第12节专用二极管 (修订中)

[TOC]

# 1. 肖特基二极管

_S__肖特基二极管_由_金属_到 N 结而不是 PN 半导体结构成。肖特基二极管也称为_热载流子_二极管，具有开关时间快（反向恢复时间短）、正向压降低（金属-硅结通常为 0.25 至 0.4 伏）和结电容低的特点。

肖特基二极管的原理图符号如下图所示。

肖特基二极管原理图符号。

# 2. 肖特基二极管的优缺点

肖特基二极管的正向压降 (VF)、反向恢复时间 (trr) 和结电容 (CJ) 比平均[“整流”二极管](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 电源 (opens new window)。

# 3. 肖特基二极管的应用

肖特基二极管技术 (opens new window)在高速计算机电路中得到广泛应用，其中快速开关时间等同于高速能力，低正向压降等同于导通时的较小功耗。

工作频率为 100 kHz 的开关稳压器电源不能使用传统的硅二极管作为整流器，因为它们的开关速度很慢。当施加到二极管的信号从正向偏压变为反向偏压时，导通会持续很短的时间，同时载流子被扫出耗尽区。_只有在这个 tr反向恢复时间_到期后，传导才会停止。肖特基二极管的反向恢复时间较短。

无论开关速度如何，硅二极管的 0.7 V 正向压降都会导致低压电源效率低下。例如，在 10 V 电源中，这不是问题。在 1 V 电源中，0.7 V 压降是输出的很大一部分。一种解决方案是使用具有较低正向压降的肖特基功率二极管。

# 4. 隧道二极管

隧道二极管_利用一种称为_谐振隧道效应_的奇怪量子现象来提供负电阻正向偏置特性。当在隧道二极管上施加一个小的正向偏置电压时，它开始传导电流。（下图（b））随着电压的增加，电流增加并达到一个峰值，称为_峰值电流（IP）。如果电压再增加一点，电流实际上开始_减小，直到达到称为__谷电流_(IV)的低点。如果电压进一步增加，电流开始再次增加，这一次不会减少到另一个“谷”。隧道二极管的示意图如下图（a）所示。

隧道二极管 (a) 示意图。 (b) 电流与电压图 (c) 振荡器。

隧道二极管 (a) 示意图。(b) 电流与电压图 (c) 振荡器。

将隧道二极管驱动到其峰值和谷值电流所需的正向电压分别称为峰值电压 (VP) 和谷值电压 (VV)。图中电流减小而施加电压增加的区域（水平刻度上的 VP 和 VV 之间）被称为_负电阻_区域。

隧道二极管，也被称为_江崎二极管_，以纪念他们的日本发明家 Leo Esaki，能够非常快速地在峰值和谷值电流水平之间转换，甚至比肖特基二极管更快地在高导通状态和低导通状态之间“切换”。隧道二极管的特性也相对不受温度变化的影响。

反向击穿电压与掺杂水平的关系。思后 [SGG]

反向击穿电压与掺杂水平的关系。思后[SGG] (opens new window)

# 5. 隧道二极管的特性

隧道二极管在 P 区和 N 区都进行了重掺杂，是整流器中浓度的 1000 倍。这可以在上图中看到。标准二极管位于最左侧，齐纳二极管位于左侧，隧道二极管位于虚线右侧。重掺杂产生异常薄的耗尽区。这会产生异常低的反向击穿电压和高泄漏。薄耗尽区导致高电容。为了克服这个问题，隧道二极管结面积必须很小。

正向二极管特性由两个区域组成：电流呈指数上升超过 VF 的正常正向二极管特性，Ge 为 0.3 V，Si 为 0.7 V。

在 0 V 和 VF 之间是一个额外的“负电阻”特征峰。这是由于涉及电子的双粒子波性质的量子力学隧道效应。与它们可以隧道通过的电子的等效波长相比，耗尽区足够薄。它们不必克服正常的正向二极管电压 VF。N型材料的导带能级与P型区的价带能级重叠。随着电压的增加，隧道效应开始；层次重叠；电流增加，达到一个点。随着电流进一步增加，能级重叠减少；电流随着电压的增加而减小。这是曲线的“负阻力”部分。

# 6. 隧道二极管的应用

隧道二极管不是好的整流器，因为它们在反向偏置时具有相对较高的“泄漏”电流。因此，它们仅在其独特的隧道效应有价值的特殊电路中得到应用。为了利用隧道效应，这些二极管保持在峰值和谷值电压电平之间某个位置的偏置电压，始终处于正向偏置极性（阳极正极，阴极负极）。

也许隧道二极管最常见的应用是在简单的高频振荡器电路中，如上图（c）所示，它允许直流电压源为 LC“坦克”电路提供电力，当电压穿过它达到峰值（隧道）水平并在所有其他电压下有效绝缘。电阻器将隧道二极管偏置在以特性曲线的负电阻部分为中心的十分之几伏特。LC谐振电路可以是用于微波操作的波导的一部分。可振荡至 5 GHz。

# 7. 隧道二极管的历史

曾经，隧道二极管是唯一可用的固态微波放大器。隧道二极管从 1960 年代开始流行。它们比行波管放大器寿命更长，行波管放大器是卫星发射器的一个重要考虑因素。由于重掺杂，隧道二极管也能抵抗辐射。

今天，各种晶体管在微波频率下工作。即使是小信号隧道二极管也很昂贵，现在也很难找到。锗隧道二极管的制造商仅剩一家，而硅器件则没有一家。它们有时用于军事装备，因为它们对辐射和大的温度变化不敏感。

已经有一些研究涉及可能将硅隧道二极管集成到 CMOS 集成电路中。它们被认为能够在数字电路中以 100 GHz 的频率进行切换。锗器件的唯一制造商一次生产一个。必须开发硅隧道二极管的批处理工艺，然后与传统的 CMOS 工艺集成。[深圳] (opens new window)

Esaki 隧道二极管不应与_谐振隧道二极管_ CH 2 (opens new window)混淆，后者由化合物半导体制成，结构更为复杂。RTD 是一种较新的开发，能够实现更高的速度。

# 8. 发光二极管

# 8.1. 辐射能发射原理

与所有半导体器件一样，二极管受量子物理学中描述的原理控制。这些原理之一是每当电子从较高能级下降到较低能级时，都会发射特定频率的辐射能。

这与氖灯的工作原理相同，电离氖的特征性粉橙色辉光是由于其电子在电流中的特定能量跃迁所致。氖灯发光的独特颜色是由于管内的_氖_气，而不是由于通过管的特定电流量或两个电极之间的电压。氖气在很宽的电离电压和电流范围内都会发出粉橙色的光。当其电子在不同的量子化能级之间“跳跃”时，每种化学元素都有自己的“签名”辐射能发射。例如，氢气在电离时会发出红色光；水银蒸气发出蓝光。这就是使元素的光谱识别成为可能的原因。

# 8.2. LED 中的辐射能发射

流过 PN 结的电子会经历类似的能级跃迁，并在此过程中发射辐射能。这种辐射能的频率由半导体材料的晶体结构和构成它的元素决定。一些由特殊化学组合组成的半导体结在电子改变能级时会在可见光光谱内发射辐射能。简而言之，这些结在正向偏置时_会发光。有意设计成像灯一样发光的二极管称为_发光二极管_或_LED。

# 8.3. 电致发光

当来自 N 型和 P 型区域的电子和空穴分别在结处复合时，正向偏置硅二极管会释放热量。在正向偏置 LED 中，下图 (c) 中的有源区中电子和空穴的复合产生光子。这个过程被称为_电致发光_。为了释放光子，电子落下的势垒必须高于硅二极管。对于某些彩色 LED，正向二极管压降可以达到几伏。

由镓、砷和磷（称为砷化镓-磷化物）组合而成的二极管) 发出明亮的红色，并且是一些最常见的 LED 制造。通过改变PN结的化学成分，可以获得不同的颜色。早期的 LED 是红色、绿色、黄色、橙色和红外线，后来的 LED 包括蓝色和紫外线，紫色是最新添加的颜色。其他颜色可以通过将两个或多个原色（红色、绿色和蓝色）LED 组合在同一封装中并共享同一光学透镜来获得。这允许使用多色 LED，例如使用红色和绿色（可以产生黄色）的三色 LED（在 1980 年代可以买到）和后来的覆盖整个色谱的 RGB LED（红色、绿色和蓝色）。

# 8.4. LED 的示意图符号

LED 的示意图符号是一个圆形内的规则二极管形状，两个小箭头指向远处（表示发射光），如下图（a）所示。

LED，发光二极管：(a) 示意图符号。 (b) 器件的扁平侧和短引线对应阴极，以及阴极的内部布置。 (c) LED 模具的横截面。

LED，发光二极管：(a) 示意图符号。(b) 器件的扁平侧和短引线对应阴极，以及阴极的内部布置。(c) LED 模具的横截面。

这种具有两个指向远离器件的小箭头的符号是所有发光半导体器件的示意图符号所共有的。相反，如果设备是光_激活_的（意味着入射光会刺激它），则该符号将有两个指向它的小_箭头_。LED可以感应光。它们暴露在光线下时会产生很小的电压，就像小规模的太阳能电池一样。这一特性可以有效地应用于各种光传感电路。

# 8.5. 发光二极管操作

因为 LED 与硅二极管是由不同的化学物质制成的，所以它们的正向压降会有所不同。通常，LED 的正向电压降比整流二极管大得多，根据颜色的不同，从大约 1.6 伏到超过 3 伏不等。标准尺寸 LED 的典型工作电流约为 20 mA。当使用大于 LED 正向电压的直流电压源操作 LED 时，必须包含一个串联的“降压”电阻器，以防止全电源电压损坏 LED。考虑下图 (a) 中使用 6 V 电源的示例电路。

将 LED 电流设置为 20 毫安。 (a) 6 V 电源，(b) 24 V 电源。

将 LED 电流设置为 20 毫安。(a) 6 V 电源，(b) 24 V 电源。

随着 LED 下降 1.6 伏，电阻两端将下降 4.4 伏。根据欧姆定律 (opens new window)(R=E/I) ，为 20 mA 的 LED 电流确定电阻器的大小非常简单，只需将其压降 (4.4 V) 除以电路电流 (20 mA )。这给了我们一个 220 Ω 的数字。

计算这个 220 Ω 电阻器的功耗，我们将其电压降乘以它的电流 (P=IE)，最终得到 88 mW，完全在 1/8 瓦电阻器的额定值范围内。

更高的电池电压将需要更大值的降压电阻器，并且可能还需要更高额定功率的电阻器。考虑上图 (b) 中的示例，电源电压为 24 伏：

在这里，降压电阻器必须增加到 1.12 kΩ 的大小，以在 20 mA 时下降 22.4 伏，这样 LED 仍然只接收 1.6 伏。这也导致更高的电阻器功耗：448 mW，接近半瓦的功率！显然，如果在此处使用额定功耗为 1/8 瓦甚至 1/4 瓦的电阻器会过热。

# 8.6. LED 电路中的降压电阻器

对于 LED 电路，降压电阻值不需要精确。假设我们在上面显示的电路中使用 1 kΩ 电阻而不是 1.12 kΩ 电阻。结果将是电路电流和 LED 电压降稍大，从而导致 LED 发出更亮的光并略微降低使用寿命。电阻过大的降压电阻器（例如，1.5 kΩ 而不是 1.12 kΩ）将导致电路电流减少、LED 电压降低和光线变暗。LED 对所施加功率的变化非常宽容，因此您无需在调整降压电阻器时力求完美。

# 8.7. 电路中的多个 LED

有时需要多个 LED，例如在照明中。如果 LED 并联运行，每个 LED 都必须有自己的限流电阻，如下图 (a) 所示，以确保分流更均匀。然而，使用单个降压电阻器串联操作 LED 会更有效（下图 (b)）。随着串联 LED 数量的增加，串联电阻器值必须减小以保持电流，达到一个点。串联 LED 的数量(Vf) 不能超过电源的能力。可采用多串串，如下图(c)所示。

尽管均衡了多个 LED 中的电流，但由于各个部件的差异，设备的亮度可能不匹配。可以选择零件用于关键应用的亮度匹配。

多个 LED：(a) 并联，(b) 串联，(c) 串并联

此外，由于其独特的化学成分，LED 的峰值反向电压 (PIV) 额定值比普通整流二极管低得多。在反向偏置模式下，典型 LED 的额定电压可能仅为 5 伏。因此，当使用交流电为 LED 供电时，应将保护整流二极管与 LED 反并联，以防止每隔半个周期反向击穿，如下图（a）所示。

用交流电驱动 LED

上图（a）中的反并联二极管可以换成反并联LED。由此产生的一对反平行 LED 在交流正弦波的交替半周期上发光。此配置消耗 20 mA 电流，在交替的 AC 半周期内将其平均分配给 LED。由于这种共享，每个 LED 仅接收 10 mA。LED与整流器的反并联组合也是如此。LED 仅接收 10 毫安。如果 LED 需要 20 mA，则电阻值可以减半。

# 8.8. LED 的典型规格

LED 的正向压降与波长 (λ) 成反比。随着波长从红外线减少到可见颜色再到紫外线，Vf 增加。虽然这种趋势在单一制造商的各种设备中最为明显，但不同制造商的特定颜色 LED 的电压范围各不相同。该电压范围如下表所示。

LED的光学和电学特性

(修订中)
红外线的
红色的
橘子
黄绿色
白色, 蓝色, 紫色
紫外线

# 8.9. LED 与白炽灯泡

作为灯具，LED 在很多方面都优于白炽灯泡。

首先也是最重要的一点是效率：LED 每瓦电输入输出的光功率远高于白炽灯。如果所讨论的电路是电池供电的，这是一个显著的优势，效率转化为更长的电池寿命。

其次，LED 的可靠性要高得多，使用寿命比白炽灯长得多。这是因为 LED 是“冷”设备：它们的工作温度比带有白热金属灯丝的白炽灯低得多，容易因机械和热冲击而损坏。

第三是可以打开和关闭 LED 的高速。这一优势也归因于 LED 的“冷”操作：它们不必克服从关闭到开启的过渡过程中的热惯性，反之亦然。出于这个原因，LED 用于以光脉冲的形式传输数字（开/关）信息，在空旷的空间或通过光纤电缆以非常高的速度（每秒数百万个脉冲）传导。

LED 在交通信号灯和汽车尾灯等单色照明应用中表现出色。白炽灯在此应用中非常糟糕，因为它们需要过滤，从而降低效率。LED 不需要过滤。

# 8.10. LED的缺点

使用 LED 作为照明源的一个主要缺点是它们的单色（单色）发射。没有人愿意在红色、绿色或蓝色 LED 的灯光下阅读书籍。但是，如果组合使用，LED 颜色可以混合以获得更广谱的辉光。一种新的广谱光源是白色 LED。虽然小型白色面板指示器已经问世多年，但照明级设备仍在开发中。

# 8.11. LED和不同照明的效率和寿命

照明效率

灯型	效率流明/瓦	寿命小时	笔记
白光 LED	35	100,000	昂贵
白光 LED，未来	100	100,000	研发目标
白炽灯	12	1000	便宜
卤素	15-17	2000	高品质的灯光
紧凑型荧光灯	50-100	10,000	具有成本效益
钠蒸气，lp	70-200	20,000	户外
汞蒸气	13-48	18,000	户外

白色 LED 是一种蓝色 LED，它激发发出黄色光的磷光体。蓝色加黄色近似于白光。荧光粉的性质决定了光的特性。可以添加红色磷光体以提高黄色加蓝色混合物的质量，但会牺牲效率。上表将白色照明 LED 与预期的未来设备和其他传统灯进行了比较。效率以每瓦输入功率的光输出流明来衡量。如果可以将 50 流明/瓦的设备提高到 100 流明/瓦，白光 LED 的效率将与紧凑型荧光灯相当。

LED 的历史

自 1960 年代以来，LED 一直是研发的主要主题。因此，涵盖几十年来创建的所有几何形状、化学成分和特性是不切实际的。早期的设备相对昏暗，电流适中。后几代的效率已经提高，以至于仔细直接观察发光的 LED 是危险的。这可能会导致眼睛损伤，而 LED 只需稍微增加下降电压 (Vf) 和电流。现代高强度设备使用 0.7 安培（82 流明/瓦，Luxeon Rebel 系列冷白光）已达到 180 流明，更高强度的型号可以使用更高的电流并相应增加亮度。其他发展，例如量子点，是当前研究的主题，

# 9. 激光二极管

# 9.1. 激光

_激光二极管_是常规发光二极管或 LED 的进一步发展。术语“激光”本身实际上是一个首字母缩略词，尽管它经常用小写字母书写。“Laser” 代表Light A mplification by S timulated Emission of R radiation __，____是__指__另__一种奇怪的量子过程，即材料中从高能级下降到低能级的电子发射的特征光激发其他__电子__物质进行类似的“跳跃”，结果是从材料同步输出光。这种同步延伸到实际_阶段_发射的光，因此从“激光”材料发射的所有光波不仅频率（颜色）相同，而且彼此的相位相同，因此它们相互增强并且能够以非常快的速度传播紧密约束的非分散光束。这就是为什么激光在长距离内保持如此显著聚焦的原因：来自激光的每一个光波都彼此同步。

(a) 多种波长的白光。 (b) 单色 LED 光，单一波长。 (c) 相位相干激光。

(a) 多种波长的白光。(b) 单色 LED 光，单一波长。(c) 相位相干激光。

白炽灯产生“白色”（混合频率或混合颜色）光，如上图（a）所示。常规 LED 产生单色光：频率（颜色）相同，但相位不同，导致图 (b) 中的光束色散相似。激光 LED 产生_相干光_：单色（单色）和单相（单相）的光，导致精确的光束限制，如图 (c) 所示。

激光在现代世界中得到了广泛的应用：从测量（其中直且非分散的光束对于测量标记的精确瞄准非常有用）到光盘的读取和写入（仅聚焦激光的窄度），应有尽有光束能够分辨磁盘表面的微观“凹坑”，包括数字信息的二进制 1 和 0。

一些激光二极管需要特殊的高功率“脉冲”电路，以在短时间内提供大量电压和电流。其他激光二极管可以在较低功率下连续工作。在连续激光中，激光作用仅在二极管电流的一定范围内发生，需要某种形式的电流调节电路。随着激光二极管的老化，它们的功率要求可能会发生变化（输出功率越小需要更多的电流），但应该记住，低功率激光二极管，如 LED，是相当长寿命的器件，典型使用寿命为数十数千小时。

# 10. 光电二极管

_光电二极管_是一种经过优化以响应紫外线、可见光或红外线照射而产生电子电流的二极管。硅最常用于制造光电二极管。但是，可以使用锗和砷化镓。光进入半导体的结必须足够薄，以将大部分光传递到有源区（耗尽区），在那里光被转换为电子空穴对。

在下图中，向 N 型晶圆中的浅 P 型扩散会在晶圆表面附近产生一个 PN 结。P 型层需要很薄才能通过尽可能多的光。晶圆背面的大量 N+ 扩散与金属化接触。顶部金属化可以是用于大电池的晶片顶部的金属指状细网格。在小型光电二极管中，顶部触点可能是接触裸 P 型硅顶部的唯一键合线。

光电二极管：示意图符号和横截面。

# 10.1. 光电二极管如何工作？

进入光电二极管堆栈顶部的光强度随深度呈指数下降。一个薄的顶部 P 型层允许大多数光子进入形成电子-空穴对的耗尽区。由于内置二极管电位，耗尽区的电场导致电子扫入 N 层，空穴扫入 P 层。

实际上，可以在任何半导体区域中形成电子-空穴对。然而，在耗尽区中形成的那些最有可能分离成各自的 N 区和 P 区。在 P 区和 N 区形成的许多电子-空穴对重新组合。只有少数人在耗尽区这样做。因此，N 区和 P 区中的少数电子-空穴对，以及耗尽区中的大多数电子-空穴对有助于产生_光电流_，该电流是由光落在光电二极管上产生的。

光电二极管操作

可以观察到光电二极管的电压。这种_光伏_(PV) 模式下的操作在大动态范围内不是线性的，尽管它很灵敏并且在低于 100 kHz 的频率下具有低噪声。首选的操作模式通常是_光电流 (PC)_模式，因为电流与几十年强度的光通量成线性比例，并且可以获得更高的频率响应。PC 模式通过光电二极管上的反向偏置或零偏置来实现。电流放大器（跨阻放大器）应与 PC 模式下的光电二极管一起使用。只要二极管没有正向偏置，就可以实现线性和 PC 模式。

与太阳能电池相反，光电二极管通常需要高速运行。速度是二极管电容的函数，可以通过减小单元面积来最小化。因此，用于高速光纤链路的传感器将使用不大于必要的面积，例如 1 平方毫米。电容也可以通过增加耗尽区的厚度、在制造过程中或通过增加二极管上的反向偏置来减小。

不同种类的PIN二极管

__PIN 二极管___pin 二极管_或_PIN 二极管_是一种光电二极管，在 P 区和 N 区之间有一个本征层，如下图所示。P - I ntrinsic- __N__结构增加了 P 和 N 导电层之间的距离，降低了电容，提高了速度。感光区域的体积也增加了，从而提高了转换效率。带宽可以扩展到 10 几赫兹。PIN 光电二极管是高灵敏度和高速且成本适中的首选。

PIN光电二极管：本征区增加了耗尽区的厚度。

__雪崩光电二极管：__雪崩_光电二极管 (APD)_设计为在高反向偏压下工作，表现出类似于光电倍增管的电子倍增效应。反向偏压可以从 10 伏特到接近 2000 V。高水平的反向偏压将本征区域中光子产生的电子-空穴对加速到足够高的速度，以使额外的载流子免受与晶格的碰撞。因此，每个光子产生许多电子。APD 的动机是在光电二极管内实现放大，以克服外部放大器中的噪声。这在某种程度上有效。然而，APD 会产生自己的噪音。在高速时，APD 优于 PIN 二极管放大器组合，但不适用于低速应用。APD 很昂贵，大致相当于一个光电倍增管的价格。因此，它们仅在小众应用中与 PIN 光电二极管竞争。

# 11. 太阳能电池

_太阳能电池_是一种为有效向负载供电而优化的光电二极管。它以光伏模式 (PV) 运行，因为它被负载电阻上产生的电压正向偏置。

单晶太阳能电池

单晶太阳能电池的制造工艺类似于半导体加工。这涉及从熔融的高纯度硅（P 型）中生长单晶晶锭，但纯度不如半导体高。晶锭被金刚石锯或线锯成晶片。晶锭的末端必须丢弃或回收，硅会在锯缝中丢失。由于现代电池几乎是方形的，因此在磨平晶锭时会损失硅。可以蚀刻细胞以使表面纹理化（粗糙化）以帮助将光捕获在细胞内。在生产 10 或 15 平方厘米的晶圆时会损失大量硅。如今（2007 年），太阳能电池制造商在此阶段从供应商处向半导体行业采购晶圆是很常见的。

太阳能电池组件

P 型晶圆背靠背装入熔融石英舟皿中，仅将外表面暴露于扩散炉中的 N 型掺杂剂。扩散过程在电池顶部形成薄的 n 型层。扩散还使电池的边缘前后短路。外围必须通过等离子蚀刻去除，以使电池不短路。银和/或铝浆在电池的背面屏蔽，正面是银网格。这些在熔炉中烧结以获得良好的电接触。（下图）

电池与金属带串联连接。为了给 12 V 电池充电，大约 0.5 V 的 36 个电池被真空层压在玻璃和聚合物金属背板之间。玻璃可能具有纹理表面以帮助捕获光线。

硅太阳能电池

最终的商用高效率（21.5%）单晶硅太阳能电池的所有触点都在电池背面。通过将顶部 (- [VSW]

背面所有触点的高效太阳能电池。改编自图 1 [VSW]

不同种类的太阳能电池

__多晶硅电池__开始时将熔融硅浇铸到矩形模具中。随着硅冷却，它结晶成几个大的（毫米到厘米大小）随机取向的晶体，而不是单个晶体。该过程的其余部分与单晶电池相同。完成的细胞显示分割单个晶体的线条，好像细胞破裂了。由于晶粒边界处的损失，高效率不如单晶电池高。由于晶体的随机取向，不能通过蚀刻使电池表面变粗糙。然而，抗反射涂层提高了效率。这些电池在除空间应用之外的所有应用中都具有竞争力。

三层电池：效率最高的太阳能电池是由三个电池组成的堆叠，经过调整以吸收太阳光谱的不同部分。尽管可以将三个电池堆叠在一起，但由 20 个半导体层组成的单片单晶结构更为紧凑。在 32% 的效率下，它现在（2007 年）在空间应用中比硅更受青睐。高成本使其无法找到除基于透镜或反射镜的聚光器之外的许多接地应用。

深入研究最近生产了一种增强版，适用于 400 - LZy] (opens new window)

创建三层太阳能电池

_金属有机化学气相沉积 (MOCVD)_将这些层沉积在 P 型锗衬底之上。带隙为 1.85 eV 的 N 型和 P 型磷化镓铟 (GaInP) 的顶层吸收紫外线和可见光。这些波长有足够的能量超过带隙。

较长的波长（较低的能量）没有足够的能量来产生电子-空穴对，并传递到下一层。带隙为 1.42 eV 的砷化镓层吸收近红外光。

最后，锗层和衬底吸收远红外线。三个电池的串联产生的电压是三个电池的电压之和。每种材料产生的电压比下表中列出的带隙能量小 0.4 V。例如，对于 GaInP：1.8 eV/e - BRB] (opens new window)

高效三层太阳能电池。

层	带隙	光吸收
磷化铟镓	1.8 电子伏特	紫外线，可见
砷化镓	1.4 电子伏特	近红外
锗	0.7 电子伏特	远红外线

晶体太阳能电池阵列具有较长的使用寿命。许多阵列的保修期为 25 年，并且被认为可以使用 40 年。与非晶硅相比，它们不会遭受初始退化。

单晶和多晶太阳能电池都基于硅晶片。硅既是衬底层又是有源器件层。消耗了大量的硅。这种电池已经存在了几十年，占据了太阳能电力市场的大约 86%。有关晶体太阳能电池的更多信息，请参见 Honsberg。[CHS]

__非晶硅__薄膜太阳能电池使用微量的活性原材料硅。传统晶体太阳能电池成本的大约一半是太阳能电池级硅。薄膜沉积工艺降低了这一成本。

缺点是效率约为传统晶体电池的一半。此外，当暴露在阳光下时，效率会降低 15-35%。一个效率为 7% 的电池很快就会老化到 5% 的效率。薄膜非晶硅电池在昏暗的光线下比晶体电池工作得更好。它们在太阳能计算器中得到了很好的利用。

非硅太阳能电池约占市场的 7%。这些是薄膜多晶产品。各种化合物半导体是研究和开发的主题。一些非硅产品正在生产中。通常，效率优于非晶硅，但不如晶体硅。

__碲化镉__作为金属或玻璃上的多晶薄膜可以具有比非晶硅薄膜更高的效率。如果沉积在金属上，该层是碲化镉薄膜的负接触层。碲化镉顶部的透明 P 型硫化镉用作缓冲层。正顶部触点是透明的、导电的氟掺杂氧化锡。在以下段落的过程中，这些层可以放置在牺牲箔上以代替玻璃。在将电池安装到永久基板后，去除牺牲箔。

玻璃或金属上的碲化镉太阳能电池。

制造碲化镉太阳能电池

在玻璃上沉积碲化镉的过程始于在玻璃基板上沉积 N 型透明、导电的氧化锡。下一层是P型碲化镉；但是，可以使用 N 型或本征型。这两层构成了NP结。AP +（重 P 型）碲化铅层有助于建立低电阻接触。金属层与碲化铅进行最终接触。这些层可以通过真空沉积、化学气相沉积 (CVD)、丝网印刷、电沉积或氦气中的大气压化学气相沉积 (APCVD) 来铺设。[金杜] (opens new window)

碲化镉的一种变体是碲化镉汞。具有较低的体电阻和较低的接触电阻提高了碲化镉的效率。

镉铟镓二硒太阳能电池 (CIGS)

镉铟镓二硒化：目前（2007 年）最有前途的薄膜太阳能电池是在 10 英寸宽的柔性聚酰亚胺 - [欧洲东部时间]

# 12. 总结

大多数太阳能电池是硅单晶或多晶，因为它们具有良好的效率和适中的成本。
各种非晶或多晶材料的效率较低的薄膜构成了市场的其余部分。
下表比较了选定的太阳能电池。

太阳能电池特性

太阳能电池类型	最高效率	实用效率	笔记
硒，多晶	0.7%	-	1883 年，查尔斯·弗里茨
硅，单晶	-	4%	1950 年代，第一块硅太阳能电池
硅、单晶 PERL、地面、空间	25%	-	太阳能汽车，成本=100x 商业
硅、单晶、商用地面	24%	14-17%	5-10 美元/峰值瓦特
Cypress Semiconductor, Sunpower, 硅单晶	21.5%	19%	手机背面的所有联系人
磷化镓铟/砷化镓/锗，单晶，多层	-	32%	首选空间。
(修订中)器。
硅，多晶	18.5%	15.5%	-
薄膜，	-	-	-
硅，无定形	13%	5-7%	在阳光下降解。室内适合计算器或多云的室外。
碲化镉，多晶	16%	-	玻璃或金属基材
(修订中)
有机聚合物，100% 塑料	4.5%	-	研发项目

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