半导体工作原理

.1 半导体物理基础 本章从半导体器件的工作机理出发,简单介绍半导体物理基础知识,包括本征半导体,杂质半导体,PN结分别讨论晶体二极管的特性和典型应用电路,双极型晶体管和场效应管的结构,工作机理,特性和应用电路,重点是掌握器件的特性. 媒质导体:对电信号有良好的导通性,如绝大多数金属,电解液,以及电离气体.绝缘体:对电信号起阻断作用,如玻璃和橡胶,其电阻率介于108 ~ 1020 ·m. 半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间,如硅 (Si) ,锗 (Ge) 和砷化镓 (GaAs) .半导体的导电能力随温度,光照和掺杂等因素发生显著变化,这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料.4.1.1 本征半导体 纯净的硅和锗单晶体称为本征半导体.硅和锗的原子最外层轨道上都有四个电子,称为价电子,每个价电子带一个单位的负电荷.因为整个原子呈电中性,而其物理化学性质很大程度上取决于最外层的价电子,所以研究中硅和锗原子可以用简化模型代表 .每个原子最外层轨道上的四个价电子为相邻原子核所共有,形成共价键.共价键中的价电子是不能导电的束缚电子. 价电子可以获得足够大的能量,挣脱共价键的束缚,游离出去,成为自由电子,并在共价键处留下带有一个单位的正电荷的空穴.这个过程称为本征激发.本征激发产生成对的自由电子和空穴,所以本征半导体中自由电子和空穴的数量相等.价电子的反向递补运动等价为空穴在半导体中自由移动.因此,在本征激发的作用下,本征半导体中出现了带负电的自由电子和带正电的空穴,二者都可以参与导电,统称为载流子. 自由电子和空穴在自由移动过程中相遇时,自由电子填入空穴,释放出能量,从而消失一对载流子,这个过程称为复合, 平衡状态时,载流子的浓度不再变化.分别用ni和pi表示自由电子和空穴的浓度 (cm-3) ,理论上 其中 T 为绝对温度 (K) EG0 为T = 0 K时的禁带宽度,硅原子为1.21 eV,锗为0.78 eVk = 8.63 10- 5 eV / K为玻尔兹曼常数A0为常数,硅材料为3.87 1016 cm- 3 K- 3 / 2,锗为1.76 1016 cm- 3 K- 3 / 2. 4.1.2 N 型半导体和 P 型半导体 本征激发产生的自由电子和空穴的数量相对很少,这说明本征半导体的导电能力很弱.我们可以人工少量掺杂某些元素的原子,从而显著提高半导体的导电能力,这样获得的半导体称为杂质半导体.根据掺杂元素的不同,杂质半导体分为 N 型半导体和 P 型半导体. 一,N 型半导体在本征半导体中掺入五价原子,即构成 N 型半导体.N 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子,就提供一个自由电子,从而大量增加了自由电子的浓度一一施主电离多数载流子一一自由电子少数载流子一一空穴但半导体仍保持电中性 热平衡时,杂质半导体中多子浓度和少子浓度的乘积恒等于本征半导体中载流子浓度 ni 的平方,所以空穴的浓度 pn为因为 ni 容易受到温度的影响发生显著变化,所以 pn 也随环境的改变明显变化. 自由电子浓度杂质浓度二,P 型半导体在本征半导体中掺入三价原子,即构成 P 型半导体.P 型半导体中每掺杂一个杂质元素的原子,就提供一个空穴,从而大量增加了空穴的浓度一一受主电离多数载流子一一空穴少数载流子一一自由电子但半导体仍保持电中性而自由电子的浓度 np 为环境温度也明显影响 np 的取值. 空穴浓度掺杂浓庹4.1.3 漂移电流和扩散电流 半导体中载流子进行定向运动,就会形成半导体中的电流.半导体电流半导体电流漂移电流:在电场的作用下,自由电子会逆着电场方向漂移,而空穴则顺着电场方向漂移,这样产生的电流称为漂移电流,该电流的大小主要取决于载流子的浓度,迁移率和电场强度.扩散电流:半导体中载流子浓度不均匀分布时,载流子会从高浓度区向低浓度区扩散,从而形成扩散电流,该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小.4.2 PN 结 通过掺杂工艺,把本征半导体的一边做成 P 型半导体,另一边做成 N 型半导体,则 P 型半导体和 N 型半导体的交接面处会形成一个有特殊物理性质的薄层,称为 PN 结. 4.2.1 PN 结的形成 多子扩散空间电荷区,内建电场和内建电位差的产生 少子漂移动态平衡空间电荷区又称为耗尽区或势垒区.在掺杂浓度不对称的 PN 结中,耗尽区在重掺杂一边延伸较小,而在轻掺杂一边延伸较大.4.2.2 PN 结的单向导电特性 一,正向偏置的 PN 结正向偏置耗尽区变窄扩散运动加强,漂移运动减弱正向电流二,反向偏置的 PN 结反向偏置耗尽区变宽扩散运动减弱,漂移运动加强反向电流PN 结的单向导电特性:PN 结只需要较小的正向电压,就可以使耗尽区变得很薄,从而产生较大的正向电流,而且正向电流随正向电压的微小变化会发生明显改变.而在反偏时,少子只能提供很小的漂移电流,并且基本上不随反向电压而变化.4.2.3 PN 结的击穿特性 当 PN 结上的反向电压足够大时,其中的反向电流会急剧增大,这种现象称为 PN 结的击穿. 雪崩击穿:反偏的 PN 结中,耗尽区中少子在漂移运动中被电场作功,动能增大.当少子的动能足以使其在与价电子碰撞时发生碰撞电离,把价电子击出共价键,产生一对自由电子和空穴,连锁碰撞使得耗尽区内的载流子数量剧增,引起反向电流急剧增大.雪崩击穿出现在轻掺杂的 PN 结中.齐纳击穿:在重掺杂的 PN 结中,耗尽区较窄,所以反向电压在其中产生较强的电场.电场强到能直接将价电子拉出共价键,发生场致激发,产生大量的自由电子和空穴,使得反向电流急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿.PN 结击穿时,只要限制反向电流不要过大,就可以保护 PN 结不受损坏.PN 结击穿4.2.4 PN 结的电容特性 PN 结能够存贮电荷,而且电荷的变化与外加电压的变化有关,这说明 PN 结具有电容效应. 一,势垒电容 CT0为 u = 0 时的 CT,与 PN 结的结构和掺杂浓度等因素有关UB为内建电位差n 为变容指数,取值一般在 1 / 3 ~ 6 之间.当反向电压 u 绝对值增大时,CT 将减小. 二,扩散电容 PN 结的结电容为势垒电容和扩散电容之和,即 Cj = CT + CD.CT 和 CD 都随外加电压的变化而改变,所以都是非线性电容.当 PN 结正偏时,CD 远大于 CT ,即 Cj CD 反偏的 PN 结中,CT 远大于 CD,则 Cj CT .4.3 晶体二极管 二极管可以分为硅二极管和锗二极管,简称为硅管和锗管. 4.3.1 二极管的伏安特性一一 指数特性IS 为反向饱和电流,q 为电子电量 (1.60 10- 19C) UT = kT/q,称为热电压,在室温 27℃ 即 300 K 时,UT = 26 mV. 一,二极管的导通,截止和击穿当 uD >0 且超过特定值 UD(on) 时,iD 变得明显,此时认为二极管导通,UD(on) 称为导通电压 (死区电压) uD 0.7 V时,D处于导通状态,等效成短路,所以输出电压uo = ui - 0.7当ui 0时,D1和D2上加的是正向电压,处于导通状态,而D3和D4上加的是反向电压,处于截止状态.输出电压uo的正极与ui的正极通过D1相连,它们的负极通过D2相连,所以uo = ui当ui 0时,二极管D1截止,D2导通,电路等效为图 (b) 所示的反相比例放大器,uo = - (R2 / R1)ui当ui 0时,uo1 = - ui,uo = ui当ui 2.7 V时,D导通,所以uo = 2.7 V当ui <2.7 V时,D截止,其支路等效为开路,uo = ui.于是可以根据ui的波形得到uo的波形,如图 (c) 所示,该电路把ui超出2.7 V的部分削去后进行输出,是上限幅电路. [例4.3.7]二极管限幅电路如图 (a) 所示,其中二极管D1和D2的导通电压UD(on) = 0.3 V,交流电阻rD 0.输入电压ui的波形在图 (b) 中给出,作出输出电压uo的波形. 解:D1处于导通与截止之间的临界状态时,其支路两端电压为 - E - UD(on) = - 2.3 V.当ui - 2.3 V时,D1截止,支路等效为开路,uo = ui.所以D1实现了下限幅D2处于临界状态时,其支路两端电压为 E + UD(on) = 2.3 V.当ui >2.3 V时,D2导通,uo = 2.3 V当ui <2.3 V时,D2截止,支路等效为开路,uo = ui.所以D2实现了上限幅.综合uo的波形如图 (c) 所示,该电路把ui超出 2.3 V的部分削去后进行输出,完成双向限幅. 限幅电路的基本用途是控制输入电压不超过允许范围,以保护后级电路的安全工作.设二极管的导通电压UD(on) = 0.7 V,在图中,当 - 0.7 V <ui 0.7 V时,D1导通,D2截止,R1,D1和R2构成回路,对ui分压,集成运放输入端的电压被限制在UD(on) = 0.7 V当ui <- 0.7 V时,D1截止,D2导通, R1,D2和R2构成回路,对ui分压,集成运放输入端的电压被限制在 - UD(on) = - 0.7 V.该电路把ui限幅到 0.7 V到 - 0.7 V之间,保护集成运放.图中,当 - 0.7 V <ui 5.7 V时,D1导通,D2截止,A / D的输入电压被限制在5.7 V当ui <- 0.7 V时,D1截止,D2导通,A / D的输入电压被限制在 - 0.7 V.该电路对ui的限幅范围是 - 0.7 V到 5.7 V.[例4.3.8]稳压二极管限幅电路如图 (a) 所示,其中稳压二极管DZ1和DZ2的稳定电压UZ = 5 V,导通电压UD(on) 近似为零.输入电压ui的波形在图 (b) 中给出,作出输出电压uo的波形. 解:当 | ui | 1 V时,DZ1和DZ2一个导通,另一个击穿,此时反馈电流主要流过稳压二极管支路,uo稳定在 5 V.由此得到图 (c) 所示的uo波形. 图示电路为单运放弛张振荡器.其中集成运放用作反相迟滞比较器,输出电源电压UCC或 - UEE,R3隔离输出的电源电压与稳压二极管DZ1和DZ2限幅后的电压.仍然认为DZ1和DZ2的稳定电压为UZ,而导通电压UD(on) 近似为零.经过限幅,输出电压uo可以是高电压UOH = UZ或低电压UOL = - UZ.三,电平选择电路 [例4.3.9]图 (a) 给出了一个二极管电平选择电路,其中二极管D1和D2为理想二极管,输入信号ui1和ui2的幅度均小于电源电压E,波形如图 (b) 所示.分析电路的工作原理,并作出输出信号uo的波形. 解:因为ui1和ui2均小于E,所以D1和D2至少有一个处于导通状态.不妨假设ui1 ui2时,D2导通,D1截止,uo = ui2只有当ui1 = ui2时,D1和D2才同时导通,uo = ui1 = ui2.uo的波形如图 (b) 所示.该电路完成低电平选择功能,当高,低电平分别代表逻辑1和逻辑0时,就实现了逻辑"与"运算. 四,峰值检波电路 [例4.3.10]分析图示峰值检波电路的工作原理. 解:电路中集成运放A2起电压跟随器作用.当ui >uo时,uo1 >0,二极管D导通,uo1对电容C充电,此时集成运放A1也成为跟随器,uo = uC ui,即uo随着ui增大当ui <uo时,uo1 <0,D截止,C不放电,uo = uC保持不变,此时A1是电压比较器.波形如图 (b) 所示.电路中场效应管V用作复位开关,当复位信号uG到来时直接对C放电,重新进行峰值检波. 4.4 双极型晶体管 NPN型晶体管 PNP型晶体管 晶体管的物理结构有如下特点:发射区相对基区重掺杂基区很薄,只有零点几到数微米集电结面积大于发射结面积. 一,发射区向基区注入电子_ 电子注入电流IEN,空穴注入电流IEP_二,基区中自由电子边扩散边复合_ 基区复合电流IBN_三,集电区收集自由电子_ 收集电流ICN反向饱和电流ICBO4.4.1 晶体管的工作原理晶体管三个极电流与内部载流子电流的关系: 共发射极直流电流放大倍数:共基极直流电流放大倍数:换算关系:晶体管的放大能力参数 晶体管的极电流关系 描述:描述: 4.4.2 晶体管的伏安特性 一,输出特性 放大区(发射结正偏,集电结反偏 )共发射极交流电流放大倍数:共基极交流电流放大倍数:近似关系:恒流输出和基调效应饱和区(发射结正偏,集电结正偏 )_ 饱和压降 uCE(sat) _截止区(发射结反偏,集电结反偏 )_极电流绝对值很小二,输入特性 当uBE大于导通电压 UBE(on) 时,晶体管导通,即处于放大状态或饱和状态.这两种状态下uBE近似等于UBE(on) ,所以也可以认为UBE(on) 是导通的晶体管输入端固定的管压降当uBE 0,所以集电结反偏,假设成立,UO = UC = 4 V当UI = 5 V时,计算得到UCB = - 3.28 V <0,所以晶体管处于饱和状态,UO = UCE(sat) . [例4.4.2]晶体管直流偏置电路如图所示,已知晶体管的UBE(on) = - 0.7 V, = 50.判断晶体管的工作状态,并计算IB,IC和UCE. 解:图中晶体管是PNP型,UBE(on) = UB - UE = (UCC - IBRB) - IERE = UCC - IBRB - (1+b)IBRE = - 0.7 V,得到IB = - 37.4 A <0,所以晶体管处于放大或饱和状态.IC = bIB = - 1.87 mA,UCB = UC - UB = (UCC - ICRC) - (UCC - IBRB) = - 3.74 V | UGS(off) | ) uGS和iD为平方率关系.预夹断导致uDS对iD的控制能力很弱.可变电阻区(| uGS | | UGS(off) |且| uDG | | UGS(off) |)iD = 0三,转移特性预夹断4.5.2 绝缘栅场效应管 绝缘栅场效应管记为MOSFET,根据结构上是否存在原始导电沟道,MOSFET又分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET. 一,工作原理 UGS = 0 ID = 0UGS >UGS(th) 电场 反型层 导电沟道 ID >0UGS控制ID的大小N沟道增强型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET在UGS = 0时就存在ID = ID0.UGS的增大将增大ID.当UGS - UGS(off) ,所以该场效应管工作在恒流区.图 (b) 中是P沟道增强型MOSFET,UGS = - 5 (V) - UGS(th) ,所以该场效应管工作在可变电阻区. 解:图 (a) 中是N沟道JFET,UGS = 0 >UGS(off) ,所以该场效应管工作在恒流区或可变电阻区,且ID一,方波,锯齿波发生器 4.5.5 场效应管应用电路举例 集成运放A1构成弛张振荡器,A2构成反相积分器.振荡器输出的方波uo1经过二极管D和电阻R5限幅后,得到uo2,控制JFET开关V的状态.当uo1为低电平时,V打开,电源电压E通过R6对电容C2充电,输出电压uo随时间线性上升当uo1为高电平时,V闭合,C2通过V放电,uo瞬间减小到零. 二,取样保持电路 A1和A2都构成跟随器,起传递电压,隔离电流的作用.取样脉冲uS控制JFET开关V的状态.当取样脉冲到来时,V闭合.此时,如果uo1 >uC则电容C被充电,uC很快上升如果uo1 <uC则C放电,uC迅速下降,这使得uC = uo1,而uo1 = ui,uo = uC ,所以uo = ui.当取样脉冲过去时,V打开,uC不变,则uo保持取样脉冲最后瞬间的ui值. 三,相敏检波电路 因此前级放大器称为符号电路.场效管截止场效管导通集成运放A2构成低通滤波器,取出uo1的直流分量,即时间平均值uo.uG和ui同频时,uo取决于uG和ui的相位差,所以该电路称为相敏检波电路. NPN晶体管结型场效应管JEFT增强型NMOSEFT指数关系平方律关系场效应管和晶体管的主要区别包括:晶体管处于放大状态或饱和状态时,存在一定的基极电流,输入电阻较小.场效应管中,JFET的输入端PN结反偏,MOSFET则用SiO2绝缘体隔离了栅极和导电沟道,所以场效应管的栅极电流很小,输入电阻极大.晶体管中自由电子和空穴同时参与导电,主要导电依靠基区中非平衡少子的扩散运动,所以导电能力容易受外界因素如温度的影响.场效应管只依靠自由电子和空穴之一在导电沟道中作漂移运动实现导电,导电能力不易受环境的干扰.场效应管的源极和漏极结构对称,可以互换使用.晶体管虽然发射区和集电区是同型的杂质半导体,但由于制作工艺不同,二者不能互换使用.

太阳能光催化分解水制氢体系能量转换效率及量子产率的实验测定与计算张耀君,郭烈锦,延　卫,赵　亮,杨鸿辉,李明涛,许云波(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安710049西安建筑科技大学材料学院,西安710055)0　前　言染带来的巨大压力,国际能源署及美国能源部正在积极部署从烃经济向氢经济转变的未来能源战[1～3]略。所以国际上有关太阳能光催化分解水制氢的研究正处于十分活跃的发展时期,但存在的主要问题之一是太阳能的能量转换效率及H2的量子产率的计算缺乏较规范的标准,计算方法不统一,文献的结果之间很难进行横向比较。此外,许多文献缺少能量转换效率的研究报道。本文参考国际能源署、美国能源部的有关资料及相关学者的研究成果,结合本实验室的工作,提出了利用已知量子产率的化学光量计测定模拟光源光子数绝对值的实验方法,并给出了太阳能光催化分解水制氢体系的能量转换效率及产H2的量子产率计算公式。[1～8][9～10]1　实验测定方法111　药品及仪器实验所用药品及试剂均为分析纯,样品的光子数绝对值测定是在U4100型紫外2可见近红外分光光度计(日本HITACHI公司)上完成。光源为300W的准直高压汞灯(常州玉宇电器件有限公司),其物理参数如表1所示。表1　高压汞灯的物理参数Table1　Physicalparametersofhighpressuremercurylamp功率ΠW300启动电流ΠA414工作电流ΠA315工作电压ΠV220外径Πmm<18±1有效弧长Πmm120±5全长Πmm210±5接线方式单端引出2+112　基本原理4-1-1收(ε10L?mol?cm),用分光光度计进max=1111×将一定浓度的K3[Fe(C2O4)3]水溶液放入比色皿中,该溶液吸收一定波长的光之后,Fe被还原为Fe2+3+。[Fe(C2O4)3]2+3-νh[Fe(C2O4)2]2-+2CO2行定量分析。波长不同,每个光子反应生成Fe的量子产率亦不同,254～436nm时,量子产率平均112。当λ>436nm,则量子产率按1111计算。113　化学光量计测定光子数绝对值的实验方法将硫酸铁铵和草酸钾溶液以摩尔比为1∶2配制成300mL(V0)的溶液加入到光反应器中(图1),用还原生成的Fe加入1,10—邻菲罗啉显色剂后,形成红色的络合物溶液,在波长为510nm处有最大吸收稿日期:2005208230基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金(No120050698034)国家重点基础(973)研究发展项目(No12003CB214500)1114　太阳能学报27卷300W准直高压汞灯照射20s。从V0中取5mL(V1)溶液放入50mL(V2)棕色容量瓶中,加入10mL邻菲罗啉溶液,再加入10mL缓冲溶液,稀释至50mL后放置于暗处30min,每次取3个平行样,用分光光度计在波长510nm处测定其吸光度At。再取不同样品改变照射时间,重复上述实验步骤。最后取未照射的硫酸铁铵和草酸钾混合液5mL放入另一50mL(V2)棕色容量瓶中,加入10mL邻菲罗啉溶液,再加入10mL缓冲溶液,稀释至50mL后放置于暗处30min。每次取3个平行样,用分光光度计在波长510nm处测定其吸光度值A0。H2OhνH2+1Π2O2　E=11229V(1)212　太阳能光分解水制氢体系的阈值能或带隙能与任何转化过程一样,太阳能光催化产氢的能量转化效率是十分重要的。但其理论效率是由转化过程的属性所决定。太阳能光催化过程受到带隙能所限制。所有太阳能光催化过程都涉及到吸光剂的电子从一种基态到一种激发态的激发过程。吸光剂可以是一种分子也可以是一种半导体。吸光剂的特点是有一个确定的阈值能(DefiniteThresholdEnergy)或带隙能(BandgapEnergy)Ug。λUg=hcΠg(2)式中,h———c—光速λ——吸收边g—λgλ,λ≤g的所有,但是过剩的能量(Uexce=U-Ug)在吸光剂驰豫到Ug的能级时以热的形式损失掉。213　太阳能转换的极限效率ηp=μexconvJgΔEs(3)λ式中,Jg———在λ≤g时吸光剂吸收的光通量Δμex———激发态的化学势或吉布斯自由能φconv———将光子转化为化学产物的量子产率(Quan2tumyield)Es———入射太阳光的总辐照度,W?m图1　光量子数绝对值测试装置Fig11　Apparatusfordeterminationabsolutevalueofphotons-2。Jg可通过下式计算:Jg=2　太阳能能量转化效率及相关概念和∫λminλg)Es(λdλ(hcΠλ)(4)-2理论211　太阳能光催化分解水制氢体系分类)—式中,Es(λ——入射太阳光的波长辐照度,W?m?nm-1λ—hcΠ——波长为λ的光子能量。Bolton认为太阳能转换的极限效率对于单光体系约为31%,对双单光体系约为42%。214　标准状态下太阳能转化成可储存的化学能的太阳能光解水制氢体系大致可分为光化学体系、半导体体系、光生物体系、复杂体系4种类型。此外,Bolton等提出了太阳能光解水制氢的单光体系(Singlephotosystem)及双光体系(Dualphotosys2[1]tem)。单光体系的定义是在单一的光体系中,一效率通过太阳光子的驱动将部分太阳光能以反应产物如氢的化学能形式储存起来,如太阳光辐照下的光催化分解水反应,在这样一种化学反应中,太阳能转化成化学能的效率定义为:ΔG0HRHηc=EsA种能量的光子被吸光剂所吸收耦合成一个光转化过程。在双光体系中,两种能量不同的光子在两种光体系中同时被吸光剂所吸收耦合成2个光转化过程。将这2种光体系用于太阳能光催化分解水制氢则有5种具体的方案[1](5)。ΔGH2—式中,——生成产物H2时的能量储存反应的11期张耀君等:太阳能光催化分解水制氢体系能量转换效率及量子产率的实验测定与计算　1115标准吉布斯能RH2———生成产物H2的反应速率,mol?s-1Es———入射太阳光的总辐照度,W?m2-2A———辐照面积,m。Bolton为了强调各种因素对分解水制氢体系效率高低的重要指标。太阳能光分解水制氢包含了初级反应,电子转移及氧化还原反应的复杂过程,能量转化效率及量子产率受到化学反应热力学和动力学规律的限制。但我们可根据已知光量计的量子产率,计算单位时间(s)内高压汞灯产生的光子数及输出功率,从而求出反应式(1)的能量转换效率及产氢的量子产率。311　Fe络合物溶液浓度c的计算2+ηc的影响,又提出了下述公式:ηc=ηgηchem<conv(6)式中,η——具有U≥Ug能量的光子在入射的太阳g—能辐照中的分数Ug———光转换过程中的能量阈值,在半导体中,Ug是带隙能η——化学效率,chem—是激发态能量转化为可储存化学能的分数φconv———将光子转化为化学产物的量子产率。其中:ηchemJgUgηg=EsΔGHΠn==UgUg按照本文113描述的实验步骤,辐照样品与未辐照样品的吸光度差值A=At-A0依据Lambert2Beer定律:A=εcL,Femol-1(7)(8)邻菲罗啉红色络合物溶液,4在波长为510nm(ε10L?max=1111×-12+?),,Fe络合物溶液浓2+度cc=εL[9～10]式中,Uloss———0能量损失,Uloss=Ug-ΔGH2/n,03ΔG2/n—014eV——n是产物H2的数量,(1)时的光子数(假设φconv=1)。215　非标准状态下太阳能转换成可储存的化学能H(11)312　单位时间高压汞灯产生的光子数单位时间(s)内汞灯产生的光子数为:(At-A0)V2V0N??0n=εlV1<Fe2+t2+(12)式中,N0———阿佛加德罗常数ε———Fe的摩尔吸光系数L———比色皿厚度ΦFe2+=1121(高压汞灯λ——高压汞灯的照射时max=365nm的量子产率)t—间,s。313　单位时间(s)内高压汞灯的输出功率计算W=nhv=n的效率在非标准状态下,如P<1atm时,太阳能转换成可储存的H2化学能的效率为:000-1ΔΔG0fGJ?molH=(H+ΔfGO)-ΔfGHO(l)=23712k2222ΔGH2=ΔG0)H-RTln(2Pλ(13)ηc=ΔGHRHEsA(9)式中,h———普朗克常数c———光速n———单位时间(s)内汞灯产生的光子数。314　单位时间(s)内产氢的量子产率计算2nHN0n在光电池化学中,一般需加一偏压(Biasvoltage)才能保证产氢反应的进行,则其电功输出(IVbias)应从产氢反应的ΔGH2中减掉。太阳能转换成可储存的H2化学能的储存效率应表示为:ΔG0HRH-IVbiasη=cEsA<H2=×100%(14)式中,nH2———单位时间氢气的生成量,molΠs(10)N0———阿伏加德罗常数n———单位时间(s)内汞灯虽然ηc可通过(9)式或(10)式计算,但目前使用汞灯或氙灯作为模拟太阳光光源的研究阶段,光源的输出功率只能通过实验获得。产生的光子数。315　能量转换效率计算nHΔcHHη=×100%W(15)3　太阳能能量转换效率及产氢量子产式中,nH2———单位时间内生成氢气的摩尔数,molΠsΔcHH2———HH2的燃烧焓,在标准状态下等于水的ΔG0——单位时间(s)内高压汞灯的输出功率。HW—2率的计算方法能量转化效率和产氢的量子产率是衡量光催化1116　太阳能学报H2ΠTR296.27卷对于准直高压汞灯作为光源,用化学光量计测定可见光区的光子数绝对值的实验方法是在测定体系中加入适量的NaNO2(1molΠL),滤掉波长小于400nm的紫外光。从高压汞灯的条状能量分布可知,λ=436,546,577～579nm波长的可见光强度较弱。所[2]　UnitedStatesdepartmentofenergy.AnationalvisionofAmer2ica’stransitiontoahydrogeneconomy2to2030andbeyond[R].2002.[3]　UnitedStatesdepartmentofenergy.Nationalhydrogenroad2map[R].2002.[4]　BoltonJR.Solarphotoproductionofhydrogen:areview[J].SolarEnergy,1996,57(1):37—50.[5]　BoltonJR,StricklerSJ,ConnollyJS.Limitingandrealiz2ableefficienciesofsolarphotolysisofwater[J].Nature,1985,316:495—500.[6]　LichtS.Efficientsolargenerationofhydrogenfuel2afunda2mentalanalysis[J].ECommunication,2002,4:790—795.[7PengLi,etofBe,:235—239.]　上官文峰.光解制氢材料的构筑及其性能[J].中国有2+以,也可改用氙灯作为光催化分解水制氢体系的模拟光源。4　结　论本文建立了一种利用已知量子产率的化学光量计测定模拟太阳光源的光子数绝对值的实验方法。利用该方法对能量转化效率及产氢量子产率进行了计算。建立了一套相对规范的能量转化效率及产氢的量子产率的实验测定标准及计算方法,在本领域内归纳总结不同研究小组的工作结果,学严谨的比较标准大有裨益。致谢:感谢973,感谢本课题组。dopingTiO2onJ].ChemicalPhysicsLetters,色金属学报,2004,14(S2):327—330.[9]　邢婵娟,延　卫,张耀君,等.负载金属光催化剂及其光分解水产氢性能研究[J].西安交通大学学报,2005,39(5):511—513.[10]　杨鸿辉,延　卫,张耀君,等.PtΠTiO22xNx光催化剂的制[参考文献][1]　BoltonJR.Solarphotoproductionofhydrogen,IEAagree2mentontheproductionandutilizationofhydrogen[R].IEAΠ备及其产氢活性研究[J].西安交通大学学报,2005,39(5):514—516.EXPERIMENTALANDCALCULATIONOFENERGYCONVERSIONEFFICIENCYANDQUANTUMYIELDINTHESYSTEMOFHYDROGENPHOTOPRODUCTIONBYWATERSPLITTINGZhangYaojun1,2,GuoLiejin,YanWei,ZhaoLiang,YangHonghui,LiMingtao,XuYunbo111111(1.StateKeyLaboratoryofMultiphaseFlowinPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China2.SchoolofMaterialScienceandEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)Abstract:Thethresholdenergy,limitingefficiencyandefficiencyofstoredchemicalenergyinthesystemofsolarhydro2genphotoproductionbywatersplittingwasdescribed.Akindofexperimentalmethodthatmeasuresabsolutenumbersofphotonsbymeansofchemicalactionometryknownquantumyield,hasbeenestablishedandalsotheefficiencyofenergyconversionandyieldofhydrogenproductionwerecalculated.Keywords:efficiencyofenergyconversionquantumyieldsystemofphotocatalytichydrogenproductionbywaterdecom2position

多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称为“微电子大厦的基石”。三维网技术论坛6 n9 B U# OY/ f" a% l

在太阳能利用上，单晶硅和多晶硅也发挥着巨大的作用。虽然从目前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，就必须提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本。从目前国际太阳电池的发展过程可以看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。

( ?. `k! p. e% z( Z三维网技术论坛 从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为；[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；[2]对太阳电池来讲，方形基片更合算，通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14％。据报道，目前在50～60微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过16％。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17％，无机械刻槽在同样面积上效率达到16％，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到15.8％。

y% |5 m, N, C6 `三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa 多晶硅与单晶硅的差别三维网技术论坛 O6 j" H3 B7 r' ]]$ s

请问多晶硅与单晶硅的差别是什么?国内有那些厂家在生产这两种产品?

2 q5 m3 g2 T: I L&]" \" f, l 多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面。例如，在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至于几乎没有导电性。在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须通过分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。三维网技术论坛# Q% `: t- b. T, e&]( B

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