《太阳能电池基础与应用》太阳能电池-第三章

第三章pn结及其伏安特性
pn 结的基本原理3.2
pn 结的制备33.1
pn 结电流电压特性
33.3
本征半导体
扩散Ⅲ族
元素扩散V族元素
p-型n-型
在同一片半导体基片上，采用特殊制作工艺，分别制作p 型半导体和n 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了pn 结。

半导体器件的基本单元，整流效应
线性缓变结：结附近，其杂质分布是缓变分布的，可以用直线近似，其斜率称为杂质浓度梯度。

由深扩散或高能离子注入制得的结。

突变结：PN结两区中
的杂质浓度为均匀分布，
且在交界面处发生杂质
突变。

如果一区的杂质
浓度远高于另一区，称
为单边突变结P +N或
N +P结。

由合金、浅扩散
或低能离子注入形成。

因浓度差
↓
多子的扩散运动→形成空间电荷区
↓
空间电荷区形成内电场
↓
内电场促使少子漂移↓内电场阻止多子扩散漂移运动是电场力作用的结果
扩散运动是载流子浓度分布不均匀所至
在没有电场作用时，半导体载流子是不规则的热运动，因而不形成电流。

当有电场时，半导体中的载流子将产生定向运动，称为漂移运动。

在半导体受光照射或有载流子从外界注入时，使半导体内载流子浓度分布不均匀。

这时载流子便会从浓度高的区域向浓度低的区域运动。

这种由于浓度差而引起的定向运动，称为扩散运动。

3.2pn 结的基本原理
P型半导体
－
－
－
－
－
－
－
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－
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－
－
N型半导体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
扩散运动
内电场E
漂移运动
扩散的结果是使空
间电荷区逐渐加宽，
空间电荷区越宽。

内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

空间电荷区，
也称耗尽层。

空间电荷区中内电场阻碍p中的空穴、n区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。

刚开始时，扩散运动强于漂移运动，使空间电荷区不断加宽，内建电场也随之增强，这又使得漂移运动增强，阻止空间电荷区继续变宽，最后当这两种运动达到平衡态时，内建电场不再变化，空间电荷区的宽度稳定了，便形成了pn结。

E c E f E i E v
pn结接触电势差与势垒高度
)
)
pn结接触电势差与势垒高度
单从掺杂浓度的角度考虑，空间电荷区会落在那一边比较多？
求解半导体输运方程组，需要做一些假设：
❑半导体材料是理想的、高纯度的、不存在界面态；❑内建电压V bi 只存在pn结内部；❑pn结被划分为空间电荷区、电中性n型区和电中性p型区；
P型半导体界面和n型半导体界面是理想界面内建电压只存在于空间电荷区
空间电荷区电场、电势的分布及耗尽宽度的计算
(1)耗尽近似：
❑内建电场只存在于空间电荷区，空间电荷区没有自由载流子，内建电场完全由掺杂离子引起；❑电中性区，没有内建电场，多子浓度仍处于热平衡状态，少子浓度的变化引起电流J;
衬底
n 型电中性区
p 型电中性区
空间电荷区
空间电荷区电场、电势的分布及耗尽宽度的计算
衬底
n 型电中性区
p 型电中性区
空间电荷区电场、电势的分布及耗尽宽度的计算
衬底
n 型电中性区
p 型电中性区
衬底
n 型电中性区
p 型电中性区
lim
衬底
n 型
电中性区
p 型电中性区
衬底
n 型电中性区
p 型
电中性区
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧<<=<<-=n d s p a s x N q dx
d x N q
dx
d ω
εφωεφ0,;
0,22
22方程
n
p x d ωωφξ,,0-==-=φ
φlim lim 0
-→+→=x x p
x ωφ-==,0n
bi x V ωφ==,边界条件
dx
d dx d x x φφlim
lim 0
-→+→=
n
a s
p a N q
ωεω=
V N q
N q
=+
2
2
ωω
单边突变结B
bi
s n qN V x W ε2=
=()
⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛-=W x x
m 1ξξ()cons 22
+⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛-=W x x x m ξψ
3.3pn结电流电压特性
理想pn结模型
❑小注入条件：即注入的少子浓度远小于多子浓度。

在外加电压变化时，中性区边界处的多子浓度的变化可忽略
❑突变结,耗尽近似—可认为外加电压全降落于耗尽层,耗尽层外电中性⇒在扩散区,少子电流只需考虑扩散
❑忽略耗尽层中的产生,复合
⇒通过耗尽层时,可认为电子电流和空穴电流均保持不变❑玻耳兹曼边界条件：边界处载流子浓度通过结上的静电势差相关联，耗尽层两端载流子分布满足玻尔兹曼分布
计算通过pn结的电流密度
1）根据准费米能级计算势垒区边界处注入的非平衡载流子浓度2）以边界处的浓度为边界条件解扩散区的载流子连续性方程，得到扩散区少子分布
3）将少子浓度分布代入扩散方程⇒扩散流密度⇒少子电流密度4）将两者载流子扩散电流密度相加⇒理想pn结的I-V方程
)
1()()1()(/0
/0
0-=-=∆-=-=-∆T
k qV n n n n T
k qV P P P p B B e
p p p x p e n n n x n 边界处非平衡载流子浓度
——外加电场使边界处电子
的浓度提高倍
T
k qV B e /qV
E fn
E fn
E fp
E fp
T
k qV P P B e
n n /0=❑正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散❑非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流
n p (-x p )p p (-x p )=n i 2exp(q V/kT )
n p 0p p 0=n i 2
玻尔兹曼分布
扩散区少子分布考虑极端情况
考虑极端情况
)()(=-+=p n n p x J x J J
正偏
I F （多子扩散）
I R （少子漂移）
反偏
反向饱和电流
反向击穿电压
反向击穿
热击穿——烧坏PN结
电击穿——可逆1)
-(e
J J(V)B qV/k s a
T pn结的电流电压特性
PN 结加正向电压，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN 结导通；PN 结加反向电压，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN 结截止。

PN 结具有单向导电性
偏离理想方程的因素表面效应
势垒区中的产生与复合大注入条件
串联电阻效应3.3pn 结电流电压特性思考题
(1) 耗尽区能带是否是一条直线？
(2) 求pn结的载流子分布
谢谢您的聆听！。