Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

• Авторы
• Файлы

Богатов Н.М. Матвеякин М.П. Родоманов Р.Р.

Статья в формате PDF

288 KB

Целью работы является исследование влияния неравновесного поверхностного заряда на величину внутреннего электрического потенциального барьера и ток короткого замыкания кремниевых фотоэлектрических структур с субмикронным эмиттером.

Проанализирована структура области пространственного заряда (ОПЗ) субмикронного несимметричного p-n-перехода (рис. 1). В этом случае размер части ОПЗ в p-слое совпадает с толщиной эмиттера w_p, а в n-слое - x_n много меньше толщины базы. Распределение объемного заряда зависит от плотности заряда Q_s на поверхностных состояниях внешней границы эмиттера, концентрации акцепторов в эмиттере N_A, и доноров в базе N_D.

Рисунок 1. Условная схема распределения заряда Q в несимметричным p‑n переходе

На рис. 2 и рис. 3 изображены рассчитанные зависимости, соответственно, величины электрического потенциального барьера j и x_n от плотности поверхностного заряда Q_s при следующих параметрах p‑n‑перехода: w_p=1,5×10^-7 м, N_A=10²⁵ м^-3, N_D=10²¹ м^-3. Увеличение Q_s вследствие захвата фотогенерированных носителей заряда обусловливает уменьшение модуля электрического потенциального барьера p‑n‑перехода и размера ОПЗ в n-слое. Влияние этого эффекта на потери тока короткого замыкания планарных кремниевых фотоэлектрических структур исследовано теоретически и экспериментально.

Рисунок 2. Зависимость величины потенциального барьера от плотности поверхностного заряда

Рисунок 3. Зависимость размера ОПЗ в n-слое от плотности поверхностного заряда

В неравновесном случае Q_s=Q_s0+ΔQ_s. Индекс "0" обозначает равновесное значение соответствующей величины. Неравновесная плотность поверхностного заряда ΔQ_s индуцирует падение напряжения на p-n-переходе

,                                                (1)

где ε - диэлектрическая проницаемость, ε₀ - электрическая постоянная, q - элементарный заряд. В правой части выражения (1) второе слагаемое меньше первого для допустимых значений физических величин.

Полное падение напряжения на p-n-переходе в режиме электрической нагрузки

V=U+V_s+IR_s, (2)

где U - напряжение на контактах прибора, I - электрический ток, R_s - сосредоточенное последовательное сопротивление. В режиме короткого замыкания (U=0) ток I_кз вычисляется по формуле

,         (3)

где I_ph - фототок, I₀ - диффузионный ток насыщения, k - постоянная Больцмана, T - температура, I_r - рекомбинационный ток насыщения, a - коэффициент неидеальности p‑n‑перехода, R_sh - шунтирующее сопротивление [1]. В стационарном случае

,                                                       (4)

где N_sf - плотность состояний в окрестности уровня Ферми в энергетическом зазоре шириной ~kT, коэффициент b характеризует скорость захвата неравновесных носителей заряда.

Из (1-4) следует, что I_кз нелинейно зависит от I_ph, причем разность этих величин определяется величиной неравновесного поверхностного заряда. Эта зависимость продемонстрирована на рис. 3. Концентрация излучения X определялась с помощью эталонного ФЭП с глубоким p-n-переходом, у которого I_кз≈I_ph0X. Исследовались кремниевые ФЭП со структурой p⁺-n-n⁺ или n⁺-p-p⁺ типа, глубиной p-n-перехода w_p»0,15 мкм, текстурированной поверхностью, на которую наносилось пассивирующее просветляющее покрытие SiO₂. Экспериментальная зависимость I_кз(X) для исследуемого ФЭП аппроксимировалась по формуле (3). Для этого параметры I_ph=I_ph0X, I₀, I_r, a, R_s, R_sh определялись из данных измерений темновых и световых вольтамперных характеристик [2]. Оценка спектральной плотности поверхностных состояний в окрестности уровня Ферми, полученная в результате аппроксимации, дает N_sfe=N_sf/kT~4×10¹⁵ эВ^-1м^-2.

Таким образом, обнаружен дополнительный механизм потерь тока короткого замыкания, заключающийся в увеличении тока инжекции за счет падения напряжения на p-n-переходе, индуцированного накоплением неравновесного поверхностного заряда, в структурах с субмикронным эмиттером. Для исследуемых ФЭП эти потери лежат в пределах от 9% до 19,7%.

Рисунок 3. Зависимость тока короткого замыкания от концентрации излучения X для исследуемого ФЭП (1) и эталонного ФЭП (2)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент. М.: Энергоатомиздат. 1987. - 280 с.
2. Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р., Яковенко Н.А. // Автометрия. 2003. Т. 39. № 6. С. 68.

Библиографическая ссылка