ＣＩＳ
、?＋币一 Ｉ ； ｝必丘 ｛ ＣｄＳ Ｘ２ ＸＩ Ｘｏ 图４－３
ＣＩＳ／ＣｄＳ异质结能带结构
Ｆｉｇ．４－３ Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｓｔｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＣＩＳ／ＣｄＳ ｈｅｒｅｔｏ—ｊｕｎｃｔｉｏｎ
第四章ＣＩＳ／ＣｄＳ异质结的物理性质 ４．４ ｃＩ
Ｓ／ＣｄＳ异质结的伏安特性
由能带图可见ＣＩＳ／ＣｄＳ异质结热平衡时，空穴由ＣＩＳ价带一ＣｄＳ价带遇到的 势垒高度为ｑＶ。＋△Ｅ，＝Ｉ．８９ｅＶ，而电子由ＣｄＳ导带一ｃＩｓ导带遇到的势垒高度
为：ｑＶ Ｄ一△Ｅ。＝０．５１ｅＶ，所以通过异质结势垒的将主要是电子流，空穴流可忽
略，所以在以下的讨论中只讨论电子流的贡献“??。由于异质结能带结构的复杂 性，所以在讨论其伏安特性时，随能带结构的变化，我们将采用不同的方法处理。 ４．４．１势垒尖峰不露出ＣｌＳ导带底
在此情况下，势垒尖峰的作用变得很微弱，用通常的ｐ－ｎ结扩散理论处理是 合适的。按扩散模型注入Ｐ区的少子的稳态连续性方程为； —ｄ２ｎＦ，（ｘ）一霉尘鱼：ｏ（４－６） 出２ 见Ｉｒ。ｌ 其通解为： （４－７）
”Ｉ（ｘ）＝Ａｅ上．１＋ＢＰ工１１＋疗Ｉｏ 由边界条件： ｘ＝ｘＩ时，ｎｌ（ＸＩ）＝ｎ ２０ ｅｉ－（ｑｒ．－ｖ）－“‘ｖ目＝ｒ／ｔｏｅｑｖ｜目 ｘ２∞时，ｒｌｌ（ｏｏ）２ ｎｌｏ 可得： ＂Ｉ（ｘ）＝＂１０＋［行ｌ（ｚ】）一门１０】Ｐ‘‘ 由电流密度方程： ｊ＝－ｑＤ，，，掣Ｉ—ｘ．
可得势垒尖峰不露出ＣＩＳ导带底时流过单位结面上的正向电流密度： ｊ＝ｑＤ ｎ，２０
ｅ－ｔｅｌ．ｊ一峨）?【ｅｑ?７—１】 （４—８）
４．４．２势垒尖峰露出ｃＩ Ｓ导带底
此时势垒尖峰较高，同时在ＣＩＳ区存在一较深的三角形的电子势阱，此势阱 中将存在大量的二维电子气体要向ｎ区输出，所以必须考虑其对电流的贡献。下
————————————————————＿兰生莹墨三查兰堡圭兰垡笙苎 面用Ａｎｄｅｒｓｏｎ扩散模型处理。
首先“区电子需克服势垒（ｑＶ ａ２－－ｑＶ：）才能在ｐ区的边界上聚集，所以能 克服势垒进入Ｐ区的电子浓度为： 胛ｌ（ｘ１）；ｉ１２０ｅ－（ｑＶｏ，－。ｖ２’”
同前对这些电子求解其Ｐ区中的连续性方程（４—６）可得通解（４—７）由边界 条件：
ｘ＝ｘｌ时，门ｌ（ｘ１）＝ｎ２０ｅ一‘４％】．９吩）７￡７ 工＝００１耐?／＇／１００）＝ｎ２０ｅ１％ｉ７。７ 可得ｎ，（ｘ），从而从Ｎ—Ｐ的电子流密度为： 厶＝掣粤ｅ－ｑｗｆ’（Ｐ州”一１１ ／＂ｈｉ
同理势阱中的电子向ｎ区输运需克服势垒△Ｅ，一ｑｖ。．－－ＦｑＶ，，所以能进入ｎ 区的电子浓度为九２（ｘ２）＝一Ｐ一‘峨。ｇ％ｍ‘’”，同样求解这些电子在ｎ区中的连续性方 程（４—６），得通解（４－７）。由边界条件： ｘ ２
Ｘ２Ｂ寸，ｎ２（ｘ２）＝ｎ］ｅ一‘峨。ｑ％Ｉ＋ｑ‘）７。７ ｘ≈∞时，心（∞）＝啊Ｐ一‘６丘一Ｐ％１）ｒｒ （其中ｎ Ｊ可由平衡条件挖２０Ｐ’９％，”＝／＇／Ｉｅ一（嶂。ｑ％－）懈求得）。 从而可求出ｎ：（ｘ），所以从Ｐ－－Ｎ的屯子流密度为： ＾２＝皇譬ｅ１峨－ｑＶｍ）ｔｌＣＴ［ｅ－ｑＶ，，”一１】 设：Ｌ。ｌ＝Ｌ。２＝Ｌ。，Ｄ。ｌ＝Ｄ。２＝¨。
则：势垒尖蜂高出ＣＩＳ导带底时，流过单位结面的从Ｐ－－Ｎ的正向电流密度为： ｊ。＾ｌ－Ｌ２＝ｑｎ２０（！生）“２ ‘ｎ
ｅ－ｑ％２“７ｌＰ啦７竹一８¨７。盯１ 。
若考虑导异质结界面处对电子的反射，引入透射系数ｘ，则 ｊ
２觋。ｚ（导）“２ Ｐ１＂”妒城ＫＴ－－ＦｑＶＩ斛ｊ （蚋）
其中Ｂ，＝（１～ｎ）～，日，＝１／ｎ ４。４。３异质结偏置
４?４－３－１若ＣＩＳ／ＣｄＳ异质结正向偏置 当正向电压ｑＶ＜ｑＶ。一△Ｅ。／ｎ即ｖ（
０．１８５ｖ时，势垒尖蜂不露出ＣＩＳ导带底，所以此时的伏安特性用（４—８）式表示。
而随着外加电压Ｖ，的增加．当Ｖ＞０．１８５Ｖ时，势垒尖峰露出ＣＩＳ导带底，见图４—４，
此时异质结的伏安特性应该用（４～９）式表示。总之此异质结的伏安特性为： 第四章ＣＩＳｔＣｄＳ异质结的物理性质
?（盈）ｔ／２ ｅ“７５／ＫＴ［ｅｑｔ＇ＩＫＴ＿１］ Ｚ州
ｆＶ＜Ｏ．１８５Ｗ）
Ｊ＝
ｇｎ２。ｚ（兰ｋ）１１２ ｅ－Ｏ．５１１ＫＴ ｅｑｌ＇／Ａ＂一Ｐ训，岛Ｋ７】 Ｚ ｎＩ
（Ｖ＞０．１８５ｖ） Ｖ１ 山 个 山 Ｖ ． ｘｌ／ 个～
／卜 Ｖ２ ≦ Ｋ． ３
图４－４正偏压时能带变化示意图 Ｆｉｇ．４－４ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｗｉｔｈ ｐｏｓｉｔｉｒｅ ｖａｌｔａｇｅ
可见该异质结的正向伏安特性曲线有一折点。一般位于０．５Ｖ左右，当然也可 随ＣｄＳ、ＣＩＳ掺杂情况的不同而变化。若ＣＩＳ掺杂比ＣｄＳ多很多。则势垒将主要降 落于ＣｄＳ，有可能使平衡时势垒尖峰就已超过ＣＩＳ的导带底，此时该异质结的伏 安特性将完全由（４－９）式描述，这点将消失。
４．４．３．２若０ｌＳ／ＯｄＳ异质结反向偏置 Ｖ１ Ｖ２
图４—５反偏压时能带变化不意图 Ｆｉｇ．４－５ Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｗｉｔｈ ｍｉｎｕｓ ｖａｌｔａｇｅ
一般情况下ＣＩＳ／ＣｄＳ异质结反偏时，势垒尖峰将始终不会超出导带底。所以 其反向伏安特性由上式表示，且随Ｉ Ｖ
Ｉ增加势垒尖峰越来越平，其反向电流ＣＩＳ 少子浓度决定趋于饱和。见上式所表达。
当然若ＣＩＳ和ＣｄＳ的掺杂情况使平衡时能带图中的势垒尖峰平衡时露出ＣＩＳ 华南理工大学硕士学位论文
导带底，则其反向伏安特性曲线会有一折点。因随反向偏Ｉ （４－８）式表达。 ｖ
Ｉ增加势垒尖峰会降
低，当降低至ＣＩＳ导带底之前伏安特性由（４－９）式表达，降至ＣＩＳ导带底之后由 从前面的讨论可知，可以简单利用改变ＣｕｌｎＳｅ，和ＣｄＳ两种半导体材料的掺 杂浓度来改变ＣｕｌｎＳｅ，／ＣｄＳ异质结的能带结构，从而改变其相应的伏安特性，以 便设计制造出最符合要求的能带结构和伏安特性的ＣｕＩｎＳｅ，／ＣｄＳ异质结，从而提
高ＣｕＩｎＳｅ ２／ｃｄｓ太阳电池的效率。而提高ＣＩＳ材料的光吸收率也是提高电池的转
换效率的一个办法。半导体材料本征吸收长波限由公式厶＝１．２４／Ｅ，“”得出。常 温下，ＣＩＳ材料的禁带宽度为Ｅ。＝１．０４ｅＶ，由上式可以算出ＣＩＳ材料对应的本征 吸收长波限为ｘ。＝１．１９ ＝０．４～Ｏ．７ ｕ ｕ
ｍ。从图４－６可见，在太阳光谱中，可见光部分在＾
ｍ之间的太阳光强最大，极大值在０．５ ｕ ｍ处。为了充分利用太阳能， 以便提高光电池的输出功率和转换效率，这就要求光电池的光谱响应与太阳光谱 的分布一致．经过计算得知，最合适的禁带宽度为Ｉ．５ｅＶ。ＣＩＳ材料的禁带宽度并 不是很合适的，因而要提高ＣＩＳ材料的光吸收率，就要想办法提高它的禁带宽度。 近年研究在ＣＩＳ中掺入少量的Ｇａ，将Ｇａ代替ＣＩＳ材料中的部分Ｉｎ，形成
ＣｕＩｎｈＧａ，Ｓｅ ２（简称ＣＩＧＳ）四元化合物。ＣＩＧＳ薄膜可以看作宽带隙（１．６７ｅＶ）
的ＣｕＧａＳｅ ２和窄带隙（１．０４ｅＶ）的ＣｕｌｎＳｅ ２的混溶晶体，一般写成ＣｕＩｎ。Ｇａ，Ｓｅ ２，
其禁带宽度为：Ｅ，＝［１．０２＋０．６７ｘ＋０．１４ｘ（ｘ－Ｄ］【｜”，当ｘ＝Ｏ．３时，ＣＩＧＳ的禁带宽 度可以达到１．５ｅＶ。问题的关键是在实验中掺入的Ｇａ如何保证形成宽禁带化合物， 这是今后重点研究的理论和技术问题。 Ｋ ／
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ｓｐｅｃｔ ｒｕｍ 图４－６太阳光谱
Ｆｉｇ．４－６ Ｓｕａ
第凹章ＣＩＳ／ＣｄＳ异质结的物理性质 ４．５
ＰＮ结开路电压与载流子扩散长度的关系
当把ＰＮ结按电路连接起来，在结上加上电压Ｖ，则在结内有电流Ｉ产生。在 没有光照时，可表示为： Ｉ＝Ｉ，［ｅｘｐ（ｑｖ／ＫＴ）一１］ （４－１０）
式中ＩＳ为反向饱和电流。今若有光照射在ＰＮ结上，则这时（４－１０）式应改写 Ｉ＝Ｉ，［ｅｘｐ（ｑＶ／ＫＴ）一１］一Ｉ￡ （４－１１）
上式中，若分别另Ｖ－－－－０和Ｉ＝０，可得短路电流Ｉ。和开路电压Ｖ。为： ｌ＝一１￡ （４－１２） （４—１３） ｖ。：Ｋ＿Ｚ１ｎ［１＋Ｉ Ｌ／Ｉ，］ 一般情况下，有Ｉ。》Ｉ，，则（１１）式可简化为： ｖ。≈堑１ｎ（Ｉ Ｌ／Ｉ，） Ｉ，一般可表示为 （４—１４） ，，邛ｃ警＋警，（４－１５） 式中Ｓ为ＰＮ结的截面积，Ｄ，为空穴的扩散系数，Ｄ。７９电子的扩散系数，“ｐｏ 是Ｐ区的平衡电子浓度，Ｐ。。是Ｎ区的平衡空穴浓度，Ｌ。是空穴的平均扩散长度， Ｌ。是电子的平均扩散长度。又：
ｅｘｐ（一警） ?啮ｎｘ“一簪） 耻即３ｓ２ Ｉ，＿ｑＳ （４一１６）
式中Ｋ．为常数?Ｅ，为价带能级，Ｅ。为导带能级?Ｅ＾、Ｅ＂分别为热平衡时的Ｎ区 和Ｐ区的费米能级。将（４－１６）式代入（４－１５）式，令Ｅ。２Ｅ。一Ｅ，，整理可得：
Ｋ１Ｔ?ｉＤｅ ｅｘｐ（一警）＋ 域Ｄ＂ｅｘｐ（－警）］ｅｘｐ（１一鲁） 将（４－３５）式代入（４－３２）式可得： （４＿１７） ｖ。：生＋坚１ｎＩ。一
等?ｎ｝脒；丁?［孝ｅｘ时兰铲，十鲁唧ｃ一兰≦争，］｝ 又Ｉ Ｌ＝ｑｇ ｏＬ ｃ¨ｓ， （４一１９）
而由爱因斯坦关系有Ｄ＝（ＫＴ／ｑ）“ （４—２０）
以上两式中Ｌ为载流子的扩散长度，ｔ是载流子的平均寿命，ｐ～Ｔ～，ｂ
是一个０～ｌ之闻的一个常数，ｇ。是在势垒部分因获得光子而产生的电子空穴对 的数目，它与入射光通量成正比。 将（４－２０）式代入（４－１９）式得： Ｌ＝（ＫＴｌｌ Ｔ／ｑ）２
Ｉ Ｌ＝ｑｇ ｏ（ＫＴ“Ｔ／ｑ）２ （４—２１）
将（４—２１）式代入（４－１８）式即得： Ｖ。＝等＋等?“ｍ咄，÷一
等?ｎ陋?陪ｅ即卜警，＋尝唧ｃ一生争，］）