第四章_pn結(jié)二極管201309029

1、2022-4-161第四章第四章 pn結(jié)二極管結(jié)二極管201309029 第四周2022-4-1624.1 太陽(yáng)能電池就是大面積p-n結(jié)n太陽(yáng)能電池最基本的要求是半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電子不對(duì)稱(chēng)性。P-n結(jié)正好具有這種性質(zhì)。光照的p-n結(jié)短路時(shí)，外電路有電流通過(guò)。這種光生電流是疊加到普通二極管整流特性上的，第四相限區(qū)即電池工作特性區(qū)。2022-4-1634.2 p-n結(jié)的靜電學(xué) p-n結(jié)是同一塊半導(dǎo)體中p型區(qū)與n型區(qū)交界面及其兩側(cè)很薄的過(guò)渡區(qū)p-n結(jié)是眾多半導(dǎo)體器件的核心部分pn2022-4-164 在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

2、的結(jié)合面上發(fā)生如下物理過(guò)程: 因濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由由雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成自建電場(chǎng) 促使少子漂移 阻止多子擴(kuò)散 1、p-n結(jié)的形成與雜質(zhì)分布結(jié)的形成與雜質(zhì)分布2022-4-1654.2 p-n結(jié)的靜電學(xué)n最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面以及離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱(chēng)為p-n結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。2022-4-166PN空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)Xm 因?yàn)槿鄙佥d流子，空間因?yàn)槿鄙佥d流子，空間電荷區(qū)為高阻區(qū)。電荷區(qū)為高阻區(qū)。2、p-n結(jié)空間電荷區(qū)結(jié)空間電荷區(qū)2022-4-1674.2 p-n結(jié)的靜電學(xué)處于熱平衡

3、的系統(tǒng)只能有一個(gè)費(fèi)米能級(jí)，在遠(yuǎn)離結(jié)的地方孤立的狀態(tài)不受擾動(dòng)。在結(jié)的附近有一過(guò)渡區(qū)。2022-4-1684.2 p-n結(jié)的靜電學(xué)n在過(guò)渡區(qū)，電勢(shì)變化為021qEEEgo4.12022-4-1699EFEcEvn n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體EFEcEvp p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體EFEcEv本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全電離）(DNn DiNnp/2DcBcFNNTkEEln完全電離）(ANp AiNnn/2AvBvFNNTkEEln)2exp(TkENNnpnBgvciTkEEcBFceNn/ )(TkEEvBvFeNp/ )(2BiTkEvcneNNnpg普普適適公公式式2.12 參雜半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置NC、

4、NV導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)密度ND、NA施主和受主濃度2022-4-16104.2 p-n結(jié)的靜電學(xué))ln()ln()ln(DAVCgDCAvgoNNNNkTENNkTNNkTEq2BiTkEvcneNNg4.2)ln(2iDAOnNNqkT4.32022-4-16114.2 p-n結(jié)的靜電學(xué)n有外加電壓Va則過(guò)渡區(qū)兩端的電勢(shì)為n0- Van畫(huà)成用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的載流子濃度圖2022-4-16124.3 結(jié)電容n檢測(cè)p-n結(jié)二極管中耗盡區(qū)的存在和測(cè)量耗盡區(qū)的寬度很容易，外加電壓變化會(huì)類(lèi)似平行板電容器，引起耗盡區(qū)邊緣儲(chǔ)存的電荷變化。耗盡區(qū)電容CWACA面積；介電常數(shù)；W寬度PN結(jié)交界處存在勢(shì)壘區(qū)。結(jié)兩

5、端電壓變化引起積累在此區(qū)域的電荷數(shù)量的改變，從而顯現(xiàn)電容效應(yīng)。2022-4-16134.3 結(jié)電容n當(dāng)所加的正向電壓升高時(shí)，PN結(jié)變窄，空間電荷區(qū)變窄，結(jié)中空間電荷量減少，相當(dāng)于電容放電。同理，當(dāng)正向電壓減小時(shí)，PN結(jié)變寬，空間電荷區(qū)變寬，結(jié)中空間電荷量增加，相當(dāng)于電容充電。加反向電壓升高時(shí)，一方面會(huì)使耗盡區(qū)變寬，也相當(dāng)于對(duì)電容的充電。加反向電壓減少時(shí)，就是P區(qū)的空穴、N區(qū)的電子向耗盡區(qū)流，使耗盡區(qū)變窄，相當(dāng)于放電。2022-4-16144.3 結(jié)電容n如果二極管一邊是重?fù)诫s，則有關(guān)系式2/10)(2aVNqACN是NA和ND中較小者若反向偏置，可以只考慮耗盡區(qū)電容，測(cè)出二極管或太陽(yáng)能電池的電

6、容隨偏壓變化，畫(huà)出1/c2隨偏壓Va的變化曲線(xiàn)，可求出參雜濃度NPN結(jié)電容算法與平板電容相似，只是寬度會(huì)隨電壓變化在PN結(jié)反向偏置時(shí)，少子數(shù)量很少，電容效應(yīng)很少，也就可以不考慮了2022-4-16154.3 結(jié)電容n二極管的PN結(jié)之間是存在電容的，而電容是能夠通過(guò)交流電的。由于結(jié)電容通常很小，當(dāng)加在二極管PN結(jié)之間的交流電頻率較低時(shí)，通過(guò)PN結(jié)的電流由PN結(jié)的特性決定只允許單向電流通過(guò)。但是當(dāng)加在PN結(jié)上的交流電頻率較高時(shí)，交流電就可以通過(guò)PN結(jié)的電容形成通路，PN結(jié)就部分或完全失去單向?qū)щ姷奶匦浴?022-4-16164.4 載流子注入n反映的是耗盡區(qū)邊緣載流子濃度和偏壓之間的關(guān)系。n零偏置

7、即不加電壓時(shí)，n區(qū)邊界DinbNn2p2022-4-16174.4 載流子注入n零偏置即不加電壓時(shí)，P區(qū)邊界AiNn2pan2022-4-16184.4 載流子注入n在耗盡區(qū)，電場(chǎng)強(qiáng)度和濃度梯度都達(dá)到最大，實(shí)際上通過(guò)這個(gè)區(qū)域的電流是漂移電流和擴(kuò)散電流之間的相差量。它們方向相反。以空穴為例：xhhhddqDnqJp-2022-4-16194.4 載流子注入n中等偏置電壓時(shí)，漂移電流和擴(kuò)散電流近似相等；xhhddqDnqp2022-4-16204.4 載流子注入n第三個(gè)近似：只考慮少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多數(shù)載流子濃度有)/(2pa)/(2nbnkTqVAikTqVDiaaeNneNnp在耗盡區(qū)邊緣

8、少數(shù)載流子濃度隨外加電壓增加成指數(shù)增加，由結(jié)兩邊的偏壓來(lái)控制少數(shù)載流子濃度的過(guò)程稱(chēng)為少數(shù)載流子注入2022-4-16214.5 準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散電流n載流子運(yùn)動(dòng)有漂移和擴(kuò)散兩種方式。如果均勻參雜區(qū)是準(zhǔn)中性的。幾乎沒(méi)有電荷，少數(shù)載流子并不很少，那么少數(shù)載流子的流動(dòng)將以擴(kuò)散為主。xeexhhddqDJddqDJnp-2022-4-16224.6 暗特性n擴(kuò)散長(zhǎng)度；hhhDL即空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度等于空穴擴(kuò)散系數(shù)與空穴壽命乘積的平方根2022-4-1623擴(kuò)散長(zhǎng)度；n半導(dǎo)體中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：從雜質(zhì)（例如P型）半導(dǎo)體的一端注入一定量的少數(shù)載流子，使得少數(shù)載流子濃度在空間上出現(xiàn)梯度分布，如下圖所示。這種

9、濃度差別獎(jiǎng)導(dǎo)致載流子從高濃度向低濃度處擴(kuò)散而引起擴(kuò)散電流。n NoImage2022-4-1624n在圖中，P型半導(dǎo)體中熱平衡時(shí)的電子濃度為np，x=0處，由于外界電子注入，其濃度最大，為n(0)，電子濃度n(x)隨x增大而減小，減小的斜率就是濃度梯度。在x=0處的濃度分布斜率切線(xiàn)延長(zhǎng)與水平直線(xiàn)n(x)= np相交，對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)x=Ln，稱(chēng)為電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。 NoImage2022-4-16254.6.2 少數(shù)載流子電流n理想二極管定律) 1()/(0kTqVeII一個(gè)重要的公式飽和電流密度表達(dá)式：)(220DhihAeieNLnqDNLnqDAILe電子擴(kuò)散長(zhǎng)度；Lh空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度2022-4

10、-16264.7 光照特性n光照時(shí)理想的p-n結(jié)電流-電壓特性關(guān)系如下：LkTqVIeII-) 1()/(0光生電流IL等于在二極管耗盡區(qū)及其兩邊一個(gè)少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)，全部光生載流子的貢獻(xiàn)。是太陽(yáng)能電池的有效收集區(qū)。4.432022-4-16274.8 太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)n通常用來(lái)描述太陽(yáng)能電池輸出特性的有三個(gè)參數(shù)：ISCVOCFF2022-4-16284.8 太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)n短路電流ISC，理想情況下等于光生電流IL。n開(kāi)路電壓VOC，及電池?cái)嗦窌r(shí)電壓，這時(shí)電流為0，公式中I=0LkTqVIeII-) 1()/(0解出對(duì)應(yīng)的電壓就是VOC2022-4-16294.8 太陽(yáng)能電池輸出

11、參數(shù)1lnOLOCIIqkTVVOC跟什么參數(shù)有關(guān)系？互相影響如何？2022-4-16304.8 太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)n第四象限工作曲線(xiàn)上任意一點(diǎn)的輸出功率等于對(duì)應(yīng)的電壓和電流的乘積?？傆幸粋€(gè)點(diǎn)使電池功率達(dá)到最大值Pmax。這時(shí)對(duì)應(yīng)的電流和電壓為Vmp; Imp2022-4-16314.8 太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)n填充因子的定義：SCOCmpIVIVFFmp反映了輸出特性曲線(xiàn)的“方形”程度。電池的品質(zhì)。對(duì)于適當(dāng)效率的電池晶體硅在0.70.85間，OPV在0.50.75之間2022-4-16324.8 太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)n填充因子FF與開(kāi)路電壓的關(guān)系n理想情況下填充因子是開(kāi)路電壓的函數(shù)。n如定義)/(

12、ocqkTVOC當(dāng)oc的值大于10時(shí)，有個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式2022-4-16334.8 太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)172. 0lnocococFF能量轉(zhuǎn)換效率inSCOCinmpPFFIVPIVmpPin電池入射光總功率電池入射光總功率2022-4-16344.9 有限電池尺寸對(duì)I0的影響n(yōu)二極管飽和電流Io決定了電池的開(kāi)路電壓Voc,在)(220DhihAeieNLnqDNLnqDAI推導(dǎo)中，隱含假設(shè)結(jié)的兩邊無(wú)限遠(yuǎn)，實(shí)際需要修正，修正時(shí)假定1，表面復(fù)合速度很高，接近無(wú)限大，表面過(guò)剩載流子濃度為零；2，表面復(fù)合速度很低，接近于零，流入表面的少數(shù)載流子電流為零。以此作為邊界條件2022-4-16354.9 有限電池尺寸對(duì)I0的影響n(yōu)修正后的Io)(220NDhihPAeieFNLnqDFNLnqDAI2022-4-16364.9 有限電池尺寸對(duì)I0的影響如果P區(qū)表面復(fù)合速度很高，接近無(wú)限大滿(mǎn)足條件1則ePPLWFcoth如果N區(qū)表面復(fù)合速度很高，接近無(wú)限大滿(mǎn)足條件1則公式類(lèi)似WP為P區(qū)寬度，Le電子擴(kuò)散長(zhǎng)度2022-4-1637