半導體器件物理學習指導：第七章 太陽電池和光電二極管

1、第七章 太陽電池和光電二極管一 名詞 術(shù)語 概念 問題光生伏特效應：光生伏特效應就是半導體吸收光能后利用各種勢壘產(chǎn)生光生電動勢的效應，這些勢壘可以是PN結(jié)、MS結(jié)、異質(zhì)結(jié)等。PN結(jié)光生伏特效應涉及到的物理過程：PN結(jié)光生伏特效應涉及到以下三個主要的物理過程：第一，半導體材料吸收光能產(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)建電場方向相反的光生電場。于是，在P區(qū)和N區(qū)之間建立了光

2、生電動勢。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。用能帶圖分析PN結(jié)光生伏特效應的物理過程。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)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

3、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?，勢壘降低的部分正好是P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。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)費米能級分開的距離仍然代表P-N結(jié)勢壘降低的程度，如果加上負載就會有光電流通過。（a）（b

4、）（c )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)。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。考慮到串聯(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。（7-6） 根據(jù)圖可以寫出考慮到串聯(lián)電阻作用的

5、V-I特性公式（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光電二極管的基本結(jié)構(gòu)以及反偏壓下的能帶圖。 半導體吸收光之后產(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

6、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?？狗瓷渫繉咏饘俳佑|+漂移空間空穴擴散 電子擴散吸收圖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）光吸收特性說明P-I-N光電二極管的I層的作用答：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

7、的量子效率和頻率響應。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。答：共同點是二者都是利用光生伏特效應把光能轉(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，即等于該光的光子能量。太陽電池則無此限制。此外，光電二極管有響應速度（帶寬）的限制太陽電池也沒有。二重要推導導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的電壓和電流。對于理想太陽電池根據(jù)，太陽電池向負載提供的功率為 時，得最大功率條件或者（7-10） （1） （2） 將開路電壓代入（2）式，得當 時，對應的電流為從（1）式中解出 ：代入中，求得（7-7） （3） （7-6） 于是由（1）式，（4） 得：（5） 三 重要圖表： 圖7.6、7.7、7.20四 重要習題7-4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：00PN解： V加到pn結(jié)上， 其中，代入到（*）式中，得 邊界條件 ： 7-