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1.6半导体的导电原理 小结 本征半导体是依靠电子和空穴两种载流子来导电的，对电流的贡献是相等的。 N型半导体以电子载流子导电为主，空穴载流子的贡献远小于电子载流子。在N型半导体中电子被称为多子，空穴被称为少子。 P型半导体以空穴载流子导电为主，电子载流子的贡献远小于空穴载流子。在P型半导体中空穴被称为多子，电子被称为少子。 半导体硅的物理性质 原子量 28.86 晶格常数 5.42A 密度(固态) 2.33g/cm3 禁带宽度 1.115±0.008eV 熔点 1416±4℃ 沸点 3145℃ 介电常数 11.7±0.2 折射率 3.42 电子迁移率 1350±100cm2/V·s 空穴迁移率 480±15cm2/V·s 本征载流子浓度 1.5×1010个/cm-3 熔解热 12.1千卡/mol 原子密度 4.99×1022个/cm-3 本征电阻率 230000Ω·cm 1.7 P-N结 1、P-N结的形成 由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。当两块不同导电类型的半导体紧靠在一起时,在P区和N区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的界面附近电子变得很少，剩下未经中和的施主离子ND+形成正的空间电荷区。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA-形成负的空间电荷区。这样在P区与N区界面两侧产生了不能移动的离子区(也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层)，于是出现空间电偶层，形成一个电场(称内建电场)。此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。内建电场的方向从N区指向P 区，形成P-N结势垒。 1.7 P-N结 在热平衡状态下，由于扩散，从P区越过势垒向N区移动的空穴数目等同于空间电荷区附近N区中由于热运动产生的少数载流子空穴在空间电荷区内建电场的作用下漂移到P区的数目，因此P-N结没有电流流过。对于电子也可做同样的论述。 P型 N型 N型 P-N结 P型 1.7 P-N结 2、P-N结的光电效应： 当光照射到P-N结上时将产生电子-空穴对。在P-N结附近生成的少数载流子在被复合之前到达空间电荷区的，受内建电场的吸引，P区的少子电子流入N区，N区的少子空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在P-N结附近堆积形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，结果在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。 此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流；另一方面，若将外电路开路，在两端可以测得一个电压，这个电压称为开路电压。由于此时P-N结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定开路的值。 有光照时，P-N结内将产生一个附加光生电流Iph，其方向与P-N结反向饱和电流Io相同，一般Iph远大于Io。此时负载上的电流 I=IoexpqU/KT - (Io+ Iph) 令Iph=SE，其中S为P-N结面积，E为光照强度，则 I=IoexpqU/KT - (Io+ SE) 开路电压Uoc： ??? 光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：0=IoexpqU/KT - (Io+ SE) Uoc=(KT/q)ln(SE + Io)/Io≈ (KT/q)ln(SE/Io) 短路电流Isc： ??? 光照下的P-N结，外电路短路时，从P端流出经过外电路从N端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程中U=0时的I值，得 Isc=SE ??? Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数。在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系。弱光照下，Isc与E有线性关系。 1.7 P-N结 如果这时分别在P型层侧和N型层侧引出金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 现在制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。 1.7 P-N结 太阳电池的基本制造流程 预清洗和制绒酸洗