一、半導體
1半導體在化學元素表中的位置和結構
自然界中的物質可分為氣體、液體、固體、等離子體 4 種基本形態。在固體材料中，根據其導電性能的差異，又可分為金屬、半導體和絕緣體。例如，銅、鋁、金、銀等金屬；它們的導電本領都很大，是良好的導體；橡膠、塑料、電木等導電本領很小，是絕緣體；製造半導體器件的主要材料矽、鍺、砷化鎵等，它們的導電本領比導體小而比絕緣體大，叫做半導體。
物體導電本領的大小可用電阻率（ω·cm）來表示。電阻率越低,相應導電能力越好。導電能力也導電率衡量，電阻率的倒數。
半導體的電阻率在10-3 — 109ω·cm之間,導體的電阻率：10-6 — 10-4ω·cm，絕緣體的電阻率：1010 — 1022ω·cm。
常見的半導體材料有元素半導體和化合物半導體。
二元化合物半導體是由週期表中的兩種元素組成。例如，iii-v族元素化合物半導體砷化鎵（gaas）是由iii族元素鎵（ga）及v族元素砷（as）所組成。除了二元化合物半導體外，三元及四元半導體化合物半導體也各有其特殊用途。
由iii族元素鋁（al）、鎵（ga）及v族元素砷（as）所組成的合金半導體alxga1-xas即是一種三元化合物半導體，而具有axb1-xcyd1-y形式的四元化合物半導體則可由許多二元及三元化合物半導體組成。例如，合金半導體gaxin1-xasyp1-y是由磷化鎵（gap）、磷化銦（inp）、砷化銦（inas）及砷化鎵（gaas）所組成。與元素半導體相比，製作單晶體形式的化合物半導體通常需要較複雜的程式。
矽作為最常見的半導體材料，位於元素週期表中的第ⅳ主族，其特點是原子的最外層有4個價電子。矽的原子序數為14，其原子的原子核外電子排布為2-8-4，矽晶體靠共價鍵結合，晶格結構屬於正四面體的金剛石結構。
半導體化合物有砷化鎵iii-v化合物、硫化鎘、銅銦硒等。
2半導體的特殊性質和能帶理論
1.半導體的特殊性質
金屬、半導體和絕緣體之間的界限並不是絕對的。通常，當半導體中的雜質含量很高時，電導率很高，呈現出一定的金屬性，而純淨半導體在低溫下的電導率很低，呈現出絕緣性。半導體的導電性的特點大致可歸納於以下幾個方面。
半導體的電阻率對溫度的反應靈敏。純淨半導體的電阻率隨溫度變化很顯著，而且電阻率隨溫度公升高而下降。例如純鍺，當溫度從20℃公升高到30℃時，電阻率就降低一半左右。
而金屬的電阻率隨溫度的變化比較小，而且隨溫度公升高電阻率增大。
微量的雜質能顯著地改變半導體的電阻率。例如在純矽中摻入6×1015 /cm3 的雜質磷或銻，即在矽中摻入千萬分之一的雜質，就能使它的電阻率從 2.15×105ω·cm 減小到1 ω·cm ，降低了 20 萬倍。
晶格結構的完整與否也會對半導體導電性能有極大的影響。因此在製作半導體器件時除人為地在半導體中摻入有用雜質來控制半導體的導電性外，還要嚴格防止一些有害雜質對半導體的沾汙，以免改變半導體的導電性能。但金屬中含有少量雜質時，看不出電阻率會有什麼顯著的變化。
適當的光照可使半導體的電阻率顯著改變。當某種頻率的光照射半導體時，會使半導體的電阻率顯著下降，這種現象叫光電導。自動控制中用到的光敏電阻就是利用半導體的光電導特性來製成的。
但是，金屬的電阻率不受光照影響。
半導體的導電性能非常靈敏地依賴於外界條件、材料的純度以及晶體結構的完整性等。半導體的導電性能所以有上述特點是由半導體內部特殊的微觀結構所決定的。
半導體還有其他許多特殊的性質，如光生伏特效應，半導體在電場和磁場中表現出來的霍爾效應、磁阻效應，以及在對半導體施加壓力時產生的壓阻效應等。這些性質與半導體的電子狀態、運動特點及能帶都有密切的關係。
2半導體的能帶理論
固體能夠導電，是固體中的電子在外電場作用下作定向運動的結果。由於電場力對電子的加速度作用，使電子的運動速度和能量都發生了變化。換言之，即電子與外電場間發生了能量交換。
從能帶理論來看，電子的能量變化，就是電子從乙個能級躍遷到另乙個能級上去。對於滿帶，其中的能級已為電子所佔滿，在外電場作用下，滿帶中的電子並不形成電流，對導電沒有貢獻。對於被電子部分佔滿的能帶，在外電場作用下，電子可從外電場中吸收能量躍遷到未被電子佔據的能級去，形成了電流，起導電作用，常稱這種能帶為導帶。
即電子所處的能量狀態稱為能帶，填滿了電子的能帶（稱為滿帶）是不能導電的，沒有電子的能帶（稱為空帶）也不導電，只有在有電子但還沒有填滿的能帶可以導電（稱為導帶）。
半導體的能帶如下圖所示，即下面是已被價電子佔滿的滿帶（其下面還有為內層電子佔滿的若干滿帶未畫出），亦稱價帶，中間為禁帶，上面是空帶。在絕對溫度為零時，在外電場的作用下並不導電。當外界條件發生變化時，例如溫度公升高或有光照時，滿帶中有少量電子可能被激發到上面的空帶中去，使能帶底部附近有了少量電子，因而在外電場作用下，這些電子將參與導電；同時滿帶中由於少了一些電子，在滿帶頂部附近出現了一些空的量子狀態，滿帶變成了部分佔滿的能帶，在外電場作用下，仍留在滿帶中的電子也能夠起導電作用，常稱這些空的量子態為空穴。
所以在半導體中，導帶的電子和價帶的空穴均參與導電。室溫下，矽的禁帶寬度為1.12ev，鍺為0.
67 ev。電子移動（激發）後，在原來的位置上會留下乙個空位，成為空穴，當電子又回到原來的位置，成為與空穴的復合。
eg 禁帶
3半導體中的雜質
化學成分純淨的半導體稱為本徵半導體。前面已經提到，在純矽中摻入6×1015 /cm3 的雜質磷或銻，即在矽中摻入千萬分之一的雜質，就能使它的電阻率從 2.15×105ω·cm 減小到1 ω·cm ，降低了 20 萬倍。
即在半導體中，雜質可根本性地改變它的電效能。
雜質的**
由於製備半導體材料的技術水平和能力有限，總不可避免地使半導體中存在有沒用的雜質（非ⅲ、ⅴ族），如鐵、碳、氧等，成為有害雜質。而有些雜質是生產過程中故意摻入的，如摻入適量的磷或者硼（ⅲ、ⅴ族）等，以有效改善和利用半導體的電學效能。
摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入五價元素的雜質（鱗、銻或砷）可形成n型半導體，摻入三價元素的雜質（如硼，鎵、銦或鋁）可形成p型半導體。摻入雜質的本徵半導體稱為雜質半導體。
ⅲ、ⅴ族雜質
在半導體中人為摻入的ⅲ、ⅴ族雜質，在晶體中一般是替代晶體原子而佔據晶格位置。
先以矽中摻磷（p）為例說明ⅴ族雜質的作用。
磷原子有五個價電子，其中四個價電子與周圍的四個矽原子形成共價鍵，還剩餘乙個價電子。同時磷原子所在處也多餘乙個正電荷+q ，稱這個正電荷為正電中心磷離子（p+）。這個多餘的價電子就束縛在正電中心p+的周圍，但這種束縛作用比共價鍵的束縛作用弱得多，只要很少的能量就能使它掙脫束縛，成為導電電子。
使這個多餘的價電子掙脫束縛成為導電電子所需的能量稱為施主雜質電離能，用△ed表示。磷在矽中的電離能很小，約為0.04-0.
05ev，在室溫下絕大部分電離，雜質電離後，導帶中的導電電子增多，增強了半導體的導電能力。通常把這種依靠導帶電子導電的半導體稱為n半導體，n即negative（負）的意思。
以矽中摻硼（b）為例說明ⅲ族雜質的作用。
硼原子有三個價電子，當它與周圍的矽原子形成共價鍵時，還缺少乙個電子，必須從別處的矽原子中奪取乙個價電子，於是在矽晶體的共價鍵中產生乙個空穴，而硼原子接受乙個電子後，成為帶負電的硼離子（b-）。這個空穴受b-的束縛，但這個束縛能很小，使空穴掙脫束縛成為導電空穴所需能量稱為受主雜質電離能。硼在矽中的電離能很小，約為0.
045-0.065 ev 。在室溫下基本全部電離，稱以空穴導電為主的半導體為p型半導體，p即positive（正）的意思。
非ⅲ、ⅴ族雜質
這些雜質含量一般極少，它們對半導體的導電電子濃度，導電空穴濃度（通稱載流子濃度）和導電型別的影響沒有ⅲ、ⅴ族雜質顯著。但對載流子的復合作用比ⅲ、ⅴ族雜質強，故稱這些雜質為復合中心，例如金（au）。而這些雜質往往是生產上所不想出現的有害雜質。
p-n結的定義
結是含電子的區域(n型區)與含空穴的區域(p型區)的分界處。結的具體位置是電子濃度與空穴濃度相同的地方。形成結的做法是熱擴散或離子注入。
擴散的概念
擴散的發生需要兩個必要的條件：第一，一種材料的濃度必須高於另外一種材料的濃度。第二，系統內部必須有足夠的能量使高濃度的材料進入或通過另一種材料。
p-n結的形成
在一塊n型（或n型）半導體單晶上，用適當的工藝方法（如合金法、擴散法、生長法、離子注入法等）使p型（或n型）雜質摻入其中，使這塊單晶的不同區域分別具有n型和p型的導電型別，在二者的交界處就形成了p-n結。
p-n結空間電荷區的形成
當p型和n型半導體兩者緊密接觸時，在p型和n型交介面處，由於存在載流子濃度差而導致載流子的擴散運動。空穴從p區向n區擴散，電子從n區向p區擴散。對於p區，空穴離開後留下不可移動的帶負電荷的電離受主；對於n區，電子離開後留下不可移動的帶正電荷的電離施主。
這樣，在p-n結交介面附近就出現乙個p側為負，n側為正的空間電荷區。電荷區內的正電荷將形成由n區指向p區的電場，由於空間電荷區電場是由結介面兩邊的載流子擴散而建立的，不是外加的，因而稱為p-n結自建電場或內建電場。
太陽能電池原理
什麼是太陽能電池 太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。太陽能電池的原理 太陽光照在半導體p n結上，形成新的空穴 電子對，在p n結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路後就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。一 太陽能發電方式太陽能發...
太陽能電池工作原理
普通的太陽能電池，也就是第一代太陽能電池 晶矽太陽能電池。其在陽光的照射下會產生電壓，這與其內部的少數載流子運動和重新分布有關。擋光照射在半導體上時，半導體中的電子會吸收光子的能量，擺脫原子核的束縛，形成帶負電的電子和帶正點的空穴。這種情況會使pn結兩邊的少數載流子濃度劇增而導致重新分布，pn結兩端...
太陽能電池工作原理
將光子轉換為電子 計算器和人造衛星上使用的太陽能電池都是光伏電池或者模組 模組就是一組通過電路連線並封裝在乙個框架內的電池 光伏電池 photovoltaics 顧名思義 photo 光，voltaic 電 是指將太陽光轉換為電能的電池。光伏電池之前只用在太空中，而現在卻越來越普及，且使用方式也越來...