Лекция 3. Работа pn-перехода. pn-переход в состоянии термодинамического равновесия

1.

Лекция 3.
Работа pn-перехода

2.

pn-переход
pn-переход в состоянии термодинамического равновесия

3.

Область объемного заряда
Контактная разность
потенциалов:

4.

Носители тока могут двигаться под действием
- электрического поля области объемного заряда;
- градиентов концентрации носителей.
Плотность дрейфового тока
электронов:
Плотность диффузионного
тока электронов:
Уравнение для равновесной
концентрации носителей:
Область объемного заряда приводит к
наклону зон и потенциальному барьеру
Концентрация электронов, способных преодолеть барьер qUk:
и равна
- соотношение
Эйнштейна

5.

Электрические свойства pn-перехода
Идеализированная модель:
падение напряжения вне области
рп‑перехода не учитывается, а потери или
размножение электронов и дырок в
области рп‑перехода отсутствуют
Число электронов, пересекающих p-n –
переход (n→p) в ед. времени:
Число электронов, движущихся в
направлении p→n :
Внешнее поле целиком приложено к
области объемного заряда и частично
его компенсирует

6.

Результирующий электронный ток:
Дырочный ток:
справедливо также и для обратного включения
источника питания. При этом надо считать U<0
Суммарный ток через p-n переход:

7.

Вольтамперная характеристика (ВАХ)
Диффузионный ток
Чему равен множитель перед U?
- при U>0.1 В
Рекомбинационный ток - при прямом смещении
обусловлен присутствием неконтролируемых
примесей, создающих разрешенные уровни энергии
в глубине запрещенной зоны

8.

Диффузионный ток
Рекомбинационный ток
Прямая ВАХ рп-перехода GaAs в полулогарифмическом масштабе (1)
и ВАХ при смешанном (рескомбинационном и диффузионном)
механизме протекания тока (2):
Интерполяция реальной ВАХ:
Избыточный ток при малых смещениях обусловлен объемными и поверхностными утечками (омическое
сопротивление, шунтирующее рп-переход). Природа: микро- и макровключения; интенсивная
рекомбинация на поверхности p-n перехода.
С ростом напряжения смещения диффузионный ток быстро возрастает, остальные механизмы
проводимости насыщаются либо возрастают медленно .

9.

Свойства pn-перехода при освещении
Пусть
hv = Egap и электронно-дырочные пары возникают только в р-области на расстоянии <
диффузионной длины электронов от рп-перехода.
То же, что в термодинамическом
равновесии
Рекомбинация с
фотогенерированными дырками
Фотоэлектроны заряжают nобласть отрицательно., р‑область
заряжается избыточными
дырками положительно.
Возникает разность потенциалов Ux.х. (прямое смещение рпперехода).
Ux.х < Uк

10.

Режим короткого замыкания
- нулевое напряжение смещения рпперехода, поэтому:
Режим холостого хода
Фототок уравновешивается «темновым» током Im — прямым током через рппереход
Темновой ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока.
Потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется в виде фотонов с
hv ≈ Egap, либо расходуется на нагревание.
Режим х.х. СЭ эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных
диодов в пропускном направлении

11.

Освещенный рп-переход под напряжением
При положительном напряжении смещения фототок Іф вычитается из темнового
тока рп-перехода, а при отрицательном — суммируется с ним.
Направление тока через рп-переход противоположно полярности приложенного
напряжения: освещенный рп-переход сам является источником энергии
Темновая ВАХ рп-перехода в GaAs
при двух уровнях освещенности.

12.

Варьируемое сопротивление нагрузки
Направление тока в нагрузке совпадает с направлением Іф,
а сам ток нагрузки Ін равен результирующему току через рп-переход
Нагрузочная ВАХ освещенного рп-перехода:
Uн — напряжение на
нагрузке, равное
напряжению на рп-переходе
Нагрузочная ВАХ рп-перехода в GaAs и характеристики Rн при значениях 0.1 (1),
1.026 (2) и 10 Ом (3) (а);
эквивалентная схема освещенного рп-перехода с сопротивлением нагрузки (б)

13.

Источник тока - имитирует генерацию Iф, не зависящего от напряжения рп-перехода,
диод - представляет собой неосвещенный рп-переход.
При варьировании сопротивления Rн фототок перераспределяется между нагрузкой и рп-переходом.
Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке:
Условие максимума мощности:
- нелинейное уравнение относительно Uопт
Uн = Uопт – напряжение на
оптимальной нагрузке

14.

Площадь заштрихованного прямоугольника
равна Pmax. «Качество» нагрузочной ВАХ тем
выше, чем ближе ее форма к прямоугольной
Фактор заполнения ВАХ :
Максимальная мощность (ММ):
- энергия, которая выделяется в нагрузке в расчете
на 1 фотон в режиме ММ

15.

Коэффициент полезного действия рn-перехода
Спектральное распределение потока
фотонов солнечного излучения:.
Энергия фотонов в излучении с длиной волны
Граничная длина волны , начиная с которой фотоны
будут поглощаться в материале СЭ
Суммарный поток фотонов Iф = площади под кривыми
Максимальный коэффициент полезного действия СЭ:

16.

Максимально возможные значения КПД СЭ
Значения КПД идеализированного СЭ
с одним р—и-переходом
лимитированы величинами 31 % для
Кс=1 и 37 % для Кс = 1000 (AM 1.5).
кремний и арсенид галлия — как раз
попадают в область наибольших
значений КПД
Увеличение КПД преобразования
солнечного излучения может быть
достигнуто при использовании
каскадных СЭ.
при Т=300 К:
1, 1’ - Кс=1; 2, 2' — Кс = 1000; 1, 2 - для спектра
Солнца AM 1 5;
1' 2' — для спектра Солнца AM 0.

17.

Температурная зависимость ВАХ:
Uхх уменьшается с увеличением T
зависимости I0 (T):
вследствие

18.

Солнечные элементы любят солнечную холодную погоду
- Антарктика
При 300 K ni = 1.01 x 1010 см -3 и kT/q = 25.852 мВ
При 25 °C (298 K) ni = 8.6 x 109 cм-3 и kT/q = 25.693 мВ
При -40 °C (233 K) ni = ? и kT/q = 20.078 мВ