专业课程设计_PN结电场强度的GUI显示.pdf

0 目录 1 技术要求 1 2 基本原理 1 2 1 问题分析 1 2 2 模型建立 1 2 3 模型分析 3 3 参数描述 3 3 1 膜层厚度 3 3 2 偏压 4 3 3 电阻率 5 4 调试过程及结论 5 4 1 GUI 界面的设计 5 4 1 1 设计要求 5 4 1 2 设计步骤 5 4 2 调试过程 8 4 2 1 电场强度分布图 9 4 2 2 电场 杂质浓度图 11 4 2 3 电场 电阻率图 11 5 心得体会 12 6 参考文献 13 7 附录 13 1 PN 结电场强度的 GUI 显示 1 技术要求 设计 uc Si c Si太阳能电池 分析膜层厚度 电阻率 掺杂浓度对 PN 结电场强度的影 响 要求 1 膜层厚度对 PN 结电场强度的影响 2 层电阻率对 PN 结电场强度的影响 3 掺杂浓度对 PN 结电场强度的影响 4 采用 MATLAB 给出可视化界面 2 基本原理 2 1 问题分析 为了解释非晶硅太阳能电池光致衰退现象 Epstein和 Moore 1 等人提出在光照下电池 内建场分布发生变化 空间电荷效应 是引起非晶硅太阳能电场 F F 衰退更为重要的原因 同时 对于 PN 结的电容的分析也要求对结区电场分布进行研究 2 因此 本文着重分析 PN 结的空间电场与膜层厚度 电阻率 掺杂浓度的关系 首先 本文作如下基本假设 耗尽假设 即假设空间电荷区内的载流子完全耗尽 空间电荷完全由电离杂质提供 中性假设 即假设耗尽区外多子浓度等于电离杂质浓度 因而保持电中性 均匀性假设 假设 P 区和 N 区掺杂都均匀 即杂质浓度随空间的分布为一常数 突变假设 即假设 PN 结为突变结 电离假设 即假设杂质完全电离 因而可以认为空间电荷区的电荷密度等于电子电量 与杂质浓度的乘积 PN 结的热平衡态特性可用如下的泊松方程描述 2 2 x dx xd 2 1 其中 为材料介电常数 x 为电势的空间分布 x 描述空间电荷的分布 基于上述假 设求解泊松方程即可求得空间电场分布 2 2 模型建立 基于上述假设 PN 结耗尽层的空间电荷密度可以写成如下形式 2 A qNx 0 xxp D qNx n xx 0 2 2 图 2 1 PN 结示意图 下面对 N 区和 P 区分别进行讨论 对于 N 区 结合 2 1 和 2 2 式有 D qN dx xd 2 2 2 3 两边同时对 x积分可以得到 N 区的电场分布CxN q dx xd xE D 利用边界条件0 n xE 求的常数 nDx N q C 于是可得 nD xxN q xE n xx 0 2 4 同理 对于 P 区 泊松方程可以写做如下形式 A qN dx xd 2 2 2 5 利用边界条件0 p xE 得到 pA xxN q xE 0 xxp 2 6 PN 结的电场在0 x处取得最大值 pAnD xN q xN q EE 0 max 因此 max E qN x D n 2 7 max E qN x A p 2 8 耗尽层宽度 max E NN NN q xxx DA DA pnd 令 DA DA NN NN N 0 称为约化浓度 PN 结接触电势差可以写成 n p x x pnD ExxdxxEV max 2 1 结合式 2 7 和式 2 8 可得 2 max 0 2 E qN VD 或 2 1 0 max 2 D V qN E 2 9 下面从另一角度求接触电势差 并由此求得结区厚度和最大电场强度 在平衡状态下 净 余空穴电流密度为零 故由空穴的电流密度方程可得 PN p x n x E 0 3 0 dx dp qDpEqJ ppp 2 10 dx pd q kT dx dp p D xE p p ln1 2 11 进一步求得电势为 0 0 00 0 0 ln ln lnln n p np p p x x D p p q kT pp q kT pd q kT dxxEV p n n p 2 12 结合式 2 7 2 8 2 9 2 12 可以求得 n x p x 再将 n x p x代入 2 4 2 6 可得电场的空 间分布 2 3 模型分析 由式 2 7 2 8 可得 ApDn NxNx 说明结区厚度与掺杂浓度成反比 如果掺杂浓度满 足 DA NN 则 D DA DA N NN NN N 0 2 13 又因 max E NN NN q xxx DA DA pnd 则 2 1 2 D D nd V qN xx 2 14 2 1 max 2 D D V qN E 2 15 同理 如果满足 AD NN 则 A NN 0 2 16 2 1 2 D A pd V qN xx 2 17 2 1 max 2 D A V qN E 2 18 可见 耗尽区主要分布在低掺杂的一侧 电场强度最大值与结区厚度主要取决于低掺杂一 侧的浓度 3 参数描述 前面已经求得了电场的空间分布 电场的表达式中包含了掺杂浓度 下面将对模型进 行完善并讨论膜层厚度 偏压 和电阻率对电场分布的影响 3 1 膜层厚度 在 p c Si H n c Si 嵌入 a Si H 薄层是提高电池性能的一项重要措施 3 4 嵌入 a Si H 薄层的 PN 结结构如图 2 2 所示 为了考察其结区电场分布情况 仍旧沿用 前面的方法 从泊松方程入手 重写泊松方程 2 2 x dx xd 耗尽层电荷密度满足 A qNx 22 d x d xp D qNx 22 d xx d n 2 19 本征层电荷密度由于没有净余电荷 则 0 x 22 d x d 2 20 利用边界条件0 2 d xE p 0 2 d xE n 结合式 2 13 2 14 求解泊松方程 2 d xxN q xE pA 22 d x d xp 2 21 2 d xxN q dx xd xE nD 22 d xx d n 2 22 max ExE 22 d x d 2 23 结合 2 7 2 8 2 9 2 12 可解出 n x p x max E 再将 n x p x max E代入 2 15 2 16 2 17 可得电场的空间分布 如图 2 2 PIN 结构示意图 3 2 偏压 PN 结两端未加电压时 接触电势差用下式描述 2 max 0 2 E qN VD 其中 DA DA NN NN N 0 为约化质量 在外加电压作用下 PN 结结区电势 0 VVV D 其中 0 V为外加电压 当加 PN 结正偏时取正 反偏时取负 因此 2 9 式变形为 2 d xp 2 d xn 2 d 2 d 0 PI N d 5 2 1 0 0 max 2 VV qN E D 2 24 将其代入 2 7 2 8 可求得结区厚度 2 1 0 0 2 VV qN qN x D D n 2 25 2 1 0 0 2 VV qN qN x D A p 2 26 因此 在加偏压的情况下 PN 结的结区厚度和最大场强都会发生改变 3 3 电阻率 对于 N 型衬底 其电阻率 n nq 1 n 为电子迁移率 而迁移率又与杂质浓度有关 迁移率与杂质浓度的关系可用下式描述 4 2 3 2 3 1 T BN AT m q D n 2 27 其中 m 为载流子有效质量 T 为温度 q 为电子电量 A B 分别为两个常数 ND为掺杂 浓度 因此 电阻率对电场强度的影响实际就转化为掺杂浓度对电场强度的影响 而掺杂 浓度对电场强度的影响在前面已经详细讨论 此处不再赘述 4 调试过程及结论 4 1 GUI 界面的设计 4 1 1 设计要求 1 能输入掺杂浓度 膜层厚度和偏压大小 2 通过输入变量计算并输出结区厚度和最大场强 3 能够根据输入变量作出电场的空间分布 4 能分析电场分布随掺杂浓度的变化关系 5 能分析电场分布随电阻的变化关系 4 1 2 设计步骤 1 首先打开 MATLAB 点击 File New GUI 新建空白 GUI 并放置空间和编辑框 如 图 4 1 所示 6 图 4 1 GUI 界面设计图 2 为绘图按钮添加函数 当按下按钮时 MATLAB自动执行对应函数的Callback函数 当点击绘图按钮时 要求能 绘制出对应于Radiobutton的图形 因此 在绘图按钮的Callback函数中应该首先判断 Radiobutton的状态 并根据其状态执行相应的函数段 每当按下绘图按钮 程序都应该从 编辑框中读入数据 调用MATLAB中get函数实现字符形式读入数据 再使用str2num函数 实现字符到数值类型的转换 部分程序代码如下 本程序段实现电场和位置关系图 NA str2num get handles edit2 String ND str2num get handles edit3 String Vget str2num get handles edit9 String d str2num get handles edit1 String if get handles radiobutton5 value 画E x图 if get handles radiobutton1 value hold on else hold off end ni 1 02 10 10 本征平衡载流子浓度 cm 3 T 300 温度 Es 11 9 8 85 10 14 介电常数 7 K 1 38 10 23 玻尔兹曼常数 q 1 602 10 19 电子电量 NA NA 10 6 m 3 ND ND 10 6 m 3 ni ni 10 6 m 3 d d 10 9 m Vbi K T q log NA ND ni 2 计算接触电势差V N0 NA ND NA ND 约化浓度m 3 Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 V m Emax1 Emax xn Es Emax q ND 单位m xp Es Emax q NA 单位m xd xn xp d Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 Vget xd V m xn Es Emax q ND 单位m xp Es Emax q NA 单位m x linspace xp d 2 xn d 2 500 for i 1 500 if x i xp d 2 E i q NA x i d 2 xp Es 单位 V m elseif x i d 2 E i q ND x i d 2 xn Es 单位 V m else E i Emax end end set handles edit5 string Emax set handles edit7 string xp 10 9 set handles edit8 string xn 10 9 plot x 10 9 E 8 xlabel x nm ylabel 电场强度 V m 3 为清除按钮添加函数 点击清除按钮后能够清除坐标系中的图像 MATLAB 中 cla 函数可以实现清除函数图形的 功能 清除按钮添加代码如下 cla handles axes1 4 为保存按钮添加函数 保存按钮要求能保存现在显示在绘图窗口的图形本按钮添加代码如下 newfig2 figure set newfig2 Visible off 设置新建的 figure 为不可见 new h2 copyobj handles axes1 newfig2 set new h2 Units default Position default filename2 pathname2 uiputfile bmp Bitmap bmp jpg JPEG jpg gif GIF gif All Files Save Picture Picture1 if filename2 0 close newfig2 return else 下面代码不仅可以保存坐标标题 还可以保存 figure 中 axes 图像的背景 hp2 getframe newfig2 hp2 frame2im hp2 imwrite hp2 fullfile pathname2 filename2 close newfig2 end 4 2 调试过程 9 4 2 1 电场强度分布图 1 绘制电场 位置坐标图 选择默认输入参数 保证图形选项中的单选按钮选中电场 位置坐标 点击绘图按钮 运 行结果如图 4 2 图 4 2 电场 位置坐标的 GUI 显示 2 改变参数对比电场变化 为了便于观察输入变化对电场分布的影响 在 GUI 中设置保持按钮 修改掺杂浓度 点击 绘图按钮 可在同一坐标系中绘制多张图 下面将依次更改各参数并对比电场变化 运行 结果如图 4 3 4 4 4 5 所示 3 结果分析 图 4 2 和图 4 3 对比可得出如下结论 掺杂浓度越高 其结区厚度越薄 掺杂浓度降低可导致最大电场减小 结区厚度主要由低掺杂一侧的厚度决定 膜层厚度不影响最大场强 加反压会增大最大场强和结区厚度 以上结论与理论分析相一致 说明该程序正确地描绘了 PN 结电场分布 10 图 4 3 更改受主浓度后的 GUI 显示 图 4 4 更改膜层厚度后的 GUI 显示 11 图 4 4 更改偏压后的 GUI 显示 4 2 2 电场 杂质浓度图 从前面已经得出杂质浓度对电场的影响 电场强度最大值随着掺杂浓度的增大而增大 为了描述电场强度随掺杂浓度的变化关系 在图形输出选项中选择电场 受主浓度或电场 施主浓度 本文以受主浓度为例作电场 受主浓度图 如图 4 5 所示 图 4 5 电场 受主浓度图 说明当杂质浓度还不是很大时 最大电场强度与杂质浓度近似为线性关系 随着杂质浓度 的增大 最大电场强度也增大 但是当杂质浓度比较大时 电场强度最大值在随杂质浓度 增大时会出现饱和 因此通过掺杂浓度来提高电池开路电压会收到这种饱和效应的限制 4 2 3 电场 电阻率图 前面已经从理论上分析了电场随电阻率的变化 由于工程上常用查表的方式确定与电 阻率对应的电场值 此处只绘制其趋势图 无确定的数量关系 如图 4 6 所示 12 图 4 6 电场 电阻率图 从图中可以看出 随着电阻率的增大 最大电场强度迅速下降 因此 单从最大场强 而言 应该是电阻率越小越好 但是 电阻率的减小会使开路电压减小 从而影响电池的 性能 在实际应用过程中应该在这两个因素中折中 5 心得体会 我认为做课程设计是用实践去验证自己平日里所学得理论知识的一个很好的机会 期 间不但能够对自己所学知识进行巩固 还能锻炼自己的动手能力 最重要的是 能培养分 析问题 解决问题的能力 在此期间 我通过搜集大量的资料 复习所学理论知识 终于 完成了本次课程设计 在程序设计方面 本次课程设计的程序较多 但是原理来讲还是简单的 本次课程设 计所有程序都是自己独立设计完成的 从某种意义上说 也是对自己编程能力和编程思维 的锻炼 本次课程设计中 我的最大收获就是理解了实践在学习过程中不可或缺的作 用 书本上得知识经过平时的学习我们可以牢牢地记在脑子里 但是由于未能深 刻地理解 可能到应用的时候就束手无策 有些具体的问题在实际的应用过程中才可能暴 露出来 书本中可能并没有相应的介绍或者解决方案 通过课程设计这样一个将理论知识 运用与实践的机会 我们可以更加深刻地理解所学的理论知识 发现并解决过程中出现的 问题 也是对自身能力的培养 但是 本次课程设计也暴露出我的不足 比如在程序调试 过程中出现的错误有时是自己不良的编程习惯造成的 总之 本次课程设计使我受益匪浅 在今后的学习生活中 我也将更加重视自己的 13 理论知识与实践的结合 6 参考文献 7 附录 function pushbutton1 Callback hObject eventdata handles hObject handle to pushbutton1 see GCBO eventdata reserved to be defined in a future version of MATLAB handles structure with handles and user data see GUIDATA NA str2num get handles edit2 String NA1 NA ND str2num get handles edit3 String Vget str2num get handles edit9 String ND1 ND p str2num get handles edit6 String d str2num get handles edit1 String if get handles radiobutton5 value 画 E x图 if get handles radiobutton1 value hold on else hold off end ni 1 02 10 10 本征平衡载流子浓度 cm 3 T 300 温度 Es 11 9 8 85 10 14 介电常数 K 1 38 10 23 玻尔兹曼常数 q 1 602 10 19 电子电量 NA NA 10 6 m 3 14 ND ND 10 6 m 3 ni ni 10 6 m 3 d d 10 9 m Vbi K T q log NA ND ni 2 计算接触电势差 V N0 NA ND NA ND 约化浓度 m 3 Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 V m Emax1 Emax xn Es Emax q ND 单位 m xp Es Emax q NA 单位 m xd xn xp d Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 Vget xd V m xn Es Emax q ND 单位 m xp Es Emax q NA 单位 m x linspace xp d 2 xn d 2 500 for i 1 500 if x i xp d 2 E i q NA x i d 2 xp Es 单位 V m elseif x i d 2 E i q ND x i d 2 xn Es 单位 V m else E i Emax end end set handles edit5 string Emax set handles edit7 string xp 10 9 set handles edit8 string xn 10 9 plot x 10 9 E xlabel x nm ylabel 电场强度 V m 15 elseif get handles radiobutton2 value 画 E NA if get handles radiobutton1 value hold on else hold off end NA 0 100 NA NA 10 16 ni 1 02 10 10 本征平衡载流子浓度 cm 3 T 300 温度 Es 11 9 8 85 10 14 介电常数 K 1 38 10 23 玻尔兹曼常数 q 1 602 10 19 电子电量 NA NA 10 6 m 3 ND ND 10 6 m 3 ni ni 10 6 m 3 d d 10 9 m Vbi K T q log NA ND ni 2 计算接触电势差 V N0 NA ND NA ND 约化浓度 m 3 Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 V m xn Es Emax q ND 单位 m xp Es Emax q NA 单位 m xd xn xp d plot NA 10 6 Emax set handles edit7 string set handles edit8 string set handles edit5 string xlabel NA cm 3 ylabel 最大电场强度 V m 16 elseif get handles radiobutton3 value 画 E ND get handles radiobutton2 value 画 E NA if get handles radiobutton1 value hold on else hold off end ND 0 100 ND ND 10 16 ni 1 02 10 10 本征平衡载流子浓度 cm 3 T 300 温度 Es 11 9 8 85 10 14 介电常数 K 1 38 10 23 玻尔兹曼常数 q 1 602 10 19 电子电量 NA NA 10 6 m 3 ND ND 10 6 m 3 ni ni 10 6 m 3 d d 10 9 m Vbi K T q log NA ND ni 2 计算接触电势差 V N0 NA ND NA ND 约化浓度 m 3 Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 V m xn Es Emax q ND 单位 m xp Es Emax q NA 单位 m xd xn xp d Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 Vget xd V m set handles edit7 string set handles edit8 string set handles edit5 string plot ND 10 6 Emax xlabel ND cm 3 17 ylabel 最大电场强度 V m elseif get handles radiobutton6 value 画 E p get handles radiobutton2 value 画 E NA if get handles radiobutton1 value hold on else hold off end p 0 0 1 10 T 300 A 1 B 0 m0 9 108 10 31 m 0 56 m0 q 1 602 10 19 电子电量 ND A T 3 m B m T 3 2 p q 2 ni 1 02 10 10 本征平衡载流子浓度 cm 3 Es 11 9 8 85 10 14 介电常数 K 1 38 10 23 玻尔兹曼常数 NA NA 10 6 m 3 ni ni 10 6 m 3 Vbi K T q log NA ND ni 2 计算接触电势差 V N0 NA ND NA ND 约化浓度 m 3 Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 V m xn Es Emax q ND 单位 m xp Es Emax q NA 单位 m xd xn xp d Emax 2 q N0 Vbi Es 0 5 Vget xd V m set handles edit7 string 18 set handles edit8 string set handles edit