太阳能电池培训手册
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图 2.1 原子间距和电子能级的关系
在低温时，晶体内的电子占有最低的可能能态。但是晶体的平衡状态并不是电子全都
处在最低允许能级的一种状态。基本物理定理——泡利（Pauli）不相容原理规定，每个允
许能级最多只能被两个自旋方向相反的电子所占据。这意味着，在低温下，晶体的某一能级
以下的所有可能能态都将被两个电子占据，该能级称为费米能级（E
F
）
。随着温度的升高，
一些电子得到超过费米能级的能量，考虑到泡利不相容原理的限制，任一给定能量 E 的一个
所允许的电子能态的占有几率可以根据统计规律计算，其结果是由下式给出的费米－狄拉克
分布函数 f(E)，即
( )
(
)
KT
E
E
F
e
E
f
−
+
=
1
1
现在就可用电子能带结构来描述金属、绝缘体和半导体之间的差别。
电导现象是随电子填充允许带的方式不同而不同。被电子完全占据的允许带（称为满
带）上方，隔着很宽的禁带，存在完全空的允许带（称为导带），这时满带的电子即使加电
场也不能移动，所以这种物质便成为绝缘体。允许带不完全占满的情况下，电子在很小的电
场作用下就能移动到离允许带少许上方的另一个能级，成为自由电子，而使电导率变得很大，
这种物质称为导体。所谓半导体，即是天然具有和绝缘体一样的能带结构，但禁带宽度较小
的物质。在这种情况下，满带的电子获得室温的热能，就有可能越过禁带跳到导带成为自由
电子，它们将有助于物质的导电性。参与这种电导现象的满带能级在大多数情况下位于满带
的最高能级，因此可将能带结构简化为图 2.2 。另外，因为这个满带的电子处于各原子的
最外层，是参与原子间结合的价电子，所以又把这个满带称为价带。图中省略了导带的上部
和价带的下部。半导体结晶在相邻原子间存在着共用价电子的共价键。如图 2.2 所示，一旦
从外部获得能量，共价键被破坏后，电子将从价带跃造到导带，同时在价带中留出电子的一
个空位。这个空位可由价带中邻键上的电子来占据，而这个电子移动所留下的新的空位又可
以由其它电子来填补。这样，我们可以看成是空位在依次地移动，等效于带正电荷的粒子朝
着与电子运动方向相反的方向移动，称它为空穴。在半导体中，空穴和导带中的自由电子一
样成为导电的带电粒子（即载流子）
。电子和空穴在外电场作用下，朝相反方向运动，但是
由于电荷符号也相反，因此，作为电流流动方向则相同，对电导率起迭加作用。
图 2.2 半导体能带结构和载流子的移动