《半導(dǎo)體器件物理》學(xué)習(xí)指導(dǎo)（PPT）課件第七章

1、第七章第七章 太陽電池和光電二極管太陽電池和光電二極管一一 名詞名詞 術(shù)語術(shù)語 概念概念 問問題題n光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后利用各種勢壘產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)，這些勢壘可以是PN結(jié)、MS結(jié)、異質(zhì)結(jié)等。nPN結(jié)光生伏特效應(yīng)涉及到的物理過程：PN結(jié)光生伏特效應(yīng)涉及到以下三個主要的物理過程：第一，半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子空穴對；第二，非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運動，這種運動可以是擴散運動，也可以是漂移運動；第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。結(jié)果在P區(qū)邊界將積累非平衡空穴，在N區(qū)邊界將積累非平衡電子，產(chǎn)生一個與平衡PN結(jié)內(nèi)建電場方

2、向相反的光生電場。于是，在P區(qū)和N區(qū)之間建立了光生電動勢。n太陽電池的效率:太陽電池的最大輸出的電功率與吸收的光功率之比。n用能帶圖分析PN結(jié)光生伏特效應(yīng)的物理過程。n答：圖7-5a是平衡P-N結(jié)能帶圖。在光子能量大于禁帶寬度的光的照射下，在半導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電子空穴對。在P-N結(jié)的空間電荷區(qū)的作用下，在P區(qū)邊界將積累非平衡空穴，在N區(qū)邊界將積累非平衡電子，產(chǎn)生一個與平衡P-N結(jié)內(nèi)建電場方向相反的光生電場。于是，在P區(qū)和N區(qū)之間建立了光生電動勢。積累的光生載流子部分地補償了平衡P-N結(jié)的空間電荷，引起P-N結(jié)勢壘高度的降低，如圖7.5b所示。如果P-N結(jié)處于開路狀態(tài)，光生載流子只能積累于P-N結(jié)

3、兩側(cè)產(chǎn)生光生電動勢。這時在P-N結(jié)兩端測得的電位差叫開路電壓，用 表示。從能帶圖上看，P-N結(jié)勢壘由 降低到 ?？梢钥闯觯瑒輭窘档偷牟糠终檬荘區(qū)和N區(qū)費米能級分開的距離。如果把P-N結(jié)從外部短路，則P-N結(jié)附近的光生載流子將通過這個途徑流通。這時流過太陽電池的電流叫短路光電流，用 表示。其方向從P-N結(jié)內(nèi)部看是從N區(qū)指向P區(qū)的。由于這時非平衡載流子不再積累在P-N結(jié)兩側(cè)，光生電動勢為零。cV00qcVq00LI一般情況下，P-N結(jié)材料和引線總有一定電阻 ，這時光生載流子只有一部分積累于P-N結(jié)上，使勢壘降低 ， 是電流流過 時,在 上產(chǎn)生的電壓降。如圖7.5c所示。這時P區(qū)和N區(qū)費米能級分開

4、的距離仍然代表P-N結(jié)勢壘降低的程度，如果加上負(fù)載就會有光電流通過。SRqVVSRSR（a）0qcEFEVE)(0VocqcEocqVFEVE（b）（c )Vq0cEFEVEqV圖7-5 P-N結(jié)能帶圖：（a）無光照平衡P-N結(jié)（b）光照P-N結(jié)開路狀態(tài) （c）光照 P-N結(jié)有串聯(lián)電阻時的狀態(tài)。n畫出太陽電池的等效電路圖，根據(jù)等效電路寫出I-V特性圖7-6 太陽電池理想等效電路hLRLIDIILRV式中 為P-N結(jié)正向電流，稱為太陽電池的暗電流。 為P-N結(jié)飽和電流。畫出考慮串聯(lián)電阻的太陽電池的等效電路圖，根據(jù)等效電路寫出V-I特性.解：實際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻和分流電阻。串聯(lián)電阻是接觸電

5、阻和薄層電阻的總和，它使電流電壓特性發(fā)生改變，分流電阻是P-N結(jié)泄漏電流引起的?？紤]到串聯(lián)電阻 和分流電阻 的作用，太陽電池的等效電路圖如圖所示。TVVeIIIIILDL10（7-6） 10TVVDeII0ISRShR根據(jù)圖可以寫出考慮到串聯(lián)電阻作用的V-I特性公式()/01sTVIRVLshVIRIIIeI（7-11） V圖7-8 包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池等效電路cILIDIshIShRSRILRn畫出P-I-N光電二極管的結(jié)構(gòu)示意圖和能帶圖，說明其工作原理。解：在P層和N層之間夾入一層本征（或低摻雜）的I層材料。這種結(jié)構(gòu)的光電二極管稱為P-I-N光電二極管。圖7-20示出P-I-N

6、光電二極管的基本結(jié)構(gòu)以及反偏壓下的能帶圖。 半導(dǎo)體吸收光之后產(chǎn)生電子空穴對。產(chǎn)生在耗盡層和耗盡層外，在載流子擴散區(qū)內(nèi)的電子空穴對會進(jìn)入空間電荷區(qū)被電場（外加反向偏壓引起的電場和P-N結(jié)自建電場）分開，它們漂移通過耗盡層，在外電路產(chǎn)生電流。P層和N層中間的 I 層也叫耗盡層，起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下I 層完全變成耗盡層，其中產(chǎn)生的 電子空穴對立刻被電場分離而形成光電流。在 I層之外產(chǎn)生的電子空穴對以擴散方式向耗盡層邊緣擴散然后被耗盡層收集。它們形成擴散電流。I層的厚度可以很薄，目的是用以獲得最佳的量子效率和頻率響應(yīng)。抗反射涂層金屬接觸+h2SiOpNILRRV漂移空間空穴擴散

7、 電子擴散吸收hhhFpERqVvEcEFnExe0PW1WWPx圖7-20 光電二極管的工作原理，（a）光電二極管的剖面圖；（b）反向偏置時的能帶圖；（c）光吸收特性n說明P-I-N光電二極管的I層的作用n答：答：P-I-N光電二極管P層和N層中間的I層也叫耗盡層起到增耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下，I層完全變成耗盡層，其中產(chǎn)生的電子空穴對立刻被電場分離而形成光電流。I層的厚度可以很薄，目的是用以獲得最佳的量子效率和頻率響應(yīng)。n試述結(jié)光電二極管和太陽電池的共同點和三個主要差別。n答：共同點是二者都是利用光生伏特效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。不同點：1.用途不同。PN結(jié)光電二極管主要用來探

8、測光信號而太陽電池是用來把太陽能轉(zhuǎn)換成電能。2. PN結(jié)光電二極管工作時要加反偏壓，太陽電池不需加偏壓。3.由于一個光電二極管用于探測某一確定頻率的光，因此制造該光電二極管的材料的禁帶寬度要與該光的頻率相應(yīng)，即等于該光的光子能量。太陽電池則無此限制。此外，光電二極管有響應(yīng)速度（帶寬）的限制太陽電池也沒有。二重要推導(dǎo)n導(dǎo)出太陽電池的最大輸出功率解：太陽電池的最大輸出功率： ，分別為太陽電池輸出最大功率時所對應(yīng)的電壓和電流。對于理想太陽電池根據(jù)，太陽電池向負(fù)載提供的功率為 時，得最大功率條件或者mPmPmPmIVP mPmPIV和10TVVLeVIVIIVP（7-10） 0dVdp011IIeVV

9、LVVTmPTmP（1） TmpLTmPVVIIVV11ln0（2） 將開路電壓代入（2）式，得當(dāng) 時，對應(yīng)的電流為從（1）式中解出 ：代入中，求得01IIlVVLnTOC（7-7） TmPTocmPVVVVV1ln（3） mPVV mPILI001IeVVIITmPVVTmPLTVVeIIIIILDL10（7-6） 于是由（1）式，TmPTmPVVLmpVVeIVVeIIITmP001（4） mPVVTmPmPmPmVeVVIIVPTmP0TmPLVVIIeTVmPV110得：LTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021（5） 三 重要圖表： 圖7.6、7.7、7.20四 重要習(xí)題n7-

10、4假設(shè) 二極管受到一個光源的均勻照射，所引起的電子-空穴產(chǎn)生速率為 ，解二極管的擴散方程以證明：P NLGpplLxpplVVnnDLGeDLGePPpT2/2/0) 1(pxnxxx00PN解： 1exp0TpVVIIV加到pn結(jié)上， 0:x 0022LpnnnpGppdxpdD其中，代入到（*）式中，得 222()nnoLpnnoLppdppGppGdxL或2pppLD012exp()exp() nnLpppxxppKKGLL（ ）邊界條件 ： pLnTnonGpxVVppx,exp, 00) 1(exp21KGVVpKpLTnoppLpppLTnnonnDLGLxDLGVVPppp220

11、)exp() 1(expn7-5 利用習(xí)題7-4的結(jié)果推導(dǎo)解：N區(qū)注入電子：電流分布為：()LLnpIqGLLAnnLnnnLTppppDLGLxDLGVVnnnn2200)exp() 1(exp0(exp1)exp()pLnLnTnVxnGGVL)exp() 1(exp)(0ppLTnppnppLxGVVPLqADdxdpqADxI0( )(exp1)exp()pnnnpLnnTndnqADVxIxqADnGdxLVL總電流為：)() 1)(exp()0()0(0pnLTnpnpnopnpLLqAGVVLnDLpDqAIII0(exp1) LTVIIIV，)(00npnpnopLnDLpDq

12、AI()LLnpIqGLLAn7-7 (a)證明對于一 電池，式（7-6）中的電流 可用下式表示：式中S是在歐姆接觸處的表面復(fù)合速度，W 為P區(qū)寬度，其他符號表示少數(shù)載流子的相應(yīng)參數(shù)。(b) 證明：N P0I00coshsinhcoshsinhppnpnnnnppnnnnnWWDSqAn DLLLIWWDLSLLLp000tanh)cothS)pnpnnnnpnpnnnnqAn DWDSLLLIqAn DWDLLL，當(dāng)（時，當(dāng)（時)/DS/DS(nnnnLL，下式為注上式為n證明：a)0)(0202nppppnnnxnnD) 1 ()exp()exp(210nnpppLxKLxKnnnnnnDL2其中）式中，得代入（時，時，邊界條件為1)(exp00dxdnDnnSWxVVnnxpnpoppTpp) 1(exp)sinh(2exp)() 1(exp)sinh(2exp)(0201TpnpnnnpnpnnTpnpnnnpnpnnVVnLWchLDLWSLWLDSKVVnLWchLDLWSLWLDSK)cosh()sinh()cosh()sinh() 1(exp00npnnnpnpnnnpTppppLWLDLWSLxWLDLxWS