半導體器件物理-第七章課件

第七章太陽電池和光電二極管7.1半導體中的光吸收7.1半導體中的光吸收

假設半導體被一光子能量大于禁帶寬度的光源均勻照射。光子通量為

。 圖7-1從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖 7.1半導體中的光吸收

圖7-4幾種半導體的吸收系數7.1半導體中的光吸收

教學要求作業(yè)：7.1、7.3

7.2P-N結的光生伏特效應7.2P-N結的光生伏特效應

圖7-5P-N結能帶圖：（a）無光照平衡P-N結，（b）光照P-N結開路狀態(tài)，（c）光照P-N結有串聯(lián)電阻時的狀態(tài)。7.2P-N結的光生伏特效應對于在整個器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示

式中為光照電子空穴對的產生率為P-N結面積為光生載流子的體積。由式（7-5）可知短路光電流取決于光照強度和P-N結的性質。

（7-5）7.2P-N結的光生伏特效應小結

概念：光生伏打效應、暗電流

PN結光生伏特效應的基本過程：第一，半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子—空穴對；第二，非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區(qū)運動，這種運動可以是擴散運動，也可以是漂移運動；第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。分離的電子和空穴在半導體中產生了光生電動勢。利用能帶圖分析了光生電動勢的產生：非平衡載流子的產生預示著熱平衡的統(tǒng)一費米能級分開，開路時電子和空穴的準費米能級之差等于光生電動勢。

7.2P-N結的光生伏特效應教學要求掌握概念：光生伏打效應、暗電流分析了PN結光生伏特效應的基本過程利用能帶圖分析光生電動勢的產生解釋短路光電流公式（7-5）的含義暗電流是怎么產生的？能否去除？

7.3太陽電池的I-V特性7.3太陽電池的I-V特性

圖7-6太陽電池理想等效電路7.3太陽電池的I-V特性

P-N結上的電壓為

在開路情況下，I=0，得到開路電壓（這是太陽電池能提供的最大電壓）

在短路情況下（V=0），

這是太陽電池能提供的最大電流。太陽電池向負載提供的功率為（7-9）（7-7）（7-8）（7-10）7.3太陽電池的I-V特性

圖7-7一個典型的太陽電池在一級氣團（AM1）光照下的I-V特性，AM1即太陽在天頂時及測試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能7.3太陽電池的I-V特性

實際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻和分流電阻?？紤]到串聯(lián)電阻和分流電阻作用的特性公式

圖

7-8包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池等效電路7.3太陽電池的I-V特性

教學要求畫出理想太陽電池等效電路圖根據電池等效電路圖寫出了太陽電池的I－V特性方程（7-6）了解太陽電池的I-V特性曲線（圖7.7），根據太陽電池的I－V特性方程解釋該曲線所包含的物理意義。畫出實際太陽電池等效電路圖根據等效電路圖寫出I－V特性方程（7-11）5.作業(yè)：

7.4太陽電池的效率7.4太陽電池的效率

太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率。它是太陽電池的最大輸出電功率與入光功率的百分比：

式中為輸入光功率，為陽電池的最大輸出功率：

對于理想太陽電池根據（7.10）式，時得最大功率條件

（7-12）（7-13）（7-14）7.4太陽電池的效率

小結

太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉換效率。它是太陽電池的最大輸出功率與輸入光功率的百分比：

太陽電池的最大輸出功率引進占空因數這一概念，給出了太陽電池的效率公式

（7-12）（7-18）（7-19）7.4太陽電池的效率

教學要求

了解概念：轉換效率、占空因數導出太陽電池的最大輸出功率公式（7-18）。作業(yè)：7.6、7.10

7.5光產生電流和收集效率7.5光產生電流和收集效率與此類似，描述結的P側電子的擴散方程為

在P-N結處每單位面積電子和空穴電流分量分別為

光子吸收效率定義為

（7-23）（7-21b）（7-22a）（7-22b）7.5光產生電流和收集效率例題：推導出P在上N長P+N電池的N側內光生少數載流子密度和電流的表達式，假設在背面接觸處的表面復合速度為S，入射光是單色的。P+層內的吸收可以忽略不計。解：方程（7-21a）的邊界條件為方程（7-21a）的解為：

7.5光產生電流和收集效率

（7-24）從P+側流到N側的電子電流用同樣方法可以求得。

（7-25）7.5光產生電流和收集效率

圖7-9入射光為和的歸一化少數載流子分布。器件參數為xj=2.8m,W=20mils,=4.2s,=10ns,以及S=100cm/s7.5光產生電流和收集效率根據少子空穴濃度表達式可以看到，在短波（550nm）時，由于吸收系數比較大，大多數光子在接近表面的一個薄層內被吸收而產生電子—空穴對。在較長時（900nm），較小，吸收多發(fā)生在P-N結的N側。所形成的少數載流子分布繪于圖7-9中。收集效率：入射光為單色光且光子數已知，把（7-25）式代入（7-23）式，可以得到在N側每一波長的收集效率。收集效率受到少數載流子擴散長度和吸收系數的影響，擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質梯度建立自建場以改進載流子的收集。就吸收系數的影響來說，大的值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內的強烈收集。小的值使光子能向深處穿透，以致太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要。一般的GaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。

7.5光產生電流和收集效率圖7-10圖7-9中太陽電池的收集效率與波長的對應關系

7.5光產生電流和收集效率小結考慮半導體吸收，電子—空穴對的產生率為產生率是表面深度的函數。定義了光子收集效率：

舉例分析了電子－空穴對的產生率與光子頻率和透入深度的關系：在短波（500nm）時，由于吸收系數比較大大多數光子在接近表面的一個薄層內被吸收而產生電子—空穴對。在較長時長時（900nm），較小，吸收多發(fā)生在PN結的N側（7-20）（7-23）7.5光產生電流和收集效率小結給出了在不同波長上收集效率的理論值（圖7-10）。收集效率與少數載流子擴散長度和吸收系數有關：擴散長度應盡可能地長以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質梯度建立自建場以改進載流子的收集。吸收系數的影響是：大的值導致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內的強烈收集。小的值使光子能向深處穿透，以至太陽電池的基底在載流子的收集當中更為重要。一般地GaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。以上分析為太陽電池的設計提供了重要參考。7.6提高太陽電池效率的考慮7.6提高太陽電池效率的考慮

在實際的太陽電池中，多種因素限制著器件的性能，因而在太陽電池的設計中必須考慮這些限制因素。圖7-11在AM0和AM1條件下下的太陽光譜及其在GaAs和中Si的能量截止點

7.6提高太陽電池效率的考慮

只有大于的那部分能量可以被吸收?？梢?，越小越大從而越大?？杀晃盏淖畲蠊庾訑翟诠柚袨椋?在GaAs中為：最大功率考慮太陽電池的最大輸出功率由開路電壓和短路電流所決定。由光譜考慮，發(fā)現(xiàn)隨著的增加而減小。開路電壓

乘積會出現(xiàn)一極大值。

由（7-5）（7-27）7.6提高太陽電池效率的考慮

圖7-12最大轉換效率的理論值與禁帶能量之間的對應關系

7.6提高太陽電池效率的考慮

串聯(lián)電阻考慮

圖7-13串聯(lián)電阻和分流電阻對I-V曲線的影響7.6提高太陽電池效率的考慮

達到最佳設計，需要對摻雜濃度和結深采取折衷。實際的接觸是采用示于圖7-14中的柵格形式。這種結構能夠有大的曝光面積，而同時又使串聯(lián)電阻保持合理的數值。

圖7-14P上擴散N的硅電池的簡單結構7.6提高太陽電池效率的考慮

表面反射采用抗反射層理想的抗反射層材料折射率應為。聚光聚光是用聚光器面積代替許多太陽能電池的面積，從而降低太陽能電池造價。它的另一個優(yōu)點是增加效率。因此一個電池在1000個太陽強度的聚光度下工作產生的輸出功率相當于1300個電池在一個太陽強度下工作的輸出功率。

閱讀：第7.7、7.8節(jié)7-9光電二極管

光電二極管工作原理：光照反偏PN結，產生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。光電二極管把光信號轉換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強度和波長有關。光電二極管用于探測光信號。

7-9光電二極管

P-I-N光電二極管圖7-20P-I-N光電二極管的工作原理，（a）光電二極管的剖面圖；(b）反向偏置時的能帶圖；（c）光吸收特性7-9光電二極管在長距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用的雙異質結P-I-N光電二極管中，P-InP的禁帶寬度為1.35eV，對波長大于的光不吸收。的禁帶寬度為0.75eV（對應截止時波長），在波段上表現(xiàn)出較強的吸收。這樣，對于光通信的低損耗波段，光吸收只發(fā)生在I層，完全消了擴散電流的影響，幾微米厚的I層，就可就可以獲得很高的響應度。具有良好的頻率響應。閱讀：7.9.2、7.9.37-9光電二極管小結光電二極管的工作原理：光電二極管和太陽電池一樣，都是利用光生伏特效應工作的器件。與太陽電池不同之處在于，光電二極管工作時要加上反向偏壓。光電二極管接受光照之后，產生與入射光強度成正比的光生電流，所以能把光信號變成電信號達到探測光信號的目的。介紹了P-I-N光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。I層也叫耗盡層起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下，I層完全變成耗盡層，其中產生的電子—空穴對立刻被電場分離而形成光電流。

7-9光電二極管教學要求了解光電二極管的工作原理。了解P-I-N光電二極管的工作原理的基本結構、能帶圖和工作原理。P-I-N光電二極管中。I層的作用是什么？

光電二極管中有哪兩種電流？它們的形成機制和特點是什么？

的雙異質結光電二極管中為什么不出現(xiàn)擴散電流？

7.10光電二極管的特性參數7.10光電二極管的特性參數量子效率和響應度1.量子效率

即單位入射光子所產生的電子空穴對數。產生明顯光電流的波長是有限制的：長波限由禁帶寬度決定。光響應也有短波極限。圖7-25示出了一些高速光電二極管量子效率和波長關系的典型曲線。可以看到，在紫外和可見光區(qū)，金屬半導體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外區(qū)，硅光電二極管（有抗反射涂層）在到附近，量子效率可達100%；在到的區(qū)域，鍺光電二極管和IIIV族光電二極管（如CaLnAS）有很高的量子效率。對于更長的波長，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進行冷卻（例如用液氮冷卻到77K）。（7-29）（7-30）7.10光電二極管的特性參數圖7-25不同光電二極管量子效率和波長的關系

7.10光電二極管的特性參數

響應度表征光電二極管的轉換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應度要求有厚的I層

（7-31）7.10光電二極管的特性參數響應速度（帶寬）定義為當交流光電流下降到低頻的時的調制頻率。它也稱為3dB頻率或3dB帶寬。響應速度（帶寬）主要受下列三個因素的控制：（1）載流子的擴散。在耗盡層外邊產生的載流子必須擴散到P-N結，這將引起可觀的時間延遲。為了將擴散效應減到最小，P-N結盡可能接近表面。（2）在耗盡層內的漂移時間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時間要求耗盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會使器件吸收光子減小而影響響應度。

7.10光電二極管的特性參數（3）耗盡層電容。耗盡層太窄，會使耗盡層電容過大，從而使時間常數RC過大（這里R是負載電阻），因此耗盡層寬度要有一個最佳選擇：

它是當交流光電流下降到低頻的時的調制頻率。是耗盡層寬度，是飽和漂移速度，為耗盡層渡越時間。

（7-32）式中稱為3dB頻率或3dB帶寬。由下式確定（7-33）7.10光電二極管的特性參數噪聲特性噪聲是信號上附加的無規(guī)則起伏。它可使信號變得模糊甚至被淹沒。散粒噪聲：是由一個個入射光子產生的不均勻的或雜亂的電子空穴對引起的。也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數無規(guī)則起伏引起的。分析表明，探測器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算。式中為電流強度，為測量的頻率范圍即帶寬。（7-35）7.10光電二極管的特性參數熱噪聲：來自電阻值為R的電阻體發(fā)出的電磁輻射部分，由載流子無規(guī)則散射引起。熱噪聲的電流（均方值）為

接有輸入電阻為R的放大器時的總噪聲電流（均方值）為

－入射光在光吸收層中產生的光電流，即信號電流。－暗電流。－放大器的噪聲系數和絕對溫度之積，稱為有效溫度。（7-36）（7-37）7.10光電二極管的特性參數其它的幾個概念信噪比

光電二極管的信噪比為其中為光電二極管的信號電流（令）為在負載R兩端產生的信號功率在忽略暗電流和熱噪聲的情況下，光電二極管的信噪比為

（7-40）（7-39）（7-38）（7-41）7.10光電二極管的特性參數噪聲等效功率（NEP）

NEP定義為產生與探測器噪聲輸出大小相等的信號所需要的入射光功率