第四章-pn結(jié)二極管201309029

第四章

pn結(jié)二極管201309029第四周2023/2/114.1太陽(yáng)能電池就是大面積p-n結(jié)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)。2023/2/124.2p-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pn2023/2/13

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2023/2/144.2p-n結(jié)的靜電學(xué)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。2023/2/15PN空間電荷區(qū)Xm自建電場(chǎng)EXpXn因?yàn)槿鄙佥d流子，空間電荷區(qū)為高阻區(qū)。2、p-n結(jié)空間電荷區(qū)2023/2/164.2p-n結(jié)的靜電學(xué)處于熱平衡的系統(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)。2023/2/174.2p-n結(jié)的靜電學(xué)在過(guò)渡區(qū)，電勢(shì)變化為ψ04.12023/2/189EFEcEvn型半導(dǎo)體EFEcEvp型半導(dǎo)體EFEcEv本征半導(dǎo)體普適公式2.12參雜半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)的位置NC、NV導(dǎo)帶和價(jià)帶的有效態(tài)密度ND、NA施主和受主濃度2023/2/194.2p-n結(jié)的靜電學(xué)4.24.32023/2/1104.2p-n結(jié)的靜電學(xué)有外加電壓Va則過(guò)渡區(qū)兩端的電勢(shì)為ψ0-Va畫(huà)成用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的載流子濃度圖2023/2/1114.3結(jié)電容檢測(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CA面積；ε介電常數(shù)；W寬度PN結(jié)交界處存在勢(shì)壘區(qū)。結(jié)兩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)。2023/2/1124.3結(jié)電容當(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。2023/2/1134.3結(jié)電容如果二極管一邊是重?fù)诫s，則有關(guān)系式N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2023/2/1144.3結(jié)電容二極管的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?023/2/1154.4載流子注入反映的是耗盡區(qū)邊緣載流子濃度和偏壓之間的關(guān)系。零偏置即不加電壓時(shí)，n區(qū)邊界2023/2/1164.4載流子注入零偏置即不加電壓時(shí)，P區(qū)邊界2023/2/1174.4載流子注入在耗盡區(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：2023/2/1184.4載流子注入中等偏置電壓時(shí)，漂移電流和擴(kuò)散電流近似相等；2023/2/1194.4載流子注入第三個(gè)近似：只考慮少數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于多數(shù)載流子濃度有在耗盡區(qū)邊緣少數(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2023/2/1204.5準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散電流載流子運(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。2023/2/1214.6暗特性擴(kuò)散長(zhǎng)度；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2023/2/122擴(kuò)散長(zhǎng)度；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。

2023/2/123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。2023/2/1244.6.2少數(shù)載流子電流理想二極管定律一個(gè)重要的公式飽和電流密度表達(dá)式：Le電子擴(kuò)散長(zhǎng)度；Lh空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度2023/2/1254.7光照特性光照時(shí)理想的p-n結(jié)電流-電壓特性關(guān)系如下：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)。4.432023/2/1264.8太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)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)：ISCVOCFF2023/2/1274.8太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)短路電流ISC，理想情況下等于光生電流IL。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=0解出對(duì)應(yīng)的電壓就是VOC2023/2/1284.8太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)VOC跟什么參數(shù)有關(guān)系？互相影響如何？2023/2/1294.8太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)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。總有一個(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;Imp2023/2/1304.8太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)填充因子的定義：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0.7~0.85間，OPV在0.5~0.75之間2023/2/1314.8太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)填充因子FF與開(kāi)路電壓的關(guān)系理想情況下填充因子是開(kāi)路電壓的函數(shù)。如定義當(dāng)νoc的值大于10時(shí)，有個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式2023/2/1324.8太陽(yáng)能電池輸出參數(shù)能量轉(zhuǎn)換效率Pin電池入射光總功率2023/2/1334.9有限電池尺寸對(duì)I0的影響二極管飽和電流Io決定了電池的開(kāi)路電壓Voc,在推導(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2023/2/1344.9有限電池尺寸對(duì)I0的影響修正后的Io2023/2/1354.9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2023/2/1364.9有限電池尺寸對(duì)I0的影響如