第四章 p-n结二极管ppt课件.ppt

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1、第4章P-N结二极管南京理工大学材料科学与工程学院1内容4.2P-N结的静电学4.4载流子注入4.6暗特性4.7光照特性4.8太阳能电池的输出参数4.3结电容4.5准中性区内的扩散流4.1P-N结的形成4.9有限电池尺寸对I0的影响24.1P-N结的形成在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结，如下物理过程:常见的太阳能电池本质是大面积的P-N结二极管。3SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP掺杂磷产生的自由电子N型半导体自由电子数为N型

2、半导体的多数载流子，空穴为N型半导体的少数载流子4SiSiSiSiSiB掺杂硼产生的空位P型半导体自由电子为P型半导体的少数载流子空穴为P型半导体的多数载流子空穴5因浓度差多子产生扩散运动形成空间电荷区（耗尽层）(NP)形成内电场(NP)阻止多子扩散促使少子漂移动态平衡64.2P-N结的静电学当外加电压时，PN结就会显示单向导电性单向导电性：PN结加反向电压时，截止。规定：P区接电源正，N区接电源负为PN结加正向电压N区接电源正，P区接电源负为PN结加反向电压PN结加正向电压时，导通。PN++++++内电场7(1)P-N结加

3、正向电压时的导电情况PN结加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。起理想模型：开关闭合内电场外电场动画PN结正偏8(2)P-N结加反向电压时的导电情况外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂

4、移电流是少子形成的电流，故反向电流非常小，PN结呈现高阻性。内电场外电场9在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。图01.08PN结加反向电压时的导电情况10PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。PN结加反向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。11pn结内的电势若pn结内过渡区的电势变化为ψ0，则有：又由于

5、所以PN12pn结内的载流子浓度pn结可近似（近似1）划分为两个区域：1.准中性区：假设空间电荷密度处处为零；耗尽区：假设载流子浓度很小，对空间电荷密度的贡献仅来自电离杂质。pn结中，n区均匀的掺有施主杂质，杂质浓度为ND。p区均匀的掺有受主杂质，杂质浓度为NA。例如n区有：p-n+ND=0PN13pn结内的电荷密度pn结内空间电荷密度分布：耗尽区电荷密度电中性条件：耗尽区宽度：14pn结内的电场分布将空间电荷密度积分得到电场分布：PN电中性条件15pn结内的电势分布再将电场E积分得到电势ψ的分布：令x=-xp处的电势为零，得到

6、：内建势：电场对应的面积如果外加正向电压Va，那么164.3结电容(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD17(1)势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容示意图反向偏压扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的浓度梯度。(2)扩散电容CD反

7、之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容示意图当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也不同。所以PN结两侧堆积的少子浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。PN结的结电容CPN结的结电容C是：或写成：式中：N为NA和ND中的较小者。通过测量C和Va的关系，可以得到N。214.4载流子的注入当外加正向偏置电压Va时，耗尽区宽度W降低，内建势降为ψ0-Va。载流子扩散运动增加，耗尽区附近少子浓度增加，相当于注入了载流子。当外加反向偏置电压Va时，耗尽区宽度W增加，内建势升为ψ0+Va

8、。载流子扩散运动降低，耗尽区附近少子浓度下降。22在零偏置时，已知：得到：pp0:零偏置时，p区空穴浓度；np0:零偏置时，p区电子浓度；pn0:零偏置时，n区空穴浓度；nn0:零偏置时，n区电子浓度。零偏置时的载流子浓度分布ab23正向偏置时的载流子浓度分布大