密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同
时产生内建电场，内建电场方向为从
N 区指向 P 区。在内建电场作用下，E
FN
将连同整个
N
区能带一起下移，
E
FP
将连同整个
P 区能带一起上移，直至将费米能级拉平为 E
FN
=E
FP
，载
流子停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于
N
型、
P 型半导体单独存在时费米能级之差：
qU
D
=E
FN
-E
FP
得
U
D
=(E
FN
-E
FP
)/q
q：电子电量
U
D
：接触电势差或内建电势
对于在耗尽区以外的状态：
U
D
=(KT/q)ln(N
A
N
D
/n
i
2
)
N
A
、
N
D
、
n
i
：受主、施主、本征载流子浓度。
可见
U
D
与掺杂浓度有关。在一定温度下，
P-N 结两边掺杂浓度越高，U
D
越大。
禁带宽的材料，
n
i
较小，故
U
D
也大。
光照下的
P-N 结
P-N
结光电效应：
当 P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引
起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因
P 区产生的光生空穴，N 区产生的光
生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有
P 区的光生电子和 N 区的光生空穴和结区
的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向
N 区，光生空穴被拉向 P 区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在 N 区边界附近有光
生电子积累，在
P 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡 P-N 结的内建电场
方向相反的光生电场，其方向由
P 区指向 N 区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势
差，
P 端正，N 端负。于是有结电流由 P 区流向 N 区，其方向与光电流相反。
实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设 N 区中空穴在寿命 τ
p
的
时间内扩散距离为
L
p
，
P 区中电子在寿命 τ
n
的时间内扩散距离为
L
n
。
L
n
+L
p
=L 远大于 P-N
结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离
L 内所产生的光生载流子都对光电流有贡
献。而产生的位置距离结区超过
L 的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对 P-N 结光
电效应无贡献。
光照下的
P-N 结电流方程：
与热平衡时比较，有光照时，P-N 结内将产生一个附加电流（光电流）I
p
，其方向与
P-
N 结反向饱和电流 I
0
相同，一般
I
p
≥I
0
。此时
I=I
0
e
qU/KT
- (I
0
+I
p
)
令
I
p
=SE，则
I=I
0
e
qU/KT
- (I
0
+SE)
开路电压
U
oc
：
光照下的 P-N 结外电路开路时 P 端对 N 端的电压，即上述电流方程中 I=0 时的 U 值：
0=I
0
e
qU/KT
- (I
0
+SE)
U
oc
=(KT/q)ln(SE+I
0
)/I
0
≈(KT/q)ln(SE/I
0
)
短路电流
I
sc
：
光照下的 P-N 结，外电路短路时，从 P 端流出，经过外电路，从 N 端流入的电流称为短
路电流
I
sc
。即上述电流方程中
U=0 时的 I 值，得 I
sc
=SE。
U
oc
与
I
sc
是光照下
P-N 结的两个重要参数，在一定温度下，U
oc
与光照度
E 成对数关系，
但最大值不超过接触电势差
U
D
。弱光照下，
I
sc
与
E 有线性关系。
a)无光照时热平衡态，NP 型半导体有统一的费米能级，势垒高度为 qU
D
=E
FN
-E
FP
。
b)稳定光照下 P-N 结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压 U
oc
不再有统
一费米能级，势垒高度为
q(U
D
-U
oc
)。
c)稳定光照下 P-N 结外电路短路，P-N 结两端无光生电压，势垒高度为 qU
D
，光生电
子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。
d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压 U
f
，另一部分光电流被
P-N 结因
正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为
q(U
D
-U
f
)。
3．太阳能电池