妈咪说知识就是力量大家好我是妈咪叔，上期视频咱们介绍了什么是P型半导体，什么是N型半导体，那今天咱们来说PN结，以及PN结和太阳能电池又有什么关系呢，各位继续打开脑洞咱们先来回忆一下，说对于超纯的单晶硅半导体，硅原子的排布是什么样的啊？
硅原子把自己最外层的四个电子上下左右各放置一个，然后去和相邻的硅原子手拉着手供用电子，来凑成每个硅原子最外层都具有8个电子的假象抱团取暖，这样每两个硅原子之间就会形成由两个电子组成的稳定结构，也就是所谓的共价键，有同学说硅晶体不是立体结构吗？
怎么变成单层的了？
是是立体结构，但即便是立体结构，一个硅原子还是和四个硅原子相连，我们把它画成平面图完全是因为好画好理解，能明白吧，好那现在我们开始掺杂，假如我们把其中的一个硅原子替换成磷原子，磷最外层有5个电子，所以它只能拿出4个电子去共用，还多出1个无处安放的电子，这个电子就是自由电子了就可以用来导电了，那咱们再用上期说的能带理论再来理解一下，大部分相互共用的价电子都在哪呢？
都在价带呢，多余出的这个无处安放的自由电子在哪呢？
都在导带呢，所以它可以用来导电这就是N型半导体，但是这里好像存在一个疑问，按照刚才的说法，貌似只有N型半导体才可以导电，硅的本征半导体就不可以导电了啊，为啥啊，因为N型半导体的导带上才有自由电子，本征半导体导带没有自由电子啊，电子都在价带呆着呢，可是我们又说纯硅是半导体没说它是绝缘体啊，半导体就意味着它也可以导电，只不过导电性比导体差点呗，那纯硅的导电性是怎么来的呢？
这个问题听清楚没？
好首先有一点咱们可以确定了，既然可以导电不管强弱，就一定是导带上有自由电子，那我们就只需要想通为什么硅本征半导体的，导带上会有电子就行了，这些个电子怎么来的呢？
出轨来的，也就是从价带上跃迁来的，我们说价带外侧的电子它的意志力是很不坚定的，给点阳光就灿烂给点能量就跃迁，所以当我们说硅是半导体的时候，这得有个隐藏条件，一般情况下就是指室温300K，温度是啥啊，是微观粒子热运动剧烈程度的表象啊，温度越高电子的意志就越不坚定，所以只要温度大于绝对零度，价带的一部分电子就有可能会跃迁到导带上来，这就是硅是半导体的原因，有同学说那要是绝对零度硅是不是就是绝缘体了呢？
对理论上是，但是绝对零度我们又做不到，不过一般来说温度越低电子就会越老实，能够跑到导带上的自由电子就会越少，从而导电性就会越差，所以这回知道为啥超导这么招人稀罕了吧，因为出现反例了，温度降着降着导电性突然不降反增了，不过这就是另外一个事儿了那咱们说回来，由于有的电子不老实，有一些电子就跑到导带上去了，那价带上原来那个位置会怎么样呢？
就会形成一个空穴，这就像是把电子从一个坑里per给挖出来了，就形成了所谓的电子-空穴对，这个过程叫做本征激发，要是对于吸收来说就叫做本征吸收，但是注意这种本征激发是一个热学过程，和通常说的电离还不太一样，啥意思呢，简单说就是刚才说的这个过程电子是没有外在诱惑的，完全是因为自己意志不坚定出的轨，我们之前说过在定温条件下，微观粒子的动能是服从统计规律的，你得平均起来才是温度，所以这里边有一些剧烈运动的电子，就有可能会突破禁带的束缚跑到导带上来，而一般说的电离就是指有外部诱惑，比如说粒子的碰撞、光照等等，简单说就是一个是主动出轨一个是被动出轨，这块各位了解一下就行了，好那我们现在就知道了，在纯硅晶体中也会存在一些等量的自由电子和空穴，为啥等量啊？
因为一个萝卜一个坑啊，一个电子跑到导带上来了就只能留下一个空穴，所以是等量的，这些自由电子和空穴都可以起到导电的作用，或者说可以承载电流，因此我们把这些自由电子和空穴称作载流子，有同学说哎呀这名称也太多了都记不过来了，没关系你只要知道具体作用就行了，至于名称这都是人起，理论上你叫啥都可以，你比如说咱们再来看N型半导体，当我们在硅当中掺杂一些磷的时候，就相当于是掺杂了一些额外的自由电子进来了，那按照刚才的说法，在N型半导体当中不仅仅有自由电子也有空穴，空穴怎么来的？
本征激发来的，再问个小问题，N型半导体当中自由电子和空穴哪个多呢？
自由电子多啊，因为有磷提供的一些无处安放的电子啊，那我们也可以起个名，因为自由电子比空穴多，所以我们管自由电子叫多子管空穴叫少子，你看起名就是为了方便讨论，但是不开玩笑啊，在N型半导体中自由电子是多数载流子，所以真的就叫做多子，空穴是少数载流子所以就叫做少子，那现在反过来你也知道了，再来看P型半导体，说在纯硅当中掺杂一些硼进来，硼最外层只有3个电子，上下左右四个硅都想和硼共用电子，只能拿出来3个，因此天然就会多出一些无处安放的空穴，可是在P型半导体当中就没有自由电子了吗？
有怎么来的？
本征激发来的，但是相比之下自由电子和空穴哪个多啊？
这回是空穴多了这是硼带过来的，所以在P型半导体当中空穴就是多子，自由电子就是少子，你看这不就是理顺了嘛，好了现在咱们可以来说PN结了，假如说我们通过某种工艺把P型半导体，和N型半导体连接在一起，或者说我在制作的时候就把一半半导体做成P型一半做成N型，这会发生什么呢？
打开脑洞坚持住啊，假设这是N型半导体这是P型半导体，N型negative就是带负电的载流子多，所以这边就是一大堆自由电子领着一小堆空穴在四处乱窜，P型呢？
positive带正电的载流子多，所以这边是一大堆空穴领着一小堆自由电子在四处乱窜，那我们假设先不提空穴只看电子，这边就是一大堆电子这边就是一小堆电子，per这么一连接，你看这像不像是不同浓度的溶液的混合啊？
这会发生什么呢？
发生扩散，所以多数的电子就想要往少数电子这边跑，来达到一个平衡的状态，相反的这边多数的空穴就也想往另一边跑，这种行为就叫做载流子的扩散，但是这种扩散刚一开始就出现问题了，咋地了呢咱们举个例子，比如说有这么一场舞会，在舞会开始之前一边基本上全是女的，另外一边基本上全是男的，这些人的目的是找到异性舞伴开始玩耍，现在主持人一声令下挡板被拿走活动开始了，整体趋势就是都想往另一边跑寻找舞伴么，但是最中间的人近水楼台先得月，刚一出门就发现舞伴儿了俩人就开始跳，也就是当最中间一少部分人找到舞伴翩翩起舞之后，再后边的人就过不来了就被挡住了对不？
你看这种扩散是不刚一开始就被阻止住了，那咱们来具体看一下为啥被阻止了，先来明确一个事儿，请问N型半导体就是大一堆自由电子领着一小堆空穴这个，它整体是电中性的还是带负电的呢？
电中性的，有同学说不对啊自由电子那么多不应该带负电吗？
那金属导体的自由电子更多呢，那咋还是电中性的呢，我们说的这些自由电子都在导带上呢最上边这层，你可以说这一层带负电没毛病，但是对于这个材料整体来说，下边还有东西呢，再往下价带上有价电子和空穴，这些价电子不参与导电，但是空穴就相当于是导带上的正电子，所以空穴是载流子可以导电，价带再往下就是离子了，所有导带上的自由电子都可以找到相应的空穴，或者是最底下带正电的离子和它抵消电性，一个萝卜一个坑么，最开始就都是原子，只不过根据作用不同拆成了好几层，所以N型半导体整体是电中性的明白没？
那同理P型半导体就也是电中性的，好了现在开始找舞伴了，N型最左边这一层自由电子，就是你们看到的左边啊，和P型最右边这一层空穴它们就是近水楼台啊，所以很快就在一起了，这个过程叫做复合，就是电子per掉坑里去了，我们都不管复合之后去哪了，总之电子和空穴复合的产物一定是电中性的对吧，那就有问题了，现在就相当于是这一排自由电子和这一排空穴私奔了，你们要是同一家的还好还不是，这是N型的自由电子领着P型的空穴跑了，结果就是N型当中本来和这一排自由电子维持电中性的，最底层的离子不乐意了，自由电子跑了离子没法跑啊，这老哥还和别人手拉着手呢，于是就怒了咋的了，这一排整体就带正电了，P型当中呢？
空穴没了，最底层的离子也不乐意了，所以整体就带负电了，注意单说这两条的每一条此时就不是电中性的了，一半带正电一半带负电，但是你可以说合在一起整体是电中性的，这个结构就叫做PN结，那PN结会不会不断的扩大呢？
或者说PN结是如何阻碍载流子的扩散的呢？
很简单，一端带正电一端带负电这会怎么样啊？
会形成一个从N指向P的电场，由于这个电场是自发形成的所以叫做自建电场，有了电场为啥会产生阻碍呢？
你看一下电场方向就知道了，电子的受力方向和电场方向是相反的，所以N区这边的自由电子即便进入电场也会被弹回来，同理P区空穴也过不去这就是阻碍，但是你会发现，我们说在N区当中也是存在少量空穴的，在P区当中也是存在少量自由电子的本征激发么，这些载流子就可以顺着电场跑到对面了，这个过程就不叫做扩散了，叫做载流子的漂移，电势就像是水流一样，载流子顺流漂下这就是漂移，这个时候你就会发现起名的好处了，我们就可以两边一起说了，说PN结会阻碍多子的扩散，会导致少子的漂移，你细品其实就是咱们刚才说的那一堆，所以PN的形成其实是一个动态过程，当多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡的时候，PN结就形成了，啥叫动态平衡啊，就是这边扩散过去一个电子，这边就会漂移回来一个电子，空穴同理这就是动态平衡，这个结里面是不存在载流子的，刚才说的走过路过的不算，所以这个区域也叫做载流子的耗尽层，也叫势垒区因为存在电势差，咱们额外多少几句，为啥PN结可以做二极管具有单向导通性呢？
就是因为这个内建电场，如果我们给P接电源正极N接电源负极，这叫做正向偏置，这就相当于是我加了一个电场去抵消PN结的内建电场，这个内建电场的电压是很小的一般只有零0.*V，所以一抵消这个耗尽区的耗尽宽度就会逐渐减小，直至消失，载流子就可以畅通无阻的导电了，但是如果是反向偏置，就是P接电源负极N接正极，那就相当于是施加了一个电场和内建电场方向相同叠加了，导致耗尽层越来越宽势垒增大，两边的载流子就更过不来了，这种情况下就是近似的绝缘体电子无穷大，这就是所谓的单向导通性，但是反向偏置也会存在击穿的情况，就是随着电压的增大，先是绝缘绝缘然后per导电了，这就是被击穿了，短时间被击穿还好也许可逆，但是长时间被击穿就不可逆了，二极管就烧坏了就是热击穿，这块也是各位了解一下就行了，下面咱们来快速说一下太阳能电池的基本原理，理解了PN结就很好理解了，你看PN结的本体是啥啊？
是半导体啊，上一期咱们就说了半导体由于禁带不是很宽，所以会受到温度、光照等等影响，那现在我们假设一缕阳光照射到PN结上会发生什么呢？
给点阳光就灿烂啊，首先不管是P区还是N区都会被激发出电子-空穴对，这叫激子这都没啥的，但是一旦光照照到PN结上，也会激发出电子空穴对这就好玩了，这个地方有自建电场啊，电场就会把它俩迅速的分开，并且扔向不同的区域，电子就跑N区去了空穴就跑P区了，光照不断这个过程就不会停止，所以N区就会逐渐带负电，P区就会逐渐整体带正电了，所以从P指向N就会再次形成一个电场，和自建电场方向相反，这个电场就叫做光生电场，这就是光生伏特效应，那现在我们只要把P和N通过一根导线相连，由于电势差的存在电流就跑起来了，这就是太阳能电池最基本的原理，现在的太阳能电池的转化效率，已经可以轻松做到15%以上了甚至是20%多，但是原理大同小异，人们更多的是在材料的选择和具体的做工上下功夫，好吧这块咱们找机会再细聊，关于半导体和太阳能电池咱们就介绍到这，这期可能也不是很好理解，是不是都已经没人了啊？
下期来电简单的，我是妈咪叔一个较真儿的理工男，下期见拜拜。