为什么正向偏压下太阳能电池的光电流和暗电流方向相反？

正向偏压下太阳能电池的光电流和暗电流方向相反，是因为太阳能电池在正向偏压下的工作原理。

太阳能电池是一种利用光能转化为电能的装置，它由光电池和电路组成。光电池是一种半导体器件，它由n型半导体和p型半导体构成。当光电池接受光照时，光能会被转化为电能，产生光电流。

在正向偏压下，n型半导体和p型半导体之间会形成电动势，使电子能够在半导体之间流动。这个过程叫做光电效应。此时，光电流的方向是由n型半导体向p型半导体流动的，即由正极向负极流动。

而在暗环境下，光电池中没有光照，所以不会产生光电流。但是，由于正向偏压的存在，半导体之间仍然会形成电动势，使得电子在半导体之间流动。这个过程叫做暗电效应。此时，暗电流的方向也是由n型半导体向p型半导体流动的，即由正极向负极流动。

所以，在正向偏压下，太阳能电池的光电流和暗电流的方向是相反的。当太阳能电池接受光照时，光电流的方向是由正极向负极流动的；而在暗环境下，暗电流的方向也是由正极向负极流动的。

但是，要注意的是，在反向偏压下，太阳能电池的光电流和暗电流的方向是相同的。在反向偏压下，n型半导体和p型半导体之间不会形成电动势，所以光电流和暗电流都不会流动。

当n区相对P区有负电压，且当负电压低于-0.6V(即绝对值大于0.6V)时，就会产生一个P区到N区的大电流；当有正电压时，在小于击穿电压之前电流可以忽略不计。二极管的基本性质可以通过考虑耗尽层的电压和电场来理解。正向偏压即在N区加一个相对P区的负电压。这样会导致PN结内建电势的减小，其变化趋势如图3e所示。PN结内建电势的减小会导致电场以及耗尽区宽度的减小，如图d、c和b所示。二极管内部电压的减小和耗尽区宽度的减小开始允许电流导通二极管。

本文关注金属与半导体的肖特基势垒概念性理解及与之相关的欧姆接触，不涉及应用工艺细节。

我们知道，N型半导体与P型半导体接触会因为载流子的扩散形成耗尽区，从而形成PN节。当金属与半导体接触时会怎样呢？

其中一种情况是，金属与N型半导体接触，半导体中的截流电子扩散进入金属，从而在半导体中形成耗尽区与内建电场，如下图

这种情况与PN节是类似的。

如何确定电子是由半导体进入金属还是从金属进入半导体呢，这就需要使用能级的概念来理解。

金属材料的导带与价带是有重叠的，费米能级就处于导带中。半导体的导带与价带是分离的，其费米能级处于导带与价带之间，对于本征半导体，费米能级处于正中间，对于N型半导体，费米能级靠近导带，P型半导体中费米能级靠近价带。

另外要知道的概念是材料的功函数(work function)和半导体的电子亲和力(electron affinity)。功函数表示要让电子从材料中逃逸到自由空间中的最小热能量，电子亲和力表示电子从自由空间掉落到半导体导带底部所释放的能量。两个概念见下图：

而当两种材料接触时，载流子扩散流动必须使接触面两侧的费米能级相等才能达到平衡状态。所以接触后半导体中的能带会因内建电场而弯曲，如下图：

这样就在接触面形成了电子的势垒，称为肖特基势垒(schottky barrier)。形成整流节(rectifying junction)。肖特基二极管就是利用该原理工作的。

下图中为该整流节在平衡情况、正向偏压、负向偏压下能级情况以及该整流节的VI特性：

正向偏压时由于外电场的存在抬高了半导体侧的费米能级，使得半导体中的电子面临的势垒高度降低，从而更容易流过接触面进入金属。负向偏压时加大了该势垒。

很多时候我们并不想在金属与半导体接触面出现该势垒，比如半导体器件用金属引线引出信号。理论上有两种方式，一是降低势垒高度，使载流子不需要很高的能量就可以跃过势垒；二是大幅减小势垒宽度，使载流子以隧穿的方式穿过。

如果通过选择不同材料，使半导体的费米能级小于金属的费米能级，则接触面能带情况将如下图所示：

这样电子从半导体进入金属没有势垒，而从金属进入半导体只有很小的势垒，比较小的电压就可以使电子轻松跃过势垒进入半导体。这样就是欧姆接触(ohmic contact)的情况，当然其VI曲线并不是像理想欧姆电阻一样的直线，而是近似直线。

另一种方式是通过重掺杂的方式，使形成的势垒宽度很窄，这样电子可以不用跃过势垒而直接通过隧穿流过接触面，正向偏压、负向偏压与VI特性(黑色曲线)如下图：

P型半导体与金属的接触面的分析思路与N型半导体类似，只是载流子由电子变为空穴。

在实际应用中还有很多其它因素影响金属与半导体接触面的特性，超出本文范围，暂不讨论。

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