半导体物理器件.ppt

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1、第七章太阳电池和光电二极管●半导体中的光吸收●P-N结的光生伏特效应●太阳电池的I-V特性●太阳电池的效率●光产生电流和收集效率●提高太阳电池效率的考虑●光电二极管●光电二极管的特性参数领域项目有关器件显示数字和文字显示电视显示图像显示投影显示全息像显示发光二极管、半导体激光器液晶、放电管、阴极射线管各种激光器、光调制和光偏转装置、光接收器和摄像装置、全息照相装置光电子学是介于光学技术和电子工程之间的新兴边缘科学。这门学科是随着发光二极管、半导体激光器等器件的问世而诞生的。光电子学分类引言领域项目有关器件光信息处理图像处理、图形识别光贮存器、模拟光运算数字光逻辑、光输入、输出LED、La

2、ser、各种激光器、光调制和光偏转装置、光接收和摄象装置、感光材料、全息照相装置光通信大气传输光信号透镜光导光通信光纤通信、卫星通信海洋光通信、光雷达LED、Laser、各种激光器、光调制装置、光接收器、光纤、集成电路、透镜光导光开关、负阻器件、光耦合器、电耦合器件、磁泡器件、太阳电池其它引言7.1半导体中的光吸收假设半导体被一光子能量大于禁带宽度的光源均匀照射。光子通量为。图7-1从紫外区到红外区的电磁波谱图（7-2）（7-3）在半导体的另一端（图7-3b）处，光子通量为（7-4）当光子在半导体中传播时，在距表面x处单位时间、单位距离上被吸收的光子数应当正比于该处的光子通量即在时，方程

3、（7-1）的解为式中比例系数叫做吸收系数它是的函数。光吸收在截止波长处急剧下降。7.1半导体中的光吸收图7-4几种半导体的吸收系数7.1半导体中的光吸收7.2P-N结的光生伏特效应P-N结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电动势的效应。光生伏打效应涉及到以下三个主要的物理过程：第一、半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对；第二、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动，这种运动可以是扩散运动，也可以是漂移运动；第三、非平衡电子和空穴在非均匀势场作用下向相反方向运动而分离。这种非均匀势场可以是结的空间电荷区，也可以是金属—半导体的肖特基势垒或异质结势垒等。图7-5

4、P-N结能带图：（a）无光照平衡P-N结，（b）光照P-N结开路状态，（c）光照P-N结有串联电阻时的状态。7.2P-N结的光生伏特效应（7-5）对于在整个器件中均匀吸收的情形，短路光电流可以用下式表示式中为光照电子空穴对的产生率为P-N结面积为光生载流子的体积。由式（7-5）可知短路光电流取决于光照强度和P-N结的性质。7.2P-N结的光生伏特效应教学要求掌握概念：光生伏特效应、暗电流分析了PN结光生伏特效应的基本过程利用能带图分析光生电动势的产生解释短路光电流公式（7-5）的含义暗电流是怎么产生的？能否去除？7.2P-N结的光生伏特效应7.3太阳电池的I-V特性图7-6太阳电池理想

5、等效电路（7-6）首先考虑串联电阻=0的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如图7-6所示。图中电流源为短路光电流V-I特性可以简单地由图7-6所示的等效电路写出。式中为P-N结正向电流为P-N结饱和电流P-N结的结电压即为负载R上的电压降。7.3太阳电池的I-V特性（7-7）（7-8）（7-9）P-N结上的电压为在开路情况下，I=0，得到开路电压（这是太阳电池能提供的最大电压）在短路情况下（V=0），这是太阳电池能提供的最大电流。（7-10）太阳电池向负载提供的功率为7.3太阳电池的I-V特性图7-7一个典型的太阳电池在一级气团（AM1）光照下的I-V特性，AM1即太阳在天顶时及

6、测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能7.3太阳电池的I-V特性图7-8包括串联电阻和分流电阻的太阳电池等效电路实际的太阳电池存在着串联电阻和分流电阻。考虑到串联电阻和分流电阻作用的特性公式7.3太阳电池的I-V特性教学要求画出理想太阳电池等效电路图根据电池等效电路图写出了太阳电池的I－V特性方程（7-6）了解太阳电池的I-V特性曲线（图7.7），根据太阳电池的I－V特性方程解释该曲线所包含的物理意义。画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出I－V特性方程（7-11）7.3太阳电池的I-V特性7.4太阳电池的效率（7-12）（7-13）（7-14）太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换

7、效率。它是太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：式中为输入光功率，Pm太阳电池的最大输出功率：对于理想太阳电池根据（7.10）式，最大功率条件（7-17）（7-18）（7-19）从式（7.14）中解出，再将其代入式（7-6）得于是太阳电池最大输出功率引进占空因数这一概念，太阳电池的效率可写作7.4太阳电池的效率教学要求了解概念：转换效率、占空因数导出太阳电池的最大输出功率公式（7-18）。7.4太阳电池的效率7.5光产生电流和