Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 2,31. Различные механизмы протекания тока в диодах с барьером Шоттки при низких значениях Nq, но высоких и V (в), при промежуточных (б) и высоких (в) значениях Nq:
1 - инжекция основных носителей заряда вследствие термоэмиссии, регулируемая диффузионным механизмом; 2 - иижекция неосновных носителей заряда; 3 - термоэлектронная эмиссия; 4 — рекомбинационио-геиерационный процесс в обедненном слое; 5 - термоэлектронная эмиссия в сочетании с эффектом поля, вызывающим снижение барьера; 6 - термически активированное туннелирование; 7 - термически активированное туннелирование при участии ловушек; возможна одновременная реализация нескольких механизмов
10s ы 10е 5 ю* ю2
4 1 10' 2 10 10'* 10'8 10'1°
Концентрация доноров или акцепторов, см-3
Рис. 2.32. Качественная зависимость плотности тока насыщения 70 (найденной по положению точки пересечения графика lg/(K) с осью V - 0) в диоде с барьером Шоттки от концентрации N легирующей примеси;
1 - термоэлектронная эмиссия (теория Шоттки); 2 — термоэлектронная эмиссия (теория Бете); 3 - термически активированное туннелирование (термоэлекгрои-но-полевая эмиссия); 4 - туннелирование (полевая эмиссия); 5 - омическая характеристика; б - уменьшение высоты барьера (эффект поля) при отсутствии туннелирования носителей. В, В и в" постоянны при Г =300 К. Границы выделенных областей и значения /0 зависят от ряда параметров полупроводника. Полагают, что высота барьера равна 1 эВ
7-ехр (-В‘/Н1/г]
.1— -,i - -i
J~exp(BN^*)
10u 101S 101B 1017 1011 10
19 1020 10t1
89
зультатами Падовани для термически активированного туннелирования при обратном напряжении смещения показывает, что при наличии некоторого количества ловушек туннельный ток может значительно увеличиться.
Различные механизмы переноса носителей заряда в диодах с барьером Шоттки показаны на рис. 2.31. Области действия различных механизмов, определяющих кинетические явления в этих диодах в зависимости от концентрации легирующей примеси, иллюстрирует рис. 2.32.
Значительные краевые токи могут повлиять на процесс переноса носителей заряда, разделяемых барьером Шоттки. Краевые эффекты проявляются наиболее существенно при обратном смещении и в приборах малой мощности, поэтому при изучении кинетических явлений обычно создают структуры с охранным кольцом [Padovani, 1968]. К другим механизмам переноса носителей заряда, приводящим к отклонению характеристик диодов от идеальных, относится рекомбинация в обедненном слое [Low, 1955]. В приборах с барьером Шоттки данные эффекты таким же образом воздействуют на Jo и диодный коэффициент А, как и в гетеропереходах.
2.6.2. Высота барьера
Наиболее важным результатом, полученным при анализе процесса протекания тока в структурах с барьером Шоттки, является выявление зависимости /0 от высоты барьера Ф^,. Высота барьера определяет значения напряжения холостого хода в солнечных элементах. Если свойства поверхности раздела не влияют на Ф^,, то ее значение находится непосредственно с помощью соотношения
= фт ~ Xs/q, (2.69)
где Фт - разность потенциалов, соответствующая работе выхода металла; xs — энергия сродства к электрону в полупроводнике (рис. 2.29). Однако экспериментально определяемые значения высоты барьера ниже получаемых согласно (2.69). На практике Фй почти не зависит от вида металла, используемого в сочетаниях с полупроводниками, имеющими ковалентную связь, такими, как Si, Ge и большинство соединений III—V групп периодической системы элементов.
При возрастании доли ионной связи в полупроводниках зависимость Ф^, от Фт проявляется более ярко и оказывается даже не линейной, как зто следует из (2.69). Отсутствие зависимости экспериментально определяемых значений Фй от вида металла отражает постоянство уровня Ферми при нанесении металлических слоев в обычных условиях, что характерно для фиксированного положения Ер при наличии состояний на границе раздела1.
Отсутствие точного совпадения измеренных значений высоты барьера в структурах на основе металла и полупроводника с ковалентной связью
1 Опубликовано болыпое количество данных о значениях Ф/, [Mead, 1966;Milnes, 1980; Kurtin е. а., 19691.
90
и значений, рассчитанных с помощью (2.69), было обнаружено уже достаточно давно при изучении структур металл—полупроводник1.
Высказывалось предположение [Bardeen, 1947] о том, что фиксированное положение уровня Ферми обусловлено собственными состояниями на поверхности полупроводника, а приведение ее впоследствии в контакт с металлом обеспечивает эффекты лишь второго порядка. По мнению Хейне [Heine, 1965], характерные для полупроводников локализованные состояния, строго говоря, не могут существовать на границе раздела металл—полупроводник, однако возможно появление виртуальных резонансных (металлоподобных) поверхностных состояний, наличием которых и объясняются наблюдаемые эффекты. Изучению свойств границы раздела посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, и значительная их часть (возможно, за исключением исследований, проводившихся в последние годы) связана с изучением собственных поверхностных состояний. Результаты этих работ представлены в кратком, но полном обзоре Линдау [Lindau е. а., 1978].
