PN结的偏置

概述

  1. 当在太阳能电池上施加电压时,正向偏压会使 P-N 结形成的电场减小。正向偏置使载流子在耗尽区的扩散变得容易,并导致扩散电流增加。
  2. 当存在能持续提供多数载流子的外部电路的情况下,复合增加,这将不断消耗流入太阳能电池的载流子。这会增加扩散并最终增加了耗尽区的电流。
  3. 当在太阳能电池上施加电压时,反向偏压会使 P-N 结形成的电场增加。扩散电流将减小。

半导体设备具有下列三种工作状态:

1. 热平衡

在热平衡时,没有例如光或施加电压之类的外部输入。电流相互平衡,因此设备内没有电流。

2. 稳态

在稳定状态下,有例如光或施加电压之类的外部输入,但输入条件不随时间改变。器件通常在稳定状态下运行,并且处于正向或反向偏置状态。

3. 暂态

如果施加的电压快速变化,太阳能电池响应之前会有短暂的延迟。由于太阳能电池不用于高速运行,因此几乎不需要考虑额外的暂态效应。

正向偏置下的二极管

正向偏压是指在器件上施加电压,从而降低结处的电场。通过对p型材料施加正电压,对n型材料施加负电压,在器件两端施加与耗尽区方向相反的电场。由于耗尽区的电阻率远高于器件其余部分的电阻率(因为耗尽区中的载流子数量有限),因此几乎所有施加的电场都会在耗尽区减弱。净电场是耗尽区中现有场与外加场之间的差值(对于实际器件,内置场总是大于外加场),从而减小耗尽区中的净电场。降低电场会扰乱结处存在的平衡,从而减少载流子从结的一侧扩散到另一侧的阻碍并增加扩散电流。当扩散电流增加时,漂移电流基本上保持不变,因为它取决于距离耗尽区的扩散长度内或耗尽区内生成的载流子的数量。由于耗尽区的宽度仅减少了很小的量,因此扫过结的少数载流子的数量基本上没有变化。

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载流子注入和正向偏置电流

从结的一侧到另一侧的扩散增加导致耗尽区边缘处的少数载流子注入。这些载流子由于扩散而远离结,并最终与多数载流子重新结合。多数载流子由外部电路提供,因此在正向偏置下有净电流流动。在没有复合的情况下,少数载流子浓度将达到新的、更高的平衡浓度,并且载流子从结的一侧到另一侧的扩散将停止,这与引入两种不同气体时的情况非常相似。最初,气体分子具有从高载流子浓度区域到低载流子浓度区域的净运动,但是当达到均匀浓度时,不再存在气体分子净运动。然而,在半导体中,注入的少数载流子会复合,导致更多的载流子可以扩散到结上。因此,在正向偏压下流动的扩散电流是复合电流。复合事件的发生率越高,流过结的电流就越大。

“暗饱和电流”(I0) 是区分一个二极管之间的极其重要的参数。 I0 用于衡量器件中复合。复合较大的二极管将具有较大的 I0

反向偏置

在反向偏置中,在器件上施加电压,使得结处的电场增强。耗尽区中较高的电场降低了载流子从结的一侧扩散到另一侧的概率,因此扩散电流减小。与正向偏置一样,漂移电流受到 p-n 结两侧少数载流子数量的限制,随着电场的增加而相对不变。由于耗尽区宽度小幅增加,漂移电流小幅增加,但这本质上是硅太阳能电池中的二阶效应。在许多薄膜太阳能电池中,耗尽区约为太阳能电池厚度的一半,耗尽区宽度随电压的变化对电池运行有很大影响。