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1、第二章：半导体与PN结,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,1,2.1简介 2.2基本原理 2.3载流子的产生 2.4载流子的复合 2.5载流子的运动 2.6 PN结,2.1 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。,2023/3/28,2,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。,2
2、.2.1 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。,2023/3/28,3,半导体材料可以来自元素周期表中的族元素，或者是族元素与族元素相结合（叫做-型半导体），还可以是族元素与族元素相结合（叫做-型半导体）。硅是使用最为广泛的半导体材料，它
3、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。,4,2.2.1 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,2.2.1 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
4、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。,2023/3/28,6,2.2.1 基本原理-半导体的结构,2.2.1 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
5、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。,2.2.1 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
6、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,2.2.1 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。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,10,2.2.1 基本原理-半导体的结构,半导体的禁带宽度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。半导体的价键结构显示了（y轴）电子的能量，此图也
7、被叫做“能带图”。半导体中比较低的能级被叫做“价带”（Ev valence band），而处于其中的电子能被看成自由电子的能级叫“导带”（Ec）。处于导带和价带之间的便是禁带（EG）了。,2.2.2 基本原理-禁带,2.2.2 基本原理-禁带,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,12,固体中电子的能带示意图。,一旦进入导带，电子将自由地在半导体中运动并参与导电。然而，电子在导带中的运动也会导致另外一种导电过程的发生。电子从原本的共价键移动到导带必然会留下一个空位。来自周围原子的电子能移动到这个空位上，然后又留下了另外一个空位，这种留给电子的不断运动的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格
8、间运动的正电荷。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,13,2.2.2 基本原理-禁带,2.2.2 基本原理-禁带,因此，电子移向导带的运动不仅导致了电子本身的移动，还产生了空穴在价带中的运动。电子和空穴都能参与导电并都称为“载流子”。移动的“空穴”这一概念有点类似于液体中的气泡。尽管实际上是液体在流动，但是把它想象成是液体中的气泡往相反的方向运动更容易理解些。,2.2.3 基本原理-本征载流子浓度,把电子从价带移向导带的热激发使得价带和导带都产生载流子。这些载流子的浓度叫做本征载流子浓度，用符号ni表示。没有注入能改变载流子浓度的杂质的半导体材料叫做本征材料。本征载流子浓度就是指本征
9、材料中导带中的电子数目或价带中的空穴数目。载流子的数目决定于材料的禁带宽度和材料的温度。宽禁带会使得载流子很难通过热激发来穿过它，因此宽禁带的本征载流子浓度一般比较低。但还可以通过提高温度让电子更容易被激发到导带，同时也提高了本征载流子的浓度。,2023/3/28,15,导带,价带,2.2.3 基本原理-本征载流子浓度,下图显示了两个温度下的半导体本征载流子浓度。需要注意的是，两种情况中，自由电子的数目与空穴的数目都是相等的。,2.2.4 基本原理-掺杂,通过掺入其它原子可以改变硅晶格中电子与空穴的平衡。比硅原子多一个价电子的原子可以用来制成n型半导体材料，这种原子把一个电子注入到导带中，因此
10、增加了导带中电子的数目。相对的，比硅原少一个电子的原子可以制成p型半导体材料。在p型半导体材料中，被束缚在共价键中的电子数目比本征半导体要高，因此显著地提高了空穴的数目。在已掺杂的材料中，总是有一种载流子的数目比另一种载流子高，而这种浓度更高的载流子就叫“多子”，相反，浓度低的载流子就叫“少子”。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,17,2.2.4 基本原理-掺杂,下面的示意图描述了单晶硅掺杂后制成n型和p型半导体。,2023/3/28,19,下表总结了不同类型半导体的特性,2.2.4 基本原理-掺杂,下面的动画展示了p型硅与n型硅。在一块典型的半导体中，多子浓度可能达到1017cm
11、-3，少子浓度则为106cm-3。这是一个怎样的数字概念呢？少子与多子的比例比一个人与地球总的人口数目的比还要小。少子既可以通过热激发又可以通过光照产生。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,20,N型半导体。之所以叫n型是因为多子是带负电的电子（Negatively charged electrons）。,P型半导体。之所以叫p型是因为多子是带正电的空穴（Positively charged holes）。,2.2.4 基本原理-掺杂,2.2.5 基本原理-平衡载流子浓度,在没有外加偏压的情况下，导带和价带中的载流子浓度就叫本征载流子浓度。对于多子来说，其平衡载流子浓度等于本征载流子
12、浓度加上掺杂入半导体的自由载流子的浓度。在多数情况下，掺杂后半导体的自由载流子浓度要比本征载流子浓度高出几个数量级，因此多子的浓度几乎等于掺杂载流子的浓度。在平衡状态下，多子和少子的浓度为常数，由质量作用定律可得其数学表达式。n0p0=n2i 式中ni表示本征载流子浓度，n0和p0分别为电子和空穴的平衡载流子浓度。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,21,2.2.5 基本原理-平衡载流子浓度,使用上面的质量作用定律，可得多子和少子的浓度：,上面的方程显示少子的浓度随着掺杂水平的增加而减少。例如，在n型材料中，一些额外的电子随着掺杂的过程而加入到材料当中并占据价带中的空穴，空穴的数目随
13、之下降。,下图描述了低掺杂和高掺杂情况下的平衡载流子浓度。并显示，当掺杂水平提高时，少子的浓度减小。,2.2.5 基本原理-平衡载流子浓度,2.3.1 载流子的产生-光的吸收,入射到半导体表面的光子要么在表面被反射，要么被半导体材料所吸收，或者两者都不是，即只是从此材料透射而过。对于光伏器件来说，反射和透射通常被认为损失部分，就像没有被吸收的光子一样不产生电。如果光子被吸收，将在价带产生一个电子并运动到导带。决定一个光子是被吸收还是透射的关键因素是光子的能量。基于光子的能量与半导体禁带宽度的比较，入射到半导体材料的光子可以分为三种：1.EphEg 光子能量大于禁带宽度并被强烈吸收。,2023/
14、3/28,UNSW新南威尔士大学,24,下面的动画展示了三种不同能量层次的光子在半导体内产生的效应。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,25,2.3.1 载流子的产生-光的吸收,2.3.1 载流子的产生-光的吸收,对光的吸收即产生了多子又产生少子。在很多光伏应用中，光生载流子的数目要比由于掺杂而产生的多子的数目低几个数量级。因此，在被光照的半导体内部，多子的数量变化并不明显。但是对少子的数量来说情况则完全相反。由光产生的少子的数目要远高于原本无光照时的光子数目，也因此在有光照的太阳能电池内的少子数目几乎等于光产生的少子数目。,2.3.2 载流子的产生-吸收系数,吸收系数决定着一个给定
15、波长的光子在被吸收之前能在材料走多远的距离。如果某种材料的吸收系数很低，那么光将很少被吸收，并且如果材料的厚度足够薄，它就相当于透明的。吸收系数的大小决定于材料和被吸收的光的波长。在半导体的吸收系数曲线图中出现了一个很清晰的边缘，这是因为能量低于禁带宽度的光没有足够的能量把电子从价带转移到导带。因此，光线也就没被吸收了。,2.3.2 载流子的产生-吸收系数,下图显示几种半导体材料的吸收系数：四种不同半导体在温度为300K时的吸收系数，实验在真空环境下进行。,该图表明，即使是那些能量比禁带宽度高的光子，它们的吸收系数也不是全都相同的，而是与波长有密切的联系。,一个光子被吸收的概率取决于这个光子能
16、与电子作用（即把电子从价带转移到导带）的可能性。对于一个能量大小非常接近于禁带宽度的光子来说，其吸收的概率是相对较低的，因为只有处在价带边缘的电子才能与之作用并被吸收。当光子的能量增大时，能够与之相互作用并吸收光子的电子数目也会增大。然而，对于光伏应用来说，比禁带宽度多出的那部分光子能量是没有实际作用的，因为运动到导带后的电子又很快因为热作用回到导带的边缘。硅的其它光学性质在硅的光学性质一节中给出。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,29,2.3.2 载流子的产生-吸收系数,2.3.3 载流子的产生-吸收深度,吸收系数与波长的关系导致了不同波长的光在被完全吸收之前进入半导体的深度的不
17、同。下面将给出另一个参数-吸收深度，它与吸收系数成反比例关系，即为-1。吸收深度是一个非常有用的参数，它显示了光在其能量下降到最初强度的大概36%（或者说1/e）的时候在材料中走的深度。因为高能量光子的吸收系数很大，所以它在距离表面很短的深度就被吸收了（例如硅太阳能电池就在几微米以内），而红光在这种距离的吸收就很弱。即使是在几微米之后，也不是所有的红光都能被硅吸收。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,30,2.3.3 载流子的产生-吸收深度,蓝光在离表面非常近处就被吸收而大部分的红光则在器件的深处才被吸收。,动画显示了红光与蓝光的吸收深度的不同。,下图显示了几种半导体的吸收深度：,2
18、023/3/28,32,2.3.3 载流子的产生-吸收深度,2.3.4 载流子的产生-生成率,生成率是指被光线照射的半导体每一点生成电子的数目。忽略反射，半导体材料吸收光线的多少决定于吸收系数（单位为cm-1）和半导体的厚度。半导体中每一点中光的强度可以通过以下的方程计算：I=I0e-x 式中为材料的吸收系数，单位通常为cm-1，x为光入射到材料的深度，I0为光在材料表面的功率强度。该方程可以用来计算太阳能电池中产生的电子空穴对的数目。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,33,假设减少的那部分光线能量全部用来产生电子空穴对，那么通过测量透射过电池的光线强度便可以算出半导体材料生成的电
19、子空穴对的数目。因此，对上面的方程进行微分将得到半导体中任何一点的生成率。即 G=N0e-x 其中N0为表面的光子通量（光子/单位面积.秒）为吸收系数，x为进入材料的距离。方程显示，光的强度随着在材料中深度的增加呈指数下降，即材料表面的生成率是最高的。,2023/3/28,34,2.3.4 载流子的产生-生成率,2.3.4 载流子的产生-生成率,对于光伏应用来说，入射光是由一系列不同波长的光组成的，因此不同波长光的生成率也是不同的。下图显示三种不同波长的光在硅材料中的生成率。,计算一系列不同波长的光的生成率时，净的生成率等于每种波长的总和。下图显示入射到硅片的光为标准太阳光谱时，不同深度的生成
20、率大小。Y轴的范围大小是成对数的，显示着在电池表面产生了数量巨大的电子空穴对，而在电池的更深处，生成率几乎是常数。,2023/3/28,36,2.3.4 载流子的产生-生成率,2.4.1 复合理论-复合的类型,所有处在导带中的电子都是亚稳定状态的，并最终会回到价带中更低的能量状态。它必须移回到一个空的价带能级中，所以，当电子回到价带的同时也有效地消除了一个空穴。这种过程叫做复合。在单晶半导体材料中，复合过程大致可以分为三种：辐射复合俄歇复合肖克莱-雷德-霍尔复合这些复合在右边的动画中都有描述。,2023/3/28,辐射复合 辐射复合是LED灯和激光这类的半导体器件的主要复合机制。然而，对于由硅
21、制成的陆地用太阳能电池来说，辐射复合并不是主要的，因为硅的禁带并不是直接禁带，它使得电子不能直接从价带跃迁到导带。辐射复合的几个主要特征是：1）在辐射复合中，电子与空穴直接在导带结合并释放一个 光子。2）释放的光子的能量近似于禁带宽度，所以吸收率很低，大部分能够飞出半导体。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,38,2.4.1 复合理论-复合的类型,通过复合中心的复合 通过复合中心的辐射也被叫做肖克莱-莱德-霍尔或SRH复合，它不会发生在完全纯净的、没有缺陷的材料中。SRH复合过程分为两步：1）一个电子（或空穴）被由晶格中的缺陷产生的禁带中的一个能级所俘获。这些缺陷要么是无意中引入的要
22、么是故意加入 到材料当中去的，比如往材料中掺杂。,2.4.1 复合理论-复合的类型,2）如果在电子被热激发到导带之前，一个空穴（或电子）也被俘获到同一个能级中，那么复合过程就完成了。载流子被俘获到禁带中的缺陷能级的概率取决于能级到两能带（导带和禁带）的距离。因此，如果一个能级被引入到靠近其中一能带的边缘地区，发生复合的可能性将比较小，因为电子比较容易被激发到导带去，而不是与从价带移动到同一个能级的空穴复合。基于这个因素，处在禁带中间的能级发生复合的概率最大。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,40,2.4.1 复合理论-复合的类型,俄歇复合 一个俄歇复合过程有三个载流子参与。一个光子
23、与一个空穴复合后，其释放的能量并不是以热能或光子的形式传播出去，而是把它传给了第三个载流子，即在导带中的电子。这个电子接收能量后因为热作用最终又回到导带的边缘。俄歇复合是重掺杂材料和被加热至高温的材料最主要的复合形式。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,41,2.4.1 复合理论-复合的类型,如果半导体中少子的数目因为外界的短暂激发而在原来平衡的基础上增加，这些额外激发的少子将因为复合过程而渐渐衰退回原本平衡时的状态。在太阳能电池中一个重要的参数是复合发生的速率，这样也叫做”复合率”。复合率决定于额外少子的数目。例如，当没有额外少子时，复合率将为零。“少子寿命”（用符号 和 表示）是
24、指产生电子空穴对之后处在激发状态的载流子在复合之前能存在的平均时间。还有一个相关的参数少子扩散长度，是指在复合之前一个载流子从产生处开始运动的平均路程。,2.4.2 复合理论-扩散长度,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,42,少数载流子寿命和扩散长度在很大程度上取决于材料的类型和复合的数量。对于许多种类的硅太阳能电池来说，SRH复合是主要的复合机制。而复合率则决定于材料中存在的缺陷数量，因此，当太阳能电池的掺杂量增加时，SRH复合的速率也将随着增加。另外，因为俄歇复合更多的是在重掺杂和被加热的材料发生，所以俄歇复合过程也会随着掺杂的增加而增强。此外，生成半导体薄片的方法和过程对扩散长
25、度也有重要影响。,2.4.2 复合理论-扩散长度,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,44,右图为高效率的PERL（NSW特有技术）多晶硅太阳能电池的比色图。图下的比例系数代表着光生载流子的多少以及由于太阳能电池中扩散长度的不同而引起的电池中不同区域的差异，而扩散长度的不同是由多晶硅材料的晶界变化造成的。,在硅中，少子寿命可以达到1s。对于单晶硅太阳能电池来说，扩散长度通常在100-300m之间。这两个参数表征了材料相对于电池应用的质量和适用度。,2.4.2 复合理论-扩散长度,2.4.3 复合理论-表面复合,任何在半导体内部或表面的缺陷和杂质都会促进复合。因为太阳能电池表面存在着严重
26、的晶格分裂，所以电池表面是一个复合率非常高的区域。高复合率导致表面附近的区域的少子枯竭。就如扩散这一节所解释的，某些区域的低载流子浓度会引起周围高浓度区域的载流子往此处扩散。因此，表面复合率受到扩散到表面的载流子的速率的限制。“表面复合率”的单位为cm/sec，被用来描述表面的复合。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,45,半导体表面的挂键引起了此处的高复合率。,在没有发生复合的表面，往表面运动的载流子数目也为零，因此表面复合率也为零。当表面复合非常快时,向表面运动的载流子的速度受到最大复合速率的限制，而对大多数半导体来说最大速度为1107cm/sec。半导体表面的缺陷是由于晶格排列
27、在表面处的中断造成的，即在表面处产生挂键。减少挂键的数目可以通过在半导体表面处生长一层薄膜以连接这些挂键，这种方法也叫做表面钝化。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,46,2.4.3 复合理论-表面复合,2.5.1 载流子的运动-半导体中载流子的运动,导带中的电子和价带中的空穴之所以被叫做自由载流子，是因为它们能在半导体晶格间移动。一个很简单但在多数情况下都适用的对载流子运动的描述是，在一定温度下，在随机方向运动的载流子都有特定的速度。在与晶格原子碰撞之前，载流子在随机方向运动的距离长度叫做散射长度。一旦与原子发生碰撞，载流子将往不同的随机方向运动。载流子的速度决定于晶格的温度。在温
28、度为T 的半导体内载流子的平均运动能量为mv2/2，其中m为载流子的质量，v代表热运动速度。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,47,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,48,尽管半导体中的载流子在不停地做随机运动，但是并不存在载流子势运动，除非有浓度梯度或电场。因为载流子往每一个方向运动的概率都是一样的，所以载流子往一个方向的运动最终会被它往相反方向的运动给平衡掉。,2.5.1 载流子的运动-半导体中载流子的运动,热运动速度指的是载流子速度的平均值，即载流子的速度是分散的、不均匀的，有些速度快有些则很慢。下面的动画显示了载流子的运动。,在下面的动画中，一个载流子在与晶格原子
29、碰撞之前在随机方向运动了与散射长度相等的距离（为了看得更加清晰，晶格原子并没有显示出来）。在与晶格原子碰撞后，载流子再次以随机方向运动。下面的动画举出了50个散射粒子。尽管在动画中碰撞的次数很少，载流子的势运动（net motion）还是很小的。,2023/3/28,49,2.5.1 载流子的运动-半导体中载流子的运动,2.5.2 载流子的运动-扩散,如果半导体中一个区域的载流子浓度要比另一个区域的高，那么，由于不停的随机运动，将引起载流子的势运动。当出现这种情况时，在两个不同浓度的区域之间将会出现载流子梯度。载流子将从高浓度区域流向低浓度区域。这种载流子的流动叫做“扩散”，是由于载流子的随机
30、运动引起的。在器件的所有区域中，载流子往某一方向的运动的概率是相同的。在高浓度区域，数量庞大的载流子不停地往各个方向运动，包括往低浓度方向。然而，在低浓度区域只存在少量的载流子，这意味着往高浓度运动的载流子也是很少的。这种不平衡导致了从高浓度区域往低浓度区域的势运动。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,50,2.5.2 载流子的运动-扩散,如下面的动画所示。,扩散的速率决定于载流子的运动速度和两次散射点相隔的距离。在温度更高的区域，扩散速度会更快，因为提高温度能提高载流子的热运动速度。扩散现象的主要效应之一是使载流子的浓度达到平衡，就像在没有外界力量作用半导体时，载流子的产生和复合也
31、会使得半导体达到平衡。下面的动画将阐述这一现象，图中一个区域有很高浓度的电子，另一个则有高浓度的空穴。因为只有载流子的随机运动，所以最终这两种浓度会变成一致的。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,52,2.5.2 载流子的运动-扩散,2.5.2 载流子的运动-扩散,这个动画显示了半导体的高浓度部分是怎样趋向于平均分布的。载流子填满可利用的空间，仅仅是通过随机运动。在这种情况下，静电斥力的影响甚微，因为载流子之间的距离很远。此外，空穴（蓝色）的扩散率比电子的低，所以需要更长的时间来填满整个空间。,2.5.3 载流子的运动-漂移运动,在半导体外加一个电场可以使做随机运动的带电载流子往一个
32、方向运动。在没有外加电场时，载流子在随机方向以一定的速度移动一段距离。然而，在加了电场之后，其方向与载流子的随机方向叠加。那么，如果此载流子是空穴，其在电场方向将做加速运动，电子则反之。在特定方向的加速运动导致了载流子的势运动，如下面动画所示。载流子的方向是其原来方向与电场方向的向量叠加。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,54,2.5.3 载流子的运动-漂移运动,动画显示了电场的存在是如何使载流子往一个方向运动的。动画中的粒子是空穴，所以运动的方向与电场方向相同。,由外加电场所引起的载流子运动叫“漂移运动”。漂移运动不仅发生在半导体材料中，在金属材料中同样存在。而接下来动画将分别展
33、示有伴随和没有伴随电场的载流子随机运动。途中的载流子是电子。因为电子是带负电的所以它将朝着与电场方向相反的方向运动。值得注意的是，在大多数情况下，电子是往电场相反的方向运动的。但是在有些情况中，例如电子跟随着一系列往电场方向的运动，则有可能是势运动，并沿着电场方向运动了一小段距离。,2023/3/28,56,2.5.3 载流子的运动-漂移运动,2.5.3 载流子的运动-漂移运动,下面一个动画描述了拥有相等数目的电子和空穴的本征半导体。没有外加电场时，电子和空穴随机地在半导体中运动。加入电场后电子和空穴往相反的方向漂移。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,58,为了看得更加清晰，动画夸
34、大了电场的作用效果。事实上，对于通常的半导体来说，电场对载流子随机运动的影响是很有限的。,2.5.3 载流子的运动-漂移运动,2.6.1 P-N结-pn结二极管,pn结二极管的结构不仅是太阳能电池结构的基础还是其它许多电子器件的基础，如LEDS、激光、光电二极管还有双极结二极管（BJTS）。一个pn结把之前所描述的载流子复合、产生、扩散和漂移全部集中到一个器件中。pn结的形成 pn结是n型半导体材料和p型半导体材料的结合形成的，如下图所示。因为n型半导体区域的电子浓度很高，而p型区域的空穴浓度很高，所以电子从n型区扩散到p型区，同理，空穴也从p型区扩散到n型区。如果电子和空穴都是不带电的，扩散
35、过程将持续到两个区域的电子和空穴的浓度都分别相等，就像两种气体相互往对方区域扩散一样。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,59,然而，对于pn结来说，当电子和空穴运动到pn结的另一边时，也在杂质原子区域留下了与之相反的电荷，这种电荷被固定在晶格当中不能移动。在n型区，被留下的便是带正电的原子核，相反，在p型区，留下的是带负电的原子核。于是，一个从n型区的正离子区域指向p型区的负离子区域的电场E就建立起来了。这个电场区域叫做“耗尽区”，因为此电场能迅速把自由载流子移走，因此，这个区域的自由载流子是被耗尽的。源于电场E的内建电势Vbi在pn结中形成。下面的动画将展示n型和p型材料之间的p
36、n结所形成的电场E的结构。,2023/3/28,60,2.6.1 P-N结-pn结二极管,平衡状态下载流子运动 没有外加刺激的pn结代表着，由于耗尽区的电场的存在，载流子之间的产生、复合、扩散以及漂移将会达到平衡。尽管电场的存在阻碍了载流子的扩散运动穿过电场，但有些载流子还是依然通过扩散运动穿过了电场。在下面的动画中，大多数进入耗尽区的多子都被移回它们本来的区域。然而，统计数据显示，有一些载流子会以很高的速度往pn结方向运动，最终穿过电场。一旦多子穿过电场就会变成另一区的少子。在被复合之前，这个载流子将继续做远离电场的扩散运动，运动距离等于平均扩散长度。由载流子通过扩散运动穿过电场而产生的电流
37、叫做扩散电流。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,61,2.6.1 P-N结-pn结二极管,在下面的动画中，注意观察跑入耗尽区的载流子，并留意穿过pn结的载流子。,2023/3/28,62,2.6.1 P-N结-pn结二极管,2.6.1 P-N结-pn结二极管,需要说明的一点是，实际的pn结中载流子的数目和速度都是比动画中的要高得多，而穿过pn结的载流子数目也是非常大的。到达扩散区与耗尽区的交界处时，少子会被电场拉到耗尽区。由此形成的电流叫做漂移电流。在平衡状态下，漂移电流的大小受到少子数目的限制，这些少子是在与耗尽区的距离小于扩散长度的区域通过热激发产生的。在平衡状态下，半导体的净
38、电流为零。电子的漂移电流与电子的扩散电流是相互抵消的（试想如果没有抵消的话，将在半导体的其中一边出现电子的聚集）。同理，空穴的漂移电流与空穴扩散电流也是相互抵消的。,2.6.2 P-N结-pn结的偏置,半导体器件共有三种状态模式：1.热平衡状态 在热平衡模式下，半导体没有额外的刺激，如光照射或外加电压。载流子的电流相互抵消所以在器件内没有净电流。2.稳态 在恒稳模式下，将有光线照射或施有外加电压，但这些条件并不随时间而改变。器件通常处在稳定状态，要么正向偏压要么反向偏压。3.突变状态 当施加的电压迅速改变时，太阳能电池的对变化的响应将会出现延迟。鉴于太阳能电池并不是高速运转领域使用的电子器件，
39、在这里将不对突变效应多加描述。,2023/3/28,64,正向偏压下的二极管 正向偏压（也叫正向偏置）指的是在器件两边施加电压，以使得pn结的内建电场减小。即在p型半导体加正极电压而在n型半导体加负极电压，于是，一个穿过器件方向与内建电场相反的电场便建立起来了。因为耗尽区的电阻要比器件中其他区域的电阻要大得多（由于耗尽区的载流子很少的缘故），所以几乎所有的外加电压都施加在了耗尽区上。对于实际的半导体器件，内建电场的电压总是要比外加电场的高。而电场的减小将破坏pn结的平衡，即减小了对载流子从pn结的一边到另一边的扩散运动的阻碍，增大扩散电流。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,65,2
40、.6.2 P-N结-pn结的偏置,当扩散电流增加时，漂移电流基本保持不变，因为漂移电流的大小只取决于在与耗尽区的距离小于扩散长度的区域还有耗散区内部产生的载流子的数目。因为在上面的过程中，耗散区的宽度只缩小了一小部分，所以穿过电场的少子的数目也基本不变。,2023/3/28,66,2.6.2 P-N结-pn结的偏置,载流子的注入和正向偏置电流 从pn结的一端到另一端的扩散运动的增加导致了少数载流子（少子）往耗散区边缘的注入。这些少数载流子由于扩散而渐渐远离pn结并最终与多数载流子（多子）复合。多数载流子是由外部电流产生的，也因此在正向偏压下产生净电流。假设没有复合作用，少数载流子的浓度将达到一
41、个更高的水平，而从结的一端到另一端的扩散运动将会停止，这很像两种不同气体的相互扩散。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,67,2.6.2 P-N结-pn结的偏置,2.6.2 P-N结-pn结的偏置,一开始，气体分子进行着从高浓度区域到低浓度区域的净运动，但当两个区域的浓度达到统一以后，将不会再有气体分子的净运动。然而在半导体中，注入的少数载流子会被复合掉，因此不断有更多的载流子扩散过pn结。结果是，在正向偏置下的扩散电流也是复合电流。复合的速度越高，通过pn结的扩散电流就越大。“暗饱和电流”（I0）是区别两种不同二极管的非常重要的参数。I0是衡量一个器件复合特点的标准，二极管的复合速
42、率越大，I0也越大。,反向偏压 反向偏置电压是指在器件两端加电场，以使pn结增大。在pn结中的内建电场越大，载流子能从pn结一段扩散至另一端的概率就越小，即扩散电流就越小。与正向偏压时相同，由于受到进入耗尽区的少数载流子的数量限制，pn结的漂移电流并没有因内建电场的增大而相应增大。漂移电流的微量增加主要是因为耗尽区宽度的微量扩张，但这基本上只是一种二阶效应。,2023/3/28,UNSW新南威尔士大学,69,2.6.2 P-N结-pn结的偏置,2.6.3 P-N结-二极管方程,理想二极管 二极管方程解释了通过二极管的电流与电压的关系，即理想二极管定律：,2023/3/28,70,I为通过二极管的净电流，I0为暗饱和电流（在没有光照情况下输出的电流），V是施加在二极管两端的电压，q和k分别代表电荷的绝对值和玻耳兹曼常数，而T则表示绝对温度（K）。值得注意的是：I0随着T的升高而增大。在温度为300k时，KT/q=25.85mV。I0随着材料性能的增大而减小。,非理想二极管方程 对于实际的二极管来说，其方程需稍作改变：,2023/3/28,71,其中n为理想因子，数值在1到2之间，通常随着电流的增大而增大。上面的两个方程都是相对于硅材料来说的。,右图显示了硅二极管中电流与电压和温度的关系，当电流大小一定时，曲线的改变规律大概为2mV/c,2.6.3 P-N结-二极管方程,
