第四章-p-n结二极管

第4章P-N结二极管南京理工大学材料科学与工程学院1内容4.2P-N结的静电学4.4载流子注入4.6暗特性4.7光照特性4.8太阳能电池的输出参数4.3结电容4.5准中性区内的扩散流4.1P-N结的形成4.9有限电池尺寸对I0的影响24.1P-N结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结，如下物理过程:常见的太阳能电池本质是大面积的P-N结二极管。3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP掺杂磷产生的自由电子N型半导体自由电子数为N型半导体的多数载流子，空穴为N型半导体的少数载流子4SiSiSiSiSiB掺杂硼产生的空位P型半导体自由电子为P型半导体的少数载流子空穴为P型半导体的多数载流子空穴5因浓度差多子产生扩散运动形成空间电荷区（耗尽层）(NP)形成内电场(NP)阻止多子扩散促使少子漂移动态平衡64.2P-N结的静电学当外加电压时，PN结就会显示单向导电性单向导电性：PN结加反向电压时，截止。规定：P区接电源正，N区接电源负为PN结加正向电压N区接电源正，P区接电源负为PN结加反向电压PN结加正向电压时，导通。PN++++++内电场7(1)P-N结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。起理想模型：开关闭合内电场外电场动画PN结正偏8(2)P-N结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流是少子形成的电流，故反向电流非常小，PN结呈现高阻性。内电场外电场9在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。图01.08PN结加反向电压时的导电情况10PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。PN结加反向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。11pn结内的电势若pn结内过渡区的电势变化为ψ0，则有：012lnCVggADNNqEEEEkTNN又由于所以12PN20lniDAnNNqkT2gEkTiCVnNNepn结内的载流子浓度pn结可近似（近似1）划分为两个区域：1.准中性区：假设空间电荷密度处处为零；2.耗尽区：假设载流子浓度很小，对空间电荷密度的贡献仅来自电离杂质。pn结中，n区均匀的掺有施主杂质，杂质浓度为ND。p区均匀的掺有受主杂质，杂质浓度为NA。例如n区有：p-n+ND=013PNpn结内的电荷密度pn结内空间电荷密度分布：14耗尽区电荷密度nDxxqNx00xxqNxpA电中性条件：nDpAxNxNnpxxW耗尽区宽度：pn结内的电场分布15将空间电荷密度积分得到电场分布：ddExnDnDxxxqNExxqNxE0max0maxxxxqNExxqNxEpApAPNmaxApDnqNxqNxE电中性条件pn结内的电势分布16再将电场E积分得到电势ψ的分布：ddEx令x=-xp处的电势为零，得到：2maxmax,022AppEqNxExxxxx2maxmax,022DnnEqNxExxxxx内建势：npxx电场对应的面积maxmax1122nPEWExx如果外加正向电压Va，那么0aV4.3结电容17(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD(1)势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容示意图反向偏压扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的浓度梯度。(2)扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容示意图当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也不同。所以PN结两侧堆积的少子浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。PN结的结电容C21PN结的结电容C是：DBCCCWAC或写成：212aVNqAC式中：N为NA和ND中的较小者。通过测量C和Va的关系，可以得到N。4.4载流子的注入22当外加正向偏置电压Va时，耗尽区宽度W降低，内建势降为ψ0-Va。载流子扩散运动增加，耗尽区附近少子浓度增加，相当于注入了载流子。当外加反向偏置电压Va时，耗尽区宽度W增加，内建势升为ψ0+Va。载流子扩散运动降低，耗尽区附近少子浓度下降。23在零偏置时，已知：20lniDAnNNqkT20000innppnnpnp得到：02/00qkTinbnpDnpppeN02/00,qkTipapnAnnnneNpp0:零偏置时，p区空穴浓度；np0:零偏置时，p区电子浓度；pn0:零偏置时，n区空穴浓度；nn0:零偏置时，n区电子浓度。零偏置时的载流子浓度分布ab正向偏置时的载流子浓度分布大于平衡值多子浓度不变ab25在偏置Va作用下，耗尽区的静电流是漂移电流与扩散电流的差值。假设：ddhhpqpEqDx（近似2）得到：1ddkTpEqpx所以：0ln|lnpabaanbpkTkTVpqqp假设：,papananapnnp（近似3）依据电中性条件，得到：/00qkTpaApapnpNnppe即少子远小于多子耗尽区内无产生和复合电流，且耗尽区内电子和空穴电流恒定偏压下少数载流子浓度耗尽区边缘少数载流子浓度随外加电压增加而呈指数增加。少数载流子注入：由pn结两边的偏压来控制少数载流子浓度。26耗尽区边缘少数载流子浓度与偏压Va的关系：2//0,aaqVkTqVkTinbnDnppeeN2//0aaqVkTqVkTipapAnnneeN目标：加偏压后电流电压关系27N区（远离扩散区）：多子（电子）的漂移电流。N区（扩散区）：少子（空穴）电流与多子（电子）的电流互换。结区：电流连续。P区（扩散区）：少子（电子）电流与多子（空穴）的电流互换。P区（远离扩散区）：多子（空穴）的漂移电流。动画PN结正偏4.5准中性区内的扩散流如果半导体材料均匀掺杂区是准中性的，那么当少数载流子流不是很小，或者说多数载流子流不是很大时：少数载流子可以认为不受电场的影响，主要以扩散方式流动。28目标：加偏压后电流电压关系29归纳为求解电压与少子的扩散电流关系。电子电流和空穴电流的大小在不同区内各不相同，但二者之和保持不变，只要求出通过pn结任何一个截面的总电流就可以。J=b处的电子漂移电流+b处的空穴扩散电流=a处的电子（少子）扩散电流+b处的空穴（少子）扩散电流4.6暗特性4.6.1整个pn结二极管中的载流子浓度分布//001exLqVkTpppnxnnee//001hxLqVkTnnnpxppeen区x位置空穴浓度：p区x’位置电子浓度：在准中性区，为保持空间电荷中性，多数载流子必须有相应的变化。尽管绝对变化相同，多数载流子浓度的相对变化较小。heLL和分别为空穴和电子的扩散长度。304.6.2流过二极管的内电流在准中性区，少子电流是扩散电流，电流为：//01hxLqVkThnhhqDpJxeeL0//1eepxLqVkTeeqDpJxeeL得到耗尽区的电流：000/0|+|=1totalexhxepqVkThnehJJJqDnqDneLL1e/kTqV0II由于电流不随位置变化，所以二极管内的电流为：31理想二极管定律在理想的二极管中，电流与电压的关系为：1e/kTqV0III为通过二极管的净电流，I0为反向暗饱和电流（在没有光照情况下输出的电流），V是施加在二极管两端的电压，q和k分别代表电荷的绝对值和玻耳兹曼常数，T则表示绝对温度（单位为K）。32331e/kTqV0III正向偏置下电流的方向非理想二极管定律在理想的二极管中，电流与电压的关系为：1e/nkTqV0II34n为理想因子（也叫n因子）。理想因子是描述pn结质量和电池的复合类型的测量量。对于复合类型那一节所讨论的简单的复合来说，n的值为1。然而对于其它特别是效应很强的复合类型来说，n的值应该为2。4.7光照特性两个条件：1.被吸收的光可将材料中的电子激发到高能级；2.处于高能级的电子能从电池中移动到外部电路，在外部电路的电子消耗了能量后回到电池中。太阳能电池的结构与工作原理35光照下的pn结这种漂移电流就是光生电流，是由少子运动决定的。主要过程：1.吸收入射光电子并产生电子-空穴对；2.在内电场作用下，电子向N型区漂移，空穴向P型区漂移。电流方向：N型区流向P型区，与扩散电流方向相反。36/e1qVkT0ILI光照下理想二极管内的电流-电压关系假设光照下，整个器件上的电子-空穴对的产生率G相同，得到：//001exLqVkTppepenxnGneGe//001hxLqVkTnnhnhpxpGpeGen区x位置空穴浓度：p区x’位置电子浓度：可见，光生电流IL等于二极管耗尽区及其两边一个少数载流子扩散长度内，全部光生载流子的贡献。准中性区少子相应电流密度为：///01hhxLxLqVkThnhhhqDpJxeeqGLeL0///1eeepxLxLqVkTeeeqDpJxeeqGLeL耗尽区电流密度变化为：||||ehJJqGW可得电流-电压关系：LkTqV0III1e/,LehIqAGLWLA为太阳电池的面积37太阳能电池的伏安曲线太阳能电池的伏安曲线是电池二极管在无光照时的伏安曲线与光生电流的叠加。式中IL为光生电流。光的照射能使伏安曲线移动到第四象限，意味着能量来自电池。用光照射电池并加上二极管的暗电流，则二极管的方程变为：•无光照时：0LI•短路时：LscIIV,0LkTqV0III1e/•开路时：00,ln1LocIkTIVqI384.8太阳能电池的输出参数4.8.1短路电流Isc4.8.2开路电压Voc4.8.3填充因子FF4.8.4转换效率394.8.1短路情况在电池短路的情况下，将不会出现电荷的聚集，因为载流子参与了光电流的流动。短路电流Isc40短路电流Isc短路电流是指电池电压为零时（电池短路时）流过电池的电流，通常记作Isc。•对于电阻阻抗最小的理想太阳能电池，短路电流等于光生电流，所以短路电流与光生载流子的产生与收集有关。•短路电流是电池能输出的最大电流。LscIIV,041影响Isc大小的因素•太阳能电池的表面积；•光子的数量（即入射光的强度）；•入射光的光谱；•电池的光学特性（吸收和反射）；•电池的收集概率。424.8.2开路情况43内电场电子N区产生与内电场相反的电场空穴P区削弱内电场载流子运动达到新的平衡扩散电流增加开路电压Voc多子数目增加