p-n结是电子时代的基本组成部分。大多数电子设备是由硅制成的。 通过研究硅的电学性质，就有可能了解p-n结的内部工作原理。 硅 一个硅原子由14个带负电荷的电子组成，围绕着一个由14个带正电荷的质子和14个电中性中子组成的原子核。由于正电荷和负电荷的数目相等，硅原子没有净电荷。在这14个电子中，只有4个外层电子(原子最外层的电子)可以化学键合。剩下的10个电子与原子核紧密结合，不与其他原子成键。 在硅晶体中，每个硅原子与四个原子成键其他的硅原子。每个键由两个电子组成，一个电子来自于每个参与键的硅原子。这种电子由参与其中的原子平均共享的键合叫做共价键。 这四个成键电子赋予硅一个非常好的性质:它可以形成晶体包括所有成键电子，没有剩下。(碳也有4个成键电子，可以用它的四个电子在共价碳碳键和形成金刚石晶体。硅晶体是由不带电的原子组成的电荷(具有与质子相同数量的电子)，因此硅晶体它本身没有净电荷。 由于它的电性能，硅被称为半导体。如果硅晶体是非常纯的，那么外层的四个电子占据了所有的共价键晶体。在接近绝对零度的温度下，电子仍处于成键位置。在这种情况下，硅晶体几乎是一个完美的电绝缘体。然而,如果足够的能量被提供给晶体，通过热或光，有可能打破一些这些共价键。在硅中，共价键的键能为1.1电子伏特。当一个键被提供这么多能量(或更多)的一个电子时能从原子中挣脱出来，然后电子就能自由地运动了吗晶体。 的近红外区对应一个光子，其能量为1.1电子伏电磁波谱。一个能量小于1.1电子伏的光子就可以没有足够的能量与硅晶体中的键相互作用，因此会直接穿过晶体而不移动任何电子。 磷 一个磷原子也没有净电荷。磷是下一个元素从元素周期表上的硅开始，有15个电子和15个质子。同样，电子的负电荷恰好抵消了正电荷由质子产生的电荷，使原子不带净电荷。 在这15个电子中，只有5个(再次被想象成最外层的电子)原子的外壳)可用于化学键合。这五个的构型有效的成键电子赋予磷独特的化学性质。为pn最重要的是磷多了一个电子比硅键。 磷掺杂 在一个叫做“掺杂”的过程中，杂质原子被放置在非常纯的硅中进行改变晶体的电特性。磷可以取代部分硅晶体中的原子当这种情况发生时磷原子被称为掺杂剂原子。掺杂的磷原子以同样的方式形成四个共价键就像硅原子对它的邻居所做的那样。磷的五分之一成键电子，不用于共价键的键，现在起着重要的作用。这电子只弱地附着在磷原子上:所以弱(0.045电子)在正常温度下晶体内部的热能足够把它从磷原子中释放出来。当这发生时，结果不受束缚的电子可以自由地绕着晶体运动。 1、正电荷。电场的方向。电场。电场的方向 根据惯例，方向电场的方向是正的电荷一旦放置就会移动在电荷区。如果正电荷是放在正片附近吗然后再充电会引起点电荷吗离开。电因此场是指向外的带正电荷。一个负电荷有电电场线指向它。 2、Diode 二极管和晶体管的符号用箭头表示传统电流可以流动的方向。传统电流由正流向负，为与电子电流流动方向相反。如果一个电池连接到二极管上，电流只会在什么时候流动电池的正极连接到启动端箭头的(不尖的一端) 3、晶体管 传统电流是由正电流变为负电流，而in电子流动的术语电子从负的变成正的。大部分的电子产品除非另有规定，电气工程使用常规电流。这是18世纪的人工制品，当时科学家还不知道电子是电线上的电荷载体。他们猜出了冲锋的迹象不幸的是，运营商搞错了。 硅晶体的导电性可以通过仔细控制而得到精确的控制调整晶体中掺杂原子的数目。在典型的太阳能电池应用中每500万个硅原子中大约有一个掺杂原子。当一个原子磷，具有四个以上的成键电子，被用来掺杂硅，结果晶体材料称为n型硅。这是因为自由电子从掺杂原子中得到的每个原子都带一个负电荷。 电荷 如上所述，当硅与磷掺杂时，磷的替代品晶体中的硅原子形成四个共价键，就像硅原子一样本身。晶体中的热能(仅在室温下)会断裂磷中的弱键第五个电子远离磷原子这个电子现在可以在晶体中自由移动。 然而，硅晶体中的磷原子是不能移动的因为它是共价键，所以固定在晶体中。只有14个电子(弱束缚的第5个电子现在自由地在但是15个质子，静止的磷原子现在显示出一个正电荷电荷。 然而，掺杂材料中所有电荷的和为零(晶体)没有净电荷)因为所有的自由电子都在物质中匹配晶体中磷原子带正电荷的数量。 如果有可能从n型中移去或排出一些自由的(可移动的)电子失去带负电荷的电子会使晶体带上正电荷电荷。(这个概念类似于从顶部终端移除电子一种范德格拉夫静电发生器，将静电发生器喷到运动的传送带上。通过除去电子后，顶端的端子就带了正电荷。) 如果将n型硅晶体中的一些移动电子从晶体中移除，现在晶体带一个正电荷。如后面所述，在形成p-n结时，n型晶体中的一些自由电子会漂移进去该p型材料因此在n型区域内形成局部正电荷硅晶体。 硼掺杂 硼，有5个质子和5个电子，也可以代替硅晶体硅原子通常是存在的。因为硼原子只有三个电子在它的成键壳层中，硼之间只能形成三个共价键晶体中的原子和硅原子。这是因为有必要共享两个为了形成共价键，每个原子有一个电子。没有第四个电子硼在成键壳层中只能形成三个共价键。 在接近绝对零度的温度下，这个失去键的硼原子是稳定的。在在室温下，有足够的热能把附近的电子推到这里空缺。当这种情况发生时，给硼原子提供电子的原子有一个电子空位，可以由晶体中另一个原子的电子来填补。这样，空位或“空穴”就可以从一个原子移动到另一个原子。可以看到由于带负电荷的电子在周围移动，填补了这些空穴(从而留下一个新的空穴)孔)，或者简单的正电荷通过材料(移动)洞)。 在室温下，晶体中的一个硼原子被迫多一个电子比原子核中的质子数多，在这个构型中，是硼原子带了一个负电荷。 当像硼这样的原子(成键电子比硅少)被用来掺杂时硅，得到的材料称为p型硅。这是因为这些类型的掺杂原子在晶体中产生可移动的空穴，每个空穴都带正电电荷。 电子和空穴的运动 根据掺杂的不同，硅晶体会有可移动的电子或空穴。当电子每个孔都有电荷，它们当然会受到电的影响字段。另一个重要的影响是电子和空穴的随机热运动。这种运动被称为扩散流，对理解p-n连接很重要和太阳能电池。 扩散 如果老师在教室前面滴几滴香水，时间不会太长直到教室后面的学生能闻到它的气味。在很长一段时间内教室里的香水分子最终会均匀分布空气中。这是一个完全随机的现象，与任何局部浓度无关空气中的香水:香水原子会随机漂移，直到最后形成一个偶数香水分子在教室空气中的分布。 在n型磷掺杂硅晶体中，自由电子会像香水一样扩散在教室里，整个水晶以一种纯粹随机的方式排列，直到有一个在n型硅晶体中自由电子的均匀分布。在p型掺硼硅晶体中，相应的孔洞会变得相等分布在p型晶体的整个体积中。 形成p-n结 在硅的一侧掺杂硼(p型掺杂剂)，另一侧掺杂磷(n型掺杂剂)形成p-n结。然而，首先考虑两个独立的问题硅片—一个是n型，另一个是p型(参见图1)。 n型材料有大量的自由电子(带负电荷)穿过材料。带正电荷的磷原子的数目(称为正离子)，它们不能自由移动，恰好平衡了离子的数量和电荷这些负的自由电子。同样，对于p型材料，也有很大的数量自由孔(带正电荷的)可以穿过材料。他们的数量和正电荷正好与带负电荷的硼的数量相平衡原子(称为负离子)。现在想象一下n型和p型材料组合在一起(参见图2) 观察电子和空穴在这两部分发生了什么是很有趣的硅的连接。由于硅晶体的掺杂，其数量较多n型侧的移动电子，但p型侧的移动电子很少。由于自由电子的随机热运动，电子来自n型侧面开始扩散到p型侧面。同样的，由于硅的掺杂p型侧是否有大量的活动孔，但活动孔很少n型。因此，p型侧的孔洞开始向n型扩散的一面。 现在，如果电子和空穴没有电荷，这个扩散过程就会最终导致电子和空穴均匀地分布在整个体积。然而，它们确实带电荷，这就导致了一些事情有趣的发生! 当n型物质中的电子向p型物质扩散时，它们会离开在带正电荷的磷离子后面，靠近n和p的界面地区。同样，p型区的正孔向n型侧扩散留下带负电荷的硼离子(见图3)。 在一个叫做“扩散”的过程中，移动的随机运动电子和空穴随时间变化让他们尝试分发在总体积内相等。当他们穿过十字路口时，它们留下的固定离子建立一个“内置”电场结。 这些固定离子在n型和p型材料。这个电场来自于n型带正电荷的离子材料以带负电荷的离子为p型材料。自由电子和随着电子被吸引，空穴会受到这种“内置”电场的影响向正磷离子的方向，而孔被吸引向负离子的方向硼离子。 因此，“内建”电场导致一些电子和空穴在与扩散引起的流动方向相反(见图4)。 图4移动电子和空穴由于扩散和“内置”电场的运动 附近的移动电子或空穴“内置”电场将是被吸引了回来原来的体积。在结有两个影响正在发生(1)电子运动时的扩散从n型到p型，(2)“内置”电场扫掠在当地影响电子回到n型卷。的孔的影响类似，但在相反的方向 这些反向流动最终会随着电子的数量达到稳定的平衡由于扩散而流动正好平衡了回流的电子数量由于电场。电子通过结的净流动为零结孔的净流量也为零。 这就引出了一个问题:“如果没有净电流，它有什么用?”虽然没有净电流流过的结就已经形成了电流交点处的电场正是这种电场是二极管工作的基础，晶体管和太阳能电池。 耗尽区 在耗尽区，只有很少的移动电子和空穴。“枯竭”，只留下与掺杂原子有关的固定电荷。因此，耗尽区是高电阻性的，现在表现得好像它是纯的晶体硅:作为一种近乎完美的绝缘体。 耗尽区电阻可以通过“添加”外部电来改变电场到“内置”电场。如果“附加”电场与。方向相同在“内置”电场中，耗尽区电阻会变得更大。如果“添加”电场的方向与“内置”电场相反，即损耗该地区的阻力将会变小。因此，可以考虑耗尽区作为电压控制电阻器工作。 正向偏压 如果p型侧加正电压，n型侧加负电压侧，电流可以流动(取决于施加电压的大小)。这个配置称为“正向偏差”(参见图5)。 在p-n结处，“内建”电场与外加电场方向相反的方向。当这两个字段相加时，结节点处的结字段更小比原来“内置”电场的大小还要大。这导致了更薄，更少的电阻损耗区。如果施加的电压足够大，则损耗区域的阻力变得微不足道。在硅中，这发生在0.6伏特左右正向偏压。从0到0.6伏，由于损耗仍然有相当大的电阻地区。在0.6伏特以上，耗尽区电阻非常小，电流很小几乎畅通无阻地流动。 反向偏压 如果对p型侧施加负电压，对n型侧施加正电压侧，无(或异常小)电流流动。这种配置称为“反向”有偏见的”(参见图6) 在p-n结处，“内建”电场和应用电场分别位于相同的方向。当这两个电场相加，得到的更大的电场在与“内置”电场方向相同，这就产生了更厚、更强的电阻耗尽区。如果施加的电压变大，耗尽区变大更厚，电阻更大。 实际上，一些电流仍然会流过这个电阻，但是电阻太高了电流可以被认为是零。作为施加的反向偏置电压当电流变得更大时，电流将以一个恒定但非常小的值饱和。这大约是每平方厘米10-12安培的p-n结面积。 电流-电压关系或IV曲线硅pn结如图7所示。在反向偏置中，p-n结显示出来极电阻，只有a非常小的电流。如果相反的偏置电压过大时结会击穿，电流会流。设计硅p-n是可能的以这样的方式连接使其崩溃电压处于特定的期望值。这种p-n结称为齐纳二极管用作电压基准或在电环正向偏压的过电压保护器中，p-n结表现为a电阻指数下降应用电压。从0到0.5伏特硅pn结具有很高的电阻性。当施加的电压接近0.6伏，结的指数性质导致阻力急剧下降。硅pn结二极管出现了做一个“打开”的电气开关施加0.6伏电压。因为电电流只有向前流动时才流动偏压，二极管似乎是一个电单向阀门。 太阳能电池是如何工作的 现在可以看到太阳能电池内部发生了什么。大多数太阳能电池本质上是大面积pn结。当光照射在它们身上时，它们能产生电流和电压。之所以会发生这种情况，是因为结处的“内置”电场p型和n型材料。 首先考虑如果硅太阳能电池(这是一个p-n结)有一个低的电阻丝连接在p和n接点的外部。黑暗中有一颗太阳电池不会产生电流。然而，如果光照射到太阳能电池上，电流就会通过导线，从p型侧流向n型侧(常规电流)。 它是如何发生的 光有足够的能量打破硅晶体的一些化学键。这意味着，通常与硅键有关的电子是被光激发成更高的能量状态，键就断裂了。并不是所有的化学键断裂，否则硅会熔化!太阳在地球上的光强度是在太阳能中，每1亿个硅原子就有一个键断裂细胞。所以太阳能电池在正常情况下不会融化。 被激发的电子现在就像磷掺杂原子的电子可以在材料中自由移动。同样的，光产生的断裂键扮演空穴的角色——就像硅原子和硼原子之间缺少电子一样-这些孔也可以在整个材料中自由移动。然而，上升的，一定要下来!以这种方式产生的电子和空穴是物理上的相互靠近:每一个被光激发的电子都有一个对应的空穴生成的。这些电子和空穴只能在短时间内保持兴奋状态。在一个被称为重组的过程中，被激发的电子离空穴和两个空穴太近回到键合位置。当这种情况发生时，这对电子就会失去电能作为热量。如果有太多的重组，太阳能电池就不能很好地工作。 太阳能电池的电流 太阳光照射在太阳能电池上所激发的电子和空穴贯穿整个过程材料的体积，在p区，在n区，在结区有一个“内置”电场。首先理解电流的流动是最容易的考虑到电子和空穴在结区被光激发。 由于“内建”电场，电子被吸引向正极在n型材料一侧充电。同样，这些洞也被负极吸引充电在p型材料一侧。电荷的分离使电流流动在结。电流方向(常规电流)相同随着孔的运动(因为它们带正电荷)。也就是说，电流流动从n型面穿过结到p型面。 同样地，远离结的电子和空穴也可以分离由“内置”的电场，如果他们能找到自己的方式，连接之前他们重组。这仅仅是因为电子和空穴会随机扩散在整个材料。如果他们设法随机进入“内置”的电力磁场区域，在重新组合之前，它们将有助于电流的通过结。 这些电荷也会引起电子通过外部导线的流动。电流只需将电流表与太阳能电池串联即可测量。因为导线上的电阻和电流表上的电阻都很低，所以会有基本上太阳能电池没有电压，但是电流可以流动。这叫做短路电流。 太阳能电池的电压 在上述情况下，有电流通过电线和仪表，但没有电压(还没有!)只有当太阳能电池有能力时，才能从它身上提取能量同时产生电压和电流。如果电线被切断了怎么办? 在这种情况下，没有任何路径为任何光产生的电流流出太阳能电池。然而，电子和空穴的分离在太阳内部不断发生细胞。电子被推到n型的一边，空穴出现了推到p型的一边(如果他们设法在附近徘徊的路口没有第一个重组)。当电线被切断时，这些电荷就没有外部电路了流过。相反，电子流向n型边和孔洞的流动进入p型侧，使一个电压在整个太阳能电池上积累-正电压p型侧为负电压，n型侧为负电压。现在有一个电压然而，在整个太阳能电池中，没有电流从太阳能电池中流过。“开路电压”是通过在发光的太阳能电池上放置一个电压表来测量的。为这是一种硅太阳能电池，在强光下可以测量到0.6伏的电压。 近距离观察开路电压 如果一个p-n结有一个外部正向偏置电压，电流就会流过通过连接太阳能电池从p型侧到n型侧(常规)电流)。 当一个开路太阳能电池被照亮时，光能产生电子和空穴在结附近徘徊的物体将被“内置”电场隔开。电子会被推入n型区域而孔会被推入p型区域吗地区。光产生的流过结的电流方向相反电流的正向偏置流动。 在发光的开路太阳能电池中，光产生的电子的值是恒定的孔穿过结点，进入相应的p型和n型地区。光产生的电流只取决于阳光的强度和在太阳能电池中发生了多少重组。电荷的集合产生横跨太阳能电池的电压。可以想象这种电荷分离会无限地继续下去，结果是整个太阳能电池的电压变成了无限的。 然而，发生了一些事情来限制电压。太阳能电池现在正向偏置就像黑暗中的pn结一样，电流从从p型边到n型边。这个正向偏置电流与上述光产生电流。两股电流同时流动。当整个太阳能电池的电压升高时，它最终会到达一个点正向偏压电流正好平衡光产生的电流。这两个内部太阳能电池内部的电流相互抵消。这个的电压发生的称为“开路电压”。对于硅太阳能电池，电压通常为0.6伏在明亮的阳光下。 从太阳能电池获得能量 对于短路情况，太阳能之间有一根低电阻的电线连接产生电流但不产生电压的电池触点。如果电线被切断，太阳能电池现在是开路的，产生电压，但没有电流流动。 为了从太阳能电池中获得有用的能量，两者之间需要有一个电阻具有正确值的两个联系人。如果阻力太低，就会有阻力大部分电流来自太阳能电池，产生的电压很少。如果太高了一个电阻被连接在各个接点上，就会产生大部分电压从太阳能电池中流出的电流非常小。 只有当正确的电阻连接到整个太阳能电池，才会有一个最佳的由最佳电流产生的电压。用这个阻力值太阳能电池，即太阳能电池所能提供的最大电能电阻器。在这些条件下，太阳能电池被认为是在其工作“最大功率点”。 获得了巨大的能量 为了从太阳能电池中产生大量的电能，所需要的只是电线许多太阳能电池在一起。总的来说，这些电池可以产生足够的能量来做有用的事情工作。事实上，将足够多的太阳能电池连接起来就可以形成一个巨大的太阳能电池细胞发电厂。然后产生的电力可以用来为任何东西供电一个灯泡连接到一辆大型电动火车上，电路中还有更多的太阳能电池，这将有可能为整个城市供电! 作者:Alistair Sproul博士 光电学高级讲师 新南威尔士大学光伏工程中心 来源：光伏电池技术 |
