P-N结的理解

P-N结的理解Dr.AlistairSproulUNSW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。电场方向按照规定，电场方向为在电场区域中正点电荷的移动方向。如果正点电荷放在靠近正电荷区，正电荷将会使正电荷相远处移动。电场方向是正电荷所指的方向，是负电荷所指靠近的方向。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VandeGraaff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型二极管和晶体管符号的箭头方向表示电流的流动方向，电流从正极流向负极，与电子流动方向相反。如果电池连接到二极管，电流的正极连接在箭头的开始方向时（不是箭头的指向方向），电流将会流动。电流方向是指正电荷从正极流向负极，而电子从负极流向正极。大多数电子和电气工程使用传统电流，除非有特殊说明。这是开始于18世纪，当时科学家并不清楚电子是导线中的电荷载子。他们猜测了电荷载子符号但不幸的是错了。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（比硅少一个成键电子）掺杂在硅中时，产生的材料将被称为p型硅，这是因为掺杂原子在晶体中产生了移动的空穴，每个空穴将带有一个正电荷。电子和空穴的运动在硅晶体中是可移动的电子还是空穴，取决于掺杂。因为电子和空穴都有一个电荷，他们受电场的作用。另一个重要的影响是电子和空穴随机的热运动。这个类型的运动称为扩散运动，对于理解p-n结和太阳能电池很重要。扩散如果一个老师放一滴香味在教室的前面，教室后面的学生将不用多久就会闻到。过一段长时间后，教室的空气中将最后含有均匀的香味分子分布。这是一个随机现象，与空气中任何一个香味分子的局部浓度无关：香味原子将随机漂移直到教室空气中的香味分子均匀分布为止。在n型磷掺杂的硅晶体中，自由电子将会扩散，象教室中的香味一样，在晶体中以随机的形式扩散，直到整个n型晶体中均匀分布自由电子。在p型硼掺杂的硅晶体中，均匀一致的空穴将等样的分布在p型硅中。形成p-n结在硅的一面掺杂硼（p型掺杂），另一面用磷（n型掺杂）形成p-n结。首先，考虑到两个独立的硅，一个n型，另一个p型（见图一）。图一掺杂的硅N型材料有很多可以在体内移动的自由电子（负电荷），磷原子的正电荷（阳离子）不能够自由移动，并与负电荷自由电子相平衡。类似的，p型材料，含有大量可以在体内移动的自由空穴（正电荷）。通过带负电荷的硼原子（阴离子），也达到平衡状态。现在可以想象n型和p型材料结合在一起的情况（见图二）。图二p型和n型材料结合在一起当两片带有电子和空穴的硅结合在一起时，可以看到非常有趣的事情。因为硅晶体的掺杂，将有大量的移动电子在n型一侧，但会有非常少的自由电子在p型一侧。因为自由电子的随机热运动，来自n型的电子开始扩散到p型面；类似的，因为硅的掺杂，p型面将有大量的自由空穴，而n型面空穴将很少，p型面的空穴将开始扩散进入n型面。现在，如果电子和空穴都不带电荷，扩散将使电子和空穴均匀分布在整个体积内。然后，因带有电荷产生奇妙的分布。当n型材料中的电子扩散进入p型材料内部时，在靠近n型和p型的界面，将留下带正电荷的磷离子。类似的，p型内带正电的空穴扩散进入n型面时，将留下带负电的硼离子（见图三）。图三扩散产生内建电场这些固定的电子建立的电场正好在n型和p型接触的结区。电场的方向是由n型区的正电荷离子指向p型区的负电荷离子。自由电子和空穴受内建电场的影响，电子吸引到正磷离子区，孔穴吸引到负硼离子区。因此，内建电场引起电子和空穴因扩散朝相反方向的移动（见图四）在扩散的过程中，随机移动的电子和空穴将试图建立均匀的分布。当它们通过p-n结时，留下的离子将在p-n结处产生内建电场。图四电子和空穴因扩散产生的移动及内建电场扩散和内建电场的共同作用将使朝两个方向移动的电子达到一个平衡状态。通过结区的净电子流将为零，通过结区的净空穴流也为零。这里产生一个问题，“如果没有净电荷流，这将有何作用？”虽然通过结区没有净电流，但在结区建立电场，这个电场是二极管，晶体管和太阳能电池的基础。耗尽区在耗尽区，只有非常少的可移动电子和空穴。这是一个消耗可移动电荷的区域，根据掺杂的原子的种类，仅留下固定电荷。结果，耗尽区将是一个高电阻区，性质类似纯的晶体硅：接近完美的绝缘体。耗尽区的电阻可以通过在内建电场区加外部电场来进行变化。如果外加电场的方向同内建电场方向一致，耗尽区的电阻将变的更大。如果外加电场的方向与内建电场向反，耗尽区的电阻将变的更小。耗尽区的运作可以被认为是一个电压控制的电阻器。正向偏置如果正电压接在p型面，负电压接在n型面，电流将会流动（取决于应用电压的大小），这个构造可以看作是正向偏置（见图五）。在pn结处，当内建电场和外加电场方向向反叠加时，在结区的电场将变小，这将产生移动的电子或空穴在靠近内建电场时，将被吸引或斥回原区域。在结区处将产生两种效应（1）从n区到p区的扩散产生的电子移动，（2）内建电场使电子排斥退回原n区。空穴将有类似的效应但方向相反。更薄的，更小的电阻耗尽区。如果外加电场很大，耗尽区的电阻可忽略。在硅材料中，当外加电压为0.6V时将发生。当电压高于0.6V时，耗尽区的电阻变的很小，电流实际上可以自由流动。图五p-n结正向偏置反向偏置如果负的电压加在p型区，正电压加在n型区，将不会产生电流流动（除非很小的情况下）。此时的结果称为反向偏置（见图六）。图六pn结反向偏置在pn结处，内建电场和外加电场在同一个方向，当这两个电场叠加时，将在同一个方向产生更大的电场作为内建电场，将产生更厚，电阻更大的耗尽区。外加电场越大，耗尽区将越厚，电阻越大。实际上，一些电流仍然能流过电阻区，但电阻是如此大以至于电流可以被认为为零。当外加反向偏置电压变得很大时，电流将饱和在一稳定致，但值非常的小，在p-n结区，电流密度约为10-12A/cm2。图七p-n结二极管IV曲线图七位硅p-n结处的电流-电压关系或IV曲线图。在反向偏置时，p-n结有很好的电阻特性，仅很小的电流通过。如果反向偏置电压变得很大时，p-n结将会击穿，电流将会通过。可以设计这样的p-n结，击穿电压在一特定的值，这样的p-n结称为齐纳二极管，这种二极管在电路中可以用作参比电压或过电压保护器。在正向偏置时，外加电压指数关系。电压在0-0.5V时，p-n结有很好的电阻特性，当外加电压接近0.6V时，p-n结的指数特性时电阻急剧降低。当外加电压为0.6V时，p-n结二极管可以作为电子开关，因为当正向偏置时，电流才能流动，此时二极管显现为单向导通作用。太阳电池如何工作现在可以了解太阳电池的内部结构。大多数太阳电池本质是大的p-n结，当阳光照射在上面时，它们将产生电流和电压。产生此现象的原因是因为在p型材料的p-n结处的内建电场。首先要考虑的时，太阳电池的p型和n型处被低电阻的导线连接时的情况。太阳电池在暗处时，将不会产生电流。但是，如果光照在太阳电池上，电流将沿导线从p型面流向n型面。怎样产生光将有足够的能量打断晶体硅的化学键，这意味着正常情况下的硅键中的电子，将被光激发到高能状态，并且键将断裂。不是所有的键都断裂，否则硅将融化。地球上所有太阳光的强度可以使每1百万个硅原子打断1个键，所以太阳电池在正常情况下不会融化。激发的电子像来自掺杂磷原子的电子，它们能在材料中自由移动。类似的，由光作用产生断裂键，如孔穴，-就像在硅和硼原子成键处失去电子-，这些孔穴也能自由移动。然而，某种物质增加，必有某种物质降低。这种方式产生的电子和空穴在物理空间上非常接近。电子和空穴可以保留激发态很短的时间内。在一个称为复合的过程中，激发的电子可以被很靠近的空穴捕获，然后回到成键位置。当这复合发生时，电子将以失去热量的形式失去能量。如果有太多的复合，太阳电池将不能很好工作。电流在太阳电池中流动由阳光照射产生的电子和空穴将存在整个材料内部中，在p型区、n型区及