第七章 太陽電池和光電二極管

1、第七章第七章 太陽電池和光電二極太陽電池和光電二極管管 7.1 7.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收7.1 7.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 假設(shè)半導(dǎo)體被一光子能量假設(shè)半導(dǎo)體被一光子能量 大于禁帶寬度的光源大于禁帶寬度的光源均勻均勻照射。光子通量為照射。光子通量為 。 圖圖7-1 7-1 從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖從紫外區(qū)到紅外區(qū)的電磁波譜圖 h07.1 7.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 當(dāng)光子在半導(dǎo)體中傳播時(shí)，在距表面當(dāng)光子在半導(dǎo)體中傳播時(shí)，在距表面x x處單位時(shí)間、單位距離上被吸收的光子數(shù)應(yīng)當(dāng)正比處單位時(shí)間、單位距離上被吸收的光子數(shù)應(yīng)當(dāng)正比于該處的光子通量于該處的光子

2、通量即即 在在 時(shí)，時(shí)， 。方程（。方程（7-17-1）的解為）的解為 在半導(dǎo)體的另一端（圖在半導(dǎo)體的另一端（圖7-37-3b b） 處，光子通量為處，光子通量為 式中比例系數(shù)式中比例系數(shù) 叫做吸收系數(shù)它是叫做吸收系數(shù)它是 的函數(shù)。光吸收在截止波長(zhǎng)的函數(shù)。光吸收在截止波長(zhǎng) 處急劇下降。處急劇下降。 x xdxxd（7-7-2 2）0 x 0 x xex0（7-7-3 3）Wx weW0hcmeVEgc24. 1（7-47-4）7.1 7.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 圖圖7-4 7-4 幾種半導(dǎo)體的吸收系數(shù)幾種半導(dǎo)體的吸收系數(shù)7.1 7.1 半導(dǎo)體中的光吸收半導(dǎo)體中的光吸收 教學(xué)要求教

3、學(xué)要求v 作業(yè)：作業(yè)：7.17.1、7.37.3 7.2 7.2 P-NP-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng)7.2 7.2 P-NP-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)光生伏打效應(yīng)就是半導(dǎo)體吸收光能后在結(jié)光生伏打效應(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(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光生伏打效應(yīng)涉及到以下三個(gè)主要的物理過程：生伏打效應(yīng)涉及到以下三個(gè)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(duì)；空穴對(duì)；第二、非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也第二、非平衡電子和空

4、穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，也 可以是漂移運(yùn)動(dòng)；可以是漂移運(yùn)動(dòng)；第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。這種非均勻勢(shì)場(chǎng)第三、非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。這種非均勻勢(shì)場(chǎng) 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(shì)壘或異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘等。半導(dǎo)體的肖特基勢(shì)壘或異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘等。 7.2 7.2 P-NP-N結(jié)結(jié)的光生伏特效應(yīng)應(yīng) 圖圖 7-5 7-5 P-NP-N結(jié)能帶圖：（結(jié)能帶圖：（a a）無光照平衡無光照平衡P-N結(jié)，（結(jié)，（b b）光照光照P-N結(jié)開路狀態(tài)，結(jié)開路狀態(tài)，（c c）光照光照

5、P-NP-N結(jié)有串聯(lián)電阻時(shí)的狀態(tài)結(jié)有串聯(lián)電阻時(shí)的狀態(tài) 。7.2 7.2 P-NP-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng) 對(duì)于在整個(gè)器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示對(duì)于在整個(gè)器件中均勻吸收的情形，短路光電流可以用下式表示 式中式中 為光照電子為光照電子 空穴對(duì)的產(chǎn)生率空穴對(duì)的產(chǎn)生率 為為P-N結(jié)面積結(jié)面積 為光生載流子的體積。為光生載流子的體積。 由式（由式（7-57-5）可知短路光電流取決于光照強(qiáng)度和）可知短路光電流取決于光照強(qiáng)度和P-NP-N結(jié)的性質(zhì)。結(jié)的性質(zhì)。 PnLLLLqAGI（7-7-5 5）LGA)(pnLLA7.2 7.2 P-NP-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng)

6、 小結(jié)小結(jié) 概念：光生伏打效應(yīng)、暗電流概念：光生伏打效應(yīng)、暗電流 PNPN結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過程：結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過程： 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(duì)；空穴對(duì)； 第二，非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，第二，非平衡電子和空穴從產(chǎn)生處向非均勻勢(shì)場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)， 也可以是漂移運(yùn)動(dòng)；也可以是漂移運(yùn)動(dòng)； 第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。分離的電子第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢(shì)場(chǎng)作用下向相反方向運(yùn)動(dòng)而分離。分離的電子 和空穴在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。和

7、空穴在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。 利用能帶圖分析了光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生：非平衡載流子的產(chǎn)生預(yù)示著熱平衡的統(tǒng)一費(fèi)米利用能帶圖分析了光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生：非平衡載流子的產(chǎn)生預(yù)示著熱平衡的統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)分開，開路時(shí)電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差等于光生電動(dòng)勢(shì)。能級(jí)分開，開路時(shí)電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)之差等于光生電動(dòng)勢(shì)。 7.2 7.2 P-NP-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng) 小結(jié)小結(jié) 在半導(dǎo)體均勻吸收的情況下，短路光電流為在半導(dǎo)體均勻吸收的情況下，短路光電流為 （7-57-5） 串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻上的電壓降加在串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻上的電壓降加在PNPN結(jié)上，對(duì)結(jié)上，對(duì)PNPN結(jié)來說這是一個(gè)正偏壓結(jié)來說這是一個(gè)正

8、偏壓, ,它它 使使PNPN結(jié)產(chǎn)生正向電流結(jié)產(chǎn)生正向電流 這個(gè)電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是太陽電池中的不利因素。這個(gè)電流的方向與光生電流的方向正好相反，稱為暗電流，是太陽電池中的不利因素。PnLLLLqAGI10TVVDeII7.2 7.2 P-NP-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)結(jié)的光生伏特效應(yīng) 教學(xué)要求教學(xué)要求 掌握概念：光生伏打效應(yīng)、暗電流掌握概念：光生伏打效應(yīng)、暗電流 分析了分析了PNPN結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過程結(jié)光生伏特效應(yīng)的基本過程 利用能帶圖分析光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生利用能帶圖分析光生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 解釋短路光電流公式（解釋短路光電流公式（7-57-5）的含義）的含義 暗電流是

9、怎么產(chǎn)生的？能否去除？暗電流是怎么產(chǎn)生的？能否去除？ 7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 圖圖7-6 7-6 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 7.3 7.3 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7-67-6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(jiǎn)單地由圖特性可以簡(jiǎn)單地由圖7-67-

10、6所示的等效電路寫出。所示的等效電路寫出。 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（7-67-6）7.3 7.3 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

11、供的最大電流。太陽電池向負(fù)載提供的功率為太陽電池向負(fù)載提供的功率為 1ln0IIIVVLT01IIlVVLnTOCLII 10TVVLeVIVIIVP（7-97-9）（7-77-7）（7-87-8）（7-107-10）7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 圖圖7-7 7-7 一個(gè)典型的太陽電池在一級(jí)氣團(tuán)（一個(gè)典型的太陽電池在一級(jí)氣團(tuán)（AM1AM1）光照下的光照下的I-V特性，特性，AM1AM1即即 太陽在天頂時(shí)及測(cè)試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能太陽在天頂時(shí)及測(cè)試器件在晴朗天空下海平面上的太陽能7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 實(shí)際的太陽電池存在著

12、串聯(lián)電阻和分流電阻。考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻作用的特性實(shí)際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻和分流電阻。考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻作用的特性公式公式 圖圖 7-8 7-8 包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池等效電路包括串聯(lián)電阻和分流電阻的太陽電池等效電路01STVIRVSLShVIRIIIeR7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 結(jié)論結(jié)論 根據(jù)等效電路寫出了太陽電池的根據(jù)等效電路寫出了太陽電池的I IV V特性方程。特性方程。 給出了一個(gè)典型太陽電池的給出了一個(gè)典型太陽電池的I-VI-V特性曲線（圖特性曲線（圖7.77.7），根據(jù)太陽電池的），根據(jù)太陽電池的I IV V特性方程解特性方程

13、解釋了該曲線所包含的物理意義。釋了該曲線所包含的物理意義。 實(shí)際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻實(shí)際的太陽電池存在著串聯(lián)電阻 和分流電阻和分流電阻 ?？紤]到串聯(lián)電阻和分流電阻作用。考慮到串聯(lián)電阻和分流電阻作用的的V-I特性公式為特性公式為 理想太陽電池向負(fù)載提供的功率為理想太陽電池向負(fù)載提供的功率為 TVVeIIIIILDL1001STVIRVSLShVIRIIIeR10TVVLeVIVIIVPSRShR（7-67-6）（7-117-11）（7-107-10）7.3 7.3 太陽電池的太陽電池的I-VI-V特性特性 教學(xué)要求教學(xué)要求 畫出理想太陽電池等效電路圖畫出理想太陽電池等效電路圖 根據(jù)電池等效電

14、路圖寫出了太陽電池的根據(jù)電池等效電路圖寫出了太陽電池的I IV V特性方程（特性方程（7-67-6） 了解太陽電池的了解太陽電池的I-VI-V特性曲線（圖特性曲線（圖7.77.7），根據(jù)太陽電池的），根據(jù)太陽電池的I IV V特性方程解釋該曲線所特性方程解釋該曲線所 包含的物理意義。包含的物理意義。 畫出實(shí)際太陽電池等效電路圖根據(jù)等效電路圖寫出畫出實(shí)際太陽電池等效電路圖根據(jù)等效電路圖寫出I IV V特性方程（特性方程（7-117-11）v 5.5.作業(yè)：作業(yè)： 7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率。

15、它是太陽電池的最大輸出電功率與太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉(zhuǎn)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：入光功率的百分比： 式中式中 為輸入光功率，為陽電池的最大輸出功率：為輸入光功率，為陽電池的最大輸出功率： 對(duì)于理想太陽電池根據(jù)（對(duì)于理想太陽電池根據(jù)（7.107.10）式，時(shí)得最大功率條件）式，時(shí)得最大功率條件 %100inmPPmPmPmIVP 011IIeVVLVVTmPTmP（7-127-12）（7-137-13）（7-147-14）inP7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 從式（從式（7.147.14）中解出，再將其代入式（）中解出，再將其代入式（7-6

16、7-6）得）得 于是太陽電池最大輸出功率于是太陽電池最大輸出功率 引進(jìn)占空因數(shù)這一概念，太陽電池的效率可寫作引進(jìn)占空因數(shù)這一概念，太陽電池的效率可寫作 （7-17-17 7）（7-17-18 8）（7-17-19 9）TmPTmPVVLmpVVeIVVeIIITmP001LTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inLocPIFFV7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 小結(jié)小結(jié) 太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率。它是太陽電池的最大輸出太陽電池的效率指的是太陽電池的功率轉(zhuǎn)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：功率與輸入光功率的百分比： 太陽電池的

17、最大輸出功率太陽電池的最大輸出功率 引進(jìn)占空因數(shù)這一概念，給出了太陽電池的效率公式引進(jìn)占空因數(shù)這一概念，給出了太陽電池的效率公式 （7-127-12）（7-187-18）（7-197-19）%100inmPPLTmPLmPmPmPmIIVVIVIVP021%100inLocPIFFVinP7.4 7.4 太陽電池的效率太陽電池的效率 教學(xué)要求教學(xué)要求 了解概念：轉(zhuǎn)換效率、占空因數(shù)了解概念：轉(zhuǎn)換效率、占空因數(shù) 導(dǎo)出太陽電池的最大輸出功率公式（導(dǎo)出太陽電池的最大輸出功率公式（7-187-18）。）。v 作業(yè)：作業(yè)：7.67.6、7.10 7.10 7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收

18、集效率7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 考慮通量考慮通量 為的光子入射到為的光子入射到“P在在N上上”的結(jié)構(gòu)的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于的結(jié)構(gòu)的表面。忽略表面反射，則吸收率正比于光通量：光通量：假設(shè)吸收每個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子假設(shè)吸收每個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，則電子空穴對(duì)，則電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率為空穴對(duì)的產(chǎn)生率為 （7-207-20） 產(chǎn)生率是表面深度的函數(shù)。穩(wěn)定條件下產(chǎn)生率是表面深度的函數(shù)。穩(wěn)定條件下PN結(jié)結(jié)N側(cè)的空穴擴(kuò)散方程為側(cè)的空穴擴(kuò)散方程為 xdxxd0 xexLeG00022 xpnonnpePPdxPdD（7-217-21a a）7.5 7.5 光產(chǎn)生電

19、流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 與此類似，描述結(jié)的與此類似，描述結(jié)的P側(cè)電子的擴(kuò)散方程為側(cè)電子的擴(kuò)散方程為 在在P-N結(jié)處每單位面積電子和空穴電流分量分別為結(jié)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光子吸收效率定義為 （7-237-23）00022 xnpppnenndxndD（7-217-21b b）jxxnppdxdPqDJjxxnnpdxdPqDJ（7-227-22a a）（7-227-22b b）0qJJnpcol7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 例題：例題： 推導(dǎo)出推導(dǎo)出P P在上在上N N長(zhǎng)長(zhǎng)P P+ +N N電池的電池的N N側(cè)內(nèi)光生少數(shù)

20、載流子密度和電流的表達(dá)式，側(cè)內(nèi)光生少數(shù)載流子密度和電流的表達(dá)式，假設(shè)在背面接觸處的表面復(fù)合速度為假設(shè)在背面接觸處的表面復(fù)合速度為S S，入射光是單色的。入射光是單色的。 P P+ +層內(nèi)的吸收可層內(nèi)的吸收可以忽略不計(jì)。以忽略不計(jì)。解：解： 方程（方程（7-217-21a a）的邊界條件為的邊界條件為 方程（方程（7-217-21a a）的解為：的解為： 000nnP,PxWx ,nnnopx WdPS PPDdx 7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 ppnppWppppxpppnonLxLWLDLWSeSDLWLDLWSeLxLPPsinhcoshsinhsinhcosh

21、cosh1220pppppWppppppppLLWLDLWSesDLWLDLWSLLqJcoshsinhsinhcosh1220（7-27-24 4）從從P P+ +側(cè)流到側(cè)流到N N側(cè)的電子電流用同樣方法可以求得。側(cè)的電子電流用同樣方法可以求得。 （7-257-25）7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 p圖圖7-9 7-9 入射光為入射光為 和和 的歸一化少數(shù)載流子分布。器件參數(shù)為的歸一化少數(shù)載流子分布。器件參數(shù)為 xj=2.8=2.8 m,W=20mils, =4.2m,W=20mils, =4.2 s, =10ns,s, =10ns,以及以及 S =100cm/s=

22、100cm/sm55. 00.90 mn7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率 根據(jù)少子空穴濃度表達(dá)式可以看到，在短波（根據(jù)少子空穴濃度表達(dá)式可以看到，在短波（550nm）時(shí)，由于吸收系數(shù)比較大，大多數(shù)時(shí)，由于吸收系數(shù)比較大，大多數(shù)光子在接近表面的一個(gè)薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子光子在接近表面的一個(gè)薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在較長(zhǎng)時(shí)（空穴對(duì)。在較長(zhǎng)時(shí)（900nm），）， 較小，較小，吸收多發(fā)生在吸收多發(fā)生在P-N結(jié)的結(jié)的N側(cè)。所形成的少數(shù)載流子分布繪于圖側(cè)。所形成的少數(shù)載流子分布繪于圖7-97-9中。中。收集效率：收集效率： 入射光為單色光且光子數(shù)已知，把（入射光為單色光且光子

23、數(shù)已知，把（7-257-25）式代入（）式代入（7-237-23）式，可以得到在）式，可以得到在N側(cè)每一側(cè)每一波長(zhǎng)的收集效率。波長(zhǎng)的收集效率。收集效率受到少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)的影響，擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地長(zhǎng)以收集所收集效率受到少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)的影響，擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地長(zhǎng)以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質(zhì)梯度建立自建場(chǎng)以改進(jìn)載流子的收集。就有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質(zhì)梯度建立自建場(chǎng)以改進(jìn)載流子的收集。就吸收系數(shù)的影響來說，大的吸收系數(shù)的影響來說，大的 值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈收集。小

24、的收集。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(dāng)中更為重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(dāng)中更為重要。一般的要。一般的GaAsGaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。 7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)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(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 col ( m) 100 80 60 40 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 20 總的收集 N 型層收集 P 型層收集 7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率小結(jié)小結(jié) 考慮半導(dǎo)體吸收，電子考慮半導(dǎo)體

25、吸收，電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率為空穴對(duì)的產(chǎn)生率為 產(chǎn)生率是表面深度的函數(shù)。產(chǎn)生率是表面深度的函數(shù)。 定義了光子收集效率：定義了光子收集效率： 舉例分析了電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率與光子頻率和透入深度的關(guān)系：舉例分析了電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率與光子頻率和透入深度的關(guān)系： 在短波（在短波（500nm）時(shí)，由于吸收系數(shù)比較大大多數(shù)光子在接近表面的一個(gè)薄層內(nèi)被吸時(shí)，由于吸收系數(shù)比較大大多數(shù)光子在接近表面的一個(gè)薄層內(nèi)被吸收而產(chǎn)生電子收而產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在較長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)時(shí)（空穴對(duì)。在較長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)時(shí)（900nm），）， 較小，吸收多發(fā)生在較小，吸收多發(fā)生在PN結(jié)的結(jié)的N側(cè)側(cè)xLeG00qJJnpcol（7-207-20）（7-237-2

26、3）7.5 7.5 光產(chǎn)生電流和收集效率光產(chǎn)生電流和收集效率小結(jié)小結(jié) 給出了在不同波長(zhǎng)上收集效率的理論值（圖給出了在不同波長(zhǎng)上收集效率的理論值（圖7-10）。）。 收集效率與少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)有關(guān)：收集效率與少數(shù)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和吸收系數(shù)有關(guān)： 擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地長(zhǎng)以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質(zhì)梯度建擴(kuò)散長(zhǎng)度應(yīng)盡可能地長(zhǎng)以收集所有光生載流子。在有些太陽電池中，通過雜質(zhì)梯度建立自建場(chǎng)以改進(jìn)載流子的收集。立自建場(chǎng)以改進(jìn)載流子的收集。 吸收系數(shù)的影響是：大的吸收系數(shù)的影響是：大的 值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的強(qiáng)烈收值導(dǎo)致接近表面處的大量吸收，造成在表面層內(nèi)的

27、強(qiáng)烈收集。小的集。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(dāng)中更為重要。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(dāng)中更為重要。一般地一般地GaAs電池屬于前者，硅太陽電池屬于后一種類型。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(shè)計(jì)提供了重要參考。以上分析為太陽電池的設(shè)計(jì)提供了重要參考。7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 在實(shí)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(jì)中必須考慮在實(shí)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

28、的設(shè)計(jì)中必須考慮這些限制因素。這些限制因素。 圖圖7-11 在在AM0AM0和和AM1AM1條件下下的太陽光譜及其在條件下下的太陽光譜及其在GaAsGaAs和中和中SiSi的能量截止點(diǎn)的能量截止點(diǎn) 7.6 7.6 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?？梢姡梢?， 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

29、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(huì)出現(xiàn)一極大值。乘積會(huì)出現(xiàn)一極大值。 gEPnLLLLqAGI由由（7-57-5）gELGLI1217103.7scm1217102.5scmLIgEgCEV0（7-277-27）LocIV7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 圖圖7-12 最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系最大轉(zhuǎn)換效率的理論值與禁帶能量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 串聯(lián)電阻考慮串聯(lián)電阻考慮 圖圖7-137-13串聯(lián)電阻和分流電阻對(duì)串聯(lián)電阻和分流電阻對(duì)I-VI-

30、V曲線的影響曲線的影響 7.6 7.6 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(jì)，需要對(duì)摻雜濃度和結(jié)深采取折衷。達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，需要對(duì)摻雜濃度和結(jié)深采取折衷。實(shí)際的接觸是采用示于圖實(shí)際的接觸是采用示于圖7-147-14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(shí)又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值。時(shí)又使串聯(lián)電阻保持合理的數(shù)值。 圖圖7-14 7-14 P P上擴(kuò)散上擴(kuò)散N N的硅電池的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的硅電池的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu) 7.6 7.6 提高太陽電池效率的考慮提高太陽電池效率的考慮 表面反射采用表面反射采用抗反射層抗反射層理想的抗反射層材料折射率

31、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(jià)。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(jià)。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加效率。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是增加效率。因此一個(gè)電池在因此一個(gè)電池在1000個(gè)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(gè)太陽強(qiáng)度的聚光度下工作產(chǎn)生的輸出功率相當(dāng)于1300個(gè)電池個(gè)電池在一個(gè)太陽強(qiáng)度下工作的輸出功率。在一個(gè)太陽強(qiáng)度下工作的輸出功率。 閱讀：第閱讀：第7.7、7.8節(jié)節(jié)21nn7-9 7-9 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)生的光生載流結(jié)

32、，產(chǎn)生的光生載流子被空間電荷區(qū)電場(chǎng)漂移形成反向電流。光電二極管把光子被空間電荷區(qū)電場(chǎng)漂移形成反向電流。光電二極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)。反向的光電流的大小與入射光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)有關(guān)。光電二極管用于探測(cè)光信號(hào)。度和波長(zhǎng)有關(guān)。光電二極管用于探測(cè)光信號(hào)。7-9 7-9 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7-20 P-I-N光電二極管的工作原理，（光電二

33、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(shí)的能帶圖；（反向偏置時(shí)的能帶圖；（c）光吸收特性光吸收特性7-9 7-9 光電二極管光電二極管 在長(zhǎng)距離的光纖通信系統(tǒng)中多采用在長(zhǎng)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-P-InPInP的禁帶寬度為的禁帶寬度為1.351.35eVeV，對(duì)波長(zhǎng)大于對(duì)波長(zhǎng)大于 的光不吸收。的光不吸收。 的禁帶寬度為的禁帶寬度為0.750.75eVeV（對(duì)應(yīng)截止時(shí)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)截止時(shí)波長(zhǎng) ），在），在 波段波段上表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收。這樣，對(duì)于光通信的低損耗波段，光吸收只發(fā)生在上表現(xiàn)出較強(qiáng)

34、的吸收。這樣，對(duì)于光通信的低損耗波段，光吸收只發(fā)生在I I層，完全消層，完全消了擴(kuò)散電流的影響，幾微米厚的了擴(kuò)散電流的影響，幾微米厚的I I層，就可就可以獲得很高的響應(yīng)度。具有良好的頻層，就可就可以獲得很高的響應(yīng)度。具有良好的頻率響應(yīng)。率響應(yīng)。閱讀：7.9.2、7.9.3 InPNInGaAsIInPP/m92. 0InGaAsI m65. 1m6 . 13 . 17-9 7-9 光電二極管光電二極管小結(jié)小結(jié) 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(yīng)工作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(yīng)工作的器件。與太陽電池不同之處在于，光電二極管

35、工作時(shí)要加上反向偏壓。光電二極的器件。與太陽電池不同之處在于，光電二極管工作時(shí)要加上反向偏壓。光電二極管接受光照之后，產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光生電流，所以能把光信號(hào)變成電信管接受光照之后，產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光生電流，所以能把光信號(hào)變成電信號(hào)達(dá)到探測(cè)光信號(hào)的目的。號(hào)達(dá)到探測(cè)光信號(hào)的目的。 介紹了介紹了P-I-NP-I-N光電二極管的工作原理的基本結(jié)構(gòu)、能帶圖和工作原理。光電二極管的工作原理的基本結(jié)構(gòu)、能帶圖和工作原理。I I層也叫耗盡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，層起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下，I I層完全變成耗盡層，其中產(chǎn)層完全變成耗盡層，其

36、中產(chǎn)生的電子生的電子空穴對(duì)立刻被電場(chǎng)分離而形成光電流?？昭▽?duì)立刻被電場(chǎng)分離而形成光電流。 7-9 7-9 光電二極管光電二極管教學(xué)要求教學(xué)要求 了解光電二極管的工作原理。了解光電二極管的工作原理。 了解了解P-I-N光電二極管的工作原理的基本結(jié)構(gòu)、能帶圖和工作原理。光電二極管的工作原理的基本結(jié)構(gòu)、能帶圖和工作原理。 P-I-NP-I-N光電二極管中。光電二極管中。I I層的作用是什么？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(jī)制和特點(diǎn)是什么？光電二極管中有哪兩種電流？它們的形成機(jī)制和特點(diǎn)是什么？ 的雙異質(zhì)結(jié)光電二極管中為什么不出現(xiàn)擴(kuò)散電流？的雙異質(zhì)結(jié)光電二極管中為什么不出現(xiàn)擴(kuò)散電

37、流？ InPNInGaAsIInPP/7.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù)7.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù) 量子效率和響應(yīng)度量子效率和響應(yīng)度1.1.量子效率量子效率 即單位入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)。即單位入射光子所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)。產(chǎn)生明顯光電流的波長(zhǎng)是有限制的：產(chǎn)生明顯光電流的波長(zhǎng)是有限制的：長(zhǎng)波限長(zhǎng)波限 由禁帶寬度決由禁帶寬度決定。光響應(yīng)也有短波極限。定。光響應(yīng)也有短波極限。圖圖7-257-25示出了一些高速光電二極管量子效率和波長(zhǎng)關(guān)系的典型曲線?？梢钥吹?，示出了一些高速光電二極管量子效率和波長(zhǎng)關(guān)系的典型曲線?？梢钥吹?，在紫外和可見

38、光區(qū)，金屬在紫外和可見光區(qū)，金屬 半導(dǎo)體光電二極管有很高的量子效率；在近紅外半導(dǎo)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）在區(qū)，硅光電二極管（有抗反射涂層）在 到到 附近，量子效率附近，量子效率可達(dá)可達(dá)100%100%；在；在 到到 的區(qū)域，鍺光電二極管和的區(qū)域，鍺光電二極管和IIIIII V V族光電二極族光電二極管（如管（如CaLnAS）有很高的量子效率。對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，為了獲得高的量子有很高的量子效率。對(duì)于更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，為了獲得高的量子效率，光電二極管需進(jìn)行冷卻（例如用液氮冷卻到效率，光電二極管需進(jìn)行冷卻（例如用液氮冷卻到77K）。）。hPqIinLhRAPin

39、01（7-297-29）（7-307-30）cm8 . 0m9 . 0m0 . 1m6 . 17.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù) 圖圖7-25不同光電二極管量子效率和波長(zhǎng)的關(guān)系不同光電二極管量子效率和波長(zhǎng)的關(guān)系 7.10 7.10 光電電二極極管的特性參數(shù)參數(shù) 響應(yīng)度響應(yīng)度表征光電二極管的轉(zhuǎn)換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應(yīng)表征光電二極管的轉(zhuǎn)換效率，定義為短路光電流與輸入光功率之比：高的響應(yīng)度要求有厚的度要求有厚的 I 層層 （7-317-31）1.24qqAWhinLPIR 7.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù) 響應(yīng)速度（帶寬

40、）響應(yīng)速度（帶寬） 定義為當(dāng)交流光電流下降到低頻的時(shí)的定義為當(dāng)交流光電流下降到低頻的時(shí)的 調(diào)制頻率。它也稱調(diào)制頻率。它也稱 為為3dB頻率或頻率或3dB帶寬。帶寬。響應(yīng)速度（帶寬）主要受下列三個(gè)因素的控響應(yīng)速度（帶寬）主要受下列三個(gè)因素的控制：制：（1 1）載流子）載流子的擴(kuò)散。在耗盡層外邊產(chǎn)生的載流子必須擴(kuò)散到的擴(kuò)散。在耗盡層外邊產(chǎn)生的載流子必須擴(kuò)散到P-N結(jié)，這將引起可觀的時(shí)結(jié)，這將引起可觀的時(shí)間延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)減到最小，間延遲。為了將擴(kuò)散效應(yīng)減到最小，P-N結(jié)盡可能接近表面結(jié)盡可能接近表面。（2 2）在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時(shí)間要求耗）在耗盡層內(nèi)的

41、漂移時(shí)間。這是影響帶寬的主要因素。減少耗盡層渡越時(shí)間要求耗盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會(huì)使器件吸收光子減小而影響響應(yīng)度。盡層要盡可能地窄。但耗盡層太窄會(huì)使器件吸收光子減小而影響響應(yīng)度。 217.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù) （3 3）耗盡層電容。耗盡層太窄，會(huì)使耗盡層電容過大，從而使時(shí)間常數(shù)）耗盡層電容。耗盡層太窄，會(huì)使耗盡層電容過大，從而使時(shí)間常數(shù)RCRC過大（這過大（這 里里R R是負(fù)載電阻），是負(fù)載電阻），因此耗盡層寬度要有一個(gè)最佳選擇：因此耗盡層寬度要有一個(gè)最佳選擇： 它是當(dāng)交流光電流下降到低頻的它是當(dāng)交流光電流下降到低頻的 時(shí)的調(diào)制頻率。時(shí)的調(diào)制頻率。

42、是耗盡層寬度，是耗盡層寬度， 是飽是飽 和漂移速度，和漂移速度， 為耗盡層渡越時(shí)間。為耗盡層渡越時(shí)間。 WfsdB44. 03（7-37-32 2）式中式中 稱為稱為3dB頻率或頻率或3dB帶寬。由下式確定帶寬。由下式確定4 . 223rdBtf（7-337-33）dBf321Wsvrt7.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù) 噪聲特性噪聲特性 噪聲是信號(hào)上附加的無規(guī)則起伏。它可使信號(hào)變得模糊甚至被淹沒。散粒噪聲是信號(hào)上附加的無規(guī)則起伏。它可使信號(hào)變得模糊甚至被淹沒。散粒噪聲：是由一個(gè)個(gè)入射光子產(chǎn)生的不均勻的或雜亂的電子噪聲：是由一個(gè)個(gè)入射光子產(chǎn)生的不均勻的或雜亂的電子 空

43、穴對(duì)引起的?？昭▽?duì)引起的。也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數(shù)無規(guī)則起伏引起的。分析表也就是說是由通過器件的粒子（電子或空穴）數(shù)無規(guī)則起伏引起的。分析表明，探測(cè)器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算。明，探測(cè)器散粒噪聲電流即均方根噪聲電流由下式估算。 式中式中 為電流強(qiáng)度，為電流強(qiáng)度， 為測(cè)量的頻率范圍即帶寬。為測(cè)量的頻率范圍即帶寬。（7-357-35）fqIins 22If7.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù) 熱噪聲熱噪聲：來自電阻值為：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

44、聲的電流（均方值）為噪聲的電流（均方值）為 接有輸入電阻為接有輸入電阻為R R的放大器時(shí)的總噪聲電流（均方值）為的放大器時(shí)的總噪聲電流（均方值）為 入射光在光吸收層中產(chǎn)生的光電流，即信號(hào)電流。入射光在光吸收層中產(chǎn)生的光電流，即信號(hào)電流。 暗電流。暗電流。 放大器的噪聲系數(shù)和絕對(duì)溫度之積，稱為有效溫度。放大器的噪聲系數(shù)和絕對(duì)溫度之積，稱為有效溫度。（7-367-36）RfKTint42RfKTfIIqiDLn422LIDIT（7-377-37）7.10 7.10 光電二極管的特性參數(shù)光電二極管的特性參數(shù) 其它的幾個(gè)概念其它的幾個(gè)概念信噪比信噪比 光電二極管的信噪比為光電二極管的信噪比為其中其中 為為光電電二極極管的信號(hào)號(hào)電流（令電流（令 ） 為在負(fù)載為在負(fù)載R R兩端產(chǎn)生的信號(hào)功率兩端產(chǎn)生的信