Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 |

том (11)Ц(14) с использованием найденных парамет ров (Na - Nd = 1016 см-3, = 0.2эВ) представлен на Eg - Et рис. 4 (сплошныe кривые), так же как эксперименn1 = Nc exp -, (12) kT тальная ВАХ (точки). Для наилучшего согласования результатов расчета с экспериментом при прямом смещении времена жизни электронов и дырок в области Et p1 = Nv exp -, (13) пространственного заряда n0 и p0 были приняты равkT ными 2 10-9 с. Напряжение, при котором наблюдается 2 где Nc = 2(mkT/2 )3/2 и Nv = 2(mkT/2 )3/2 Ч отклонение прямого тока от зависимости exp(qV /2kT) n p эффективная плотность состояний в зоне проводимости при больших прямых напряжениях (рис. 4), опредеи валентной зоне соответственно, Et Ч энергетическое ляется высотой потенциального барьера со стороны расстояние генерационно-рекомбинационного уровня от полупроводника 0. Падение напряжения на последопотолка валентной зоны. В формуле (10) W Ч ширина вательном сопротивлении объемной части диода было Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Возможности использования твердого раствора Cd0.8Hg0.2Te в солнечных элементах учтено. Для данного диода совпадение расчетного и измеренного токов достигается при 0 = 0.63 эВ. Наконец, теория наилучшим образом описывает обратную ветвь характеристики, если Et выбрать равным 0.54 эВ, т. е. Eg/2, что вполне оправдано, так как, согласно статистике Шокли-Рида, уровни посредине запрещенной зоны полупроводника являются наиболее эффективными центрами генерации-рекомбинации [23,24].

4. Фотоэлектрическая эффективность диодов Выражение для внутреннего фотоэлектрического квантового выхода диода Шоттки в полупроводнике p-типа проводимости, найденное из уравнения непрерывности с учетом поверхностной рекомбинации, имеет вид [25] S W 1 + exp -W2 A() - D1() Dp () = S W1 + exp -W 2 B Dp exp(-W ) - - D2(), (15) 1 + Ln где S Ч скорость поверхностной рекомбинации, Dp Ч коэффициент диффузии дырок, Ln Ч диффузионная длина электронов. В (15) использованы обозначения:

20kT W0 =, (16) q2(Na - Nd) Рис. 5. Спектральное распределение внешнего фотоэлекW трического квантового выхода диода на основе Cd0.8Hg0.2Te, x - W A(z ) = exp -zx + dx, (17) рассчитанное по формуле (19) при n = 2 10-9 с, при различWной концентрации нескомпенсированных примесей (сплошные линии). Точки на рис. a и b Ч спектры, измеренные на разных W 2 образцах.

x - W B = exp dx, (18) Wмального значения функции D1() и D2() Ч сложные интегральные функции типа (17) и (18).

f (0) =exp(W /W0)max Для удобства анализа зависимости от параметров диодной структуры выражение (15) можно упро- на ее ДполуширинуУ, которая определяется значением x стить [26]. На границе раздела между обедненным слоем в точке, где величина f (x) меньше максимального и нейтральной областью (x = W ) фотогенерированные значения в e = 2.71 раз. Подобным образом вычисляется дырки втягиваются электрическим полем в область и интеграл (18). В результате для внутренней фотоэлекпространственного заряда, и поэтому можно принять трической квантовой эффективности вместо (15) можно p(W ) =0. Это означает, что в формуле (15), не записать внося существенной ошибки, можно пренебречь члена- -0-qV S ми D1() и D2(). Подынтегральная функция в (17) 1 + + Dp W kT exp(-W ) () = -. (19) -0-qV 1 + Ln S x - W 1 + Dp W kT f (x) =exp -z + WНа рис. 5 приведены зависимости, рассчитанные по экспоненциально убывает при увеличении x. Поэтому формуле (19) для различных концентраций нескоминтегрирование можно заменить умножением макси- пенсированных примесей при скорости поверхностной 7 Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 100 Л.А. Косяченко, В.В. Кульчинский, С.Ю. Паранчич, В.М. Склярчук рекомбинации S = 107 см/с (волнистость линий объяс- электронно-дырочных пар, возникших при поглощении няется разбросом значений ). Коэффициент диффу- этих фотонов, равно их числу, умноженному на найдензии дырок принят равным 1 см2/с (Dp =(kT/e)p, где ный выше внешний фотоэлектрический квантовый выход [1 - (Ri + Ri+1)/2](i + i+1)/2 (i Ч внутренний кванp = 40 см2/(В с)), время жизни электронов в нейтральтовый выход). Плотность тока короткого замыкания найной области кристалла n = 2 10-9 с. Использовались дем, умножая число возникших электронно-дырочных спектральные зависимости поглощения () и отражепар на заряд электрона q и суммируя по всему инния R(), приведенные на рис. 2. Отражение части тервалу фундаментального поглощения (i < 1.18 мкм излучения учтено множителем 1 - R.

для Cd0.8Hg0.2Te):

Из рис. 5 видно, что в длинноволновой области, где коэффициент поглощения относительно мал Ri + Ri+1 i + i+и электронно-дырочные пары генерируются по всей Jsc = q 1 2 барьерной области, при уменьшении Na - Nd от i до 1014 см-3 фотоэлектрическая эффективность диода Ei + Ei+1 hc/i + hc/i+1 -возрастает, поскольку расширяется область простран i. (20) ственного заряда. В коротковолновой области, где ко- 2 эффициент поглощения большой, а глубина проникноКак следует из результатов измерений, приведенвения излучения мала, расширение барьерной области ных на рис. 2, от поверхности Cd0.8Hg0.2Te отражаперестает играть роль, но все больше проявляет сеется заметная часть излучения (R = 0.3-0.6), однако бя поверхностная рекомбинация. По мере увеличения эти потери можно уменьшить, нанося на фронтальную Na - Nd, а значит, и напряженности электрического поверхность антиотражающие покрытия. Представленполя влияние поверхностной рекомбинации ослабеваные на рис. 6 результаты получены по формуле (20) ет: для Na - Nd = 1014 см-3 фоточувствительность при для R = 0 и случая полного солнечного излучения = 0.3 мкм меньше в несколько раз по сравнению с макАМ1.5, т. е. соответствуют максимально возможным симумом, а при Na - Nd = 1017 см-3 Ч всего на 10% (предельным) значениям плотности тока короткого за(при S = 0 коротковолновый спад на расчетных кривых мыкания. Расчеты проведены в широком интервале вообще отсутствует).

изменения концентрации нескомпенсированных акцепИз рис. 5 следует, что, варьируя концентрацию торов Na - Nd. Вряд ли Na - Nd может быть меньнескомпенсированных примесей Na - Nd, можно полуше 1014 см-3, а Na - Nd > 1018 см-3 в материале на чить спектры фоточувствительности различной формы.

основе CdTe трудно получить. Нижний предел времени Точками на рис. 5, a, b показаны две типичные экспежизни электронов n = 10-10 с, а верхний предел 10-6 с риментальные кривые. Как видно, одна из них весьблизок к рекордному значению этого параметра в CdTe.

ма близка к рассчитанной зависимости при Na - Nd = Из рис. 6 со всей очевидностью следует важный = 1015 см-3, другая Ч при Na - Nd = 1014 см-3. Различие в величинах Na - Nd в пределах 1014-1015 см-3 вывод: для того чтобы приблизиться к предельно возможной плотности тока короткого замыкания в исслеобусловлено, по-видимому, неоднородностью кристалдуемых диодах, время жизни электронов должно прелов и представляется вполне реальным.

вышать 10-7 с, а концентрация нескомпенсированных акцепторов должна быть выше 1016 см-3. Объяснение 5. Параметры диодной структуры полученных результатов расчета состоит в следующем.

на основе Cd0.8Hg0.2Te Рис. 6, a. При сравнительно малой концентрации нескомпенсированных акцепторов Na - Nd < 1015 см-как солнечного элемента практически все излучение поглощается в барьерной Убедившись в правильности формулы (19), описываю- области, поскольку ее ширина превышает 1 мкм. Диффущей спектральное распределение внутреннего фотоэлек- зионная компонента фототока из-за этого несущественна трического квантового выхода диода, можно проанали- и зависимость Jsc от времени жизни электронов n, котозировать зависимость плотности тока короткого замыка- рым она определяется, практически отсутствует. В этой ния от концентрации нескомпенсированных акцепторов области изменения Na - Nd плотность тока короткого Na - Nd и времени жизни неосновных носителей n замыкания увеличивается с ростом Na - Nd, поскольку (этими параметрами определяются ширина области про- поверхностная рекомбинация ослабевает из-за увеличестранственного заряда W и диффузионная длина Ln). ния напряженности электрического поля у поверхности На интервал между соседними длинами волн i и i+1 слоя CdTe. Однако при дальнейшем увеличении Na - Nd (в таблицах ISO) приходится мощность излучения Ei, (> 1015 см-3) все большая часть излучения поглощается равная среднему ее значению (Ei + Ei+1)/2, умножен- вне барьерной области, и поэтому при малом n плотному на i+1 - i = i. Число фотонов в единицу ность тока короткого замыкания начинает уменьшаться.

времени в этом спектральном интервале равно Ei/hi, При большем времени жизни рекомбинационные потери где hi Ч среднее значение энергии фотона в этом носителей заряда восполняются диффузионной компоже интервале длин волн, т. е. (hc/i + hc/i+1)/2. Число нентой фототока, и кривая с максимумом превращается Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Возможности использования твердого раствора Cd0.8Hg0.2Te в солнечных элементах времени жизни электронов (n = 10-7-10-6 с), когда диффузионная компонента фототока велика, плотность тока короткого замыкания монотонно возрастает с увеличением Na - Nd из-за уменьшения роли поверхностной рекомбинации.

Оценим коэффициент полезного действия диодной структуры на основе Cd0.8Hg0.2Te при условии полного собирания фотоносителей, т. е. при Na - Nd = = 1017-1018 см-3 и n = 10-7-10-6 с, когда плотность тока короткого замыкания Jsc можно принять равной 43.7 мА/см2.

Для вольт-амперной характеристики при облучении диода можно записать W J(V ) =q U(x, V ) dx - Jsc, (21) где U(x, V ) Ч определяемая формулой (11) скорость генерации-рекомбинации в обедненном слое. Задавшись значением Jsc = 43.7 мА/см2 и временем жизни носителей в обедненном слое = n0 = p0, несложно найти напряжение, при котором правая часть уравнения (21) равна нулю, т. е. найти напряжение холостого хода Voc. Несложно также найти напряжение во внешней цепи и плотность тока короткого замыкания, когда их произведение имеет максимум, т. е. максимальную удельную электрическую мощность, выделяемую в цепи диода (рис. 7, a). Разделив эту мощность на удельную мощность солнечного излучения АМ1.(96 мВт/см2), получим коэффициент полезного действия фотовольтаической структуры. Очевидно, это будет внутренний коэффициент полезного действия, к которому Рис. 6. Зависимости плотности тока короткого замыкания Jsc может приблизиться внешний коэффициент полезного поверхностно-барьерного диода на основе Cd0.8Hg0.2Te от действия, если исключить отражение от фронтальной концентрации нескомпенсированных акцепторов Na - Nd при поверхности диода, нанося на нее антиотражающие различном времени жизни электронов n (a) и от n при покрытия. На рис. 7, b представлены результаты расчета различных значениях Na - Nb (b) в условиях полного солнапряжения холостого хода Voc и внутреннего коэффинечного облучения АМ1.5. Штриховыми линиями показана циента полезного действия при сделанных допущениях величина Jsc при 100% эффективности собирания заряда.

(Na - Nd = 1017 см-3 и = 10-7-10-6 с), т. е. в области предельно возможных Voc и. При < 10-7 с результаты расчета показаны штриховыми линиями, поскольку в нарастающую кривую. При n = 10-7-10-6 с плот- условия полного собирания фотоносителей при этом ность тока короткого замыкания монотонно возрастает могут не выполняться.

с увеличением Na - Nd, поскольку при этом ослабевает Как видно, при оптимальных значениях концентрации поверхностная рекомбинация.

нескомпенсированных акцепторов Na - Nd и времени Рис. 6, b. При малом времени жизни электронов жизни носителей в области пространственного заряда n = 10-9-10-10 с (диффузионная компонента фототока напряжение холостого хода достигает 0.7-0.8В, для несущественна) плотность тока короткого замыкания чего, разумеется, нужно обеспечить достаточно высопри увеличении Na - Nd сначала возрастает, поскольку кую контактную разность потенциалов. При нахождении при этом увеличивается напряженность электрическо- максимальной удельной электрической мощности молго поля у поверхности (ослабевает поверхностная ре- чаливо предполагалось отсутствие последовательного комбинация), а практически все излучение поглощает- сопротивления в цепи диода, для чего удельное сопрося в барьерной области. При дальнейшем увеличении тивление используемого материала должно быть достаNa - Nd > 1015 см-3 все меньшая часть излучения по- точно низким. Чтобы, например, падение напряжения глощается в барьерной области, и поэтому плотность составляло 1% от Voc при плотности тока 43.7 мА/смтока короткого замыкания уменьшается. При большом и толщине подложки 0.5 мм, ее удельное сопротивление Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 102 Л.А. Косяченко, В.В. Кульчинский, С.Ю. Паранчич, В.М. Склярчук ских проблем. Среди них Ч возможность получения однородного по составу и свойствам материала, чего в случае монокристаллов CdxHg1-x Te, особенно с большим содержанием Hg, достичь довольно трудно. Однако тонкие слои CdxHg1-xTe с 0.8 < x < 1, полученные методом электроосаждения, оказываются достаточно однородными по площади, хотя и возможно некоторое изменение состава по толщине слоя (это можно устранить, программируя режим осаждения) [5,27]. Использование ионного травления поверхности в процессе создания барьерной структуры на основе CdxHg1-xTe является достаточно хорошо отработанной методикой [14Ц17].

Долговременная стабильность характеристик диодов предполагает, по-видимому, пассивацию поверхности меза-структуры, что практикуется при изготовлении фотодиодов на основе CdxHg1-x Te для инфракрасной (8-14 мкм) области спектра (см., например, работу [28] и ссылки в ней). Создание широкополосных просветляющих покрытий также представляется самостоятельной задачей. Однако эти, как и другие, технологические проблемы выходят за рамки настоящей работы.

6. Заключение Из спектров отражения поляризованного света рассчитаны спектры поглощения и отражения монокристаллов CdxHg1-xTe (x = 0.8) в спектральном диапазоне 0.35-1.2 мкм. На спектральную область фундаментального поглощения этого материала (h >Eg = 1.05 эВ) приходится на 42% больше энергии полного и 52% Рис. 7. a Ч зависимости от напряжения плотности тока J и выходной удельной электрической мощности JV при солнеч- прямого солнечного излучения АМ1.5. Вольт-амперные ном облучении АМ1.5, рассчитанные для Na - Nd = 1017 см-3, характеристики полученных поверхностно-барьерных n = 10-7 с. b Ч зависимости напряжения холостого хода Voc диодных структур на основе CdxHg1-x Te нахои внутреннего коэффициента полезного действия от времени дят количественное описание в рамках теории жизни носителей при той же концентрации Na - Nd.

генерации-рекомбинации СааЦНойсаЦШокли, а спектральное распределение фотоэлектрического квантового выхода Ч теории, учитывающей дрейфовую и диффудолжно быть меньше 3Ом см, что представляется зионную компоненты фототока, а также поверхноствполне реальным.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги по разным темам