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

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

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 :

Диффузионный ток

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 .

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

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

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.

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)

Условие максимума мощности:

Uн = Uопт – напряжение на оптимальной нагрузке

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке:

- нелинейное уравнение относительно Uопт

Фактор заполнения ВАХ :

Максимальная мощность (ММ):

- энергия, которая выделяется в нагрузке в расчете на 1 фотон в режиме ММ

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:

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.