半導(dǎo)體物理器件 Chapter 7 (2)課件

第七章太陽電池和光電二極管●半導(dǎo)體中的光吸收●P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)●太陽電池的I-V特性●太陽電池的效率●光產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域項目有關(guān)器件顯示數(shù)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(dǎo)體激光器液晶、放電管、陰極射線管各種激光器、光調(diào)制和光偏轉(zhuǎn)裝置、光接收器和攝像裝置、全息照相裝置光電子學(xué)是介于光學(xué)技術(shù)和電子工程之間的新興邊緣科學(xué)。這門學(xué)科是隨著發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等器件的問世而誕生的。光電子學(xué)分類引言領(lǐng)域項目有關(guān)器件光信息處理圖像處理、圖形識別光貯存器、模擬光運(yùn)算數(shù)字光邏輯、光輸入、輸出LED、Laser、各種激光器、光調(diào)制和光偏轉(zhuǎn)裝置、光接收和攝象裝置、感光材料、全息照相裝置光通信大氣傳輸光信號透鏡光導(dǎo)光通信光纖通信、衛(wèi)星通信海洋光通信、光雷達(dá)LED、Laser、各種激光器、光調(diào)制裝置、光接收器、光纖、集成電路、透鏡光導(dǎo)光開關(guān)、負(fù)阻器件、光耦合器、電耦合器件、磁泡器件、太陽電池其它引言（7-2）（7-3）在半導(dǎo)體的另一端（圖7-3b）處，光子通量為（7-4）當(dāng)光子在半導(dǎo)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(shù)應(yīng)當(dāng)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(shù)叫做吸收系數(shù)它是的函數(shù)。光吸收在截止波長處急劇下降。

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7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)P-N結(jié)光生伏特效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在P-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)。光生伏打效應(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(yùn)動，這種運(yùn)動可以是擴(kuò)散運(yùn)動，也可以是漂移運(yùn)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(yùn)動而分離。這種非均勻勢場可以是結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬—半導(dǎo)體的肖特基勢壘或異質(zhì)結(jié)勢壘等。

（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(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)。7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)教學(xué)要求掌握概念：光生伏特效應(yīng)、暗電流分析了PN結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過程利用能帶圖分析光生電動勢的產(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？

7.2P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)7.3太陽電池的I-V特性圖7-6太陽電池理想等效電路（7-7）（7-8）（7-9）P-N結(jié)上的電壓為在開路情況下，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(fù)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(tuán)（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(zhuǎn)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(jù)（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(jìn)占空因數(shù)這一概念，太陽電池的效率可寫作7.4太陽電池的效率教學(xué)要求

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

7.4太陽電池的效率（7-21b）（7-22a）（7-22b）（7-23）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7.5光產(chǎn)生電流和收集效率例題：推導(dǎo)出長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。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)生電流和收集效率根據(jù)少子空穴濃度表達(dá)式可以看到，在短波（550nm）時，由于吸收系數(shù)比較大，大多數(shù)光子在接近表面的一個薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子—空穴對。在較長時（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)每一波長的收集效率。收集效率受到少數(shù)載流子擴(kuò)散長度和吸收系數(shù)的影響，擴(kuò)散長度應(yīng)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(zhì)梯度建立自建場以改進(jìn)載流子的收集。就吸收系數(shù)的影響來說，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中太陽電池的收集效率與波長的對應(yīng)關(guān)系

7.5光產(chǎn)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(shè)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(diǎn)

圖7-12最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對應(yīng)關(guān)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(dá)到最佳設(shè)計，需要對摻雜濃度和結(jié)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(jié)構(gòu)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(shù)值。

圖7-14P上擴(kuò)散N的硅電池的簡單結(jié)構(gòu)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(yīng)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(diǎn)是增加效率。因此一個電池在1000個太陽強(qiáng)度的聚光度下工作產(chǎn)生的輸出功率相當(dāng)于1300個電池在一個太陽強(qiáng)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7-20P-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(jié)，產(chǎn)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(zhuǎn)換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長有關(guān)。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(yīng)。在長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，對波長大于的光不吸收。的禁帶寬度為0.75eV（對應(yīng)截止時波長），在波段上表現(xiàn)出較強(qiáng)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(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)。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？7-9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？

7-9光電二極管7.10光電二極管的特性參數(shù)（7-29）圖7-25示出了一些高速光電二極管量子效率和波長關(guān)系的典型曲線?？梢钥吹剑谧贤夂涂梢姽鈪^(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。對于更長的波長，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）。量子效率和響應(yīng)度1.量子效率（7-30）即單位入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)。產(chǎn)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(yīng)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(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）主要受下列三個因素的控制：（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(yīng)度。響應(yīng)速度（帶寬）定義為當(dāng)交流光電流下降到低頻的時的調(diào)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(shù)（7-32）（7-33）式中稱為3dB頻率或3dB帶寬。由下式確定它是當(dāng)交流光電流下降到低頻的時的調(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(shù)RC過大（這R是負(fù)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(shù)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(chǎn)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(shù)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(qiáng)度，為測量的頻率范圍即帶寬。（7-35）7.10光電二極管的特性參數(shù)（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(chǎn)生的光電流，即信號電流。－暗電流。－放大器的噪聲系數(shù)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(shù)（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(fù)載R兩端產(chǎn)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(shù)2、噪聲等效功率（NEP）

NEP定義為產(chǎn)生與探測器噪聲輸出大小相等的信號所需要的入射光功率。NEP標(biāo)志探測器可探