第十四章光器件

P-N结的光生伏特效应
14结能带图： 无光照平衡P-N结，（b）光照 光照P-N结开路状 图 14-7 P-N结能带图：（a）无光照平衡 结 结开路状 光照P 态，（c）光照P-N结有串联电阻时的状态 。
14.2 太阳能电池
对于在整个器件中均匀吸收的情形， 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
P-N结的光生伏特效应
结光生伏特效应就是半导体吸收光能后在P 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： 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 空穴对； 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 第二、非平衡电子和空穴从产生处向非均匀势场区运动， 动，也可以是漂移运动； 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。 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— 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。 结势垒等。
（7 - 9 ）
在开路情况下， ，得到开路电压（ 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 ）
VOC
kT I L = l n 1 + e Is
（7 - 7 ） （7 - 8 ）
在短路情况下（ 在短路情况下（V=0）， ）
I = IL
这是太阳电池能提供的最大电流。 这是太阳电池能提供的最大电流。 太阳电池向负载提供的功率为
dΦ ( x ) = −αΦ ( x ) dx
= α Φ 0 e −α x
假设吸收每个光子产生一个电子—空穴对，则电子 空穴对的产生率为 假设吸收每个光子产生一个电子 空穴对，则电子—空穴对的产生率为 空穴对
G L = αΦ 0 e −αx
（7-20） 20）
产生率是表面深度的函数。稳定条件下 结 侧的空穴扩散方程为 产生率是表面深度的函数。稳定条件下PN结N侧的空穴扩散方程为
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 特性， 图7-7 一个典型的太阳电池在一级气团（AM1）光照下的 特性，AM1即 太阳在天顶时及测试器件在晴朗天空下海平面上的太阳能
4 太阳电池的效率
7.4 太阳电池的效率
太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率。 太阳电池的效率指的是太阳电池的功率转换效率 。它是太阳电池的最 大输出电功率与输入光功率的百分比： 大输出电功率与输入光功率的百分比：
图14 在pn结光电二极管中的光吸收、电子 空穴 对产生和光诱导电流的示意图
图14.18 稳态下，光生少数载流子浓度与pn 结中的 光电流
I dark
D p ni2 D N ni2 = qA( + ) L p N D LN N A
光照产生的光电流IL： 光照时电子-空穴对的产生率GL，在A（LP+LN+W） 体积内产生的电子-空穴对为 A（LP+LN+W）GL，定 向移动形成的电流： IL=q A（LP+LN+W）GL
Pm (× 100%) η= Pin
为输入光功率，太阳电池的最大输出功率： 式中 Pin 为输入光功率，太阳电池的最大输出功率：
（7-12） 12）
Pm = VmP I mP
对于理想太阳电池根据（ 10） 对于理想太阳电池根据（7.10）式，时得最大功率条件
（7-13） 13）
VmP 1 + VT
（7-21b） 21b
在P-N结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为 结处每单位面积电子和空穴电流分量分别为
dPn J p = −qD p dx
x= x j
（7-22a） 22a （7-22b） 22b
dPn J p = qDn dx
x=x j
光子吸收效率定义为
η col =
J p + Jn qΦ 0
d 2 Pn Pn − Pno Dp − + αΦ 0 e −αx = 0 τp dx 2
（7-21a） 21a
7.5 光产生电流和收集效率
与此类似，描述结的 侧电子的扩散方程为 与此类似，描述结的P侧电子的扩散方程为
Dn
d 2np dx
2
−
n p − n p0
τn
+ αΦ 0 e −αx = 0
光电二极管工作原理：光照反偏 结 光电二极管工作原理：光照反偏PN结，产生的光生载流 子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。 子被空间电荷区电场漂移形成反向电流。光电二极管把光 信号转换成了电信号。 信号转换成了电信号。反向的光电流的大小与入射光的强 度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。 度和波长有关。光电二极管用于探测光信号。
14.1 半导体的光吸收 14.2太阳能电池 太阳能电池 14.3光电探测器 光电探测器 14.4光致发光和电致发光 光致发光和电致发光
14.1 半导体的光吸收
14.1 半导体的光吸收
ν 当一定波长的光照射半导体时，若 h
> Eg 则价带
电子吸收光子跃迁到导带。这种电子由带与带之间 的跃迁所形成的吸收过程，称为本征吸收。 本征吸收发生的条件：
太阳电池的I 太阳电池的I-V特性
首先考虑串联电阻 RS 的理想情况。在这种情况下， =0 的理想情况。在这种情况下，太阳电池的等效电路如 图所示。图中电流源为短路光电流 I L 。 图所示。 V-I特性可以简单地由图所示的等效电路写出。 特性可以简单地由图所示的等效电路写出。 式中
eV I = I L − I F = I L + I S 1 − e kT
（7-23） 23）
14.3 光电探测器
1光电导 无光照（暗电导）：
σ0 = qn0µn + qp0µp
光照后：产生非平衡载流子
n = n0 + ∆n p = p0 + ∆p
14。3 光电探测器
9.2.1 pn结光电二极管
光电二极管是加反偏电压的pn结二极管。在二极 管中因吸收光子而产生电子-空穴对，从而为二极 管电流贡献了一个附加的反向电流。 平均而言，距离耗尽层边界不超过一个扩散长度 的准中性区中，产生的少子可以在足够长的时间 内扩散到耗尽区。然后被结电场扫到结的另一边 。I=Idark+IL
h ≥h 0 =h ν ν
c
λ0
= Eg
14.1 半导体的光吸收
即：光子的频率下限 当
ν0 =
Eg h
ν >ν0
λ < λ0
GaAs CdS
才能发生本征吸收
h c = E g
光子的波长上限 λ 0 当
才能发生本征吸收 Eg=1.12eV Eg=1.43eV Eg=2.42eV λ0=1.1µm λ0=0.867µm λ0=0.513µm
例如：Si
14.1 半导体的光吸收
光谱与波长和禁带宽度之间的关系
dI = −αI dx −αx I = I0e
α称为吸收系数，单位cm-1
Figure 14.4
Figure 14.5
电子-空穴对的产生率 电子 空穴对的产生率
• 吸收率：单位时间单位体积内吸收的光子Iα 吸收率：单位时间单位体积内吸收的光子 α • 量子产额：吸收一个光子能产生一对电子-空穴对的 量子产额：吸收一个光子能产生一对电子 空穴对的 几率β，β≤1 几率 ， • 电子 空穴对的产生率：g=βIα 电子-空穴对的产生率： 空穴对的产生率 光强的单位：能量 光强的单位：能量/cm2s-1=W/cm2
14.3 光电探测器
2 pn结光电二极管
光电二极管是加反偏电压的pn结二极管。在二极 管中因吸收光子而产生电子-空穴对，从而为二极 管电流贡献了一个附加的反向电流。 平均而言，距离耗尽层边界不超过一个扩散长度 的准中性区中，产生的少子可以在足够长的时间 内扩散到耗尽区。然后被结电场扫到结的另一边 。I=Idark+IL
Chapter 14
Optical Devices 第十四章 光器件
半导体光电器件： 半导体光电器件： 光电二极管： 把光子能量转换为电能，目 光电二极管： 把光子能量转换为电能， 的是探测或获取光信息。 的是探测或获取光信息。 太阳能电池： 太阳能电池： 把光子能量转换为电能，目 把光子能量转换为电能， 的是产生电能 发光二极管： 发光二极管： 激光二极管： 激光二极管： 把电能转换为光能。 把电能转换为光能。
eV I F = I s exp( ) − 1 kT
这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流， 这个电流的方向与光生电流的方向正好相反，称为暗电流，是太阳电池中的不 利因素。 利因素。
太阳电池的I 14.2 太阳电池的I-V特性
I
hν RL IL
ID V RL
太阳电池理想等效电路
βα I g= hν
单位： 单位：个/cm3s-1
14.2 太阳能电池
太阳能电池是一种在pn结处没 有施加电压的半导体器件 如图所示是带有负载的pn结太 阳能电池，即使施加0偏压，在 0 空间电荷区也存在电场。入射 光照射能够在空间电荷区产生 电子-空穴对，它们将被扫到结 两边，形成相反方向的光电流 IL。
在半导体均匀吸收的情况下， 在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为
I L = qAG L (Ln + LP )
使PN结产生正向电流 PN结产生正向电流
（7 - 5 ）
串联电阻和负载电阻上的电压降加在PN结上， PN结来说这是一个正偏压, 串联电阻和负载电阻上的电压降加在PN结上，对PN结来说这是一个正偏压,它 PN结上 结来说这是一个正偏压