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

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