第四章_pn结二极管201309029

1、2022-5-111第四章第四章 pn结二极管结二极管201309029 第四周2022-5-1124.1 太阳能电池就是大面积p-n结n太阳能电池最基本的要求是半导体结构的电子不对称性。P-n结正好具有这种性质。光照的p-n结短路时，外电路有电流通过。这种光生电流是叠加到普通二极管整流特性上的，第四相限区即电池工作特性区。2022-5-1134.2 p-n结的静电学 p-n结是同一块半导体中p型区与n型区交界面及其两侧很薄的过渡区p-n结是众多半导体器件的核心部分pn2022-5-114 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体

2、的结合面上发生如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成自建电场 促使少子漂移 阻止多子扩散 1、p-n结的形成与杂质分布结的形成与杂质分布2022-5-1154.2 p-n结的静电学n最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。P型半导体和N型半导体结合面以及离子薄层形成的空间电荷区称为p-n结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。2022-5-116PN空间电荷区空间电荷区Xm 因为缺少载流子，空间因为缺少载流子，空间电荷区为高阻区。电荷区为高阻区。2、p-n结空间电荷区结空间电荷区2022-5-1174.2 p-n结的静电学处于热平衡

3、的系统只能有一个费米能级，在远离结的地方孤立的状态不受扰动。在结的附近有一过渡区。2022-5-1184.2 p-n结的静电学n在过渡区，电势变化为021qEEEgo4.12022-5-1199EFEcEvn n型半导体型半导体EFEcEvp p型半导体型半导体EFEcEv本征半导体本征半导体完全电离）(DNn DiNnp/2DcBcFNNTkEEln完全电离）(ANp AiNnn/2AvBvFNNTkEEln)2exp(TkENNnpnBgvciTkEEcBFceNn/ )(TkEEvBvFeNp/ )(2BiTkEvcneNNnpg普普适适公公式式2.12 参杂半导体中费米能级的位置NC、

4、NV导带和价带的有效态密度ND、NA施主和受主浓度2022-5-11104.2 p-n结的静电学)ln()ln()ln(DAVCgDCAvgoNNNNkTENNkTNNkTEq2BiTkEvcneNNg4.2)ln(2iDAOnNNqkT4.32022-5-11114.2 p-n结的静电学n有外加电压Va则过渡区两端的电势为n0- Van画成用对数坐标表示的载流子浓度图2022-5-11124.3 结电容n检测p-n结二极管中耗尽区的存在和测量耗尽区的宽度很容易，外加电压变化会类似平行板电容器，引起耗尽区边缘储存的电荷变化。耗尽区电容CWACA面积；介电常数；W宽度PN结交界处存在势垒区。结两

5、端电压变化引起积累在此区域的电荷数量的改变，从而显现电容效应。2022-5-11134.3 结电容n当所加的正向电压升高时，PN结变窄，空间电荷区变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容放电。同理，当正向电压减小时，PN结变宽，空间电荷区变宽，结中空间电荷量增加，相当于电容充电。加反向电压升高时，一方面会使耗尽区变宽，也相当于对电容的充电。加反向电压减少时，就是P区的空穴、N区的电子向耗尽区流，使耗尽区变窄，相当于放电。2022-5-11144.3 结电容n如果二极管一边是重掺杂，则有关系式2/10)(2aVNqACN是NA和ND中较小者若反向偏置，可以只考虑耗尽区电容，测出二极管或太阳能电池的电

6、容随偏压变化，画出1/c2随偏压Va的变化曲线，可求出参杂浓度NPN结电容算法与平板电容相似，只是宽度会随电压变化在PN结反向偏置时，少子数量很少，电容效应很少，也就可以不考虑了2022-5-11154.3 结电容n二极管的PN结之间是存在电容的，而电容是能够通过交流电的。由于结电容通常很小，当加在二极管PN结之间的交流电频率较低时，通过PN结的电流由PN结的特性决定只允许单向电流通过。但是当加在PN结上的交流电频率较高时，交流电就可以通过PN结的电容形成通路，PN结就部分或完全失去单向导电的特性。2022-5-11164.4 载流子注入n反映的是耗尽区边缘载流子浓度和偏压之间的关系。n零偏置

7、即不加电压时，n区边界DinbNn2p2022-5-11174.4 载流子注入n零偏置即不加电压时，P区边界AiNn2pan2022-5-11184.4 载流子注入n在耗尽区，电场强度和浓度梯度都达到最大，实际上通过这个区域的电流是漂移电流和扩散电流之间的相差量。它们方向相反。以空穴为例：xhhhddqDnqJp-2022-5-11194.4 载流子注入n中等偏置电压时，漂移电流和扩散电流近似相等；xhhddqDnqp2022-5-11204.4 载流子注入n第三个近似：只考虑少数载流子浓度远远低于多数载流子浓度有)/(2pa)/(2nbnkTqVAikTqVDiaaeNneNnp在耗尽区边缘

8、少数载流子浓度随外加电压增加成指数增加，由结两边的偏压来控制少数载流子浓度的过程称为少数载流子注入2022-5-11214.5 准中性区内的扩散电流n载流子运动有漂移和扩散两种方式。如果均匀参杂区是准中性的。几乎没有电荷，少数载流子并不很少，那么少数载流子的流动将以扩散为主。xeexhhddqDJddqDJnp-2022-5-11224.6 暗特性n扩散长度；hhhDL即空穴的扩散长度等于空穴扩散系数与空穴寿命乘积的平方根2022-5-1123扩散长度；n半导体中经常会出现这样的情况：从杂质（例如P型）半导体的一端注入一定量的少数载流子，使得少数载流子浓度在空间上出现梯度分布，如下图所示。这种

9、浓度差别奖导致载流子从高浓度向低浓度处扩散而引起扩散电流。n 2022-5-1124n在图中，P型半导体中热平衡时的电子浓度为np，x=0处，由于外界电子注入，其浓度最大，为n(0)，电子浓度n(x)随x增大而减小，减小的斜率就是浓度梯度。在x=0处的浓度分布斜率切线延长与水平直线n(x)= np相交，对应的横坐标x=Ln，称为电子的扩散长度。 2022-5-11254.6.2 少数载流子电流n理想二极管定律) 1()/(0kTqVeII一个重要的公式饱和电流密度表达式：)(220DhihAeieNLnqDNLnqDAILe电子扩散长度；Lh空穴扩散长度2022-5-11264.7 光照特性n

10、光照时理想的p-n结电流-电压特性关系如下：LkTqVIeII-) 1()/(0光生电流IL等于在二极管耗尽区及其两边一个少数载流子的扩散长度内，全部光生载流子的贡献。是太阳能电池的有效收集区。4.432022-5-11274.8 太阳能电池输出参数n通常用来描述太阳能电池输出特性的有三个参数：ISCVOCFF2022-5-11284.8 太阳能电池输出参数n短路电流ISC，理想情况下等于光生电流IL。n开路电压VOC，及电池断路时电压，这时电流为0，公式中I=0LkTqVIeII-) 1()/(0解出对应的电压就是VOC2022-5-11294.8 太阳能电池输出参数1lnOLOCIIqkT

11、VVOC跟什么参数有关系？互相影响如何？2022-5-11304.8 太阳能电池输出参数n第四象限工作曲线上任意一点的输出功率等于对应的电压和电流的乘积。总有一个点使电池功率达到最大值Pmax。这时对应的电流和电压为Vmp; Imp2022-5-11314.8 太阳能电池输出参数n填充因子的定义：SCOCmpIVIVFFmp反映了输出特性曲线的“方形”程度。电池的品质。对于适当效率的电池晶体硅在0.70.85间，OPV在0.50.75之间2022-5-11324.8 太阳能电池输出参数n填充因子FF与开路电压的关系n理想情况下填充因子是开路电压的函数。n如定义)/(ocqkTVOC当oc的值大

12、于10时，有个经验公式2022-5-11334.8 太阳能电池输出参数172. 0lnocococFF能量转换效率inSCOCinmpPFFIVPIVmpPin电池入射光总功率电池入射光总功率2022-5-11344.9 有限电池尺寸对I0的影响n二极管饱和电流Io决定了电池的开路电压Voc,在)(220DhihAeieNLnqDNLnqDAI推导中，隐含假设结的两边无限远，实际需要修正，修正时假定1，表面复合速度很高，接近无限大，表面过剩载流子浓度为零；2，表面复合速度很低，接近于零，流入表面的少数载流子电流为零。以此作为边界条件2022-5-11354.9 有限电池尺寸对I0的影响n修正后的Io)(220NDhihPAeieFNLnqDFNLnqDAI2022-5-11364.9 有限电池尺寸对I0的影响如果P区表面复合速度很高，接近无限大满足条件1则ePPLWFcoth如果N区表面复合速度很高，接近无限大满足条件1则公式类似WP为P区宽度，Le电子扩散长度2022-5-11374