电子信息物理学ppt课件.ppt

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1、第五章光电子学和光电子器件光照射固体，改变电子的运动状态电子仍在固体内部光能转化为电能（主要）半导体光电效应光生伏特效应制成太阳电池光电导效应制成光电阻光电流制成光电探测器Pn结光电二极管PIN雪崩光电二极管APD光晶体管电子逸出固体光电效应应用应用光电倍增管光电子能谱化学反应（化学能）热运动（热能）光辐射（光能）……电子注入（电能）电子能级跃迁光辐射电能转化为光辐射能半导体光源：发光二极管LED，激光二极管LD5.1固体的光发射固体对光辐射的吸收光子能量光子与晶体相互作用光子与杂质原子相互作用光子与缺陷相互作用光子能量

2、产生电子空穴对量纲：5.1.1光吸收系数固体的复折射率其中：n为折射率，k为消光系数假设光波沿x方向传播，则电场强度为：典型半导体的吸收系数量纲：5.1.2光吸收过程光吸收过程主要有：本征吸收（直接吸收、间接吸收）、激子吸收、自由载流子吸收、杂质与缺陷吸收、晶格吸收1.本征吸收（光子能量电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对价电子直接跃迁价电子间接跃迁A.直接跃迁导带最小值和价带最大值对应于相同的波失直接带隙半导体（如GaAs、InP）能量守恒：动量守恒：电子的德布罗意波长一般为nm量级光子的波长为亚um量级光子动量一般很

3、小B.间接跃迁导带最小值和价带最大值对应于的波失不同间接带隙半导体（如Ge、Si、GaP）能量守恒：动量守恒：声子能量声子动量“＋”表示吸收一个声子，“－”表示发射一个声子2.2激子吸收（光子能量电子从价带跃迁到禁带中的某些能态上（例如杂质、缺陷）库仑力产生电子－空穴束缚系统电中性的激子（exciton：一种激发的电子能量状态）双粒子体系（准粒子）激子能够在固体中运动，但不传导电流激子（在固体中运动，但不传导电流）数个晶格常数数百个晶格常数电子－空穴间距紧束缚系统松束缚系统激子再激励导带电子和价带空穴传导电流复合激子消失

4、，产生能量辐射（发光）光照射固体，吸收能量，产生激子能量从晶体一处输运到另一处，没有电流电子－空穴复合光辐射3.自由载流子吸收：光照射固体（波长较长）导带电子吸收光能量价带空穴吸收光能量载流子在能带内部跃迁吸收自由载流子吸收动量守恒：光子动量很小，电子动量改变由声子或电离杂质的散射补偿4.杂质与缺陷吸收光照射固体（波长较长）束缚在杂质或者缺陷上的电子或者空穴吸收光子能量光子能量大于等于杂质电离能电子跃迁到导带空穴跃迁到价带5.晶格吸收光照射固体（波长较长）晶格吸收光子能量晶格振动（声子）吸收峰光子能量直接转换为声子动能5

5、.1.3电子－空穴对的产生速率半导体吸收光子能量产生电子－空穴对：光子能量：光强:1个光子能产生1个电子空穴对产生电子－空穴对的速率为：光子通量为：5.2pn结光生伏特效应和太阳能电池5.2.1基本原理光照：产生电子空穴对pn结势垒VDp区产生光生电子进入n区，在n区边界积累n区产生光生空穴进入p区，在p区边界积累在pn结建立光生电动势（电压）V与内键电场方向相反pn结光生电动势（电压）Vpn结势垒降低VD-V光生电流IL光照恒定接通外电路负载电流Ipn结光生伏特效应故太阳光能照射在一些特殊材料上，会引起材料中电子的移动

6、，形成电势差。太阳能光伏发电，就是依据这个原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能5.2.2光电池的I-V特性光照：产生电子空穴对光生电流IL（pn结反偏方向）外电路产生电压V对pn结正偏用肖克莱方程（pn结正偏方向）净电流pn结反偏方向短路电流：开路电压：消耗在负载上的功率为：最大功率填充因子：5.2.3太阳电池的光电转换效率太阳电池的光电转换效率最大输出的电功率Pout与输入的光功率Pin之比太阳电池的热力学极限效率为32%太阳辐射谱：主要波长范围在0.3μm到1.5μm，峰值约在0.5μm太阳光通过大气层照射地

7、面水汽、尘埃等漫射辐射能量密度下降大气质量AMm：太阳光通过的空气质量（大气层吸收太阳光的程度）大气质量AMm：大气层外m＝0：AM0太阳垂直于海平面（正午）m＝1：AM1其他情况m＝1/sin>1:Amm,为天顶角M增加，太阳光通过大气层的厚度增加大气对太阳的辐射吸收愈加严重到达地面的太阳辐射功率愈加小大气质量示意图用大透镜把阳光聚焦到太阳电池上，使入射光强提高数百倍阳光浓度C：ISC与C成正比VOC随C增大稍有增大他＝300K太阳电池的理想效率与Eg的关系5.2.4非均匀吸收效应光照半导体表面光强：光子在表面的反射率

8、R单位时间、单位体积、从表面向内，半导体吸收的光子数目：1个光子能产生1个电子－空穴对半导体吸收能量产生电子－空穴对的速率为：5.2.5新结构Si太阳电池常规太阳电池结构：大面积的pn结、叉指状电极增透膜提高接收太阳光的面积减少阳光反射提高转换效率绒面太阳电池太阳电池表面作成绒面或者V形槽表面反射率减低至20%半导体