Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
2.6.4. Приборы со структурой металл—диэлектрик—полупроводник
В большинстве приборов с барьером Шоттки между слоями металла и полупроводника содержится по меньшей мере несколько атомных слоев какого-либо оксида, случайно образовавшегося до создания прибора или в процессе его изготовления2. Установлено, что в результате преднамеренного создания (при тщательном контроле условий роста) диэлектрического слоя (обычно оксидного) на границе раздела металл— полупроводник значительно повышается Voc. Поэтому изучение МДП-структур представляет особый интерес.
Наличие диэлектрического слоя приводит к нескольким эффектам: во-первых, между металлом и полупроводником образуется пассивный диэлектрический зазор, снижающий Фй; во-вторых, перенос носителей заряда может быть ограничен процессом их туннелирования через слой диэлектрика, вследствие чего определенному напряжению смещения соответствует меньший ток; в-третьих, поскольку часть приложенного напряжения падает в слое диэлектрика, высота барьера изменяется, что приводит к получению значений диодного коэффициента А больше еди-
1 Исключая введение промежуточного диэлектрического слоя, что обсуждается в следующем параграфе.
2
Слой естественного оксида формируется при комнатной температуре на поверхности различных полупроводников: InP — непосредственно после химического травления, толщина слоя б = 1 -т-2 нм [Wager, Wilmsen, 1980]; Si — после травления в 20%-ной HF и резкого охлаждения в изопропаноле, б быстро достигает 1 нм, через час при комнатной температуре б = 1,2 нм, после выдержки в течение одной недели окончательная толщина 6^2 нм JCard, Rhoderick, 1971 ]; GaAs — после травления в бромметаноле, б = 1,8Ч-2 нм [Stirn, Yeh, 1977].
100
ницы; в-четвертых, под влиянием заряда, содержащегося внутри слоя диэлектрика или на границе раздела диэлектрик—полупроводник эффективная высота барьера Ф^, может возрастать или уменьшаться в зависимости от знака этого заряда.
В структурах с барьером Шоттки, у которых диэлектрический слой отсутствует, темновой диодный ток обусловлен в основном термоэмиссией основных носителей заряда, проходящих над барьером. Наблюдаются также и более слабые эффекты, связанные с туннелированием основных носителей через верхнюю часть барьера и (или) их рекомбинацией в обедненном слое, которыми в большинстве солнечных элементов можно пренебречь. Кроме того, имеется поток неосновных носителей заряда, инжектируемых из металла в полупроводник, однако он существенно меньше потока основных носителей.
Выражение для Voc в приборе с обычным барьером Шоттки, в котором протекание тока обусловлено термоэлектронной эмиссией, имеет вид
Voc ~<t>b+(AkT/q)\n(Jscl(A*T2)), (2.76)
где А — диодный коэффициент (в наиболее простом случае /1=1); Ф^, — высота барьера; А* — модифицированная постоянная Ричардсона с учетом соответствующей эффективной массы носителей заряда.
В диодах с МДП-структурой плотность темнового тока JD представляет собой сумму четырех составляющих JD = Jth + Jrg + Jid + Js, связанных соответственно с термоэлектронной эмиссией, рекомбинационно-генерационным процессом в обедненном слое, инжекцией и диффузией носителей заряда в квазинейтральной области и их рекомбинацией на границе раздела диэлектрик—полупроводник (рис. 2.40). Благодаря дополнительному промежуточному диэлектрическому слою плотность тока основных носителей заряда может уменьшиться до значения, сравнимого с составляющими Jrg и Jid для неосновных носителей, что приведет к значительному повышению Voc.
Поскольку фотогенерированные неосновные носители заряда также должны туннелировать через этот слой, высокий коэффициент собирания может быть получен при толщине слоя, не превышающей 2—3 нм. Выражение (2.76) справедливо для приборов с МДП-структурой, в которых протекание тока связано с основными носителями заряда, при внесении соответствующих поправок в значения Фй и А, а также при условии, что слой диэлектрика имеет достаточно малую толщину, при которой возможно туннелирование носителей.
Из уравнения (2.76) следует, что значение Voc можно повысить, увеличивая Ф^, или А за счет эффектов, создаваемых диэлектрическим слоем.
Предложен ряд теоретических моделей приборов с МДП-структурой (рис. 2.41), особенности которых кратко здесь перечислены.
1. Зависимости А рассчитаны с помощью модели [Card, Rhoderick, 1971 ] от толщины 5 слоя диэлектрика, ширины обедненного слоя и плотности заряда Qss на поверхностных состояниях. Согласно этой модели, при 8 = КЗ нм и наличии равновесия между поверхностными состояниями и полупроводником А возрастает при увеличении 5 и Qss. При
101
Рис. 2.40. Схема направлений различных составляющих тока в МДП-структуре на основе р-Si при прямом смещении
Рис. 2.41. Энергетическая зонная диаграмма освещенного солнечного элемента с МДП-структурой:
приложенное напряжение распределено между промежуточным диэлектрическим слоем (К,) и полупроводником (Ks); А - падение напряжения на диэлектрике при отсутствии смещения; Q^ - плотность полного заряда на поверхности металла; Q[ - объемная плотность заряда, захваченного слоем диэлектрика; Фо -потенциал, характеризующий распределение состояний на границе раздела
