文档介绍：第二章:半导体与PN结
2017/7/27
UNSW新南威尔士大学
1
§
§
§
§
§
§ PN结
§ 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。
2017/7/27
2
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。
§ 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。
2017/7/27
3
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。
4
§ 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
§ 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。
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。
2017/7/27
6
§ 基本原理 --半导体的结构
§ 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。
§ 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。
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。
9
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
§ 基本原理 --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:
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。
2017/7/27
UNSW新南威尔士大学
10
§ 基本原理 --半导体的结构