半导体中的传导

概述

  1. 半导体在低温下表现为绝缘体,在高温下表现为导体。
  2. 传导发生在较高的温度下,此时半导体原子周围的电子可以脱离共价键并在晶格间自由移动。
  3. 半导体的导电特性是我们理解如何在电气设备中使用这些材料的基础。

半导体的键结构决定了半导体的材料特性。其中一个关键的影响是电子可以占据的能级以及它们如何在晶格中移动。晶格结构中每个原子之间形成的共价键中的电子被该键固定在适当的位置,因此它们被束缚在原子周围的区域。这些键合电子不能移动或改变能量,因此不被认为是“自由的”,而且不能参与太阳能电池中的电流流动、吸收或其他物理过程。 然而,只有在绝对零度时,所有电子才会处于这种“被困住”的键合排列中。 在高温下,尤其是在太阳能电池工作的温度下,电子可以获得足够的能量以逃离键合。当这种情况发生时,电子可以在晶格周围自由移动并参与传导。在室温下,半导体具有足够的自由电子以使其能够传导电流。在绝对零度或接近绝对零度时,半导体表现为更像绝缘体。

当电子获得足够的能量参与传导(“自由”)时,它处于高能状态。当电子被束缚而无法参与传导时,电子处于低能状态。因此,两个原子之间键的存在为电子引入了两种不同的能态。电子无法获得这两个能级中间的能量值:它要么处于键中的低能量位置,要么已经获得足够的能量来挣脱,因此具有一定的最小能量。这个最小能量称为半导体的“带隙”。这些参与传导的自由电子的数量和能量是电子设备运行的基础。

电子留下的空间允许共价键从一个电子移动到另一个电子,因此看起来像是一个正电荷穿过晶格。这个空的空间通常称为“空穴”,类似于电子,但带有正电荷。

动画显示当电子逃脱其键合时形成了“自由”电子和空穴。

用于太阳能电池运行的半导体材料最重要的参数是:

  • 带隙;
  • 可用于传导的自由载流子(电子或空穴)数量;和
  • 经光线在材料上照射后,自由载流子(电子或空穴)的“产生”和复合。

有关这些属性的更多详细信息将在以下几页中给出。