Die Potentialbarriere. Bardeen - Shockley - Brattain (Bell Labs.)

Transkript

1 Die Bardeen - Shockley - Brattain (Bell Labs.)

2 Übersicht Wiederholung Haynes Shockley Experiment Manipulation der elektrischen Eigenschaften Extrinsischer oder Dotierungshalbleiter Elektrisches Feld im Halbleiter Aufbau Ladungsträgertransport Die Strom-Spannungskennlinie von Solarzellen Herleitung Zusammenfassung

3 Wiederholung

4 Wiederholung

5 Haynes Shockley Experiment 1948 Das (von außen angelegte) elektrische Feld trennt die generierten ElektronLochpaare. S.M. Sze, Semiconductor Devices - Physics and Technology, 1985

6 Situation in der Solarzelle Ln Diffusionslänge der Elektronen Optische Randbedingung d > a-1 Elektrische Forderung d < Ln Für i-si ist p(0) = n(0) und p(x) ~ n(x) j ~ 0

7 Diffusion von e-h Paaren Drift von e-h Paaren Wie können wir die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters manipulieren?

8 Maßgeschneiderte elektrische Eigenschaften im Halbleiter + Intrinsischer Halbleiter (i-si): s= S/cm

9 Überlegung zur Ladungsverteilung in n-si und i-si Beide Körper sind im zeitlichen Mittel elektrisch neutral

10 Am Übergang von n-si zu i-si findet eine Diffusion der Elektronen statt. In diesem Bereich werden die ortsfesten Ionen nicht mehr vollständig abgeschirmt: Hier gilt ND+(x)>n(x).

11 Mögliche Akzeptoren Wirtsgitter Mögliche Donatoren +

12 Im Temperaturbereich von -100 C bis +100 C sind alle Boratome (=Akzeptor) ionisiert. Die Anzahl der Boratome, NA im Si-kristallgitter (p-si) bestimmt die Leitfähigkeit. Massenwirkungsgesetz Ladungsneutralität Löcher werden als Majoritätsladungsträger bezeichnet Elektronen sind Minoritätsladungsträger.

13 Einrichtung eines internen Elektrischen Feldes, E Der Aufbau ähnelt einem Plattenkondensator, wobei der intrinsische Bereich das Dielektrikum darstellt. Diese Struktur heißt pin-diode

14 Elektrisches Feld im Halbleiter Wie erzeugt man im Halbleiter ein elektrisches Feld? Bsp: Verbindungshalbleiter InP, Wenn Si (IV) das In (III) ersetzt wirkt es als Donator n-typ, Wenn Si den P (V) ersetzt als Akzeptor p-typ.

15 Stromfluß im unbeleuchteten pin-übergang (GL=0) Freie Ladungsträger diffundieren in den i-bereich Ionenrümpfe bauen ein E-feld auf Der Driftstrom kompensiert den Diffusionsstrom

16 Stromfluss im beleuchteten pin-übergang (GL>0) 0 0 Typischer Aufbau für amorphe Si Dünnschichtzellen Der Verbraucher, R legt den Arbeitspunkt im j(u) Diagramm fest.

17 Funktioniert auch ein pn-übergang? Innerhalb der Raumladungszone (SCR) sind die Verhältnisse ähnlich der intrinsischen Region. Im elektr. neutralen Bereich (E=0) treibt der Diffusionsgradient die Minoritätsladungsträger zur Raumladungszone (E 0)

18 Aus den 5 Transportgleichungen kann der Ladungsträgertransport ermittelt werden: Poissongleichung Das interne elektrische Feld (der Ionenrümpfe) bedingt eine für die Majoritätsladungsträger.

19 Vergleich der pin Struktur mit dem pn-übergang am Beispiel InP Im Fall der pin-struktur ist Region der elektrischen ident mit dem Bereich der Photonenabsorption. Für die pn-zelle ist die elektrisch aktive Zone wenig ausgedehnt während der überwiegende Teil des Volumens als optischer Absorber dient, der elektrisch neutral ist. Dieser Bereich ist trotzdem nicht intrinsisch sondern dotiert.

20 Einfluss der Dotierung auf die Lebensdauer bzw. Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in kristallinem p-si

21 Die Strom-Spannungskennlinie j(u): Qualitative Betrachtung im äußerem Feld, unbeleuchtet - + ESCR<E(0), j>j(0) Vorwärtsrichtung, U>0 + - ESCR>E(0), j<j(0) Sperrrichtung, U<0 j0.. Sättigungsstromdichte

22 Die Strom-Spannungskennlinie j(u) unter Beleuchtung: Beleuchtet: Für eine Leistungsabgabe muß Uext>0 und jph>jdiode sein. Solarzelle

23 Zusammenfassung Im elektrisch neutralen Halbleiter halten sich Generation und Rekombination von Elektron - Lochpaaren das Gleichgewicht. Zur Trennung der lichtgenerierten Ladungsträger muß im Halbleiter ein elektrisches Feld existieren. Das interne Elektrische Feld ist so gerichtet, daß es für die jeweiligen Majoritätsladungsträger eine darstellt. Minoritätsladungsträger hingegen werden im Elektrischen Feld beschleunigt. Diese Beschleunigungsenergie der lichtgenerierten Minoritätsladungsträger kann als Nutzenergie an einen äußeren Stromkreis abgegeben werden.