半导体物理作业.doc

一、 PN结硅基太阳能电池
1、 PN结
（1） 概念
在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。（课本81页）PN结有同质结和异质结两种：用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
（2） 平衡PN结
PN结中的载流子同时存在漂移运动和扩散运动。载流子的扩散运动是由于其浓度不均匀造成的，扩散运动使载流子由高浓度向低浓度运动，其结果是在N型区和P型区交界面的两侧形成了一个带正负电荷的空间电荷区。空间电荷区中的正负电荷形成一个由N区指向P区的自建电场。载流子在自建电场作用下会做漂移运动，方向刚好与扩散运动的方向相反。当扩散运动和漂移运动相抵时，载流子浓度达动态平衡，这就是平衡PN结的情况。（课本82、83页）

2、 PN结太阳能电池
（1） 光生伏特效应
太阳能电池是一种将太阳能（或其他光能）转换成电能的能量转换器。光生伏特效应是PN结太阳能电池工作原理的基础。所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
具体过程是这样的：入射光垂直P-N结面，光子进入P-N结区，甚至深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子—空穴对。事实上，这种光激发对少数载流子浓度的影响很大。另一方面，由于P-N结势垒区内存在较强的内建电场（由n区指向p区），少数载流子将受该场的作用：P区的电子穿过P-N结进入N区，N区的空穴进入P区，使P端电势升高，N端电势降低，于是在P-N结两端形成了光生电动势。由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在P-N结内部形成自N区向P区的光生电流。
（2） 工作原理

对于PN结硅基太阳能电池，其基本原理就是光生伏特效应。在此基础上，接通外电路，便有电能输出。若把几十个、几百个太阳能电池单体串联、并联封装成太阳能电池组件，在太阳光照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。
（3）基本结构

电子必须通过外部电路从电池的一侧流到另一侧。我们可以在电池底部镀上一层金属，以保证良好的导电性。但如果我们将电池顶部完全镀上金属，光子将无法穿过不透光导体，这样就会丧失所有电流（在某些电池中，只有上表面而非所有位置使用了透明导体）。如果我们只在电池的两侧设置触点，则电子需要经过很长一段距离（对于电子而言）才能抵达接触点。要知道，硅是半导体，它传输电流的性能没有金属那么好，它的内部电阻（称为串联电阻）相当高，而高电阻意味着高损耗。为了最大限度地降低这些损耗，电池上覆有金属接触网，它可缩短电子移动的距离，同时只覆盖电池表面的一小部分。即使是这样，有些光子也会被网格阻止，网格不能太小，否则它自身的电阻就会过高。在实际使用电池之前，还要执行其他几个步骤。硅是一种有光泽的材料，这意味着它的反射性能很好。被反射的光子不能被电池利用。出于这个原因，在电池顶部采用抗反射涂层，可将反射损失降低到5%以下。最后一步是安装玻璃盖板，用来将电池与元件分开，以保护电池。
二、 半导体发光二极管
1、 PN结的单向导电性
单向导电性是PN结的基本性质之一，所谓单向导电性就是当PN结的P区接电源正极，N区接电源负极，PN结能通过较大电流，并且电流随着电压的增加增长很快,称PN结处于正向。反之，当P区接电源负极，N区接电源正极，则电流很小，而且电压增加时电流趋于“饱和”，称PN结处于反向。（课本82页）

2、 PN结的正向注入和反向抽取
（1） 正向注入
正向偏压下，外加电场的方向与自建场的方向相反，使空间电荷区中的电场减弱，原来的相对平衡被打破，载流子的扩散运动优于漂移运动。这种情况下，电子源源不断地从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，成为非平衡载流子，这种现象称为PN结的正向注入。（课本85页）

（2） 反向抽取
反向偏压时，外电场方向与自建场方向相同，增强了空间电荷区的电场，载流子的漂移运动超过了扩散运动。此时N区的空穴一旦达到空间电荷区边界，就要被电场拉向P区，P区的电子一旦到达空间电荷区的边界，也要被电场拉向N区，这种现象称为反向抽取。（课本89，90页）
PN结的单向导电性是由于正向注入和反向抽取各自的矛盾的特殊性决定的。正向注入可以使边界少数载流子浓度增加几个数量级，从而形成大的浓度梯度和大的扩散电流，而且注入的少数载流子浓度随正向偏压增加成指数规律增长。而反向抽取使边界少数载流子浓度减少，随反向偏压增加很快趋向于零，边界处少子浓度的变化量最大不超过平衡时少子浓度。（课本93页）
3、 半导体发光二极管
（1） 概念
半导体发光二极管是一种将电能转换成光能的器件，它的主要结构也是一个PN结，是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED，是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。
（2） 发光原理
半导体发光二极管的发光方式是注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光的现象。

发光二极管的核心部分是P型半导体和N型半导体组成的晶片，两者之间的过渡层会形成一个PN结。热平衡状态下，N区有很多迁移率很高的电子，P区有很多迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，常态下二者不能发生自然复合。当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子和空穴相遇时复合会把多余的能量释放出来，并以发光的形式表现出来，实现电能转换成光能的过程。其示意图如上图一。当在发光二极管PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，所以不发光。

（3） 工作特点
LED是半导体器件通过PN结实现电光转换，有如下特点：
安全、节能、不引起环境污染；
‚寿命长，响应快；
ƒ体积小，结构牢固。