半导体物理 第八章 半导体太阳电池和光电二极管 图文
合集下载
半导体太阳电池和光电二极管
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；这种非均匀势场可以是PN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。 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。在P侧积累了空穴，N侧积累了电子，建立起电势差。
e
IRS
VT
V
IRS RSh
8.4 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。它是
太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：
Pm 100%
Pin
式中 Pin 为输入光功率，Pm为太阳电池的最大输出功率： Pm VmP I mP
对于理想太阳电池， dP dV 0 时得最大功率条件，
(x x) (x) d(x) x (x)x
dx
dx x
dx
• 边界条件在x=0时，x 0
• 解方程可得，x 0ex
• 在半导体的另一端x=W处，光子通量为
W 0e w
8.1 半导体中的光吸收 • 其中吸收系数是光子能量的函数，下图为吸收系
数与波长 之间的关系曲线，
•
• •
8.2 PN结的光生伏打效应
光生电动势加在PN结上，对PN结来说这是一个 正偏压，它使PN结产生正向电流，
I D I0 eV VT 1
而光生电流相当于反向电流，故这个电流的方 向与光生电流的方向正好相反，称为暗
首先考虑串联电阻 RS =0 的理想情况。在这种情况下，
dx
假设吸收每个光子产G生L 一个0e电x子—空穴对，则电子—空穴的 产生率为
稳定条件下PN结N侧D的p dd空2xP2穴n 扩Pn散p方Pno程为0ex 0
e
IRS
VT
V
IRS RSh
8.4 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。它是
太阳电池的最大输出电功率与入光功率的百分比：
Pm 100%
Pin
式中 Pin 为输入光功率，Pm为太阳电池的最大输出功率： Pm VmP I mP
对于理想太阳电池， dP dV 0 时得最大功率条件，
(x x) (x) d(x) x (x)x
dx
dx x
dx
• 边界条件在x=0时，x 0
• 解方程可得，x 0ex
• 在半导体的另一端x=W处，光子通量为
W 0e w
8.1 半导体中的光吸收 • 其中吸收系数是光子能量的函数，下图为吸收系
数与波长 之间的关系曲线，
•
• •
8.2 PN结的光生伏打效应
光生电动势加在PN结上，对PN结来说这是一个 正偏压，它使PN结产生正向电流，
I D I0 eV VT 1
而光生电流相当于反向电流，故这个电流的方 向与光生电流的方向正好相反，称为暗
首先考虑串联电阻 RS =0 的理想情况。在这种情况下，
dx
假设吸收每个光子产G生L 一个0e电x子—空穴对，则电子—空穴的 产生率为
稳定条件下PN结N侧D的p dd空2xP2穴n 扩Pn散p方Pno程为0ex 0
《光电二极管光电池》PPT课件
一、光电二极管 光电二极管等效电路示图 (d) 中。 因为光电二极管总是在反向偏 压下工作，所以iD ＝iS，iS和 光电流iφ都是反向电流。
为了符合人们通常的观察习 惯，把图中第三象限的伏安 特性在i和u倒转后变到第一 象限中,如图 (a)所示。其 中，弯曲点M′所对应的电 压 值 V″ 称 为 曲 膝 电 压 。 为 分析方便，经线性化处理后 的特性曲线如图所示。
这是一种由金属和半导 体接触所制成的光电二 极管，所以这种光电二 极管也称为金属半导体 光电二极管：
M
-
++ ++ ++ ++ ++
S
当金属和n型半导体接触时， 由于金属的费米能级比半导 体的费米能级低，n型半导体 内的电子便向金属内移 动．结果金属一侧带负电。
半导体一侧带正电，形 成内电场。由于内电场 的存在，它将阻止n型 半导中的电子继续移向 金属．直至建立起稳定 的内部电场。
异质结光电二极管有Si-PbS， CdS-PbS，Pb1xSxSb-Pbs，Pb1-xSnxTe-PbTe…等。
四、雪崩光电二极管(APD)
雪崩光电二极管是利用二极管在 高的反向偏压下发生雪崩倍增效 应而制成的光电探测器。
这种器件有电流内增益，一般硅 或锗雪崩光电二极管电流内增益 可达102--103，灵敏度高，响应 速度快，在超高频的调制光照射 下仍有很显著的增益。
要的。图是光电二极管的噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源是
散粒噪声
和电阻热噪声
。
i2 nTຫໍສະໝຸດ ins 2所以输出噪声电流的有效值为
I n (ins 2 inT 2 )1/ 2
[2e(is
《光电二极管》PPT课件
4. i层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作 区域，从而使灵敏度得以提高。
17
18
2.时间特性
由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变 低，决定了频率特性（带宽）与响应度之间的矛 盾关系。
耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si 和Ge材料，一般为20-50μm，渡越时间大于200ps； InGaAs材料，一般为3-5μm，渡越时间30-50ps。
npn称3DU型光电三极管
pnp称3CU型光电三极管
37
（npn）型
•结构：以n型硅片作为衬底，扩散硼而形成p型，再扩散 磷而形成重掺杂n＋层，并涂sio２作为保护层。在重掺杂 n+引出一个电极称为集电极，由中间的p型层引出一个基 极b，也可以不引出，而在n型硅片的衬底上引出发射极e。
38
3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管。结构和普通晶体管类似，只是在材 料的掺杂情况、结面积的大小和基极引线的设置上和普通晶体管不同。因为光电 三极管要响应光辐射，受光面即集电结(bc结)面积比一般晶体管大。另外，它是 利用光控制集电极电流的，所以在基极上既可设置引线进行电控制，也可以不设， 完全由光来控制。
2.雪崩倍增过程
当光电二极管的pn结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场， 它足以使在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动能，通过与晶格原子碰 撞将产生新的电子－空穴对。新的电子－空穴对在强电场作用下。分别向相反 的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子—空穴对。 如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。
3. 光谱响应
光电二极管的光谱响应定义：以等功率的不同单色 辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波 长的关系称为其光谱响应。
17
18
2.时间特性
由于耗尽层宽度小，度越时间小但量子效率将变 低，决定了频率特性（带宽）与响应度之间的矛 盾关系。
耗尽层宽度的选取，在保证响应度的情况下，Si 和Ge材料，一般为20-50μm，渡越时间大于200ps； InGaAs材料，一般为3-5μm，渡越时间30-50ps。
npn称3DU型光电三极管
pnp称3CU型光电三极管
37
（npn）型
•结构：以n型硅片作为衬底，扩散硼而形成p型，再扩散 磷而形成重掺杂n＋层，并涂sio２作为保护层。在重掺杂 n+引出一个电极称为集电极，由中间的p型层引出一个基 极b，也可以不引出，而在n型硅片的衬底上引出发射极e。
38
3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管。结构和普通晶体管类似，只是在材 料的掺杂情况、结面积的大小和基极引线的设置上和普通晶体管不同。因为光电 三极管要响应光辐射，受光面即集电结(bc结)面积比一般晶体管大。另外，它是 利用光控制集电极电流的，所以在基极上既可设置引线进行电控制，也可以不设， 完全由光来控制。
2.雪崩倍增过程
当光电二极管的pn结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场， 它足以使在强电场区漂移的光生载流子于获得充分的动能，通过与晶格原子碰 撞将产生新的电子－空穴对。新的电子－空穴对在强电场作用下。分别向相反 的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子—空穴对。 如此反复，形成雪崩式的载流子倍增。这个过程就是APD的工作基础。
3. 光谱响应
光电二极管的光谱响应定义：以等功率的不同单色 辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波 长的关系称为其光谱响应。
《半导体物理》PPT课件
。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体的光电效应.ppt
白噪声 1/f噪声
f
等效噪声带宽
若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A(f),功率 增益的最大值为Am,则噪声带宽为：
Am
f
A(f) N(f)
f
f
f
f 1
A( f )df
Am 0
说明：噪声均方电流或均方电压时，用此等效带宽。
探测器的主要参数
响应率（积分灵敏度）
探测器的输出信号电压 Vs或电流Is与入射光功率 s之比
NEP s Is
in2
它反映了能探测到的最小光功率
响应时间：
பைடு நூலகம்f0
1
2
其中为响应时间，
f
为探测器的上限频率
0
积分得到：
n(t
)
n0
(1
exp(
t
))
关于响应时间
同样停止光照时：
n(t)
n0
(t)
exp(
t
)
频率响应：
n g n0 1 2 2 1 2 2
矩形脉冲光照弛豫过程图
正弦光照弛豫过程图
I RPVb RP 2Vb S g
( RL RP )2
( RL RP )2
RP RP 2 S g
常用的偏置方法
恒流偏置：
RL RP时
I
S
gVb
(
RP RL
)2
恒压偏置：
RL RP时 V SgVbRL
I
RP2VbSg (RL RP )2
恒功率偏置：即匹配负载法：RL RP
半导体的光电效应
因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应 半导体的光电效应可分为:内电光效应与外电光效应 内电光效应: 光电导效应
21-半导体二极管PPT模板
反向击穿会造成PN结损坏（烧毁），但只要反向电流 不超过一定值，PN结就不会损坏，稳压二极管就是利用这 一特性制作的。普通二极管的反向击穿电压一般在几十伏 以上，高反压管可达几千伏。
2．温度特性
二极管的伏安特性对温度非常敏感。如下图所示，温度 升高，正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。在 室温附近，温度每升高1℃，正向压降约减小2～2.5mV，温 度每升高10℃，反向电流约增大1倍。
电工电子技术
半导体二极管
在PN结上加上电极引线和管壳，就成为一个晶体二极管 （简称二极管），其结构和电路符号如下图所示。其中，从P 区引出的电极称为阳极；从N区引出的电极称为阴极。
1.1 二极管的结构和类型
按结构不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平面 型三大类，如下图所示。
按材料不同，二极管可分为硅二极管和锗二极管。按用 途不同，二极管可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极 管、光电二极管及变容1．最大整流电流
最大整流电流IF是指二极管长期工作允许通过的最大正向 电流。在规定的散热条件下，二极管的正向平均电流不能超过 此值，否则可能使会二极管因过热而损坏。
2．最大反向工作电压
最大反向工作电压URM是指二极管工作时允许外加的最 大反向电压。若超过此值，二极管可能会被击穿。通常取反 向击穿电压UBR的一半作为URM。URM数值较大的二极管称为 高压二极管。
（4）电压温度系数αU
电压温度系数αU是指温度每增加1℃时，稳定电压的相 对变化量，即
U
U Z U Z T
100%
2．发光二极管
发光二极管（LED）是一种能将电能转换成光能的半导 体器件，其材料主要为砷化镓、氮化镓等，主要用于音响设 备的电平显示及线路通、断状态的指示等。
2．温度特性
二极管的伏安特性对温度非常敏感。如下图所示，温度 升高，正向特性曲线向左移动，反向特性曲线向下移动。在 室温附近，温度每升高1℃，正向压降约减小2～2.5mV，温 度每升高10℃，反向电流约增大1倍。
电工电子技术
半导体二极管
在PN结上加上电极引线和管壳，就成为一个晶体二极管 （简称二极管），其结构和电路符号如下图所示。其中，从P 区引出的电极称为阳极；从N区引出的电极称为阴极。
1.1 二极管的结构和类型
按结构不同，二极管可分为点接触型、面接触型和平面 型三大类，如下图所示。
按材料不同，二极管可分为硅二极管和锗二极管。按用 途不同，二极管可分为普通二极管、整流二极管、稳压二极 管、光电二极管及变容1．最大整流电流
最大整流电流IF是指二极管长期工作允许通过的最大正向 电流。在规定的散热条件下，二极管的正向平均电流不能超过 此值，否则可能使会二极管因过热而损坏。
2．最大反向工作电压
最大反向工作电压URM是指二极管工作时允许外加的最 大反向电压。若超过此值，二极管可能会被击穿。通常取反 向击穿电压UBR的一半作为URM。URM数值较大的二极管称为 高压二极管。
（4）电压温度系数αU
电压温度系数αU是指温度每增加1℃时，稳定电压的相 对变化量，即
U
U Z U Z T
100%
2．发光二极管
发光二极管（LED）是一种能将电能转换成光能的半导 体器件，其材料主要为砷化镓、氮化镓等，主要用于音响设 备的电平显示及线路通、断状态的指示等。
光电二极管专题知识课件
3 光电流推导
简介 物理过程 光电流推导
光电流体现式旳物理含义
IL qAG(Ln xd Lp )
从光电流旳体现式能够看出，光电流能够等效为在二极管 耗尽区及其两侧一种少子扩散长度内光生载流子旳贡献之和。
应用拓展 特征有关
4 应用拓展
简介 物理过程
一、微型光电池 主要利用旳是光生伏特效应。
光电流推导
光耦合器一般由三部分构成：光旳发射、光旳接受及信号放 大。输入旳电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长 旳光，被光探测器接受而产生光电流，再经过进一步放大后输出 。这就完毕了电—光—电旳转换，从而起到输入、输出、隔离旳 作用。因为光耦合器输入输出间相互隔离，电信号传播具有单向 性等特点，因而具有良好旳电绝缘能力和抗干扰能力。
硅光电二极管旳光谱范围为400至1100nm，其峰值波长为 880至900nm。恰好与砷化镓发光二极管波长相匹配，能够取得 很高旳传播效率（光电耦合）。
12/5/2023
谢谢大家！
光电耦合器旳应用十分广泛。例如，能够用来连接高频和低 频电路，起到隔离作用，阻绝频率旳不同对其他电路可能造成旳 影响。
特征有关
5 特征有关
简介 物理过程 光电流推导 应用拓展 特征有关
一、部分主要性能参数
响应率 响应度是光生电流与产生该事件光功率旳比。工作于光导
模式时旳经典体现为A/W。响应度也常用量子效率表达，即光生 载流子与引起事件光子旳比。
一、扩散电流 连续性方程
因为电子和空穴旳讨论是相同旳，我们仅对空穴电流作分 析。稳态情况下，空穴满足连续性方程：
Dp
d 2p dx2
p p
G
0
这是一种二阶常系数非齐次线性微分方程。能够得到该方 程旳通解为：
《光电二极管》课件
光电二极管的工作原理
当光线照射在光电二极管的 PN 结上时，光能将某些电子从半导体原子的价带跃迁到导带，这些电子被称为光 电子。光电子向结的 N 区移动时，会在 PN 结上产生电信号。
光电二极管的不同类型
普通二极管
只允许单向传输，不能在电子导通时输出光信号。
光控二极管
通过光控效应，将光线转换为电信号，作用于电路中，输出电流或电压信号。
2
工业领域
广泛应用于激光打标机、激光切割机、机器视觉等设备中。
3
医疗领域
广泛应用于光学照明、医疗诊断、生物成像等领域。
4
市场前景
光电二极管市场随着科技的发展将会不断拓展，市场容量持续扩大，预计未来几年将保持稳 步增长。
成功应用光电二极管的案例
条形码识别
光电二极管广泛应用于条形码扫 描器中，可以快速读取条形码上 的信息。
《光电二极管》PPT课件
欢迎大家来到本次的《光电二极管》PPT课件。本次分享将向大家介绍光电二 极管的定义、原理、结构与制作方法、性能表征、应用与市场、以及未来展 望。
光电二极管的定义
光电二极管是一种可以将光信号转换成电信号的半导体器件。通过光子的照 射，产生光生载流子，并使其在电场作用下发生漂移运动，控制器件导通和 截止状态。
太阳能电池板
太阳能电池板中的光电二极管可 以将阳光转换为电信号，将其储 存入电池或输 可以与传感器相结合，形成智能 路灯，具备自动感应、远程控制、 多种显示模式等智能功能。
光电二极管的认识与未来展望
通过本次分享，大家对光电二极管有了更深入的了解。光电二极管因其应用 领域广泛，市场前景良好，未来发展趋势必将更加广阔。
光电晶体管
通过光电效应，将光线转换为导通电流信号，并放大输出到上游电路。
半导体太阳能电池和光电二极管PPT共55页
半导体太阳能电池和光电二极管
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
半导体太阳能电池和光电二极管55页PPT
半导体ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ阳能电池和光电二极管
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 若PN结从外部短路，则PN结附近的光生载流子将通过这个途径流通。这 时流过太阳电池的电流叫短路电流，用IL表示。其方向从PN结内部看是从 N区指向P区的 。此时光电压为零，能带图恢复为图8-6(a).
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章 半导体太阳 能电池和光电二极管
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
第八章 半导体太阳电池和光电二极管
1. 太阳能：
引言
储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性。
2. 太阳电池：
寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点。
3. 太阳电池效率：
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.1 太阳电池的基本结构
上电极为栅格形状，这种结 构能够有大的曝光面积，而 同时又使串联电阻保持合理 的数值。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.2 P-N结的光生伏特效应
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.1 半导体中的光吸收
假设半导体被光子能量hν> Eg光源均 匀照射，光子通量为Φ0，则：
d( x ) / dx ( x ) (8-1-2)
比例系数α称为吸收系数。其解为：
(
x
)
e x
0
(8-1-3)
即：在半导体另一端处光子通量为：
2. 降在负载电阻上的电压也加在PN结上，使PN结产生正向电流：
ID I0 (eV /VT 1)
（8-2-2）
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。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
小结：
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
小结：
3.在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为：
I L qAGL Ln LP
（8-2-1）
4.负载电阻上的电压降加在PN结上，使PN结产生正向电流：
I D I 0 eV VT 1
（8-2-2）
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
( x ) 0eW
(8-1-4)
图8-3 光吸收的特性
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.1 半导体中的光吸收
吸收系数是光子能量的函数。
禁带宽度为Eg的半导体的吸 收截止波长为：
c
1.24
Eg eV
m
(8-1-5)
截止波长附近的吸收曲线称为 吸收边。
图8-4 几种半导体的吸收系数
1.半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为PN结的光 生伏特效应。 2.如果PN结处于开路状态，光生载流子只能积累于PN结两侧。非平 衡载流子的出现意味着N区电子的费米能级升高，P区空穴的费米能 级降低。P区和N区费米能级分开的距离就等于光生电动势qVoc。PN 结的势垒高度将由热平衡的qψ0 降低为 q(ψ0 –Voc )。如果把PN结从 外部短路，会产生短路电流，这时非平衡载流子不再积累在PN结两 侧，光电压为零。P区和N区费米能级相等，能带图恢复为图8-6(a)。 一般情况下，PN结材料和引线总有一定电阻，这时有电流通过时， 光生载流子只有一部分积累于PN结上，使势垒降低qV，V是电流在 串联电阻RS上产生的电压降。 半导体器件物理与实验——国家级精品课程
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.2 P-N结的光生伏特效应光生载流子将积累于PN结两侧，这时PN结两端测得的 电位差（开路电压）就是光生电动势，记为Voc，此时有：EFN – EFP = q Voc .
太阳电池中的不利因素。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§ 8.3 太阳电池的I-V特性
教学要求：
1.画出理想太阳电池等效电路图，根据电池等效电路图写 出太阳电池的I－V特性方程（8-3-1）式。 2.了解太阳电池的I-V特性曲线（图8-8），解释该曲线所包 含的物理意义。 3.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（8-3-6）式。
单晶硅电池24％、非晶硅电池13.2％、InGaAs/GaAs叠层41.4 ％
4. 太阳电池和光电二极管基本工作原理相同，用途不同。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.1 半导体中的光吸收
hc 1.24 (m) h h (eV )
图8-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图
P-N结光生伏特效应是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电 动势的现象。光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程： 1. 半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对； 2. 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； 3. 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。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
教学要求：
1. 掌握概念：光生伏特效应、光电压、光电流、短 路光电流 、暗电流。
2. 掌握PN结光生伏特效应的基本过程。 3. 利用能带图分析光生伏特效应。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
8.2.2 P-N结的光生伏特效应
1. 设光在整个器件中被均匀吸收，短路光电流可以表示为:
I L qAGL Ln LP
（8-2-1）
式中GL为光生电子空穴对的产生率，A为P-N结的结面积， A(Ln+Lp)为半导体产生光生载流子的体积。由式（8-2-1）可 知短路光电流IL取决于光照强度和P-N结的性质。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章 半导体太阳 能电池和光电二极管
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
第八章 半导体太阳电池和光电二极管
1. 太阳能：
引言
储量无限性（40亿年）、存在普遍性、清洁性、经济性。
2. 太阳电池：
寿命长、效率高、性能可靠、成本低、无污染等优点。
3. 太阳电池效率：
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.1 太阳电池的基本结构
上电极为栅格形状，这种结 构能够有大的曝光面积，而 同时又使串联电阻保持合理 的数值。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.2 P-N结的光生伏特效应
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.1 半导体中的光吸收
假设半导体被光子能量hν> Eg光源均 匀照射，光子通量为Φ0，则：
d( x ) / dx ( x ) (8-1-2)
比例系数α称为吸收系数。其解为：
(
x
)
e x
0
(8-1-3)
即：在半导体另一端处光子通量为：
2. 降在负载电阻上的电压也加在PN结上，使PN结产生正向电流：
ID I0 (eV /VT 1)
（8-2-2）
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。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
小结：
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
小结：
3.在半导体均匀吸收的情况下，短路光电流为：
I L qAGL Ln LP
（8-2-1）
4.负载电阻上的电压降加在PN结上，使PN结产生正向电流：
I D I 0 eV VT 1
（8-2-2）
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
( x ) 0eW
(8-1-4)
图8-3 光吸收的特性
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.1 半导体中的光吸收
吸收系数是光子能量的函数。
禁带宽度为Eg的半导体的吸 收截止波长为：
c
1.24
Eg eV
m
(8-1-5)
截止波长附近的吸收曲线称为 吸收边。
图8-4 几种半导体的吸收系数
1.半导体吸收光能后在PN结上产生光生电动势的效应称为PN结的光 生伏特效应。 2.如果PN结处于开路状态，光生载流子只能积累于PN结两侧。非平 衡载流子的出现意味着N区电子的费米能级升高，P区空穴的费米能 级降低。P区和N区费米能级分开的距离就等于光生电动势qVoc。PN 结的势垒高度将由热平衡的qψ0 降低为 q(ψ0 –Voc )。如果把PN结从 外部短路，会产生短路电流，这时非平衡载流子不再积累在PN结两 侧，光电压为零。P区和N区费米能级相等，能带图恢复为图8-6(a)。 一般情况下，PN结材料和引线总有一定电阻，这时有电流通过时， 光生载流子只有一部分积累于PN结上，使势垒降低qV，V是电流在 串联电阻RS上产生的电压降。 半导体器件物理与实验——国家级精品课程
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
8.2.2 P-N结的光生伏特效应光生载流子将积累于PN结两侧，这时PN结两端测得的 电位差（开路电压）就是光生电动势，记为Voc，此时有：EFN – EFP = q Voc .
太阳电池中的不利因素。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§ 8.3 太阳电池的I-V特性
教学要求：
1.画出理想太阳电池等效电路图，根据电池等效电路图写 出太阳电池的I－V特性方程（8-3-1）式。 2.了解太阳电池的I-V特性曲线（图8-8），解释该曲线所包 含的物理意义。 3.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（8-3-6）式。
单晶硅电池24％、非晶硅电池13.2％、InGaAs/GaAs叠层41.4 ％
4. 太阳电池和光电二极管基本工作原理相同，用途不同。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.1 半导体中的光吸收
hc 1.24 (m) h h (eV )
图8-1 从紫外区到红外区的电磁波谱图
P-N结光生伏特效应是半导体吸收光能后在P-N结上产生光生电 动势的现象。光生伏特效应涉及到以下三个主要的物理过程： 1. 半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子—空穴对； 2. 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； 3. 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。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
第八章：半导体太阳电池和光电二极管
§8.2 P-N结的光生伏特效应
教学要求：
1. 掌握概念：光生伏特效应、光电压、光电流、短 路光电流 、暗电流。
2. 掌握PN结光生伏特效应的基本过程。 3. 利用能带图分析光生伏特效应。
半导体器件物理与实验——国家级精品课程
8.2.2 P-N结的光生伏特效应
1. 设光在整个器件中被均匀吸收，短路光电流可以表示为:
I L qAGL Ln LP
（8-2-1）
式中GL为光生电子空穴对的产生率，A为P-N结的结面积， A(Ln+Lp)为半导体产生光生载流子的体积。由式（8-2-1）可 知短路光电流IL取决于光照强度和P-N结的性质。