第四章 PN结二极管.ppt

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1、第四章 Pn结二极管光电半导体实验室主要内容lP-N结的静电学l载流子注入（载流子浓度与电压的关系）l准中性区内的扩散电流lP-N结的暗特性l光照特性l太阳能电池的输出参数l有限电池尺寸对I0的影响（自学）1 P-N结的静电学一、基本物理特性一、基本物理特性1.pp pn，n n n p；2.p区和n区多子分别向对方扩散；3.界面p区侧留下固定的离化受主负电荷，n区侧留下固定的离化施主正电荷；正负电荷称为 空间电荷，区域称为 空间电荷区。4.正负电荷间产生 自建电场；1 P-N结的静电学二、接触电位差与载流子分布1.自建电场 特征：空间电荷区内净电子流或净空穴流密度分别等于零1 P-N结的静电

2、学2.接触电位差 自建电场的存在，在pn结空间电荷区内产生了由 p区侧负电荷区到n区侧正电荷区逐渐上升的电位分布，使中性n区形成了一个相对于中性p区为正的电位差，该电位差称为pn结接触电位差，用表示。1 P-N结的静电学VDXP0XnP区区N区区接触电位差示意图1 P-N结的静电学3.能带结构l孤立P区和n区各自的能带图EiPEFEinEFl空间电荷区自建电场，使空间电荷区内导带底、价带顶及本征费米能级依其电位分布从p区边界到n区边界逐渐下降。最终，p区与n区的费米能级相等EFEFP区区n区区1 P-N结的静电学qVDEipEinEF1 P-N结的静电学4.费米能级:l热平衡系统具有统一的费米

3、能级l对于平衡pn结，只要确定费米能级位置，则可得到其能带结构 1 P-N结的静电学1 P-N结的静电学5.耗尽层近似l空穴和电子在空间电荷区依指数规律分布，在边界内侧下降极为迅速，使绝大部分空间电荷区内的载流子浓度与中 性区相应的多子浓度相比可以忽略。所以，在进行某些理论 分析时，常采用耗尽近似，认为空间电荷区里载流子的浓度为零l据此空间电荷区又被称为耗尽区，或耗尽层。1 P-N结的静电学l从能带结构图可见，p区电子能量比n区高qVD，n 区空穴能量比p区高qVD，多子进入对方需要越过高度为qVD的势垒。因此，空间电荷区又被称为势垒区。l空间电荷区=耗尽区=耗尽层=势垒区l势垒区接触电势差V

4、D的关系式2 载流子注入1.势垒区两侧边界处载流子浓度的关系由关系式得2 载流子注入 一般情况下，热平衡时势垒区一侧边界处少子浓度等于势垒区另一侧边界处 多子浓度乘以2 载流子注入2.势垒区两边界处载流子浓度服从波尔兹曼分布 结果：同理4 P-N结的暗特性一、理想pn结模型（四个近似）（1）不考虑势垒区中的产生与复合结果：电子、空穴电流通过势垒区时保持不变（2）小注入结果：在准中性区多子浓度约等于平衡时浓度，对少子只需要考虑扩散电流（3）耗尽层近似结果：空间电荷区为高阻区，载流子浓度为零；外加电压几乎降落在空间电荷区4 P-N结的暗特性（4）势垒区两边界处载流子浓度服从波尔兹曼分布 结果：同理

5、4 P-N结的暗特性l非平衡少子边扩散边与多子复合，并在扩散长度处基本被全部复合。l非平衡少子扩散并被复合的区域称为非平衡少子扩散区，非平衡少子扩散的长度用Lp和Ln表示。4 P-N结的暗特性二、伏安特性方程1、思思 路路：lA.空间电荷区和扩散区中任一截面的空穴流密度与电子流密度不一定相等；任一截面的空穴流密度与电子流密度之和却相等，即为pn结的总电流；分别求出空间电荷区边界空穴流密度和电子流密度，二者之和则构成pn结电流密度。（前面的假设（1）4 P-N结的暗特性lB.忽略空间电荷区内载流子的产生和复合，即空间电荷区二侧边界处电子流 密度与空穴流密度各自分别相等；pn结电流则可用p区侧边界

6、电子流与n区侧边界空穴流密度之和表示。(前面的假设（2）和（3）)4 P-N结的暗特性lC.分别求解少子电子和少子空穴在其扩散区的载流子连续性方程，可得到非 平衡少子电子和非平衡少子空穴在其扩散区的分布函数；根据扩散方程，即可求得空间电荷区p区侧边界处的电子流密度，n区侧边界处处空穴流密度。4 P-N结的暗特性直流电流方程取x=xn程因为所以4 P-N结的暗特性2、空穴在其扩散区（n区的准中性区）内连续性方程 认为认为pn结无限长结无限长4 P-N结的暗特性求得同理求得4 P-N结的暗特性l势垒区两边界少子浓度的变化LnLpxnxp4 P-N结的暗特性那么4 P-N结的暗特性4 P-N结的暗特

7、性l少子在二极管中扩散电流密度示意图4 P-N结的暗特性3、pn结电流（伏安特性方程）：方程对正偏、反偏pn结都成立。4 P-N结的暗特性引入反向饱和电流I0，即那么，PN结的伏安特性方程又可表示为称为反向饱和电流，A 表示二极管的横截面积。4 P-N结的暗特性4.伏安特性曲线VI伏安特性理论曲线(暗特性)05 P-N结的光照特性l当光照时所引起的电子、空穴对的体产生率G在整个器件都相同；l不管器件是否光照，前面的四个近似都一样，前面得到的结果都同样有效，只是G不为零，而是一个常数。l取坐标原点在Xn处、Xp处xx005 P-N结的光照特性于是在n区一侧得到上式G/DP 是常数，上式通解为5

8、P-N结的光照特性代入以上边界条件得到特解相应电子浓度也有表达式5 P-N结的光照特性相应的电流密度为以上计算是忽略耗尽区的产生与复合的，不忽略情况下可得耗尽区的电流密度变化为5 P-N结的光照特性l总的电流密度为代入得到光照时电流-电压关系其中IL为光生电流5 P-N结的光照特性VI0ILImpVmpIscVoc光照特性暗特性无光照和有光照时pn结二极管的输出特性6 太阳能电池的输出参数一、短路电流 理想情况下短路电流等光生电流短路电流可直接用电流表测量6 太阳能电池的输出参数二、开路电压Voc由下式，令I=0，得到理想值Voc由于和由于和I0有关，因而决定于半导体的性质。有关，因而决定于半导体的性质。开路电压可以直接用伏特表进行测量开路电压可以直接用伏特表进行测量6 太阳能电池的输出参数三、填充因子它是输出特性曲线“方形”程度的量度，一般在0.70.85之间。当Voc10时，填充因子的经验公式为6 太阳能电池的输出参数四、转换效率 是电池上入射光的总功率lOVER