半導(dǎo)體器件物理-第七章課件

第七章太陽(yáng)電池和光電二極管7.1半導(dǎo)體中的光吸收7.1半導(dǎo)體中的光吸收

假設(shè)半導(dǎo)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7-1從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖 7.1半導(dǎo)體中的光吸收

圖7-4幾種半導(dǎo)體的吸收系數(shù)7.1半導(dǎo)體中的光吸收

教學(xué)要求作業(yè)：7.1、7.3

7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)

圖7-5P-N結(jié)能帶圖：（a）無(wú)光照平衡P-N結(jié)，（b）光照P-N結(jié)開(kāi)路狀態(tài)，（c）光照P-N結(jié)有串聯(lián)電阻時(shí)的狀態(tài)。7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)對(duì)于在整個(gè)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(duì)的產(chǎn)生率為P-N結(jié)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(qiáng)度和P-N結(jié)的性質(zhì)。

（7-5）7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)小結(jié)

概念：光生伏打效應(yīng)、暗電流

PN結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過(guò)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(duì)；第二，非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也可以是漂移運(yùn)動(dòng)；第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。分離的電子和空穴在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。利用能帶圖分析了光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生：非平衡載流子的產(chǎn)生預(yù)示著熱平衡的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)分開(kāi)，開(kāi)路時(shí)電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差等于光生電動(dòng)勢(shì)。

7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)教學(xué)要求掌握概念：光生伏打效應(yīng)、暗電流分析了PN結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過(guò)程利用能帶圖分析光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生解釋短路光電流公式（7-5）的含義暗電流是怎么產(chǎn)生的？能否去除？

7.3太陽(yáng)電池的I-V特性7.3太陽(yáng)電池的I-V特性

圖7-6太陽(yáng)電池理想等效電路7.3太陽(yáng)電池的I-V特性

P-N結(jié)上的電壓為

在開(kāi)路情況下，I=0，得到開(kāi)路電壓（這是太陽(yáng)電池能提供的最大電壓）

在短路情況下（V=0），

這是太陽(yáng)電池能提供的最大電流。太陽(yáng)電池向負(fù)載提供的功率為（7-9）（7-7）（7-8）（7-10）7.3太陽(yáng)電池的I-V特性

圖7-7一個(gè)典型的太陽(yáng)電池在一級(jí)氣團(tuán)（AM1）光照下的I-V特性，AM1即太陽(yáng)在天頂時(shí)及測(cè)試器件在晴朗天空下海平面上的太陽(yáng)能7.3太陽(yáng)電池的I-V特性

實(shí)際的太陽(yáng)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

圖

7-8包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽(yáng)電池等效電路7.3太陽(yáng)電池的I-V特性

教學(xué)要求畫(huà)出理想太陽(yáng)電池等效電路圖根據(jù)電池等效電路圖寫出了太陽(yáng)電池的I－V特性方程（7-6）了解太陽(yáng)電池的I-V特性曲線（圖7.7），根據(jù)太陽(yáng)電池的I－V特性方程解釋該曲線所包含的物理意義。畫(huà)出實(shí)際太陽(yáng)電池等效電路圖根據(jù)等效電路圖寫出I－V特性方程（7-11）5.作業(yè)：

7.4太陽(yáng)電池的效率7.4太陽(yáng)電池的效率

太陽(yáng)電池的效率指的是太陽(yáng)電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽(yáng)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，為陽(yáng)電池的最大輸出功率：

對(duì)于理想太陽(yáng)電池根據(jù)（7.10）式，時(shí)得最大功率條件

（7-12）（7-13）（7-14）7.4太陽(yáng)電池的效率

小結(jié)

太陽(yáng)電池的效率指的是太陽(yáng)電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽(yáng)電池的最大輸出功率與輸入光功率的百分比：

太陽(yáng)電池的最大輸出功率引進(jìn)占空因數(shù)這一概念，給出了太陽(yáng)電池的效率公式

（7-12）（7-18）（7-19）7.4太陽(yáng)電池的效率

教學(xué)要求

了解概念：轉(zhuǎn)換效率、占空因數(shù)導(dǎo)出太陽(yáng)電池的最大輸出功率公式（7-18）。作業(yè)：7.6、7.10

7.5光產(chǎn)生電流和收集效率7.5光產(chǎn)生電流和收集效率與此類似，描述結(jié)的P側(cè)電子的擴(kuò)散方程為

在P-N結(jié)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

（7-23）（7-21b）（7-22a）（7-22b）7.5光產(chǎn)生電流和收集效率例題：推導(dǎo)出P在上N長(zhǎng)P+N電池的N側(cè)內(nèi)光生少數(shù)載流子密度和電流的表達(dá)式，假設(shè)在背面接觸處的表面復(fù)合速度為S，入射光是單色的。P+層內(nèi)的吸收可以忽略不計(jì)。解：方程（7-21a）的邊界條件為方程（7-21a）的解為：

7.5光產(chǎn)生電流和收集效率

（7-24）從P+側(cè)流到N側(cè)的電子電流用同樣方法可以求得。

（7-25）7.5光產(chǎn)生電流和收集效率

圖7-9入射光為和的歸一化少數(shù)載流子分布。器件參數(shù)為xj=2.8m,W=20mils,=4.2s,=10ns,以及S=100cm/s7.5光產(chǎn)生電流和收集效率根據(jù)少子空穴濃度表達(dá)式可以看到，在短波（550nm）時(shí)，由于吸收系數(shù)比較大，大多數(shù)光子在接近表面的一個(gè)薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。在較長(zhǎng)時(shí)（900nm），較小，吸收多發(fā)生在P-N結(jié)的N側(cè)。所形成的少數(shù)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(shù)已知，把（7-25）式代入（7-23）式，可以得到在N側(cè)每一波長(zhǎng)的收集效率。收集效率受到少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)的影響，擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地長(zhǎng)以收集所有光生載流子。在有些太陽(yáng)電池中，通過(guò)雜質(zhì)梯度建立自建場(chǎng)以改進(jìn)載流子的收集。就吸收系數(shù)的影響來(lái)說(shuō)，大的值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈收集。小的值使光子能向深處穿透，以致太陽(yáng)電池的基底在載流子的收集當(dāng)中更為重要。一般的GaAs電池屬于前者，硅太陽(yáng)電池屬于后一種類型。

7.5光產(chǎn)生電流和收集效率圖7-10圖7-9中太陽(yáng)電池的收集效率與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

7.5光產(chǎn)生電流和收集效率小結(jié)考慮半導(dǎo)體吸收，電子—空穴對(duì)的產(chǎn)生率為產(chǎn)生率是表面深度的函數(shù)。定義了光子收集效率：

舉例分析了電子－空穴對(duì)的產(chǎn)生率與光子頻率和透入深度的關(guān)系：在短波（500nm）時(shí)，由于吸收系數(shù)比較大大多數(shù)光子在接近表面的一個(gè)薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。在較長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)時(shí)（900nm），較小，吸收多發(fā)生在PN結(jié)的N側(cè)（7-20）（7-23）7.5光產(chǎn)生電流和收集效率小結(jié)給出了在不同波長(zhǎng)上收集效率的理論值（圖7-10）。收集效率與少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)有關(guān)：擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地長(zhǎng)以收集所有光生載流子。在有些太陽(yáng)電池中，通過(guò)雜質(zhì)梯度建立自建場(chǎng)以改進(jìn)載流子的收集。吸收系數(shù)的影響是：大的值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈收集。小的值使光子能向深處穿透，以至太陽(yáng)電池的基底在載流子的收集當(dāng)中更為重要。一般地GaAs電池屬于前者，硅太陽(yáng)電池屬于后一種類型。以上分析為太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)提供了重要參考。7.6提高太陽(yáng)電池效率的考慮7.6提高太陽(yáng)電池效率的考慮

在實(shí)際的太陽(yáng)電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)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(yáng)光譜及其在GaAs和中Si的能量截止點(diǎn)

7.6提高太陽(yáng)電池效率的考慮

只有大于的那部分能量可以被吸收。可見(jiàn)，越小越大從而越大?？杀晃盏淖畲蠊庾訑?shù)在硅中為：,在GaAs中為：最大功率考慮太陽(yáng)電池的最大輸出功率由開(kāi)路電壓和短路電流所決定。由光譜考慮，發(fā)現(xiàn)隨著的增加而減小。開(kāi)路電壓

乘積會(huì)出現(xiàn)一極大值。

由（7-5）（7-27）7.6提高太陽(yáng)電池效率的考慮

圖7-12最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

7.6提高太陽(yáng)電池效率的考慮

串聯(lián)電阻考慮

圖7-13串聯(lián)電阻和分流電阻對(duì)I-V曲線的影響7.6提高太陽(yáng)電池效率的考慮

達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，需要對(duì)摻雜濃度和結(jié)深采取折衷。實(shí)際的接觸是采用示于圖7-14中的柵格形式。這種結(jié)構(gòu)能夠有大的曝光面積，而同時(shí)又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值。

圖7-14P上擴(kuò)散N的硅電池的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)7.6提高太陽(yáng)電池效率的考慮

表面反射采用抗反射層理想的抗反射層材料折射率應(yīng)為。聚光聚光是用聚光器面積代替許多太陽(yáng)能電池的面積，從而降低太陽(yáng)能電池造價(jià)。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加效率。因此一個(gè)電池在1000個(gè)太陽(yáng)強(qiáng)度的聚光度下工作產(chǎn)生的輸出功率相當(dāng)于1300個(gè)電池在一個(gè)太陽(yáng)強(qiáng)度下工作的輸出功率。

閱讀：第7.7、7.8節(jié)7-9光電二極管

光電二極管工作原理：光照反偏PN結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場(chǎng)漂移形成反向電流。光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)有關(guān)。光電二極管用于探測(cè)光信號(hào)。

7-9光電二極管

P-I-N光電二極管圖7-20P-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(shí)的能帶圖；（c）光吸收特性7-9光電二極管在長(zhǎng)距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用的雙異質(zhì)結(jié)P-I-N光電二極管中，P-InP的禁帶寬度為1.35eV，對(duì)波長(zhǎng)大于的光不吸收。的禁帶寬度為0.75eV（對(duì)應(yīng)截止時(shí)波長(zhǎng)），在波段上表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收。這樣，對(duì)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(kuò)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(yīng)度。具有良好的頻率響應(yīng)。閱讀：7.9.2、7.9.37-9光電二極管小結(jié)光電二極管的工作原理：光電二極管和太陽(yáng)電池一樣，都是利用光生伏特效應(yīng)工作的器件。與太陽(yáng)電池不同之處在于，光電二極管工作時(shí)要加上反向偏壓。光電二極管接受光照之后，產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光生電流，所以能把光信號(hào)變成電信號(hào)達(dá)到探測(cè)光信號(hào)的目的。介紹了P-I-N光電二極管的工作原理的基本結(jié)構(gòu)、能帶圖和工作原理。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(duì)立刻被電場(chǎng)分離而形成光電流。

7-9光電二極管教學(xué)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(jié)構(gòu)、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(jī)制和特點(diǎn)是什么？

的雙異質(zhì)結(jié)光電二極管中為什么不出現(xiàn)擴(kuò)散電流？

7.10光電二極管的特性參數(shù)7.10光電二極管的特性參數(shù)量子效率和響應(yīng)度1.量子效率

即單位入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)。產(chǎn)生明顯光電流的波長(zhǎng)是有限制的：長(zhǎng)波限由禁帶寬度決定。光響應(yīng)也有短波極限。圖7-25示出了一些高速光電二極管量子效率和波長(zhǎng)關(guān)系的典型曲線?？梢钥吹?，在紫外和可見(jiàn)光區(qū)，金屬半導(dǎo)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(dá)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(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進(jìn)行冷卻（例如用液氮冷卻到77K）。（7-29）（7-30）7.10光電二極管的特性參數(shù)圖7-25不同光電二極管量子效率和波長(zhǎng)的關(guān)系

7.10光電二極管的特性參數(shù)

響應(yīng)度表征光電二極管的轉(zhuǎn)換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應(yīng)度要求有厚的I層

（7-31）7.10光電二極管的特性參數(shù)響應(yīng)速度（帶寬）定義為當(dāng)交流光電流下降到低頻的時(shí)的調(diào)制頻率。它也稱為3dB頻率或3dB帶寬。響應(yīng)速度（帶寬）主要受下列三個(gè)因素的控制：（1）載流子的擴(kuò)散。在耗盡層外邊產(chǎn)生的載流子必須擴(kuò)散到P-N結(jié)，這將引起可觀的時(shí)間延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)減到最小，P-N結(jié)盡可能接近表面。（2）在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時(shí)間要求耗盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會(huì)使器件吸收光子減小而影響響應(yīng)度。

7.10光電二極管的特性參數(shù)（3）耗盡層電容。耗盡層太窄，會(huì)使耗盡層電容過(guò)大，從而使時(shí)間常數(shù)RC過(guò)大（這里R是負(fù)載電阻），因此耗盡層寬度要有一個(gè)最佳選擇：

它是當(dāng)交流光電流下降到低頻的時(shí)的調(diào)制頻率。是耗盡層寬度，是飽和漂移速度，為耗盡層渡越時(shí)間。

（7-32）式中稱為3dB頻率或3dB帶寬。由下式確定（7-33）7.10光電二極管的特性參數(shù)噪聲特性噪聲是信號(hào)上附加的無(wú)規(guī)則起伏。它可使信號(hào)變得模糊甚至被淹沒(méi)。散粒噪聲：是由一個(gè)個(gè)入射光子產(chǎn)生的不均勻的或雜亂的電子空穴對(duì)引起的。也就是說(shuō)是由通過(guò)器件的粒子（電子或空穴）數(shù)無(wú)規(guī)則起伏引起的。分析表明，探測(cè)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(qiáng)度，為測(cè)量的頻率范圍即帶寬。（7-35）7.10光電二極管的特性參數(shù)熱噪聲：來(lái)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(wú)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(shí)的總噪聲電流（均方值）為

－入射光在光吸收層中產(chǎn)生的光電流，即信號(hào)電流。－暗電流。－放大器的噪聲系數(shù)和絕對(duì)溫度之積，稱為有效溫度。（7-36）（7-37）7.10光電二極管的特性參數(shù)其它的幾個(gè)概念信噪比

光電二極管的信噪比為其中為光電二極管的信號(hào)電流（令）為在負(fù)載R兩端產(chǎn)生的信號(hào)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

（7-40）（7-39）（7-38）（7-41）7.10光電二極管的特性參數(shù)噪聲等效功率（NEP）

NEP定義為產(chǎn)生與探測(cè)器噪聲輸出大小相等的信號(hào)所需要的入射光功率