半导体器件物理学习指导：第七章 太阳电池和光电二极管

1、第七章第七章 太阳电池和光电二极管太阳电池和光电二极管 一一 名词名词 术语术语 概念概念 问问 题题 n光生伏特效应：光生伏特效应就是半导体吸收光能后利用 各种势垒产生光生电动势的效应，这些势垒可以是PN结、 MS结、异质结等。 nPN结光生伏特效应涉及到的物理过程：PN结光生伏特效 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。结果在P区边 界将积累非平衡空穴，在N区边界将积累非平衡电子，产 生

2、一个与平衡PN结内建电场方向相反的光生电场。于是， 在P区和N区之间建立了光生电动势。 n太阳电池的效率:太阳电池的最大输出的电功率与 吸收的光功率之比。 n用能带图分析PN结光生伏特效应的物理过程。 n答： 图7-5a是平衡P-N结能带图。在光子能量大于禁带宽 度的光的照射下，在半导体中就会产生电子空穴 对。在P-N结的空间电荷区的作用下，在P区边界 将积累非平衡空穴，在N区边界将积累非平衡电子， 产生一个与平衡P-N结内建电场方向相反的光生电 场。于是，在P区和N区之间建立了光生电动势。 积累的光生载流子部分地补偿了平衡P-N结的空间电 荷，引起P-N结势垒高度的降低，如图7.5b所示。

3、如果P-N结处于开路状态，光生载流子只能积累于 P-N结两侧产生光生电动势。这时在P-N结两端测 得的电位差叫开路电压，用 表示。从能带图上 看，P-N结势垒由 降低到 。可以看出， 势垒降低的部分正好是P区和N区费米能级分开的 距离。 如果把P-N结从外部短路，则P-N结附近的光生载流 子将通过这个途径流通。这时流过太阳电池的电 流叫短路光电流，用 表示。其方向从P-N结内 部看是从N区指向P区的。由于这时非平衡载流子 不再积累在P-N结两侧，光生电动势为零。 c V0 0 q c Vq 00 L I 一般情况下，P-N结材料和引线总有一定电阻 ， 这时光生载流子只有一部分积累于P-N结上，

4、使势 垒降低 ， 是电流流过 时,在 上产生的电 压降。如图7.5c所示。这时P区和N区费米能级分 开的距离仍然代表P-N结势垒降低的程度，如果加 上负载就会有光电流通过。 S R qV V S RS R （a） 0 q c E F E V E )( 0 Vocq c E oc qV F E V E （b） （c ) Vq 0 c E F E V E qV 图7-5 P-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。 n画出太阳电池的等效电路图，根据等效电路 写出I-V特性 图7-6 太阳电池理想等 效电路 h L R L I D

5、 I I L RV 式中 为P-N结正向电流，称为太阳电池 的暗电流。 为P-N结饱和电流。 画出考虑串联电阻的太阳电池的等效电路图，根据 等效电路写出V-I特性. 解：实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。 串联电阻是接触电阻和薄层电阻的总和，它使电 流电压特性发生改变，分流电阻是P-N结泄漏电 流引起的。考虑到串联电阻 和分流电阻 的作 用，太阳电池的等效电路图如图所示。 T V V eIIIII LDL 1 0 （7-6） 1 0 T VV D eII 0 I S R Sh R 根据图可以写出考虑到串联电阻作用的V-I特性公式 ()/ 01 sT VIRV L sh VIR IIIe

6、I （7-11） V 图7-8 包括串联电阻和分 流电阻的太阳电池等效电路 c I L I D I sh I Sh R S R I L R n画出P-I-N光电二极管的结构示意图和能带图，说 明其工作原理。 解：在P层和N层之间夹入一层本征（或低掺杂）的I 层材料。这种结构的光电二极管称为P-I-N光电二 极管。图7-20示出P-I-N光电二极管的基本结构以 及反偏压下的能带图。 半导体吸收光之后产生电子空穴对。产生在耗尽 层和耗尽层外，在载流子扩散区内的电子空穴 对会进入空间电荷区被电场（外加反向偏压引起 的电场和P-N结自建电场）分开，它们漂移通过耗 尽层，在外电路产生电流。P层和N层中间

7、的 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。在 I 层之外产生的电子空穴对以扩散方式向耗尽层边 缘扩散然后被耗尽层收集。它们形成扩散电流。I 层的厚度可以很薄，目的是用以获得最佳的量子效 率和频率响应。 抗反射涂层 金属接触 + h 2 SiO p N I L R R V 漂移空间 空穴扩散 电子扩散 吸 收 h h h Fp E R qV v E c E Fn Ex e 0 P W 1 WWPx 图7-20 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

8、收特性 n说明P-I-N光电二极管的I层的作用 n答：答：P-I-N光电二极管P层和N层中间的I层也叫耗尽层起到 增耗尽层宽度的作用。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。I层的厚度可以很薄，目的是用以获得最佳的量子 效率和频率响应。 n试述结光电二极管和太阳电池的共同点和三个主要差别。 n答：共同点是二者都是利用光生伏特效应把光能转换成电 能的器件。不同点：1.用途不同。PN结光电二极管主要用 来探测光信号而太阳电池是用来把太阳能转换成电能。2. PN结光电二极管工作时要加反偏压，太阳电池不需加偏压。 3.由于一个光电二极管用于探测某一确

9、定频率的光，因此制 造该光电二极管的材料的禁带宽度要与该光的频率相应， 即等于该光的光子能量。太阳电池则无此限制。此外，光 电二极管有响应速度（带宽）的限制太阳电池也没有。 二重要推导 n导出太阳电池的最大输出功率 解：太阳电池的最大输出功率： ， 分别为太阳电池输出最大功率时所对应的电压和电流。 对于理想太阳电池根据，太阳电池向负载提供的功率 为 时，得最大功率条件 或者 m P mPmPm IVP mPmP IV和 1 0 T VV L eVIVIIVP （7-10） 0dVdp 0 11 I I e V V LV V T mP T mP （1） Tmp L TmP VV II VV 1

10、1 ln 0 （2） 将开路电压 代入（2）式，得 当 时，对应的电流为 从（1）式中解出 ： 代入 中，求得 0 1 I I lVV L nTOC （7-7） T mP TocmP V V VVV1ln（3） mP VV mP I L I 00 1Ie V V II T mP V V T mP L T V V eIIIII LDL 1 0 （7-6） 于是 由（1）式， T mP T mP V V Lmp V V eI V V eIII T mP 00 1 （4） mP V V T mP mPmPm Ve V V IIVP T mP 0 TmP L VV II e T V mP V 1 1

11、0 得： LTmP LmP mPmPm I I VV IV IVP 0 2 1 （5） 三 重要图表： 图7.6、7.7、7.20 四 重要习题 n7-4假设 二极管受到一个光源的均匀照射， 所引起的电子-空穴产生速率为 ，解二极管的 扩散方程以证明： P N L G p plLx p p l VV nn D LG e D L GePP p T 2 / 2 / 0 ) 1( p x n x x x 0 0 PN解： 1exp 0 T p V V II V加到pn结上， 0:x 0 0 2 2 L p nnn p G pp dx pd D 其中， 代入到（*）式中，得 2 22 () nnoLp

12、nnoLp p dppGppG dxL 或 2 ppp LD 012 exp()exp() nnLp pp xx ppKKG LL （ ） 边界条件 ： pLn T non Gpx V V ppx , exp, 0 0 ) 1(exp 2 1 K G V V pK pL T no p pL pp p L T nnonn D LG L x D L G V V Pppp 2 2 0 )exp() 1(exp n7-5 利用习题7-4的结果推导 解：N区注入电子： 电流分布为： () LLnp IqGLLA n nL nn n L T pppp D LG L x D L G V V nnnn 2 2

13、 00 )exp() 1(exp 0(exp 1)exp() pLnLn Tn Vx nGG VL )exp() 1(exp)( 0 p pL T n p p n pp L x G V V P L qAD dx dp qADxI 0 ( )(exp1)exp() p n nnpLn nTn dn qADVx IxqADnG dxLVL 总电流为： )() 1)(exp()0()0( 0 pnL Tn pn p nop np LLqAG V V L nD L pD qAIII 0(exp 1) L T V III V ，)( 0 0 n pn p nop L nD L pD qAI () LLn

14、p IqGLLA n7-7 (a)证明对于一 电池，式（7-6）中的 电流 可用下式表示： 式中S是在欧姆接触处的表面复合速度，W 为P区宽 度，其他符号表示少数载流子的相应参数。 (b) 证明： N P 0 I 0 0 coshsinh coshsinh pp n pn nnn pp nn nnn WW D S qAn D LLL I WW DL S LLL p 0 0 0 tanh) cothS) pnp n nnn pnp n nnn qAn DW D S LLL I qAn DW D LLL ，当（时 ，当（时 )/DS/DS( nnnn LL，下式为注上式为 n证明：a) 0 )(

15、0 2 0 2 n pppp n nn x nn D ) 1 ()exp()exp( 210 nn ppp L x K L x Knnn nnn DL 2 其中 ）式中，得代入（ 时， 时， 边界条件为1 )( exp0 0 dx dn DnnSWx V V nnx p npopp T pp ) 1(exp )sinh(2 exp)( ) 1(exp )sinh(2 exp)( 02 01 T p n p n n n p n p n n T p n p n n n p n p n n V V n L W ch L D L W S L W L D S K V V n L W ch L D L W S L W L D S K )cosh()sinh( )cosh()sinh( ) 1(exp 00 n p n n n p n p n n n p T pppp L W L D L W S L xW L D L xW S V V nnnn ) 1(exp sinhcosh sinhcosh )0( 0 0 T P p p p n n p p n