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半导体光电子器件半导体光电子器件2 “Complete Guide to Semiconductor Device” 指出：指出： 半导体器件有半导体器件有67种，种，110余变种。余变种。 概概 述述9能带结构及载流子分布能带结构及载流子分布?10P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVF/kT)np0exp(qVF/kT)P区区n区区pp0pn0nn0np0pn0exp(qVR/kT)np0exp(qVR/kT)正正 偏：偏：反反 偏：偏：)KTqVexp(n)x(p)x(n)x(p)x(nAinp2 11费米能级费米能级12载流子输运过程载流子输运过程13I-V特性特性nppnKTqVSKTqVnponpnoppnnPLwLw)e(JewnqDwpqD)x(J)x(JJAA 11LnLp?WPWn14势垒电容物理机制势垒电容物理机制P区区n区区P区区n区区空穴补偿空穴补偿电子补偿电子补偿空穴释放空穴释放电子释放电子释放偏压上升：偏压上升： 变窄变窄偏压下降：偏压下降： 变宽变宽TACdV|Q|d 15扩散电容物理机制扩散电容物理机制P区区n区区pnDAnApCdV|Q|ddVdQ 161-2 MIS结构结构一、一、MIS结构物理基础结构物理基础 1、半导体表面状态与能带结构、半导体表面状态与能带结构 2、半导体表面势与表面电荷、半导体表面势与表面电荷 3、氧化层电荷与界面态作用、氧化层电荷与界面态作用 4、强反型与阈值电压、强反型与阈值电压 5、深耗尽状态及机理、深耗尽状态及机理二、二、MISFET电学特性电学特性 1、MISFET基本原理与结构基本原理与结构 2、MISFET基本类型与特性基本类型与特性17MIS基本基本结构及属性结构及属性oxCC111 故故体体表表面面电电容容很很大大当当处处反反型型状状态态时时，半半导导串串联联与与系系结结构构具具有有电电容容特特性性，且且半半导导体体表表面面层层电电容容绝绝缘缘层层电电容容；有有SoxSoxSoxSMSSMoxMSMoxMGSoxGSoxGCCMOSCCCCCQQdQdVdQdVdQdVdQdVdQdVdVdVdVVVVVGn-Si or p-SimetalinsulatorVoxVSSurface Space Charge Region18(WmWs)/q(EiEF)/q可略可略表面状态与能带结构表面状态与能带结构表面势与表面电荷表面势与表面电荷?强反型与阈值电压强反型与阈值电压? ?VG =VT=VFB (Q反反+Q耗尽耗尽 )/ Cox +2F = VFBQ耗尽耗尽/ Cox +2F VFB = ms QSiO2 / Cox 19深耗尽状态及机制深耗尽状态及机制VGVGVGdVG/dt ppp20VGVTp-SiMOSFET结构、原理及类型结构、原理及类型n+n+结构及类型结构及类型?211-3 金属与半导体接触金属与半导体接触一、金一、金-半接触物理基础半接触物理基础 1、金、金-半接触类型与能带结构半接触类型与能带结构 2、势垒形成与界面态、势垒形成与界面态 3、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势二、肖特基结基本电学特性二、肖特基结基本电学特性 1、基本电学特性、基本电学特性 2、载流子输运过程及机制、载流子输运过程及机制22势垒接触势垒接触23非势垒接触非势垒接触24非势垒接触（欧姆接触？）非势垒接触（欧姆接触？）25表面态影响与欧姆接触表面态影响与欧姆接触EFm261-4 异质结与量子阱异质结与量子阱一、异质结物理基础一、异质结物理基础 1、基本类型与能带结构、基本类型与能带结构 2、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势二、异质结基本电学特性二、异质结基本电学特性 1、载流子输运过程、载流子输运过程 2、基本电学特性与特征、基本电学特性与特征三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格 1、量子阱、量子阱 2、超晶格、超晶格 3、量子点与量子线、量子点与量子线四、二维电子气（四、二维电子气（2DEG）与二维空穴气（）与二维空穴气（2DHG）27一、异质结物理基础一、异质结物理基础 异质结：异质结： 两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。两种禁带宽度不同的半导体材料组成的结。 1、基本类型与能带结构、基本类型与能带结构 类型：类型： 异型异质结异型异质结-两种材料导电类型不同；两种材料导电类型不同； 同型异质结同型异质结-两种材料导电类型相同。两种材料导电类型相同。 主要应用：主要应用： 微电子器件微电子器件-提高增益、频率特性、线性提高增益、频率特性、线性 度，减小噪声、功耗等。度，减小噪声、功耗等。 光电子器件光电子器件-提高器件光电转换效率等。提高器件光电转换效率等。 主要结构材料：主要结构材料： GaAs基材料，如，基材料，如，AlxGa1-xAs/GaAs、 InxGa1-xAs/GaAs；Si基：基：Si1-xGex/Si，- 28 2、能带结构、能带结构特特 征：征：导带、价带分别存在带隙差导带、价带分别存在带隙差EC和和EV特点：特点： 高、低势垒高、低势垒ECEVEcor缓变异性异质结缓变异性异质结293、空间电荷区与电势、空间电荷区与电势 1）空间电荷区形成过程）空间电荷区形成过程 2）电场及其分布）电场及其分布 掺杂浓度：掺杂浓度：和和； 介电常数介电常数p S和和n S)xx(qN)x(ppsAp xp x 0： )xx(qN)x(nnsDn 0 x xn：特征：特征： 场线性分布；场线性分布； 电场在界面处不连续；电场在界面处不连续； 电位移失量连续。电位移失量连续。 303）接触电位差）接触电位差-D 空间电荷区空间电荷区p区侧区侧-P n区侧区侧-nDnsApsDDnsDpNNVNV DnsApsDApsDnNNVNV 222DAmADpsDAmDAnsnspsDnDpDNNxNNNNxNNqVVV 正、负正、负空间空间电荷区电势差与掺杂浓度关系电荷区电势差与掺杂浓度关系 VDp/VDn = n s ND/p s NA !314） 空间电荷区宽度空间电荷区宽度 2122 )NN(NqNV)NN(xApsDnsDADDAnspsm 212 )NN(qNVNxDnsApsADDnspsmp 212 )NN(qNVNxDnsApsDDAnspsmn 联解上述方程联解上述方程 非平衡异质非平衡异质pn结结-上式上式用（用（）替换。）替换。 -表示正偏；表示正偏；-表示反偏。表示反偏。 p区侧：区侧：n区侧：区侧：325） 势垒电容势垒电容 空间电荷区正的或负的电荷量空间电荷区正的或负的电荷量 : 212 DnsApsADDAnspsNN)VV(NqNQ 单位面积势垒电容单位面积势垒电容 212 )VV)(NN(NqNdVdQCADDnsApsDAnspsAT 与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同与掺杂浓度、偏置电压的关系与同质结相同33二、异质结基本电学特性二、异质结基本电学特性(n区宽带区宽带p区窄带为例区窄带为例) 1、载流子输运过程（载流子势垒）、载流子输运过程（载流子势垒）图图a)和和(c)所示异质结：所示异质结： 电子从电子从n区导带渡越到区导带渡越到p区区 导带跨越的势垒高度为导带跨越的势垒高度为 ： （qVD-EC） 空穴从空穴从p区价带渡越到区价带渡越到n区区 价带跨越的势垒高度为：价带跨越的势垒高度为： （qVD+Ev）图图(b)所示异质结：所示异质结： 电子从电子从n区导带到区导带到p区导带跨越势垒高度为：区导带跨越势垒高度为：qVDn 空穴从空穴从p区到区到n区跨越势垒高度仍为（区跨越势垒高度仍为（qVDE） 特征特征: : 电子和空穴渡越的势垒高度不同电子和空穴渡越的势垒高度不同 VDn低势垒异质结低势垒异质结高势垒异质结高势垒异质结缓变异质结缓变异质结34 11KTqVexpLnqDKTqVexpKTEqVexpLNqDJAnponACDnDnn 11KTqVexpLpqDKTqVexpKTEqVexpLNqDJApnopAVDpApp 2、基本电学特性与特征、基本电学特性与特征 1）基本电学特性）基本电学特性 低势垒异质结和缓变异质结低势垒异质结和缓变异质结: 形式与同质形式与同质pnpn结相同，但少子密度项表示有差别结相同，但少子密度项表示有差别35 KTqVKTqVLnqDKTqVKTqVKTqVLNqDJpnnponpnDnnDnnexpexpexpexpexp KTqVKTqVLpqDKTqVKTqVKTEqVLNqDJpnpnoppnVDpAppexpexpexpexpexp 高势垒异质结：高势垒异质结： 36 2）电子流与空穴流特征）电子流与空穴流特征-注入比注入比同质结电子流与空穴流注入比同质结电子流与空穴流注入比 nAppDnPnLNLNII 异质结电子流与空穴流注入比异质结电子流与空穴流注入比 KTEexpLNLNIIgnAppDnPn KTEqVexpLNLNIIVDpnAppDnpn 若若Eg = 250mv，注入比可以比同质结高，注入比可以比同质结高104倍以上倍以上37要要 点点能带结构及特征；能带结构及特征； 载流子渡越势垒特征；载流子渡越势垒特征； I-V方程形式；方程形式； 电流注入比。电流注入比。38IVB#异质结基本应用异质结基本应用A1. 限制限制BJT频率特性因素频率特性因素bBpeeEnbpEnE0wNwNII nEpEnEVBnEpEnEVBnEpEnEnEnEncEnEEncoIIIIIIIIIIIIIIIIII 11111 存在极限存在极限 不不能能太太小小bbT318BbbBb21bnb32BE0WWfcm10NrWNrrfcm10NN1 ,)(max ？39 A2.解决途径解决途径HBT(异质结双极晶体管异质结双极晶体管)qVpqVnEmitterBaseCollectorSi BJTqVn=qVpqVpqVnEmitterBaseCollectorSiGe HBTqVn qVpbBpeeEnbPEnEwNwNII KTEwNwNKTEEwNwNIIgbBpeeEnbcvbBpeeEnbPEnE expexp earlyTTeTbfbEBVfCfwNfrNNmax122)(2 TcoCCSLmcnbbTcoecTeoeTCwvxDwCAACqjKTf 21max8 cbTCrff 40势垒势垒# 三、量子阱与超晶格三、量子阱与超晶格 1、量子阱、量子阱 二个异质结组成，其中间层导带底最低、价带顶二个异质结组成，其中间层导带底最低、价带顶 最高；或仅导带底最低；或仅价带顶最高。最高；或仅导带底最低；或仅价带顶最高。 2、超晶格、超晶格 量子阱（或不同导电类型材料）组成的一维周期性结量子阱（或不同导电类型材料）组成的一维周期性结 构，其势垒宽度小于电子的德布罗意波长。构，其势垒宽度小于电子的德布罗意波长。L小于德布罗意波长小于德布罗意波长( ( 50nm）LEg1Eg2ECEVpnn异质结超晶格异质结超晶格掺杂超晶格掺杂超晶格4142 3、量子线与量子点、量子线与量子点 量子线：量子线： 二个方向物理尺寸小于德布罗意波长二个方向物理尺寸小于德布罗意波长 量子点：量子点： 三个方向物理尺寸小于德布罗意波长三个方向物理尺寸小于德布罗意波长43 1、量子阱、量子阱载流子能量量子化载流子能量量子化 42321200012z222222zEzm)y,x(E)y,x(m)z()yx()zyx(LzLzz)z(VzyxEzyx)z(Vzyxmxy 有有式式代入代入近似近似量子阱量子阱近似近似0LV0 1）单量子阱中电子）单量子阱中电子状态状态-遵循薛定谔方程遵循薛定谔方程xxyz44 量谱量谱平面内电子具有连续能平面内电子具有连续能特点：特点：本征能量值解本征能量值解波函数形式波函数形式面内面内势阱势阱xy52222222yxxyyxxykkmEykxkjexpAy,xy,xEy,xmxy 二维电子气（二维电子气（2DEG）二维空穴气（二维空穴气（2DEG）0LV0 xxyz45 2222y2x2222xynxyz222nz2zLzLz2zz22nLm2Ekkm2nLm2EEE321nnLm2EEEm2zzzzzczBzEm2zEzm24 hz2zzzzLz0zz2z)()(z,)(knk321nnk0ksin, 0c0ksink)()(z 样有样有对于空穴量子化能级同对于空穴量子化能级同而总能量为：而总能量为：在在足上述能量的波函数存足上述能量的波函数存方向量子化，只容许满方向量子化，只容许满可见能量在可见能量在可有可有代入代入将将，即：即：有：有：边界条件：边界条件：则，解的形式为则，解的形式为式中令式中令有有式，式，方向，根据方向，根据势阱内势阱内EhhELh0L46 度降低而减少度降低而减少能级数与能级间隔随深能级数与能级间隔随深对于有限深势阱，量子对于有限深势阱，量子有效禁带宽度有效禁带宽度22222e2nLm2nLm2 h3Dgeffg)()(EE EhhELh47 2）单量子阱中电子）单量子阱中电子状态密度状态密度 对空穴同样适用对空穴同样适用，为能级之和：为能级之和：密度密度个量子化能级，其总态个量子化能级，其总态如量子阱中有如量子阱中有化能级态密度为：化能级态密度为：由于量子化，每个量子由于量子化，每个量子与能量无关与能量无关为为量间隔状态密度量间隔状态密度则，单位体积，单位能则，单位体积，单位能能量间隔状态数为能量间隔状态数为那么，单位面积，单位那么，单位面积，单位为为积所含状态数积所含状态数则，考虑自旋，单位面则，考虑自旋，单位面其面积其面积为为半径半径线为一圆线为一圆面二维运动电子等能曲面二维运动电子等能曲，阱内，阱内根据根据度抛物线形分布度抛物线形分布三维运动状态电子态密三维运动状态电子态密 n-1nnnn12n1n2n22xy222xy212xy222EE0EE1EEHEEHL1EEEnLELExyEgE2S2EDEDE2SE2RRxy2mmmmmm,mkkmEyxxy (E)482、超晶格、超晶格 1） 多量子阱多量子阱 单量子阱周期性组成，势垒宽度大于德布罗意波长。单量子阱周期性组成，势垒宽度大于德布罗意波长。 量子阱内电子状态与单量子阱相同。量子阱内电子状态与单量子阱相同。EhhELh49 2）超晶格）超晶格 势垒宽度小于德布罗意波长的多量子阱。势垒宽度小于德布罗意波长的多量子阱。 特点：电子在阱间共优化运动；特点：电子在阱间共优化运动； 量子化能级展宽成微带；量子化能级展宽成微带； 量子阱量子阱xyxy面内电子能量仍连续。面内电子能量仍连续。EhhELh50 3、量子线与量子点、量子线与量子点 量子线：量子线： 二个方向物理尺寸小于德布罗意波长二个方向物理尺寸小于德布罗意波长 量子点：量子点： 三个方向物理尺寸小于德布罗意波长三个方向物理尺寸小于德布罗意波长 E E E E 3D2D1D0D nEEHLmEEmmE 2322 21222222221 j , iyxyxLjLimELLmE ：维维量量子子线线 k , j , ixyxzyxLkLjLimELLLE2222222222 ：零零维维量量子子点点51# # 超晶格能级状态超晶格能级状态 - -载流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期性势场载流子受晶格周期性势场和可控的超晶格周期性势场作用。那么载流子的波函数也可人为控制。作用。那么载流子的波函数也可人为控制。)()()()(222zEzzVzmz 222zEm 0)()(222 zdzzd 薛定谔方程薛定谔方程边界条件边界条件V(z)=0 0 z 光子动量光子动量72三、半导体的光辐射三、半导体的光辐射 处于激发态处于激发态( (高能态高能态) )的电子跃迁至低能态，能量以光的电子跃迁至低能态，能量以光 辐射辐射( (光子光子) )形式释放形式释放-光辐射。光辐射。 光辐射光辐射光吸收逆过程。光吸收逆过程。gEh 1、辐射跃迁过程、辐射跃迁过程 1) 本征跃迁本征跃迁 导带电子跃迁到价带与空穴复合导带电子跃迁到价带与空穴复合 直接跃迁直接跃迁(直接复合直接复合)： 能量守恒：能量守恒： 波矢相等：辐射效率高。波矢相等：辐射效率高。 间接跃迁间接跃迁(间接复合间接复合)： 能量守恒：能量守恒： 波矢不等：辐射效率低。波矢不等：辐射效率低。pgnEEh kEk直接跃迁直接跃迁间接跃迁间接跃迁 kEk直接跃迁直接跃迁间接跃迁间接跃迁731、辐射跃迁过程、辐射跃迁过程2).非本征跃迁非本征跃迁 a.导带电子跃迁到杂质能级；导带电子跃迁到杂质能级； b.杂质能级电子跃迁到价带、杂质能级；杂质能级电子跃迁到价带、杂质能级； c.激子复合：激子中电子与空穴复合，激子复合：激子中电子与空穴复合， d.等电子中心复合：等电子中心复合： 等电子：同价原子替代晶体原子。等电子：同价原子替代晶体原子。 等电子中心：等电子中心：替代原子与晶体原子序数不同，内层原子结构替代原子与晶体原子序数不同，内层原子结构 不同，电负性不同。原子序数小，对电子亲和力大，易俘不同，电负性不同。原子序数小，对电子亲和力大，易俘 获电子，形成负电中心。反之，形成正电中心。该中心称获电子，形成负电中心。反之，形成正电中心。该中心称 为等电子中心。为等电子中心。 等电子中心复合：等电子中心俘获相反类型载流子，形成激等电子中心复合：等电子中心俘获相反类型载流子，形成激 子子-复合。复合。 e.等分子中心复合：等分子中心复合： 等分子中心：等分子中心：化合物材料中分子被另一种等价分子替代，电化合物材料中分子被另一种等价分子替代，电 负性不同，形成等分子中心。负性不同，形成等分子中心。 等分子中心复合：等分子中心复合：等分子中心俘获电子或空穴，形成负电或等分子中心俘获电子或空穴，形成负电或 正电中心；正电中心； 再俘获相反类型载流子，形成激子再俘获相反类型载流子，形成激子-复合。复合。束缚能；束缚能； Eh 74# 半导体的光辐射半导体的光辐射辐射跃迁机制辐射跃迁机制 1).本征跃迁本征跃迁 2).非本征跃迁非本征跃迁 -； 激子复合；激子复合； 等电子中心复合；等电子中心复合； 等分子中心复合等分子中心复合 kEk直接跃迁直接跃迁间接跃迁间接跃迁能量关系能量关系75折射率与吸收系数折射率与吸收系数 光波在光波在 0 的介质中传播时的介质中传播时: 折射率折射率 成为复数，虚部为表征光振幅衰减的参数成为复数，虚部为表征光振幅衰减的参数-消光系数；消光系数； 偏振的电场和磁场矢量的振幅都按偏振的电场和磁场矢量的振幅都按 exp(- Kz/c) 衰减衰减; 光振幅衰减是由于介质内自由电荷吸收；光振幅衰减是由于介质内自由电荷吸收； 光强按光强按I(x)=I(0)exp(-x)衰减。衰减。半导体的光吸收半导体的光吸收 机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收，机制：本征吸收，杂质吸收，自由载流子吸收， 激子吸收，晶格振动吸收，子带吸收。激子吸收，晶格振动吸收，子带吸收。半导体的光辐射半导体的光辐射 1) 本征跃迁本征跃迁- 导带电子跃迁到价带与空穴复合导带电子跃迁到价带与空穴复合 直接跃迁直接跃迁(直接复合直接复合)- 波矢相等：辐射效率高。波矢相等：辐射效率高。 间接跃迁间接跃迁(间接复合间接复合)- 波矢不等：辐射效率低。波矢不等：辐射效率低。 2).非本征跃迁非本征跃迁 a.导带电子跃迁到杂质能级；导带电子跃迁到杂质能级； b.杂质能级电子跃迁到价带、杂质能级；杂质能级电子跃迁到价带、杂质能级； c.激子复合：激子复合：激子中电子与空穴复合，激子中电子与空穴复合， d.等电子中心复合：等电子中心复合： e.等分子中心复合：等分子中心复合：条条 件件 能量守恒能量守恒; 动量守恒。动量守恒。 762、光子与电子相互作用的物理过程、光子与电子相互作用的物理过程a.光的自发辐射光的自发辐射 处于激发态的电子以一定几率随机地跃迁到低能处于激发态的电子以一定几率随机地跃迁到低能 态与空穴复合发光。态与空穴复合发光。 特征：特征：非相干光非相干光-发光二极管工作原理基础。发光二极管工作原理基础。b.光的受激光辐射光的受激光辐射 处于激发态的电子在光子作用下，跃迁至能量差处于激发态的电子在光子作用下，跃迁至能量差 与光子能量相等的低能级，同时发射一个与入射与光子能量相等的低能级，同时发射一个与入射 光子全同的光子。光子全同的光子。 特征：特征：相干光相干光激光器工作原理基础。激光器工作原理基础。 c.光的受激吸收光的受激吸收 低能态电子吸收光子能量跃迁高能态低能态电子吸收光子能量跃迁高能态 。 特征：特征：E E-太阳电池、光电探测器太阳电池、光电探测器 工作原理基础。工作原理基础。77a.光的自发辐射光的自发辐射 自发发射自发发射(辐射辐射)速率速率 r21(sp)： 单位时间、单位体积内单位时间、单位体积内E2能级跃迁到能级跃迁到E1能级的电子数。能级的电子数。 与电子占据与电子占据E2能级几率能级几率f(E2)、未占据、未占据E1能级几率能级几率1- f(E1)成正比。成正比。 几率几率爱因斯坦自发辐射系数爱因斯坦自发辐射系数 21A kTEEexpEf;kTEEexpEfEfNEfNAsprFFVC1122122121111111E2E178受激发射受激发射(辐射辐射)速率速率r21(st)： 单位时间、单位体积在能量为单位时间、单位体积在能量为hv=E2- E1光子作用下，光子作用下， E2能级跃能级跃迁到迁到 E1能级电子数。能级电子数。 与电子占据与电子占据E2能级几率能级几率f(E2)、未占据、未占据E1能级几率能级几率1- f(E1)、光子、光子流流(光子密度光子密度)密度正比。密度正比。 b.光的受激辐射光的受激辐射 几几率率数数：爱爱因因斯斯坦坦受受激激发发射射系系光光子子密密度度211122122121111111B:kTEEexpEf;kTEEexpEfEfNEfNBstrFFVC E2E179c.光的受激吸收光的受激吸收受激吸收速率受激吸收速率r21 (st)： 单位时间、单位时间、 单位体积内单位体积内E1能级上电子在能量为能级上电子在能量为hv=E2- E1光子作光子作 用下，跃迁到用下，跃迁到E2能级电子数。能级电子数。 与电子占据与电子占据E1能级几率能级几率f(E1)、未占据、未占据E2能级几率能级几率1- f(E2)、光子、光子 流流(光子密度光子密度)密度正比。密度正比。 几率几率数数：爱因斯坦受激吸收系：爱因斯坦受激吸收系光子密度光子密度122211211212111111B:kTEEexpEf;kTEEexpEfEfNEfNBstrFFCV E2E1803、自发发射、受激发射、受激吸收爱因斯坦系数的关系、自发发射、受激发射、受激吸收爱因斯坦系数的关系 strstrspr212121 自发辐射光子数自发辐射光子数受激辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数受激吸收光子数热平衡条件下，总发射速率等于总吸收速率，即：热平衡条件下，总发射速率等于总吸收速率，即： 1111122121122121112212111211221EfEfEfEfBBBAEfEfBEfEfBEfEfA 则则A A2121自发发射系数；自发发射系数；B B2121-受激发射系数；受激发射系数；B B1212-受激吸收系数。受激吸收系数。 81 1111122121122121EfEfEfEfBBBA 212133212321211212332123122112212112122111228118111111111ZBBchEENABBbabkTEEexpchEENakTEEexpBBBAkTEEexpEfEfEfEfkTEEexpEf;kTEEexpEfFF ）有）有）（）（比较（比较（度为度为而光子按能量分布的密而光子按能量分布的密那么那么著名的爱因斯坦关系著名的爱因斯坦关系物理意义？物理意义？受激发射与受激吸受激发射与受激吸收几率相等收几率相等82# 光子与电子相互作用的物理过程光子与电子相互作用的物理过程光电子器件物理基础光电子器件物理基础相互作用过程：相互作用过程： a.光的自发辐射（发射）光的自发辐射（发射） 特征：非相干光特征：非相干光 b.光的受激光辐射（发射）光的受激光辐射（发射） 特征：相干光特征：相干光 c.光的受激吸收光的受激吸收 发射速率：发射速率： 相关因素？发射速率？相关因素？发射速率？ 爱因斯坦系数（几率）？爱因斯坦系数（几率）？器件物理基础？器件物理基础？ 83 折射率与吸收系数折射率与吸收系数半导体光吸收机制与机理半导体光吸收机制与机理半导体光辐射机制与机理半导体光辐射机制与机理 电子与光子相互作用物理过程电子与光子相互作用物理过程 8484Ch2 太阳电池太阳电池Solar Cells(8105kW/S) (2.510-5) 5%=目前世界总能耗目前世界总能耗太阳能太阳能利用率利用率转换效率转换效率85绪绪预期：预期：2020年可与火力发电竞争年可与火力发电竞争应用：卫星应用：卫星 24m2/只，重量只，重量28%原理：光生伏特效应（原理：光生伏特效应（1839）Si电池：电池：Bell,1954,6%GaAs基基电池：电池：1956，:1113%（同质结）（同质结） 1972，:1519%（异质结）（异质结） （p-GaAsAl/ GaAs）方向：多结，量子结构方向：多结，量子结构86太阳光谱与太阳光谱与大气质量数大气质量数-光强光强AMm 大气质量数大气质量数-太阳辐射强度太阳辐射强度: 大气层外（大气层外（1.495108km）: 1.353kW/m2AM0 垂直海平面垂直海平面(一个大气质量辐射一个大气质量辐射): 0.925kW/m2AM1与垂直与垂直方向有方向有入射角入射角时，定义：时，定义： hh0 22069102608440512481m/kW.AMAMmm/kW.AMAMm.AMmmcoshh AM0/AM1/AM2太阳光谱与功率谱太阳光谱与功率谱8787一、太阳电池基本结构一、太阳电池基本结构np金属电极金属电极防反射层防反射层h or nor p8888 二、光生伏特效应二、光生伏特效应 hEg a.扩散区、势垒区、中性区扩散区、势垒区、中性区 吸收光子产生电子吸收光子产生电子-空穴对空穴对； 开路时：开路时： b.扩散区、势垒区：扩散区、势垒区： 空穴漂移到空穴漂移到p区，电子漂移到区，电子漂移到 n区区，形成光生电流与积累；，形成光生电流与积累； c.积累的部分空穴和电子分别中积累的部分空穴和电子分别中 和空间电荷区的正、负电荷，和空间电荷区的正、负电荷， 空间电荷区变窄空间电荷区变窄-pn结正偏结正偏； d.光生电流与正向电流平衡时，光生电流与正向电流平衡时， 达稳定状态；达稳定状态； e.开路时，呈现开路电压开路时，呈现开路电压; 短路时：输出短路电流。短路时：输出短路电流。 LpLn+ + + +- - - -89 原原 理理 hEg 1、扩散区、势垒区、中性区、扩散区、势垒区、中性区- 吸收光子产生电子吸收光子产生电子-空穴对空穴对； 开路时：开路时： 2、势垒区、势垒区-空穴漂移到空穴漂移到p区，电子漂移到区，电子漂移到n区，区，分别形成分别形成积累积累； 扩散区扩散区-空穴漂移到空穴漂移到p区，电子漂移到区，电子漂移到n区，区，分别形成分别形成积累积累； （条件：（条件：空穴空穴扩散距离扩散距离Lp, 电子电子扩散距离扩散距离Ln ） 中性区中性区-光生电子光生电子-空穴对复合空穴对复合； -分别漂移到分别漂移到n区与区与p区的电子和空穴称为光生电流区的电子和空穴称为光生电流- 3、 p区区和和n区区积累的空穴与电子分别中和势垒区部分正、负电荷；积累的空穴与电子分别中和势垒区部分正、负电荷； 势垒区变窄，势垒区变窄，pn结正偏结正偏-产生与产生与光生电流反方向的正向电流光生电流反方向的正向电流； 4、光生电流与正向电流平衡时，达稳定状态；、光生电流与正向电流平衡时，达稳定状态； 开路时：开路时：呈现电压呈现电压-开路电压开路电压; 短路时：短路时：输出电流输出电流-短路电流短路电流。 一定光强下光一定光强下光生电流是否常生电流是否常数？数？常数常数？90# n（顶层）（顶层）/p（底层）结？（底层）结？ p（顶层）（顶层）/n（底层）结？（底层）结？ 结深和材料特性决定（一般顶层高掺杂浓度、结深浅）：结深和材料特性决定（一般顶层高掺杂浓度、结深浅）： 1、Si：间接带隙，吸收系数低：间接带隙，吸收系数低 n（顶层）（顶层）/p（底层）结（电子扩散长度大）（底层）结（电子扩散长度大） 2、GaAs：直接带隙，吸收系数高：直接带隙，吸收系数高 浅结（浅结（0.10.1）-n/p结（电子扩散长度大）结（电子扩散长度大） 深结深结-p/n结（光生载流子主要在顶层）结（光生载流子主要在顶层） 3、辐照：高能粒子辐照产生缺陷主要在深层；、辐照：高能粒子辐照产生缺陷主要在深层； p型区缺陷型区缺陷nn型区缺陷；型区缺陷； n/p结构（掺少量结构（掺少量Cu可降低缺陷复合）。可降低缺陷复合）。 InP抗辐照能力远高于抗辐照能力远高于Si和和GaAs.91三、等效电路三、等效电路 理想等效电路理想等效电路6光生电流光生电流 IL = If = CfRqVI = Iexp-1KT二极管电流二极管电流LIIf1、开路、开路LIIf2、短路、短路I光生电流光生电流 IL = C0fRq 0I = Iexp-1KT二极管电流二极管电流输出电流输出电流 I = IL LIIf3、负载、负载IRL光生电流光生电流 IL = CVfRqI = Iexp-1KT二极管电流二极管电流输出电流输出电流 I = If IL |I|= IL If ？IRL92三、等效电路三、等效电路 LIRLRsh 1KTIRVqISR)(expVfIRS6非理想等效电路非理想等效电路光生电流光生电流 IL = CSLSfRRq V - IRq IR - IRI = Iexp-1 = Iexp-1KTKT二极管电流二极管电流输出电流输出电流ssRLshq V - IRV - IRI = Iexp-1 +- IkTRRSRSRShRSRS 11KTRRqIexpIKTqVexpIIorLSRRf93四、四、I-VI-V特性（理想）特性（理想）LfLRLfIIIKTqVexpIIII 012. 开路开路I-V方程方程3. 有负载时有负载时I-V方程方程LLRRIVI1KTqVexpII RL 1KTqVexpIRLIIfI1. 1. 光生电流光生电流 光子流密度光子流密度能量能量 hhhdAqEIgEhgL 光子流密度及理想光电流与带隙关系光子流密度及理想光电流与带隙关系94944. I-V特性曲线（理想）特性曲线（理想）ILVOC 1KTqVexpIRLRI1KTqVexpII IVVI95952. 短路电流短路电流-IscLscII RLocII1lnqkTV1. 开路电压开路电压-Voc 1KTqVexpIRLIIfI01 LRLfIKTqVexpIIII 1KTqVexpIRLIIfI五、特性参数五、特性参数( (理想理想) )短路时有无载流子积累？短路时有无载流子积累？96963. 转换效率转换效率 100%ominPPPom=V omI om (最大输出功率最大输出功率)Pin:入射太阳光的功率入射太阳光的功率 1kTqVexpIIVIVPRLout由由因为：因为：0VPout 有有 OmocOmRLOmVlnVVIIlnV 11111kTq 式中式中VVocIscIPOmOmOmIV mmRmmROmVVIkTqVkTqVII expexp 97过程过程 inOm2OmRinOmOminOmOmOmOmROmLROmocOmRLOmRRLRRLoutPkTqVexpkTqVIPVIPPkTqVexpkTqVII1IKTqVexpIIkTqV1lnqkTVkTqV1II1lnqkTVkTqV1kTqVexpIII1kTqVexpkTqVI1kTqVexpII0VP 那么，转换效率那么，转换效率代入上式，则有代入上式，则有将将又又故故有有由由198由图可见，效率与表述输出功率的面积有关由图可见，效率与表述输出功率的面积有关定义定义: 填充因子（填充因子（Fill Factor）： 从从IscVoc中取得的功率比率，即中取得的功率比率，即 的光子能量的光子能量是波长是波长的光子流密度，的光子流密度，为波长为波长式中式中故故而而 hcdhcAVIFFPVIFFdhcAPPVIFFPVIPPVIVIFF0ocscinocscOm0ininocscinOmOminOmOmocscOmOm %100 inOmPP FF一般为一般为0.70.9AM0/AM1.5单位单位太阳光子能量光子流密度太阳光子能量光子流密度AM0/AM1/AM2太阳光谱与功率谱太阳光谱与功率谱#VVocIscIPOm=VomIom9999入射光子数入射光子数/cm2.s六、光谱响应六、光谱响应( (归一化归一化) ) 势垒区势垒区型区；型区；型区；型区； avpnavpnJJnJJJJRqSRp11高能光子主要被表面吸收；高能光子主要被表面吸收；低能光子主要被深处吸收；低能光子主要被深处吸收；空间电荷区光生载流子少；空间电荷区光生载流子少；对效率，对效率，Eg存在优化。存在优化。?hv(n)(p)100七、影响转换效率主要因素七、影响转换效率主要因素 1、Eg FFVITocR300K1个与个与1000个太阳时个太阳时理想效率与带隙关系理想效率与带隙关系 最佳最佳Eg:1.41.6eV2、T 3、复合、复合-扩散区内、外，缺陷扩散区内、外，缺陷4、高能粒子辐射、高能粒子辐射 与缺陷结合与缺陷结合扩散扩散措施：掺锂措施：掺锂缺陷缺陷辐射辐射 LIL 1020304050Jsc(mA/cm2)1.01.52.0Eg(eV)AM0AM1.55、h Eg 转变为热能转变为热能 6、表面反射、表面反射 存在优化值存在优化值gocRgscLgEVIEIIE (1.41.6eV)？1017、寄生电阻影响、寄生电阻影响(非理想非理想I-V方程方程)寄生电阻影响大寄生电阻影响大RS=0RSh= RS=0RSh=100 RS=5RSh= RS=5RSh=100 RSRshLI 1KTIRqVexpISRVRS=5降降30%ssRLshq V - IRV - IRI = Iexp-1 +- IkTR102八、太阳电池设计考虑八、太阳电池设计考虑 几何结构参数几何结构参数(尺寸尺寸)、表面反射、复合主要考虑因素。、表面反射、复合主要考虑因素。 掺杂分布与结深一般决定开路电压和光生电流。掺杂分布与结深一般决定开路电压和光生电流。 pn结厚度结厚度（吸收系数决定）：（吸收系数决定）： Si吸收系数小（吸收系数小（=10-210-3/m）,典型典型300400。 直接带隙半导体，典型直接带隙半导体，典型1。 层厚度：层厚度： 底层厚度：底层厚度：Ln1；Si Ln300 m。 顶层厚度：高能光子主要在表面吸收，顶层厚度：高能光子主要在表面吸收，xj-0.30.5 ； 紫光电池，紫光电池， xj-0.10.2 。 掺杂浓度：掺杂浓度： 表层：基于寄生电阻，表层：基于寄生电阻， ND尽量高，典型尽量高，典型51019/cm3。 低层：低层： NA高，反向饱和电流低，开路电压高；高，反向饱和电流低，开路电压高； 迁移率和寿命低，短路电流小；迁移率和寿命低，短路电流小； 典型典型1016/cm3。103103九、常规九、常规pn结太阳电池不足结太阳电池不足太阳电池关键参数太阳电池关键参数效率效率1.1.半导体复合半导体复合 光生载流子在表面与衬底复合；光生载流子在表面与衬底复合； 扩散至扩散长度外复合。扩散至扩散长度外复合。 2.2.串联电阻大串联电阻大 低的表面区掺杂接触电阻高。低的表面区掺杂接触电阻高。3.3.表面反射表面