实验七、八__硅光电池实验

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1、实验七光电池的光电特性及伏安特性一、实验目的1、了解硅光电池的光照特性，即短路电流及开路电压与光照的关系。2、了解光电池在照度一定得情况下，它的输出电流与电压随负载变化的关系。二、实验原理PN结的形成及单向导电性采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。如图1所示，

2、Θ代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电；代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），即P区的空穴浓度远远高于N区，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在

3、P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电。而在这个区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。此外，这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，所以空间电荷区有时称为耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，成为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图1所示。由P区向N区扩散的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由N区向P区扩散的自由电子也将受到内电

4、场的阻力，即内电场对多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。空间电荷区的内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，这是一个方面。但另一方面，内电场对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则可推动它们越过空间电荷区，进入对方区域。少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。扩散和漂移是相互联系的，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势，但在扩散运动进行过程中，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强。于是在一定条件下（例如温度一

5、定），多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强。最后，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡，P区的空穴（多数载流子）向右扩散的数量与N区的空穴（少数载流子）向左漂移的数量相等；对自由电子也是这样。达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。上面讨论的是PN结在没有外加电压的情况，这时半导体中的扩散和漂移处于动态平衡。下面讨论在PN结上加外部电压的情况。若在PN结上加正向电压，即外电源的正极接P区，负极接N区，也称为正向偏置。此时外加电压在PN结中产生的

6、外电场和内电场方向相反，扩散和漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），PN结处于导通状态。PN结导通时呈现的电阻称为正向电阻，其数值很小，一般为几欧到几百欧。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由P区流向N区的电流）愈大，这时PN结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，

7、但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断的向半导体提供电荷，使电流得以维持。若在PN结上加反向电压，即外电源的正极接N区，负极接P区，也称为反向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在外电场的作用下，N区中的空穴越过PN结进入P区，P区中的自由电子越过PN结进入N区

8、，在电路中形成反向电流（由N区流向P区的电流）。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高，可以认为PN结基本上不导电，处于截至状态。此时的电阻称为反向电阻，其数值很大，一般为几千欧到十几兆欧。又因为少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的，所以温度变化时少数载流子的数量也随之变化。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。由以上分析可知，PN结具有单向导电性。在PN