PN结的形成

一、物质根据导电阻率的分类

根据电阻率的大小，物体可被分为：导体、绝缘体、半导体。导体的电阻率处于10-6~10-3Q·cm之间，银、铝、铜等属于导体；绝缘体的电阻率处于108~1020Q·cm之间，塑料、橡胶等属于绝缘体；半导体的电阻率处于10-3~108Q·cm之间，锗、硅、砷化镓、多数的金属氧化物和金属硫化物属于半导体，半导体具有光敏特性、热敏特性、掺杂特性等。

半导体材料具有较强的光伏效应。光伏效应是指物体吸收光能后，内部可传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化而产生的电流和电动势的效应。太阳能电池利用半导体材料的该特征，将光能转化为电能。

二、共键价结构

在半导体器件中，较多使用的半导体材料是硅和锗。硅和锗均为4价元素，最外层原子轨道中均具有4个电子，这4个电子被称为价电子。每个原子的4个价电子不仅围绕自身原子核运行，而且时常出现于相邻原子的电子轨道中。此种相邻的原子被共有的价电子连接的结构被称为共价键结构。



图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》

三、本征半导体

纯净的半导体称为本征半导体。在温度为零开尔文（相当于-273.15°C）时，每一个原子的外围电子被共价键所束缚，不能自由移动。此种条件下，本征半导体中虽有大量的价电子，但电子不能自由移动，因此，此时半导体不导电。

当半导体温度升高或受光照射时，半导体的价电子可从外界获得能量，少数价电子可挣脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下空位，此类空位被称为空穴。

当原子失去价电子时将带正电，也可以说空穴带正电。如果有一个电子从共价键中释放，就必定出现一个空穴。因此，本征半导体的电子和空穴总是成对出现，被称为电子-空穴对。



图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》

四、杂质半导体

（1）N型半导体

在本征半导体（锗或硅）中掺入五价元素，如磷元素，则形成N型半导体。在N型半导中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。N型半导体的电子数远大于空穴数，电子量主要取决于杂质的掺浓度，空穴量主要取决于环境的温度。



图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》

（2）P型半导体

在本征半导体（锗或硅）中掺入三价元素，如磷元素，则形成P型半导体。在P型半导中，空穴是多数载流子，电子是少数载流子，P型半导体的空穴数远大于电子数，空穴量主要取决于杂质的掺杂浓度，电子量主要取决于环境的温度。



图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》

五、PN结的形成

当N型半导体和P型半导体单独存在时，均呈电中性。当N型半导体和P型半导体连接后，因为N型半导体和P型半导体电子和空穴的浓度相差较大，所以电子和空穴会从浓度高处扩散至浓度低处。即电子从N型半导体向P型半导体扩散，并与P型半导体的空穴复合消失；空穴从P型半导体向N型半导体扩散，并与N型半导体的电子复合消失。

最终，N型半导体和P型半导体的交界处出现空间电荷区（内电场方向由N型半导体指向P型半导体），该空间电荷区被称为PN结。



图片来源：中国慕课大学《光伏发电工程技术》

审核编辑：刘清