半导体器件物理-第七章课件

第七章太阳电池和光电二极管7.1半导体中的光吸收7.1半导体中的光吸收

假设半导体被一光子能量大于禁带宽度的光源均匀照射。光子通量为

。 图7-1从紫外区到红外区的电磁波谱图 7.1半导体中的光吸收

图7-4几种半导体的吸收系数7.1半导体中的光吸收

教学要求作业：7.1、7.3

7.2P-N结的光生伏特效应7.2P-N结的光生伏特效应

图7-5P-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。7.2P-N结的光生伏特效应对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示

式中为光照电子空穴对的产生率为P-N结面积为光生载流子的体积。由式（7-5）可知短路光电流取决于光照强度和P-N结的性质。

（7-5）7.2P-N结的光生伏特效应小结

概念：光生伏打效应、暗电流

PN结光生伏特效应的基本过程：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。分离的电子和空穴在半导体中产生了光生电动势。利用能带图分析了光生电动势的产生：非平衡载流子的产生预示着热平衡的统一费米能级分开，开路时电子和空穴的准费米能级之差等于光生电动势。

7.2P-N结的光生伏特效应教学要求掌握概念：光生伏打效应、暗电流分析了PN结光生伏特效应的基本过程利用能带图分析光生电动势的产生解释短路光电流公式（7-5）的含义暗电流是怎么产生的？能否去除？

7.3太阳电池的I-V特性7.3太阳电池的I-V特性

图7-6太阳电池理想等效电路7.3太阳电池的I-V特性

P-N结上的电压为

在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压）

在短路情况下（V=0），

这是太阳电池能提供的最大电流。太阳电池向负载提供的功率为（7-9）（7-7）（7-8）（7-10）7.3太阳电池的I-V特性

图7-7一个典型的太阳电池在一级气团（AM1）光照下的I-V特性，AM1即太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能7.3太阳电池的I-V特性

实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性公式

图

7-8包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路7.3太阳电池的I-V特性

教学要求画出理想太阳电池等效电路图根据电池等效电路图写出了太阳电池的I－V特性方程（7-6）了解太阳电池的I-V特性曲线（图7.7），根据太阳电池的I－V特性方程解释该曲线所包含的物理意义。画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出I－V特性方程（7-11）5.作业：

7.4太阳电池的效率7.4太阳电池的效率

太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：

式中为输入光功率，为阳电池的最大输出功率：

对于理想太阳电池根据（7.10）式，时得最大功率条件

（7-12）（7-13）（7-14）7.4太阳电池的效率

小结

太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。它是太阳电池的最大输出功率与输入光功率的百分比：

太阳电池的最大输出功率引进占空因数这一概念，给出了太阳电池的效率公式

（7-12）（7-18）（7-19）7.4太阳电池的效率

教学要求

了解概念：转换效率、占空因数导出太阳电池的最大输出功率公式（7-18）。作业：7.6、7.10

7.5光产生电流和收集效率7.5光产生电流和收集效率与此类似，描述结的P侧电子的扩散方程为

在P-N结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为

光子吸收效率定义为

（7-23）（7-21b）（7-22a）（7-22b）7.5光产生电流和收集效率例题：推导出P在上N长P+N电池的N侧内光生少数载流子密度和电流的表达式，假设在背面接触处的表面复合速度为S，入射光是单色的。P+层内的吸收可以忽略不计。解：方程（7-21a）的边界条件为方程（7-21a）的解为：

7.5光产生电流和收集效率

（7-24）从P+侧流到N侧的电子电流用同样方法可以求得。

（7-25）7.5光产生电流和收集效率

图7-9入射光为和的归一化少数载流子分布。器件参数为xj=2.8m,W=20mils,=4.2s,=10ns,以及S=100cm/s7.5光产生电流和收集效率根据少子空穴浓度表达式可以看到，在短波（550nm）时，由于吸收系数比较大，大多数光子在接近表面的一个薄层内被吸收而产生电子—空穴对。在较长时（900nm），较小，吸收多发生在P-N结的N侧。所形成的少数载流子分布绘于图7-9中。收集效率：入射光为单色光且光子数已知，把（7-25）式代入（7-23）式，可以得到在N侧每一波长的收集效率。收集效率受到少数载流子扩散长度和吸收系数的影响，扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。就吸收系数的影响来说，大的值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收集。小的值使光子能向深处穿透，以致太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般的GaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。

7.5光产生电流和收集效率图7-10图7-9中太阳电池的收集效率与波长的对应关系

7.5光产生电流和收集效率小结考虑半导体吸收，电子—空穴对的产生率为产生率是表面深度的函数。定义了光子收集效率：

举例分析了电子－空穴对的产生率与光子频率和透入深度的关系：在短波（500nm）时，由于吸收系数比较大大多数光子在接近表面的一个薄层内被吸收而产生电子—空穴对。在较长时长时（900nm），较小，吸收多发生在PN结的N侧（7-20）（7-23）7.5光产生电流和收集效率小结给出了在不同波长上收集效率的理论值（图7-10）。收集效率与少数载流子扩散长度和吸收系数有关：扩散长度应尽可能地长以收集所有光生载流子。在有些太阳电池中，通过杂质梯度建立自建场以改进载流子的收集。吸收系数的影响是：大的值导致接近表面处的大量吸收，造成在表面层内的强烈收集。小的值使光子能向深处穿透，以至太阳电池的基底在载流子的收集当中更为重要。一般地GaAs电池属于前者，硅太阳电池属于后一种类型。以上分析为太阳电池的设计提供了重要参考。7.6提高太阳电池效率的考虑7.6提高太阳电池效率的考虑

在实际的太阳电池中，多种因素限制着器件的性能，因而在太阳电池的设计中必须考虑这些限制因素。图7-11在AM0和AM1条件下下的太阳光谱及其在GaAs和中Si的能量截止点

7.6提高太阳电池效率的考虑

只有大于的那部分能量可以被吸收。可见，越小越大从而越大。可被吸收的最大光子数在硅中为：,在GaAs中为：最大功率考虑太阳电池的最大输出功率由开路电压和短路电流所决定。由光谱考虑，发现随着的增加而减小。开路电压

乘积会出现一极大值。

由（7-5）（7-27）7.6提高太阳电池效率的考虑

图7-12最大转换效率的理论值与禁带能量之间的对应关系

7.6提高太阳电池效率的考虑

串联电阻考虑

图7-13串联电阻和分流电阻对I-V曲线的影响7.6提高太阳电池效率的考虑

达到最佳设计，需要对掺杂浓度和结深采取折衷。实际的接触是采用示于图7-14中的栅格形式。这种结构能够有大的曝光面积，而同时又使串联电阻保持合理的数值。

图7-14P上扩散N的硅电池的简单结构7.6提高太阳电池效率的考虑

表面反射采用抗反射层理想的抗反射层材料折射率应为。聚光聚光是用聚光器面积代替许多太阳能电池的面积，从而降低太阳能电池造价。它的另一个优点是增加效率。因此一个电池在1000个太阳强度的聚光度下工作产生的输出功率相当于1300个电池在一个太阳强度下工作的输出功率。

阅读：第7.7、7.8节7-9光电二极管

光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光生载流子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。

7-9光电二极管

P-I-N光电二极管图7-20P-I-N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7-9光电二极管在长距离的光纤通信系统中多采用的双异质结P-I-N光电二极管中，P-InP的禁带宽度为1.35eV，对波长大于的光不吸收。的禁带宽度为0.75eV（对应截止时波长），在波段上表现出较强的吸收。这样，对于光通信的低损耗波段，光吸收只发生在I层，完全消了扩散电流的影响，几微米厚的I层，就可就可以获得很高的响应度。具有良好的频率响应。阅读：7.9.2、7.9.37-9光电二极管小结光电二极管的工作原理：光电二极管和太阳电池一样，都是利用光生伏特效应工作的器件。与太阳电池不同之处在于，光电二极管工作时要加上反向偏压。光电二极管接受光照之后，产生与入射光强度成正比的光生电流，所以能把光信号变成电信号达到探测光信号的目的。介绍了P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。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。

7-9光电二极管教学要求了解光电二极管的工作原理。了解P-I-N光电二极管的工作原理的基本结构、能带图和工作原理。P-I-N光电二极管中。I层的作用是什么？

光电二极管中有哪两种电流？它们的形成机制和特点是什么？

的双异质结光电二极管中为什么不出现扩散电流？

7.10光电二极管的特性参数7.10光电二极管的特性参数量子效率和响应度1.量子效率

即单位入射光子所产生的电子空穴对数。产生明显光电流的波长是有限制的：长波限由禁带宽度决定。光响应也有短波极限。图7-25示出了一些高速光电二极管量子效率和波长关系的典型曲线。可以看到，在紫外和可见光区，金属半导体光电二极管有很高的量子效率；在近红外区，硅光电二极管（有抗反射涂层）在到附近，量子效率可达100%；在到的区域，锗光电二极管和IIIV族光电二极管（如CaLnAS）有很高的量子效率。对于更长的波长，为了获得高的量子效率，光电二极管需进行冷却（例如用液氮冷却到77K）。（7-29）（7-30）7.10光电二极管的特性参数图7-25不同光电二极管量子效率和波长的关系

7.10光电二极管的特性参数

响应度表征光电二极管的转换效率，定义为短路光电流与输入光功率之比：高的响应度要求有厚的I层

（7-31）7.10光电二极管的特性参数响应速度（带宽）定义为当交流光电流下降到低频的时的调制频率。它也称为3dB频率或3dB带宽。响应速度（带宽）主要受下列三个因素的控制：（1）载流子的扩散。在耗尽层外边产生的载流子必须扩散到P-N结，这将引起可观的时间延迟。为了将扩散效应减到最小，P-N结尽可能接近表面。（2）在耗尽层内的漂移时间。这是影响带宽的主要因素。减少耗尽层渡越时间要求耗尽层要尽可能地窄。但耗尽层太窄会使器件吸收光子减小而影响响应度。

7.10光电二极管的特性参数（3）耗尽层电容。耗尽层太窄，会使耗尽层电容过大，从而使时间常数RC过大（这里R是负载电阻），因此耗尽层宽度要有一个最佳选择：

它是当交流光电流下降到低频的时的调制频率。是耗尽层宽度，是饱和漂移速度，为耗尽层渡越时间。

（7-32）式中称为3dB频率或3dB带宽。由下式确定（7-33）7.10光电二极管的特性参数噪声特性噪声是信号上附加的无规则起伏。它可使信号变得模糊甚至被淹没。散粒噪声：是由一个个入射光子产生的不均匀的或杂乱的电子空穴对引起的。也就是说是由通过器件的粒子（电子或空穴）数无规则起伏引起的。分析表明，探测器散粒噪声电流即均方根噪声电流由下式估算。式中为电流强度，为测量的频率范围即带宽。（7-35）7.10光电二极管的特性参数热噪声：来自电阻值为R的电阻体发出的电磁辐射部分，由载流子无规则散射引起。热噪声的电流（均方值）为

接有输入电阻为R的放大器时的总噪声电流（均方值）为

－入射光在光吸收层中产生的光电流，即信号电流。－暗电流。－放大器的噪声系数和绝对温度之积，称为有效温度。（7-36）（7-37）7.10光电二极管的特性参数其它的几个概念信噪比

光电二极管的信噪比为其中为光电二极管的信号电流（令）为在负载R两端产生的信号功率在忽略暗电流和热噪声的情况下，光电二极管的信噪比为

（7-40）（7-39）（7-38）（7-41）7.10光电二极管的特性参数噪声等效功率（NEP）

NEP定义为产生与探测器噪声输出大小相等的信号所需要的入射光功率