文档介绍：太阳能电池培训手册
第一章太阳电池的工作原理和基本特性
半导体物理基础
半导体的性质
世界上的物体如果以导电的性能来区分,有的容易导电,有的不容易导电。容易导电
的称为导体,如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属;不容易导电的物体称为绝缘体,常见
的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等;导电性能介于这两者之间的物体称为半导体,主要有锗、
硅、***化镓、硫化镉等等。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。自由电子的数量越多,或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越
高,电流就越大。电子流动运载的是电量,我们把这种运载电量的粒子,称为载流子。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。
半导体可以是元素,如硅(Si)和锗(Ge),也可以是化合物,如硫化镉(OCLS)和
***化镓(GaAs),还可以是合金,如 GaxAL1-xAs,其中 x 为 0-1 之间的任意数。许多有机化合
物,如蒽也是半导体。
半导体的电阻率较大(约 10-5≤ρ≤107Ω⋅m),而金属的电阻率则很小(约 10-8∼10-6Ω⋅m),
绝缘体的电阻率则很大(约ρ≥108Ω⋅m)。半导体的电阻率对温度的反应灵敏,例如锗的温度
从200C升高到300C,电阻率就要降低一半左右。金属的电阻率随温度的变化则较小,例如
铜的温度每升高 1000C,ρ增加 40%左右。电阻率受杂质的影响显著。金属中含有少量杂质
时,看不出电阻率有多大的变化,但在半导体里掺入微量的杂质时,却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 ×103Ω⋅m 减小到 ⋅m
左右。金属的电阻率不受光照影响,但是半导体的电阻率在适当的光线照射下可以发生显著
的变化。
半导体物理基础
能带结构和导电性
半导体的许多电特性可以用一种简单的模型来解释。硅是四价元素,每个原子的最外
壳层上有 4 个电子,在硅晶体中每个原子有4 个相邻原子,并和每一个相邻原子共有两个价
电子,形成稳定的 8 电子壳层。
自由空间的电子所能得到的能量值基本上是连续的,但在晶体中的情况就可能截然不
同了,孤立原子中的电子占据非常固定的一组分立的能线,当孤立原子相互靠近,规则整齐
排列的晶体中,由于各原子的核外电子相互作用,本来在孤立原子状态是分离的能级扩展,
根据情况相互重叠,变成如图 所示的带状。电子许可占据的能带叫允许带,允许带与允
许带间不许可电子存在的范围叫禁带。
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图 原子间距和电子能级的关系
在低温时,晶体内的电子占有最低的可能能态。但是晶体的平衡状态并不是电子全都
处在最低允许能级的一种状态。基本物理定理——泡利(Pauli)不相容原理规定,每个允
许能级最多只能被两个自旋方向相反的电子所占据。这意味着,在低温下,晶体的某一能级
以下的所有可能能态都将被两个电子占据,该能级称为费米能级(EF)。随着温度的升高,
一些电子得到超过费米能级的能量,考虑到泡利不相容原理的限制,任一给定能量E 的一个
所允许的电子能态的占有几率可以根据统计规律计算,其结果是由下式给出的费米-狄拉克
分布函数 f(E),即
1
f ()E =
()E−EF
1 + e KT
现在就可用电子能带结构来描述金属、绝缘体和半导体之间的差别。
电导现象是随电子填充允许带的方式不同而不同。被电子完全占据的允许带(称为满
带)上方,隔着很宽的禁带,存在完全空的允许带(称为导带),这时满带的电子即使加电
场也不能移动,所以这种物质便成为绝缘体。允许带不完全占满的情况下,电子在很小的电
场作用下就能移动到离允许带少许上方的另一个能级,成为自由电子,而使电导率变得很大,
这种物质称为导体。所谓半导体,即是天然具有和绝缘体一样的能带结构,但禁带宽度较小
的物质。在这种情况下,满带的电子获得室温的热能,就有可能越过禁带跳到导带成为自由
电子,它们将有助于物质的导电性。参与这种电导现象的满带能级在大多数情况下位于满带
的