第四章 p-n结二极管

1、第第4章章 P-N结二极管结二极管 南京理工大学南京理工大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1 1 内容 4.2 P-N4.2 P-N结的静电学结的静电学 4.4 4.4 载流子注入载流子注入 4.6 4.6 暗特性暗特性 4.74.7光照特性光照特性 4.84.8太阳能电池的输出参数太阳能电池的输出参数 4.3 4.3 结电容结电容 4.5 4.5 准中性区内的扩散流准中性区内的扩散流 4.1 P-N4.1 P-N结的形成结的形成 4.94.9有限电池尺寸对有限电池尺寸对I I0 0的影响的影响 2 2 4.1 4.1 P-N结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质

2、,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型半导体的结 合面上形成PN结，如下物理过程: 常见的太阳能电池本质是大面积的常见的太阳能电池本质是大面积的P-N结二极管。结二极管。 3 3 Si SiSiSi SiSiSi SiSiSi SiP 掺杂磷产生掺杂磷产生 的自由电子的自由电子 NN型半导体型半导体 自由电子数为自由电子数为 N型半导体的型半导体的多数载流子多数载流子， 空穴为空穴为 N型半导体的型半导体的少数载流子少数载流子 4 4 Si SiSiSi SiB 掺杂硼产生的掺杂硼产生的 空位空位 P P型半导体型半导体 自由电子为自由电子为 P型半导体的型半导体的少数载

3、流子少数载流子 空穴为空穴为 P型半导体的型半导体的多数载流子多数载流子 空穴空穴 5 5 因因 浓浓 度度 差差 多子产生多子产生 扩散运动扩散运动 形成空间电形成空间电 荷区（耗尽荷区（耗尽 层）层）(N(NP)P) 形成内电形成内电 场场 (N(NP)P) 阻止多子阻止多子 扩散扩散 促使少子促使少子 漂移漂移 动态平衡动态平衡 6 6 4.2 4.2 P-N结的静电学结的静电学 当外加电压时，当外加电压时，PNPN结就会显示单向导电性结就会显示单向导电性 单向导电性单向导电性： PNPN结加结加反向反向电压时，电压时，截止截止。 规定规定：P P区接电源正，区接电源正，N N区接电源负

4、为区接电源负为PNPN结加结加正向正向电压电压 N N区接电源正，区接电源正，P P区接电源负为区接电源负为PNPN结加结加反向反向电压电压 PNPN结加结加正向正向电压时，电压时，导通导通。 PN + + + + + + 内电场 7 7 (1)P-N(1)P-N结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 PN结加正向电压时，外加的 正向电压有一部分降落在PN结 区，方向与PN结内电场方向相 反，削弱了内电场。于是,内电 场对多子扩散运动的阻碍减弱 ，扩散电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略漂移电 流的影响，PN结呈现低阻性。 起理想模型：开关闭合 内电场内电场 外电场外电场 动画

5、 PN结正偏 8 8 (2)P-N(2)P-N结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PNPN结区，方向与结区，方向与PNPN 结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩 散运动的阻碍增强，散运动的阻碍增强， 扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时 PNPN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的 作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散 电流，由于漂移电流是少电流，由于漂移电流是少 子形成的电流，故反向电流子形成的电流，故

6、反向电流 非常小，非常小，PNPN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 内电场内电场 外电场外电场 9 9 在一定的温度条件下，由本征激发决定的在一定的温度条件下，由本征激发决定的 少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无 关关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 图 01.08 PN结加反向电压时 的导电情况 1010 PN PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向 漂移电流。漂移电流。 PN结加反向电压时的导电情况 P

7、N结加正向电压时的导电情况 PN PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向 扩散电流；扩散电流； 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 1111 pnpn结内的电势结内的电势 若pn结内过渡区的电势变化为0，则有： 012 ln CV gg AD N N qEEEEkT N N 又由于 所以 1212 P N 2 0 ln i DA n NN q kT 2 g E kT iCV nN N e pn结内的载流子浓度结内的载流子浓度 pn结可近似（近似1）划分为两个区域： 1. 准中性区：假设空间电荷密度处处为

8、零； 耗尽区：假设载流子浓度很小，对空间电荷密度的贡 献仅来自电离杂质。 pn结中，n区均匀的掺有施主杂质，杂质浓度为ND。 p区均匀的掺有受主杂质，杂质浓度为NA。 例如例如n区有：区有： p-n+ND=0 1313 P N pnpn结内的电荷密度结内的电荷密度 pn结内空间电荷密度分布： 1414 耗尽区 电荷密度 nD xxqNx0 0 xxqNx pA 电中性条件： nDpA xNxN np xxW 耗尽区宽度： pnpn结内的电场分布结内的电场分布 1515 将空间电荷密度积分得到 电场分布： d d E x n DnD xx xqN E xxqN xE 0 max 0 max xx

9、 xqN E xxqN xE p A pA PN max Ap Dn qN x qN x E 电中性条件 pnpn结内的电势分布结内的电势分布 1616 再将电场E积分得到电势的分布： d d E x 令x=-xp处的电势为零，得到： 2max max ,0 22 A pp EqN xExxxxx 2max max , 0 22 D nn EqN xExxxxx 内建势： np xx电场对应的面积 maxmax 11 22 nP EWExx 如果外加正向电压Va，那么 0a V 4.3 4.3 结电容结电容 1717 (1) (1) 势垒电容势垒电容CB (2) 扩散电容扩散电容CD (1)

10、(1) 势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压 使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改 变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充 放电。 势垒电容示意图 反向偏压 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成 的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提 供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积 在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的浓度梯度。 (2) 扩散电容扩散电容CD 反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓 度梯度分布曲线。 扩散电容示意图 当外加正向电压不同时 ，扩散电流即外电

11、路电流 的大小也不同。所以PN 结两侧堆积的少子浓度梯 度分布也不同，这就相当 电容的充放电过程。 PN结的结电容C 2121 PN结的结电容C是： DB CCC W A C 或写成： 2 1 2 a V Nq A C 式中：N为NA和ND中的较小者。 通过测量C和Va的关系，可以得到N。 4.4 载流子的注入 2222 当外加正向偏置电压Va时，耗尽区宽度W降低，内建势降为 0-Va 。载流子扩散运动增加，耗尽区附近少子浓度增加，相 当于注入了载流子。 当外加反向偏置电压Va时，耗尽区宽度W增加，内建势升为 0+Va 。载流子扩散运动降低，耗尽区附近少子浓度下降。 2323 在零偏置时， 已

12、知： 2 0 ln i DA n NN q kT 2 0000innpp nnpnp 得到： 0 2 / 00 qkTi nbnp D n ppp e N 0 2 / 00 , qkTi papn A n nnn e N pp0:零偏置时，p区空穴浓度； np0:零偏置时，p区电子浓度； pn0:零偏置时，n区空穴浓度； nn0:零偏置时，n区电子浓度。 零偏置时的载流子浓度分布 ab 正向偏置时的载流子浓度分布 大于平衡值 多子浓度不变 ab 2525 在偏置Va作用下，耗尽区的静电流是漂移电流与扩散电流的 差值。假设： d d hh p qpEqD x （近似2） 得到： 1 d d kT

13、p E q px 所以： 0 ln|ln pa b aa nb p kTkT Vp qqp 假设： , papanana pn np（近似3） 依据电中性条件，得到： / 00 qkT paApapn pNnpp e 即少子远小于多子 偏压下少数载流子浓度偏压下少数载流子浓度 耗尽区边缘少数载流子浓度随外加电压增加而呈指数增加。 少数载流子注入少数载流子注入：由pn结两边的偏压来控制少数载流子浓度。 2626 耗尽区边缘少数载流子浓度与偏压Va的关系： 2 / 0 , aa qVkTqVkTi nbn D n pp ee N 2 / 0 aa qVkTqVkTi pap A n nn ee N

14、 目标：加偏压后电流电压关系目标：加偏压后电流电压关系 2727 N区（远离扩散区）：多子（电子）的漂移电流。 N区（扩散区）：少子（空穴）电流与多子（电子）的电流互换。 结区：电流连续。 P区（扩散区）：少子（电子）电流与多子（空穴）的电流互换。 P区（远离扩散区）：多子（空穴）的漂移电流。 动画 PN结正偏 4.5 准中性区内的扩散流 如果半导体材料均匀掺杂区是准中性的，那么当少数载流 子流不是很小，或者说多数载流子流不是很大时： 少数载流子可以认为不受电场的影响，主要以扩散方式 流动。 2828 目标：加偏压后电流电压关系目标：加偏压后电流电压关系 2929 归纳为求解电压与少子的扩散电

15、流关系。 电子电流和空穴电流的大小在不同区内各不相同，但二者 之和保持不变，只要求出通过pn结任何一个截面的总电流就 可以。 J=b处的电子漂移电流+b处的空穴扩散电流 =a处的电子（少子）扩散电流+b处的空穴（少子）扩散电流 4.6 暗特性 4.6.1 整个pn结二极管中的载流子浓度分布 / 00 1 e x LqV kT ppp nxnnee / 00 1 h x LqV kT nnn pxppeen区x位置空穴浓度： p区x位置电子浓度： 在准中性区，为保持空间电荷中性，多数载流子必须有相应的 变化。尽管绝对变化相同，多数载流子浓度的相对变化较小。 he LL和分别为空穴和电子的扩散长度

16、。 3030 4.6.2 流过二极管的内电流流过二极管的内电流 在准中性区，少子电流是扩散电流，电 流为： /0 1 h x LqV kThn h h qD p Jxee L 0 / 1 e ep x LqV kT e e qD p Jxee L 得到耗尽区的电流： 00 0 /0 |+| =1 totalexhx ep qV kThn eh JJJ qD n qD n e LL 1e / kTqV 0 II 由于电流不随位置变化，所以二极管 内的电流为： 3131 理想理想二极管定律二极管定律 在理想的二极管中，电流与电压的关系为： 1e / kTqV 0 II I为通过二极管的净电流，I0

17、为反向暗饱和电流（在没有光照情 况下输出的电流），V是施加在二极管两端的电压，q和k分别 代表电荷的绝对值和玻耳兹曼常数，T则表示绝对温度（单位 为K）。 3232 3333 1e / kTqV 0 II I 正向偏置下电流的方向正向偏置下电流的方向 非理想非理想二极管定律二极管定律 在理想的二极管中，电流与电压的关系为： 1e /n kTqV 0 II 3434 n为理想因子（也叫n因子）。理想因子是描述pn结质量和 电池的复合类型的测量量。对于复合类型那一节所讨论的简 单的复合来说，n的值为1。然而对于其它特别是效应很强的 复合类型来说，n的值应该为2。 4.7 4.7 光照特性光照特性

18、两个条件：两个条件： 1. 被吸收的光可将材料中的电子激发到高能级； 2. 处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路，在外 部电路的电子消耗了能量后回到电池中。 太阳能电池的结构与工作原理 3535 光照下的光照下的pn结结 这种漂移电流就是光生电流光生电流，是由少子运动决定的。 主要过程：主要过程： 1. 吸收入射光电子并产生电子-空穴对； 2.在内电场作用下，电子向N型区漂移，空穴向P型区漂移。 电流方向：N型区流向P型区，与扩散电流方向相反。 3636 / e1 qV kT 0 I L I 光照下理想光照下理想二极管内的电流二极管内的电流- -电压关系电压关系 假设光照下，整个器件上的电

19、子-空穴对的产生率G相同，得到： / 00 1 e x LqV kT ppepe nxnGneGe / 00 1 h x LqV kT nnhnh pxpGpeGe n区x位置空穴浓度： p区x位置电子浓度： 可见，光生电流IL等于二极管耗尽区及其两边一个少数载流子 扩散长度内，全部光生载流子的贡献。 准中性区少子相应电流密度为： /0 1 hh x Lx LqV kThn hh h qD p JxeeqGL e L 0 / 1 ee ep x Lx LqV kT ee e qD p JxeeqGL e L 耗尽区电流密度变化为：| | | eh JJqGW 可得电流-电压关系： L kTqV

20、 0 III1e / , Leh IqAG LWLA为太阳电池的面积 3737 太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线 太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在无光照时的伏安曲 线与光生电流的叠加。 式中IL为光生电流。 光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电 池。用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变 为： 无光照时： 0 L I 短路时： Lsc IIV , 0 L kTqV 0 III1e / 开路时： 0 0,ln1 L oc IkT IV qI 3838 4.8 4.8 太阳能电池的输出参数太阳能电池的输出参数 4.8.1 短路电流短路电流 Isc 4.8.2

21、开路电压开路电压 Voc 4.8.3 填充因子填充因子FF 4.8.4 转换效率转换效率 3939 4.8.1 4.8.1 短路情况短路情况 在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为 载流子参与了光电流的流动。 4040 短路电流短路电流I Isc sc 短路电流短路电流是指电池电压为零电压为零时（电池短路时）流过电池的电 流，通常记作Isc。 对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池，短路电流等于光生电 流，所以短路电流与光生载流子的产生与收集有关。 短路电流是电池能输出的最大电流。 Lsc IIV , 0 4141 影响影响I Isc sc大小的因素 大小的因素 太阳能电池的表面积； 光子的

22、数量（即入射光的强度）； 入射光的光谱； 电池的光学特性（吸收和反射）； 电池的收集概率。 4242 4.8.2 4.8.2 开路情况开路情况 4343 内内 电电 场场 电子电子N区区 产生与内电场产生与内电场 相反的电场相反的电场 空穴空穴P区区 削弱内电场削弱内电场 载流子运动达载流子运动达 到新的平衡到新的平衡 扩散电流增加扩散电流增加 多子数目多子数目 增加增加 开路情况下，电子聚集在N型区， 空穴聚集在P型区。 动态平衡：漂移电流=扩散电流 4343 开路电压开路电压Voc 开路电压是电池能输出的最大电压。 0,1ln 0 I I I q kT V L oc 开路电压开路电压是电流为零为零时（电池开路时）电池的电压，通 常记作Voc。 开路电压的大小相当于光生电流在电池两边加的前置偏压。 VocVoc大小主要取决于大小主要取决于 I IL L和和I I0 0 4444 4.8.3 4.8.3 填充因子（填充因子（FFFF） scoc mpmp IV IV FF 填充因子FF(Fill Factor)是电池的最大输出功率Pm与开路 Voc和Isc的乘积的比值： 式中Vmp与Imp分别为在最大输出功率时的电流与电压。 1 72. 0ln oc ococ v vv FF ）（ 令,