第2章半導體與PN結(jié)

第二章：半導體與PN結(jié)2023/2/5UNSW新南威爾士大學1§2.1簡介§2.2基本原理§2.3載流子的產(chǎn)生§2.4載流子的復合§2.5載流子的運動§2.6PN結(jié)§2.1簡介

一直以來，太陽能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)系在一起。接下來的幾節(jié)將講述半導體材料的基本問題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識。這些物理原理可以用來解釋PN結(jié)的運作機制。PN結(jié)不僅是太陽能電池的核心基礎，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基礎。2023/2/52

右圖是一個硅錠，由一個大的單晶硅組成，這樣一個硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導體器件，包括太陽能電池和電腦芯片?！?.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)

半導體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性的結(jié)構(gòu)鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個原子都被8個電子包圍著。一個單原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核則包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個元素都是不同的），每個電子都占據(jù)著特定的能級。2023/2/53

半導體材料可以來自元素周期表中的Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素與Ⅴ族元素相結(jié)合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半導體），還可以是Ⅱ族元素與Ⅵ族元素相結(jié)合（叫做Ⅱ-Ⅵ型半導體）。硅是使用最為廣泛的半導體材料，它是集成電路（IC）芯片的基礎，也是最為成熟的技術，而大多數(shù)的太陽能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關材料性能將在硅的材料性質(zhì)一節(jié)給出。4§2.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)右圖展示了一種半導體的結(jié)構(gòu)。硅晶格中的共價鍵示意圖。硅原子共價鍵§2.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)

上圖是元素周期表的一部分。相同半導體材料以藍色字體顯示。半導體可以由單原子構(gòu)成，如Si或Ge，化合物，如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。其中X是元素的組分，數(shù)值從0到1。

半導體的價鍵結(jié)構(gòu)決定了半導體材料的性能。一個關鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級和電子在晶格之間的移動。半導體中，圍繞在每個原子的電子都是共價鍵的一部分。共價鍵就是兩個相鄰的原子都拿出自己的一個電子來與之共用，這樣，每個原子便被8個電子包圍著。共價鍵中的電子被共價鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周圍的某個地方。因為它們不能移動或者自行改變能量，所以共價鍵中的電子不能被認為是自由的，也不能夠參與電流的流動、能量的吸收以及其它與太陽能電池相關的物理過程。2023/2/56§2.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)§2.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)然而，只有在絕對零度的時候才會讓全部電子都束縛在價鍵中。在高溫下，電子能夠獲得足夠的能量擺脫共價鍵，而當它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運動并參與導電。在室溫下，半導體擁有足夠的自由電子使其導電，然而在到達或接近絕對零度的時候，它就像一個絕緣體。§2.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)

價鍵的存在導致了電子有兩個不同能量狀態(tài)。電子的最低能量態(tài)是其處在價帶的時候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來打破共價鍵，那么它將進入導帶成為自由電子。電子不能處在這兩個能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價鍵，但它吸收的能量有個最低限度，這個最低能量值被叫做半導體的“禁帶”。自由電子的數(shù)量和能量是研究電子器件性能的基礎。

電子擺脫共價鍵后留下來的空間能讓共價鍵從一個電子移動到另一個電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運動的現(xiàn)象。這個留下的空位置通常被叫做“空穴”，它與電子相似但是帶正電荷。9

右邊動畫展示了當電子能夠逃脫共價鍵時自由電子和空穴是如何形成的§2.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)對于太陽能電池來說，半導體最重要的參數(shù)是：1.禁帶寬度2.能參與導電的自由載流子的數(shù)目3.當光射入到半導體材料時，自由載流子的產(chǎn)生和復合。

關于這些參數(shù)的更詳細描述將在下面幾頁給出。2023/2/5UNSW新南威爾士大學10§2.2.1

基本原理

--半導體的結(jié)構(gòu)

半導體的禁帶寬度是指一個電子從價帶運動到能參與導電的自由狀態(tài)所需要吸收的最低能量值。半導體的價鍵結(jié)構(gòu)顯示了（y軸）電子的能量，此圖也被叫做“能帶圖”。半導體中比較低的能級被叫做“價帶”（Evvalenceband），而處于其中的電子能被看成自由電子的能級叫“導帶”（Ec）。處于導帶和價帶之間的便是禁帶（EG）了。§2.2.2基本原理

--禁帶§2.2.2基本原理

--禁帶2023/2/5UNSW新南威爾士大學12

固體中電子的能帶示意圖。

一旦進入導帶，電子將自由地在半導體中運動并參與導電。然而，電子在導帶中的運動也會導致另外一種導電過程的發(fā)生。電子從原本的共價鍵移動到導帶必然會留下一個空位。來自周圍原子的電子能移動到這個空位上，然后又留下了另外一個空位，這種留給電子的不斷運動的空位，叫做“空穴”，也可以看作在晶格間運動的正電荷。2023/2/5UNSW新南威爾士大學13§2.2.2基本原理

--禁帶§2.2.2基本原理

--禁帶因此，電子移向?qū)У倪\動不僅導致了電子本身的移動，還產(chǎn)生了空穴在價帶中的運動。電子和空穴都能參與導電并都稱為“載流子”。移動的“空穴”這一概念有點類似于液體中的氣泡。盡管實際上是液體在流動，但是把它想象成是液體中的氣泡往相反的方向運動更容易理解些?！?.2.3基本原理

--本征載流子濃度

把電子從價帶移向?qū)У臒峒ぐl(fā)使得價帶和導帶都產(chǎn)生載流子。這些載流子的濃度叫做本征載流子濃度，用符號ni表示。沒有注入能改變載流子濃度的雜質(zhì)的半導體材料叫做本征材料。本征載流子濃度就是指本征材料中導帶中的電子數(shù)目或價帶中的空穴數(shù)目。載流子的數(shù)目決定于材料的禁帶寬度和材料的溫度。寬禁帶會使得載流子很難通過熱激發(fā)來穿過它，因此寬禁帶的本征載流子濃度一般比較低。但還可以通過提高溫度讓電子更容易被激發(fā)到導帶，同時也提高了本征載流子的濃度。2023/2/515導帶價帶§2.2.3基本原理

--本征載流子濃度

下圖顯示了兩個溫度下的半導體本征載流子濃度。需要注意的是，兩種情況中，自由電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目都是相等的。室溫高溫§2.2.4基本原理

--摻雜

通過摻入其它原子可以改變硅晶格中電子與空穴的平衡。比硅原子多一個價電子的原子可以用來制成n型半導體材料，這種原子把一個電子注入到導帶中，因此增加了導帶中電子的數(shù)目。相對的，比硅原少一個電子的原子可以制成p型半導體材料。在p型半導體材料中，被束縛在共價鍵中的電子數(shù)目比本征半導體要高，因此顯著地提高了空穴的數(shù)目。在已摻雜的材料中，總是有一種載流子的數(shù)目比另一種載流子高，而這種濃度更高的載流子就叫“多子”，相反，濃度低的載流子就叫“少子”。2023/2/5UNSW新南威爾士大學17§2.2.4基本原理

--摻雜

下面的示意圖描述了單晶硅摻雜后制成n型和p型半導體。2023/2/519下表總結(jié)了不同類型半導體的特性P型（正）N型（負）摻雜Ⅲ族元素（如硼）Ⅴ族元素（如磷）價鍵失去一個電子（空穴）多出一個電子多子空穴電子少子電子空穴§2.2.4基本原理

--摻雜

下面的動畫展示了p型硅與n型硅。在一塊典型的半導體中，多子濃度可能達到1017cm-3，少子濃度則為106cm-3。這是一個怎樣的數(shù)字概念呢？少子與多子的比例比一個人與地球總的人口數(shù)目的比還要小。少子既可以通過熱激發(fā)又可以通過光照產(chǎn)生。2023/2/5UNSW新南威爾士大學20N型半導體。之所以叫n型是因為多子是帶負電的電子（

Negativelychargedelectrons）。P型半導體。之所以叫p型是因為多子是帶正電的空穴（

Positivelychargedholes）。§2.2.4基本原理

--摻雜§2.2.5

基本原理

--平衡載流子濃度

在沒有外加偏壓的情況下，導帶和價帶中的載流子濃度就叫本征載流子濃度。對于多子來說，其平衡載流子濃度等于本征載流子濃度加上摻雜入半導體的自由載流子的濃度。在多數(shù)情況下，摻雜后半導體的自由載流子濃度要比本征載流子濃度高出幾個數(shù)量級，因此多子的濃度幾乎等于摻雜載流子的濃度。在平衡狀態(tài)下，多子和少子的濃度為常數(shù)，由質(zhì)量作用定律可得其數(shù)學表達式。

n0p0=n2i

式中ni表示本征載流子濃度，n0和p0分別為電子和空穴的平衡載流子濃度。2023/2/5UNSW新南威爾士大學21§2.2.5

基本原理

--平衡載流子濃度使用上面的質(zhì)量作用定律，可得多子和少子的濃度：

上面的方程顯示少子的濃度隨著摻雜水平的增加而減少。例如，在n型材料中，一些額外的電子隨著摻雜的過程而加入到材料當中并占據(jù)價帶中的空穴，空穴的數(shù)目隨之下降。n型

n0=NDP0=n2i/NDp型

P0=NAn0=n2i/NA

下圖描述了低摻雜和高摻雜情況下的平衡載流子濃度。并顯示，當摻雜水平提高時，少子的濃度減小。N型半導體材料低摻雜高摻雜價帶價帶導帶導帶§2.2.5

基本原理

--平衡載流子濃度§2.3.1

載流子的產(chǎn)生

--光的吸收

入射到半導體表面的光子要么在表面被反射，要么被半導體材料所吸收，或者兩者都不是，即只是從此材料透射而過。對于光伏器件來說，反射和透射通常被認為損失部分，就像沒有被吸收的光子一樣不產(chǎn)生電。如果光子被吸收，將在價帶產(chǎn)生一個電子并運動到導帶。決定一個光子是被吸收還是透射的關鍵因素是光子的能量?；诠庾拥哪芰颗c半導體禁帶寬度的比較，入射到半導體材料的光子可以分為三種：1.Eph<Eg

光子能量Eph小于禁帶寬度Eg，光子與半導體的相互作用很弱，只是穿過，似乎半導體是透明的一樣。2.Eph=Eg

光子的能量剛剛好足夠激發(fā)出一個電子-空穴對，能量被完全吸收。3.Eph>Eg

光子能量大于禁帶寬度并被強烈吸收。

2023/2/5UNSW新南威爾士大學24

下面的動畫展示了三種不同能量層次的光子在半導體內(nèi)產(chǎn)生的效應。2023/2/5UNSW新南威爾士大學25§2.3.1

載流子的產(chǎn)生

--光的吸收§2.3.1

載流子的產(chǎn)生

--光的吸收對光的吸收即產(chǎn)生了多子又產(chǎn)生少子。在很多光伏應用中，光生載流子的數(shù)目要比由于摻雜而產(chǎn)生的多子的數(shù)目低幾個數(shù)量級。因此，在被光照的半導體內(nèi)部，多子的數(shù)量變化并不明顯。但是對少子的數(shù)量來說情況則完全相反。由光產(chǎn)生的少子的數(shù)目要遠高于原本無光照時的光子數(shù)目，也因此在有光照的太陽能電池內(nèi)的少子數(shù)目幾乎等于光產(chǎn)生的少子數(shù)目?！?.3.2

載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)

吸收系數(shù)決定著一個給定波長的光子在被吸收之前能在材料走多遠的距離。如果某種材料的吸收系數(shù)很低，那么光將很少被吸收，并且如果材料的厚度足夠薄，它就相當于透明的。吸收系數(shù)的大小決定于材料和被吸收的光的波長。在半導體的吸收系數(shù)曲線圖中出現(xiàn)了一個很清晰的邊緣，這是因為能量低于禁帶寬度的光沒有足夠的能量把電子從價帶轉(zhuǎn)移到導帶。因此，光線也就沒被吸收了。§2.3.2

載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)砷化鎵磷化銦鍺硅下圖顯示幾種半導體材料的吸收系數(shù)：四種不同半導體在溫度為300K時的吸收系數(shù)α，實驗在真空環(huán)境下進行。

該圖表明，即使是那些能量比禁帶寬度高的光子，它們的吸收系數(shù)也不是全都相同的，而是與波長有密切的聯(lián)系。一個光子被吸收的概率取決于這個光子能與電子作用（即把電子從價帶轉(zhuǎn)移到導帶）的可能性。對于一個能量大小非常接近于禁帶寬度的光子來說，其吸收的概率是相對較低的，因為只有處在價帶邊緣的電子才能與之作用并被吸收。當光子的能量增大時，能夠與之相互作用并吸收光子的電子數(shù)目也會增大。然而，對于光伏應用來說，比禁帶寬度多出的那部分光子能量是沒有實際作用的，因為運動到導帶后的電子又很快因為熱作用回到導帶的邊緣。硅的其它光學性質(zhì)在硅的光學性質(zhì)一節(jié)中給出。2023/2/5UNSW新南威爾士大學29§2.3.2

載流子的產(chǎn)生

--吸收系數(shù)§2.3.3

載流子的產(chǎn)生

--吸收深度

吸收系數(shù)與波長的關系導致了不同波長的光在被完全吸收之前進入半導體的深度的不同。下面將給出另一個參數(shù)--吸收深度，它與吸收系數(shù)成反比例關系，即為α-1。吸收深度是一個非常有用的參數(shù)，它顯示了光在其能量下降到最初強度的大概36%（或者說1/e）的時候在材料中走的深度。因為高能量光子的吸收系數(shù)很大，所以它在距離表面很短的深度就被吸收了（例如硅太陽能電池就在幾微米以內(nèi)），而紅光在這種距離的吸收就很弱。即使是在幾微米之后，也不是所有的紅光都能被硅吸收。2023/2/5UNSW新南威爾士大學30§2.3.3

載流子的產(chǎn)生

--吸收深度

藍光在離表面非常近處就被吸收而大部分的紅光則在器件的深處才被吸收。動畫顯示了紅光與藍光的吸收深度的不同。下圖顯示了幾種半導體的吸收深度：2023/2/532§2.3.3

載流子的產(chǎn)生

--吸收深度§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率

生成率是指被光線照射的半導體每一點生成電子的數(shù)目。忽略反射，半導體材料吸收光線的多少決定于吸收系數(shù)（α

單位為cm-1）和半導體的厚度。半導體中每一點中光的強度可以通過以下的方程計算：

I=I0e-αx

式中α為材料的吸收系數(shù)，單位通常為cm-1，x為光入射到材料的深度，I0為光在材料表面的功率強度。

該方程可以用來計算太陽能電池中產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)目。2023/2/5UNSW新南威爾士大學33假設減少的那部分光線能量全部用來產(chǎn)生電子空穴對，那么通過測量透射過電池的光線強度便可以算出半導體材料生成的電子空穴對的數(shù)目。因此，對上面的方程進行微分將得到半導體中任何一點的生成率。即G=αN0e-αx

其中N0為表面的光子通量（光子/單位面積.秒）

α為吸收系數(shù)，x為進入材料的距離。

方程顯示，光的強度隨著在材料中深度的增加呈指數(shù)下降，即材料表面的生成率是最高的。2023/2/534§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率進入硅的深度電子空穴對的生成率

對于光伏應用來說，入射光是由一系列不同波長的光組成的，因此不同波長光的生成率也是不同的。下圖顯示三種不同波長的光在硅材料中的生成率。

計算一系列不同波長的光的生成率時，凈的生成率等于每種波長的總和。下圖顯示入射到硅片的光為標準太陽光譜時，不同深度的生成率大小。Y軸的范圍大小是成對數(shù)的，顯示著在電池表面產(chǎn)生了數(shù)量巨大的電子空穴對，而在電池的更深處，生成率幾乎是常數(shù)。2023/2/536§2.3.4

載流子的產(chǎn)生

--生成率§2.4.1

復合理論

--復合的類型

所有處在導帶中的電子都是亞穩(wěn)定狀態(tài)的，并最終會回到價帶中更低的能量狀態(tài)。它必須移回到一個空的價帶能級中，所以，當電子回到價帶的同時也有效地消除了一個空穴。這種過程叫做復合。在單晶半導體材料中，復合過程大致可以分為三種：輻射復合俄歇復合肖克萊-雷德-霍爾復合這些復合在右邊的動畫中都有描述。2023/2/5輻射復合輻射復合是LED燈和激光這類的半導體器件的主要復合機制。然而，對于由硅制成的陸地用太陽能電池來說，輻射復合并不是主要的，因為硅的禁帶并不是直接禁帶，它使得電子不能直接從價帶躍遷到導帶。輻射復合的幾個主要特征是：

1）在輻射復合中，電子與空穴直接在導帶結(jié)合并釋放一個

光子。2）釋放的光子的能量近似于禁帶寬度，所以吸收率很低，

大部分能夠飛出半導體。

2023/2/5UNSW新南威爾士大學38§2.4.1

復合理論

--復合的類型通過復合中心的復合

通過復合中心的輻射也被叫做肖克萊-萊德-霍爾或SRH復合，它不會發(fā)生在完全純凈的、沒有缺陷的材料中。SRH復合過程分為兩步：

1）一個電子（或空穴）被由晶格中的缺陷產(chǎn)生的禁帶中的一個能級所俘獲。這些缺陷要么是無意中引入的要么是故意加入到材料當中去的，比如往材料中摻雜。§2.4.1

復合理論

--復合的類型2）如果在電子被熱激發(fā)到導帶之前，一個空穴（或電子）也被俘獲到同一個能級中，那么復合過程就完成了。載流子被俘獲到禁帶中的缺陷能級的概率取決于能級到兩能帶（導帶和禁帶）的距離。因此，如果一個能級被引入到靠近其中一能帶的邊緣地區(qū)，發(fā)生復合的可能性將比較小，因為電子比較容易被激發(fā)到導帶去，而不是與從價帶移動到同一個能級的空穴復合。基于這個因素，處在禁帶中間的能級發(fā)生復合的概率最大。2023/2/5UNSW新南威爾士大學40§2.4.1

復合理論

--復合的類型

俄歇復合一個俄歇復合過程有三個載流子參與。一個光子與一個空穴復合后，其釋放的能量并不是以熱能或光子的形式傳播出去，而是把它傳給了第三個載流子，即在導帶中的電子。這個電子接收能量后因為熱作用最終又回到導帶的邊緣。

俄歇復合是重摻雜材料和被加熱至高溫的材料最主要的復合形式。2023/2/5UNSW新南威爾士大學41§2.4.1

復合理論

--復合的類型

如果半導體中少子的數(shù)目因為外界的短暫激發(fā)而在原來平衡的基礎上增加，這些額外激發(fā)的少子將因為復合過程而漸漸衰退回原本平衡時的狀態(tài)。在太陽能電池中一個重要的參數(shù)是復合發(fā)生的速率，這樣也叫做”復合率”。復合率決定于額外少子的數(shù)目。例如，當沒有額外少子時，復合率將為零。“少子壽命”（用符號和表示）是指產(chǎn)生電子空穴對之后處在激發(fā)狀態(tài)的載流子在復合之前能存在的平均時間。還有一個相關的參數(shù)—少子擴散長度，是指在復合之前一個載流子從產(chǎn)生處開始運動的平均路程。§2.4.2

復合理論

--擴散長度2023/2/5UNSW新南威爾士大學42少數(shù)載流子壽命和擴散長度在很大程度上取決于材料的類型和復合的數(shù)量。對于許多種類的硅太陽能電池來說，SRH復合是主要的復合機制。而復合率則決定于材料中存在的缺陷數(shù)量，因此，當太陽能電池的摻雜量增加時，SRH復合的速率也將隨著增加。另外，因為俄歇復合更多的是在重摻雜和被加熱的材料發(fā)生，所以俄歇復合過程也會隨著摻雜的增加而增強。此外，生成半導體薄片的方法和過程對擴散長度也有重要影響?！?.4.2

復合理論

--擴散長度2023/2/5UNSW新南威爾士大學44右圖為高效率的PERL（NSW特有技術）多晶硅太陽能電池的比色圖。圖下的比例系數(shù)代表著光生載流子的多少以及由于太陽能電池中擴散長度的不同而引起的電池中不同區(qū)域的差異，而擴散長度的不同是由多晶硅材料的晶界變化造成的。在硅中，少子壽命可以達到1μs。對于單晶硅太陽能電池來說，擴散長度通常在100-300μm之間。這兩個參數(shù)表征了材料相對于電池應用的質(zhì)量和適用度。§2.4.2

復合理論

--擴散長度§2.4.3

復合理論

--表面復合

任何在半導體內(nèi)部或表面的缺陷和雜質(zhì)都會促進復合。因為太陽能電池表面存在著嚴重的晶格分裂，所以電池表面是一個復合率非常高的區(qū)域。高復合率導致表面附近的區(qū)域的少子枯竭。就如擴散這一節(jié)所解釋的，某些區(qū)域的低載流子濃度會引起周圍高濃度區(qū)域的載流子往此處擴散。因此，表面復合率受到擴散到表面的載流子的速率的限制。“表面復合率”的單位為cm/sec，被用來描述表面的復合。2023/2/5UNSW新南威爾士大學45半導體表面的掛鍵引起了此處的高復合率。在沒有發(fā)生復合的表面，往表面運動的載流子數(shù)目也為零，因此表面復合率也為零。當表面復合非?？鞎r,向表面運動的載流子的速度受到最大復合速率的限制，而對大多數(shù)半導體來說最大速度為1×107cm/sec。半導體表面的缺陷是由于晶格排列在表面處的中斷造成的，即在表面處產(chǎn)生掛鍵。減少掛鍵的數(shù)目可以通過在半導體表面處生長一層薄膜以連接這些掛鍵，這種方法也叫做表面鈍化。2023/2/5UNSW新南威爾士大學46§2.4.3

復合理論

--表面復合§2.5.1

載流子的運動

--半導體中載流子的運動

導帶中的電子和價帶中的空穴之所以被叫做自由載流子，是因為它們能在半導體晶格間移動。一個很簡單但在多數(shù)情況下都適用的對載流子運動的描述是，在一定溫度下，在隨機方向運動的載流子都有特定的速度。在與晶格原子碰撞之前，載流子在隨機方向運動的距離長度叫做散射長度。一旦與原子發(fā)生碰撞，載流子將往不同的隨機方向運動。

載流子的速度決定于晶格的溫度。在溫度為T的半導體內(nèi)載流子的平均運動能量為mv2/2，其中m為載流子的質(zhì)量，v代表熱運動速度。2023/2/5UNSW新南威爾士大學472023/2/5UNSW新南威爾士大學48

盡管半導體中的載流子在不停地做隨機運動，但是并不存在載流子勢運動，除非有濃度梯度或電場。因為載流子往每一個方向運動的概率都是一樣的，所以載流子往一個方向的運動最終會被它往相反方向的運動給平衡掉。§2.5.1

載流子的運動

--半導體中載流子的運動熱運動速度指的是載流子速度的平均值，即載流子的速度是分散的、不均勻的，有些速度快有些則很慢。下面的動畫顯示了載流子的運動。

在下面的動畫中，一個載流子在與晶格原子碰撞之前在隨機方向運動了與散射長度相等的距離（為了看得更加清晰，晶格原子并沒有顯示出來）。在與晶格原子碰撞后，載流子再次以隨機方向運動。下面的動畫舉出了50個散射粒子。盡管在動畫中碰撞的次數(shù)很少，載流子的勢運動（

netmotion）還是很小的。2023/2/549§2.5.1

載流子的運動

--半導體中載流子的運動§2.5.2

載流子的運動

--擴散

如果半導體中一個區(qū)域的載流子濃度要比另一個區(qū)域的高，那么，由于不停的隨機運動，將引起載流子的勢運動。當出現(xiàn)這種情況時，在兩個不同濃度的區(qū)域之間將會出現(xiàn)載流子梯度。載流子將從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域。這種載流子的流動叫做“擴散”，是由于載流子的隨機運動引起的。在器件的所有區(qū)域中，載流子往某一方向的運動的概率是相同的。在高濃度區(qū)域，數(shù)量龐大的載流子不停地往各個方向運動，包括往低濃度方向。然而，在低濃度區(qū)域只存在少量的載流子，這意味著往高濃度運動的載流子也是很少的。這種不平衡導致了從高濃度區(qū)域往低濃度區(qū)域的勢運動。2023/2/5UNSW新南威爾士大學50§2.5.2

載流子的運動

--擴散如下面的動畫所示。

擴散的速率決定于載流子的運動速度和兩次散射點相隔的距離。在溫度更高的區(qū)域，擴散速度會更快，因為提高溫度能提高載流子的熱運動速度。擴散現(xiàn)象的主要效應之一是使載流子的濃度達到平衡，就像在沒有外界力量作用半導體時，載流子的產(chǎn)生和復合也會使得半導體達到平衡。下面的動畫將闡述這一現(xiàn)象，圖中一個區(qū)域有很高濃度的電子，另一個則有高濃度的空穴。因為只有載流子的隨機運動，所以最終這兩種濃度會變成一致的。2023/2/5UNSW新南威爾士大學52§2.5.2

載流子的運動

--擴散§2.5.2

載流子的運動

--擴散

這個動畫顯示了半導體的高濃度部分是怎樣趨向于平均分布的。載流子填滿可利用的空間，僅僅是通過隨機運動。在這種情況下，靜電斥力的影響甚微，因為載流子之間的距離很遠。此外，空穴（藍色）的擴散率比電子的低，所以需要更長的時間來填滿整個空間?！?.5.3

載流子的運動

--漂移運動

在半導體外加一個電場可以使做隨機運動的帶電載流子往一個方向運動。在沒有外加電場時，載流子在隨機方向以一定的速度移動一段距離。然而，在加了電場之后，其方向與載流子的隨機方向疊加。那么，如果此載流子是空穴，其在電場方向?qū)⒆黾铀龠\動，電子則反之。在特定方向的加速運動導致了載流子的勢運動，如下面動畫所示。載流子的方向是其原來方向與電場方向的向量疊加。2023/2/5UNSW新南威爾士大學54§2.5.3

載流子的運動

--漂移運動動畫顯示了電場的存在是如何使載流子往一個方向運動的。動畫中的粒子是空穴，所以運動的方向與電場方向相同。

由外加電場所引起的載流子運動叫“漂移運動”。漂移運動不僅發(fā)生在半導體材料中，在金屬材料中同樣存在。而接下來動畫將分別展示有伴隨和沒有伴隨電場的載流子隨機運動。途中的載流子是電子。因為電子是帶負電的所以它將朝著與電場方向相反的方向運動。值得注意的是，在大多數(shù)情況下，電子是往電場相反的方向運動的。但是在有些情況中，例如電子跟隨著一系列往電場方向的運動，則有可能是勢運動，并沿著電場方向運動了一小段距離。2023/2/556§2.5.3

載流子的運動

--漂移運動§2.5.3

載流子的運動

--漂移運動

下面一個動畫描述了擁有相等數(shù)目的電子和空穴的本征半導體。沒有外加電場時，電子和空穴隨機地在半導體中運動。加入電場后電子和空穴往相反的方向漂移。2023/2/5UNSW新南威爾士大學58為了看得更加清晰，動畫夸大了電場的作用效果。事實上，對于通常的半導體來說，電場對載流子隨機運動的影響是很有限的?！?.5.3

載流子的運動

--漂移運動§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

pn結(jié)二極管的結(jié)構(gòu)不僅是太陽能電池結(jié)構(gòu)的基礎還是其它許多電子器件的基礎，如LEDS、激光、光電二極管還有雙極結(jié)二極管（BJTS）。一個pn結(jié)把之前所描述的載流子復合、產(chǎn)生、擴散和漂移全部集中到一個器件中。

pn結(jié)的形成

pn結(jié)是n型半導體材料和p型半導體材料的結(jié)合形成的，如下圖所示。因為n型半導體區(qū)域的電子濃度很高，而p型區(qū)域的空穴濃度很高，所以電子從n型區(qū)擴散到p型區(qū)，同理，空穴也從p型區(qū)擴散到n型區(qū)。如果電子和空穴都是不帶電的，擴散過程將持續(xù)到兩個區(qū)域的電子和空穴的濃度都分別相等，就像兩種氣體相互往對方區(qū)域擴散一樣。

2023/2/5UNSW新南威爾士大學59然而，對于pn結(jié)來說，當電子和空穴運動到pn結(jié)的另一邊時，也在雜質(zhì)原子區(qū)域留下了與之相反的電荷，這種電荷被固定在晶格當中不能移動。在n型區(qū)，被留下的便是帶正電的原子核，相反，在p型區(qū)，留下的是帶負電的原子核。于是，一個從n型區(qū)的正離子區(qū)域指向p型區(qū)的負離子區(qū)域的電場E就建立起來了。這個電場區(qū)域叫做“耗盡區(qū)”，因為此電場能迅速把自由載流子移走，因此，這個區(qū)域的自由載流子是被耗盡的。源于電場E的內(nèi)建電勢Vbi在pn結(jié)中形成。下面的動畫將展示n型和p型材料之間的pn結(jié)所形成的電場E的結(jié)構(gòu)。2023/2/560§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管

平衡狀態(tài)下載流子運動沒有外加刺激的pn結(jié)代表著，由于耗盡區(qū)的電場的存在，載流子之間的產(chǎn)生、復合、擴散以及漂移將會達到平衡。盡管電場的存在阻礙了載流子的擴散運動穿過電場，但有些載流子還是依然通過擴散運動穿過了電場。在下面的動畫中，大多數(shù)進入耗盡區(qū)的多子都被移回它們本來的區(qū)域。然而，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，有一些載流子會以很高的速度往pn結(jié)方向運動，最終穿過電場。一旦多子穿過電場就會變成另一區(qū)的少子。在被復合之前，這個載流子將繼續(xù)做遠離電場的擴散運動，運動距離等于平均擴散長度。由載流子通過擴散運動穿過電場而產(chǎn)生的電流叫做擴散電流。2023/2/5UNSW新南威爾士大學61§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管在下面的動畫中，注意觀察跑入耗盡區(qū)的載流子，并留意穿過pn結(jié)的載流子。2023/2/562§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管§2.6.1P-N結(jié)

--pn結(jié)二極管需要說明的一點是，實際的pn結(jié)中載流子的數(shù)目和速度都是比動畫中的要高得多，而穿過pn結(jié)的載流子數(shù)目也是非常大的。到達擴散區(qū)與耗盡區(qū)的交界處時，少子會被電場拉到耗盡區(qū)。由此形成的電流叫做漂移電流。在平衡狀態(tài)下，漂移電流的大小受到少子數(shù)目的限制，這些少子是在與耗盡區(qū)的距離小于擴散長度的區(qū)域通過熱激發(fā)產(chǎn)生的。在平衡狀態(tài)下，半導體的凈電流為零。電子的漂移電流與電子的擴散電流是相互抵消的（試想如果沒有抵消的話，將在半導體的其中一邊出現(xiàn)電子的聚集）。同理，空穴的漂移電流與空穴擴散電流也是相互抵消的。§2.6.2P-N結(jié)

--pn結(jié)的偏置

半導體器件共有三種狀態(tài)模式：

1.熱平衡狀態(tài)

在熱平衡模式下，半導體沒有額外的刺激，如光照射或外加電壓。載流子的電流相互抵消所以在器件內(nèi)沒有凈電流。

2.穩(wěn)態(tài)

在恒穩(wěn)模式下，將有光線照射或施有外加電壓，但這些條件并不隨時間而改變。器件通常處在穩(wěn)定狀態(tài)，要么正向偏壓要么反向偏壓。

3.突變狀態(tài)

當施加的電壓迅速改變時，太陽能電池的對變化的響應將會出現(xiàn)延遲。鑒于太陽能電池并不是高速運轉(zhuǎn)領域使用的電子器件，在這里將不對突變效應多加描述。2023/2/564

正向偏壓下的二極管正向偏壓（也叫正向偏置）指的是在器件兩邊施加電壓，以使得pn結(jié)的內(nèi)建電場減小。即在p型半導體加正極電壓而在n型半導體加負極電壓，于是，一個穿過器件方向與內(nèi)建電場相反的電場便建立起來了。因為耗盡區(qū)的電阻要比器件中其他