第四章結(jié)二極管

第四章結(jié)二極管第一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五主要內(nèi)容P-N結(jié)的靜電學(xué)載流子注入（載流子濃度與電壓的關(guān)系）準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散電流P-N結(jié)的暗特性光照特性太陽能電池的輸出參數(shù)有限電池尺寸對I0的影響（自學(xué)）第二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1P-N結(jié)的靜電學(xué)一、基本物理特性1.pp

＞＞pn

，nn

＞＞np；2.p區(qū)和n區(qū)多子分別向?qū)Ψ綌U(kuò)散；3.界面p區(qū)側(cè)留下固定的離化受主負(fù)電荷，

n區(qū)側(cè)留下固定的離化施主正電荷；正負(fù)電荷稱為空間電荷，區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。4.正--負(fù)電荷間產(chǎn)生自建電場；第三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1P-N結(jié)的靜電學(xué)二、接觸電位差與載流子分布1.自建電場特征：空間電荷區(qū)內(nèi)凈電子流或凈空穴流密度分別等于零第四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1P-N結(jié)的靜電學(xué)2.接觸電位差自建電場的存在，在pn結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了由p區(qū)側(cè)負(fù)電荷區(qū)到n區(qū)側(cè)正電荷區(qū)逐漸上升的電位分布，使中性n區(qū)形成了一個相對于中性p區(qū)為正的電位差，該電位差稱為pn結(jié)接觸電位差，用ＶＤ表示。第五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1P-N結(jié)的靜電學(xué)VD-XP0XnP區(qū)N區(qū)接觸電位差示意圖第六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1P-N結(jié)的靜電學(xué)3.能帶結(jié)構(gòu)孤立P區(qū)和n區(qū)各自的能帶圖EiPEFEinEF第七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五空間電荷區(qū)自建電場，使空間電荷區(qū)內(nèi)導(dǎo)帶底、價帶頂及本征費(fèi)米能級依其電位分布從p區(qū)邊界到n區(qū)邊界逐漸下降。最終，p區(qū)與n區(qū)的費(fèi)米能級相等EFEFP區(qū)n區(qū)§1P-N結(jié)的靜電學(xué)第八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五qVDEipEinEF§1P-N結(jié)的靜電學(xué)第九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五4.費(fèi)米能級:熱平衡系統(tǒng)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級對于平衡pn結(jié)，只要確定費(fèi)米能級位置，則可得到其能帶結(jié)構(gòu)§1P-N結(jié)的靜電學(xué)第十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1P-N結(jié)的靜電學(xué)5. 耗盡層近似空穴和電子在空間電荷區(qū)依指數(shù)規(guī)律分布，在邊界內(nèi)側(cè)下降極為迅速，使絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度與中性區(qū)相應(yīng)的多子濃度相比可以忽略。所以，在進(jìn)行某些理論分析時，常采用耗盡近似，認(rèn)為空間電荷區(qū)里載流子的濃度為零據(jù)此空間電荷區(qū)又被稱為耗盡區(qū)，或耗盡層。第十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§1P-N結(jié)的靜電學(xué)從能帶結(jié)構(gòu)圖可見，p區(qū)電子能量比n區(qū)高qVD，n區(qū)空穴能量比p區(qū)高qVD，多子進(jìn)入對方需要越過高度為qVD的勢壘。因此，空間電荷區(qū)又被稱為勢壘區(qū)?？臻g電荷區(qū)=耗盡區(qū)=耗盡層=勢壘區(qū)勢壘區(qū)接觸電勢差VD的關(guān)系式第十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§2載流子注入1.勢壘區(qū)兩側(cè)邊界處載流子濃度的關(guān)系由關(guān)系式得第十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§2載流子注入一般情況下，熱平衡時勢壘區(qū)一側(cè)邊界處少子濃度等于勢壘區(qū)另一側(cè)邊界處多子濃度乘以第十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§2載流子注入2.勢壘區(qū)兩邊界處載流子濃度服從波爾茲曼分布結(jié)果：同理第十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性一、理想pn結(jié)模型（四個近似）（1）不考慮勢壘區(qū)中的產(chǎn)生與復(fù)合結(jié)果：電子、空穴電流通過勢壘區(qū)時保持不變（2）小注入結(jié)果：在準(zhǔn)中性區(qū)多子濃度約等于平衡時濃度，對少子只需要考慮擴(kuò)散電流（3）耗盡層近似結(jié)果：空間電荷區(qū)為高阻區(qū)，載流子濃度為零；外加電壓幾乎降落在空間電荷區(qū)第十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性（4）勢壘區(qū)兩邊界處載流子濃度服從波爾茲曼分布結(jié)果：同理第十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性非平衡少子邊擴(kuò)散邊與多子復(fù)合，并在擴(kuò)散長度處基本被全部復(fù)合。非平衡少子擴(kuò)散并被復(fù)合的區(qū)域稱為非平衡少子擴(kuò)散區(qū)，非平衡少子擴(kuò)散的長度用Lp和Ln表示。第十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性二、伏安特性方程1、思路：A. 空間電荷區(qū)和擴(kuò)散區(qū)中任一截面的空穴流密度與電子流密度不一定相等；任一截面的空穴流密度與電子流密度之和卻相等，即為pn結(jié)的總電流；分別求出空間電荷區(qū)邊界空穴流密度和電子流密度，二者之和則構(gòu)成pn結(jié)電流密度。（前面的假設(shè)（1））第十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性B.忽略空間電荷區(qū)內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合，即空間電荷區(qū)二側(cè)邊界處電子流密度與空穴流密度各自分別相等；pn結(jié)電流則可用p區(qū)側(cè)邊界電子流與n區(qū)側(cè)邊界空穴流密度之和表示。

(前面的假設(shè)（2）和（3）)第二十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性C.分別求解少子電子和少子空穴在其擴(kuò)散區(qū)的載流子連續(xù)性方程，可得到非平衡少子電子和非平衡少子空穴在其擴(kuò)散區(qū)的分布函數(shù)；根據(jù)擴(kuò)散方程，即可求得空間電荷區(qū)p區(qū)側(cè)邊界處的電子流密度，n區(qū)側(cè)邊界處處空穴流密度。第二十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性直流電流方程取x=xn程因?yàn)樗缘诙?，共四十二頁，編輯?023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性2、空穴在其擴(kuò)散區(qū)（n區(qū)的準(zhǔn)中性區(qū)）內(nèi)連續(xù)性方程認(rèn)為pn結(jié)無限長第二十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性求得同理求得第二十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性勢壘區(qū)兩邊界少子濃度的變化LnLpxn-xp第二十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性那么第二十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性第二十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性少子在二極管中擴(kuò)散電流密度示意圖第二十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性3、pn結(jié)電流（伏安特性方程）：方程對正偏、反偏pn結(jié)都成立。第二十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性引入反向飽和電流I0，即那么，PN結(jié)的伏安特性方程又可表示為稱為反向飽和電流，A表示二極管的橫截面積。 第三十頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§4P-N結(jié)的暗特性4.伏安特性曲線VI伏安特性理論曲線(暗特性)0第三十一頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§5P-N結(jié)的光照特性當(dāng)光照時所引起的電子、空穴對的體產(chǎn)生率G在整個器件都相同；不管器件是否光照，前面的四個近似都一樣，前面得到的結(jié)果都同樣有效，只是G不為零，而是一個常數(shù)。取坐標(biāo)原點(diǎn)在Xn處、Xp處xx’00第三十二頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§5P-N結(jié)的光照特性于是在n區(qū)一側(cè)得到上式G/DP是常數(shù)，上式通解為第三十三頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§5P-N結(jié)的光照特性代入以上邊界條件得到特解相應(yīng)電子濃度也有表達(dá)式第三十四頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§5P-N結(jié)的光照特性相應(yīng)的電流密度為以上計(jì)算是忽略耗盡區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合的，不忽略情況下可得耗盡區(qū)的電流密度變化為第三十五頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§5P-N結(jié)的光照特性總的電流密度為代入得到光照時電流-電壓關(guān)系其中IL為光生電流第三十六頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§5P-N結(jié)的光照特性VI0ILImpVmpIscVoc光照特性暗特性無光照和有光照時pn結(jié)二極管的輸出特性第三十七頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§6太陽能電池的輸出參數(shù)一、短路電流理想情況下短路電流等光生電流短路電流可直接用電流表測量第三十八頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§6太陽能電池的輸出參數(shù)二、開路電壓Voc由下式，令I(lǐng)=0，得到理想值Voc由于和I0有關(guān)，因而決定于半導(dǎo)體的性質(zhì)。開路電壓可以直接用伏特表進(jìn)行測量第三十九頁，共四十二頁，編輯于2023年，星期五§6太陽能電池