精华--半导体与PN结解析

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§ 2.2.4 基本原理 --掺杂
下面的示意图描述了单晶硅掺杂后制成n型和p型半导体。
§ 2.2.4 基本原理 --掺杂
下表总结了不同类型半导体的特性
P型（正） 掺杂 价键 多子 少子
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N型（负） Ⅴ族元素 （如磷） 多出一个电子 电子 空穴
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§ 2.3.1 载流子的产生 --光的吸收
下面的动画展示了三种不同能量层次的光子在半导体 内产生的效应。
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§ 2.3.1 载流子的产生 --光的吸收
对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很 多光伏Biblioteka Baidu用中，光生载流子的数目要比由于掺杂 而产生的多子的数目低几个数量级。因此，在被 光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。 但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产 生的少子的数目要远高于原本无光照时的光子数 目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目 几乎等于光产生的少子数目。
导带
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价带
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§ 2.2.3 基本原理 --本征载流子浓度
下图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓度。需 要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目 都是相等的。
室温
高温
§ 2.2.4 基本原理 --掺杂
通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平 衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成n型半导体 材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此增加了导带 中电子的数目。相对的，比硅原少一个电子的原子可以制成 p 型半导体材料。在 p 型半导体材料中，被束缚在共价键中 的电子数目比本征半导体要高，因此显著地提高了空穴的数 目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种 载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫“多子”，相反， 浓度低的载流子就叫“少子”。
§ 2.2.5 基本原理 --平衡载流子浓度
下图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。 并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。
N型半导体材料 导带 导带
价带 低掺杂
价带 高掺杂
§ 2.3.1 载流子的产生 --光的吸收
入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半 导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而 过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分， 就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将 在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收 还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导 体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种： 1. Eph<Eg 光子能量Eph小于禁带宽度Eg，光子与半导体的相互 作用很弱，只是穿过，似乎半导体是透明的一样。 2. Eph=Eg 光子的能量刚刚好足够激发出一个电子-空穴对，能 量被完全吸收。 3. Eph>Eg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。
第二章：半导体与PN结
§ 2.1简介 § 2.2基本原理 § 2.3载流子的产生
§ 2.4载流子的复合
§ 2.5载流子的运动
§ 2.6 PN结
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§ 2.1
简介
一直以来，太阳能电池与其它的电子器件都被紧密地联 系在一起。接下来的几节将讲述半导体材料的基本问题和物 理原理，这些都是光伏器件的核心知识。这些物理原理可以 用来解释 PN 结的运作机制。 PN 结不仅是太阳能电池的核心 基础，还是绝大多数其它电子器件如激光和二极管的重要基 础。 右图是一个硅锭，由 一个大的单晶硅组成，这 样一个硅锭可以被切割成 薄片然后被制成不同半导 体器件，包括太阳能电池 和电脑芯片。
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§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
上图是元素周期表的一部分。相同半导体材料以蓝色 字体显示。半导体可以由单原子构成，如 Si 或 Ge ，化合物， 如 GaAs 、 InP 、 CdTe ，还可以是合金，如 SixGe （ 1-x ） 或 AlxGa （1-x）As。 其中X是元素的组分，数值从0到1。
§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从 一个电子移动到另一个电子，也因此出现了正电荷 在晶格中运动的现象。这个留下的空位置通常被叫 做“空穴”，它与电子相似但是带正电荷。
右边动画展示 了当电子能够逃脱共 价键时自由电子和空 穴是如何形成的
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§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
半导体的价键结构决定了半导体材料的性能。一个 关键影响就是限制了电子能占据的能级和电子在晶格之 间的移动。半导体中，围绕在每个原子的电子都是共价 键的一部分。共价键就是两个相邻的原子都拿出自己的 一个电子来与之共用，这样，每个原子便被 8个电子包 围着。共价键中的电子被共价键的力量束缚着，因此它 们总是限制在原子周围的某个地方。因为它们不能移动 或者自行改变能量，所以共价键中的电子不能被认为是 自由的，也不能够参与电流的流动、能量的吸收以及其 它与太阳能电池相关的物理过程。
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§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
右图展示了一种半导 体的结构。硅晶格中 的共价键示意图。 硅原子 共价键
半导体材料可以来自元素周期表中的Ⅴ族元素，或 者 是 Ⅲ 族 元 素 与 Ⅴ 族 元 素 相 结 合 （ 叫 做 Ⅲ -Ⅴ 型 半 导 体 ），还可以是Ⅱ族元素与Ⅵ族元素相结合（叫做Ⅱ Ⅵ型半导体 ）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是 集成电路（IC）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大 多数的太阳能电池也是以硅作为基本材料的。硅的相关材 料性能将在硅的材料性质一节给出。
对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：
1. 禁带宽度 2. 能参与导电的自由载流子的数目 3. 当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复 合。
关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。
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§ 2.2.2 基本原理 --禁带
半导体的禁带宽度是指一个电子从价带运动 到能参与导电的自由状态所需要吸收的最低能量值。 半导体的价键结构显示了（ y轴）电子的能量，此 图也被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被 叫做“价带”（Ev valence band），而处于其中的 电子能被看成自由电子的能级叫“导带”（Ec）。 处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。
N型半导体。之所以叫n型是因为多 子是带负电的电子（ Negatively charged electrons ）。
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P型半导体。之所以叫p型是因为 多子是带正电的空穴（ Positively charged holes）。
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§ 2.2.5 基本原理 --平衡载流子浓度
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§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
然而，只有在绝对零度的时候才会让全部电子 都束缚在价键中。 在高温下，电子能够获得足够 的能量摆脱共价键，而当它成功摆脱后，便能自由 地在晶格之间运动并参与导电。在室温下，半导体 拥有足够的自由电子使其导电，然而在到达或接近 绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。
§ 2.2.3 基本原理 --本征载流子浓度
把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带 都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度， 用符号 ni 表示 。 没有注入能改变载流子浓度的杂质的半 导体材料叫做本征材料。本征载流子浓度就是指本征材 料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。载流子的 数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使 得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征 载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子 更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。
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§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
半导体是由许多单原子组成的，它们以有规律的周期性 的结构键合在一起，然后排列成型，借此，每个原子都被 8 个电子包围着。一个单原子由原子核和电子构成，原子核则 包括了质子（带正电荷的粒子）和中子（电中性的粒子）， 而电子则围绕在原子核周围。电子和质子拥有相同的数量， 因此一个原子的整体是显电中性的。基于原子内的电子数目 （元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电子都占据 着特定的能级。
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§ 2.2.5 基本原理 --平衡载流子浓度
使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：
n型 n0=ND P0=n2i/ND
p型
P0=NA
n0=n2i/NA
上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增 加而减少。例如，在n型材料中，一些额外的电子随 着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴， 空穴的数目随之下降。
§ 2.3.2 载流子的产生 --吸收系数
下图显示几种半导体材料的吸收系数：四种不同半导体 在温度为300K时的吸收系数α，实验在真空环境下进行。 该图表明，即使是 那些能量比禁带宽度高 的光子，它们的吸收系 数也不是全都相同的， 而是与波长有密切的联 系。
锗 硅
磷化铟
砷化镓
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Ⅲ族元素 （如硼） 失去一个电子 （空穴） 空穴 电子
§ 2.2.4 基本原理 --掺杂
下面的动画展示了p型硅与n型硅。在一块典型的半导体 中，多子浓度可能达到 1017cm-3 ，少子浓度则为 106cm-3 。这 是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地 球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发又可以 通过光照产生。
§ 2.3.2 载流子的产生 --吸收系数
吸收系数决定着一个给定波长的光子在被吸 收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的 吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果 材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系 数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半 导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的边 缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够的 能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就 没被吸收了。
§ 2.2.2 基本原理 --禁带
固体中电子的能 带示意图。
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§ 2.2.2 基本原理 --禁带
一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并 参与导电。然而，电子在导带中的运动也会导致另外 一种导电过程的发生。电子从原本的共价键移动到导 带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动 到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留 给电子的不断运动的空位，叫做“空穴”，也可以看 作在晶格间运动的正电荷。
在没有外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓度 就叫本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等 于本征载流子浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。 在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载 流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载 流子的浓度。 在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用 定律可得其数学表达式。 n0p0=n2i 式中ni表示本征载流子浓度，n0和 p0分别为电子和空穴 的平衡载流子浓度。
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§ 2.2.2 基本原理 --禁带
因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身 的移动，还产生了空穴在价带中的运动。电子和空穴 都能参与导电并都称为“载流子”。 移动的“空穴”这一概念有点类似于液体中的气 泡。尽管实际上是液体在流动，但是把它想象成是液 体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。
§ 2.2.1 基本原理 --半导体的结构
价键的存在导致了电子有两个不同能量状态。电 子的最低能量态是其处在价带的时候。然而，如果电 子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导 带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能 量区域。它要么束缚在价键中除于低能量状态，要么 获得足够能量摆脱共价键，但它吸收的能量有个最低 限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带”。自 由电子的数量和能量是研究电子器件性能的基础。