《半导体器件物理》学习指导（PPT）课件第七章

1、第七章第七章 太阳电池和光电二极管太阳电池和光电二极管一一 名词名词 术语术语 概念概念 问问题题n光生伏特效应：光生伏特效应就是半导体吸收光能后利用各种势垒产生光生电动势的效应，这些势垒可以是PN结、MS结、异质结等。nPN结光生伏特效应涉及到的物理过程：PN结光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一，半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子空穴对；第二，非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；第三，非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。结果在P区边界将积累非平衡空穴，在N区边界将积累非平衡电子，产生一个与平衡PN结内建电场方

2、向相反的光生电场。于是，在P区和N区之间建立了光生电动势。n太阳电池的效率:太阳电池的最大输出的电功率与吸收的光功率之比。n用能带图分析PN结光生伏特效应的物理过程。n答：图7-5a是平衡P-N结能带图。在光子能量大于禁带宽度的光的照射下，在半导体中就会产生电子空穴对。在P-N结的空间电荷区的作用下，在P区边界将积累非平衡空穴，在N区边界将积累非平衡电子，产生一个与平衡P-N结内建电场方向相反的光生电场。于是，在P区和N区之间建立了光生电动势。积累的光生载流子部分地补偿了平衡P-N结的空间电荷，引起P-N结势垒高度的降低，如图7.5b所示。如果P-N结处于开路状态，光生载流子只能积累于P-N结

3、两侧产生光生电动势。这时在P-N结两端测得的电位差叫开路电压，用 表示。从能带图上看，P-N结势垒由 降低到 。可以看出，势垒降低的部分正好是P区和N区费米能级分开的距离。如果把P-N结从外部短路，则P-N结附近的光生载流子将通过这个途径流通。这时流过太阳电池的电流叫短路光电流，用 表示。其方向从P-N结内部看是从N区指向P区的。由于这时非平衡载流子不再积累在P-N结两侧，光生电动势为零。cV00qcVq00LI一般情况下，P-N结材料和引线总有一定电阻 ，这时光生载流子只有一部分积累于P-N结上，使势垒降低 ， 是电流流过 时,在 上产生的电压降。如图7.5c所示。这时P区和N区费米能级分开

4、的距离仍然代表P-N结势垒降低的程度，如果加上负载就会有光电流通过。SRqVVSRSR（a）0qcEFEVE)(0VocqcEocqVFEVE（b）（c )Vq0cEFEVEqV图7-5 P-N结能带图：（a）无光照平衡P-N结（b）光照P-N结开路状态 （c）光照 P-N结有串联电阻时的状态。n画出太阳电池的等效电路图，根据等效电路写出I-V特性图7-6 太阳电池理想等效电路hLRLIDIILRV式中 为P-N结正向电流，称为太阳电池的暗电流。 为P-N结饱和电流。画出考虑串联电阻的太阳电池的等效电路图，根据等效电路写出V-I特性.解：实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。串联电阻是接触电

5、阻和薄层电阻的总和，它使电流电压特性发生改变，分流电阻是P-N结泄漏电流引起的。考虑到串联电阻 和分流电阻 的作用，太阳电池的等效电路图如图所示。TVVeIIIIILDL10（7-6） 10TVVDeII0ISRShR根据图可以写出考虑到串联电阻作用的V-I特性公式()/01sTVIRVLshVIRIIIeI（7-11） V图7-8 包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路cILIDIshIShRSRILRn画出P-I-N光电二极管的结构示意图和能带图，说明其工作原理。解：在P层和N层之间夹入一层本征（或低掺杂）的I层材料。这种结构的光电二极管称为P-I-N光电二极管。图7-20示出P-I-N

6、光电二极管的基本结构以及反偏压下的能带图。 半导体吸收光之后产生电子空穴对。产生在耗尽层和耗尽层外，在载流子扩散区内的电子空穴对会进入空间电荷区被电场（外加反向偏压引起的电场和P-N结自建电场）分开，它们漂移通过耗尽层，在外电路产生电流。P层和N层中间的 I 层也叫耗尽层，起到增加耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下I 层完全变成耗尽层，其中产生的 电子空穴对立刻被电场分离而形成光电流。在 I层之外产生的电子空穴对以扩散方式向耗尽层边缘扩散然后被耗尽层收集。它们形成扩散电流。I层的厚度可以很薄，目的是用以获得最佳的量子效率和频率响应。抗反射涂层金属接触+h2SiOpNILRRV漂移空间空穴扩散

7、 电子扩散吸收hhhFpERqVvEcEFnExe0PW1WWPx图7-20 光电二极管的工作原理，（a）光电二极管的剖面图；（b）反向偏置时的能带图；（c）光吸收特性n说明P-I-N光电二极管的I层的作用n答：答：P-I-N光电二极管P层和N层中间的I层也叫耗尽层起到增耗尽层宽度的作用。在足够高的反偏压下，I层完全变成耗尽层，其中产生的电子空穴对立刻被电场分离而形成光电流。I层的厚度可以很薄，目的是用以获得最佳的量子效率和频率响应。n试述结光电二极管和太阳电池的共同点和三个主要差别。n答：共同点是二者都是利用光生伏特效应把光能转换成电能的器件。不同点：1.用途不同。PN结光电二极管主要用来探

8、测光信号而太阳电池是用来把太阳能转换成电能。2. PN结光电二极管工作时要加反偏压，太阳电池不需加偏压。3.由于一个光电二极管用于探测某一确定频率的光，因此制造该光电二极管的材料的禁带宽度要与该光的频率相应，即等于该光的光子能量。太阳电池则无此限制。此外，光电二极管有响应速度（带宽）的限制太阳电池也没有。二重要推导n导出太阳电池的最大输出功率解：太阳电池的最大输出功率： ，分别为太阳电池输出最大功率时所对应的电压和电流。对于理想太阳电池根据，太阳电池向负载提供的功率为 时，得最大功率条件或者mPmPmPmIVP mPmPIV和10TVVLeVIVIIVP（7-10） 0dVdp011IIeVV

9、LVVTmPTmP（1） TmpLTmPVVIIVV11ln0（2） 将开路电压代入（2）式，得当 时，对应的电流为从（1）式中解出 ：代入中，求得01IIlVVLnTOC（7-7） TmPTocmPVVVVV1ln（3） mPVV mPILI001IeVVIITmPVVTmPLTVVeIIIIILDL10（7-6） 于是由（1）式，TmPTmPVVLmpVVeIVVeIIITmP001（4） mPVVTmPmPmPmVeVVIIVPTmP0TmPLVVIIeTVmPV110得：LTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021（5） 三 重要图表： 图7.6、7.7、7.20四 重要习题n7-

10、4假设 二极管受到一个光源的均匀照射，所引起的电子-空穴产生速率为 ，解二极管的扩散方程以证明：P NLGpplLxpplVVnnDLGeDLGePPpT2/2/0) 1(pxnxxx00PN解： 1exp0TpVVIIV加到pn结上， 0:x 0022LpnnnpGppdxpdD其中，代入到（*）式中，得 222()nnoLpnnoLppdppGppGdxL或2pppLD012exp()exp() nnLpppxxppKKGLL（ ）边界条件 ： pLnTnonGpxVVppx,exp, 00) 1(exp21KGVVpKpLTnoppLpppLTnnonnDLGLxDLGVVPppp220

11、)exp() 1(expn7-5 利用习题7-4的结果推导解：N区注入电子：电流分布为：()LLnpIqGLLAnnLnnnLTppppDLGLxDLGVVnnnn2200)exp() 1(exp0(exp1)exp()pLnLnTnVxnGGVL)exp() 1(exp)(0ppLTnppnppLxGVVPLqADdxdpqADxI0( )(exp1)exp()pnnnpLnnTndnqADVxIxqADnGdxLVL总电流为：)() 1)(exp()0()0(0pnLTnpnpnopnpLLqAGVVLnDLpDqAIII0(exp1) LTVIIIV，)(00npnpnopLnDLpDq

12、AI()LLnpIqGLLAn7-7 (a)证明对于一 电池，式（7-6）中的电流 可用下式表示：式中S是在欧姆接触处的表面复合速度，W 为P区宽度，其他符号表示少数载流子的相应参数。(b) 证明：N P0I00coshsinhcoshsinhppnpnnnnppnnnnnWWDSqAn DLLLIWWDLSLLLp000tanh)cothS)pnpnnnnpnpnnnnqAn DWDSLLLIqAn DWDLLL，当（时，当（时)/DS/DS(nnnnLL，下式为注上式为n证明：a)0)(0202nppppnnnxnnD) 1 ()exp()exp(210nnpppLxKLxKnnnnnnDL2其中）式中，得代入（时，时，边界条件为1)(exp00dxdnDnnSWxVVnnxpnpoppTpp) 1(exp)sinh(2exp)() 1(exp)sinh(2exp)(0201TpnpnnnpnpnnTpnpnnnpnpnnVVnLWchLDLWSLWLDSKVVnLWchLDLWSLWLDSK)cosh()sinh()cosh()sinh() 1(exp00npnnnpnpnnnpTppppLWLDLWSLxWLDLxWS