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P-N结光伏效应原理及应用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：表4-26 国外烟煤的工程绝热燃烧温度计算结果 ℃图1.6p－n结的光伏效应电子与空穴的这一流动，使p区电势高于平衡状态，相当于p-n结上加了正向偏压，这一正向偏压引起p-n结上的正向电流，其方向正好与光电流方向相反。

p-n结光伏效应也是一种内光电效应，光子激发产生的光生载流子在p-n结内建电场作用下扫向势垒两边，产生一个光生电动势，它在外电路中可产生光电流。

1.半导体p-n结

两种不同导电类型的半导体，在其交界处形成p-n结。在n型区中，电子多而空穴少，在p型区中，空穴多而电子少。由于载流子浓度梯度的存在而产生扩散运动，空穴从p区扩散到n区，电子从n区扩散p区，结果在n区边界出现多余的空穴，带正电，在p区边界出现多余的电子，带负电，这个区域称耗尽区如图1.4所示。由于两侧耗尽区所带电荷不同，在边界区域出现电场，它从n区指向p区，使电荷产生漂移作用，阻止了电荷的进一步扩散，最后达到动态平衡。

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图1.4　p－n结的原理

平衡时，材料费米能级应相同，故电子在n区的能量比在p区低。p-n结势垒高度与掺杂程度密切相关。

p区导带中电子浓度为

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n区导带中电子浓度为

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平衡时，p区和n区费米能级相同，即Efn＝Efp，由此可得

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其中，qV0是势垒高度，V0是势垒两侧电势差

在室温下，载流子浓度等于掺杂浓度：nn＝Nd，pp＝Na，且 pagenumber_ebook=12,pagenumber_book=5 ，由此可得由公式（1.20）可求出

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2.p-n结的电流电压特性

（1）正向偏置

如图1.5所示，由于耗尽区的电阻远比体电阻大，外加电压几乎全部降落到耗尽层上，势垒高度降低到q（v0-v），空间电荷区变窄，则漂移运动弱于扩散运动，多数载流子越过势垒，在外电路形成正向电流，其方向从p区到n区，由推导可知，正向电流为：

式中反向饱和电流 pagenumber_ebook=12,pagenumber_book=5 分别是n区和P区的少数载流子浓度。

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图1.5　p－n结的正向偏置

（2）反向偏置

在反偏下，势垒高度增加到q（v0-v），空间电荷区变宽，漂移运动占主导地位，电流从n区流向p区，反向电流为：

可见，随着V的增大，反向电流趋于饱和值J0。

3.p-n结光伏效应

如图1.6所示，当有光照到p-n结上时，就产生电子-空穴对，光生电子-空穴对在内建电场作用下发生漂移，越过p-n结而形成光电流。

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图1.6　p－n结的光伏效应

电子与空穴的这一流动，使p区电势高于平衡状态，相当于p-n结上加了正向偏压，这一正向偏压引起p-n结上的正向电流，其方向正好与光电流方向相反。所以，在光照下流过p-n结的总电流为

方向从p区到n区，式中LW是横截面积，Ip是光电流，如入射光通量Φe，则光电流是 pagenumber_ebook=13,pagenumber_book=6 。短路时，V＝0，短路电流，与入射光辐射通量成正比。开路时，I＝0，开路电压，与入射光辐射通量成对数关系。