第六章 1半导体结型光电器件

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1、第六章半导体结型光电器件第一节结型光电器件原理pnE图6.1p-n结的形成一、热平衡状态下的p-n结1、p-n结形成和几个物理参数形成过程：Epn图6.2p-n结的正偏pnE图6.3p-n结的反偏设p-n是两种材料直接接触形成。无光照下，p-n结在热平衡状态下，漂移电流和扩散电流相等，净电流为零。根据半导体物理理论推导：势垒高度：(6.1.1)结区宽度：(6.1.2)式中k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，NA,ND分别为p区和n区掺杂浓度，ni为本征载流子浓度，V为外加电压,A为结区截面积。p-n结电容：(6.1.3)(6.

2、1.4)2、p-n结电流方程外加电压V时，p-n结平衡被破坏，此时流过p-n结的电流方程：第一项I0eqv/kT：表示正向电流，从p流向n端，与外加电压V有关第二项I0：表示反向饱和电流二、光照下的p-n结：1、p-n结光电效应和两种工作模式1)p-n结光电效应图6.4p-n结的光电效应pn2)两种工作模式零电压偏置：光照下无外加电压，即光生伏效应，称光伏工作模式。图6.5光照下p-n结的零偏模式pnIpRL反向偏置：光照下p-n结反向偏置：称光导工作模式p-n结外接反向电压后，p-n结势垒升高，多数载流子难于扩散，少数载

3、流子易于漂移。图6.6光照下p-n结的零偏模式RLpnIpVb图6.7光照p-n结的工作原理图pnIpIDRLV_+2、光照下p-n结的电流方程1）零电压偏置（光生伏模式）有光照时，在p-n结两极间外接一负载RL，此时在p-n结内出现两种方向的电流：光电流Ip，正向电流ID，总电流为两者之差。式中V为p-n结两端电压，有V=IL(RL+RS)(6.1.5)由于光电流IP与光照有关，随光照增大而增大，SE为光电灵敏度或光照灵敏度(6.1.6)讨论：(1)负载RL断开时，IL=0，p端对n端的电压成为开路电压，用Voc表示表明

4、：一定温度下，Voc与光生电流或光通量对数成正比(2)负载短路，即RL=0，光生电压几乎为0，此时流过器件的电流叫短路电流，用Isc表示表明：短路电流Isc与光通量成正比，线性测量中广泛应用。一般情况下，故有由IL=0可得2）p-n结反向偏置：p-n结加的反向偏置电压，形成的电场和内建电场同向，势垒高度增加，光生载流子更容易在电场的作用下漂移运动，响应时间缩短，能提高频率特性。结型器件的伏安特性曲线V(V)I(μA)VocIsc反向偏压Vb反向电流E增大Ip=SEEE=0E1E2图6.8结型器件伏安特性曲线(2)光照射时，

5、零偏或反偏时，内建场作用下少子的漂移运动产生光电流，光电流方向在p-n结内由p区指向n区，为反向电流，因此曲线向下平移。(1)无光照时，同一般的二极管第二节光电池按用途分：1、太阳能电池：用作电源要求转换率高，成本低；2、测量用光电池：用于光电探测要求线性范围宽，光谱响应合适，稳定性好，寿命长光电池一般工作在光生伏模式，也可工作在反向偏置模式，直接将光能转换成电能。一、光电池的原理及基本结构：1、原理：零偏置或反偏置下p-n结的光生伏效应npSiO2图6.9硅光电池示意图及符号2、基本结构：2DR型：以p型硅做基底，n型薄

6、层受光面2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面二、光电池的主要特性：1、四个输出参数1）短路电流：2）开路电压：3）填充因子：F.F.同一光照下伏安特性曲线上，任意工作点的输出功率等于该点所对应的矩形面积。其中只有一特殊点（Vmp，Imp）是输出功率最大的，定义填充因子：4）光电转换率：最大输出功率与输入光功率的比值Pin是入射到电池上的总功率I(μA)VocIscVmpImp图6.10光电池填充因子示意图2、光照特性光电池的光生电动势或光电流与入射光照度的关系称为光电池的光照特性。1）伏安特性：零偏时在第四项限，反偏时

7、在第三项限2）照度负载曲线：开路电压与光照度成对数关系短路电流与光照度成线性关系V(V)I(μA)Voc1Isc4E=0E1E2Voc2Voc3Voc4E3E4Isc3Isc2Isc1I0RL=0RL=RL1RL2RL3RL4RL5图6.11硅光电池伏安特性曲线3、光谱特性光电池的光谱响应特性是指入射光能量一定时，短路电流与入射波长的函数关系，主要取决于半导体的材料。4、频率特性取决于：1）光生载流子扩散到结区的时间2）光生载流子在势垒区中的漂移时间3）势垒电容引起的介电时间驰豫硅光电池pn结面积大，极间电容大，因而频率

8、特性差。5、温度特性光电池的温度特性是指光照下光电池开路电压Voc与短路电流Isc随温度的变化情况。温度过高会致使半导体晶格破坏三、探测用光电池的基本电路(a)(b)(c)(d)图6.12光电池探测基本电路四、影响太阳能电池效率的一些因素1、光生电流的光学损失1）反射损失：超过30%的光能被裸露硅表面反