PN结光生伏特效应与光电流

PN结光生伏特效应与光电流

定义

PN结光生伏特效应指：当能量足够的光子照射到PN结（或半导体耗尽区及其附近）时，半导体吸收光子并产生电子-空穴对（光生载流子）；在PN结内建电场作用下，电子与空穴被分离并向相反方向运动，从而在PN结两端形成光生电动势，并在外电路闭合时形成光电流。

必要关系与推导

PN结由p型半导体与n型半导体接触形成。接触后，载流子扩散并复合，在界面附近形成空间电荷区（耗尽区），其中存在由n区指向p区的内建电场。

光照下，若光子能量满足

hν ≥ Eg

其中h为普朗克常量，ν为光频率，Eg为半导体禁带宽度，则价带电子可被激发到导带，产生电子-空穴对。

在耗尽区及其扩散长度范围内产生的光生载流子，会被内建电场分离：电子被扫向n区，空穴被扫向p区。于是p区带正电、n区带负电，形成光生电动势。若外电路短路，则形成从p区经外电路到n区的光电流；若外电路开路，则两端电压为开路电压。

光电流IL可近似表示为

IL = q G A

其中q为电子电荷量，G为光生载流子产生率，A为有效受光面积。G与入射光强（照度）和材料吸收系数有关。

在理想情况下，光照下PN结的电流-电压关系可写为

I = I0 (exp(qV / kT) - 1) - IL

其中I0为反向饱和电流，V为结电压，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度。

开路电压与短路电流

短路电流Isc：当V=0时，I = -IL，即短路电流近似等于光电流，方向与PN结正向电流相反。Isc随光照强度增大而增大，近似与光强成正比；随温度升高，因Eg略减、光吸收略增，Isc通常略有增大，但变化相对较小。

开路电压Voc：当I=0时，由上式得

Voc = (kT / q) ln(IL / I0 + 1)

Voc随光照强度增大而增大，但呈对数关系，故增益逐渐减小；随温度升高，I0显著增大，导致Voc下降。

条件与符号

• 光照条件：光子能量hν ≥ Eg，且光生载流子能在复合前被内建电场有效分离。
• 温度条件：温度影响I0、Eg及载流子复合率，从而影响Voc和Isc。
• 符号：q为电子电荷量；k为玻尔兹曼常量；T为热力学温度；I0为反向饱和电流；IL为光电流；Isc为短路电流；Voc为开路电压；G为光生载流子产生率；A为有效受光面积；h为普朗克常量；ν为光频率；Eg为禁带宽度。