P-N结的理解讲解.doc

P-N结的理解 Dr. Alistair Sproul UNSW光伏工程重点研究中心 P-N结是电子时代的基本构造模块，大多数电子器件是由硅制成，研究硅的电学特性，需要理解P-N结的内部工作特性。 硅 单个硅原子由十四个电子围绕十四个正电荷的质子和十四个中性中子构成。因为正电荷和负电荷相等，所以硅原子不显示净电荷。十四个电子中，仅四个电子有可能形成化学键（在原子壳的最外层），留下的10个电子紧紧的束缚在原子核上，不能与其它原子形成化学键。 在晶体硅中，每个硅原子同其他四个硅原子成键，每个键含有两个电子，每个硅原子提供一个电子从而形成化学键，形成化学键的电子在原子之间共享，所以称为共价键。 四价电子使硅显示非常完美的性能：可以形成晶体使四个电子均成键，而没有剩余。（四价电子的碳，通过四个电子形成共价键，从而形成金刚石晶体。）硅晶体由原子组成，且不含净电荷（和质子有相同数量的电子），所以硅晶体没有净电荷转移。 因为其电学特性，硅被称为半导体。如果硅晶体是纯净的，晶体中的四个外层电子形成共价键。在接近绝对零度时，电子束缚在成键位子，在此情况下，硅晶体近乎是完美的电子绝缘体。然而，如果有足够的能量供应给晶体，通过加热或光照的方式，有可能坡坏这个共价键。在硅中，共价键的键能是1.1eV，当提供足够的能量或更多的能量给化学键使，电子能形成自由原子，并能在晶体中自由移动。 1.1eV的能量与电磁光谱的近红外区光子相对应，如果光子的能量小于1.1eV，将不能产生足够的能力作用于晶体硅的化学键，光子将穿过晶体而不能撞击产生任何电子。 磷 单个磷原子同样不含有净电荷。磷原子在原素周期表上，是硅原子的下一个原子，含由十五个电子和十五个质子。电子钟的负电荷与质子中的正电荷正好完全抵消，所以磷原子也没有净电荷。 在十五个电子中，仅其中五个电子可以形成化学键（原子壳的最外层原子），这五个成键电子使磷产生明显的化学性能。磷原子的一个重要特性，是使其多余的一个电子提供给硅，形成P-N结。 用磷取代 在一个称为“掺杂”的工艺中，是指用不纯的原子进入纯净的硅中，从而改变晶体的电学特性。在晶体中，磷可以取代一些硅原子，这时磷被称为掺杂原子。掺杂的磷原子与临近的硅原子形成共价键，磷原子的第五个电子，不能形成共价键，将会起重要的作用。这个电子同磷原子的作用力很弱，仅0.045eV，如此弱的作用力，在常温下，电子将有足够的能力脱离磷原子的束缚，如果脱离磷原子的束缚，电子将在晶体周围自由运动。 硅晶体的电导率可以通过调节掺杂进入晶体中的原子进行精确调控，在典型的太阳能电池应用中，大约每5，000，000个硅原子中有1个掺杂原子。当像磷，含有超过四个电子的原子掺杂到硅中时，此时称为n型硅，这是因为来自掺杂原子的不被束缚的电子带有负电荷。 电荷 如上所说，当硅被磷掺杂时，磷取代了晶体中的硅原子，并形成了四个共价键，这像硅原子自己形成的工价键一样。晶体中的热能（来自室温条件下）可以打破第五个电子的弱连接键，使其脱离磷原子，电子将会在晶体中自由移动。 然后晶体中被取代的磷原子并不能移动，因为共价键作用并被固定在晶体中。固定的磷原子将显示正电荷，因原子中仅十四个电子，但有十五个质子（弱连缚的第十五个电子将在晶体中漂移）。 在掺杂材料中的电荷总和为零，因为材料中的自由电子与来自晶体中磷原子的正电荷相匹配（晶体没有净电荷）。 如果从n型晶体中移除一些自由电子，晶体将因失去负电荷而显示正电性。（这个概念有点同通过喷在移动的传输带上，产生的Van de Graaff静电发生器的高压电极移除电子类似，通过移走电子，在高压电极将产生正电荷） 如果在n型晶体硅中移除一些可移动的电子，晶体将显示正电荷。如后面所说，在n型晶体中的自由电子将漂移到p型材料中，使在n型晶体硅中形成局部正电荷区。 硼取代 硼有五个质子和五个电子，同样也可在晶体硅中取代硅原子。因为硼原子在束缚层中仅有三个电子，所以硼原子同硅原子仅能形成三个共价键。这是因为每个原子贡献一个电子形成共价键，在束缚层中没有第四个电子，所以仅能形成三个共价键。 在温度接近绝对零度时，硼原子及其失去的键是稳定的。在室温时，将有足够的热能使电子进入空带，如果发生的话，提供电子给硼原子的原子将有电子空带，这个空带将被晶体中其他原子的电子填充。这样，空带或“空穴”将从一个原子移动到另一个原子。这个可以看作负电荷围绕着填充的空穴移动（产生新的空穴），或者简单的说，正电荷在材料中移动（如同空穴移动）。 在室温时，晶体中的硼原子，在原子核中将会比质子数多一个电子。在这样情况下，硼原子将会带有负电荷。 当类似硼的原子