从原子结构--PN结原理--光伏发电

Posted 2023-02-27 Time-Traveler

本文转自：https://blog.csdn.net/hjwdz2015/article/details/108884868，尊重原创

1、原子结构

原子由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。如果将原子比作一棒球场，那么原子核大大小不比一个棒球大，但原子的所有重量都集中在原子核上，而电子只相当于棒球场上的苍蝇，所占空间相比来说也是极小的。原子核带正电荷，电子带负电荷。原子内正电荷和负电荷数量相等，所以原子整体是中性的。电子围绕原子核运动，和地球围绕太阳远行相似。在核的引力作用下，电子分成几层（又叫能带 energy band）按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数目也有一定规律。以硅元素为例，原子核周围的14个电子组成三层环，围绕原子核运动。从里往外数，第一层环上有其2个电子，其余依次为8、4个电子。凡是环上的电子数为2、8、18时．这些环上的电子总是比较稳定的，这类元素一般形成绝缘体。若环上的电子数不等于以上各数时，这些环上的电子总是不太稳定。于最外层的价电子离核比较远，所受引力最小，所以最容易受外界影响而形成自由电子。导体和半导体都是靠最外层的自由电子进行导电的。

               

而每个原子核除了吸引自己的价电子外，还吸引相邻原子的价电子。因此，两个相邻原子的价电子便成对地存在。这一对电子同时受这两个原子核的吸引，为它们所“共有”。这两个相邻原子也通过这个电子对被联系在一起。这样，电子对就好像起了键(联结)的作用，我们叫它共价键。每一个硅原子以其4个价电子与其他4个硅原子的价电子组成4个共价键而达到稳定状态。在理想情况下，硅晶体中所有的价电子都织成了电子对，因此没有自由电子，这时硅晶体是不易导电的。纯硅晶体也不是像绝缘体一样完全不导电，所以这类固态成为半导体。在外力作用下电子会逃脱共价键，形成空穴和自由电子，均被称作载流子。以硅晶体结构为例：

                    硅晶体共价键结构

2、半导体

半导体有以下特性：1）热敏性，随着环境温度变化，它的导电能力变化很大。2）光敏性，收到光照时，有的半导体导电率迅速降低。3）掺杂特性，金属掺入少量杂质会增大电阻，而半导体掺入少量的特定杂质哪怕只有几十万分之一的特定杂质，电阻率就可能下降到原来的几百分之一。

我们知道，水流大小是由水分子的移动形成的，水是水流的载流子；同样，带电荷的可移动粒子是电流的载流子。由于受到共价键的束缚，原子核（带正电荷）和电子（带负电荷）都不可移动的，所以硅的导电性能比较差。
　
硅晶体的共价键并不是非常坚固，由于受到温度、光、磁等能量的激发作用，极少的电子获得足够的能量，可以摆脱共价键的束缚，带负电荷的电子便可以移动了，支持了电流的形成。这个电子离开原子后，共价键就少了一个电子，留下一个空位置（我们称为空穴），该原子同时变成了带正电荷的离子。因为这种带正电荷的离子都有一个空穴，我们不如将空穴视为带正电荷的“粒子”（实际上空穴不是粒子，但是原子有空穴，就代表此处有正电荷）。
　
这种由于热激发产生了一对“自由电子”和“空穴”的过程，称为本征激发。自由电子带负电荷，空穴带正电荷。自由电子和空穴都是半导体的载流子。
同理，自由电子和空穴也可以复合。

 

杂质半导体
掺入杂质的半导体称为杂质半导体。
由于本征导电性能差，如果参入+5价或者+3价的原子，可以大大提高其导电性能。
比如，掺入+5价的磷原子后，磷的4个电子和周围4个硅原子形成共价键，还剩有1个电子，由于不受共价键束缚可以自由移动，这种杂质半导体称为N型半导体。N代表负极性Negetive，由于引入了1个自由电子，所以称为N型半导体。
同理，掺入+3价的硼原子后，硼的3个电子和周围4个硅原子形成共价键的话，会出现一个空穴，这种杂质半导体称为P型半导体。P代表正极性Positive。

 

3，本征半导体：

       本征半导体是纯净(无杂质)的晶体结构(结构稳定)的半导体。

4，本征半导体的结构

       共价键：相邻两个原子共用一对最外层电子，形成共价键。

     

 

5，本征半导体中的两种载流子

       自由电子：由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，其带负电。

       空穴：自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴，其带正电。

        

       复合：自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。

 

在一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定(动态平衡)。温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度增大。

 

外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。

空穴运动的本质：价电子依次替补空穴的位置，在表面上看是空穴运动

 

关于二极管的原理来自于PN结，下图为本征半导体：

6.空穴与电子

动画中空穴是红的，电子是蓝的，其实我一直对空穴这个概念很抵触，因为从这个动画上来看空穴是不动的。但讲PN结、三极管的时候都会把空穴当成运动的载流子，虽然似乎也不是很难理解。

P型半导体空穴多，容易吸引电子但原子核电荷不够，会形成负电荷。
N型半导体电子多，电子容易逃跑且原子核电荷太多，会形成正电荷。

7.PN结

P(Positive)型半导体和N(Negative)型半导体构成PN结以后，会扩散出一个内电场，也叫PN结、阻挡层、耗尽层、空间电荷区。

电子受到电场力作用会漂移向N级，但N级电子太多，还是会向P级扩散。两种运动形成了动态平衡，当然，不一定会像下面这个动画一样形成稳定的环形电流。

3.正向偏置

电源正极接P，负极接N，电荷会重新分布

因为载流子多而且PN结窄,所以会形成比较大的电流。

4.反向偏置

电源正极接N，负极接P，电荷也会重新分布

因为载流子少而且PN结太宽，所以电流会很小。

 

PN结基本原理就讲到这里。