Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Упрощенное теоретическое обоснование [Davies, 1963] метода основано на предположении о том, что диффузией избыточных носителей можно пренебречь. Если область перехода находится в состоянии теплового равновесия, то концентрация неосновных носителей заряда на границе х-хр (см. рис. 1.3) обедненной области с поглощающим слоем (базой), имеющим в данном случае проводимость p-типа, связана с напряжением на переходе следующим соотношением (см. 2.2.3):
q Voc = EFn - Ерр —кТ \п(пр/щ) - кТ\п (рр/щ) = кТ \n(nppp/nj ). Поскольку Рр ^Na ,
Voc (0 * (kT/q)In [пр (t)NA/nj ]. (1.38)
Если толщина области, в которую инжектируются носители заряда, меньше диффузионной длины, т. е. \хр - хр \ <L„, то их избыточную концентрацию в этой области можно считать постоянной и процесс диффузии не рассматривать. В зтом случае скорость рекомбинации носителей приблизительно одинакова во всем объеме слоя (при условии, что г не является функцией координаты) и равна
dnplbt»- (ир - пр0)/т. (1.39)
Время жизни носителей, найденное с помощью (1.38) и (1.39), можно
1 Используя терминологию, принятую в полупроводниковой технике при описании диодов и триодов, толстый поглощающий слой солнечных элементов часто называют базой, тогда как тонкий (как правило, сильно легированный) фронтальный спой - диффузионной областью или эмиттером.
36
представить в виде
(1.40)
В условиях ВЫСОКОГО уровня инжекции Пр^Рр, и тъ-2кТ/(ЪУ0С/Ы).
(1.41)
Если толщина области, содержащей инжектированные носители, больше L„, то необходимо учитывать их диффузию и появление ЭДС Дембе-ра (вследствие различия значений произведения цт для электронов и дырок). Анализ происходящих при зтом процессов существенно усложняется [Choo, Mazur, 1970].
До сих пор я-область (змиттер) структуры с р-и-переходом не рассматривалась. Это допустимо, если концентрации доноров и акцепторов связаны соотношением ND > NA и соответственно |х'п -хп \ < \хр-хр\ (в этом случае преобладает инжекция носителей в р-область) [Gossick, 1953, 1955; Davies, 1963]. На результаты измерений может влиять рекомбинация носителей заряда в обедненном слое, причем этот эффект наиболее значителен при \хр-хп \ « | х'р - хр |.
Таким образом, метод затухания напряжения холостого хода позволяет измерять некоторое усредненное значение постоянной времени системы (в состав которой входят л- и p-области, а также обедненный слой) при ее переходе в равновесное состояние при отсутствии освещения, и это значение определяется преобладающим механизмом релаксации носителей. Поэтому необходимо установить, какова роль исследуемой области в процессе релаксации. Подобного рода вопросы рассмотрены в [Lind-holm, Sah, 1976]. Полагают, что данный метод обеспечивает наибольшую точность измерений параметров носителей в системах, у которых область, содержащая фотогенерированные носители заряда, превосходит по толщине обедненный слой и оптическое окно; область, расположенная по другую сторону перехода, обладает существенно более высокой концентрацией носителей, и их рекомбинацией в обедненном слое можно пренебречь.
1.6.7. Релаксация емкости структуры металл—диэлектрик—полупроводник
Очень малое время жизни носителей, достигающее 10"10 с, можно определить, измеряя релаксационную кривую емкости структуры металл-диэлектрик—полупроводник (МДП-структуры) после приложения достаточно длительного импульса обратного напряжения смещения. Данный метод, также известный под названиями метода релаксации емкости структуры металл—оксид—полупроводник, метода измерения переходных емкостных характеристик или временных зависимостей емкостных характеристик, особенно удобен для исследования кремния, поскольку на поверхности Si легко вырастить тонкий диэлектрический спой Si02. Создавая на кремниевой пластине матрицу из точечных металлических контактов, можно найти распределение времени жизни носителей по поверхности образца.
37
Рис. 1.12. Схематическое изображение процесса релаксации емкости МДП-структуры при обратном напряжении смещения (а) и кривая релаксации емкости С с Течением времени t (6):
1 — инверсионный спой; 2 — металл; 3 — центр генерации; 4 — диэлектрик; 5 — включение обратного напряжения; 6 — выключение обратного напряжения
При приложении к МДП-структуре обратного напряжения смещения в начальный момент обедненный спой расширяется. Уменьшение концентрации носителей в обедненном слое при воздействии постоянного напряжения по сравнению с ее равновесным значением, соответствующим нулевому напряжению смещения, стимулирует генерацию электронно-дырочных пар. Скорость генерации, определяемая с помощью соотношения Шокли—Рида, при ап > ар или ар > ап равна G * гц/т. Если в структуре используется материал p-типа, то образующиеся дырки перемещаются под действием электрического поля к краю обедненного слоя и, компенсируя ионизированные акцепторы, уменьшают ширину обедненного слоя и увеличивают емкость структуры. Электроны, устремляющиеся под влиянием поля к границе раздела диэлектрик—полупроводник, образуют инверсионный слой, на котором падает часть приложенного напряжения (рис. 1.12). Релаксация емкости при наличии постоянного напряжения смещения обусловлена по существу перераспределением зарядов между некомпенсированными акцепторами, расположенными на границе обедненного слоя, и областью у поверхности диэлектрика, где образуется инверсионный слой, содержащий такое же количество зарядов, каким обладали акцепторы. Этот процесс вызывает увеличение емкости со скоростью, определяемой интенсивностью генерации носителей центрами, расположенными в запрещенной зоне.
