半导体器件物理课

1半导体器件物理哈尔滨工业大学微电子科学与技术系刘晓为2课程安排目的在半导体物理和晶体管原理先修课程基础上拓展器件理论基础知识内容（36学时）第一章器件工作的基本方程第二章特种二极管（变容二极管、PIN二极管、隧道二极管、雪崩二极管）第三章电荷耦合器件（CCD)第四章太阳电池第五章电力电子器件（晶闸管、IGBT）参考书1.王家骅等编著[半导体器件物理]科学出版社19832.（美）施敏著[半导体器件与工艺]科学出版社19923.（美）施敏著[现代半导体器件物理]科学出版社20014.王志良主编[电力电子新器件]国防出版社1995教学方式讲授+讨论（80%）；自学（20%）考试方式笔试+报告(40+60=100分)3基本方程包括：麦克斯韦方程、电流密度方程、连续性方程1、麦克斯韦方程对均匀各向同性材料有

在静态或低频状态下，;B=µHs和μ分别为介电率和导磁率第一章半导体工作的基本方程42、电流密度方程D和μ分别为载流子的扩散系数和迁移率3、连续性方程τ、G和U分别为载流子寿命、产生率和复合率,化简应用、做题5第二章特种二极管§2.1变容二极管（TuningDiode）利用p-n结电容随外加电压的非线性变化工作的半导体器件，1958年提出后，已制成Ge、Si和GaAs变容微波器件，得到了广泛的应用：微波开关、调制器；混频器；压控振荡器和参量放大器。自动调谐收音机AFC系统2.1.1变容二极管的电容-电压关系理想变容二极管要求损耗小一般利用p-n结势垒电容工作，工作区反偏（0~击穿电压）。6变容二极管的杂质分布p+-n结为例，低掺杂侧杂质浓度:N(x)=Bxmx0,B为常数m=1线性缓变结m=0单边突变结m<0超突变结由泊松方程：利用V(0)=0;V(W)=VD+Va解出：当m=-3/2时，n=2超突变结，变容二极管的共振频率

串联电阻的影响使得超突变结并不是最好的杂质分布。72.1.2变容二极管的结构和参数等效电路中Rj10M,Cj几pF,因此简化为Cj与Rs的串联1.电容变化系数越大越好。2.品质因数存储能量/消耗能量微波频段Cj0为零偏结电容，RsQQ=1时，为零偏截止频率83.串联电阻RS=Rp+Rn+RB+RC非外延变容管：RSRB=（B/4rm)F

10-50外延变容管：RS0.几-几

一般变容管杂质分布如图3.1.3变容二极管的设计材料：迁移率大；介电常数小；禁带宽度大；杂质电离能小；导热率高。结构：外延台面管；台面小；掺杂高，提高截止频率。9§2.2PIN二极管PIN二极管：在p型区和n型区之间加入本征层（10-200m）I层一般为高阻区（高阻p型称为PN；高阻n型称为PN）用途：大功率微波开关（速度W/2v）、微波可变衰减器（电阻控制）大功率整流器等2.2.1PIN二极管的定性分析10PIN二极管的能带、电荷及电场分布（以长I区为例）结构相当于：I区电阻+PI突变结+IN突变结正向工作：两个结正向导通向I区注入电荷电荷；I区电阻受到调制。11外电压的影响等效电路RS为接触电阻；RJ，CJ为PI和IN二极管结电阻和电容；CD为扩散电容（高频忽略）；RI（正向电荷控制）CI（未耗尽部分I区）122.2.2

正偏I区电阻一维情况下，设：I层，恒定；电子和空穴，相同；I层n(x)=p(-x)，即电中性PI只有空穴电流、NI只有电子电流。I区中：I区正偏时，E0，p,n»ni，稳态：n,p与t无关，令方程简化为：方程解与边界条件：解得：13由（8）作图可见W越小，越大，载流子浓度越平坦。（x)=2qn(x),I区电阻：带入n(x)得到：当W<L时，可见RF1/IF受到电流IF的调制;142.2.3反偏电阻、电容和击穿电压反偏电阻：反偏下，I区为耗尽区，但从0偏到反偏有一个I区串联电阻降低为近似0的过程。因此曲线有相应的变化。电容和击穿电压电容：反偏下，PIN二极管为平行板电容CJ=.rA/W击穿电压：VBEmW因为I区为本征材料，Em很高，且W也可较大，所以PIN二极管可以达到高击穿电压。PIN二极管作为微波开关应用时要求Ron小，Roff大。反向阻抗：RS+CJ的串联Roff=RS+1/(CJ)=RS+Wτ/(.rA),τ-1要提高Roff，应增加W和τ152.2.4PIN二极管的开关时间PIN二极管相当于电容器：正向导通存储电荷，反向释放电荷达到截止状态。开关时间主要取决于反向恢复时间：减少存储电荷将增加通态电阻，只能减少电荷的抽取时间。关断时：极端情况：IR=0,可见减小寿命可减小关断时间；忽略复合：IR大，可有效减小关断时间，实际上一般采用大反向脉冲电流的措施。16§2.3隧道二极管1957年江崎铃实验发现在重掺杂p-n结正向特性中的负阻现象，1958年用量子隧穿理论解释了这种反常现象。隧道二极管具有超高速、低噪声特点，在小功率微波放大、开关、振荡和频率锁定电路中应用。2.3.1隧道二极管的定性分析由重掺杂（简并）的p+和n+

区组成的二极管，qVp和qVn为数kT;Xd≤100Å

17掺杂浓度1019-1020/cm3。下图定性说明隧道二极管电流电压特性。18直接隧穿（直接带隙半导体），间接隧穿（间接带隙半导体）由于动量守恒要求，间接隧穿要有声子辅助，因此，直接隧穿几率大于间接隧穿。192.3.2隧道几率和隧道电流1.隧道几率由量子力学的WKB（文策耳-克莱默-布里渊法）近似，隧穿几率可见P取决于Eg和△x~掺杂浓度。

K=1.33K=2.0K=1.59202.隧道电流假设：1）小电压下，P为常数；2）状态密度函数∝（E-EC)1/2和(EV-E)1/2;3）qVn和qVp≤2kT；正向隧道电流2.3.3过量电流V≥Vp+Vn，隧道电流应为0过量电流：谷电流+指数过量电流21谷电流：重掺杂半导体的带尾效应，造成禁带变窄，从而导致势垒变窄，隧道电流加强。对隧道二极管，重掺杂是必要条件，因此谷电流不可避免。22指数过量电流：载流子通过禁带中的能级发生的隧道效应电流，这种隧道电流Ix随V电压指数上升。232.3.4等效电路等效电路如图所示，RS为串联电阻包括欧姆接触、引线和材料的扩展电阻；LS为串联电阻电感；C为突变结电容。负阻区开始点的斜率为最小负阻，近似为：Rmin≈2Vp/Ip24隧道二极管阻抗：令电阻部分为0，得电阻截止频率令电抗部分等于0，得电抗截止频率252.3.5反向二极管当p区和n区掺杂浓度达到弱简并状态，但费米能级未进入导带或价带。能带如下图所示：26但因高掺杂效应使得势垒区宽度Xd很小，正向特性无隧道电流发射条件，无负阻或很小负阻效应；反向特性因薄势垒，存在很大隧道电流。问题：为什么图（b）存在正向负阻现象？反向二极管，在零偏附近特性曲线有较大的曲率，比点接触二极管检波和混频特性更好，常用于小信号微波检波和混频。27§2.4雪崩二极管IMPATTD(IMPactAvalancheTransitTimeDiode)

雪崩二极管利用p-n结的雪崩倍增和载流子的渡越效应产生负阻效应，能够产生微波振荡，雪崩二极管主要用于大功率微波振荡器。优点是结构电路简单、输出功率大、效率高、高频特性好。缺点是噪声大，电压高。1958年Read提出N+-P-I-P+结构可产生微波振荡；1965年Johnston观察到p-n结的微波振荡效应；同年Lee制成了Lead二极管；1966年Misawa证明任何杂质分布的p-n结都可产生碰撞电离、雪崩渡越时间决定的微波振荡；1967年Prager和K.N.Chang发现了俘越模式的雪崩二极管。雪崩二极管采用Si、Ge和GaAs制作。282.4.1雪崩二极管结构（1）P+NIN+型：Read二极管29（2）P+NN+型：（N+PP+型）微波震荡、放大（3）PIN型：大频宽、高效、脉冲应用（图与Read二极管相似）（4）P+PNN+型：双漂移型，高效率、高功率30（5）P+NP+或MNP+型：低噪声（势垒注入渡越时间二极管）（6）PN1N2N+和MN1N2N3型：高效率312.4.2负阻概念普通电阻:R=V/I

电压与电流同相，R＞0，为正阻。电阻消耗的能量P=I2R

P＞0，为耗能元件。负阻:R负=-V/I=-R

电压与电流反相，R负＜0，为负阻。负阻消耗的能量P负=-I2R

P负＜0，为能量供给元件。32正阻包括非线性电阻，电流随电压的增加而增加；而负阻特性电压增加，电流减小。负阻的作用：交流振荡：i(t)与v(t)反相，直流能量I0V0→i(t)v(t)交流振荡；交流放大：若R＜RL，则Av＞1，产生放大。

332.4.3崩越振荡机理以Read二极管为例，负阻特性是由于雪崩倍增过程和载流子的渡越时间所造成的电流和电压的相移而产生的。假设：载流子的电离率相等αn=αp=α，发生雪崩击穿，雪崩区0~xA：临界直流电压VD+射频电压v(t)，v(t)正半周，雪崩击穿；v(t)负半周，雪崩停止。漂移区xA~xA+W：雪崩产生的载流子进入漂移区以饱和速度通过漂移区，渡越时间τ=W/vs。34波形分析：雪崩区：射频电压v正半周时，0~π/2，N+P结开始发生击穿，积累电子空穴对，形成Ia；π/2~π范围，继续雪崩过程积累电子空穴对，Ia增加；π~3π/2，雪崩击穿结束，雪崩区积累的载流子（空穴）进入漂移区，Ia继续存在，但不断减小；

Ia相对于v落后π/2相位，这就是雪崩区延迟。漂移区：漂移区电场低于击穿临界电场，载流子数量不变，以饱和速度渡越通过漂移区。这个恒定的匀速空穴电荷流，将在外电路产生脉冲电流Ic。设：x=0，雪崩倍增产生空穴电流I0(t)流入漂移区，任意点x，t时刻的空穴电流I(x,t)=I0(0,t-x/v)=I0(t-x/v)，则外电路电流其基波相对于Ia相位延迟了τ/2，上述分析中忽略了对相移无贡献的外电路对N+P结势垒的充电电流。设v的频率为f，Ic相对与Ia落后的相位为φ

令φ=π/2，则有可见f与W成反比，上式确定的f为漂移频率。令渡越角为：θ

=ωτ，θ＞0，出现负阻，θ

=π时，负阻最大。35雪崩二极管振荡：器件结构如图雪崩二极管，雪崩二极管置于微波谐振腔中，反偏到雪崩击穿点附近，绝缘的活塞可以上下活动改变谐振频率，使f=1/(2τ)时，能产生频率为f的微波振荡，从耦合口输出。振荡产生过程：自激振荡、热起伏、微扰等形成广谱噪声振荡，频率为f的振荡谐振加强形成射频电压输出，负阻效应随振幅的增加而减小，电源提供的能量等于腔体的消耗时，达到稳定振荡。36能量转换(N+PIP+)：漂移的载流子为空穴直流电场将能量注入或转换成交变电场π3372.4.4崩越二极管的等效电路崩越二极管的等效电路出自其交流小信号分析结果。过程繁杂（忽略）模型：雪崩区等效电路38崩越二极管总阻抗Z是雪崩区阻抗ZA、漂移区阻抗Zd和无源区电阻RS之和。当θ＜π/4时，上式简化为C=εε○A/W耗尽层电容第一项为有源电阻，当ω＞ωr时，为负阻。39小渡越角崩越二极管的等效电路如图第三项是电抗性的，由等效电路图可见相当于二极管电容与电感并联的谐振电路。ω＜ωr时，＞0电感；ω＞ωr时，＜0电容。40崩越二极管的交流导纳YG为导纳的实部；B为导纳的虚部。412.4.5崩越二极管的特性1.崩越二极管的效率定义：交流输出功率Pa/直流功率Pd为崩越二极管的效率ηφ为注入相位延迟，Si:m=1/2;GaAs:m=1对理想Read二极管的尖峰脉冲近似下，Va/Vd≈1/2;Ia/Id≈2/π，因此效率η大于1/π，超过30%。实际崩越二极管的效率只达到20%以下，影响因素包括：空间电荷效应、反向饱和电流效应、少子注入电流效应、趋肤效应和未耗尽外延层串联电阻效应等。42空间电荷效应图（a）雪崩电荷之间的电场与外电场相反可造成关闭雪崩过程，减少了相位延迟。图（b）改变了电场和端电流分布，降低了效率。反向饱和电流效应反向饱和电流会使雪崩过程建立太快，从而引起雪崩相位延迟减小。少子注入电流也会引起这种效应加剧。趋肤效应和未耗尽外延层串联电阻会使得有效输出功率下降从而减小效率。432.崩越二极管的噪声噪声大是崩越二极管的致命缺点，其噪声电平高达20-40db。然而在微波频段崩越二极管可作为噪声源。崩越二极管的噪声可分为调幅（AM）和调频（FM），包含三部分：雪崩噪声雪崩倍增过程中的固有的扰动引起载流子电流的起伏，包括载流子电离率的起伏和载流子电离离化时间间隔的杂乱起伏。频率转换噪声主要是低频噪声经过器件的非线性变频而转换的近载波频率的噪声。热噪声器件内部的热噪声+偏置电路的热噪声，与雪崩噪声相比，热噪声可忽略。44崩越二极管的噪声调幅（AM）调频（FM）显然噪声特性调速管优于GaAs崩越二极管优于Si崩越二极管。453.崩越二极管的小信号Q值定义：单位时间内，储存能量和损耗能量值比与角频率的乘积为Q值（品质因数）。Wd是器件所存储的电场能，在一个振荡周期中的平均值dWd/dt是功耗，其平均值为46崩越二极管小信号Q值与偏置电流的关系Q＜0，Q绝对值越小越好，对于固定偏流，低频Q值较好；对于固定频率，较高电流Q值较好。474.崩越二极管的输出功率器件的输出功率受两方面限制即电学和热学限制。电学限制：Pmax=Vmax×Imax=(EmW)(qnvsA)式中W为器件长度；A为器件面积，由上式可见GaAs比Si器件好，上式可得到以下形式：其中XC=1/2πfC，为器件的电抗；XC不变情况下，Pmax∝1/f2。高频下电学限制是器件的主要限制因素。热学限制：低频下，连续工作的限制因素是器件的最大耗散功率P，稳定条件下，有上式可见减小热阻能够有效的提高功率，P与f成反比表明频率增加将减小输出功率。48第三章电荷耦合器件（CCD)§3.1CCD的工作原理CCD(Charge-CoupledDevice) 1969年发明，结构为密排的MOS电容阵列，利用适当相序的时钟脉冲，信息电荷包以可控的形式在电容产生的势阱中存储或转移。CCD器件被广泛用于影像传感、信息处理和数字存储。影像传感用CCD：光注入产生信息电荷；信息处理和数字存储CCD：电注入产生信息电荷。CCD与MOSFET工作的本质区别：MOS管工作在平衡态；CCD工作在非平衡态。CCD扫描仪、数码相机、摄像机、摄像头、手机等493.1.1MOS电容的瞬态特性以P型衬底的MOS电容为例，结构如图（a）所示，正常的稳态情况下能带图见图（b），在正向栅电压的作用下，形成多子耗尽和反型状态，半导体表面电荷QS=Qn+Qb，强反型后，势垒区宽度为xsmax。栅极上突然加一个大于VT的正电压，半导体处于深耗尽状态，形成单纯的耗尽层势阱，半导体表面电荷QS=Qb，势垒区宽度x’s＞xsmax。TS为电荷存储时间或热弛豫时间，TS≈2τNA/ni可达秒的数量级。SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp等公司生产CCD目前有两种分色方式：RGB原色分色法，CMYK补色分色法。50Si的Ts可达1-100s。3.1.2MOS电容的表面势阱表面势Φs=V0+V-(V02+2VV0)1/2V=VG-VFB-|Q信号|/CjV0=εε⃘qNA/Cj2通过控制VG→改变Φs，从而实现对信号的存储和转移。51

ΔΦs∝Q信号，如下图所示52因为，Ci＞>Cs,，所以Q信号=Ci|ΔΦs|。533.1.3三相CCD的工作原理以三相表面P沟CCD为例，结构及时钟见下图，器件有对称的栅极和相似的三相时钟脉冲控制，负电压形成势阱。t=t1时，1，4，7栅极形成势阱，存储电荷；t=t2至t=t3时，电荷向2，5，8栅极下转移。t=t4时所有的电荷完成了从1，4，7向2，5，8的转移。54电荷在势阱下的转移过程示意图553.1.4二相硅铝交迭栅CCD器件采用多晶硅存储栅和铝转移栅交迭的双层结构，具有封闭沟道提高器件的集成度和稳定渡的优点，存储栅一般比转移栅长，以保证器件的速度和足够的电荷量。脉冲时钟的幅值小能够形成不完全转移，如图所示，要避免。56实现电荷完全转移的两种时钟脉冲控制：降落时钟；推进时钟。57§3.2CCD的结构3.2.1交迭栅结构采用交迭栅减小极间势垒对电荷转移的影响58C4D结构和电阻栅结构能够起到与交迭栅相同的作用：极间成为高电导区，自对准工艺。593.2.2减少界面态的影响通常CCD为SCCD器件，为了避免界面态的影响，采用埋沟道CCD即BCCD在器件表面采用离子注入或外延制作一层与衬底导电相反的薄层。60有无栅压下BCCD器件的能带图比较SCCD与BCCD器件比较，态密度降低一个数量级，提高了转移效率。61§3.3CCD的输入输出特性3.3.1输入方式作为CCD光电图像传感：采用薄多晶硅透光、背面透光或在电极上开孔的方法，使光照射硅表面层内在势阱中产生载流子电荷输入，势阱中的光生少数载流子和光照度成正比，经过电荷转移由输出端读出图像信号；作为信息存储和转移器件：通过输入电路把电流或电压信号转变成电荷信号存入势阱。输入电路要求将电压或电流信号线性的转变为电荷信号。电流积分法图（a）经过TC时间注入后，Φ2势阱中可见Q信号与VID线性度不好。622.电压输入法图（b）IG选通脉冲，宽度小于Φ2开关S与Φ2势阱之间通道，缺点：噪声大，线性也不好。3.电位平衡法改进了噪声和线性度，IG=IS，ID加测量脉冲。ΦIG=ΦΦ2达到电势平衡时，VIG=VΦ2-|Q信号|/Ci因VΦ2=const,所以Q信号~VIG满足线性。633.3.2输出方式采用输出电路对CCD的电荷信号进行有效的收集和检测，输出方式主要有：电流输出、浮置扩散放大器和浮置栅放大器输出。1.电流输出输出二极管反偏，控制OG可使电荷流入OD之下形成输出电流iD，则642.浮置扩散放大器输出检测前，T1管复位，清FD电荷，T2栅极电位变化因此V输出=KV×ΔV。缺点是需每次复位和破坏性读出。3.浮栅放大器输出在转移沟道上做出浮栅，利用其感应的镜象电荷控制T2的栅极，浮栅由信号电荷所产生的电压变化非破坏性测量。65§3.3CCD的特性参数3.3.1电荷转移效率转移效率η和转移损失率εN次转移后Q(n)=Q(0)η

n影响因素：1）电极间隙阻挡；2）转移速率太高；3）界面态或体陷阱俘获信号电荷产生的部分电荷滞后解决措施：1）重叠栅结构；2）富零技术或BCCD。66富零技术（胖零技术）利用胖零电荷使陷阱能级无论电荷转移与否都为载流子填充，从而不能产生电荷转移损失。采用富零技术达到的信号转移效果见下图673.3.2器件工作频率CCD器件显然存在一个工作频率范围：频率上限：频率太高电荷来不及完全转移，若以t1表示转移效率为η1的转移时间，则对于三相CCD，时钟周期TC≥3t1

对应频率fC1≤1/（3t1）为上限，一般为数十kHz。频率下限：CCD工作在非平衡状态，频率太低，热激发产生的少子加入将干扰Q信号，下限取决于少子寿命τ，设t2为电荷从一个电极转移到下一个电极的转移时间，对三相CCD，应有t2＜τ，

t2=1/（3fC2），fC2为对应频率下限，fC2＞1/（3τ），室温下，可达0.1~数kHz。683.3.3电荷存储容量电荷存储容量为器件所能存储和转移的最大信号电荷量，存储容量取决于器件结构和时钟脉冲。对时钟电压为Vp，电极有效面积为A1的SCCD，存储容量若Q信号＞Q1，则发生电荷溢出，导致信号失真和幅值衰减。Emax为SiO2的最大击穿场强，一般为5~10×106V/cm。所以Qmax/A1≈103/cm2器件单位时间转移的最大信号电荷量为最大信号电流，若时钟频率为fa则时钟设计是影响器件电荷存储容量的主要因素69交叠时钟脉冲设计可保证新势垒在存储电荷的旧势垒被破坏之前产生，从而有利于提高电荷存储容量。70时钟脉冲波形的影响电荷容量随脉冲电压的增加而增加，三相大于二相时钟脉冲，矩形波最高。713.3.4噪声本征噪声源：电荷包的存储、转移有关的散粒噪声（白噪声）包括暗电流噪声、热产生噪声和光量子噪声；外来噪声源：输入噪声、输出噪声。上述噪声叠加在Q信号上，降低了信号的精度。散粒噪声热或光激发产生的电荷与势阱收集电荷的涨落而引起的噪声。有效噪声电子数的均方值722.转移噪声包括电荷不完全转移引起的噪声和电荷陷阱噪声，电荷包转移n个电极后的均方涨落为

。73SCCD和BCCD有效转移噪声与信号包的大小和频率的关系743.电输入噪声输入电荷涨落引起的噪声Nn=q-1(kTCin)1/2≈400Cin1/2754.输出噪声包括输出二极管和偏内输出放大器噪声可分为复位噪声和浮栅放大器噪声。3.3.5暗电流产生暗电流包括中性区产生的扩散电流、耗尽区产生的电流和界面产生的电流。CCD工作在非稳态，正常情况下，势阱不为电荷所饱和，但由于少子的不断产生和被势垒收集，经过一段时间，存储电荷就被暗电流所淹没。Si的此时间大约100毫微安/厘米2，摄像CCD应努力减小暗电流。3.3.6功耗MOS电容为低功耗器件，一般器件的内功耗＜＜外功耗，内功耗为载流子势阱中转移所消耗的能量；外功耗为栅电容充放电所消耗的能量。若时钟脉冲频率为fC，则外功耗PC=fCCGVP276第四章太阳电池（SolarCell）太阳电池是利用半导体p-n结光生伏特效应直接将太阳能转换为电能的能量转换器件。1883年Frist制成第一块硒光电池；1941年Ohl制成单晶硅生长结光电池；1954年贝尔实验室的Chapin,Fuller和Pearson制成了实用型硅p-n扩散结太阳电池。此后太阳电池的性能不断提高并得到了广泛的应用。太阳电池的特点：优点：长寿命、无污染、效率高和可靠性高，缺点：成本高。太阳电池的应用由于太阳电池的优点突出在许多领域已得到广泛的应用：空间探测飞行器、卫星、地面或海上无人灯塔、气象站通信设施、现代电器等，太阳电池是一种绿色能源。77化合物半导体太阳电池效率30%单晶硅太阳电池效率25%多晶硅太阳电池效率<20%非晶硅太阳电池效率10%7821世纪初估计太阳电池板成本10年前大约$8-10/W，$500/50W，两年前$3-5/W，2007年可望达到$1/W，2010年可望达到6cents/W。（10cents/W常规燃料发电费用）2009年加州Nanosolar公司99cents/W79太阳电池阵列的跟踪系统输出与天气、地点、云和时间等条件有关夏天5倍标准输出功率冬天2倍标准输出功率80太阳能汽车ThetwoseatHondaDream,onitswaytowinningthe1996WorldSolarChallenge

81Spectrolab’ssolarcellsApproximately3,000dual-junctiongalliumarsenidesolarcellswereusedtopowertheUniversityofMichigan"M-Pulse"solar-poweredcar,whichtookfirstplaceattheAmericanSolarChallengein2001.ninedays;2,247.5-mileracein56hours,10minutesand46seconds,82TheDutchNuna3havenowwontheWorldSolarChallenge3timesinarow.Theycrossedthefinishlinetoday,havingdriven3,021km(1,877miles)inarecordtimeof29hoursand11minutes,breakingtheirownrecordby43mins.Whilethecarsweresometimestravellingatspeedsover110kph(68mph)83市场预测84广泛的应用85§4.1太阳辐射和p-n结光生伏特效应4.1.1太阳辐射太阳核聚变：每秒6×1011kgH2→He，质量损失：4×103kg，能量E=△MC2=4×1020J太阳总质量：2×1030kg，估计近恒定输出的寿命超过100亿年。太阳常数和光谱太阳投射到地球的能量：1/3被反射；近1/3被大气吸收（主要为红外波段的水汽吸收，紫外波段的臭氧层吸收及悬浮粒子的散射）；大于1/3到达地球表面。由太阳常数和大气质量描述太阳常数：在地-日平均距离自由空间上，与阳光垂直的单位面积太阳辐射能量叫一个太阳常数S0（1353W/m2或135.3mW/cm2）862.大气质量太阳与天顶夹角的正割Secθ为大气质量太阳处于天顶时，m=1，称为AM1情况；大气层以外称为AM0情况。太阳辐射通量(Pin)m~大气透明度Km和大气质量m的关系：(Pin)m=(Pin)0KmK=0.85;0.80;0.75;0.70;0.65大气质量对太阳辐射光谱的影响874.1.2p-n结的光生伏特效应1、p-n结光生伏特效应的物理过程光照产生非平衡载流子→p-n结收集产生光电流JL→在势垒区两侧产生电荷积累→光生电动势VS。2、理想p-n结光电池特性理想情况下，负载电阻上的电压短路：VS=0，IS=IL=ISC开路：VS=VOC，IS=088§4.2p-n结太阳电池的主要参数太阳电池：p-n结太阳电池；异质结太阳电池；集光太阳电池；薄膜太阳电池等，p