首先是空穴的产生

首先是空穴的产生 当半导体内掺入硼原子后 相当于占据了一个硅原子 锗首先是空穴的产生 当半导体内掺入硼原子后 相当于占据了一个硅原子 锗 原子 的位置 因为硼原子最外层只有原子 的位置 因为硼原子最外层只有 3 3 个电子 当这些电子与周围硅原子个电子 当这些电子与周围硅原子 锗原子 形成共价键的时候 自然就空出一个位置 因此 周围的硅原子 锗原子 形成共价键的时候 自然就空出一个位置 因此 周围的硅原子 锗原子 的电子很容易就可以跑到空出的位置上 从而形成空穴 所谓空穴 锗原子 的电子很容易就可以跑到空出的位置上 从而形成空穴 所谓空穴 的移动 其实是这些电子在移动 方向相反 我觉得这一点和导体内电流方向的移动 其实是这些电子在移动 方向相反 我觉得这一点和导体内电流方向 与自由电子移动相反差不多 与自由电子移动相反差不多 其次是其次是 PNPN 结正负电荷的产生 先要说明扩散运动和漂移运动的区别 扩散结正负电荷的产生 先要说明扩散运动和漂移运动的区别 扩散 运动指的是由于浓度的差异而引起的运动 而漂移运动则是指在电场作用下载运动指的是由于浓度的差异而引起的运动 而漂移运动则是指在电场作用下载 流子的运动 当在流子的运动 当在 P P 型半导体部分区域掺入磷原子或在型半导体部分区域掺入磷原子或在 N N 型半导体部分区域掺型半导体部分区域掺 入硼原子之后 由于扩散运动电子和空穴会在交界处复合 磷原子失去电子变入硼原子之后 由于扩散运动电子和空穴会在交界处复合 磷原子失去电子变 成正电荷 硼原子得到电子变成负电荷 形成内部电场阻止多子的扩散 成正电荷 硼原子得到电子变成负电荷 形成内部电场阻止多子的扩散 当加上正向电压 正偏 且大于当加上正向电压 正偏 且大于 0 5V0 5V 时 在外电场的作用下 多子向时 在外电场的作用下 多子向 PNPN 结运动 负电荷得到空穴中和 正电荷得到电子中和 因而结运动 负电荷得到空穴中和 正电荷得到电子中和 因而 PNPN 结变窄 扩散运结变窄 扩散运 动较之前又会变强 同时 因为电源不断补充电子和空穴 使得多子的运动得动较之前又会变强 同时 因为电源不断补充电子和空穴 使得多子的运动得 以持续形成电流 以持续形成电流 当加上反向电压 反偏 时 与内部电场方向一致 多子向当加上反向电压 反偏 时 与内部电场方向一致 多子向 PNPN 结反方向移结反方向移 动使动使 PNPN 结变宽 只有少子的漂移运动 因为数目很少 所以形成的反向电流近结变宽 只有少子的漂移运动 因为数目很少 所以形成的反向电流近 乎于乎于 0 0 可认为阻断 要注意的是 若反向电压过大 则会导致击穿 原因是 可认为阻断 要注意的是 若反向电压过大 则会导致击穿 原因是 电场强制性地将电子拉出变成自由电子 而且当反向电流很大时发热也会很厉电场强制性地将电子拉出变成自由电子 而且当反向电流很大时发热也会很厉 害 而半导体受温度影响很大 当温度升高时导电性会急剧增加 害 而半导体受温度影响很大 当温度升高时导电性会急剧增加 PN 结 采用不同的掺杂工艺 将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块硅片上 在 它们的交界面就形成空间电荷区称 PNPN 结结 PNPN 结具有单向导电性结具有单向导电性 PN 结 PN junction 一块单晶半导体中 一部分掺有受主杂质是 P 型半导体 另一部分掺有施 主杂质是 N 型半导体时 P 型半导体和 N 型半 导体的交界面附近的过渡区称 PN 结有同质结和异质结两种 用同一种半 导体材料制成的 PN 结叫同质结 由禁带宽度不 同的两种半导体材料制成的 PN 结叫异质结 制造 PN 结的方法有合金法 扩散法 离子注入法和外延生长法等 制造异质 结通常采用外延生长法 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质 在电场的 作用下 空穴是可以移动的 而电离杂质 离子 是固定不动的 N 型半导体 中有许多可动的负电子和固定的正离子 当 P 型和 N 型半导体接触时 在界面 附近空穴从 P 型半导体向 N 型半导体扩散 电子从 N 型半导体向 P 型半导体扩 散 空穴和电子相遇而复合 载流子消失 因此在界面附近的结区中有一段距 离缺少载流子 却有分布在空间的带电的固定离子 称为空间电荷区 P 型半 导体一边的空间电荷是负离子 N 型半导体一边的空间电荷是正离子 正负离 子在界面附近产生电场 这电场阻止载流子进一步扩散 达到平衡 在 PN 结上外加一电压 如果 P 型一边接正极 N 型一边接负极 电流便 从 P 型一边流向 N 型一边 空穴和电子都向界 面运动 使空间电荷区变窄 甚至消失 电流可以顺利通过 如果 N 型一 边接外加电压的正极 P 型一边接负极 则空穴和 电子都向远离界面的方向运动 使空间电荷区变宽 电流不能流过 这就 是 PN 结的单向导性 PN 结加反向电压时 空间电荷区变宽 区中电场增强 反向电压增大 到一定程度时 反向电流将突然增大 如果外 电路不能限制电流 则电流会大到将 PN 结烧毁 反向电流突然增大时的电 压称击穿电压 基本的击穿机构有两种 即隧 道击穿和雪崩击穿 PN 结加反向电压时 空间电荷区中的正负电荷构成 一个电容性的器件 它的电容量随外加电压改变 根据 PN 结的材料 掺杂分布 几何结构和偏置条件的不同 利用其基本特 性可以制造多种功能的晶体二极管 如利 用 PN 结单向导电性可以制作整流二极管 检波二极管和开关二极管 利用 击穿特性制作稳压二极管和雪崩二极管 利用 高掺杂 PN 结隧道效应制作隧道二极管 利用结电容随外电压变化效应制作 变容二极管 使半导体的光电效应与 PN 结相结 合还可以制作多种光电器件 如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合 可以制造半导体激光二极管与半导体发光二极 管 利用光辐射对 PN 结反向电流的调制作用可以制成光电探测器 利用光 生伏特效应可制成太阳电池 此外 利用两个 PN 结之间的相互作用可以产生放大 振荡等多种电子功能 PN 结是构成 双极型晶体管和场效应晶体管的核心 是现代电 子技术的基础 在二级管中广泛应用 PN 结的平衡态 是指 PN 结内的温度均匀 稳定 没有外加电场 外加磁场 光照和辐射等外界因素的作用 宏观上达到稳定的平衡状态 PN 结的工作原理 PN 结的形成 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质 分别形成 N 型半导体和 P 型 半导体 此时将在 N 型半导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 在 P 型半导体和 N 型半导 体的结合面两侧 留下离子薄层 这个离子薄层形成的空间电荷区称为 PN 结 PN 结的内电场方向由 N 区指向 P 区 在空间电荷区 由于缺少多子 所以也称 耗尽层 pn 结工作原理 1 2 11 2 1 PNPN 结的形成结的形成 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质 分别形成 N 型半导体和 P 型半导体 此时将 在 N 型半导体和 P 型半导体的结合面上形成如下物理过程 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 在 P 型半导体和 N 型半导体的结合面两侧 留下离子薄层 这个离子薄层形成的空间电荷区称为 PN 结 PN 结的内电场方向由 N 区指向 P 区 在空间电荷区 由于缺少多子 所以也称耗尽层 PN 结形成的过程可参阅图 01 06 图 01 06 PN 结的形成过程 动画 1 3 如打不开点这儿 压缩后的 1 2 21 2 2 PNPN 结的单向导电性结的单向导电性 PN 结具有单向导电性 若外加电压使电流从 P 区流到 N 区 PN 结呈低阻性 所以电流大 反之是高阻性 电流小 如果外加电压使 PN 结 P 区的电位高于 N 区的电位称为加正向电压 简称正偏 PN 结 P 区的电位低于 N 区的电位称为加反向电压 简称反偏 1 PN 结加正向电压时的导电情况 PN 结加正向电压时的导电情况如图 01 07 所示 外加的正向电压有一部分降落在 PN 结区 方向与 PN 结内电场方向相反 削弱了内电场 于是 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略 漂移电流的影响 PN 结呈现低阻性 图 01 07 PN 结加正向电压时的导电情况 动画 1 4 如打不开点这儿 压缩后的 2 PN 结加反向电压时的导电情况 PN 结加反向电压时的导电情况如图 01 08 所示 外加的反向电压有一部分降落在 PN 结区 方向与 PN 结内电场方向相同 加强了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时 PN 结区的少子在内电场作用下形 成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN 结呈现高阻性 在一定的温度条件下 由本征激发决定的少子浓度是一定的 故少子形成的漂移电流是恒 定的 基本上与所加反向电压的大小无关 这个电流也称为反向饱和电流 PN 结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN 结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN 结具有单向导电性 图 01 08 PN 结加反向电压时的导电情况 动画 1 5 如打不开点这儿 压缩后的 1 2 31 2 3 PNPN 结的电容效应结的电容效应 PN 结具有一定的电容效应 它由两方面的因素决定 一是势垒电容 CB 二是扩散电容 CD 1 势垒电容 CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的 当外加电压使 PN 结上压降发生变化时 离子 薄层的厚度也相应地随之改变 这相当 PN 结中存储的电荷量也随之变化 犹如电容的充放电 势垒电容的示意图见图 01 09 图 01 09 势垒电容示意图 2 扩散电容 CD 扩散电容是由多子扩散后 在 PN 结的另一侧面积累而形成的 因 PN 结正偏时 由 N 区扩散 到 P 区的电子 与外电源提供的空穴相复合 形成正向电流 刚扩散过 来的电子就堆积在 P 区内紧靠 PN 结的附近 形成一定的多子浓度梯度分布曲线 反之 由 P 区扩散到 N 区的空穴 在 N 区内也形成类似的浓度梯度分布曲线 扩散电容的示意图如图 01 10 所示 当外加正向电压不同时 扩散电流即外电路电流的大小也就不同 所以 PN 结两侧堆积的多 子的浓度梯度分布也不同 这就相当电容的充放电过程 势垒电容和扩散电容均是非线性电容 PN 结及半导体基础知识 2008 07 24 11 56 在我们的日常生活中 经常看到或用到各种各样的物体 它们的性质是各不相同的 有些物体 如钢 银 铝 铁等 具有良好的导电性能 我们称它们为导体 相反 有些物体如玻璃 橡 皮和塑料等不易导电 我们称它们为绝缘休 或非导体 还有一些物体 如锗 硅 砷化稼及 大多数的金属氧化物和金属硫化物 它们既不象导体那样容易导屯 也不象绝缘体那样不易导 电 而是介于导体和绝缘体之间 我们把它们叫做半导体 绝大多数半导体都是晶体 它们内 部的原子都按照一定的规律排列着 因此 人们往往又把半导体材料称为晶体 这也就是晶体 管名称的由来 意思是用晶体材料做的管子 物体的导电性能常用电阻率来表示 所谓电阻率 就是某种物体单位长度及单位截面积的 体积内的电阻值 电阻率越小 越容易导电 反之 电阻率越大 越难导电 导体 绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小 但温度变化时 半导体的电阻率变化 却很激烈 每升高 1 它的电阻率下降达百分之几到百分之几十 不仅如此 当温度较高时 整体电阻甚至下降到很小 以致变成和导体一样 在金属或绝缘体中 如果杂质含量不超过干分之一 它的电阻率变化是微不足道的 但半 导体中含有杂质时对它的影响却很大 以锗为例 只要含杂质一千万分之一 电阻率就下降到 原来的十六分之一 锗是典型的半导体元素 是制造晶体管的一种常用材料 注 当前的半导体元器件生产以 硅 Silicon 材料为主 现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流 整流性能和放大性能 我们知道 世界上的任何物质都是由原了构成的 原子中间都有一个原子核和者围绕原子 核不停地旋转酌电子 不同元素的原子所包含的电子数目是不同的 蔗原子的原子核周围有 32 个电子 围绕着原子核运动 原子核带有正电荷 电子带有负电荷 正电荷的数量刚好和全部 电子的负电荷数量相等 所以在平时锗原子是中性的 电子围绕原子核运动 和地球围绕太阳远行相似 在核的引力作用下 电子分成几层按完 全确定的轨道运行 而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律 如图所示 在锗原子核周围 的 32 个电子组成四层环 围绕原子核运动 从里往外数 第一层环上有 2 个电子 其余依次为 8 18 4 个电子 凡是环上的电子数为 2 8 18 时 这些环上的电子总是比较稳定的 若环上 的电子数不等于以上各数时 这些环上的电子总是不太稳定 因此 锗原子结构中 第一 二 三层的电于是稳定的 只有第四层 即最外一 层 的 4 个电于是不稳定的 因最外一层的电子没有填满到规定的数目 我们把最外一层的电子叫做价 电子 一般来说 最外层有几个价电子 其原子价就为几 锗的最外层有 4 个价电子 所以锗 的原子价为 4 受外界作用 环上的电子可以克服原子核的吸引力而脱离原子 自由活动成为自由电子 这些自由电子在电场力的作用下 产生空间运动 就形成了电流 可以想像 由于最外层的价 电子离核比较远 所受引力最小 所以最容易受外界影响而形成自由电子 因此 从导电性能 看 价电子是很重要的 我们所说的锗元素就是依靠它最外层的 4 个价电子进行导电的 锗晶体内的原子很整齐的排列着 各个原子间有相互排斥的力量 而每个原子除了吸引自 己的价电子外 还吸引相邻原子的价电子 因此 两个相邻原子的价电子便成对地存在 这一 对电子同时受这两个原子核的吸引 为它们所 共有 这两个相邻原子也通过这个电子对被 联系在一起 这样 电子对就好像起了键 联结 的作用 我们叫它共价键 每一个锗原子以其 4 个价电子与其他 4 个锗原子的价电子组成 4 个共价键而达到稳定状态 在理想情况下 锗晶体中所有的价电子都织成了电子对 因此没有自由电子 这时锗晶体 是不易导电的 但在外力作用下 如受温度变化 其中可能会有一个价电子脱离键的束缚 挣脱共价键而 跳出来 成为自由电子 这时共价键中出现了一个空位 我们把这个空位叫做空穴 由于原子 本身正电荷和负电荷相等 故原子失去了电子后 整个原子就带正电荷 称为正离子 正离子 容易吸引相邻原子的价电子来填补 电子离开后所留下的空位 使相邻原子中又出现空穴 而 这个新出现的空穴 又可能为别的电子去填充 电子这样不断地填充空穴 就使空穴的位置不 断地在原子问转移 空穴的转移 实际上也是电子 电荷 的运动 所以也就形成电流 这叫做 空穴流 而原来失去的屯子 在晶体中运动 形成了电子流 为了便于叙述 今后就认为空穴 在运动 而且把它当作一个正电荷来看 实际上是空穴所在的原子呈现一个单位正电荷的电量 由于空穴和电子都带有电荷 它们的运动都形成电流 所以就统称它们为载流子 一块不含有杂质的 品格完整的半导体叫做本征半导体 因为它品格完整 如果有一个电 子从共价键中释放出来 必定留下一个空众 所以本征半导体中电子和空众总是成对地出现 它们的数日相等 称为电子一空穴对 在常温下 由于热运动的结果 在本征半导体中会产生 一定数量的电子一空穴对 形成电子流和空穴流 总的电流是两者之和 如没有外界电场作用 电子和空穴的这种运动是杂乱无章的 电子流和空穴流方向也是不定的 结果互相抵消 没有 净电流出现 但在电场作用下 这种半导体两端就出现电压 电子向正端方向运动 空穴向负 端方向运动 形成了定向电流 半导体内就产生电流了 本征半导体因电场作用而产生的导电 现象就叫本征导电 通常 我们很少见到本征半导体 大多遇到的都是 P 型半导体或 N 型半导体 前面说过 半导体中加进了杂质 电阻率就大大降低 这是因为加进杂质后 空穴和电子 的数目会大大增加 例如 在锗晶休中掺入很少一点三价元素铟 由于铟的价电子只有三个 渗入锗晶体后 它的三个价电子分别和相邻的三个锗原子的价电子组成共价键 而对相邻的第 四个锗原子 它没有电于拿出来和这个锗原子 共有 了 这就留下了一个空穴 见图 1 一 3 c 因为掺入了少量的杂质铟 就会出现很多空穴 这是因为即使是少量的 里面含有的原子数 目却不少 杂质半导体中空穴和电子数目不相等 在电场作用下 空穴导电是主要的 所以叫 空穴型半导体或者说是 P 型半导体 换句话说 P 型或空穴型半导体内是有剩余空穴的 掺入的 杂质提供了剩余空穴 在 P 型半导体中 空穴是多数 所以称空穴为多数载流子 电子数目少 就叫少数裁流子 渗入的杂质能产生空穴接受电子 我们叫这种杂质为受主杂质 如果把五价元素砷掺入锗晶体中 砷原子中有 5 个价电于 它和四个锗原子的价电子组成 共价键后 留下一个剩余电子 这个剩余电子就在晶体中到处游荡 在外电场作用下形成定向 电子流 掺入少量的砷杂质就会产生大量的剩余电子 所以称这种半导体为电子型半导体或 N 型半导体 在这种半导体中有剩余电子 这时电子是多数载流子 而空穴是少数载流子 因为 砷是施给剩余电子的杂质 所以叫做施主杂质 如果没有外电场的作用 不论 N 型或 P 型半导体 它们的载流子运动是无规则的 因此 不会形成电流 把一块 P 型半导休和 N 型半导体紧密联接在一起时 实际上只能用化学方法将两个原来独立 的锗片合在一起 就会发现一个奇怪的现象 即在它们的两端加上适当的电压时 会产生单向 导电观象 因为这时在它们的交界面上形成了一个所谓 P N 结的结构 单向导电现象就发生在 这一薄薄的 P N 结中 P N 结是晶体管的基础 它是由扩散形成的 我们知道 P 型半导体内空穴是多数载流子 即空穴的浓度大 而 N 型半导体内电子是多数 载流予 电子的浓度大 二者接触之后 由于在 P 型区和 N 型区内电子浓度不同 N 型区的电子 多 就向 P 型区扩散 扩散的结果如图 1 4 b 所示 N 型区薄层 I 中部分电子扩散到 P 型区去 薄层 I 便因失去电于而带正电 另一方面 P 型区的空穴多 也会向空穴浓度小的 N 型区扩散 结果一部分空穴从薄层 I 向 P 型区扩散 使薄层 带负电 电于和空穴的扩散是同时进行的 总的结果 P 型区薄层 流走了空灾 流进了电子 所以 带负电 而 N 型区的薄层 I 流走了电子 流进了空穴 因而带正电 而且随着扩散现象的继续 进行 薄层逐渐变厚 所带的电量也逐渐增加 不过 这种扩散现象不会无休止的进行下去 当扩散进行到一定程度后 薄层 带了很多负电 从 N 型区向 P 型区扩散的电子总数因电子受 到它的排斥不再继续增加 同样道理 从 P 型区向 N 型区扩散的空灾总数也不再增加 于是扩 散似乎不再继续 而达到所谓 动态平衡状态 这时 P N 结也就形成了 所谓 P N 结 就是指薄层 I 和 所构成的带电结构 因为它能阻止电子和空穴的继续扩散 所以也叫阻挡层 它们之间的电位差一般称势垒或位垒 我们用图来阐明 P N 结的单向导电性能 依照图示方法 将 P 型区接电池正极 N 型区接 负极 向右调动电位器 使加到 P N 结构端的电压逐颓增高 就会发现 当电压表读数增高时 电流表的读数也随之增大 此时 P N 结的电阻很小 这种接法叫正向联结 若反过来 把 P 型区接电池负极 而 N 型区接正极 这时我们会发现 把电压增高到几十 伏 电流的指示只有几个或几十个微安 此时 P N 结的电阻很大 反向电流很快就达到饱和不 再增加了 这说明电流只能沿着一个方向流过 P N 结 这个现象就叫做单向导电 单向导电现象可以这样来解释 因为在 P 型区接电池正极而 N 型区接负极时 外加电压的 方向刚好和 P N 结势垒电压的方向相反 使薄层 带的负电量和薄层 I 带的正电量减少 因此 削弱了 P N 结的势垒 于是在正电压的作用下 电子和空穴的扩散又可进行 N 型区的电子不 断跑到 P 型区 P 型区的空穴也不断跑到 N 型区 正向电流也就产生了 而且 正向电压加得越 高 P N 结势垒削弱得越厉害 扩散也就越容易进行 正向电流也就越大 当 P N 结和电池反向连接时 外加电压起着增强 P N 结势垒的作用 使薄层 带的负电 荷和薄层 I 带的正电荷增加 扩散更无法进行 这时只有 P 型区的少数教流子一电子和 N 型区 的少数我流子一空穴 受外加电压作用形成微弱的反向电流 而少数栽流子的数目不多 所以 在反向电压只有零点几伏时 反向电流就达到饱和了 P N 结还有一个十分重耍的特性 即所谓反向击穿电压 当所加反向电压大到一定数值时 P N 结电阻会突然变得很小 反向电流会骤然增大 而且是无限地增大 这种现象叫 P N 结的 反向击穿 开始击穿时的电压数值叫反向击穿电压 它直接限制了 P N 结用做整流和检波时的 工作电压 总之 一个简单的 P N 结具有单向导电的特性 半导体收音机正是利用这一特性来进行整 流和检波的 半导体二极管就是根据这一原理制成的 PN 结的及其形成过程 2008 06 07 09 57 PN 结形成过程 在杂质半导体中 正负电荷数是相等的 的作用抵消 保持 电中性 1 载流子的浓度差产生的多子的扩散运动 在 P 型半导体和 N 型半导体结合后 在的交界处就了电子和空穴的 浓度差 N 型区内的电子而空穴很少 P 型区内的空穴而电子很少 电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散 有些电子要从 N 型区向 P 型区扩散 也有空穴要从 P 型区向 N 型区扩散 2 电子和空穴的复合形成了空间电荷区 电子和空穴带有相反的电荷 在扩散过程中要产生复合 中和 结 果使 P 区和 N 区中的电中性被破坏 P 区失去空穴留下带负电的离子 N 区失去电子留下带正电的离子 这些离子因物质结构的关系 不能移动 称为空间电荷 集中在 P 区和 N 区的交界面附近 形成了一个很薄的空 间电荷区 这所谓的 PN 结 3 空间电荷区产生的内电场 E 又阻止多子的扩散运动 在空间电荷区后 正负电荷的作用 在空间电荷区中形成一个 电场 其方向从带正电的 N 区指向带负电的 P 区 该电场是由载流子扩散 后在半导体内部形成的 故称为内电场 内电场的方向与电子的扩散方向 与空穴的扩散方向相反 它是阻止空穴的扩散运动的 综上所述 PN 结中存在着两种载流子的运动 一种是多子克服电场的阻力 的扩散运动 另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动 只有当 扩散运动与漂移运动达到动态平衡时 空间电荷区的宽度和 内建电场才能 稳定 两种运动产生的电流方向相反 因而在无外电场或其他因素激 励时 PN 结中无宏观电流 在杂质半导体中 正负电荷数是相等的 它们的作用相互抵消 因此保持电中性 1 载流子的浓度差产生的多子的扩散运动 在 P 型半导体和 N 型半导体结合后 在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差 N 型区内的电子很多而空穴很少 P 型区内的空穴而电子很少 这样 电子和空穴很多都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散 因此 有些电子要从 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 2 电子和空穴的复合形成了空间电荷区 电子和空穴带有相反的电荷 它们在扩散过程中要产生复合 中和 结果使 P 区和 N 区中原来的电中性被破坏 P 区失去空穴留下带负电的离子 N 区失去电子留下带正电的离子 这些离子因物质结构的关系 它们不能移动 因此称为空间电荷 它们集中在 P 区和 N 区的交界面附近 形成了一个很薄的 空间电荷区 这就是所谓的 PN 结 3 空间电荷区产生的内电场 E 又阻止多子的扩散运动 在空间电荷区后 由于正负电荷之间的相互作用 在空间电荷区中形成一个电场 其方向从带正电的 N 区指向带负电的 P 区 由于该电场是由载流子扩 散后在半导体内部形成的 故称为内电场 因为内电场的方向与电子的扩散方向相同 与空穴的扩散方向相反 所以它是阻止载流子的扩散运动的 综上所述 PN 结中存在着两种载流子的运动 一种是多子克服电场的阻力的扩散运动 另一种是少子在内电场的作用下产生的漂移运动 因此 只有当 扩散运动与漂移运动达到动态平衡时 空间电荷区的宽度和内建电场才能相对稳定 由于两种运动产生的电流方向相反 因而在无外电场或其他因素激励时 PN 结中无宏观电流 太阳能电池发电的主要原理是半导体的光电效应 硅原子有 4 个电子 如果在 纯硅中掺入有 5 个电子的原子如磷原子 就成为带负电的 N 型半导体 若在纯 硅中掺入有 3 个电子的原子如硼原子 形成带正电的 P 型半导体 当 P 型和 N 型结合在一起时 接触面就会形成电势差 成为太阳能电池 当太阳光照射到 P N 结后 空穴由 N 极区往 P 极区移动 电子由 P 极区向 N 极区移动 形成电 流 制作时 多晶硅经过铸锭 破锭 切片等程序后 制作成待加工的硅片 在硅片上掺杂和扩散微量的硼 磷等 就形成 P N 结 然后采用丝网印刷 将 精配好的银浆印在硅片上做成栅线 经过烧结 同时制成背电极 并在有栅线 的面涂一层防反射涂层 电池片就至此制成 电池片排列组合成电池组件 就 组成了大的电路板 一般在组件四周包铝框 正面覆盖玻璃 反面安装电极 有了电池组件和其他辅助设备 就可以组成发电系统 为了将直流电转化交流 电 需要安装电流转换器 发电后可用蓄电池存储 也可输入公共电网 发电 系统成本中 电池组件约占 50 电流转换器 安装费 其他辅助部件以及其 他费用占另外 50 1954 年 美国贝尔实验室诞生第一个太阳能电池 上世纪 60 年代开始 美国用太阳能电池作为人造卫星能源 70 年代能源危机爆发 太阳能电池开始 被应用到民用领域 第二章 太阳能光伏发电工作原理 运行方式及系统组成 第一节 太阳能光伏发电的工作原理 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池 又称光伏电池 太阳能电池发电的原理是光生伏打效应 当太阳光 或其他光 照射到太阳能电池上时 电池吸收光能 产生光生电子 奎穴对 在电池内建电场作用下 光生电子和空穴被分离 电池两端出现异号电荷的积累 即产生 光生电压 这就是 光生伏打效应 若在内建电场的两侧引出电极并接上负载 则负载就有 光生电流 流过 从而获得功率输出 这样 太阳的光能就直接 变成了可以付诸实用的电能 可把上述太阳能电池将光能转换成电能的工作原理概括为如下 3 个主要过程 太阳能电池吸收一定能量的光子后 半导体内产生电子一空穴对 称为 光生