什么是半导体？N型P型有啥区别？太阳能电池原理（上）

妈咪说，知识就是力量。大家好，我是毛秘书啊。呃，之前呢我们说有机会就和大家介绍一下诺奖的这个热门领域啊，那接下来两期呢，咱们就来介绍其中一个也是一种电池。哎，就是生活当中常见的太阳能电池。准确的说呢，有机会这个获得诺奖的这项技术啊，叫做钙钛矿太阳能电池啊。

呃，但是别着急啊，呃，这期视频呢，咱们得先来做点铺垫啊，这期呢主要咱们就来介绍一下半导体啊。那人们为什么要想办法说利用太阳能？其实还是那个老问题啊，因为能源危机啊，对吧，现在人类主要依赖的这个能源啊，这都是不可再生资源，你像石油，天然气，包括核能啊，你这些东西你采没了，那就没有了啊。而且呢，你使用过程当中还会污染环境，那如果说不加以控制啊，或者说再加把劲儿挥霍一下，对吧？那很有可能像我们这一辈儿啊，有生之年是能够看到某个能源啊彻底消失了，那怎么办呢？所以就得想办法开发一些其他的这个替代能源啊，于是就有了可再生资源。其实所谓可再生啊，就是指在可预见的未来可再生啊，比如说什么太阳能，风能啊，地热能等等，只要地球太阳不毁灭啊，那这些能源呢，每天就都和新的一样啊。你这要是能利用起来啊，那自然也是极好的啊。所以太阳能啊，其实很早之前啊就被人们盯上了。但是如何把太阳光转化成电能呢？那最笨的办法啊，你看啊，太阳光可以提供热呀，对吧？那我就烧开水，然后用来发电呗，行不行呢？啊，行啊。不过每一次能量的转换都会伴随着损耗啊，所以你这个办法它的转化率自然就不会很高啊。

我们想要的是，如何能够把太阳能直接变成电能呢？最早发现这个原理的人啊，那我一说，各位肯定也能想起来啊。他叫做贝克勒啊。有同学说，哎，这不是发现天然放射性的贝克勒尔吗？不是啊，那个叫亨利贝克勒尔啊。不过呢，咱们在介绍亨利贝克勒尔的时候啊就说过，说他家祖传三代都是研究灵光的啊，还记得吧，所以啊，这位是亨利贝克勒尔的父亲啊，叫做爱德蒙贝克勒尔，你像研究磷光物质，那咋研究啊？那就得说拿不同的东西我放到太阳下去晒啊。结果呢，1839年有这么一天啊，这个埃德蒙贝克勒尔他就发现他把这个氯化银啊放在酸溶液里边儿啊。然后呢，再接两个薄电机啊，然后拿到这个太阳下边儿去晒，哎，这两个跛电极之间啊，它就会出现电压。诶，这什么情况呢？啊，这当时原理啊还不太清楚，所以后来呢，人们就只给起了个名儿，说光照可以生成伏特啊，就是电视的这个单位，对吧？那就叫光生伏特效应吗？哎，简称光伏啊。我们现在的太阳能技术都是利用到了光伏效应啊。

呃，所以太阳能电池也叫做太阳能光伏电池。可是光伏效应具体这是什么原理呢？咱们简单来说一下，还记得光电效应吗？说紫外线啊，照射到金属板上，可以把这个电子给打出来啊。那咱们先来换一个思路来理解一下这个光电效应，说为啥金属导体的电子啊能被打出来，绝缘体的它就不行呢？那我们现在啊就脑补把这个物质的原子呢，给它拆分开。原子是由原子核和电子组成的，对吧？那我们现在假设说呢，在底下这一层，这都是原子核啊，这原子核带正电呢，所以它肯定是要吸引电子，对吧？而且呢，你离原子核越近，那你这个电子呢，它被束缚的它就越强啊。这很好理解对吧？那我们就在这个原子核上面儿给它划分出一个层来啊，这个区域内的电子理想情况下就是被这个原子核它仅仅暴露了对吧。任凭风吹雨打这电子就是不离不弃啊，我们把这个区域呢？叫做嫁电贷啊，简称嫁贷但是啊，并不是所有的电子都能在这个假带待着的啊，因为对于电子来说啊，有一个这个泡利不相容原理还记得吧说两个全铜的非米子啊。不能够处在同一个能量态啊。啥意思呢？就是说这电子它很傲娇啊，这个价贷啊。

它其实也是细分为若干个能级的，每个能级最多就只能够带两个电子，并且呢还得自旋。相反，这就像说有一栋楼一样对吧？说一到五层哎，这是价，带电子呢，可以入住，但是是电子要求说我只能和异性住在一起。而且呢，你这一层啊，就最多就住我们俩人儿啊，别人住不进来了。那这样就导致一个结果啊，就是价在它可容纳的电子的数量呢，是有限的你比如说刚才那个例子啊。那就是十个电子啊，就注满为止了。

可是如果要是还有其他的电子，那怎么办呢？那就只能再往高层住了啊。呃，一般来说啊，还有一个规定，就是这个架带往上呢，它有一个区域啊，这是不允许电子居住的啊。那像这样的能量带呢，我们就叫做近带啊，你比如说六到十层，对吧，你这样多余的这个电子，它就只能住在十层以上。那近代上方的这个区域呢，就叫做倒带啊，什么意思啊，就是这些电子，它由于离这个原子核它比较远了啊。所以呢它们就比较自由啊，你比如说这个定向移动，导电啥的，对吧？那这个架带，紧带，还有这个导弹，哎，这就是物质的能带结构啊，其中这个架带和导弹呢是可以居住电子的啊。中间这个能系啊，就是这个紧带它是不可以居住电子的那刚才咱们说的就只是一个大致的这个这个结构层次。

而且啊，咱们说说价带的电子，它理论上比较忠诚对吧，就对原子核不离不弃。但是真实情况是啊，第一，一般情况下呢，这个电子它并没有那么多啊，就价带的这个楼层啊，就足够住了啊。第二，价带的电子啊，它也并不是都老老实实呆着的有一些它也想出个轨啥的对吧，那咱们设想一下啊，说什么样的条件下这个电子它更容易出轨呢。首先啊，你这些电子啊，最好得在这个架在的最外边儿，对吧，就是得尽量离这个原子核远一点儿啊。其次呢，你得有外部诱惑，哎，也就是你得有能量的刺激啊，不吸收能量电子，这这是不会跃迁的啊。

再次，你这个诱惑呢，还得足够大啊，你不忘了这个架带上面儿还有一层近带呢，对吧？你只有电子吸收的这个能量大于近带的能量啊，它才有可能跑到这个导弹上去啊。从此呢，也就算是脱离这个原子核的束缚了啊。能能听明白吧？那你说如果这个近带它这个区域啊，它特别的窄，对吧，或者说干脆我就没有近带了，那你价带的这个最外层的这个电子。它会不会更容易的出轨呢？就是更容易跑到这个导弹上去呢？来。是的啊，而且这种材料啊，还真的就存在，其实就是我们通常说的导体啊。对于固体导体来说啊，它们就几乎不存在这个能性啊，也就是说它没有这层浸带了啊，你架在上面儿呢，它直接就是导带啊。所以导体即便在室温情况下，这个架带外层的电子呢，就可以轻而易举的就跑到这个导弹上去啊。这就是导体可以导电的原因那如果说我此时啊加大这个能量的诱惑，那比如说我使用这个紫外线照射，那么处于导弹这个电子呢，它就还想继续再往上跑对吧，那就有可能说脱离这个材料本身就被打出去了哎。这就是光电效应那什么是绝缘体呢？就是架带和这个导带之间的这个间隙啊，它巨宽无比啊，一般就是大于三个这个电子伏特以上啊。

你这样在试温下由于没有足够的这个能量啊，那电子呢，就只能在这个架带上待着啊，那导带上就没有电子了。啊，也就不可以导电了。那即便说我们使用紫外线照射那你这个能量也不够让电子啊，就越迁到这个导弹上来啊，就是因为这个近带它很宽能明白吧。所以一般我们说光电效应啊，就是指金属板就导体啊，那你说，如果我们说不断地提高这个电磁波。它的频率对吧？就加大这个光子它的能量有没有可能让绝缘体产生光电效应呢？哎，就是把这个电子给它打出来呢。

啊，有可能啊，但是那就不叫光电效应了啊，叫什么呀？叫电离辐射啊，比如说什么伽马射线，X射线，对吧，这能量很高啊，它几乎是可以电离任何原子啊，或者是分子啊。其实这就是说电子吸收了这个足够多的这个能量了。突破了。这个紧带的束缚啊，甚至是导弹我都不愿意待了。就直接就电离了。啊，能明白吧。好那咱们现在就可以重新来定义导体和绝缘体了。

啊，导体就是架带和导弹之间没有能系的这种物质啊。那绝缘体是什么呢？绝缘体就是这个能系比较宽啊，就大于三个电子伏特的这种物质啊。那有没有说架带和导弹之间的这个能性啊，它小于三个电子伏特的物质呢？油啊，这种物质就叫做半导体啊。通俗的说啊，就是导电能力介于导体和卷体之间的，这个物质就叫做半导体。但是呢，这个半导体有一些特殊的性质，所以半导体的应用很广啊。你比如说半导体的这个能性啊，它比较容易受到外界因素的影响而改变啊。那具体什么因素呢？比如说温度啊，温度升高的时候啊，它这个能性呢就会减小啊。

能性减小什么意思啊？就是电阻率会变小啊，而且这种变化还是线性。所以半导体可以干啥呀？可以当温度传感器啊，就是理论上我设计一个电路，我只要能够检测到这个电阻率的变化，哎，那我就可以知道这个温度的变化了。那还有其他的影响你再比如说光照也可以改变半导体它的电阻率啊，这个特点又可以干啥呢？哎，比如说这个楼道里边儿的这个声控灯啊，咱们先不管说声音是如何让这个灯泡亮啊，但是声控灯有一个特点啊，那就是呢，你只要白天啊，不管你怎么去这个大吵大叫，对吧？这个灯它就是不亮，只有晚上的时候它才会亮。而且它不需要人为控制啊，这是因为啥呢？就是因为声控灯当中含有这个半导体材料啊。当白天有光照的时候呢，它这个电阻啊就会变得很高啊，就相当于是绝缘状态了啊，这电路断开了，自然呢也就不会亮了。但是到了晚上呢，它没有这个光照的时候啊，它电阻路就会变得很小，哎，就可以导电了，你看这半导体好玩儿是吧，你再比如说这个半导体的导电性呢。还很容易受到杂质的影响啥意思呢，比如说啊，这个纯硅它就是一种半导体啊，它的导电性啊，就是介于这个导体和绝缘体之间的。但是我们只要在这个纯柜当中啊，掺杂一些微量的其他元素，诶，它的这个电阻率啊就会显著的下降啊。

这个特点啊就比较有意思啊。咱们先来说两个概念，像纯规啊，纯者这类，就是不添加杂质的这个半导体啊，我们叫做本征半导体啊，或者叫做无杂质半导体。那如果说是添加杂质的这个半导体呢，就叫做杂质半导体啊。但这只是其中一种分法啊，就是按照这个杂质来划分的啊，那如果要是按照这个化学成分来划分呢。像硅锗这种就是单一元素的半导体也叫做元素半导体啊，像什么深化镓啊，氮化镓这种就由化合物构成的半导体呢。就叫做化合物半导体就只是划分的标准不同啊，那咱们啊，先来看说这个纯规的这个本征半导体硅元素有几个电子啊？说硅十四有十四个电子对吧？这电子的排布呢，就是二八四，最外层呢，它有四个电子啊。那我们说元素的化学性质啊，是由最外层电子决定的对吧？所以呢，硅最外层这四个电子啊，它就会有这样一种倾向啊，就是呢，要么你就再给我四个电子啊，我凑八个整啊。要么呢，我就想把这四个电子啊给它扔了啊。

那假如说有一堆硅原子在一起，构成这个硅晶体的时候会产生什么样的效果呢，你比如说啊，这是一排一排的这个硅原子啊，哎，你会发现每一个硅原子它上下左右啊。它都会相邻一个硅原子于是呢就会出现这样一种奇妙的组合，就是每一个硅原子呢，把它自己最外层的这个电子啊，给它上下左右啊各放置一个，然后去和相邻的这个硅原子共用这些电子。那结果就相当于是每一个硅原子呢，它凑齐了八个电子啊。能想象出来不？这种组合啊，一切都很美好啊。但是直到我们往这里边儿掺杂一些杂志的时候啊，这情况啊就变得不一样了。

你比如说，我现在把其中一个硅原子呐，给它换成磷原子啊，这零有多少个电子啊？零十五有十五个电子对吧？那排布呢，就是二八五啊，最外层有五个电子了。哎，那就会出现这种情况，就是我最外层这五个电子只有四个适合相邻的，这个硅是共用的，那多于出一个，它是无处安放的电子，对吧？那这个电子是不是就比较自由啊，你只要掺杂一个这个磷原子，它就会出现一个就这样无处安放的电子啊。哎，但是注意啊，这整体它还是电中性啊，因为我们掺杂的是原子，就只不过说多余，除了这个电子，它比较自由而已啊。能明白吧？那如果说我现在啊不掺杂磷了啊，你比如说我掺杂硼啊，五号元素一共呢，五个电子啊，最外层有三个电子啊。那假如我们把其中一个硅啊，现在给它换成棚这个硼呢，它就只能拿出三个电子啊和周围的这个硅去供用。

对吧？那这就相当于啊，这这个硼原子它和相邻的某一个硅原子在最外层呢，就只凑足了七个电子，总感觉不舒服对吧？你凑八个多好啊。因此我们说，在这个位置上啊，就相当于是出现了一个空穴，这个空穴就是相当渴望有电子的补充的。哎，就是要给它添满啊。那细心的同学肯定发现了，说掺杂磷的这个硅半导体啊，它是有多余的电子啊。说掺杂棚的这个硅半导体呢，哎，它是渴望有电子的补充。哎，那这是啥呀？冥冥之中好像是出现电视差了呀。你看有点儿意思了吧？啊，那别着急，我们刚才说了说，掺入杂质的这个硅半导体啊，它的电阻率会显著的降低，对吧？那现在明白为啥了吧？如果是掺入磷，那就相当于是你这个半导体的表面呢。它有多余的自由电子这些电子它就可以用来导电了。

我们把这类杂质半导体称作N型半导体这个N就表示电子的电信NEXT啊。那可是我掺入了棚的这个硅半导体啊，它主要靠什么导电呢？因为有空穴啊。那为了方便讨论啊，我们就可以把这个空穴呢给它当作是一个正电子，这样我们就像是说可以自由移动的空穴一样啊。但是注意啊，这个空穴它并不是真正的正电子啊，就只是等效。你知道吧，那我们就把这类半导体啊称作是P型半导体啊，这个P就是POT啊，带正电的意思。那这样我们就知道了，说杂质半导体啊，有细分为N型半导体和P型半导体啊。那当我们把这个N型和P型给它合在一起的时候，会发生什么呢？就会形成所谓的PN阶啊，最广泛的应用就是二极管啊。那好时间关系啊。

这期内容呢，可能也不怎么好理解啊。那咱们就说这么多，下期咱们再来继续介绍什么是PN节，以及如何利用PN节来太阳能发电呢？我是妈咪叔，一个较真的理工男，下期见拜拜。嗯，