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1、中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 2 第三章 pn结及其伏安特性第三章 pn结及其伏安特性 pn结的基本原理结的基本原理 3 2 pn结的制备结的制备 33 1 pn结电流电压特性结电流电压特性 33 3 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 3 本征半导体本征半导体 扩散 族 元素 扩散V族 元素 p 型n 型 3 1 pn结的制备结的制备 在同一片半导体基片上 采用特殊制作工艺 分别制作在同一片半导体基片上 采用特殊制作工艺 分别制作p p 型半导体和型半导体和n n 型半导体 经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了 型半导体 经过载流子的扩
2、散 在它们的交界面处就形成了pnpn结结 半导体器件的基本单元 整流效应半导体器件的基本单元 整流效应 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 4 3 1 pn结的制备结的制备 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 5 3 1 pn结的制备结的制备 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 6 3 1 pn结的制备结的制备 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 7 3 1 pn结的制备结的制备 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 8 3 1 pn结的制备结的制备 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学
3、院半导体研究所张兴旺 9 3 1 pn结的制备结的制备 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 10 线性缓变结 线性缓变结 结附近 其杂质分布是缓变分布的 可以用直 线近似 其斜率称为杂质浓度梯度 由深扩散或高能离子注入 制得的结 3 1 pn结的制备结的制备 突变结 突变结 PN结两区中 的杂质浓度为均匀分布 且在交界面处发生杂质 突变 如果一区的杂质 浓度远高于另一区 称 为单边突变结 P N或 N P结 由合金 浅扩散 或低能离子注入形成 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 11 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动 形成空间电荷区形成
4、空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 内电场阻止多子扩散 漂移运动漂移运动是是电场力电场力作用的结果作用的结果 扩散运动扩散运动是载流子是载流子浓度分布不均匀浓度分布不均匀所至所至 在没有电场作用时 半导体载流子是不规则的热运动 因而不形成电流 当有电场时 半导体中的载流子将产生定向运动 称为漂移运动 在半导体受光照射或有载流子从外界注入时 使半导体内载流子浓度分布不 均匀 这时载流子便会从浓度高的区域向浓度低的区域运动 这种由于浓度 差而引起的定向运动 称为扩散运动 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导
5、体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 12 P P型半导体型半导体 N N型半导体型半导体 扩散运动扩散运动 内电场内电场E E 漂移运动漂移运动 扩散的结果是使空 间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 扩散的结果是使空 间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移 运动越强 而漂移使空 间电荷区变薄 内电场越强 就使漂移 运动越强 而漂移使空 间电荷区变薄 空间电荷区 也称耗尽层 空间电荷区 也称耗尽层 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 13 空间电荷区中内 电场阻碍p中的 空穴 n区 中的 电子 空间电荷区中内 电场
6、阻碍p中的 空穴 n区 中的 电子 都是多子都是多子 向对方运动 向对方运动 扩 散运动 扩 散运动 刚开始时 扩散运动强于漂移运动 使空间电荷区不断加宽 内建电 场也随之增强 这又使得漂移运动增强 阻止空间电荷区继续变宽 最后当这两种运动达到平衡态时 内建电场不再变化 空间电荷区的 宽度稳定了 便形成了pn结 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 Ec Ef Ei Ev 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 14 14 从功函数的角度 分析 从功函数的角度 分析pn结的形成结的形成 2 ln 1 1 i daB p F n F npbi n NN q Tk EE q q
7、V pn结接触电势差与势垒高度pn结接触电势差与势垒高度 与二边掺杂有 关 与E 与二边掺杂有 关 与Eg g有关有关 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 ln i d Bi n F n N TkEE ln i a Bi p F n N TkEE 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 15 单从掺杂浓度的角度考虑 空间电荷区会落在那一边比较多 单从掺杂浓度的角度考虑 空间电荷区会落在那一边比较多 pn结接触电势差与势垒高度pn结接触电势差与势垒高度 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 16 求解半导体输运方程组求
8、解半导体输运方程组 需要做一些假设 需要做一些假设 半导体材料是理想的 高纯度的 不存在界面态 半导体材料是理想的 高纯度的 不存在界面态 内建电压V内建电压Vbi bi只存在pn结内部 只存在pn结内部 pn结被划分为空间电荷区 电中性n型区和电中性p型区 pn结被划分为空间电荷区 电中性n型区和电中性p型区 P型半导体界面和n型半导体界面是理想界面 内建电压只存在于空间电荷区 P型半导体界面和n型半导体界面是理想界面 内建电压只存在于空间电荷区 空间电荷区电场 电势的分布及耗尽宽度的计算空间电荷区电场 电势的分布及耗尽宽度的计算 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所
9、张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 17 1 耗尽近似 1 耗尽近似 内建电场只存在于空间电荷 区 空间电荷区没有自由载 流子 内建电场完全由掺杂 离子引起 内建电场只存在于空间电荷 区 空间电荷区没有自由载 流子 内建电场完全由掺杂 离子引起 电中性区 没有内建电场 多子浓度仍处于热平衡状态 少子浓度的变化引起电流J 电中性区 没有内建电场 多子浓度仍处于热平衡状态 少子浓度的变化引起电流J 衬底衬底 n型 电中 性区 型 电中 性区 p型 电中 性区 型 电中 性区 空间电荷区空间电荷区 空间电荷区电场 电势的分布及耗尽宽度的计算空间电荷区电场 电势的分布及耗尽宽度的计算 3 2 pn结的
10、基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 18 fixed 2 2 pn q dx d s 一维泊松方程 衬底衬底 n型 电中 性区 型 电中 性区 p型 电中 性区 型 电中 性区 空间电荷区 空间电荷区 n 0 p 0 0 xN pafixed ndfixed xN 0 内建电场电势 如何分布 有 泊松方程得出 内建电场电势 如何分布 有 泊松方程得出 空间电荷区电场 电势的分布及耗尽宽度的计算空间电荷区电场 电势的分布及耗尽宽度的计算 根据耗尽近似 空间电荷区的 电场完全由掺 杂离子组成 根据耗尽近似 空间电荷区的 电场完全由掺 杂离子组成 3 2
11、pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 19 衬底衬底 n型 电中 性区 型 电中 性区 p型 电中 性区 型 电中 性区 空间电荷区 空间电荷区 n 0 p 0 nd s pa s xN q dx d xN q dx d 0 0 2 2 2 2 0 xN pafixed 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 ndfixed xN 0 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 20 nd s pa s xN q dx d xN q dx d 0 0 2 2 2 2 衬底衬底 n型 电中 性区 型 电中 性区 p型 电中 性区 型
12、电中 性区 根据耗尽近似 p型 半导体和n型半导体 界面为理想界面理想界面 得出边界条件 即x 0处电势和电场 dx d dx d xx limlim 00 limlim 00 xx 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 21 设为势能零点 得出边界条件 设为势能零点 得出边界条件 p x 0 衬底衬底 n型 电中 性区 型 电中 性区 p型 电中 性区 型 电中 性区 势能最高点 得出边界条件 势能最高点 得出边界条件 nbi xV nd s pa s xN q dx d xN q dx d 0 0 2 2 2 2 方程方程 liml
13、im 00 xx p x 0 nbi xV 边界 条件 边界 条件 dx d dx d xx limlim 00 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 22 根据耗尽近似 电中性区无电 场 又有内建电场和电势的关 系 得到另一边界条件 根据耗尽近似 电中性区无电 场 又有内建电场和电势的关 系 得到另一边界条件 衬底衬底 n型 电中 性区 型 电中 性区 p型 电中 性区 型 电中 性区 np x dx d 0 nd s pa s xN q dx d xN q dx d 0 0 2 2 2 2 方程方程 np x dx d 0 liml
14、im 00 xx p x 0 nbi xV 边界 条件 边界 条件 dx d dx d xx limlim 00 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 23 利用边界条件 利用边界条件 np x dx d 0 对泊松方程积分 得到电场的分布对泊松方程积分 得到电场的分布 2 2 1 2 2 d2 0 0 0 0 ap s ap s dn s n s dq Nx dx dq NxCx dx dq Nx dx dq NxCx dx 积分得 同理 对积分得 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究
15、所张兴旺 24 得到得到 nn s ppa s xxN q dx d xxN q dx d 0 0 d 利用边界条件 利用边界条件 dx d dx d xx limlim 00 得到得到 nd s pa s N q N q 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 物理意义 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 25 对下式再次积分得对下式再次积分得 nn s ppa s xxN q dx d xxN q dx d 0 0 d nn s ppa s xCxN q xCxN q 0 2 0 2 4 2 d 3 2 利用边界条件 利用边界条件 p x 0 nbi xV 3 2 pn
16、结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 26 得到得到 nbin s ppa s bi xVxN q xxN q VCC 0 2 0 2 即 0 2 d 2 43 利用边界条件 利用边界条件 limlim 00 xx bin s pa s VN q N q 2 d 2 22 得 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 物理意义 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 27 利用利用 bin s pa s VN q N q 2 d 2 22 na s pa s N q N q 得到得到 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 中国科学院半导体研究所张兴旺中国科学院半导体研究所张兴旺 28 nn s ppa s xxN q dx d xxN q dx d 0 0 d nbin s ppa s xVxN q xxN q 0 2 0 2 2 d 2 电荷分布 电场分布 电势分布 电荷分布 电场分布 电势分布 3 2 pn结的基本原理结的基本原理 na s pa s N q N q bin s pa s VN q N q 2 d 2 22
