太陽電池和光電二極管光生伏特效應：光生伏特效應就是半導體吸收光能后利用各種勢壘產生光生電動勢的效應，這些勢壘可以是PN結、MS結、異質結等。PN結光生伏特效應涉及到的物理過程：PN結光生伏特效應涉及到以下三個主要的物理過程：第一，半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子—空穴對；第二，非平衡電子和空穴從產生處向非均勻勢場區運動，這種運動可以是擴散運動，也可以是漂移運動；第三，非平衡電子和空穴在非均勻勢場作用下向相反方向運動而分離。結果在P區邊界將積累非平衡空穴，在N區邊界將積累非平衡電子，產生一個與平衡P—N結內建電場方向相反的光生電場。于是，在P區和N區之間建立了光生電動勢。太陽電池的效率:太陽電池的最大輸出的電功率與吸收的光功率之比。用能帶圖分析PN結光生伏特效應的物理過程。答：圖7-5a是平衡P-N結能帶圖。在光子能量大于禁帶寬度的光的照射下，在半導體中就會產生電子－空穴對。在P-N結的空間電荷區的作用下，在P區邊界將積累非平衡空穴，在N區邊界將積累非平衡電子，產生一個與平衡P-N結內建電場方向相反的光生電場。于是，在P區和N區之間建立了光生電動勢。積累的光生載流子部分地補償了平衡P-N結的空間電荷，引起P-N結勢壘高度的降低，如圖7.5b所示。如果P-N結處于開路狀態，光生載流子只能積累于P-N結兩側產生光生電動勢。這時在P-N結兩端測得的電位差叫開路電壓，用表示。從能帶圖上看，P-N結勢壘由降低到。可以看出，勢壘降低的部分正好是P區和N區費米能級分開的距離。如果把P-N結從外部短路，則P-N結附近的光生載流子將通過這個途徑流通。這時流過太陽電池的電流叫短路光電流，用表示。其方向從P-N結內部看是從N區指向P區的。由于這時非平衡載流子不再積累在P-N結兩側，光生電動勢為零。一般情況下，P-N結材料和引線總有一定電阻，這時光生載流子只有一部分積累于P-N結上，使勢壘降低，是電流流過時,在上產生的電壓降。如圖7.5c所示。這時P區和N區費米能級分開的距離仍然代表P-N結勢壘降低的程度，如果加上負載就會有光電流通過。（a）（b）（c)圖7-5

P-N結能帶圖：（a）無光照平衡P-N結（b）光照P-N結開路狀態（c）光照P-N結有串聯電阻時的狀態。畫出太陽電池的等效電路圖，根據等效電路寫出I-V特性圖7-6太陽電池理想等效電路式中為P-N結正向電流，稱為太陽電池的暗電流。為P-N結飽和電流。畫出考慮串聯電阻的太陽電池的等效電路圖，根據等效電路寫出V-I特性.解：實際的太陽電池存在著串聯電阻和分流電阻。串聯電阻是接觸電阻和薄層電阻的總和，它使電流－電壓特性發生改變，分流電阻是P-N結泄漏電流引起的。考慮到串聯電阻和分流電阻的作用，太陽電池的等效電路圖如圖所示。（7-6）根據圖可以寫出考慮到串聯電阻作用的V-I特性公式（7-11）V〔圖7-8〕包括串聯電阻和分流電阻的太陽電池等效電路畫出P-I-N光電二極管的結構示意圖和能帶圖，說明其工作原理。解：在P層和N層之間夾入一層本征（或低摻雜）的I層材料。這種結構的光電二極管稱為P-I-N光電二極管。圖7-20示出P-I-N光電二極管的基本結構以及反偏壓下的能帶圖。半導體吸收光之后產生電子—空穴對。產生在耗盡層和耗盡層外，在載流子擴散區內的電子—空穴對會進入空間電荷區被電場（外加反向偏壓引起的電場和P-N結自建電場）分開，它們漂移通過耗盡層，在外電路產生電流。P層和N層中間的I層也叫耗盡層，起到增加耗盡層寬度的作用。在足夠高的反偏壓下I層完全變成耗盡層，其中產生的

電子—空穴對立刻被電場分離而形成光電流。在I層之外產生的電子—空穴對以擴散方式向耗盡層邊緣擴散然后被耗盡層收集。它們形成擴散電流。I層的厚度可以很薄，目的是用以獲得最佳的量子效率和頻率響