第2章半导体与PN结素材

§ 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。
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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。
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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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§ 2.2.1 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。
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。
§ 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。
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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。
§ 2.2.3 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。
§ 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。
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。
§ 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