半導(dǎo)體器件第八章 ppt課件

1、第八章第八章 太陽電池和光電二極管太陽電池和光電二極管 8.2 P-N8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng)8.2 P-N8.2 P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng) P-NP-N結(jié)光生伏特效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在結(jié)光生伏特效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在P-NP-N結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)。光結(jié)上產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)涉及到以下三個主要的物理過程：生伏特效應(yīng)涉及到以下三個主要的物理過程：第一、半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子第一、半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生出非平衡的電子空穴對；空穴對；第二、非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運(yùn)動，這種運(yùn)動可以是擴(kuò)散運(yùn)第二、非平衡電子和空

2、穴從產(chǎn)生處向非均勻勢場區(qū)運(yùn)動，這種運(yùn)動可以是擴(kuò)散運(yùn)動，也動，也 可以是漂移運(yùn)動；可以是漂移運(yùn)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(yùn)動而分離。這種非均第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運(yùn)動而分離。這種非均勻勢場勻勢場 可以是結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬可以是結(jié)的空間電荷區(qū)，也可以是金屬半導(dǎo)體的肖特基勢壘或異質(zhì)結(jié)勢半導(dǎo)體的肖特基勢壘或異質(zhì)結(jié)勢壘等。壘等。 8.2 P-N8.2 P-N結(jié)結(jié)的光生伏特效應(yīng)應(yīng) 圖圖8-5 P-N結(jié)能帶圖：（結(jié)能帶圖：（a無光照平衡無光照平衡P-N結(jié)，（結(jié)，（b光照光照P-N結(jié)開路狀態(tài)，結(jié)開路狀態(tài)，（c光照光照P-N結(jié)有串聯(lián)電阻時的狀態(tài)結(jié)

3、有串聯(lián)電阻時的狀態(tài) 。8.3 8.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性8.3 8.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 圖圖8-6 8-6 太陽電池理想等效電路太陽電池理想等效電路 h LI V LR LR DI I 8.3 8.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 首先考慮串聯(lián)電阻首先考慮串聯(lián)電阻 =0 =0 的理想情況。在這種情況下，太陽電池的等效電路如圖的理想情況。在這種情況下，太陽電池的等效電路如圖8-68-6所所示。圖中電流源為短路光電流示。圖中電流源為短路光電流 。 V-I V-I特性可以簡單地由圖特性可以簡單地由圖8-68-6所示的等效電路寫出。所示的等效

4、電路寫出。 式中式中 為為P-N P-N 結(jié)正向電流結(jié)正向電流 為為P-N P-N 結(jié)飽和電流結(jié)飽和電流 P-N P-N 結(jié)的結(jié)電壓即為負(fù)載結(jié)的結(jié)電壓即為負(fù)載R R上的電壓降。上的電壓降。SRLITVVeIIIIILDL1010TVVDeII0I（8-68-6）8.3 8.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 P-N結(jié)上的電壓為結(jié)上的電壓為 在開路情況下，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，得到開路電壓這是太陽電池能提供的最大電壓 ） 在短路情況下在短路情況下V=0），）， 這是太陽電池能提供的最大電流。這是太陽電池能提供的最大電流。太陽電池向負(fù)載提供的功率

5、為太陽電池向負(fù)載提供的功率為 1ln0IIIVVLT01IIlVVLnTOCLII 10TVVLeVIVIIVP（8-98-9）（8-78-7）（8-88-8）（8-108-10）8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮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(shè)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(shè)計中必須考慮這些限制因素。計中必須考慮這些限制因素。 圖圖8-11 在在AM0和和AM1條件下下的太陽光譜及其在條件下下的太陽光譜及其在GaAs和和Si中的能量截中的能量

6、截止點(diǎn)止點(diǎn) 8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 只有大于只有大于 的那部分能量可以被吸收。的那部分能量可以被吸收。可見，可見， 越小越小 越大從而越大從而 越大?？杀晃盏淖畲蠊庾訑?shù)在硅中為：越大?？杀晃盏淖畲蠊庾訑?shù)在硅中為： ,在在GaAs中為：中為：最大功率考慮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)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) 隨著的隨著的 增加而減小。開路電壓增加而減小。開路電壓 乘積會出現(xiàn)一極大值。乘積會出現(xiàn)一極大值。 gEPnLLLLAqGI由由（8-5）gELGLI121710

7、3.7scm1217102.5scmLIgEgCEV0（8-27）LocIV8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 達(dá)到最佳設(shè)計，需要對摻雜濃度和結(jié)深采取折衷。達(dá)到最佳設(shè)計，需要對摻雜濃度和結(jié)深采取折衷。實際的接觸是采用示于圖實際的接觸是采用示于圖8-14中的柵格形式。這種結(jié)構(gòu)能夠有大的曝光面積，而同中的柵格形式。這種結(jié)構(gòu)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(shù)值。時又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值。 圖圖8-14 P8-14 P上擴(kuò)散上擴(kuò)散N N的硅電池的簡單結(jié)構(gòu)的硅電池的簡單結(jié)構(gòu) 8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 表面反射采用抗反射層表

8、面反射采用抗反射層垂直入射時，反射比為垂直入射時，反射比為 ， n1 n1和和n2n2分別為空氣分別為空氣和半導(dǎo)體的折射率和半導(dǎo)體的折射率 理想的抗反射層材料折射率應(yīng)為理想的抗反射層材料折射率應(yīng)為 。聚光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(diǎn)是增加效率。另一個優(yōu)點(diǎn)是增加效率。因此一個電池在因此一個電池在10001000個太陽強(qiáng)度的聚光度下工作產(chǎn)生的輸出功率相當(dāng)于個太陽強(qiáng)度的聚光度下工作產(chǎn)生的輸出功率相當(dāng)于13001300個電池個電池在一個太陽強(qiáng)度下工作的輸出功率。在一個太陽強(qiáng)

9、度下工作的輸出功率。 21nn212212)()(nnnnR01IIlVVLnTOC8.6 8.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 從太陽光譜吸收的角度解從太陽光譜吸收的角度解釋由不同禁帶寬度子電池釋由不同禁帶寬度子電池構(gòu)成的疊層太陽能電池轉(zhuǎn)構(gòu)成的疊層太陽能電池轉(zhuǎn)換效率更高的原因。換效率更高的原因。8-9 8-9 光電二極管光電二極管8-9 8-9 光電二極管光電二極管 光電二極管工作原理：光照反偏光電二極管工作原理：光照反偏PN結(jié)，產(chǎn)生的光結(jié)，產(chǎn)生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場漂移形成反向電流。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(zhuǎn)換成了電信號。反向的光光

10、電二極管把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長有關(guān)。光電二電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長有關(guān)。光電二極管用于探測光信號。極管用于探測光信號。8-9 8-9 光電二極管光電二極管 P-I-N光電二極管光電二極管 N p I h 抗反射涂層 金屬接觸 2SiO LR RV + h h RqV h 漂移空間 空穴擴(kuò)散 電子擴(kuò)散 cE vE FnE FpE 吸收 PW WWP x 0 xe 1 圖圖8-20 P-I-N光電二極管的工作原理，（光電二極管的工作原理，（a光電二極管的剖面圖；光電二極管的剖面圖；(b反向偏置時的能帶圖；（反向偏置時的能帶圖；（c光吸收特性光吸收特性8-9 8-9 光電二極管光電二極管 在長距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用在長距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用 的雙異質(zhì)的雙異質(zhì)結(jié)結(jié)P-I-NP-I-N光電二極管中，光電二極管中，P-InPP-InP的禁帶寬度為的禁帶寬度為1.35eV1.35eV，對波長大于，對波長大于 的光不吸收。的光不吸收。 的禁帶寬度為的禁帶寬度為0.75eV0.75eV對應(yīng)截止時波長對應(yīng)截止時波長 ），在），在 波段波段上表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收。這樣，對于光通信的低損耗波段，光吸收只發(fā)生在上表現(xiàn)出較