第2章 半导体与PN结

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1、第二章：半导体与第二章：半导体与PN结结2022-5-30UNSW新南威尔士大学1 2.1简介简介 2.2基本原理基本原理 2.3载流子的产生载流子的产生 2.4载流子的复合载流子的复合 2.5载流子的运动载流子的运动 2.6 PN结结 2.1 简介简介 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用来解释PN结的运作机制。结的运

2、作机制。PN结结不仅是太阳能电池的核心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。础。2022-5-302 右图是一个右图是一个硅锭硅锭，由，由一个大的单晶硅组成，这一个大的单晶硅组成，这样一个硅锭可以被切割成样一个硅锭可以被切割成薄片然后被制成不同半导薄片然后被制成不同半导体器件，包括太阳能电池体器件，包括太阳能电池和电脑芯片。和电脑芯片。 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 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

3、起，然后排列成型，借此，每个原子都被的结构键合在一起，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），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，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（元素周期表中的每个元素都是不同的），每个电

4、子都占据着特定的能级。着特定的能级。2022-5-303 半导体材料可以来自元素周期表中的半导体材料可以来自元素周期表中的族元素，或族元素，或者是者是族元素与族元素与族元素相结合（叫做族元素相结合（叫做 - -型半导型半导体体 ），还可以是），还可以是族元素与族元素与族元素相结合（叫做族元素相结合（叫做 - -型半导体型半导体 ）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它是集成电路（集成电路（ICIC）芯片的基础，也是最为成熟的技术，而大）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。硅的相关材多数的太阳能电池也是以硅作为基本材料的。

5、硅的相关材料性能将在料性能将在硅的材料性质硅的材料性质一节给出。一节给出。4 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构右图展示了一种半导右图展示了一种半导体的结构。体的结构。硅晶格中硅晶格中的共价键示意图。的共价键示意图。硅原子硅原子共价键共价键 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 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，如字体显示。半导体可以由单原子构成，如Si或或Ge，化合物，化合物，如如GaAs、InP、CdTe，还可以是合金，如，还可以是合金，如SixGe（1-x

6、）或或AlxGa（1-x）As。 其中其中X是元素的组分，数值从是元素的组分，数值从0到到1。 半导体的半导体的价键结构价键结构决定了半导体材料的性能。一个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，每个原子便被一个电子来与之共用，这样，每个原子便被8个电子包个电子包围着。共价键中的电子被共价键的力量

7、束缚着，因此它围着。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。它与太阳能电池相关的物理过程。2022-5-306 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 然而，只有在然而，只有在绝对零度绝对零度的时候才会让

8、全部电子的时候才会让全部电子都束缚在价键中。都束缚在价键中。 在在高温高温下，电子能够获得足够下，电子能够获得足够的能量的能量摆脱共价键摆脱共价键，而当它成功摆脱后，便能自由，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。绝对零度的时候，它就像一个绝缘体。 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 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

9、量态是其处在价带的时候。然而，如果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，那么它将子吸收了足够的热能来打破共价键，那么它将进入导进入导带成为自由电子带成为自由电子。电子不能处在这两个能带之间的能。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限度，这个最低能量值被叫做半导体的“禁带禁带”。自自由电子的数量和能量是研究电子器件性能的基础由电子的数量和能量是研

10、究电子器件性能的基础。 电子摆脱共价键后留下来的空间能让共价键从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在晶格中运动的现象。这个留下的空位置通常被叫做做“空穴空穴”，它与电子相似但是带正电荷。，它与电子相似但是带正电荷。9 右边动画展示右边动画展示了当电子能够逃脱共了当电子能够逃脱共价键时自由电子和空价键时自由电子和空穴是如何形成的穴是如何形成的 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构对于太阳能电池来说，半导体最重要的参数是：对于太阳能电池来说，

11、半导体最重要的参数是： 1. 禁带宽度禁带宽度 2. 能参与导电的自由载流子的数目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当光射入到半导体材料时，自由载流子的产生和复 合。合。 关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。关于这些参数的更详细描述将在下面几页给出。2022-5-30UNSW新南威尔士大学10 2.2.1 基本原理基本原理 -半导体的结构半导体的结构 半导体的半导体的禁带宽度禁带宽度是指一个电子从价带运动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。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（半