WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

3.4. Экспериментальные результаты 3.3. Требование к величине энергии ионизации легирующей примеси Проанализируем теперь результаты наших исследований электропроводности слоя CdTe в гетероструктуре Пусть концентрация легирующей акцепторной пристекло/ITO/CdS/CdTe. На рис. 7, a представлены темпемеси Na составляет 1017 см-3. Согласно формуле (3), ратурные зависимости удельного сопротивления плентакому значению Na в отсутствие компенсации (Nd = 0) ки p-CdTe, измеренные на двух образцах. Для удельного соответствует ширина области пространственного зарясопротивления можно записать да 10-5 см = 0.1 мкм, что обеспечивает поглощение в ней незначительной части солнечного излучения. Вре1 = =, (16) мена неосновных носителей заряда, а значит, и диффуqµp p qµpNv exp(- µ/kT) зионная длина электронов, в слое CdTe тонкопленочной гетероструктуры малы, и нельзя полагаться на собира- а для подвижности дырок в монокристаллическом CdTe ние заряда только в нейтральной части пленки. Поэто- в области T > 200 K хорошо выполняется выражение му желательно расширить область пространственного (даже при больших концентрациях примесей, когда Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных... доминирует рассеяние оптическими фононами) [28,29] При повышении температуры эффективная плотность 3/состояний в валентной зоне возрастает T, а подвиж-3/-3/µp = 4 · 105T см2/В · с. (17) ность дырок уменьшается T. Поэтому, не допуская заметной ошибки, можно принять, что температурРазумеется, в поликристаллических пленках подвижная зависимость определяется только экспоненциальности отличаются от задаваемых формулой (17). Однако ным множителем, т. е. наклон линейной зависимости lg замена µp точными значениями внесет некоторые колиот 1000/T дает энергию активации E. Исследуемые чественные поправки в результаты расчета, но не может пленки CdTe оказались высокоомными (рис. 7, a), что повлиять на сделанные выводы.

свидетельствует о довольно высокой степени компенсации, когда энергия термической активации проводимости E совпадает с энергией ионизации компенсируемой примеси Ea [30,31]. Найденные из результатов, представленных на рис. 7, a, величины Ea для двух образцов составляют 0.59 и 0.71 эВ. Теперь, зная и µp, нетрудно найти концентрацию дырок p; температурные зависимости показаны на рис. 7, b. В условиях компенсации концентрация дырок определяется формулой [30,31] Na - Nd Ea p = Nv exp -, (18) Nd kT т. е., зная p, можно найти величину (Na - Nd)/Nd, а значит, и степень компенсации Nd/Na. Для исследованных образцов она оказалась равной 0.037 и 0.045. На рис. 7, c показана температурная зависимость энергии уровня Ферми µ(T ) для этих же образцов, найденная из зависимости p(T ) с использованием формулы (10).

Приведенные на рис. 7 результаты объясняют причины низкой эффективности исследований гетероструктуры CdS/CdTe. Специально не легированные слои CdTe излишне высокоомны, из-за чего уровень Ферми слишком удален от валентной зоны, а степень компенсации слишком низкая для обеспечения достаточно широкого обедненного слоя (суммарная концентрация акцепторов вряд ли заметно ниже 1015-1016 см-3).

4. Рекомбинационные потери на поверхности раздела CdS/CdTe Трудно предположить, что поверхностная рекомбинация тонкопленочной структуры себя не проявляет (см. рис. 2) из-за низкой плотности состояний на границе CdS/CdTe. Вероятнее всего, это происходит из-за действия электрического поля, напряженность которого вблизи поверхности CdTe, согласно (2), равна 1 d 2(0 - qV ) x F(x, V ) = (x) = 1 -, (19) q dx qW W т. е. может быть достаточно высокой при узкой области пространственного заряда W.

При наличии нескольких примесей (дефектов) различного типа ширина области пространственного заряда определяется разностью между суммарными концентрациями акцепторов и доноров, что, разумеется, подтверждается решением уравнения Пуассона для полупроводника с несколькими акцепторными и донорными примесями [27]. При большой концентрации нескомРис. 7. Температурные зависимости удельного сопротивления (T ), концентрации дырок p(T ) и энергии уровня Ферми пенсированных акцепторов Na - Nd (низкой степени µ(T ) для двух образцов пленок p-CdTe. компенсации) концентрация дырок p в валентной зоне 7 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 738 Л.А. Косяченко также высока. Следует подчеркнуть, что концентрация ошибки, можно пренебречь в формуле (20) членами нескомпенсированных акцепторов остается высокой и D1() и D2() [33]. Подынтегральная функция в (22), при удалении уровня Ферми от валентной зоны, хотя f (x), экспоненциально убывает при увеличении x. Поконцентрация свободных дырок в этом случае оказыва- этому интегрирование можно заменить умножением ется значительно меньшей [26,27]. Таким образом, примаксимального значения функции f (0) =exp(W /W0)max нимая, что ширина области пространственного заряда на ее „полуширину“, которая определяется значением x определяется концентрацией дырок в валентной зоне в точке, где величина f (x) меньше максимального полупроводника p, а не концентрацией нескомпенсизначения в e = 2.71 раз. Таким образом, значение x, рованных акцепторов Na - Nd, можно допустить сущеудовлетворяющее этому условию, можно найти из раственную ошибку. Подчеркнем, что в случае компенвенства сированного полупроводника, содержащего один мел2 кий акцепторный и один донорный уровни, подобные x - W W exp -x + = exp e-1, (24) эффекты практически не проявляются и поэтому не W0 Wрассматриваются [30,31].

которое сводится к квадратному уравнению 2 4.1. Зависимость рекомбинационных потерь x2 - (W0 + 2W )x + W0 = 0, (25) от параметров диодной структуры имеющему решение Влияние глубоких примесей и (или) последовательного сопротивления объемной части барьерной структуры 2 W0 + 2W 4Wусложняет экспериментальные методы определения W, x = 1 - 1 2 (W0 + 2W )в частности делает невозможным использование емкостного метода. Однако зависимость эффективности (коэф-1 -2W 2 0 - qV фициента) собирания заряда от скорости поверхностной + = + (26) рекомбинации позволяет найти величину Na - Nd, а W kT Wзначит, и W. Действительно, выражение для внутреннего (поскольку второе слагаемое под корнем намного меньфотоэлектрического квантового выхода диода Шоттки ше 1, 1 - x 1 - x/2). Аналогично при замене интев полупроводнике p-типа проводимости, найденное из грирования в (23) можно получить выражение для x в уравнения непрерывности с учетом поверхностной ревиде комбинации, имеет вид [32] -2 0 - qV 2 1 +(S/Dp) exp(-W /W0 )[A() - D1()] x. (27) () = W kT 1 +(S/Dp) exp(-W /W0 )B Итак, для зависимости внутреннего фотоэлектричеexp(-W ) ского квантового выхода от можно записать - - D2(). (20) 1 + Ln -0-qV 1 +(S/Dp) + Здесь W kT exp(-W ) 1/() = -.

20kT -0-qV 1 + Ln W0 =, (21) 1 +(S/Dp) W kT q2(Na - Nd) (28) W x - W Сравнение кривых (), рассчитанных по точной A() = exp -x + dx, (22) формуле (20) и упрощенной (28) в широком диапаWзоне изменения, представлено на рис. 8. При расW 2 четах принято: высота барьера 0 = 1 эВ, коэффициент x - W B = exp dx, (23) диффузии электронов Dn = kTµn/q = 25 см2/с при их Wподвижности µn = 1000 см2/В · с, диэлектрическая проницаемость CdTe = 10.6. Концентрация нескомпенси — коэффициент поглощения, D1() =(Dn/Dp)F5() рованных акцепторов Na - Nd изменялась в пределах и D2() =(1/Lp)F5(), причем F5() — величина, зави1014-1017 см-3, время жизни электронов n — в пресимость которой от выражена через интегралы (22) делах 10-10-10-6 с (Ln =(nDn)1/2), скорость поверхи (23); S — скорость поверхностной рекомбинации, ностной рекомбинации S — в пределах 102-107 см/с.

Dp, Dn — коэффициенты диффузии дырок и электронов, Варьирование параметров Na - Nd, n и S — сильно виLn, Lp — диффузионные длины электронов и дырок.

доизменяет форму кривых (). Однако во всех случаях Для удобства анализа зависимости от параметров кривые, рассчитанные по формуле (20) и формуле (28), диодной структуры выражение (20) можно упростить.

оказываются очень близкими. На рис. 8 показаны кривые На границе раздела между обедненным слоем и нейдля той комбинации параметров, когда наблюдается тральной областью (x = W ) фотогенерированные дырки наибольшее различие кривых. Как видно, даже в этом втягиваются сильным электрическим полем в область пространственного заряда, и поэтому можно принять случае формула (28) довольно хорошо аппроксимирует p(W ) =0. Это означает, что, не внося существенной точную формулу (20).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Проблемы эффективности фотоэлектрического преобразования в тонкопленочных солнечных... Поверхностная рекомбинация сильнее всего проявляет себя в коротковолновой области и при малых Na - Nd (низкой напряженности электрического поля). По мере увеличения Na - Nd, а значит, и напряженности поля, влияние поверхностной рекомбинации ослабевает, а при Na - Nd = 1016-1017 см-3 фактически устраняется.

Из рис. 9 следует, что, варьируя величины Na - Nd, S и n, можно получить спектры фоточувствительности самой различной формы, в том числе и схожие с экспериментальными кривыми, представленными на рис. 2.

Подчеркнем, что формула (28), как и (20), описывает спектральное распределение внутреннего фотоэлектрического квантового выхода. Измеряемый спектр усложнен эффектами поглощения, отражения и интерференции в слоях ITO и CdS, учет которых требует отдельного рассмотрения. Однако важную информацию о потерях, Рис. 8. Сопоставление зависимостей фотоэлектрического квантового выхода диода Шоттки от коэффициента погло- обусловленных поверхностной рекомбинацией, можно щения, рассчитанных по формуле (20) (сплошная линия) получить, не вникая в эти проблемы.

и по формуле (28) (штриховая линия). Указаны концентрации нескомпенсированных акцепторов и времена жизни 4.2. Ширина области пространственного неосновных носителей. Скорость поверхностной рекомбинации заряда 107 см/с.

В коротковолновой области спектра (большие ) поглощение фотонов происходит вблизи самой поверхноНа рис. 9 приведены спектры фотоэлектрическо- сти слоя CdTe. В этом случае вторым слагаемым в (28) можно пренебречь и тем самым исключить зависиго квантового выхода, рассчитанные по формуле (28) мость от времени жизни неосновных носителей n. Для для различных концентраций нескомпенсированных исключения и влияния изменения ширины области пропримесей при скорости поверхностной рекомбинации S = 0 (a) и S = 107 см/с (b). Время жизни электронов n странственного заряда W, коэффициент поглощения принято равным 10-9 с, кривая поглощения () взята должен быть настолько большим, чтобы глубина проникиз работы [10]. Из рисунка видно, что при широкой новения излучения -1 была намного меньше W. В этом барьерной области (Na - Nd = 1011-1013 см-3) и S = 0 случае отличие от 1 обусловлено только поверхностквантовая эффективность равна 1 практически во всем ной рекомбинацией ( = 1 при S = 0), влияние которой спектральном диапазоне, а при сужении W (увеличении ослабевает при уменьшении Na - Nd и обратном смещеNa - Nd) уменьшается в длинноволновой области (при нии. Появляется возможность, задавшись S, рассчитать малых ), так как все большая часть фотонов погло- зависимость от обратного смещения V при разных щается за пределами области пространственного заряда. Na - Nd, сопоставляя ее с экспериментом. Результаты Рис. 9. Спектральное распределение фотоэлектрического квантового выхода при различных концентрациях нескомпенсированных примесей: a — S = 0, b — S = 107 см/с.

7 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 740 Л.А. Косяченко Рис. 10. a — зависимости фотоэлектрического квантового выхода гетероперехода CdS/CdTe от напряжения обратного смещения при возбуждении излучением с = 400 нм ( = 3 · 105 см-1), расчет для Na - Nd = 1013-1016 см-3. b — сопоставление измеренной зависимости фототока от напряжения гетероперехода CdS/CdTe при возбуждении излучением с = 400 нм (точки) с рассчитанными зависимостями фотоэлектрической эффективности ( = 3 · 105 см-1) при различной концентрации нескомпенсированных примесей, нормированными при V = -1.5В (сплошные линии).

таких расчетов представлены на рис. 10, a. Кривые (V ) слое CdTe исследуемой гетероструктуры близка к рассчитаны для = 3 · 105 см-1, что для CdTe соответ- 3 · 1015 см-3. Между тем удельное сопротивление ствует длине волны = 400 нм. Это значение соот- пленки CdTe при комнатной температуре составляет ветствует эффективной глубине проникновения излуче- = 2 · 108 Ом · см, а концентрация свободных дырок при ния 0.333 · 10-5 см, что меньше ширины области проподвижности µp = 60-80 см2/В · с равна p = 1/qµp странственного заряда W даже при Na - Nd = 1017 см-3 =(4-5) · 108 см-3. Наблюдается расхождение между (действительно, [200/q2(Na - Nd)]1/2 10-5 см при Na - Nd и p примерно на 8 порядков, которое естествен0 = 1эВ и Na - Nd = 1017 см-3). При расчетах сконо объясняется в свете вышеизложенного. Действительрость поверхностной рекомбинации S была приняно, энергия термической активации в пленке CdTe, найта равной 107 см/с (для исследуемой гетероструктуры денная из температурной зависимости ln p от 1000/T, CdS/CdTe величина S вряд ли меньшая). Как и ожиравна 0.59 эВ, а степень компенсации Nd/Na = 0.034. Из далось, роль поверхностной рекомбинации при низкой условия Nd/Na = 0.034 получаем Na - Nd = 0.964Na, концентрации нескомпенсированных акцепторов сильна, т. е. концентрация нескомпенсированных акцепторов но ослабляется при увеличении обратного смещения, практически равна концентрации самих акцепторов.

так что в конечном счете 1 для каждой из кривых.

Таким образом, малая концентрация свободных дыВажно, что при увеличении Na - Nd зависимость от V рок (большое удельное сопротивление) обусловлена заметно ослабевает.

тем, что электропроводность пленки CdTe определяется На рис. 10, b показаны результаты сопоставления частично компенсированной примесью, образующей в расчетных зависимостей (V ) с экспериментом. Точками запрещенной зоне глубокий уровень Ea = 0.59 эВ. Попоказаны результаты измерения зависимости от V фодобные результаты получаются и на других образцах.

Pages:     | 1 | 2 || 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.