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1、光伏效应光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位 之间产生电位差的现象。产生这种电位差的机理有好几种，主要的一种是由于阻挡层的存在。以下以 P-N 结为例 说明。热平衡态下的 P-N 结P-N 结的形成：同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量E很小，在室温 下杂质差不多都电离成受主离子N-和施主离子N +。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差,AD故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子, 使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子 变得很少，剩下未经中和的施
2、主离子N+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区D后，由不能运动的受主离子N-形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的A离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于 漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。 0热平衡下 P-N 结模型及能带图P-N结能带与接触电势差：在热平衡条件下，结区有统一的E；在远离结区的部位，E、E、E之间的关系与结形FC F v成前状态相同。从能带图看， N 型、 P 型半导体单独存在时， E 与 E 有一定差值。当 N 型与
3、 P 型两者FNFP紧密接触时，电子要从费米能级高的一方向费米能级低的一方流动，空穴流动的方向相反。同时产生内建电场，内建电场方向为从N区指向P区。在内建电场作用下，E将连同整个NFN区能带一起下移，E将连同整个P区能带一起上移，直至将费米能级拉平为E =E，载流子FPFN FP停止流动为止。在结区这时导带与价带则发生相应的弯曲，形成势垒。势垒高度等于N型、 P 型半导体单独存在时费米能级之差：qU =E -ED FN FPU=(E -E )/qD FN FPq：电子电量U ：接触电势差或内建电势D对于在耗尽区以外的状态：U =(KT/q)ln(N N /n 2)D A D iN 、N 、n
4、：受主、施主、本征载流子浓度。ADi可见U与掺杂浓度有关。在一定温度下，P-N结两边掺杂浓度越高，U越大。DD禁带宽的材料， n 较小，故 U 也大。iD光照下的P-N结P-N 结光电效应：当 P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引 起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光 生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的 电子空穴对(少子)扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N 区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电
5、 子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相 反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端 正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命Tp的时间内扩散距离为L，P区中电子在寿命T的时间内扩散距离为L 。 L+L =L远大于P-N p n n n p结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡 献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光 电效应无贡献。光照下
6、的P-N结电流方程：与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流(光电流)I ,其方向与P-Np结反向饱和电流I相同，一般I三1。此时0 p 0I=I eqU/KT - (I+I)0 0 p令I=SE，则pI=I eqU/KT - (I+SE)00开路电压 U ：oc光照下的P-N结外电路开路时P端对N端的电压，即上述电流方程中1=0时的U值：0=I eqU/KT - (I+SE) 00U =(KT/q)ln(SE+I )/I (KT/q)ln(SE/I )oc 0 0 0短路电流 I ：sc光照下的 P-N 结，外电路短路时，从 P 端流出，经过外电路，从 N 端流入的电流称为短路
7、电流I。即上述电流方程中U=0时的I值，得I =SE。sc scU 与 I 是光照下 P-N 结的两个重要参数，在一定温度下， U 与光照度 E 成对数关系， oc sc oc但最大值不超过接触电势差U。弱光照下，I与E有线性关系。D sca) 无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qU =E -E。D FN FPb) 稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压U不再有统一oc费米能级，势垒高度为 q(U-U )。D occ) 稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qU,光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。d) 有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压U ,另一部分光电流被P-N结因正f向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为 q(U-U)。Df
