国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[加拿大] Adrian Kitai 著，郑晓东 等 译

图书标签:

• 太阳能
• LED
• 二极管
• PN结
• 半导体
• 光电材料
• 电气工程
• 先进技术
• 能源
• 物理

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111423560

版次：1

商品编码：11294610

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 国际电气工程先进技术译丛

开本：16开

出版时间：2013-08-01

用纸：胶版纸

页数：252

编辑推荐

　　

“国际电气工程先进技术译丛”是机械工业出版社集中优势资源精心打造的中高端产品，出版目的是传播国际技术成果，搭建电气工程技术平台。丛书中所有图书都是精选的国外优秀电气工程著作，主要针对新能源、智能电网、电力电子、自动控制及新能源汽车等电气工程热点领域。这些图书都是由经验丰富的业内人士编著，并由国内知名专家翻译，具有很高的实用性。
　　 “国际电气工程先进技术译丛”的出版目的主要是为广大国内读者提供一个展示国外先进技术成果的窗口，使国内读者有一个可以更好地了解国外技术的平台。“国际电气工程先进技术译丛”可供电气工程及相关专业工程技术人员、科研人员及大专院校相关专业师生参考。

内容简介

　　《国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用》从半导体物理的基本概念出发，以pn结为基础全面介绍了理解太阳电池和发光二极管（LED）工作原理所需要的物理概念。对光子发射和吸收的理论有比较深入的阐述。将LED和太阳电池所涉及的半导体材料、电子和光学知识进行有机整合，对两种器件的结构、制作、各种因素对器件性能的影响等给出了深入浅出的讲解。
　　书中既有物理基础的论述，又十分注重应用，每章结尾都给出了大量习题和推荐的扩展阅读材料，是高等院校相关专业高年级本科生和研究生系统学习相关专业知识的良好教材，也可供从事太阳电池和LED研究和生产的人员阅读与参考。

目录

前言
致谢
第1章 半导体物理
1.1 引言
1.2 固体的能带理论
1.3 Kronig�睵enney模型
1.4 Bragg模型
1.5 有效质量
1.6 能带中态的数目
1.7 能带填充
1.8 费米能级和空穴
1.9 载流子浓度
1.10 半导体材料
1.11 半导体能带图
1.12 直接带隙和间接带隙半导体
1.13 非本征半导体
1.14 半导体中的载流子输运
1.15 平衡和非平衡动力学
1.16 载流子扩散和爱因斯坦关系
1.17 准费米能级
1.18 扩散方程
1.19 陷阱和载流子寿命
1.20 合金半导体
1.21 小结
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习题

第2章 PN结二极管
2.1 引言
2.2 二极管电流
2.3 接触势
2.4 耗尽近似
2.5 二极管方程
2.6 反向击穿和齐纳二极管
2.7 隧道二极管
2.8 产生/复合电流
2.9 欧姆接触、肖特基势垒及肖特基二极管
2.10 异质结
2.11 交流（AC）和暂态特性
2.12 小结
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习题

第3章 光子发射和吸收
3.1 发光和吸收概述
3.2 光发射的物理
3.3 简谐辐射体
3.4 量子描述
3.5 激子
3.6 双电子原子
3.7 分子激子
3.8 能带至能带跃迁
3.9 光度学单位
3.1 0小结
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习题

第4章 太阳电池
4.1 引言
4.2 光吸收
4.3 太阳辐射
4.4 太阳电池的设计和分析
4.5 薄太阳电池
4.6 太阳电池的产生率和深度的函数
4.7 太阳电池效率
4.8 硅太阳电池技术：准备硅片
4.9 硅太阳电池技术：太阳电池的后处理
4.10 硅太阳电池技术：先进生产方法
4.11 薄膜太阳电池：非晶硅
4.12 碲化物/硒化物/硫化物薄膜太阳电池
4.13 高效多结太阳电池
4.14 太阳能聚光系统
4.15 小结
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习题

第5章 发光二极管
5.1 引言
5.2 LED工作原理和器件结构
5.3 发射光谱
5.4 非辐射复合
5.5 光输出耦合
5.6 GaAs LED
5.7 GaAs1-xPx LED
5.8 双异质结AlxGa1-xAs LED
5.9 AlGaInP LED
5.10 Ga1-xInxN LED
5.11 增强外耦合和功率输出的LED结构
5.12 小结
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习题

第6章 有机半导体、OLED和太阳电池
6.1 有机电子学概述
6.2 共轭体系
6.3 聚合物OLED
6.4 小分子OLED
6.5 阳极材料
6.6 阴极材料
6.7 空穴注入层
6.8 电子注入层
6.9 空穴传输层
6.10 电子传输层
6.11 发光材料及过程
6.12 主体材料
6.13 荧光掺杂
6.14 磷光掺杂
6.15 有机太阳电池
6.16 有机太阳电池材料
6.17 小结
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习题

附录
附录A 物理常数
附录B 半导体材料特性
附录C 玻尔兹曼分布函数

前言/序言

《半导体器件的奥秘：探索 PN 结的物理原理与应用》 本书深入剖析了半导体器件的核心——PN 结的物理机制，以此为基础，系统阐述了现代电子技术中两大基石：太阳电池和发光二极管（LED）的运作原理。作者以严谨的科学态度和清晰的逻辑，引导读者穿越复杂的半导体物理世界，揭示PN结如何成为能量转换和光电转换的关键。 第一章：半导体材料与掺杂基础 在深入PN结之前，我们首先需要建立对半导体材料的基本认知。本章将从原子结构和电子能带理论出发，解释为什么硅（Si）和砷化镓（GaAs）等材料会表现出导电性介于导体和绝缘体之间的独特属性。我们将详细介绍本征半导体的导电机制，以及通过掺杂不同元素（如硼、磷）来改变其导电特性的原理。 原子结构与化学键： 介绍硅、锗等半导体原子外层电子的分布，以及共价键的形成，解释为何在常温下这些电子难以自由移动。 能带理论： 引入价带、导带和禁带的概念，解释电子在能带中的运动状态如何决定材料的导电性。 本征半导体： 讲解本征半导体中自由电子和空穴的产生与复合过程，以及其导电性对温度的敏感性。 杂质半导体（掺杂）： N型半导体： 详细阐述当引入五价杂质（如磷）时，额外电子成为多数载流子，形成N型半导体。解释杂质能级如何出现在禁带中，降低了电子跃迁到导带的能量需求。 P型半导体： 详细阐述当引入三价杂质（如硼）时，形成空穴成为多数载流子，形成P型半导体。解释杂质能级如何出现在禁带中，使得价带中的电子更容易跃迁并留下空穴。 载流子浓度与迁移率： 定义自由电子和空穴的数量，并介绍它们在电场作用下的运动速度——迁移率，以及这些参数如何影响半导体的电学性能。 第二章：PN结的形成与平衡状态 本章的核心在于理解PN结的诞生及其在没有外加电压时的内在平衡状态。我们将详细描述当P型半导体和N型半导体紧密结合时，会发生怎样的载流子扩散和复合过程，从而形成一个关键的“空间电荷区”和“内建电场”。 PN结的形成过程： 详细描述P型和N型材料在接触瞬间，P区中的多数载流子（空穴）向N区扩散，N区中的多数载流子（电子）向P区扩散的过程。 扩散电流与漂移电流： 解释载流子扩散的驱动力是浓度梯度，由此产生的电流称为扩散电流。同时，扩散过程中会带走电荷，在PN结界面形成一个带电区域，从而产生电场。 空间电荷区（耗尽层）： 深入解释在PN结界面两侧，由于载流子的扩散和复合，形成了没有自由载流子的区域，即耗尽层。这个区域的形成是PN结能够正常工作的关键。 内建电场与内建电势： 解释耗尽层中的固定电荷（来自掺杂原子）会产生一个电场，称为内建电场。这个电场会对载流子产生力的作用，阻止进一步的扩散。内建电场在PN结两侧形成了一个电势差，即内建电势。 热平衡状态： 描述在热平衡状态下，扩散电流和由内建电场引起的漂移电流达到平衡，宏观上PN结内部的净电流为零。 费米能级： 引入费米能级的概念，解释在PN结形成过程中，P型和N型半导体的费米能级会趋于一致，这是实现热平衡的微观体现。 第三章：PN结在正向偏置下的行为 本章将重点探讨当PN结两端施加正向电压时，载流子行为发生的显著变化，以及由此产生的巨大电流。我们将揭示正向偏置如何“减弱”内建电场，从而使得多数载流子能够跨越结区，导致电流急剧增加。 正向偏置的定义： 解释将电源正极连接P区，负极连接N区，即为PN结施加正向偏置。 内建电势的降低： 详细阐述外加正向电压如何抵消一部分内建电势，从而减小了空间电荷区的宽度和内建电场强度。 多数载流子的注入： 解释当内建电势被显著降低后，P区中的多数载流子（空穴）能够克服势垒注入到N区，N区中的多数载流子（电子）也能够注入到P区。 少数载流子的角色： 强调虽然电子和空穴都是载流子，但在正向偏置下，起主导作用的是原本属于对方半导体区域的多数载流子，它们此时成为了对方区域内的少数载流子。 注入载流子引起的电流： 解释注入到对方区域的多数载流子在对方区域内扩散，并可能与对方区域的少数载流子复合。这种载流子扩散和复合过程形成了大量的电流。 PN结的正向伏安特性曲线： 详细描绘正向偏置下，PN结电流随电压变化的非线性关系，包括导通电压（开启电压）的概念。 不同材料PN结的差异： 简要提及不同材料（如硅、砷化镓）PN结的导通电压差异，为后续理解不同应用器件做好铺垫。 第四章：PN结在反向偏置下的行为 本章将分析当PN结两端施加反向电压时，载流子的行为以及产生的微小电流。我们将理解反向偏置如何“增强”内建电场，阻止多数载流子的跨越，仅留下微弱的漏电流。 反向偏置的定义： 解释将电源正极连接N区，负极连接P区，即为PN结施加反向偏置。 内建电势的增强： 详细阐述外加反向电压如何叠加在内建电势上，从而增加了空间电荷区的宽度和内建电场强度。 多数载流子的阻挡： 解释增大的内建电场成为多数载流子不可逾越的屏障，阻止了P区空穴和N区电子的互相扩散。 少数载流子引起的反向饱和电流： 尽管多数载流子被阻挡，但在PN结两侧的少数载流子（P区的电子，N区的空穴）会受到内建电场的作用，被拉向对方区域。这个由少数载流子造成的微小、近似恒定的电流称为反向饱和电流。 温度对反向饱和电流的影响： 解释少数载流子的产生与温度密切相关，因此反向饱和电流会随着温度的升高而显著增加。 击穿现象： 介绍当反向电压施加过高时，可能发生两种击穿机制：齐纳击穿（Zener breakdown）和雪崩击穿（Avalanche breakdown），并简要解释其物理原理。 PN结的反向伏安特性曲线： 描绘反向偏置下，PN结电流随电压变化的特性，突出反向饱和电流的微弱以及击穿电压的出现。 第五章：太阳电池的PN结原理 本章将PN结的载流子行为与光照能量相结合，深入阐述太阳电池（光伏电池）如何将光能转化为电能。我们将重点介绍光生载流子的产生、分离和收集过程。 光生载流子的产生： 解释当光子能量大于半导体禁带宽度时，会被半导体材料吸收，产生一对电子-空穴对，称为光生载流子。 PN结在光照下的电场作用： 再次强调PN结内部的内建电场在分离光生载流子中的关键作用。内建电场会将光生电子推向N区，光生空穴推向P区。 光生电动势（光生电压）： 解释载流子被分离后，会在PN结两侧积累，形成一个额外的电势差，称为光生电动势。 太阳电池的等效电路模型： 介绍一个简化的等效电路模型，包括一个理想电流源（代表光生电流）、一个二极管（代表PN结）、一个并联电阻（代表分流效应）和一个串联电阻（代表导线和接触电阻）。 光照下的伏安特性曲线： 绘制太阳电池在不同光照强度下的伏安特性曲线，引入短路电流（Isc）、开路电压（Voc）、最大功率点（MPP）等关键参数。 能量转换效率： 定义太阳电池的能量转换效率，并讨论影响效率的因素，如材料吸收光谱、表面复合、反射损失等。 典型太阳电池材料： 简要介绍目前主流的太阳电池材料，如硅基太阳电池，以及其他新兴材料（如薄膜太阳电池）的特点。 第六章：发光二极管（LED）的PN结原理 本章将PN结的正向偏置特性与电致发光现象相结合，详细解析发光二极管（LED）如何将电能转化为光能。我们将重点关注少数载流子的注入、复合以及光子的发射过程。 电致发光的机理： 解释在PN结正向偏置下，少数载流子注入到对方区域，并与多数载流子复合时，能量可以通过发光的形式释放出来。 辐射复合与非辐射复合： 区分两种主要的载流子复合方式。辐射复合直接产生光子，是非辐射复合则以热量的形式释放能量。LED的效率高度依赖于辐射复合的比例。 PN结的材料选择与发光颜色： 强调PN结所使用的半导体材料的禁带宽度直接决定了复合时释放的光子能量，从而决定了LED的发光颜色（如GaAsP用于红光，GaN用于蓝光和绿光）。 LED的结构与性能： 介绍LED的典型结构，包括P层、N层、接触电极以及封装材料。讨论PN结的掺杂浓度、结厚度等因素对LED发光效率和亮度的影响。 LED的伏安特性曲线与发光强度： 绘制LED在正向偏置下的伏安特性，并讨论发光强度与电流的关系。 LED的其他发光机制（简要）： 提及其他类型的LED，如量子点LED（QLED）或有机LED（OLED），它们在发光原理上可能存在差异，但PN结的概念仍有借鉴意义。 LED的广泛应用： 列举LED在照明、显示、信号指示等领域的广泛应用，以及其相比传统光源的优势（如高效率、长寿命、易于控制）。 结论 通过对PN结物理原理的深入解析，本书系统地揭示了太阳电池和LED这两个重要半导体器件的核心运作机制。PN结作为半导体技术中最基本、也最关键的结构单元，其独特的载流子行为在光电转换过程中扮演着不可替代的角色。从光能到电能的转化，再到电能到光能的转化，PN结都展现出了其强大的功能和无限的潜力。掌握PN结的原理，就是掌握了理解和应用现代电子器件的钥匙。 本书力求在严谨性与易读性之间取得平衡，希望能够为电子工程、材料科学、物理学等相关专业的学生、研究人员以及对半导体技术感兴趣的广大读者提供有价值的参考。

评分☆☆☆☆☆

读完《国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用》，我深切感受到作者在材料科学与半导体物理领域的深厚功底。书中对PN结形成的详细论述，从能带理论到载流子扩散和漂移，再到耗尽层的形成和内建电场，层层递进，逻辑严谨，让我对PN结这一半导体器件的灵魂有了更加深刻的理解。尤其是在讲解太阳电池的部分，作者不仅仅停留在p-n结的肖特基接触模型，而是引入了更复杂的双极结模型，并结合了量子力学效应，对光生伏打效应进行了细致的分析。书中对于材料选择对PN结性能的影响，比如宽禁带半导体在高温高压下的优势，以及有机半导体在柔性电子器件中的应用前景，都进行了深入的探讨。在LED部分，作者更是将PN结的物理过程与发光机制巧妙地结合起来，例如，如何通过控制PN结的注入电流来调节LED的亮度和光谱特性。而对于普通二极管，作者则通过分析PN结的电容效应、反向击穿机制等，解释了不同类型二极管的工作原理和应用范围。这本书并非简单堆砌公式，而是通过生动的图示和案例，将抽象的物理概念具象化，使得读者能够直观地理解PN结的内在机制。

评分☆☆☆☆☆

从这本书的标题《国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用》来看，我原以为会是一本偏向基础理论讲解的书籍，但实际阅读后，我发现它更多的是在探讨如何利用PN结的原理去实现更先进的器件和技术。书中关于太阳电池的章节，详细介绍了如何通过优化PN结的界面特性来减少复合损失，以及如何利用多层PN结结构来拓宽吸收光谱，从而提高能量转换效率。对于LED部分，作者则着重于如何通过精细调控PN结的掺杂分布和结深，来优化载流子注入效率和光提取效率，以实现高亮度、高效率的LED器件。书中对GaN基LED外延生长工艺中PN结形成的挑战，以及如何通过先进的MOCVD技术来解决这些问题，都进行了详细的阐述。另外，书中还涉及了PN结在光电探测器、光调制器等器件中的应用，特别是如何通过控制PN结的结面积和结电容来提高器件的响应速度和灵敏度。整本书的视角非常前沿，对于PN结原理的讲解，并非孤立存在，而是紧密围绕着如何将其应用于解决当前半导体器件发展中的关键技术难题，为读者提供了宝贵的工程参考和技术洞察。

评分☆☆☆☆☆

初次接触《国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用》这本书，我更像是抱着一种探索未知的好奇心。书中对于PN结在各种半导体器件中扮演角色的阐释，尤其是其在能量转换和光电耦合方面的精妙运用，让我对这些看似简单的二极管有了全新的认识。书中对于如何通过改变PN结的掺杂浓度、材料成分以及结的几何形状来优化器件性能的讨论，提供了一种系统性的设计思路。例如，在讲解太阳电池部分，作者对于多种新型太阳电池结构，如叠层电池、同质结电池、异质结电池等，都进行了深入的原理分析和性能对比，让我理解了不同结构下PN结在光生载流子产生、分离和收集过程中的具体作用。在LED部分，书中对于如何通过PN结的电学和光学特性来控制发光颜色、亮度和效率的讲解，也让我茅塞顿开。而对于二极管本身，书中则涵盖了从基础的整流二极管到肖特基二极管、齐纳二极管等不同类型，并对其PN结特性如何决定其特定功能进行了详尽的论述。整本书的逻辑清晰，从基础原理出发，逐步深入到各种实际应用，为理解这些基本电子元器件的奥秘提供了一个坚实的平台。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在LED照明领域摸爬滚打多年的工程师，我拿到《国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用》这本书时，内心是充满期待的。这本书并没有让我失望，尤其是在LED部分，它深入探讨了当前LED技术所面临的瓶颈以及未来的发展方向。例如，书中关于载流子浓聚效应的详细分析，以及如何通过改进器件结构来抑制非辐射复合，从而提高LED的发光效率，这对我日常工作中遇到的效率衰减问题提供了理论上的指导。此外，关于新一代LED材料，如氮化镓基蓝光LED之外的红光、绿光LED的研发进展，以及如何实现更广色域的白光LED，书中都进行了细致的阐述。作者对于热效应在LED中的影响的分析也尤为深刻，特别是如何通过热管理设计来延长LED器件的寿命和保持性能稳定性，这部分内容对我设计高性能LED产品非常有帮助。书中还涉及到了Micro-LED和Mini-LED等新兴技术，对它们的驱动方式、像素化技术以及应用前景进行了前瞻性的分析。虽然书名中强调了PN结的作用，但它并非仅仅停留在理论层面，而是将PN结的原理与实际器件的性能提升紧密结合，提供了许多工程实现的细节和思路。

评分☆☆☆☆☆

这本《国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用》虽然标题直指半导体器件的核心——PN结，但我拿到书后，更多的是对这个领域前沿研究思路的启发，而不是对基础知识的简单复习。书中关于高效太阳能电池的最新进展，例如多结太阳能电池的理论极限、钙钛矿电池的稳定性和寿命问题，以及有机太阳能电池的能量转换效率提升策略，都让我耳目一新。作者不仅仅是罗列技术参数，而是深入剖析了影响这些器件性能的关键物理过程，并提出了富有创见的解决方案。尤其是在讨论下一代太阳能电池材料时，作者对于材料科学与器件物理跨学科结合的深度挖掘，让我看到了未来能源领域巨大的发展潜力。书中对新型半导体材料的引入，如量子点和二维材料在光伏领域的应用前景，也进行了详细的探讨。作者并没有回避这些前沿技术面临的挑战，比如成本、规模化生产和环境可持续性，反而提供了富有建设性的分析和展望，这对于我这样希望在相关领域进行研发的工程师来说，无疑是宝贵的参考。此外，书中关于PN结在新型光电器件中的作用，例如光电探测器和激光二极管的新型结构设计，也提供了不少创新思路，让我对整个光电子学领域的未来发展有了更清晰的认识。

评分☆☆☆☆☆

书中既有物理基础的论述，又十分注重应用，每章结尾都给出了大量习题和推荐的扩展阅读材料，是高等院校相关专业高年级本科生和研究生系统学习相关专业知识的良好教材，也可供从事太阳电池和LED研究和生产的人员阅读与参考。《国际电气工程先进技术译丛·太阳电池、LED和二极管的原理：PN结的作用》从半导体物理的基本概念出发，以pn结为基础全面介绍了理解太阳电池和发光二极管（LED）工作原理所需要的物理概念。对光子发射和吸收的理论有比较深入的阐述。将LED和太阳电池所涉及的半导体材料、电子和光学知识进行有机整合，对两种器件的结构、制作、各种因素对器件性能的影响等给出了深入浅出的讲解。

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