─ 少数载流子 (少子 ) 在 n型半导体中 ， 半导体的能带结构 (2) P型半导体 四价的本征半导体 Si、 Ge等 ， 掺入少量三价的 杂质 元素 (如 B、 Ga、 In等 )形成 空穴型半导体 ， 也称 p型半导体。 Si Si Si Si Si Si Si + B 图中在硅晶体中掺入少量的硼 ， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代 ， 硼原子的最外层有三个价电子 ，与相临的半导体原子形成共价键时产生一个空穴。 这个空穴可能吸引束缚电子来填补 ， 使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。 半导体的能带结构 空 带 EA 满 带 受主能级 Eg 这种杂质的能级紧靠满带顶处 ， 图中 EA101eV， 满带中的电子极易跃入此杂质能级 ， 使满带中产生空穴。 这种杂质能级因接受电子而称 受主 (acceptor)能级。 这种搀杂使满带中空穴的浓度较纯净半导体的空穴浓度增加了很多倍 ， 从而使半导体的导电性能增强。 半导体的能带结构 电子 ─ 多数载流子 (多子 ) 空穴 ─ 少数载流子 (少子 ) 在 p型半导体中 ， 多子的浓度决定于掺杂原子的浓度 少子的浓度决定于温度 导电机制： 主要是由满带中空穴的运动形成的。 杂质半导体中， 半导体的能带结构 (3) N型化合物半导体 例如 ， 化合物 GaAs中掺 Te， 六价的 Te替代五价的 As可形成施主能级 ， 成为 n型 GaAs杂质半导体。 (4) P型化合物半导体 例如 ， 化合物 GaAs中掺 Zn， 二价的 Zn替代三价的 Ga可形成受主能级 ， 成为 p型 GaAs杂质半导体。 半导体的能带结构 杂质补偿作用 实际的半导体中既有施主杂质（浓度 nd）， 又有受主杂质（浓度 na）， 若 ndna—— 为 n型（施主） 若 ndna—— 为 p型（受主） 利用杂质的补偿作用， 可以制成 PＮ结。 两种杂质有补偿作用： PN结 PN结的形成 在一块 n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质 ， 由于杂质的补偿作用 , 该区就成为 p型半导体。 在半导体内 ， 由于掺杂的不同 ， 使部分区域是 n型 ，另一部分区域是 p型 ， 它们交界处的结构称为 pn结 (PN junction)。 由于Ｎ区的电子向 P区扩散 ， P区的空穴向 N区扩散 ，在 p型半导体和 n型半导体的交界面附近产生了一个 由np的电场 ， 称为 内建场。 PN结 PN结 n型 p型 E阻PN结处电偶层的形成 n区 (电子多 、 空穴少 )的电子向 p区扩散 ， p区 (空穴多 、 电子少 )的空穴向 n区扩散 ， 在交界面处形成正负电荷的积累 ，交界处形成 电偶层 ， 此特殊结构即为 pn结 ， 厚度约为 107m (m)。 PN结 内建场大到一定程度 ,不再有净电荷的流动 ， 达到了新的平衡。 内建场阻止电子和空穴进一步扩散 ， 记作。 E阻PN结 稳定后 ， n区相对 p区有电势差 U0 (n比 p高 )。 pn 结也称 势垒区。 电子电势能曲线 U0 电子能级 电势曲线 PN结 0eU它阻止 P区带正电的空穴进一步向 N区 扩散； 也阻止 N区带负电的电子进一步向 P区 扩散。 PN结 PN结的形成 在交界面，由于两种载流子的浓度差，出现扩散运动。 PN结 PN结的形成 在交界面，由于扩散运动，经过复合 ,出现空间电荷区。 空间电荷区 耗尽层 PN结 PN结的形成 PN结 当扩散电流等于漂移电流时 ，达到动态平衡 ， 形成 PN结。 PN结 在 P型半导体和 N型半导体结合后 ， 由于 N型区内电子很多而空穴很少 ， 而 P型区内空穴很多电子很少 ， 在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差别。 这样 ， 电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。 于是 ， 有一些电子要从 N型区向 P型区扩散 ， 也有一些空穴要从 P型区向 N型区扩散。 它们扩散的结果就使 P区一边失去空穴 ， 留下了带负电的杂质离子 ,N区一边失去电子 ，留下了带正电的杂质离子。 半导体中的离子不能任意移动 ， 因此不参与导电。 这些不能移动的带电粒子在 P和 N区交界面附近 ， 形成了一个很薄的空间电荷区 ， 就是所谓的 PN结。 文字总结： PN结的形成 PN结 扩散越强 ， 空间电荷区越宽。 在空间电荷区 ，由于缺少多子 ， 所以也称耗尽层。 在出现了空间电荷区以后 ， 由于正负电荷之间的相互作用 ， 在空间电荷区就形成了一个内电场 ， 其方向是从带正电的 N区指向带负电的 P区。 显然 ， 这个电场的方向与载流子扩散运动的方向相反它是阻止扩散的。 文字总结： PN结的形成 PN结 另一方面 ， 这个电场将使 N区的少数载流子空穴向P区漂移 ， 使 P区的少数载流子电子向 N区漂移 ， 漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反。 从 N区漂移到 P区的空穴补充了原来交界面上 P区所失去的空穴 ， 从 P区漂移到 N区的电子补充了原来交界面上 N区所失去的电子 ， 这就使空间电荷减少 ， 因此 ， 漂移运动的结果是使空间电荷区变窄。 当漂移运动达到和扩散运动相等时 ，PN结便处于动态平衡状态。 内电场促使少子漂移 ， 阻止多子扩散。 最后 ， 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 文字总结： PN结的形成 PN结 PN结处能带的弯曲 空带 空带 0eU施主能级 受主能级 满带 满带 PN结 pn结的形成使其附近能带的形状发生了变化。 对带正电的空穴 ， 其电势能曲线类似于图中上部的电势曲线 ，效果是阻止左边 p区的空穴向右扩散； 对带负电的电子来说 ， 它的电势能曲线如图的下部所示 ，阻止右边 n区的电子向左扩散。 PN结 考虑到 PN结的存在 , 半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能 ， 所以电子的 能带会出现弯曲现象。 PN结处能带的弯曲 能带的弯曲对 n区的电子和 p区的空穴都形成一个势垒 ， 阻碍 n区电子和 p区空穴进入对方区域。 这一势垒区也称 阻挡层 (deplection zone) PN结的单向导电性 由于 pn结处阻挡层的存在 ， 把电压加到 pn结两端时 ， 阻挡层处的电势差将发生变化。 Ep型 n型 I E阻(1) 正向偏压 在 pn结的 p端接电源正极 ， n端接负极 ， 这叫对 PN结加 正向偏压 (如图 )。 此时 与 反向 ，阻挡层势垒削弱 、 E外E阻变窄 ， 有利于空穴向 n型区 、 电子向 p型区移动 ， 即形成正向电流 (mA级 ) PN结的单向导电性 外加电压越大 ， 正向电流也越大 ， 而且呈非线性的伏安特性。 V （伏） 30 20 10 （毫安） 正向 0 I PN结的单向导电性 (2) 负向偏压 在 pn结的 p型一端接电源负极 ， 另一端接正极 ， 这叫对pn结加 反向偏压。 此时 与 同向 ， 阻挡层势垒增大 、变宽 ， 不利于空穴向 n型区 、 电子向 p型区移动。 没有正向电流。 E外E阻p型 n型 I E阻 E外 但是 ， 由于少数载流子的存在 ， 在外电场作用下 ， 会形成很弱的反向电流 ， 称为 漏电流(A级 )。 PN结的单向导电性 当反向电压超过某一数值后 ，反向电流会急剧增大 ， 这称为反向击穿。 击穿电压 V (伏 ) 10 20 30 I（微安） 反向 20 30 由上可知 ， pn结可以作成具有整流 、 开关等作用的 晶体二极管 (diode)。 PN结的反向击穿 PN结的单向导电性 PN结外加正向电压时处于导通状态 加正向电压是指 P端加正电压， N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。 PN结的单向导电性 内电场 外电场 外电场抵消内电场的作用 ， 使耗尽层变窄 ， 形成较大的扩散电流。 PN结的单向导电性 PN结外加反向电压时处于截止状态 外电场和内电场的共同作用，使耗尽层变宽，形成很小的漂移电流。 PN结的单向导电性 PN结的伏安特性 正向特性 反向特性 反向击穿 PN结的电流方程为 )1(  TUuS eIi其中， IS 为反向饱和电流， UT≈26mV， 半导体的导电特性 掺杂特性 掺入微量的杂质 （ 简称掺杂 ） 能显著地改变半导体的导电能力。 杂质含量改变能引起载流子浓度变化 ， 半导体材料电阻率随之发生很大变化。 在同一种材料中掺入不同类型的杂质 ， 可以得到不同导电类型的半导体材料。 半导体的导电特性 温度特性 温度也能显著改变半导体材料的导电性能。 一般来说 ， 半导体的导电能力随温度升高而迅速增加 ， 即半导体的电阻率具有负的温度系数 ， 而金属的电阻率具有正当温度系数 ， 且其随温度的变化很慢。 半导体的导电特性 环境特性 半导体的导电能力还会随光照而发生变化（ 称为光电导现象 ）。 此外半导体的导电能力还会随所处环境的电场 、 磁场 、 压力和气氛的作用等而变化。 半导体的特性应用 热敏电阻 根据半导体的电阻值随温度的升高而迅速下降的现象制成的半导体器件 ， 称为 热敏电阻(thermosensitive resistance)。 热敏电阻有体积小 ， 热惯性小 ， 寿命长等优点 ， 已广泛应用于自动控制技术。 半导体的特性应用 光敏电阻 半导体硒 ， 在照射光的频率大于其红限频率时 ， 它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现象。 利用这种特性制成的半导体器件称为 光敏电阻 (photosensitive resistance)。 光敏电阻是自动控制 、 遥感等技术中的一个重要元件。 半导体的特性应用 温差热电偶 把两种不同材料的半导体组成一个回路 ， 并使两个接头具有不同的温度 ， 会产生较大的温差电动势 ， 称为 半导体温差热电偶。 温度每差一度 ，温差电动势能够达到 、 甚至超过 1毫伏。 利用半导体温差热电偶可以制成温度计 ， 或小型发电机。 半导体的特性应用 集成电路 pn结的适当组合可以作成具有放大功 能的晶体三极管 (trasistor)， 以及其他各种晶体管。 进一步可将它们作成集成电路 、 大规模集成电路和超大规模集成电路。 半导体的特性应用 1947年 12月 23日，美国贝尔实验室的半导体小组， W. Shockley， J. Bardeen， W. Brattain做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。  固定针 B 探针 固定针 A Ge晶片 1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。 人类历史上的第一个晶体管 半导体的特性应用 人类历史上的第一块集成电路 1958年 9月 Texas Instruments Jack Kilby 2020年诺贝尔奖 半导体的特性应用 p n p 电信号 c b Veb Vcb R e ~ 后来，晶体管又从点接触型发展到 面接触型。 晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。 半导体的特性应用 INMOS T900 微处理器。