Transcript Programme de Simulation PC1D

Programme de Simulation PC1D
C’est un logiciel qui modélise un composant semi-conducteur (Diodes, Photodiodes,….) et simule son
fonctionnement unidimensionnel. PC1D résoud les équations de transport des électrons et des trous
dans ces dispositifs semiconducteurs. Il est distribué par : the Photovoltaics Special Research Centre de
l’ University of New South Wales à Sydney, Australia
Exemple : Description d’une jonction (diode) N+P silicium
Silicium N+
Silicium P
PC1D/MasterV2M12
1
Les résultats peuvent être obtenus sous forme graphique
IV curve
5,E-03
Base Current (A)
4,E-03
3,E-03
2,E-03
1,E-03
0,E+00
-0,1
0,0
-1,E-03
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Base Voltage (V)
TRAVAIL DEMANDE
1 – PRISE EN MAIN DU LOGICIEL
Menu DEVICE
Ce menu permet de définir la structure électrique et physique du dispositif :
E
C
aera
Shunt
element
B
•
Observez les différentes propositions offertes.
Menu REGION
Une région défini un matériau semiconducteur (Si, Ge, AsGa, ..) et doit être renseignée avec les
paramètres électronique, optique concernés.
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2
Une homojonction peut être réalisée à partir d’une seule région en définissant les dopages background,
front et rear correct. Une hétérojonction doit être réalisée à partir de deux régions définissant deux
matériaux différents.
•
Observez les différentes propositions offertes.
Menu EXCITATION
Ce menu concerne les sources d’excitation électriques et optiques appliquées au dispositif
•
Observez les différentes propositions offertes.
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2 – MODELISATION ET SIMULATION D’UN BARREAU SEMICONDUCTEUR type P SOUS
OBSCURITE
On désire obtenir la résistivité d’un matériau SC type P à partir de sa caractéristique courant tension
I=f(V).
1. Ouvrez un nouveau fichier de simulation (new file), conservez les paramètres modifiez la
surface (S = 1 mm2) et la longueur du barreau (l= 1000µm)
2. Notez les valeurs du dopage et de la durée de vie des porteurs minoritaires
3. Simulez le dispositif pour réaliser :
un balayage en tension de 0 à 1V avec 128 points de mesures.
4. Sauvegardez ce fichier qui servira de référence
5. En déduire sur la caractéristique IV la résistance obtenue R= Robs (valeur, unité)
6. Calculez alors la résistivité ρobs du barreau (valeur, unité Ω.cm)
7. Comparez à la valeur réelle ( celle indiquée dans le fichier simulation)
8. Conclusion
9. Influence de la température (Modifiez T à la valeur 400K et re-calculez la résistivité du barreau)
10. Conclusion
11. Influence du dopage du substrat
a. Modifiez le dopage pour avoir Na=1015 at/cm3
b. Tracez la caractéristique IV de la résistance obtenue
c. Calculez alors la résistivité ρobs du barreau
d. Conclusion
3 – MODELISATION ET SIMULATION D’UN BARREAU SEMICONDUCTEUR type P SOUS
ECLAIREMENT
3.1 ECLAIREMENT MONOCHROME / INFLUENCE SUR LES BANDES D’ENERGIES
1. A partir du fichier de référence, observez les bandes d’énergie sous EXCITATION STEADY
STATE avec la base polarisée à 0V
2. Réalisez la même simulation en ajoutant une source lumineuse de caractéristique suivante :
•
Intensité 0,1W/cm2
lambda = 700 nm
Quelle est la modification observée sur le diagramme de bandes, commentez ce comportement.
3. Réalisez la même simulation en ajoutant une source lumineuse de caractéristique suivante :
•
Intensité 0,1W/cm2
lambda = 1200 nm
Quelle est la modification observée sur le diagramme de bandes, commentez ce comportement.
3.2 ECLAIREMENT EN CONDITION SOLAIRE NORMALISEE (SPECTRE FREQUENTIEL ET
PUISSANCE INCIDENTE)
On désire observez et quantifier sur la résistivité du matériau l’effet d’un éclairement de caractéristiques
suivantes :
Spectre fréquentiel AM1.5G et intensité 0,1W/cm2 (ce qui correspond à l’éclairement solaire standard)
1.
2.
3.
4.
A partir du fichier de simulation de référence, ajoutez une source lumineuse adéquate
Réalisez un balayage en tension de 0 à 1V avec 128 points de mesures.
En déduire sur la caractéristique IV la résistance obtenue R= Récl
Calculez alors la résistivité du barreau ρécl et calculez ∆ρ = ρ obs − ρ écl
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5. Conclusion
6. Influence du dopage du substrat
a. Modifiez le dopage pour avoir Na=1015 at/cm3
b. Tracez la caractéristique IV de la résistance obtenue
c. Calculez alors la résistivité ρécl du barreau sous éclairement
7. Calculez ∆ρ = ρ obs − ρ écl
4 – MODELISATION ET SIMULATION D’UNE JONCTION NP SILICIUM SOUS OBSCURITE
Emetteur
Cathode
N
P
Paramètres : Base
DEVICE
Aera
REGION1
Epaisseur
Base Type
résistivité
Emetteur
Peak Doping
Depth factor
Diffusion Length
Anode
2
1
cm
250
P
10
N
1,00E+20
3
300
µm
Ω.cm
Dopage uniforme
3
cmµm
µm
JONCTION « IDÉALE » (RS=0 et RSH=infinie)
1. Éditez le fichier de description avec les paramètres ci-dessus et sauvegardez le (référence)
2. Excitation en mode équilibre (EQUILIBRIUM)
a. Réalisez cette simulation et observez le diagramme des bandes d’énergie et les autres
diagrammes disponibles
3. Excitation en mode polarisation fixe (STEADY STATE)
a. Polarisation positive (V=1V) Réalisez cette simulation et observez le diagramme des
bandes d’énergie et les autres diagrammes disponibles
b. Polarisation négative (V=-1V) Réalisez cette simulation et observez le diagramme des
bandes d’énergie et les autres diagrammes disponibles
4. Excitation en mode transitoire (TRANSIENT) en polarisation directe
a. Réalisez un balayage en tension de 0 à 1V avec 128 points de mesures. (circuit de
polarisation avec R source = 10 Ω)
b. Observez la caractéristique IV obtenue, quelle est la valeur de la tension de seuil Vo, la
valeur du courant maximal IMAX et celle de la densité de courant maximale JMAX.
c. En schématisant le circuit de polarisation et la diode, retrouvez la valeur « théorique » de
IMAX
d. Copiez les données sur un tableur
e. Tracez la caractéristique I-V en échelle linéaire
f. Tracez cette caractéristique I-V avec l’axe Y en échelle logarithmique
g. Modélisation de la caractéristique I-V : on considère que la loi I=f(V) est donnée par la
q
relation suivante : I = I 0 . exp(
V ) , à partir de l’ajustement des données IV,
akT
retrouvez les valeurs de Io et a :
(avec Thermal voltage à 300 K, (kT/q= 0.025851483 V )
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JONCTION RÉELLE (RS différente de zéro et RSH=infinie)
La résistance série intègre les résistances électriques des contacts (Base, Émetteur) et la résistance des
régions semiconductrices. On modélise son effet par une résistance connectée en série avec la jonction.
1. A partir du fichier de description de référence précédent, ajouter sur le contact émetteur (ou
base) une résistance RS=1Ω
2. Simulez la caractéristique IV et notez l’effet de la résistance série (cet effet est plus visible avec
une échelle log sur l’axe I)
JONCTION RÉELLE (RS =0 et RSH=finie)
La résistance shunt (ou parallèle) représente le chemin parasite des courants qui ne traversent pas la
jonction. On modélise son effet par une résistance connectée en parallèle avec la jonction.
3. A partir du fichier de description de référence précédent, ajouter sur un shunt résistif
RSH=100kΩ
4. Simulez la caractéristique IV et notez l’effet de la résistance shunt (cet effet est plus visible avec
une échelle log sur l’axe I)
JONCTION RÉELLE (RS différente de zéro et RSH=finie)
5. Décrivez la diode réelle ci-dessus avec les valeurs précédentes de RS et RSH
6. Simulez la caractéristique IV et notez l’effet de la résistance shunt (cet effet est plus visible avec
une échelle log sur l’axe I)
5 – MODELISATION ET SIMULATION D’UNE JONCTION NP SILICIUM SOUS ECLAIREMENT
La diode NP soumise à un flux de photons incidents se comporte comme un transducteur Énergie Lumineuse –
Énergie Électrique. Suivant l’application elle se nomme photodiode ou photopile ou cellule solaire.
CELLULE SOLAIRE ÉTUDIÉE
Φ
Iph
I
N
Emetteur
P
Base
5.1 RENDEMENTS QUANTIQUES SPECTRAL
1. Reprenez le fichier de simulation jonction NP idéale et modifiez la profondeur de l’émetteur
(Depth Factor = 0,3 µm)
2. Modifiez le menu EXCITATION de la façon décrite ci-après :
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3. Simulez le fichier et observez le graphe Quantum Efficiency
4. A partir de quelle longueur d’onde λ la photopile ne produit plus de courant, pourquoi ?
5.2 CARACTERISTIQUE COURANT –TENSION SOUS ECLAIREMENT
1. Modifiez le menu EXCITATION selon la description ci-après
2. Simulez le fichier et observez le graphe One-sun IV and Power
3. Relevez les valeurs de :
a. La tension de circuit ouvert Vco
b. Du courant de court-circuit Icc
c. La puissance électrique maximale délivrée par la cellule PMAX
4. Calculez le facteur de forme FF de la cellule et son rendement de conversion η
5.3 PHOTOPILE REELLE
En réalité, les performances de la cellule vont être conditionnées par ses propriétés OPTIQUES
(Surfaces, Matériau), ELECTRONIQUE (Surfaces, Matériau, Jonction) et ELECTRIQUE
(Contacts, Fuites courants,..)
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5.3.1 PROPRIETES OPTIQUES DE LA SURFACE
C’est essentiellement la réflectivité de la surface qui va conditionner la pénétration maximale du flux de photons
incident, pour cela deux voies qui sont souvent additionnées sont mises en œuvre ; la texturation de la surface et
la réalisation d’une couche antireflet.
La réflectivité moyenne du silicium dans le domaine spectral concerné par l’utilisation des cellules solaires est
égale à 28%, (The reflectivity is the percentage of light reflected from a surface at a given wavelength.)
Nota : En français ce paramètre est appelé coefficient de réflexion et PC1D le nomme réflectance
RENDEMENTS QUANTIQUES SPECTRAL
1. Donnez la valeur de réflectivité égale à 28% dans le menu DEVICE
REFLECTIVITE
2. Simulez le fichier et observez le graphe Quantum Efficiency
3. Que remarquez-vous par rapport au tracé de la question 5.1.3
5.3.2 PROPRIETES ELECTRIQUES DU COMPOSANT
D’un point de vue macroscopique, les imperfections finales du dispositif se traduisent par l’apparition
d’une résistance série RS et d’une résistance shunt RSH dans le schéma équivalent de la cellule.
Iph
I
RS
RSH
1. Reprenez le fichier de référence caractéristique IV sous éclairement et modifiez le menu DEVICE pour
avoir Rs = 1 Ω et RSH = 100 Ω
2. Simulez le fichier et observez le graphe One-sun IV and Power
3. Relevez les valeurs de :
a. La tension de circuit ouvert Vco
b. Du courant de court-circuit
Icc
c. La puissance électrique maximale délivrée par la cellule PMAX
4. Calculez le facteur de forme FF de la cellule et son rendement de conversion η
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