半导体物理器件 Chapter 7 (2)课件

第七章太阳电池和光电二极管●半导体中的光吸收●P-N结的光生伏特效应●太阳电池的I-V特性●太阳电池的效率●光产生电流和收集效率●提高太阳电池效率的考虑●光电二极管●光电二极管的特性参数领域项目有关器件显示数字和文字显示电视显示图像显示投影显示全息像显示发光二极管、半导体激光器液晶、放电管、阴极射线管各种激光器、光调制和光偏转装置、光接收器和摄像装置、全息照相装置光电子学是介于光学技术和电子工程之间的新兴边缘科学。这门学科是随着发光二极管、半导体激光器等器件的问世而诞生的。光电子学分类引言领域项目有关器件光信息处理图像处理、图形识别光贮存器、模拟光运算数字光逻辑、光输入、输出LED、Laser、各种激光器、光调制和光偏转装置、光接收和摄象装置、感光材料、全息照相装置光通信大气传输光信号透镜光导光通信光纤通信、卫星通信海洋光通信、光雷达LED、Laser、各种激光器、光调制装置、光接收器、光纤、集成电路、透镜光导光开关、负阻器件、光耦合器、电耦合器件、磁泡器件、太阳电池其它引言（7-2）（7-3）在半导体的另一端（图7-3b）处，光子通量为（7-4）当光子在半导体中传播时，在距表面x处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比于该处的光子通量即在时，方程（7-1）的解为式中比例系数叫做吸收系数它是的函数。光吸收在截止波长处急剧下降。

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7.2P-N结的光生伏特效应P-N结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电动势的效应。光生伏打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。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区，也可以是金属—半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。

（7-5）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。7.2P-N结的光生伏特效应教学要求掌握概念：光生伏特效应、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？

7.2P-N结的光生伏特效应7.3太阳电池的I-V特性图7-6太阳电池理想等效电路（7-7）（7-8）（7-9）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。（7-10）太阳电池向负载提供的功率为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特性图

7-8包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路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7.3太阳电池的I-V特性7.4太阳电池的效率（7-12）（7-13）（7-14）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，Pm太阳电池的最大输出功率：对于理想太阳电池根据（7.10）式，最大功率条件（7-17）（7-18）（7-19）从式（7.14）中解出，再将其代入式（7-6）得于是太阳电池最大输出功率引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可写作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）。

7.4太阳电池的效率（7-21b）（7-22a）（7-22b）（7-23）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7.5光产生电流和收集效率例题：推导出长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

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2、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3、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4、表面反射采用抗反射层5、理想的抗反射层材料折射率应为。6、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。7.6提高太阳电池效率的考虑7-9光电二极管

2、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1、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。

I层的目的是为了获得最佳的量子效率和频率响应。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。的双异质结光电二极管中为什么不出现扩散电流？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？

7-9光电二极管7.10光电二极管的特性参数（7-29）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）。量子效率和响应度1.量子效率（7-30）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）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。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。7.10光电二极管的特性参数（7-32）（7-33）式中称为3dB频率或3dB带宽。由下式确定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。（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R是负载电阻），因此耗尽层宽度要有一个最佳选择：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（7-36）（7-37）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。7.10光电二极管的特性参数（7-40）（7-39）（7-38）（7-41）其它的几个概念1、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

7.10光电二极管的特性参数2、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。NEP标志探测器可探