半導體物理器件

1、第七章 太陽電池和光電二極管 半導體中的光吸收P-N結的光生伏特效應 太陽電池的I-V特性太陽電池的效率 光產生電流和收集效率提高太陽電池效率的考慮 光電二極管光電二極管的特性參數 領域項目有關器件顯示數字和文字顯示電視顯示圖像顯示投影顯示全息像顯示發(fā)光二極管、半導體激光器液晶、放電管、陰極射線管各種激光器、光調制和光偏轉裝置、光接收器和攝像裝置、全息照相裝置光電子學是介于光學技術和電子工程之間的新興邊緣科學。這門學科是隨著發(fā)光二極管、半導體激光器等器件的問世而誕生的。光電子學分類 引言其它 引言7.1 半導體中的光吸收 假設半導體被一光子能量 大于禁帶寬度的光源均勻照射。光子通量為 。 圖7

2、-1 從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖 （7-2）（7-3）在半導體的另一端（圖7-3b） 處，光子通量為（7-4）當光子在半導體中傳播時，在距表面x處單位時間、單位距離上被吸收的光子數應當正比于該處的光子通量即在 時，方程（7-1）的解為式中比例系數 叫做吸收系數它是 的函數。光吸收在截止波長 處急劇下降。 7.1 半導體中的光吸收 圖7-4 幾種半導體的吸收系數7.1 半導體中的光吸收 7.2 P-N結的光生伏特效應 P-N結光生伏特效應就是半導體吸收光能后在P-N結上產生光生電動勢的效應。光生伏打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生出非平衡的電子空穴對；第二、非平衡

3、電子和空穴從產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。這種非均勻勢場 可以是結的空間電荷區(qū)，也可以是金屬半導體的肖特基勢壘或異質結勢壘等。 圖 7-5 P-N結能帶圖：（a）無光照平衡P-N結，（b）光照P-N結開路狀態(tài)，（c）光照P-N結有串聯(lián)電阻時的狀態(tài) 。7.2 P-N結的光生伏特效應 （7-5）對于在整個器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示式中為光照電子空穴對的產生率為P-N結面積為光生載流子的體積。由式（7-5）可知短路光電流取決于光照強度和P-N結的性質。7.2 P-N結的光生伏特效

4、應 教學要求掌握概念：光生伏特效應、暗電流分析了PN結光生伏特效應的基本過程利用能帶圖分析光生電動勢的產生解釋短路光電流公式（7-5）的含義暗電流是怎么產生的？能否去除？ 7.2 P-N結的光生伏特效應 7.3 太陽電池的I-V特性 圖7-6 太陽電池理想等效電路 （7-6）首先考慮串聯(lián)電阻 =0 的理想情況。在這種情況下，太陽電池的等效電路如圖7-6所示。圖中電流源為短路光電流V-I特性可以簡單地由圖7-6所示的等效電路寫出。式中為P-N 結正向電流為P-N 結飽和電流P-N 結的結電壓即為負載R上的電壓降。7.3 太陽電池的I-V特性 （7-7）（7-8）（7-9）P-N結上的電壓為在開路

5、情況下，I=0，得到開路電壓（這是太陽電池能提供的最大電壓 ）在短路情況下（V=0），這是太陽電池能提供的最大電流。（7-10）太陽電池向負載提供的功率為 7.3 太陽電池的I-V特性 圖7-7 一個典型的太陽電池在一級氣團（AM1）光照下的I-V特性，AM1即 太陽在天頂時及測試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能7.3 太陽電池的I-V特性 圖 7-8 包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池等效電路實際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻和分流電阻。考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻作用的特性公式7.3 太陽電池的I-V特性 教學要求畫出理想太陽電池等效電路圖根據電池等效電路圖寫出了太陽電池的IV特性方程（7-6）了解太

6、陽電池的I-V特性曲線（圖7.7），根據太陽電池的IV特性方程解釋該曲線所包含的物理意義。畫出實際太陽電池等效電路圖根據等效電路圖寫出IV特性方程（7-11）7.3 太陽電池的I-V特性 7.4 太陽電池的效率 （7-12）（7-13）（7-14）太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率。它是太陽電池的最大輸出電功率與入光功率的百分比：式中 為輸入光功率，Pm太陽電池的最大輸出功率：對于理想太陽電池根據（7.10）式，最大功率條件（7-17）（7-18）（7-19）從式（7.14）中解出，再將其代入式（7-6）得于是太陽電池最大輸出功率引進占空因數這一概念，太陽電池的效率可寫作7.4 太陽電

7、池的效率 教學要求 了解概念：轉換效率、占空因數導出太陽電池的最大輸出功率公式（7-18）。 7.4 太陽電池的效率 7.5 光產生電流和收集效率 考慮通量 為的光子入射到“P在N上”的結構的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于光通量：（7-21a）假設吸收每個光子產生一個電子空穴對，則電子空穴對的產生率為產生率是表面深度的函數。穩(wěn)定條件下PN結N側的空穴擴散方程為（7-21b）（7-22a）（7-22b）（7-23）與此類似，描述結的P側電子的擴散方程為在P-N結處每單位面積電子和空穴電流分量分別為光子吸收效率定義為7.5 光產生電流和收集效率 例題： 推導出長P+N電池的N側內光生少數載流子

8、密度和電流的表達式，假設在背面接觸處的表面復合速度為S，入射光是單色的。 P+層內的吸收可以忽略不計。解： 方程（7-21a）的邊界條件為方程（7-21a）的解為：7.5 光產生電流和收集效率 （7-24）從P+側流到N側的電子電流用同樣方法可以求得。 （7-25）7.5 光產生電流和收集效率 圖7-9 入射光為 和 的歸一化少數載流子分布。器件參數為 xj=2.8m,W=20mils, =4.2s, =10ns,以及 S =100cm/s7.5 光產生電流和收集效率 根據少子空穴濃度表達式可以看到，在短波（550nm）時，由于吸收系數比較大，大多數光子在接近表面的一個薄層內被吸收而產生電子空

9、穴對。在較長時（900nm）， 較小，吸收多發(fā)生在P-N結的N側。所形成的少數載流子分布繪于圖7-9中。收集效率： 入射光為單色光且光子數已知，把（7-25）式代入（7-23）式，可以得到在N側每一波長的收集效率。收集效率受到少數載流子擴散長度和吸收系數的影響，擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質梯度建立自建場以改進載流子的收集。就吸收系數的影響來說，大的 值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內的強烈收集。小的 值使光子能向深處穿透，以致太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要。一般的GaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。7.5 光產生電流和收集效

10、率 圖7-10 圖7-9中太陽電池的收集效率與波長的對應關系 7.5 光產生電流和收集效率 7.6 提高太陽電池效率的考慮 在實際的太陽電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在太陽電池的設計中必須考慮這些限制因素。圖7-11 在AM0和AM1條件下下的太陽光譜及其在GaAs和中Si的能量截止點 1、最大功率考慮太陽電池的最大輸出功率由開路電壓和短路電流所決定。由光譜考慮，發(fā)現隨著的 增加而減小。開路電壓由（7-5）可見， 越小 越大從而 越大?？杀晃盏淖畲蠊庾訑翟诠柚袨椋?,在GaAs中為：（7-27）只有大于 的那部分能量可以被吸收。乘積會出現一極大值7.6 提高太陽電池效率的考慮 圖7-

11、12 最大轉換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系 7.6 提高太陽電池效率的考慮 2、串聯(lián)電阻考慮 圖7-13串聯(lián)電阻和分流電阻對I-V曲線的影響 7.6 提高太陽電池效率的考慮 3、達到最佳設計，需要對摻雜濃度和結深采取折衷。實際的接觸是采用示于圖7-14中的柵格形式。這種結構能夠有大的曝光面積，而同時又使串聯(lián)電阻保持合理的數值。 圖7-14 P上擴散N的硅電池的簡單結構 7.6 提高太陽電池效率的考慮 4、表面反射采用抗反射層5、理想的抗反射層材料折射率應為 。6、聚光聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，從而降低太陽能電池造價。它的另一個優(yōu)點是增加效率。因此一個電池在1000個太

12、陽強度的聚光度下工作產生的輸出功率相當于1300個電池在一個太陽強度下工作的輸出功率。7.6 提高太陽電池效率的考慮 7-9 光電二極管 2、P-I-N光電二極管 圖7-20 P-I-N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1、光電二極管工作原理：光照反偏PN結，產生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信號轉換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強度和波長有關。光電二極管用于探測光信號。I層的目的是為了獲得最佳的量子效率和頻率響應。 在長距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用 的雙異質結P-I-N光電二極管中，P-InP的禁帶

13、寬度為1.35eV，對波長大于 的光不吸收。 的禁帶寬度為0.75eV（對應截止時波長 ），在 波段上表現出較強的吸收。這樣，對于光通信的低損耗波段，光吸收只發(fā)生在I層，完全消了擴散電流的影響，幾微米厚的I層，就可就可以獲得很高的響應度。具有良好的頻率響應。的雙異質結光電二極管中為什么不出現擴散電流？7-9 光電二極管 教學要求了解光電二極管的工作原理。了解P-I-N光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。P-I-N光電二極管中。I層的作用是什么？ 光電二極管中有哪兩種電流？它們的形成機制和特點是什么？ 7-9 光電二極管 7.10 光電二極管的特性參數 （7-29）圖7-25示出了

14、一些高速光電二極管量子效率和波長關系的典型曲線。可以看到，在紫外和可見光區(qū)，金屬半導體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外區(qū)，硅光電二極管（有抗反射涂層）在 到 附近，量子效率可達100%；在 到 的區(qū)域，鍺光電二極管和IIIV族光電二極管（如CaLnAS）有很高的量子效率。對于更長的波長，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進行冷卻（例如用液氮冷卻到77K）。量子效率和響應度1.量子效率（7-30）即單位入射光子所產生的電子空穴對數。產生明顯光電流的波長是有限制的：長波限 由禁帶寬度決定。光響應也有短波極限。圖7-25不同光電二極管量子效率和波長的關系 7.10 光電二極管的特性參數 響應度表

15、征光電二極管的轉換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應度要求有厚的 I 層（7-31）7.10 光電二極管的特性參數 響應速度（帶寬）主要受下列三個因素的控制：（1）載流子的擴散。在耗盡層外邊產生的載流子必須擴散到P-N結，這將引起可觀的時間延遲。為了將擴散效應減到最小，P-N結盡可能接近表面。（2）在耗盡層內的漂移時間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時間要求耗盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會使器件吸收光子減小而影響響應度。響應速度（帶寬） 定義為當交流光電流下降到低頻的時的 調制頻率。它也稱 為3dB頻率或3dB帶寬。7.10 光電二極管的特性參數 （7-32）（7-33

16、）式中 稱為3dB頻率或3dB帶寬。由下式確定它是當交流光電流下降到低頻的 時的調制頻率。 是耗盡層寬度， 是飽和漂移速度， 為耗盡層渡越時間。（3）耗盡層電容。耗盡層太窄，會使耗盡層電容過大，從而使時間常數RC過大（這R是負載電阻），因此耗盡層寬度要有一個最佳選擇：7.10 光電二極管的特性參數 噪聲特性 噪聲是信號上附加的無規(guī)則起伏。它可使信號變得模糊甚至被淹沒。散粒噪聲：是由一個個入射光子產生的不均勻的或雜亂的電子空穴對引起的。也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數無規(guī)則起伏引起的。分析表明，探測器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算。 式中 為電流強度， 為測量的頻率范圍即帶寬。

17、（7-35）7.10 光電二極管的特性參數 （7-36）（7-37）熱噪聲：來自電阻值為R的電阻體發(fā)出的電磁輻射部分，由載流子無規(guī)則散射引起。熱噪聲的電流（均方值）為接有輸入電阻為R的放大器時的總噪聲電流（均方值）為入射光在光吸收層中產生的光電流，即信號電流。暗電流。放大器的噪聲系數和絕對溫度之積，稱為有效溫度。7.10 光電二極管的特性參數 （7-40）（7-39）（7-38）（7-41）其它的幾個概念1、信噪比 光電二極管的信噪比為其中 為光電二極管的信號電流（令 ）為在負載R兩端產生的信號功率在忽略暗電流和熱噪聲的情況下，光電二極管的信噪比為 7.10 光電二極管的特性參數 2、噪聲等效功率（NEP） NEP定義為產生與探測