第四章 光电器件.ppt

p-i-n光电二极管 p-i-n光电二极管是最常用的光探测器之一，其有效作用区域是存在有电场的i型层，光生载流子有效区域增大，扩散影响就会减弱，结电容也大大减小，光检测灵敏度和响应速度得到提高。绝大部分入射光在i层被吸收并产生大量电子-空穴对。其耗尽区厚度(本征层)可予调制以优化量子效率及频率响应。 图(a)是p-i-n光电二极管的截面图，它具有抗反射层以增加量子效率的特性。 图(b)、(c)分别是反向偏压条件下，p-i-n二极管的能带图及光吸收特性。半导体吸收光之后会产生电子-空穴对。在耗尽区或其扩散长度内的电子-空穴对终会被电场所分开，导致载流子漂移出耗尽层而产生外部电路电流。 光电二极管 u h 金属接触 2 SiO 抗发射层 i + n + p L R R V + - u h 金属接触 2 SiO 抗发射层 i + n + p L R R V + - u h u h u h R qV C E V E 电子扩散 空穴扩散 漂移空间 反向偏压下的能带图 ) ( b u h u h u h R qV C E V E 电子扩散 空穴扩散 漂移空间 反向偏压下的能带图 ) ( b x a - e ~ a / 1 P W W W + P x 吸收 载流子吸收特性曲线 ) ( c x a - e ~ a / 1 P W W W + P x 吸收 载流子吸收特性曲线 ) ( c 光电二极管的截面图 n - i - p ) ( a p-n太阳能电池 p-n结太阳能电池包含一个形成于表面的浅p-n结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。 当电池暴露在太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量，而大于Eg的部分能量则会以热的形式消耗掉。 太阳能电池 正面指状条形接触 1cm cm 2 n p m 4 / 1 m 正面指状条形接触 1cm cm 2 n p m 4 / 1 m u h 抗反射涂层 mm 5 . 0 m 4 / 1 m Si p cm 1 型 · W 背面接触 结 n - p u h 抗反射涂层 mm 5 . 0 m 4 / 1 m Si p cm 1 型 · W 背面接触 结 n - p 图(a)和(b)分别为太阳辐射下的p-n结能带图及其等效电路。 根据上述模型，其I-V特性可表示为 而 其中有一恒定电流源与结并联。此电流源IL(短路光电流)是由于太阳辐射产生的多余载流子的激发所造成的，IS是二极管饱和电流，而R是负载电阻。 太阳能电池 u h u C E V E g E u h oc qV u h u C E V E g E u h oc qV 射下的能带图 结太阳能电池在太阳照 n - p ) ( a u h L R u h L R o L R I L I ] 1 ) [exp( s - kT qV I L R I L I ] 1 ) [exp( s - kT qV I 效电路 太阳能电池的理想化等 ) ( b 下图是太阳能电池的I-V特性曲线。选择适当的负载，可以得到接近80％的ISCVOC乘积。其中ISC是短路电流，等于IL，而VOC是电池的开路电压；图中的阴影面积就是最大功率。图中也分别定义了在最大输出功率Pm(=Im×Vm)时的电流Im与电压Vm。 开路电压(I=0) 因此，固定一IL，则VOC会随着饱和电流IS的减少而呈对数增加，此输出功率为 太阳能电池 最大功率条件可由dP/dV=0得到。 太阳能电池的理想功率转换效率为 其中Pin是入射功率，而FF是填充因子，定义为 转换效率 填充因子为最大功率矩形对矩形ISC×VOC的比例。若要使效率最大，必须使η表达式分子中的三项全都最大化。 太阳能电池 理想效率可以由I-V特性求得。短路电流IL为q与太阳光谱中能量hν的光子数目的乘积。一旦IL已知，即可由I-V特性曲线求出太阳能电池的理想效率 现代半导体器件物理与工艺 桂林电子科技大学 光电器件 * 现代半导体器件物理与工艺 桂林电子科技大学 光电器件 * 第四章 光电器件 辐射跃迁 光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2，其中E1相当于基态，E2相当于激发态，则在此两能态之间的任何跃迁，都包含了光子的辐射或吸收，此光子的频率为ν12，而hν12=E2-E1。 室温下，固体内的大多数原子处于基态。此时若有一能量恰好等于hν12的光子撞击此系统，则原本处于基态的原子将会吸收光子的能量而跑到激发态。这一过程称为