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    在固态物理学上，我们根据一个物体的电子所占据的能阶大小，可以画出所谓的能带图。在稳定状态下，电子是占据在价带中的不同能阶上，而价带与导带之间存在一个能量屏障，我们称其为能阶隙。以绝缘体而言，这个能阶隙高达8eV以上，所以价带的电子无法被激发到导带来进行导电行为。而半导体的能阶隙较小，如硅的能阶隙是1.12eV，因此位于价带的电子可以在吸收了高于能阶隙的能量后，被激发到导带来进行导电行为。至于金属之类的导体，其价带与导带互相重叠，没有所谓的能阶隙，所以不需要能量就可使电子在导带中自由地进行导电行为。

    一个半导体材料的导电能力与其能阶隙的大小有关。以电子组件的应用观点来看，在常温时像纯硅这样的本征半导体，其自由电子的密度实在太低了。所以在实际应用中，必须在半导体材料中再添加一些固定形态的杂质，这些故意掺人的杂质，可以改变半导体的电性。这是因为杂质原子会在导带与价带之间提供区域性的能阶，使得电子的激发变得更容易。

    如果我们在纯硅中掺入拥有5个价电子的原子，如磷原子，这个杂质原子会取代硅原子的位置。但是，当拥有5个价电子的磷原子和邻近的硅原子形成共价键时，会多出1个自由电子，这个自由电子是一个带负电荷的载子。我们把这个提供自由电子的杂质原子称为施体，而掺杂施体的半导体就称为“N型半导体”。

    同理，如果我们在纯硅中掺入三价的原子，如硼原子.这个三价的杂质原子会取代硅原子的位置。但因为硼原子只可以提供3个价电子来和邻近的硅原子形成共价键，因此会在硼原子的周围产生1个空位，这个空位就被称为空穴，这个空穴可以看作一个带正电荷的载子。通常，我们把提供空穴的杂质原子称为受体，同时把掺杂受体的半导体称为“P型半导体”。

    P-N接合

    将P型及N型半导体接合时，就会形成一个二极管。这时右边N型半导体内的过多电子会扩散到左边P型半导体中，以填补其内部的空穴。在P-N接合面附近，因电子与空穴的互相结合，会形成一个载子空乏区，或称为空间电荷区，在这个空乏区中，不存在过多的自由电子与空穴。然而N型半导体的过多电子，并不能无限度地一直向左边移动，这是因为电子在接近P型半导体时会受到受体所带的负电荷的排斥力。同理，左边P型半导体的空穴在接近接合处时也会受到施体所带正电荷的排斥力。在空乏区中的正、负电荷，存在着一个内建电位，构筑成一个势垒电位。

    如果要使接合面产生可以流通的电流，那么我们必须施加一个外在电压，来克服这个势垒电位。我们在P型的一端接上正电压，N型一端接上负电压，P型端的空穴会受到正电场的排斥，而流向接合区；相同的，N型端的空穴会受到负电场的排斥，而流向接合区。因此当所加的电压值超过接合区的势垒电位时，电流便会通过接合区而导通，这种电压称为“顺向偏压”。反之，如果在P型的一端接上负电压，N型一端接上正电压，电流就无法导通，这种电压称为“逆向偏压”。

    在空乏区内的电场是由N型区指向P型区的，如果入射光子在此区域内被吸收产生电子-空穴对时，电子会因为内建电场的影响而向N型区漂移，同样，空穴也会因为内建电场的影响而向P型区漂移，这样的一种漂移电流就是光电流。光伏特效应中的光电流是由N型区流向P型区的，这对P-N二极管而言，正好是逆向偏压的电流方向。

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