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

pn-переход
pn-переход в состоянии термодинамического равновесия

Область объемного заряда
Контактная разность потенциалов:

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:
Концентрация электронов, способных преодолеть барьер qUk:
- соотношение Эйнштейна
Область объемного заряда приводит к наклону зон и потенциальному барьеру
и равна

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
Внешнее поле целиком приложено к области объемного заряда и частично его компенсирует
Число электронов, пересекающих p-n – переход (n→p) в ед. времени:
Число электронов, движущихся в направлении p→n :

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

Вольтамперная характеристика (ВАХ)
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
Диффузионный ток

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 .

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 n-область отрицательно., р‑область заряжается избыточными дырками положительно. Возникает разность потенциалов - Ux.х. (прямое смещение рп-перехода).
Ux.х < Uк

Режим короткого замыкания
- нулевое напряжение смещения рп-перехода, поэтому:
Режим холостого хода
Фототок уравновешивается «темновым» током Im — прямым током через рп-переход
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

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.

Варьируемое сопротивление нагрузки
Направление тока в нагрузке совпадает с направлением Іф,
а сам ток нагрузки Ін равен результирующему току через рп-переход
Uн — напряжение на нагрузке, равное напряжению на рп-переходе
Нагрузочная ВАХ освещенного рп-перехода:
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)

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.
Условие максимума мощности:
Uн = Uопт – напряжение на оптимальной нагрузке
Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке:
- нелинейное уравнение относительно Uопт

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

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

Максимально возможные значения КПД 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.
кремний и арсенид галлия — как раз попадают в область наибольших значений КПД
Значения КПД идеализированного СЭ с одним р—и-переходом лимитированы величинами 31 % для Кс=1 и 37 % для Кс = 1000 (AM 1.5).
Увеличение КПД преобразования солнечного излучения может быть достигнуто при использовании каскадных СЭ.

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