WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

способных попасть в валентную зону CdS из CdTe, Результаты расчета I-V -характеристики по форму(ток I p) на много порядков меньше, чем электронов, ле (7) с учетом(2)-(6), (8) и (9) представлены на рис. которые могут перейти в зону проводимости CdTe сплошными кривыми. При расчете глубина залегания из CdS. Однако и для электронов, неосновных носителей генерационно-рекомбинационного уровня Et была прив CdTe, энергетический барьер также высок (ток In на нята равной 0.7 эВ, взято значение µ = 0.314 эВ исходя рис. 4). Таким образом, если исключить туннелирование, из того, что удельное сопротивление пленки CdTe равно наиболее вероятным механизмом переноса заряда при 2 · 104 Ом · см, а подвижность дырок 80 см2/В · с [18].

прямом смещении является рекомбинация в обедненном Для наилучшего согласия результатов расчета с экспеслое с участием уровней, расположенных вблизи середи- риментом времена жизни электронов и дырок в обедненны запрещенной зоны CdTe, как наиболее эффективных ном слое n0 и p0 пришлось принять равными 4 · 10-11 с.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 734 Л.А. Косяченко При расчете учтено падение напряжения на после- прилегающая к нему нейтральная область из которой довательно включенном сопротивлении объемной части неосновные носители вводятся в барьерную область блапленки CdTe Rs = 5 · 104 и 1.9 · 105 Ом при 302 и 358 K годаря диффузии (диффузионная составляющая фототосоответственно (рис. 1, b), значения Rs найдены из ка). Как уже отмечалось во введении, излучение поглозависимости дифференциального сопротивления диода щается практически полностью, если толщина слоя CdTe от напряжения при прямом смещении. Ход кривых без превышает 3 мкм. Создавать слой толще 4-5мкм не учета падения напряжения на этом сопротивлении, влиследует, во-первых, из соображений экономии материяние которого проявляется только при больших прямых ала, а во-вторых, во избежание электрических потерь, токах, показан на рис. 3 штриховыми линиями.

обусловленных ненужным падением напряжения Vs на Из рис. 3 следует хорошее согласие результатов распоследовательно включенном сопротивлении объемной чета с экспериментом, что подтверждает правильность части пленки Rs.

выбора физической модели происходящих в гетероструктуре n-CdS/p-CdTe процессов. Подчеркнем, что при 3.1. Удельное сопротивление материала расчете использован только один подгоночный параметр, одинаковый для обеих температур, — эффективное Очевидно, что во избежание электрических потерь, время жизни носителей в области пространственного связанных с наличием Rs, удельное сопротивление заряда = n0 = p0. Выбранная модель, таким образом, материала не должно быть слишком высоким. Для правильно описывает не только зависимость тока от оценки примем предельно допустимое значение Vs равнапряжения при обеих полярностях, но и температурные ным 0.01 В. При солнечном облучении АМ1.5 плотность изменения I-V -характеристики диода.

тока короткого замыкания Jsc в эффективном солнечДля повышения структурного качества гетерограном элементе на основе CdTe близка к 20 мА/см2. Из ницы и фотоэлектрических характеристик структуусловия JscRs = 0.01 В имеем максимально допустимое ру CdS/CdTe обычно отжигают при температуре значение Rs = 0.5 Ом. Принимая толщину нейтрального 450-550C, в результате чего энергетическая диаслоя CdTe ds = 3-5 мкм, найдем максимальное удельграмма перехода несколько изменяется, особенно в ное сопротивление материала = RsA/ds 103 Ом · см, слое, прилегающем к границе раздела. Это, однако, чему соответствует концентрация дырок в валентной не может существенно изменить результаты расчета зоне p = 1/qµp 1014 см-3 при подвижности дырок I-V -характеристики, поскольку величина тока являетµp = 50 см2/В · с. Исключая вырождение дырок в вася результатом интегрирования скорости генерации– лентной зоне, энергию уровня Ферми найдем из ураврекомбинации U(x, V ) по всему обедненному слою и нения конкретный ход потенциала особого значения не имеNv ет [22]. µ = kT ln, (10) p Таким образом, характерные для тонкопленочного гетероперехода n-CdS/p-CdTe зависимости прямого тока откуда при 300 K и эффективной массе дырок от напряжения I exp(qV /nkT) (n — фактор „идеаль- mp = 0.35m0 получаем µ = 0.27 эВ.

ности“ диода) проявляются в узком интервале измене- Таким образом, для исключения потерь, связанных с ния тока, а при повышенных напряжениях вообще не падением напряжения на объемной части пленки CdTe, наблюдаются. Анализ энергетической диаграммы гете- уровень Ферми должен отстоять от потолка валентроперехода n-CdS/p-CdTe показывает, что надбарьерный ной зоны не далее чем на 0.3 эВ. Это требование (диффузионный) ток основных носителей является пренесложно удовлетворить, легируя полупроводник акнебрежимо малым, а основным механизмом переноса цепторной примесью с малой энергией ионизации, назаряда является генерация–рекомбинация в обедненпример, 0.05-0.1 эВ, до концентрации 1015 см-3 или ном слое. Математическое описание наблюдаемой I-V выше. Дело, однако, усложняется тем, что даже сверхчихарактеристики и ее температурного изменения достистые монокристаллы CdTe всегда содержат остаточные гается в рамках модели Саа–Нойса–Шокли с учетом примеси Cu, Fe, Au, Ag, As, P и других элементов особенностей исследуемого гетероперехода и влияния в концентрации, достигающей 1015-1016 см-3 [23,24].

обязательных элементов эквивалентной схемы фотоК неконтролируемым примесям добавляются электривольтаической структуры, каковыми являются шунтически активные дефекты, возникающие в процессе изрующее и последовательно включенное сопротивления готовления материала, при его механической и химиче(Rsh и Rs ).

ской обработке. Вакансии Cd, например, образуют одноили двухзарядные акцепторы, а вместе с примесью, например Cl, — донорные комплексы (так называемые 3. Требования к электропроводности A-центры). Вакансии Te, атомы Te в междоузлиях (или материала на месте атомов Cd) также действуют подобно примесям Активной областью фотовольтаической структуры яв- различного типа и т. п. В результате в запрещенной зоне ляется обедненный слой, где фотогенерированные элек- всегда имеются мелкие и глубокие уровни как акцептортроны и дырки разводятся действующим там электри- ного, так и донорного типа, т. е. CdTe всегда является чаческим полем (дрейфовая составляющая фототока), и стично компенсированным полупроводником. Подобное Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных... наблюдается и в тонких пленках CdTe, используемых месей в выражениях (14) и (15), gd и ga, примем равныв солнечных элементах. Методами фотоиндуцированной ми 1, что в величину энергии термической активации спектроскопии и рядом других исследований выявлено вносит незначительную погрешность, равную kT ln gd около 200 мелких и глубоких уровней в запрещенной или kT ln ga (меньше ±0.01 эВ при 300 K).

зоне тонкопленочного CdTe (см. работу [25] и ссылки На рис. 5 представлены полученные в результате в ней).

компьютерного расчета уравнения (11) зависимости Рассматривая требования к электропроводности маэнергии уровня Ферми µ от концентрации донорной териала, необходимо учитывать, что положение уровня примеси Nd при одинаковой концентрации всех трех Ферми в запрещенной зоне полупроводника зависит не типов акцепторов 1016 см-3 [26,27]. Как видно, в компентолько от энергии ионизации и концентрации примесей, сированном полупроводнике положение уровня Ферми но и от степени их компенсации. Согласно формуле (3), (а значит, и проводимость) уже не определяется примеконцентрацией нескомпенсированных примесей опредесью или дефектом с наименьшей энергией ионизации.

ляется также ширина области пространственного заряВ области малых значений Nd, не достаточных для да — одна из самых важных характеристик фотоволькомпенсации самого мелкого акцептора, уровень Ферми таической структуры. Процесс компенсации, имеющий медленно удаляется от валентной зоны при увеличении важные особенности в CdTe, поэтому требует более Nd (разумеется, µ Ea1/2 при Nd 0 и T 0). При подробного рассмотрения.

приближении Nd к Na1 это перемещение ускоряется, а при Nd = Na1 уровень Ферми „перескакивает“ в область 3.2. Степень компенсации проводимости энергий µ Ea2. При дальнейшем увеличении Nd уровень Ферми снова медленно удаляется от валентной зоВ некомпенсированном полупроводнике p-типа провоны, пока Nd не приблизится к Na1 + Na2. Как только Nd димости, содержащем несколько акцепторных примесей, становится равным Na1 + Na2, уровень Ферми делает положение уровня Ферми, а значит электропроводность, новый „прыжок“ в область энергий µ Ea3. Заметим, определяет самый мелкий акцепторный уровень. Энерчто положение уровня Ферми, а значит и электропрогетическое положение уровней, более удаленных от валентной зоны (хотя бы на несколько kT), значения не имеет [26,27]. В компенсированном полупроводнике положение уровня Ферми существенно зависит от концентрации донорной примеси.

Рассмотрим дырочный полупроводник с тремя акцепторными и одним компенсирующим донорным уровнем (рис. 5). Концентрации доноров и акцепторов трех типов обозначим через Nd, Na1, Na2 и Na3, их энергии ионизации через Ed, Ea1, Ea2 и Ea3 соответственно. Условие электронейтральности для такой схемы уровней имеет вид - - - + n + Na1 + Na2 + Na3 = p + Nd, (11) + - - где Nd, Na1, Na2, Na3 — концентрации заряженных доноров и акцепторов. Энергию ионизации акцепторов, как и уровня Ферми ( µ), будем отсчитывать от потолка валентной зоны, а доноров — от дна зоны проводимости.

Тогда концентрации электронов в зоне проводимости n и дырок в валентной зоне p, заряженных доноров и акцепторов определяются формулами:

Nc n =, (12) exp[(Eg - µ)/kT ] +Nv p =, (13) exp[ µ/kT) +Nd + Nd =, (14) gd exp[-(Eg - Ed - µ)/kT] +Nai Nai =, (15) ga exp[(Eai - µ)/kT] +i = 1, 2, 3. Для определенности примем энергии ионизаРис. 5. Схема полупроводника с одним донорным и тремя ции акцепторных уровней равными значениям, проявляакцепторными уровнями (a) и зависимость энергии уровня ющимся на опыте в CdTe, — Ea1 = 0.1эВ, Ea2 = 0.44 эВ, Ферми µ от концентрации компенсирующей донорной примеEa3 = 0.72 эВ, а энергию ионизации донорной примеси си Nd при наличии трех акцепторных уровней и концентрации Ed = 0.1эВ [26]. Факторы спинового вырождения при- акцепторов каждого типа 1016 см-3 (b).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 736 Л.А. Косяченко водность материла, всякий раз определяются частично компенсированным верхним уровнем. Когда, наконец, Nd превысит суммарную концентрацию всех акцепторов Na1 + Na2 + Na3, уровень Ферми перемещается в верхнюю половину запрещенной зоны (проводимость становится электронной и резко возрастает).

Следует подчеркнуть, что процесс компенсации самого глубокого уровня происходит независимо от наличия уже полностью компенсированных менее глубоких уровней. Влияние этих уровней сводится к тому, что на их компенсацию „израсходовано“ необходимое количество доноров (в реальном случае под Nd следует понимать суммарную концентрацию всех доноров). На процесс компенсации частично компенсированного уровня практически не влияют также расположенные выше более глубокие уровни, исключая очень узкую переходную Рис. 6. Положение уровня Ферми в зависимости от степени область легирования Nd =(1 ± 0.05)Na, когда происхокомпенсации Nd/Na для четырех акцепторных уровней с дит скачок уровня Ферми. Выполнить столь жесткое Ea = 0.05, 0.1, 0.15, 0.3 эВ и донорного уровня с Ed = 0.3эВ.

условие — Nd =(1 ± 0.05)Na — в значительном объКонцентрация акцепторов каждого типа Na = 1017 см-3. Отмееме полупроводника представляется нереальным. Более чено положение уровня Ферми при Nd/Na = 0.99. Температура вероятным является состояние, когда уровень Ферми 300 K.

при изменении Nd медленно перемещается, находясь вблизи акцепторного уровня (так называемый pinning).

Чем выше концентрация компенсируемой примеси Na, заряда, используя компенсацию примерно на порядок.

тем в большем интервале изменения компенсирующей В соответствии с формулой (3) для этого необходимо примеси Nd уровень Ферми удерживается уровнем комиметь концентрацию нескомпенсированных акцепторов пенсируемой примеси. Напротив, уровень Ферми пракNa-Nd на 2 порядка меньше, чем Na, т. е. обеспечить тически не захватывается компенсируемой примесью, степень компенсации Nd/Na = 0.99.

если ее концентрация низка.

Чтобы найти энергию ионизации легирующей приТаким образом, наличие множества примесей и демеси, для которой µ < 0.3 эВ при степени компенсафектов различного типа, образующих в запрещенной ции 0.99, мы рассчитали зависимости µ от степени зоне уровни различной глубины, объясняют труднокомпенсации для акцепторов с малой энергией ионизасти получения CdTe с воспроизводимыми свойствами.

ции, Ea = 0.05, 0.10 и 0.15 эВ (рис. 6, где для сравнения Из изложенного вытекает также возможное решение показана кривая для Ea = 0.3эВ). Как видно, для всех проблемы: для фиксирования уровня Ферми, а значит мелких акцепторов с Ea = 0.05, 0.10 и 0.15 эВ даже электропроводности материала, необходимо специальпри степени компенсации 0.99 уровень Ферми заходит ное легирование акцепторной примесью с концентрацив глубину запрещенной зоны не более чем на 0.3 эВ ей, намного превышающей концентрацию неконтроли(показано горизонтальными черточками), в то время как руемых примесей и дефектов (1015-1016 см-3), влияние примесь с энергией ионизации 0.3 эВ этому требованию которых окажется нивелированным. Чтобы получить не удовлетворяет. Заметим, что результаты расчета мало низкоомный материал, исключающий электрические поизменятся, если концентрацию легирующей примеси Na тери на последовательном сопротивлении фотовольтаиувеличить на порядок, т. е. принять равной 1018 см-3 (все ческой структуры, легирующая примесь должна вносить кривые слегка сместятся вниз).

в запрещенную зону относительно мелкий уровень.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.