太阳能电池系列之半导体基础知识(精)

丫丫学电池系列之半导体基础知识摘要：本篇是丫丫学习《太阳能光伏发电实用技术》的心得体会，着重介绍了书中"半导体物理知识"这一章节。

一、《太阳能光伏发电实用技术》目录
全书目录：
第一章概述
第二章太阳能光伏发电工作原理、运行方式及系统组成
第三章太阳能电池
第四章铅酸蓄电池
第五章控制器
第六章逆变器
第七章交流配电设备、输电线路、备用电源及防雷与接地
第八章太阳能光伏发电系统的设计
第九章太阳能光伏发电系统操作使用与管理维护
第十章中国典型太阳能光伏发电工程介绍
其中"太阳能电池"章又分四节：
第一节：半导体物理知识
第二节：太阳能电池工作原理与特性
第三节：太阳能电池生产制造工艺
第四节：太阳能电池的发展趋势
下面接着说说这本书中提到的关于半导体物理的知识。

二、半导体及其主要特性
1、概述：
固体材料按其导电能力强弱，分为超导体、导体、绝缘体和半导体四类。

导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）。

半导体的电阻率大约在10的-5次方~10的7次方欧姆米，如锗、硅、砷化镓、硫化镉等。

众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。

金属之所以容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动，形成了电流。

在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。

半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。

Semiconductor
A semiconductor is a material with an electrical conductivity that is intermediate between that of an insulator and a conductor. A semiconductor behaves as an insulator
at very low temperature, and has an appreciable electrical conductivity at room temperature although much lower
conductivity than a conductor. Commonly used semiconducting materials are silicon, germanium, and gallium arsenide.
2、特性：
1）电阻率的变化受杂质含量影响极大，且所含杂质不同，导电类型也不同。

在半导体里掺入微量的杂质，就可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14 103 m减小到0.004 m左右。

2）电阻率受光和热等外界条件的影响很大。

温度升高或光照时，均可使半导体材料的电阻率迅速下降。

一些特殊的半导体在电场或磁场作用下，其电阻率也会发生变化。

3、分类
按是否含有杂质分，分为本征半导体和杂质半导体。

杂质半导体按其导电类型，又分为n型半导体和p型半导体。

N型半导体的结构示意图
P型半导体的结构示意图
三、半导体硅的晶体结构
1、固态物质根据其质点（原子、离子和分子）排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。

晶体是指具有确定的熔点的固态物质，否则为非晶体，如玻璃、松香等。

（哈哈，重温初中化学知识）
2、晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵。

3、单晶体：整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体。

4、多晶体：整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体（即晶粒）组成的晶体。

5、无定形态：非晶硅，质点排列无规则，"短程有序，长程无序"。

一般的硅棒是单晶硅，粗制硅（冶金硅）和利用蒸发或气相沉积制成的硅薄膜为多晶硅，也可以是无定形硅。

6、硅（Si）的原子序数为14，即它的原子核外有14个电子。

硅、锗等重要半导体均为金刚石式结构。

1个硅原子和4个相邻的硅原子由共价键联结。

7、共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。

8、晶面：通过晶体中原子中心的平面叫作晶面（Faces）。

晶体在自发生长过程中可发育出由不同取向的平面所组成的多面体外形，这些多面体外形中的平面称为晶面。

特定取向的晶面必定与晶体中对应的一组互相平行的平面点阵相平行。

可以规定一套整数hkl来反映某特定晶面及其相应平面点阵组的取向，这一套整数称为晶面指标。

晶面（或平面点阵组）指标的严格定义是晶面在三个晶轴上的倒易截数之比。

设a、b、c为晶体的一套基向量，晶面在a 轴、b轴、c轴上所截长度分别为ra、sb、tc，则r、s、t为晶面在三个晶轴上的截数，而1/r、1/s、1/t为倒易截数。

将晶面在三个晶轴上倒易截数
之比化为一组互质整数，即1/r∶1/s∶1/t=h∶k∶l，则这一套互质整数即为晶面指标，用（hkl）符号来表示。

9、通过晶格中的硅原子可以作许多间距相同而互相平行的平面，称为晶面。

垂直于晶面的法线方向，称为晶向。

10、晶体具有各项异性的特征，即在不同的晶面某些物理性质和化学性质会有很大差别。

10、常见晶体硅的主要晶面，为111、110、100三个晶面。

四、能级、能带、禁带、价带和导带
1、由波尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。

这些能量值就是能级。

①基态：在正常状态下，原子处于最低能级，电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态。

②激发态：原子吸收能量后从基态跃迁到较高能级，电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态。

2、在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。

晶体是由大量的原子有序堆积而成的。

由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。

3、在0K时电子在能带中所占据的最高充填能级称为费米能级。

固体的能带可以用能态密度表示，它表示了在单位能量间隔内电子状态的数目。

能态密度为零的区间称为禁带，最高完全占据的能带称做价带，最低未完全占据的能带称做导带。

金属材料中导带被部分充填，因而具有电子导电性。

半导体和绝缘体的导带都是空的，价带完全充满，两者的区别是禁带的宽度不同。

固体能带的宽度也是表征固体特性的管理机制因素，它与晶体中原子轨道间的相互作用大小直接相关。

4、物理学名词解释
晶体中电子所能具有的能量范围。

在物理学中往往形象化地用一条条水平横线表示电子的各个能量值。

能量愈大，线的位置愈高，一定能量范围内的许多能级(彼此相隔很近)形成一条带，称为能带。

各种晶体能带数目及其宽度等都不相同。

相邻两能带间的能量范围称为"能隙"或"禁带"。

晶体中电子不能具有这种能量。

完全被电子占据的能带称"满带"。

满带中的电子不会导电；完全末被占据的称"空带"；部分被占据的称"导带"。

导带中的电子能够导电；价电子所占据能带称"价带"。

半导体能带结构和载流子的移动
能量比价带低的各能带一般都是满带，价带可以是满带，也可以是导带；如在金属中是导带，所以金属能导电。

在绝缘体中和半导体中是满带所以它们不能导电。

但半导体很容易因其中有杂质或受外界影响（如光照，升温等），使价带中的电子数目减少，或使空带中出现一些电子而成为导带，因而也能导电。