第2章　半導(dǎo)體太陽電池原理

2.1　半導(dǎo)體簡介

為了說明光伏效應(yīng)這一概念，我們要從半導(dǎo)體說起。固體材料按照導(dǎo)電性能，可分為絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體。通俗地講，能夠?qū)щ姷姆Q為導(dǎo)體；不能導(dǎo)電的稱為絕緣體；介于導(dǎo)體與絕緣體之間的稱為半導(dǎo)體。不同材料的導(dǎo)電性如圖2.1所示。

圖2.1　不同材料的導(dǎo)電性

半導(dǎo)體材料的種類很多，可分為無機半導(dǎo)體和有機半導(dǎo)體。又可按其化學成分，分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體；按其是否含有雜質(zhì)，可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體按其導(dǎo)電類型，又分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此外，根據(jù)半導(dǎo)體材料的物理特性，還有磁性半導(dǎo)體、壓電半導(dǎo)體、鐵電半導(dǎo)體、有機半導(dǎo)體、玻璃半導(dǎo)體、氣敏半導(dǎo)體等之分。目前獲得廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料有鍺、硅、硒、砷化鎵、磷化鎵、硫化鎘、銻化銦等，其中鍺、硅材料的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)最為成熟、應(yīng)用得最多。

自然界中物質(zhì)存在的形態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。固體材料是由原子組成的，原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu)成的，一些電子脫離原子核的束縛，能夠自由運動時，稱為自由電子。金屬之所以容易導(dǎo)電，是因為在金屬體內(nèi)有大量能夠自由運動的電子，在電場的作用下，這些電子有規(guī)則地沿著電場的相反方向流動，形成電流。自由電子的數(shù)量越多，或者它們在電場的作用下有規(guī)則流動的平均速度越高，電流就越大，我們把這種運載電量的粒子，稱為載流子。在常溫下，絕緣體內(nèi)僅有極少量的自由電子，因此對外不呈現(xiàn)導(dǎo)電性。半導(dǎo)體內(nèi)有少量的自由電子，在一些特定條件下才能導(dǎo)電。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。

半導(dǎo)體材料是一類具有半導(dǎo)體性能、可用來制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料，其電導(dǎo)率在10^-3～10^-9S/cm范圍內(nèi)。半導(dǎo)體材料的電學性質(zhì)對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類材料的電導(dǎo)率。首先，摻入微量雜質(zhì)可以使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大增強。其次，通過控制溫度可以控制半導(dǎo)體的性質(zhì)。當環(huán)境溫度升高時，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會顯著增加；當環(huán)境溫度下降時，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就會顯著下降。這種特性稱為半導(dǎo)體的“熱敏性”。熱敏電阻就是利用半導(dǎo)體的這種特性制成的。此外，很多半導(dǎo)體對光十分敏感，當有光照射在這些半導(dǎo)體上時，這些半導(dǎo)體就像導(dǎo)體一樣，具有較強的導(dǎo)電能力。

盡管半導(dǎo)體材料種類眾多，但是歸結(jié)起來都有以下相同的基本特征。

① 電阻率特性。電阻率在雜質(zhì)、光、電、磁等因素的作用下，可以產(chǎn)生大范圍的波動，從而使其電學性能可以被調(diào)控。

② 導(dǎo)電特性。有兩種導(dǎo)電的載流子：一種是電子，為帶負電荷的載流子；另一種就是空穴，為帶正電荷的載流子。而在普通的金屬導(dǎo)體中，導(dǎo)電的載流子僅僅是電子。

③ 負的電阻率溫度系數(shù)。隨溫度的升高，其電阻率下降；而金屬則恰恰相反，隨溫度的升高，電阻率也增大。

④ 整流特性。半導(dǎo)體具有單向?qū)щ娦阅堋?/p>

⑤ 光電特性。能在太陽的光照射下產(chǎn)生光生電荷載流子效應(yīng)。

正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體材料按化學成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，大致可分為以下幾類。

① 元素半導(dǎo)體有鍺、硅等。20世紀50年代，鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位，但鍺半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到20世紀60年代后期逐漸被硅材料取代。用硅制造的半導(dǎo)體器件，耐高溫和抗輻射性能較好，特別適宜制作大功率器件。因此，硅已成為應(yīng)用最多的一種半導(dǎo)體材料。

② 化合物半導(dǎo)體。由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導(dǎo)體材料。它的種類很多，常用的有砷化鎵、磷化銦、銻化銦、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等。其中，砷化鎵是制造微波器件和集成電路的重要材料。碳化硅由于其抗輻射能力強、耐高溫和化學穩(wěn)定性好，在航天技術(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

③ 無定形半導(dǎo)體材料。是一種非晶體無定形半導(dǎo)體材料，分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。這類材料具有良好的記憶特性和很強的抗輻射能力，主要用來制造閾值開關(guān)、記憶開關(guān)和固體顯示器件。

④ 有機半導(dǎo)體材料。已知的有機半導(dǎo)體材料有幾十種，其中有一些目前尚未得到應(yīng)用。

2.1.1　晶體結(jié)構(gòu)

固態(tài)物質(zhì)可根據(jù)它們的質(zhì)點（原子、離子和分子）排列規(guī)則的不同，分為晶體和非晶體兩大類。具有確定熔點的固態(tài)物質(zhì)稱為晶體，如硅、砷化鎵、冰及一般金屬等；沒有確定的熔點、加熱時在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化的固態(tài)物質(zhì)稱為非晶體，如玻璃、松香等。所有晶體都是由原子、分子、離子或這些粒子集團在空間按一定規(guī)則排列而成的。這種對稱、有規(guī)則的排列，叫作晶體的點陣或晶體格子，簡稱晶格。最小的晶格，稱為晶包。晶包的各向長度稱為晶格常數(shù)；將晶格周期地重復(fù)排列起來，就構(gòu)成為晶體。晶體分為單晶體和多晶體。整塊材料從頭到尾都按同一規(guī)則作周期性排列的晶體，稱為單晶體。整個晶體由多個同樣成分、同樣晶體結(jié)構(gòu)的小晶體（即晶粒）組成的晶體，稱為多晶體。在多晶體中，每個小晶體中的原子排列順序的位向是不同的。非晶體沒有上述特征，組成它們的質(zhì)點的排列是無規(guī)則的，而是“短程有序、長程無序”的排列，所以又稱為無定形態(tài)。一般的硅棒是單晶體，粗制的冶金硅和利用蒸發(fā)或氣相沉積制成的硅薄膜為多晶硅，也可以認為是無定形硅。

圖2.2所示為硅的原子結(jié)構(gòu)。圖2.3所示為晶體硅的晶胞結(jié)構(gòu)。它可以看作是兩個面心立方晶胞沿對角線方向上位移1/4互相套構(gòu)而成。這種結(jié)構(gòu)被稱為金剛石式結(jié)構(gòu)。硅（Si）、鍺（Ge）等重要半導(dǎo)體均為金剛石式結(jié)構(gòu)。1個硅原子和4個相鄰的硅原子由共價鍵連接，這4個硅原子恰好在正四面體的4個頂角上，而四面體的中心是另一硅原子。硅原子可以作許多間距相同而互相平行的平面，稱為晶面。垂直于晶面的法線方向，稱為晶向。具有同一晶向的所有晶面都相似，稱為晶面族。一塊晶體可以劃分出許多晶面族。為區(qū)分硅的不同晶面和晶向，可設(shè)想利用3個互相垂直的坐標軸，將每一個晶面在空間的位置用其余這3個坐標軸相截的關(guān)系來表示。通常用各軸上截距的倒數(shù)即晶面指數(shù)來表示。如圖2.4所示，其中（111）面指的晶面與坐標系的“X、Y、Z”3個軸的截距的倒數(shù)為1個周期；（110）面指的是晶面與坐標系X、Y軸的截距的倒數(shù)為1個周期，Z軸為0表示它平行于Z軸；（100）面為只截取X軸而平行于Y軸和Z軸的任何平面。常見晶體硅的主要晶面，即為這3個晶面。

圖2.2　硅的原子結(jié)構(gòu)

圖2.3　晶體硅的晶胞結(jié)構(gòu)

圖2.4　晶體硅的主要晶面示意圖

晶體具有各向異性的特征，即在不同的晶面某些物理性質(zhì)和化學性質(zhì)會有很大差別。

2.1.2　能帶

從能帶的角度解釋，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的原因在于半導(dǎo)體能帶的帶隙。自由空間的電子所能得到的能量值基本上是連續(xù)的，但在半導(dǎo)體中，因為量子效應(yīng)，孤立原子中的電子占據(jù)非常固定的一組分立的能線，當孤立原子相互靠近時，規(guī)則整齊排列的晶體中，由于各原子的核外電子相互作用，本來孤立的、分離的原子相互重疊，變成帶狀，稱為能帶。

具體來講，原子的殼層模型認為，原子的中心是一個帶正電荷的核，核外存在著一系列不連續(xù)的、由電子運動軌道構(gòu)成的殼層，電子只能在殼層里繞核運動。在穩(wěn)定狀態(tài)，每個殼層里運動的電子具有一定的能量狀態(tài)，所以一個殼層相當于一個能量等級，稱為能級。一個能級也表示電子的一種運動狀態(tài)。

電子在殼層中的分布，應(yīng)滿足如下兩個基本原理：①泡利不相容原理，即原子中不可能有兩個或兩個以上的電子處于量子數(shù)都相當?shù)耐贿\動狀態(tài)中；②能量最小原理，即原子中每個電子都有優(yōu)先占據(jù)能量最低的空能級的趨勢。

一種元素的化學性質(zhì)和物理性質(zhì)是由其原子結(jié)構(gòu)決定的，其中外層電子的數(shù)目起著最為重要的作用。原子和原子的結(jié)合，主要靠外層的相互交合以及價電子運動的變化。電子在原子核周圍運動時，每一層軌道上的電子都有確定的能量，最里層的軌道相應(yīng)于最低的能量，第二層軌道具有較大的能量，越是外層的電子受原子核的束縛越弱，從而能量越大。電子不存在具有兩層軌道中間的能量狀態(tài)。為形象起見，可用一系列高低不同的水平線來表示電子在兩層軌道中運動所能取得的能量值。這些橫線就是標志電子能量高低的電子能級。

在一個孤立的原子中，電子只能在各個允許的不同軌道上運動，不同軌道的電子能量不同。在晶體中，原子之間的距離很近，相鄰原子的電子軌道相互重疊、相互影響，每個原子的電場相互疊加。這樣，與軌道相對應(yīng)的能級，就不是單一的電子能級，而是分裂為能量非常接近但又大小不同的許多電子能級。這些由許多條能量相差很小的電子能級所組成的區(qū)域，看上去像一條帶子，因而稱為能帶。每層軌道都有一個對應(yīng)的能帶，如圖2.5所示。外層的電子由于受相鄰原子的影響較大，它所對應(yīng)的能帶較寬；內(nèi)層的電子則由于受到相鄰原子的影響較小，其所對應(yīng)的能帶則較窄。電子在每個能帶中的分布，一般是先填滿較低的能級，然后逐步填充能量較高的能級，并且每條能級只允許填充兩個具有相同能量的電子，如圖2.6所示。

圖2.5　電子軌道對應(yīng)的能帶

圖2.6　電子在能帶上的分布

內(nèi)層電子能級所對應(yīng)的能帶，都是被電子填滿的。最外層價電子能級所對應(yīng)的能帶，有的被電子填滿，有的未被填滿，這主要取決于晶體的種類。例如，銅、銀等金屬晶體的價電子能帶有一半的能級是空的，而硅、鍺等半導(dǎo)體晶體的價電子能帶則全部被電子填滿。

在0K（熱力學溫度）時電子在能帶中所占據(jù)的最高充填能級稱為費米能級。能帶中電子按能量從低到高的順序依次占據(jù)能級。與最外層價電子能級對應(yīng)的能帶稱為價帶。價帶上方是未被電子占據(jù)的空能帶。價電子到達該空帶后將能參與導(dǎo)電，該空能帶又稱為導(dǎo)帶。能帶被價帶占據(jù)的方式?jīng)Q定了介質(zhì)的導(dǎo)電性能。導(dǎo)體中存在部分被電子占據(jù)、能參與導(dǎo)電的導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的電子在本帶內(nèi)躍遷所需的能量非常小，使得電子的動量發(fā)生連續(xù)改變，因而形成宏觀定向移動；絕緣體中只存在滿帶和空帶，電子的躍遷只能在不同能帶之間進行，這就需要很大的能量，一般不易發(fā)生；半導(dǎo)體中的能帶雖然也是滿帶，但是滿帶和空帶之間的能隙非常小或有交疊，在外界的作用下（如光照、升溫等）很容易形成一個導(dǎo)帶，但它的導(dǎo)電能力遠不及導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的能量最高的幾個能帶分別是導(dǎo)帶和價帶。電子就處于導(dǎo)帶中，一般是在導(dǎo)帶底附近，導(dǎo)帶底就相當于電子的勢能；空穴就處于價帶中，一般是在價帶頂附近，價帶頂就相當于空穴的勢能。價帶和導(dǎo)帶之間不存在能級的能量范圍叫作禁帶。禁帶的能量寬度便稱為帶隙，如圖2.7所示。

圖2.7　能帶和帶隙

由于帶隙反映了固體原子中最外層被束縛電子變?yōu)樽杂呻娮铀璧哪芰?，因此帶隙決定了固體的導(dǎo)電特性。那么半導(dǎo)體的帶隙和絕緣體、金屬的帶隙又有什么區(qū)別呢？絕緣體的帶隙寬，電子幾乎不能從價帶躍遷到導(dǎo)帶，故具有很高的電阻率，即幾乎不導(dǎo)電；金屬的帶隙為零，價帶電子全為自由電子，因此導(dǎo)電性能很強；而對于半導(dǎo)體而言，其帶隙較窄，當溫度升高，或者受光照，或者經(jīng)過摻雜后，半導(dǎo)體價帶中的電子很容易就能夠從價帶躍遷到導(dǎo)帶，此時半導(dǎo)體的載流子數(shù)量大量增加，其導(dǎo)電性能也就大大增加。

圖2.8所示為金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖。如圖2.8（b）所示，價電子要從價帶越過禁帶跳躍到導(dǎo)帶去參加導(dǎo)電運動，必須從外界獲得一個至少等于E_g的附加能量。E_g的大小就是導(dǎo)帶底部與價帶頂部之間的能量差，稱為禁帶寬度或者帶隙，其單位為電子伏特（eV）。例如，硅的禁帶寬度在室溫下為1.119eV的能量。若外界給予價帶里的電子1.119eV的能量，則電子就有可能越過禁帶跳躍到導(dǎo)帶里，晶體就會導(dǎo)電。

圖2.8　金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖

金屬與半導(dǎo)體的區(qū)別在于它在一切條件下都有良好的導(dǎo)電性，其導(dǎo)帶和價帶重疊在一起，不存在禁帶，即使接近0K，電子在外電場的作用下，照樣可以參加導(dǎo)電運動。而半導(dǎo)體存在十分之幾電子伏特到4eV的禁帶寬度。在0K時電子充滿價帶，導(dǎo)帶是空的，此時像絕緣體一樣不能導(dǎo)電。當溫度高于0K時，晶體內(nèi)部產(chǎn)生熱運動，使價帶中少量電子獲得足夠能量，跳躍到導(dǎo)帶，這個過程稱為激發(fā)，這時半導(dǎo)體就具有一定的導(dǎo)電能力。激發(fā)到導(dǎo)帶的電子數(shù)目是由溫度和晶體的禁帶寬度決定的。溫度越高，激發(fā)到導(dǎo)帶的電子數(shù)目越多，導(dǎo)電性越好；溫度相同，禁帶寬度越小的晶體，激發(fā)到導(dǎo)帶的電子數(shù)目就多，導(dǎo)電性越好。而半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別，則在于禁帶寬度不同。絕緣體的禁帶寬度比較大，一般為5～10eV，在室溫時激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子數(shù)目非常少，因而其電導(dǎo)率很??；半導(dǎo)體的禁帶寬度比絕緣體小，所以在室溫時有相當數(shù)量的電子會跳躍到導(dǎo)帶上去。

2.1.3　電子空穴對

純凈半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。我們以硅原子的簡化原子模型來說明。在溫度為T=0K和沒有外界激發(fā)時，每一個電子均被共價鍵所束縛。在室溫條件下，或者從外界獲得一定的能量（如光照、升溫、電磁場激發(fā)等），部分價電子就會獲得足夠的能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子，這稱為本征激發(fā)。理論和實驗表明：在常溫（300K）下，硅共價鍵中的價電子只要獲得大于電離能（1.1eV）的能量便可激發(fā)成為自由電子，自由電子在外加電場的作用下移動。自由電子移動后在原來共價鍵中留下的空位稱為空穴。

當空穴出現(xiàn)時，相鄰原子的價電子比較容易離開它所在的共價鍵而填補到這個空穴中來使該價電子原來所在共價鍵中出現(xiàn)一個新的空穴，這個空穴又可能被相鄰原子的價電子填補，再出現(xiàn)新的空穴。價電子填補空穴的這種運動無論在形式上還是效果上都相當于帶正電荷的空穴在運動，且運動方向與價電子運動方向相反。

為了區(qū)別于自由電子的運動，把這種運動稱為空穴運動，并把空穴看成是一種帶正電荷的載流子。

在空穴和自由電子不斷地產(chǎn)生的同時，原有的空穴和自由電子也會不斷地復(fù)合，形成一種平衡。所以半導(dǎo)體中導(dǎo)電物質(zhì)就是自由電子和空穴。在本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)中，每一個原子與相鄰的四個原子結(jié)合。每一個原子的價電子與另一個原子的一個價電子組成一個電子對。這對價電子是每兩個相鄰原子共有的，它們把相鄰原子結(jié)合在一起，構(gòu)成所謂共價鍵的結(jié)構(gòu)，如圖2.9所示。

圖2.9　本征硅共價鍵結(jié)構(gòu)圖

在本征半導(dǎo)體內(nèi)部自由電子與空穴總是成對出現(xiàn)，因此將它們稱作為“電子-空穴對”。當自由電子在運動過程中遇到空穴時可能會填充進去從而恢復(fù)一個共價鍵，與此同時消失一個“電子-空穴對”，這一相反過程稱為復(fù)合。在一定溫度條件下，產(chǎn)生的“電子-空穴對”和復(fù)合的“電子-空穴對”數(shù)量相等時，形成相對平衡，這種相對平衡屬于動態(tài)平衡 ，達到動態(tài)平衡時，“電子-空穴對”維持一定的數(shù)目。與金屬導(dǎo)體中只有自由電子不同，在半導(dǎo)體中存在著自由電子和空穴兩種載流子，這也是半導(dǎo)體與導(dǎo)體導(dǎo)電方式的不同之處。

如果對半導(dǎo)體施加外界作用（比如光），破壞了熱平衡條件，使半導(dǎo)體處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，則稱為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子比平衡狀態(tài)時多出來的那一部分載流子稱為非平衡載流子。

2.1.4　P-N結(jié)

在本征半導(dǎo)體材料中摻入Ⅴ族雜質(zhì)元素（磷、砷等），雜質(zhì)提供電子，則使得其中的電子濃度大于空穴濃度，就形成N型半導(dǎo)體（圖2.10）材料，雜質(zhì)稱為“施主”。此時電子濃度大于空穴濃度，為多數(shù)載流子；而空穴的濃度較低，為少數(shù)載流子。同樣，在半導(dǎo)體材料中摻入Ⅲ族雜質(zhì)元素（硼等），則使得其中的空穴濃度大于電子濃度，晶體硅成為P型半導(dǎo)體（圖2.11）。比如以硅為例，在高純硅中摻入一點點硼、鋁、鎵等雜質(zhì)就是P型半導(dǎo)體；摻入一點點磷、砷、銻等雜質(zhì)就是N型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，把非平衡電子稱為非平衡多數(shù)載流子，非平衡空穴稱為非平衡少數(shù)載流子。對P型半導(dǎo)體則相反。在半導(dǎo)體器件中，非平衡少數(shù)載流子往往起著重要的作用。

圖2.10　N型半導(dǎo)體

圖2.11　P型半導(dǎo)體

無論是N型半導(dǎo)體材料，還是P型半導(dǎo)體材料，當它們獨立存在時，都是電中性的，電離雜質(zhì)的電荷量和載流子的總電荷數(shù)是相等的。當兩種半導(dǎo)體材料連接在一起時，對N型半導(dǎo)體材料而言，電子是多數(shù)載流子，濃度高；而在P型半導(dǎo)體中，電子是少數(shù)載流子，濃度低。由于濃度梯度的存在，勢必會發(fā)生電子的擴散，即電子由高濃度的N型半導(dǎo)體材料向濃度低的P型半導(dǎo)體材料擴散，在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體界面形成P-N結(jié)。在P-N結(jié)界面附近，N型半導(dǎo)體中的電子濃度逐漸降低，而擴散到P型半導(dǎo)體中的電子和其中的多數(shù)載流子空穴復(fù)合而消失，因此，在N型半導(dǎo)體靠近界面附近，由于多數(shù)載流子電子濃度的降低，電離雜質(zhì)的正電荷數(shù)要高于剩余的電子濃度，出現(xiàn)了正電荷區(qū)域。同樣，在P型半導(dǎo)體中，由于空穴從P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴散，在靠近界面附近，電離雜質(zhì)的負電荷數(shù)要高于剩余的空穴濃度，出現(xiàn)了負電荷區(qū)域。此區(qū)域就稱為P-N結(jié)的空間電荷區(qū)，正、負電荷區(qū)，形成了一個從N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體的電場，稱為內(nèi)建電場，又稱勢壘電場。由于此處的電阻特別高，也稱阻擋層。此電場對兩區(qū)多子的擴散有抵制作用，而對少子的漂移有幫助作用，直到擴散流等于漂移流時達到平衡，在界面兩側(cè)建立起穩(wěn)定的內(nèi)建電場。所謂擴散，是指在外加電場的影響下，一個隨機運動的自由電子在與電場相反的方向上有一個加速運動，它的速度隨時間不斷地增加。除了漂移運動以外，半導(dǎo)體中的載流子也可以由于擴散而流動。像氣體分子那樣的任何粒子過分集中時，若不受到限制，它們就會自己散開。此現(xiàn)象的基本原因是這些粒子的無規(guī)則的熱速度。隨著擴散的進行，空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，因為內(nèi)電場的作用是阻礙多子擴散，促使少

子漂移，所以，當擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡時，將形成穩(wěn)定的P-N結(jié)（圖2.12）。P-N結(jié)很薄，結(jié)中電子和空穴都很少，但在靠近N型一邊有帶正電荷的離子，靠近P型一邊有帶負電荷的離子。由于空間電荷區(qū)內(nèi)缺少載流子，所以又稱P-N結(jié)為耗盡層區(qū)。

圖2.12　半導(dǎo)體P-N 結(jié)的形成原理

當具有P-N結(jié)的半導(dǎo)體受到光照時，其中電子和空穴的數(shù)目增多，在結(jié)的局部電場作用下，P區(qū)的電子移到N區(qū)，N區(qū)的空穴移到P區(qū)，這樣在結(jié)的兩端就有電荷積累，形成電勢差。

2.1.5　P-N結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)

由于載流子的擴散和漂移，半導(dǎo)體中出現(xiàn)空間電荷區(qū)和內(nèi)建電場，引起該部分的電勢U和相關(guān)空穴勢能（eV）或電子勢能（-eV）隨位置的改變，最終改變了P-N結(jié)處的能帶結(jié)構(gòu)（圖2.13）。內(nèi)建電場是從N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體的，因此，沿著電場的方向，電勢從N型半導(dǎo)體到P型半導(dǎo)體逐漸變低，帶正電的空穴的勢能也逐漸降低，而帶負電的電子的勢能則逐漸升高。也就是說，空穴在N型半導(dǎo)體中的勢能高，在P型半導(dǎo)體中的勢能低。如果空穴從N型半導(dǎo)體移動到P型半導(dǎo)體，需要克服一個內(nèi)建電場形成的“勢壘”；相反地，對電子而言，在N型半導(dǎo)體中的勢能低，在P型半導(dǎo)體中的勢能高，如果從N型半導(dǎo)體移動到P型半導(dǎo)體，則需要克服一個“勢壘”。

圖2.13　熱平衡下P-N結(jié)模型及能帶圖

當N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體材料組成P-N結(jié)時，由于空間電荷區(qū)導(dǎo)致的電場，在P-N結(jié)處能帶發(fā)生扭曲，此時導(dǎo)帶底能級、價帶頂能級、本征費米能級和缺陷能級都發(fā)生了相同幅度的彎曲。但是，在平衡時，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的費米能級是相同的。因此，在平衡P-N結(jié)的空間電荷區(qū)兩端的電勢差U就等于原來N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的費米能級之差。由以上可知，P-N結(jié)的N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體的摻雜濃度越高，兩者的費米能級相差越大，禁帶越寬，P-N結(jié)的接觸電勢差U就越大。

2.1.6　P-N結(jié)能帶與接觸電勢差

在熱平衡條件下，結(jié)區(qū)有統(tǒng)一的費米能級E_F，在遠離結(jié)區(qū)的部位，與結(jié)形成前狀態(tài)相同。

當N型、P型半導(dǎo)體單獨存在時，E_FN與E_FP有一定差值。當N型與P型半導(dǎo)體兩者緊密接觸時，電子要從費米能級高的一端向費米能級低的一端流動，空穴流動的方向相反。在內(nèi)建電場作用下，E_FN將連同整個N區(qū)能帶一起下移，E_FP將連同整個P區(qū)能帶一起上移，直至將費米能級拉平為E_FN=E_FP，載流子停止流動為止。在結(jié)區(qū)這時導(dǎo)帶與價帶則發(fā)生相應(yīng)的彎曲，形成勢壘。勢壘高度等于N型、P型半導(dǎo)體單獨存在時費米能級之差：

qU_D=E_FN-E_FP　　

得

U_D=（E_FN-E_FP）/q　　

式中，q為電子電量；U_D為接觸電勢差或內(nèi)建電勢。

對于在耗盡區(qū)以外的狀態(tài)：

U_D=（KT/q）ln（N_AN_D/）　　

式中，N_A、N_D、n_i分別為受主、施主、本征載流子濃度；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度。

可見U_D與摻雜濃度有關(guān)。在一定溫度下，P-N結(jié)兩邊摻雜濃度越高，U_D越大。禁帶寬的材料，n_i較小，故U_D也大。

2.1.7　光照下的P-N結(jié)

當P-N結(jié)受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子，但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因為P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的“電子-空穴對”（少子）擴散到結(jié)電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)（圖2.14）。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即“電子空穴對”被內(nèi)建電場分離。這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負。于是有結(jié)電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光生電流相反。

圖2.14　光激發(fā)半導(dǎo)體形成“電子-空穴對”示意圖

實際上，并非所產(chǎn)生的全部光生載流子都對光生電流有貢獻。設(shè)N區(qū)中空穴在壽命τ_p的時間內(nèi)擴散距離為L_p，P區(qū)中電子在壽命τ_n的時間內(nèi)擴散距離為L_n。L_n+L_p=L遠大于P-N結(jié)本身的寬度，所以可以認為在結(jié)附近平均擴散距離L內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子都對光生電流有貢獻。而產(chǎn)生的位置距離結(jié)區(qū)超過L的“電子-空穴對”，在擴散過程中將全部復(fù)合掉，對P-N結(jié)光電效應(yīng)無貢獻。

為了理解上述過程，我們簡單介紹一下載流子壽命、遷移率和擴散長度等概念。

載流子壽命是指非平衡載流子在復(fù)合前的平均生存時間。在熱平衡情況下，電子和空穴的產(chǎn)生率等于復(fù)合率，兩者的濃度維持平衡。在外界條件作用下（例如光照），將產(chǎn)生附加的非平衡載流子，即“電子-空穴對”；外界條件撤銷后，由于復(fù)合率大于產(chǎn)生率，非平衡載流子將逐漸復(fù)合消失掉，恢復(fù)到熱平衡態(tài)。非平衡載流子濃度隨時間的衰減規(guī)律一般服從指數(shù)關(guān)系。在半導(dǎo)體器件中非平衡少數(shù)載流子壽命簡稱少子壽命。

復(fù)合過程大致可分為兩種：電子在導(dǎo)帶和價帶之間直接躍遷，引起一對電子-空穴的消失，稱為直接復(fù)合；“電子-空穴對”也可能通過禁帶中的能級（復(fù)合中心）進行復(fù)合，稱為間接復(fù)合。每種半導(dǎo)體的少子壽命并不是取固定值，它將隨化學成分和晶體結(jié)構(gòu)的不同而大幅度變化。遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大；運動得越慢，遷移率越小。同一種半導(dǎo)體材料中，載流子類型不同，遷移率不同，一般是電子的遷移率高于空穴。在恒定電場的作用下，載流子的平均漂移速度只能取一定的數(shù)值，這意味著半導(dǎo)體中的載流子并不是不受任何阻力，不斷被加速的。事實上，載流子在其熱運動的過程中，不斷地與晶格、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生碰撞，無規(guī)則地改變其運動方向，即發(fā)生了散射。無機晶體不是理想晶體，而有機半導(dǎo)體本質(zhì)上是非晶態(tài)，所以存在著晶格散射、電離雜質(zhì)散射等現(xiàn)象。

由于少數(shù)載流子存在一定的壽命，即少子壽命。因此，少數(shù)載流子在擴散的過程中，必將一邊擴散一邊復(fù)合，待走過一段距離后少數(shù)載流子也就消失了，走過的這一段也就是所謂擴散長度。

半導(dǎo)體對光的吸收主要由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度所決定。對一定禁帶寬度的半導(dǎo)體，頻率小的低能量光子，半導(dǎo)體對它的吸光程度小，大部分光都能穿透；隨著頻率變高，吸收光的能力急劇增強。實際上，半導(dǎo)體的光吸收由各種因素決定，這里僅考慮到在太陽電池上用到的電子能帶間的躍遷。一般禁帶寬度越寬，對某個波長的吸收系數(shù)就越小。除此以外，光的吸收還依賴于導(dǎo)帶、價帶的態(tài)密度。光為價帶電子提供能量，直接使它躍遷到導(dǎo)帶，在躍遷過程中，能量和動量守恒，沒有聲子參與的情況，即不伴隨有動量變化的躍遷稱為直接躍遷。反之，伴隨聲子的躍遷稱為間接躍遷。所以，制造太陽電池時，用直接躍遷型材料，即使厚度很薄，也能充分地吸收太陽光，而用間接躍遷型材料，沒有一定的厚度，就不能保證光的充分吸收。但是，作為太陽電池必要的厚度，并不是僅僅由吸收系數(shù)來決定的，還與少數(shù)載流子的壽命有關(guān)系，當半導(dǎo)體摻雜時，吸收系數(shù)將向高能量一側(cè)發(fā)生偏移。