第四章 p-n結(jié)二極管

1、第第4章章P-N結(jié)二極管結(jié)二極管南京理工大學(xué)南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院1 1 內(nèi)容4.2 P-N4.2 P-N結(jié)的靜電學(xué)結(jié)的靜電學(xué)4.4 4.4 載流子注入載流子注入4.6 4.6 暗特性暗特性4.74.7光照特性光照特性4.84.8太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)4.3 4.3 結(jié)電容結(jié)電容4.5 4.5 準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散流準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散流4.1 P-N4.1 P-N結(jié)的形成結(jié)的形成4.94.9有限電池尺寸對(duì)有限電池尺寸對(duì)I I0 0的影響的影響2 24.1 4.1 P-N結(jié)的形成結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半

2、導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成PN結(jié)，如下物理過(guò)程:常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池本質(zhì)是大面積的常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池本質(zhì)是大面積的P-N結(jié)二極管。結(jié)二極管。3 3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP摻雜磷產(chǎn)生摻雜磷產(chǎn)生的自由電子的自由電子NN型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體自由電子數(shù)為自由電子數(shù)為 N型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子多數(shù)載流子，空穴為空穴為 N型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的少數(shù)載流子少數(shù)載流子4 4SiSiSiSiSiB摻雜硼產(chǎn)生的摻雜硼產(chǎn)生的空位空位P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體自由電子為自由電子為 P型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的少數(shù)載流子少數(shù)載流子空穴為空穴為 P型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子多數(shù)載流子空

3、穴空穴5 5因因濃濃度度差差多子產(chǎn)生多子產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電形成空間電荷區(qū)（耗盡荷區(qū)（耗盡層）層）(N(NP)P)形成內(nèi)電形成內(nèi)電場(chǎng)場(chǎng)(N(NP)P) 阻止多子阻止多子擴(kuò)散擴(kuò)散促使少子促使少子漂移漂移動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡6 64.2 4.2 P-N結(jié)的靜電學(xué)結(jié)的靜電學(xué)當(dāng)外加電壓時(shí)，當(dāng)外加電壓時(shí)，PNPN結(jié)就會(huì)顯示單向?qū)щ娦越Y(jié)就會(huì)顯示單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦裕篜NPN結(jié)加結(jié)加反向反向電壓時(shí)，電壓時(shí)，截止截止。規(guī)定規(guī)定：P P區(qū)接電源正，區(qū)接電源正，N N區(qū)接電源負(fù)為區(qū)接電源負(fù)為PNPN結(jié)加結(jié)加正向正向電壓電壓N N區(qū)接電源正，區(qū)接電源正，P P區(qū)接電源負(fù)為區(qū)接電源負(fù)為PNPN結(jié)加結(jié)加

4、反向反向電壓電壓PNPN結(jié)加結(jié)加正向正向電壓時(shí)，電壓時(shí)，導(dǎo)通導(dǎo)通。PN+ +內(nèi)電場(chǎng)7 7 (1)P-N(1)P-N結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 PN結(jié)加正向電壓時(shí)，外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。起理想模型：開(kāi)關(guān)閉合內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng) 動(dòng)畫(huà) PN結(jié)正偏8 8 (2)P-N(2)P-N結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分降落在外加的反向電壓有一部分降落在PNPN結(jié)區(qū)，方向與

5、結(jié)區(qū)，方向與PNPN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PNPN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，由于漂移電流是少電流，由于漂移電流是少子形成的電流，故反向電流子形成的電流，故反向電流非常小，非常小，PNPN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。結(jié)呈現(xiàn)高阻性。 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)9 9 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少

6、子形成的漂移電流少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)為這個(gè)電流也稱(chēng)為反向飽和電流反向飽和電流。 圖 01.08 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況1010 PN PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。漂移電流。PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況 PN PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；擴(kuò)散電流；由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴＝Y(jié)具有單

7、向?qū)щ娦浴?111pnpn結(jié)內(nèi)的電勢(shì)結(jié)內(nèi)的電勢(shì) 若pn結(jié)內(nèi)過(guò)渡區(qū)的電勢(shì)變化為0，則有：012lnCVggADN NqEEEEkTN N又由于所以1212PN20lniDAnNNqkT2gEkTiCVnN N epn結(jié)內(nèi)的載流子濃度結(jié)內(nèi)的載流子濃度 pn結(jié)可近似（近似1）劃分為兩個(gè)區(qū)域：1. 準(zhǔn)中性區(qū)：假設(shè)空間電荷密度處處為零；2. 耗盡區(qū)：假設(shè)載流子濃度很小，對(duì)空間電荷密度的貢獻(xiàn)僅來(lái)自電離雜質(zhì)。 pn結(jié)中，n區(qū)均勻的摻有施主雜質(zhì)，雜質(zhì)濃度為ND。 p區(qū)均勻的摻有受主雜質(zhì)，雜質(zhì)濃度為NA。例如例如n區(qū)有：區(qū)有：p-n+ND=01313PNpnpn結(jié)內(nèi)的電荷密度結(jié)內(nèi)的電荷密度pn結(jié)內(nèi)空間電荷密度分

8、布：1414耗盡區(qū)電荷密度 nDxxqNx0 0 xxqNxpA電中性條件：nDpAxNxNnpxxW耗盡區(qū)寬度：pnpn結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布1515將空間電荷密度積分得到電場(chǎng)分布：ddEx nDnDxxxqNExxqNxE0max 0maxxxxqNExxqNxEpApAPNmaxApDnqN xqN xE電中性條件pnpn結(jié)內(nèi)的電勢(shì)分布結(jié)內(nèi)的電勢(shì)分布1616再將電場(chǎng)E積分得到電勢(shì)的分布：ddEx 令x=-xp處的電勢(shì)為零，得到： 2maxmax,022AppEqNxExxxxx 2maxmax, 022DnnEqNxExxxxx內(nèi)建勢(shì)：npxx電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的面積maxmax1122nP

9、EWExx如果外加正向電壓Va，那么0aV4.3 4.3 結(jié)電容結(jié)電容1717 (1) (1) 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB(2) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD (1) (1) 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB 勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容示意圖反向偏壓 擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的濃度梯度。(2) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散

10、電容CD 反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類(lèi)似的濃度梯度分布曲線(xiàn)。擴(kuò)散電容示意圖 當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過(guò)程。PN結(jié)的結(jié)電容C2121PN結(jié)的結(jié)電容C是：DBCCCWAC或?qū)懗桑?12aVNqAC式中：N為NA和ND中的較小者。通過(guò)測(cè)量C和Va的關(guān)系，可以得到N。4.4 載流子的注入2222 當(dāng)外加正向偏置電壓Va時(shí)，耗盡區(qū)寬度W降低，內(nèi)建勢(shì)降為0-Va 。載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增加，耗盡區(qū)附近少子濃度增加，相當(dāng)于注入了載流子。 當(dāng)外加反向偏置電壓Va時(shí)，耗盡區(qū)寬度W增加，內(nèi)建勢(shì)升為0+Va

11、。載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)降低，耗盡區(qū)附近少子濃度下降。2323在零偏置時(shí)，已知：20lniDAnNNqkT20000innppnnpnp得到：02/00qkTinbnpDnppp eN02/00,qkTipapnAnnnn eNpp0:零偏置時(shí)，p區(qū)空穴濃度；np0:零偏置時(shí)，p區(qū)電子濃度；pn0:零偏置時(shí)，n區(qū)空穴濃度；nn0:零偏置時(shí)，n區(qū)電子濃度。零偏置時(shí)的載流子濃度分布ab正向偏置時(shí)的載流子濃度分布大于平衡值多子濃度不變ab2525 在偏置Va作用下，耗盡區(qū)的靜電流是漂移電流與擴(kuò)散電流的差值。假設(shè)：ddhhpqpEqDx（近似2）得到：1 ddkTpEq px所以：0ln|lnpabaanbp

12、kTkTVpqqp 假設(shè)：,papananapn np（近似3）依據(jù)電中性條件，得到：/00qkTpaApapnpNnpp e即少子遠(yuǎn)小于多子耗盡區(qū)內(nèi)無(wú)產(chǎn)生耗盡區(qū)內(nèi)無(wú)產(chǎn)生和復(fù)合電流，且和復(fù)合電流，且耗盡區(qū)內(nèi)電子和耗盡區(qū)內(nèi)電子和空穴電流恒定空穴電流恒定偏壓下少數(shù)載流子濃度偏壓下少數(shù)載流子濃度耗盡區(qū)邊緣少數(shù)載流子濃度隨外加電壓增加而呈指數(shù)增加。少數(shù)載流子注入少數(shù)載流子注入：由pn結(jié)兩邊的偏壓來(lái)控制少數(shù)載流子濃度。2626耗盡區(qū)邊緣少數(shù)載流子濃度與偏壓Va的關(guān)系：2/0,aaqVkTqVkTinbnDnpp eeN2/0aaqVkTqVkTipapAnnn eeN目標(biāo)：加偏壓后電流電壓關(guān)系目標(biāo)：加偏

13、壓后電流電壓關(guān)系2727N區(qū)（遠(yuǎn)離擴(kuò)散區(qū)）：多子（電子）的漂移電流。N區(qū)（擴(kuò)散區(qū)）：少子（空穴）電流與多子（電子）的電流互換。結(jié)區(qū)：電流連續(xù)。P區(qū)（擴(kuò)散區(qū)）：少子（電子）電流與多子（空穴）的電流互換。P區(qū)（遠(yuǎn)離擴(kuò)散區(qū)）：多子（空穴）的漂移電流。 動(dòng)畫(huà) PN結(jié)正偏4.5 準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散流 如果半導(dǎo)體材料均勻摻雜區(qū)是準(zhǔn)中性的，那么當(dāng)少數(shù)載流子流不是很小，或者說(shuō)多數(shù)載流子流不是很大時(shí)： 少數(shù)載流子可以認(rèn)為不受電場(chǎng)的影響，主要以擴(kuò)散方式流動(dòng)。2828目標(biāo)：加偏壓后電流電壓關(guān)系目標(biāo)：加偏壓后電流電壓關(guān)系2929歸納為求解電壓與少子的擴(kuò)散電流關(guān)系。 電子電流和空穴電流的大小在不同區(qū)內(nèi)各不相同，但二者之和

14、保持不變，只要求出通過(guò)pn結(jié)任何一個(gè)截面的總電流就可以。 J=b處的電子漂移電流+b處的空穴擴(kuò)散電流 =a處的電子（少子）擴(kuò)散電流+b處的空穴（少子）擴(kuò)散電流4.6 暗特性4.6.1 整個(gè)pn結(jié)二極管中的載流子濃度分布 /001ex LqV kTpppnxnnee /001hx LqV kTnnnpxppeen區(qū)x位置空穴濃度：p區(qū)x位置電子濃度： 在準(zhǔn)中性區(qū)，為保持空間電荷中性，多數(shù)載流子必須有相應(yīng)的變化。盡管絕對(duì)變化相同，多數(shù)載流子濃度的相對(duì)變化較小。heLL和分別為空穴和電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。30304.6.2 流過(guò)二極管的內(nèi)電流流過(guò)二極管的內(nèi)電流 在準(zhǔn)中性區(qū)，少子電流是擴(kuò)散電流，電流為： /

15、01hx LqV kThnhhqD pJxeeL 0/1eepx LqV kTeeqD pJxeeL 得到耗盡區(qū)的電流：000/0|+|=1totalexhxepqV kThnehJJJqD nqD neLL1e/kTqV0II 由于電流不隨位置變化，所以二極管內(nèi)的電流為：3131理想理想二極管定律二極管定律在理想的二極管中，電流與電壓的關(guān)系為：1e/kTqV0III為通過(guò)二極管的凈電流，I0為反向暗飽和電流（在沒(méi)有光照情況下輸出的電流），V是施加在二極管兩端的電壓，q和k分別代表電荷的絕對(duì)值和玻耳茲曼常數(shù)，T則表示絕對(duì)溫度（單位為K）。323233331e/kTqV0III正向偏置下電流的方

16、向正向偏置下電流的方向非理想非理想二極管定律二極管定律在理想的二極管中，電流與電壓的關(guān)系為：1e/nkTqV0II3434 n為理想因子（也叫n因子）。理想因子是描述pn結(jié)質(zhì)量和電池的復(fù)合類(lèi)型的測(cè)量量。對(duì)于復(fù)合類(lèi)型那一節(jié)所討論的簡(jiǎn)單的復(fù)合來(lái)說(shuō)，n的值為1。然而對(duì)于其它特別是效應(yīng)很強(qiáng)的復(fù)合類(lèi)型來(lái)說(shuō)，n的值應(yīng)該為2。4.7 4.7 光照特性光照特性?xún)蓚€(gè)條件：兩個(gè)條件：1. 被吸收的光可將材料中的電子激發(fā)到高能級(jí)；2. 處于高能級(jí)的電子能從電池中移動(dòng)到外部電路，在外部電路的電子消耗了能量后回到電池中。太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)與工作原理3535光照下的光照下的pn結(jié)結(jié)這種漂移電流就是光生電流光生電流，是由少子

17、運(yùn)動(dòng)決定的。主要過(guò)程：主要過(guò)程：1. 吸收入射光電子并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)；2.在內(nèi)電場(chǎng)作用下，電子向N型區(qū)漂移，空穴向P型區(qū)漂移。電流方向：N型區(qū)流向P型區(qū)，與擴(kuò)散電流方向相反。3636/e1qV kT0ILI光照下理想光照下理想二極管內(nèi)的電流二極管內(nèi)的電流- -電壓關(guān)系電壓關(guān)系 假設(shè)光照下，整個(gè)器件上的電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生率G相同，得到： /001ex LqV kTppepenxnGneGe /001hx LqV kTnnhnhpxpGpeGen區(qū)x位置空穴濃度：p區(qū)x位置電子濃度： 可見(jiàn)，光生電流IL等于二極管耗盡區(qū)及其兩邊一個(gè)少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)，全部光生載流子的貢獻(xiàn)。準(zhǔn)中性區(qū)少子相應(yīng)電流密

18、度為： /01hhx Lx LqV kThnhhhqD pJxeeqGL eL 0/1eeepx Lx LqV kTeeeqD pJxeeqGL eL 耗盡區(qū)電流密度變化為：| |ehJJqGW可得電流-電壓關(guān)系：LkTqV0III1e/,LehIqAG LWLA為太陽(yáng)電池的面積3737太陽(yáng)能電池的伏安曲線(xiàn)太陽(yáng)能電池的伏安曲線(xiàn) 太陽(yáng)能電池的伏安曲線(xiàn)是電池二極管在無(wú)光照時(shí)的伏安曲線(xiàn)與光生電流的疊加。 式中IL為光生電流。 光的照射能使伏安曲線(xiàn)移動(dòng)到第四象限，意味著能量來(lái)自電池。用光照射電池并加上二極管的暗電流，則二極管的方程變?yōu)椋簾o(wú)光照時(shí)：0LI短路時(shí)：LscIIV , 0LkTqV0III1e

19、/開(kāi)路時(shí)：00,ln1LocIkTIVqI38384.8 4.8 太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)太陽(yáng)能電池的輸出參數(shù)4.8.1 短路電流短路電流 Isc4.8.2 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓 Voc4.8.3 填充因子填充因子FF4.8.4 轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率39394.8.1 4.8.1 短路情況短路情況 在電池短路的情況下，將不會(huì)出現(xiàn)電荷的聚集，因?yàn)檩d流子參與了光電流的流動(dòng)。短路電流短路電流 Isc4040短路電流短路電流I Iscsc 短路電流短路電流是指電池電壓為零電壓為零時(shí)（電池短路時(shí)）流過(guò)電池的電流，通常記作Isc。對(duì)于電阻阻抗最小的理想太陽(yáng)能電池，短路電流等于光生電流，所以短路電流與光生載流子的產(chǎn)生與

20、收集有關(guān)。短路電流是電池能輸出的最大電流。LscIIV , 04141影響影響I Iscsc大小的因素大小的因素太陽(yáng)能電池的表面積；光子的數(shù)量（即入射光的強(qiáng)度）；入射光的光譜；電池的光學(xué)特性（吸收和反射）；電池的收集概率。42424.8.2 4.8.2 開(kāi)路情況開(kāi)路情況4343內(nèi)內(nèi)電電場(chǎng)場(chǎng)電子電子N區(qū)區(qū)產(chǎn)生與內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生與內(nèi)電場(chǎng)相反的電場(chǎng)相反的電場(chǎng)空穴空穴P區(qū)區(qū)削弱內(nèi)電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)載流子運(yùn)動(dòng)達(dá)載流子運(yùn)動(dòng)達(dá)到新的平衡到新的平衡擴(kuò)散電流增加擴(kuò)散電流增加開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓 V Vococ多子數(shù)目多子數(shù)目增加增加 開(kāi)路情況下，電子聚集在N型區(qū)，空穴聚集在P型區(qū)。動(dòng)態(tài)平衡：漂移電流=擴(kuò)散電流4343開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓Voc開(kāi)路電壓是電池能輸出的最大電壓。0,1ln0IIIqkTVLoc開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓是電流為零為零時(shí)（電池開(kāi)路時(shí)）電池的電壓，通常記作Voc。開(kāi)路電壓的大小相當(dāng)于光生電流在電池兩邊加的前置偏壓。VocVoc大小主要取決于大小主要取決于I IL L和和I I0 044444.8.3 4.8.3 填充因子（填充因子（FFFF）scocmpmpIVIVFF 填充因子FF(Fill Factor)是電池的最大輸出功率Pm與開(kāi)路Voc和Isc的乘積的比值：式中Vmp與Imp分別為在最大輸出功率時(shí)的電流與電壓