第03章-pn结及光伏效应

第3章pn结及光伏效应我们已经讨论了太阳辐射、太阳光谱分布、晶体结构和晶体缺陷等一般知识，这是学习太阳电池原理与工艺的基础。本章主要讨论n型半导体的形成、p型半导体的形成、pn结的工作原理及它们的能带理论，以及pn结零偏、正偏、反偏等情况下的电学特性和光照特性等。当一块n型半导体和一块p型半导体人为地结合在一起时，在两者结合处由于n区电子和p区空穴浓度梯度的作用将会形成一个结，这个结称为pn结。它具有奇特的物理特性，如单向导电性，是半导体物理器件(如二极管、三极管、集成电路、太阳电池等)和光电子器件的核心。太阳电池就是利用浓度梯度、光伏效应及内建电场等作用制成的，它是把光能直接转化成电能的半导体物理器件，为21世纪新能源发展作出了举足轻重的贡献。因此掌握和理解pn结的工作原理和物理及化学性质，是学习太阳电池原理与工艺的关键。§3.1pn结理论基础§3.1.1几个常用函数1．费米分布函数半导体中电子的数量相当繁多，且永不停息地做无规则的热运动，它们的分布是一个统计平均概念，当电子获得能量时，将从低能态跃迁到高能态，当然也有从高能态跃迁到低能态的电子，根据费米(Fermi)分布函数，在某一个能量为E的可能能态上获得电子的概率为:11)(+−=TkEEBfeEf(3.1)式中，fE为费米能级；Bk表示玻尔兹曼常量；T为热力学温度。2．玻尔兹曼分布函数对于金属中的电子，由于电子水平特别高，费米能级fE一般在导带中间；而对于杂质浓度不是很高的半导体，费米能级一般在带隙里，且满足:TkEEBf>>−,则11>>+−TkEEBfe,所以费米.狄拉克分布函数简化为玻尔兹曼分布，即:TkEEBfeEf−−=)((3.2)3．状态密度函数根据半导体物理学的知识，状态密度是指半导体能带能量为正附近，每单位能量间隔内的量子态数。对于半导体，带隙中没有可能允许状态，即状态密度为0，而对于导带和价带有 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 。导带底附近能态密度为:21323*)()2(4)(cncEEhmEg−=π(3.3)价带顶附近能态密度为:21323*)()2(4)(EEhmEgvpv−=π(3.4)式中，*nm为电子的有效质量；*pm为空穴的有效质量。§3.1.2载流子浓度1．半导体中导带电子浓度的计算根据半导体物理学的知识，半导体中大部分电子分布在导带底附近，其浓度如下：∫∞=cEcdEEfEgn)()(,由式(3.2)、式(3.3)得:∫∞−−−=cBfcETkEEcndEeEEhmn21323*)()2(4π计算上述积分得:TkEEcBfceNn−−=(3.5)这就是导带中电子浓度的计算公式。式中，cN为导带的有效状态密度，计算公式为:323*)2(2hTkmNBncπ=,式中，cE表示导带低能量；Bk表示玻尔兹曼常量；h为普朗克常量；T为热力学温度；*nm为电子的有效质量。2．半导体中价带空穴浓度的计算根据半导体物理学的知识，半导体中大部分空穴分布在价带顶附近，其浓度如下：∫∞−−=vcEvdEEfEgp)](1)[(,由式(3.1)、式(3.2)得:∫∞−−−−=vBfETkEEvpdEeEEhmp21323*)()2(4π计算上述积分得:TkEEvBvfeNp−−=(3.6)这就是价带中空穴浓度的计算公式。式中，vN为价带的有效状态密度，且323*)2(2hTkmNBpvπ=,式中，vE表示价带顶能量；Bk表示玻尔兹曼常量；h为普朗克常量；T为热力学温度；*pm为空穴的有效质量。§3.2本征半导体就太阳电池发展现状看，有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、砷化镓太阳电池、碲化镉太阳电池、磷化铟太阳电池等。但是无论哪一种太阳电池，都是在本征半导体中掺入施主杂质和受主杂质经过扩散而形成的。本征半导体是形成太阳电池的核心原材料，它的性质将会影响太阳电池的性质，因此研究和了解本征半导体具有重要的科学指导意义。若一块半导体中无杂质和晶体缺陷，我们把这样的完美理想半导体称为本征半导体。本征半导体的特征是在0K情况下，价带是满带，导带是空带，当有足够高的温度时，价带中的电子将会产生本征激发，使得价带中留下空穴，导带中产生与空穴同样数量的电子。因此本征半导体的特征是电子的浓度与空穴的浓度是相等的，即:inpn==(3.7)根据式(3.5)、式(3.6)，有:TkEvcTkEEvTkEEciBEBvfBfceNNeNeNn−−−−−==2,式中，vcEEEE−=因此，半导体中本征载流子的浓度为:TkEvciBEeNNn221)(−=,表3.1给出室温下硅、锗和砷化镓本征载流子浓度。表3.1室温下硅、锗和砷化镓本征载流子浓度材料硅砷化镓锗3/−cmni10105.1×7101.1×13103.2×根据上述知识，对于本征半导体，电子的浓度等于空穴的浓度，由式(3.7)和式(3.5)、式(3.6)得:TkEEvTkEEcBvfBfceNeN−−−−=解上述方程得本征费米能级为:21)ln(2vcBfcfiNNTkEEE−−=这就是本征费米能级的计算公式。通常情况下，本征半导体的费米能级在带隙中央附近，如图3.1所示。图3.1本征半导体的费米能级图§3.3n、p型半导体§3.3.1n型半导体的形成和电中性条件在一块纯净完整的半导体中掺入施主杂质(如硅、锗中掺入微量磷、锑、砷元素等)，杂质电离后，半导体中会产生许多带负电的电子，使得电子的浓度远高于空穴的浓度，从而提高了半导体的导电能力，我们把这种靠导带中电子导电的半导体称为n型半导体。n型半导体的特征是电子是多数载流子，空穴是少数载流子。下面以锗掺入砷为例说明n型半导体的形成过程。如图3.2所示，在.块完整的半导体锗中掺入V族元素(磷、砷、锑)，在这里掺掺入砷，锗是金刚石结构，原子序数为32，最外层有四个价电子，通过共用电子对易形成共价键，砷是V族元素，最外层有五个价电子，当其掺掺入锗中时，易形成替位式掺杂，它的四个价电子容易和锗的四个价电子通过共用电子对形成共价键，每个共价键需要两个电子，还多余一个电子，因此砷原子就成为一个带正电的正电中心砷离子(也称砷离子实)和一个价电子，这个价电子由于静电作用被束缚在正电中心的周围，当它得到微小的能量时，这个价电子容易挣脱正电中心对它的束缚而成为自由电子在整个晶格中做共有化运动。使得这个价电子挣脱砷离子束缚所需要的电离能仅为0.127eV，远小于锗的禁带宽度0.7eV，这就是n型半导体大概的形成过程，这种半导体中多数载流子是电子，少数载流子是空穴，如图3.3所示。整个晶体中电子、空穴、施主杂质等情况如图3.2所示，在半导体硅、锗中掺掺入V族元素的电离能如表3.2所示。图3.2锗中施主杂质图3.3n型半导体的杂质情况表3.2硅和锗中杂质电离能杂质硅电离能／eV锗电离能／eV磷0.0450.012砷0.050.0127施主碲0.0390.0096硼0.0450.0104铝0.060.0102镓0.0650.011受主铟0.0160.011采用玻尔(Bohr)模型计算上述电离能，认为施主电子绕嵌入半导体材料中的施主离子转动，转动所需要的向心力为施主电子和施主离子之间的静电引力，若用v表示速度、nr表示轨道半径，则:nnrvmre2*224=πξ(3.8)根据角动量量子化理论：hnvrmn=*(3.9)式中，n为整数。根据动能公式，电子的动能为:2*21vmT=(3.10)根据势能公式，电子的势能为:ξπnreV42−=(3.11)总能量为:VTE+=(3.12)根据上述式(3.8),式(3.9)得:224*)4()(2πξhnemE−=(3.13)根据电中性条件，n型半导体整个晶体是不显电性的，即整个晶体中电子电荷量是等于整个晶体中施主离子的电荷量和空穴电荷量之和。在掺入的施主杂质完全电离条件下，晶体掺入的施主杂质浓度为dN、电子浓度为n、空穴浓度为p时，+≈ddNN,根据电中性条件:++=dNpn(3.14)§3.3.2n型半导体的费米能级及能带晶体中的某一能级以下的所有可能能态都将被两个自旋方向相反的电子所占据，我们把该能级称为费米能级，用fE表示，它反映的是晶体中电子和空穴的填充水平。对于n型半导体，由于电子水平比较高，费米能级通常在导带底附近。若n型半导体的施主浓度为dN，杂质完全电离，则施主浓度等于电离杂质浓度+≈ddNN,n型半导体中电子的浓度远大于空穴的浓度，即:pn>>,根据电中性条件：+≈dNn(3.15)根据式(3.5)：TkEEcBfceNn−−=(3.16)由式(3.15)、式(3.16)得:)ln(cdBcfNNTkEE+=(3.17)这就是n型半导体费米能级公式。因为n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子，电子的水平远大于空穴的水平，于是费米能级的位置在导带底之下、本征费米能级之上。图3.4是n型半导体的能带图。图3.4n型半导体的能带图(cE是导带底能量；vE是价带顶能量；iE是本征费米能级；fE是费米能级)n型半导体的费米能级随掺杂浓度变化如图3.5所示。由图可以看到，随着施主杂质浓度的增加，费米能级向导带底靠近。图3.5n型半导体的费米能级随掺杂浓度变化图(cE是导带底能量；vE是价带顶能量；iE是本征费米能级；fE是费米能级)§3.3.3p型半导体的形成和电中性条件在一块纯净完整的半导体中掺入受主杂质(如硅、锗中掺入微量硼、铝元素等)，杂质电离后，半导体中会产生许多带正电的空穴，使得空穴的浓度远高于电子的浓度，从而提高了半导体的导电能力，我们把这种靠价带中空穴导电的半导体称为p型半导体。p型半导体的特征是空穴是多数载流子，电子是少数载流子。以锗掺入铝为例说明p型半导体的形成过程。如图3.6所示，在一块半导体锗中掺入Ⅲ族元素(硼、铝、镓)，在这里掺入的是铝，锗是金刚石结构，原子序数为32，最外层有四个价电子，通过共用电子对易形成共价键，铝是Ⅲ族元素，最外层有三个价电子，当其掺入锗中时，形成替位式掺杂，其易与周围的锗原子通过共用电子对形成共价键，每个共价键需要两个电子，但是当它与锗原子形成共价键时还缺少一个电子，它易从邻近的锗原子处夺取一个价电子，所以锗原子的共价键中将留下一个空位，我们把这个空位称为空穴，这个空穴又可以在近邻的共价键中获得电子来填充这个空位。铝原子由于接受一个电子而成为带一价负电的铝离子，形成一个固定在晶格上的负电中心(也称为负离子实)，空穴由于静电作用而被束缚在铝离子周围，当它得到微小的能量时，容易挣脱这种微弱的静电束缚作用而成为自由空穴在整个晶格中做共有化运动。使得空穴挣脱铝离子束缚所需要的电离能仅为0.01eV，远小于锗的禁带宽度0.67eV，这就是p型半导体的大致形成过程，这种半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子。整个晶体中电子、空穴、施主杂质等情况如图3.7所示，在半导体硅、锗中掺入Ⅲ族元素的电离能如表3.2所示。图3.6锗中受主杂质图3.7p型半导体的杂质情况根据电中性条件，p型半导体整个晶体是不显电性的，即整个晶体中空穴电荷量等于整个晶体中施主离子的电荷量和电子电荷量之和。在掺入的受主杂质完全电离条件下，晶体掺入的受主杂质浓度为aN、电子浓度为n、空穴浓度为p时，+≈aaNN,根据电中性条件:++=aNnp(3.18)本征的半导体导电性能很差，但是当半导体中掺入施主或受主杂质时，由于它们的电离能特别小，杂质在常温下容易电离，相当于一个施主杂质离子引入一个“准自由电子”，一个受主杂质离子引入一个“准自由空穴”，从而使得半导体中电子或空穴的浓度大大增加，因此掺入施主杂质或受主杂质的半导体其导电性能增强。可以用半导体物理学的公式定性地讨论。根据半导体物理学的知识：pqnqpnμμσ+=,式中，σ为电导率；q为电子的电荷量；nμ为电子的迁移率；pμ为空穴的迁移率；n为电子的浓度；p为空穴的浓度。当半导体为n型半导体时，电子浓度远大于空穴浓度，即pn>>,根据式(3.14)，有:dNn=，nqnμσ=,即:dnNqμσ=。当半导体为p型半导体时，空穴浓度远大于电子浓度，即np>>,根据式(3.18)，有:aNp=，pqpμσ=,即:apNqμσ=。由此可见，半导体的导电性能跟施主或受主杂质浓度有密切的关系。§3.3.4p型半导体的费米能级及能带若n型半导体的施主浓度为dN，受主杂质完全电离，则受主浓度等于电离杂质浓度，即:+≈aaNN在p型半导体中空穴的浓度远大于电子的浓度，即np>>根据电中性条件：aNp≈(3.19)根据式(3.6)有:TkEEvBvfeNp−−=(3.20)由式(3.19)、式(3.20)可以得到p型半导体费米能级公式:vaBvfNNTkEEln−=(3.21)因为p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，空穴的水平远大于电子的水平，于是费米能级的位置在本征费米能级之下、价带顶之上。图3.8是p型半导体的能带图。图3.8p型半导体的能带图(cE是导带底能量；vE是价带顶能量；iE是本征费米能级；fE是费米能级)p型半导体的费米能级随掺杂浓度的变化如图3.9所示。由图可以看到，随着受主杂质浓度的增加，费米能级向价带顶靠近。图3.9p型半导体的费米能级随掺杂浓度变化图(cE是导带底能量；vE是价带顶能量；iE是本征费米能级；fE是费米能级)§3.4热平衡pn结§3.4.1pn结的形成由3.3节我们知道，n型半导体多数载流子是电子，少数载流子是空穴，电子数远大于空穴数；p型半导体多数载流子是空穴，少数载流子是电子，空穴数远大于电子数。当n型半导体和p型半导体接触时，在交界面处形成pn结。此时n区多数载流子电子由于浓度梯度要通过接触面向p区扩散，从而在pn结附近靠近n区留下未被补偿的、固定的、带正电的电离施主；p区多数载流子空穴由于浓度梯作用要通过pn结向n区扩散，从而在pn结附近靠近P区留下未被补偿的、固定的、带负电的电离受主。通过pn结两侧正负电荷所在的区域称为空间电荷区，也称耗尽区、势垒区。电离施主和电离受主在pn结两侧不断积累而构成了一个从n区指向p区的电场，由于这个电场是内部电子、空穴浓度梯度扩散而形成的，我们称为空间电荷区电场或内建电场。由于浓度梯度作用，电子和空穴的扩散要形成电子扩散电流和空穴扩散电流，它们的电流方向是相同的，都是p指向n；由于内建电场作用，电子要从P区漂移运动到n区，空穴要从n区漂移运动到p区，它们的漂移运动形成了电流，电流方向为n指向p。随着扩散的不断进行，pn结两侧电离施主和电离受主不断地积累，内建电场不断地增强，从而漂移电流不断地增强。但是，这种扩散运动不会无限制地进行下去，电子从n区扩散到p区需要克服内建电场做功，这种功都需要靠扩散来完成，同理，空穴从p区扩散到n区需要克服内建电场做功，这种功都需要靠扩散来完成；当由于浓度梯度从n区扩散到p区的电子数等于由于内建电场作用从p区漂移返回到n区的电子数、由于浓度梯度从p区扩散到n区的空穴数等于由于内建电场作用从n区漂移返回到p区的电子数、换句话说，就是当由于浓度梯度电子和空穴扩散作用形成的扩散电流和由于内建电场电子和空穴漂移作用形成的漂移电流大小相等、方向相反时，pn结达到了动态平衡。pn结形成过程如图3.10所示。pn结载流子分布图如图3.11所示。图3.10pn结的形成过程图3.11pn结载流子分布图(0pp和0pn分别表示p区热平衡时空穴和电子的浓度，0np和0nn分别表示n区热平衡时空穴和电于的浓度)§3.4.2pn结中电子和空穴的输运方程电子的漂移电流为:nEqJnnμ=′空穴的漂移电流为:nEqJppμ=′电子的扩散电流为:nqDJnn∇=′′空穴的扩散电流为:pqDJpp∇=′′pn结中的总的电子电流是电子的漂移电流和扩散电流之和：nqDnEqJnnn∇+=μ,pn结中的总的空穴电流是空穴的漂移电流和扩散电流之和：pqDnEqJppp∇−=μ§3.4.3pn结的能带和静电势费米能级反映的是半导体电子和空穴的填充水平。n型半导体费米能级在带隙上半部靠近导带底。图3.12为n型半导体能带图，电子填充水平非常高。p型半导体费米能级在带隙下半部靠近价带顶。图3.13为p型半导体能带图，空穴填充水平非常高。图3.12n型半导体能带图图3.13p型半导体能带图图3.14pn结能带图当把n型半导体和p型半导体接触形成pn结时，由于它们费米能级的差别，n区费米能级nfE)(。下降，p区费米能级pfE)(上升，当它们具有相同的费米能级时，各自的费米能级就不再移动了，这是由于n区的多数载流子电子向p区扩散，p区的多数载流子空穴向n区扩散。n、p区费米能级的移动，好像是一个U形管连通器，费米能级的高低类似U形管两侧的水位的高低，当拔掉U形管底部的活塞时，高水位一侧将向低水位侧流动，低水位侧的水位将会上升，当它们的水位相同时，两侧的水位将不再变化，如图3.15所示。图3.15类比图由于电离施主和电离受主在pn结两侧的积累构成了一个从n区指向p区的内建电场，根据电学知识，顺着电场的方向，电势不断降低，因此在n区和p区就形成了一定的电势差，这个电势差也称接触电势差，用biV表示，即n区电势高出p区的电势为biV。由于这个势垒的作用，当空穴沿着内建电场的方向运动，即从p区扩散到n区时要克服这个势垒的作用，电场力对其做负功，使得其电势能增加；同理，当电子沿着内建电场的方向运动，即从n区扩散到p区时要克服这个势垒的作用，电场力对其做负功，使得其电势能增加。二者折中导致在pn结处能带发生弯曲，pn结p区电势能比n区电势能高biqV−，这就是pn结能带弯曲的原因。由于p区电势能比n区电势能高，因此空间电荷区也称势垒区，电子从n区扩散到p区要克服这个势垒做功；同理，空穴从p区扩散到n区也要克服这个势垒做功。这个势垒阻挡了电子和空穴的无限制的扩散运动。电势差biV可由下列公式确定：pfnfbiEEqV)()(−=根据3.3节的知识，n型半导体和P型半导体的费米能级分别为:cdBcnfNNTkEEln)(+=;vaBvpfNNTkEEln)(−=半导体物理学基本公式为:TkEcviBEeNNn221)(−=因此pn结的电势差为:2lnidaBbinNNTqTkV=式中，Bk表示玻尔兹曼常量；T为热力学为温度；aN为受主掺杂浓度；dN为施主浓度；q为电子的电荷量；in为本征载流子浓度。从上面的式子可以看出，pn结电势差与半导体的温度有关。温度越高，电势差越大。与半导体施主和受主掺杂浓度有关。在温度一定时，半导体p、n区掺杂浓度越大，电势差越高。与半导体的禁带宽度有关。禁带宽度越大，本征载流子浓度越小，电势差越大。热平衡pn结不加偏压时，pn结区空间电荷区的总的宽度为:⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=dabiNNqVW112ε热平衡pn结不加偏压时，n型区空间电荷区的宽度为:WNNNxdaan+=热平衡pn结不加偏压时，p型区空间电荷区的宽度为:WNNNxdadp+=式中，ε为介电常数；biV为接触电势；aN受主掺杂浓度；dN为施主掺杂浓度；q为电荷量。§3.5非平衡pn结平衡pn结是指没有外加偏压时，半导体pn结两侧区域n区和p区的电子和空穴扩散形成的扩散电流与内建电场作用电子和空穴经过漂移形成的漂移电流大小相等、方向相反，达到平衡时的pn结。非平衡pn结则是在有外加偏压下，上述两种扩散电流和漂移电流并不相互抵消的一种pn结。下面在正向偏压和反向偏压下讨论非平衡pn结。§3.5.1正向偏压下的pn结图3.16正向偏压图如图3.16所示，在pn结两端加上正向偏压，p区接电源的正极，n区接电源的负极。偏压的大小为V，当其加在pn结两端时，热平衡被破坏，将会有电流在半导体内流过，流过pn结传导电流的大小取决于外加偏压，对pn结空间电荷区的电阻远大于准中性区的电阻，于是外加偏压将主要降落在这个空间电荷区域，偏压的方向与原来接触电势差的方向相反，由p指向n，因此导致原来pn结内建电场的减弱，空间电荷区变窄，由原来的nn、pp之间的区域变为nn′′、pp′′之间的区域，电势高度为)(VVqbi−，减小了势垒的高度，易于载流子越过pn结，形成大的电流，其能带如图3.17所示。图3.17正向偏压pn结能带图因为外加偏压导致内建电场减弱，电子和空穴由于浓度梯度作用形成的扩散电流大于电子和空穴由于内建电场作用的漂移电流，亦即n区的电子扩散到p区的数量将大于p区电子由于内建电场的作用返回n区的数量，在pn结附近靠近p区边界积累，其电子的浓度较原来提高了TkqVBe倍，这些积累的电子称为p区非平衡少数载流子，由于在边界处电子的浓度较p区其他地方电子的浓度高，因此，这些电子将从边界处向p区扩散，在扩散过程中，也伴随着与空穴的复合。电子在p区边扩散边复合，经过几个扩散长度的距离时，电子全部被复合。电子形成的扩散电流为:⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=10TkqVpnnnBenLDqj式中，nD为电子的扩散系数；nL为电子的扩散长度，nnnDLτ=；V为外加偏压。同理，p区的空穴扩散到n区的数量将大于n区空穴由于内建电场的作用返回p区的数量，在pn结附近靠近n区边界积累，这些积累的空穴称为n区非平衡少数载流子，由于在边界处空穴的浓度较n区其他地方空穴的浓度高，因此，这些空穴将从边界处向n区扩散，在扩散过程中，也伴随着与电子的复合。空穴在n区边扩散边复合，经过几个扩散长度的距离时，空穴全部被复合。空穴形成的扩散电流为:⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=10TkqVnpppBepLDqj式中，pD为空穴的扩散系数;pL为空穴的扩散长度，pppDLτ=；V为外加偏压。因此，通过单位面积的pn结的总电流为电子和空穴的电流之和：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=100TkqVpnnnppBepLDpLDqj令⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=000pnnnpppLDpLDqj，则通过pn结的总电流为:⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=10TkqVBejj(3.22)正向偏压下非平衡少数载流子浓度及其电流的分布分别如图3.18、图3.19所示。由式(3.22)可知，通过pn结的总电流和外加偏压呈指数关系，即外加偏压增加时，pn结总电流以指数形式增加，如图3.20所示。图3.18正向偏压下非平衡少数载流子浓度分布图图3.19正向偏压下非平衡少数载流子电流分布图图3.20电流与正向偏压关系图§3.5.2反向偏压下的pn结如图3.21所示，在pn结两端加上反向偏压，p区接电源的负极，n区接电源的正极。偏压的大小为V，当其加在pn结两端时，原有热平衡被破坏，将会有电流在半导体内流过，流过pn结传导电流的大小取决于外加偏压，对pn结空间电荷区的电阻远大于准中性区的电阻，于是外加偏压将主要降落在这个空间电荷区域，偏压的方向与原来接触电势差的方向相同，由n指向p，因此导致原来pn结内建电场的增加，空间电荷区变宽，由原来的nn、pp之间的区域变为nn′′、pp′′之间的区域，电势高度为)(VVqbi+，则它们阻挡载流子越过pn结，如图3.22所示。图3.21反向偏压图图3.22反向偏压pn结能带图因为外加偏压导致内建电场增强，电子和空穴由于浓度梯度作用形成的扩散电流小于电子和空穴由于内建电场作用的漂移电流，亦即n区的电子扩散到p区的数量将小于p区电子由于内建电场的作用返回n区的数量，形成反向抽取现象，在pn结附近靠近p区边界处形成少数载流子的缺少，这些在边界处的电子的浓度较p区其他地方电子的浓度低得多，因此，这些电子将从p区内部向边界处扩散，形成从n区指向p区的反向电子电流；同理，p区的空穴扩散到n区的数量将小于n区空穴由于内建电场的作用返回p区的数量，形成空穴的反向抽取现象，在pn结附近靠近n区边界处形成少数载流子的缺少，这些在边界处的空穴的浓度较n区其他地方空穴的浓度低得多，因此，这些空穴将从n区内部向边界处扩散，形成从n区指向p区的反向空穴电流；总的反向电流将等于在边界附近电子和空穴的扩散电流之和：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=100TkqVpnnnppBepLDpLDqj通常反向偏压qTkVB>>，则:⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+==000pnnnpppLDpLDqjj因为反向电流抽取的是n区和P区的少数载流子，不需要多大的反向偏压，这些少数载流子在瞬间就减为0，因此，反向电流几乎不随反向偏压的大小而变化，故上式0j成为反向饱和电流公式，电流称为反向饱和电流。非平衡少数载流子浓度及其电流分布分别如图3.23、图3.24所示，pn结加反向偏压时，电流和电压的关系如图3.25所示。图3..23反向偏压下非平衡少数载流子浓度分布图图3.24反向偏压下非平衡少数载流子电流分布图图3.25电流与反向偏压关系图§3.6光照情况下的pn结太阳电池的工作原理实质就是光电效应原理，何为光电效应呢?简单地说就是太阳光照射在某一半导体器件上，把光能转化成电能的现象。在这里该半导体光电子器件就是太阳电池，即非平衡半导体pn结。光子的能量与半导体禁带宽度的关系：gEhv>>式中，v为入射光的频率；gE为半导体的禁带宽度；h为普朗克常量。当一束太阳光投射在pn结上满足上述关系式时，在pn结中将会产生电子.空穴对，这些电子.空穴对在pn结中受到内建电场的作用，使得p区的少子电子向n区运动，形成光生电子电流，方向为n指向p，n区的少子空穴向p区运动，形成光生空穴电流，方向为n指向p，光生电子电流和光生空穴电流统称为光生电流，其大小为二者之和，光生少子电子、光生少子空穴在内建电场中运动，且在pn结边界积累形成了一个光生电场，方向为p指向n，与内建电场的方向相反，因此，光生电场削弱了内建电场，这种情况完全类似加正向偏压下的pn结，故有一类似正向偏压下的电流，其大小参看3.3节，如图3.26所示。图3.26光照pn结载流子分布图若光生电流密度为phj，则光生电压为:⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=1ln0jjqTkVphBph式中，0j为反向饱和电流。根据肖克莱(Shockley)方程，理想太阳电池外电路的电流为:)1(0−−=TkqVphBeIII式中，Bk表示玻尔兹曼常量；T为热力学温度；phI为光电流；0I为反向饱和电流；V为电池两端的电压。思考与 练习 飞向蓝天的恐龙练习非连续性文本练习把字句和被字句的转换练习呼风唤雨的世纪练习呼风唤雨的世纪课后练习 1．简单叙述n型半导体的形成。2．简单叙述p型半导体的形成。3．请简单叙述pn结的形成过程。4．何为n型半导体?5．何为p型半导体?6．n型半导体的特征是什么?p型半导体的特征是什么?7．解释半导体二极管为什么具有单向导电性?