- •2.4. Залежність напруженості поля і електростатичного потенціалу від віддалі в запірному шарі і від концентрації електронів в об`ємі напівпровідника
- •2.5. Зміна зонної схеми контакту напівпровідник-метал при накладенні постійного зовнішнього поля
- •2.6. Товщина запірного шару
- •2.3. Теорія випрямлення на контакті напівпровідник-метал
- •1.Фізичні процеси в затемненому р-n-переході
- •Розподіл густини об’ємного заряду та концентрації носіїв заряду в р-n-переході
- •1.2 Зонна схема рівноважного стану р-n переходу. Контактна різниця потенціалів в р-n-переході
- •1.3 Розподіл напруженості поля і електростатичного потенціалу в р-n-переході
- •1.4 Вольт-амперна характеристика тонкого р-n переходу
- •1.5 Генерація і рекомбінація носіїв в області об’ємного заряду
- •2.1 Фотовольтаїчний ефект в напівпровідниках з електронною неоднорідністю. Струм короткого замикання і напруга холостого ходу
- •2.2 Вах освітленого фотоелемента.
- •2.3 Вплив послідовного і шунтуючого опору на вольт-амперну характеристику сонячного елемента
- •1.9. Ефективність роботи фотоперетворювача
Вступ
Сонячні елементи – це напівпровідникові фотоелектричні пристрої, які призначені для перетворення сонячної енергії в електричну. Їх ще називають фотоперетворювачами. Вони входять у великий клас напівпровідникових приладів, які називають фотоелементами. Основними показниками якості сонячних елементів є коефіцієнт перетворення світлової енергії в електричну, термічна стабільність, радіаційна стійкість.
Найчастіше сонячний елемент являє собою твердотільну конструкцію із напівпровідникових матеріалів, які добре поглинають світло, а також металевих та діелектричних шарів. В основі функціонування сонячного елементу лежить явище вентильного фотоефекту. Поглинуті напівпровідником світлові кванти звільнюють електрони і дірки від внутрішніх кристалічних зв’язків і переводять їх в рухомий стан. Після, протилежно заряджені вільні носії заряду просторово розділяються переміщуючись в протилежних напрямках за рахунок дифузії, або дрейфу в силововому полі. Це силове поле повинно існувати в напівпровіднику. Такі ділянки в напівпровіднику, де на вільні носії діє сила струму називаються бар’єрами.
Механізм розділення носіїв відіграє роль своєрідного вентиля, який протидіє безпосередній взаємодії збуджених світлом вільних електронів і дірок. Щоб прорекомбінувати, вони повинні пройти по зовнішньому колу, де їх надлишкова потенціальна енергія, яка отримана внаслідок поглинання світла, перетворюється в кінетичну енергію рухомого заряду (електричний струм).
Незважаючи на те, що механізм вентильного фотоефекту відомий з 1839 р. і був відкритий Бекерелем, початком його практичного застосування можна вважати п’ятидесяті роки 20 ст., коли були створені батареї сонячних елементів для забезпечення енергією штучних супутників Землі і космічних лабораторій. Вважається, що практичне використання в енергетиці можуть знаходити лише фотоперетворювачі з ККД > 10%. Зараз створені сонячні елементи з ККД > 25%.
Основним матеріалом для сонячних батарей в даний час є кремній. Ефективність сонячних елементів на основі кремнію складає 15 ÷ 16% при прямому опромінюванні в умовах навколоземного космосу. У наземних умовах ккд кремнієвих елементів складає близько 20% при прямому сонячному опромінюванні і до 25 ÷ 27% при (30 ÷ 50) - кратній концентрації сонячного випромінювання. Основним недоліком кремнієвих елементів є значне зменшення ккд при збільшенні робочої температури.
Великі значення ккд і високу радіаційну стійкість мають сонячні елементи на основі гетероструктур. На даний час у світі освоєний випуск гетероперехідних елементів з кількома p-n-переходами (каскадні сонячні елементи), ккд яких наближається до 40%. Такі сонячні елементи створені на основі GaAs, який належить до сполук А 3В 5.
Розділ 2. Характеристика електричних процесів на контакті метал- напівпровідник
Явища на контакті метал напівпровідник
Розглянемо контакт напівпровідника n-типу з металом. Їх розділяє тонкий вакуумний шар. Робота виходу з напівпровідника менша ніж робота виходу з металу WHП < WM.
Рис. 1. Діаграма енергетичних зон металу і напівпровідника у початковий момент
зближення.
Якщо метал і напівпровідник привести в електричний контакт, то між ними буде відбуватися обмін електронами. Електрони, які виходять з металу внаслідок термоелектронної емісії потрапляють в напівпровідник, а електрони які виходять з напівпровідника потрапляють в метал внаслідок тієї ж причини. Однак оскільки термодинамічна робота виходу електронів з металу більша ніж з напівпровідника, то густина потоку електронів із металу в напівпровідник буде менша jМ < jНП.
В результаті цього буде відбуватися перенесення електронів із напівпровідника в метал і метал буде заряджатися від'ємно, а напівпровідник додатньо. Такий перехід електронів із напівпровідника в метал буде відбуватися до того часу, поки рівні Фермі в металі і напівпровіднику не вирівняються, тобто встановиться стан термодинамічної рівноваги. Між металом і напівпровідником виникне електричне поле і контактна різниця потенціалів φК.
φК = (WМ - WНП) / e. (1)
Р ис. 2. Енергетична діаграма структури метал-напівпровідник у стані термодинамічної рівноваги.
Електрони, які виходять з напівпровідника, щоб потрапити в метал, мають подолати додатковий потенціальний бар'єр величиною eφК. Відповідно робота виходу електронів з напівпровідника в метал збільшиться на величину eφК, а потік електронів з напівпровідника зменшиться і в стані термодинамічної рівноваги густини струмів з металу в напівпровідник і з напівпровідника в метал зрівноважаться. В реальному випадку величина φК може змінюватися від 0,1 до 1,5В і не перевищує ширини забороненої зони напівпровідника.
У приповерхневому шарі напівпровідника товщиною dn залишається нерухомий об'ємний заряд додатньо іонізованих донорів і цей шар буде збіднений на основні носії заряду, тобто цей шар буде являтися діелектриком. Через малі розміри вакуумної щілини в подальшому ми її розглядати не будемо. Оскільки опір приповерхневого шару напівпровідника товщиною dn буде великим порівняно з об'ємом напівпровідника, то цей шар називають запірним або областю просторового заряду.
Вигин зон Виникнення запірного шару, де створюється додатній нерухомий об'ємний заряд, приводить до вигину зон у цьому шарі, еквівалентному виникненню контактної різниці потенціалів. Максимальне
значення вигину зон рівне величині eφk, а хід зон в цьому шарі являє собою
хід потенціальної енергії електрона.
Поскільки ширина забороненої зони в області контакту метал-напівпровідник не змінюється, то стеля валентної зони зміщується еквівалентно до зміщення дна зони провідності. Ширина забороненої зони залишається постійною. В даному випадку зони вигинаються вверх. Основні носії заряду, в даному випадку електрони, будуть скочуватися в об'єм напівпровідника. А дірки, які є неосновними носіями заряду будуть підходити з об'єму напівпровідника до поверхневого шару.
Error: Reference source not found
ЕК
Рис. 3 Енергетична діаграма випрямляючого контакту метал-напівпровідник у стані
термодинамічної рівноваги.
При протилежному співвідношенні термодинамічних робіт виходу WHП > WM в напівпровіднику n-типу провідності виникає збагачений електронами приповерхневий шар. Тобто виникає область напівпровідника збагачена основними носіями заряду, опір якої значно нижчий ніж в об'ємній частині напівпровідника. Така система не являється випрямляючою і зони в напівпровіднику тепер будуть вигинатися вниз. Такий контакт називається антизапірним і його використовують для отримання омічних контактів металу з напівпровідником. Енергетична діаграма системи метал-напівпровідник у цьому випадку буде мати такий вигляд:
Рис. 4 Енергетична діаграма контакту метал-напівпровідник n-типу провідності у випадку утворення анти запірного шару.
В даному випадку електрони із об'єму напівпровідника скочуються в область просторового заряду, дірки ж навпаки з приповерхневого шару рухаються в об'єм напівпровідника. Аналогічні процеси будуть відбуватися в області контакту металу з напівпровідником р-типу провідності. Однак, оскільки в напівпровіднику р-типу основними носіями є дірки, то при співвідношеннях WHП >WM, в напівпровіднику р-типу буде виникати запірний шар і такий контакт буде випрямляючим. Якщо WHП < WM, то для р-типу провідності буде виникати антизапірний шар і ефекту випрямлення спостерігатися не буде.
2.4. Залежність напруженості поля і електростатичного потенціалу від віддалі в запірному шарі і від концентрації електронів в об`ємі напівпровідника
Внаслідок збіднення запірного шару основними носіями заряду зростає його опір, так що вся контактна різниця потенціалів розподіляється в цьому шарі. Крім того, як правило вважають, що всязовнішня різниця потенціалів також падає на тому ж шарі і сумарна зміна потенціалів (вигин зон) спостерігається лише в області запірного шару.
Розглянемо знову контакт напівпровідника n-типу з металом при умові Фн/п<Фм.
В цьому випадку в напівпровіднику виникає запірний шар рис.2.4 Концентрація вільних електронів в шарі визначається у вигляді
n=Nс e - (2.22)
Де e - потенціальна енергія електрона, що відповідає вигину дна зони провідності. Тут приймається , що величини e і мають абсолютні значення, тобто e >0.
Концентрація електронів в об`ємі напівпровідника
n0=Nс e - . (2.23)
Візьмемо на внутрішній границі запірного шару n=n0 і =0, так що відлік в даному випадку ведемо від Eco
Відповідно, маємо
n=n0 e - . (2.24)
Припустимо, що n0= Nd= Nd+, тобто всі донори іонізовані.
Тоді густина об`ємного заряду в запірному шарі буде рівна
=eNd+- en= en0(1-e- ). (2.25)
Якщо зони викривлені помітним чином, так що e >>kT, то другим додатком в (4) можна знехтувати і вважати, що
= en0= eNd+ , (2.26)
тобто вважати постійним у всьому шарі. Густина об`ємного заряду і потенціал зв`язані рівнянням Пуасона:
=- =- . (2.27)
Інтегруючи це рівняння будемо мати:
(2.28)
Поскільки при , тобто на внутрішній границі шару , то .
Відповідно
(2.29)
тобто напруженість поля є лінійною функцією x .
Поле направлене в кожній точці х вздовж напрямку х, тобто до металу. Максимальне значення поля спостерігається на межі розділу з металом.
, (2.30)
Інтегруючи рівняння (8), отримуємо електростатичний потенціал
(2.31)
Поскільки при x=0, ми взяли , тобто вибрали початок відліку потенціалу від рівня Ec0, одержимо .
Абсолютне значення буде
. (2.32)
Величина має максимальне абсолютне значення
(2.33)
Як напруженість поля, так і потенціал пропорціональні , тобто зростають по абсолютному значенню із збільшенням концентрації донорів Nd.
Рис.2.4. Зонна схема контакту метал- напівпровідник в стані термодинамічної рівноваги.
На рис. 2.4. якісно показано хід з врахуванням знака в області збідненого шару, а також хід потенціальної енергії електронів , які відповідають рівнянню (10). Квадратична залежність (або ) має зміст тільки для запірного шару, тому другу вітку параболи можна не враховувати.
Формули приведеного типу можна записати також в приміненні до діркового напівпровідника, який контактує з металом, якщо Фн/п>Фм .
Відмітимо, що припущення про те що об`ємний заряд є постійним є наближеним, особливо для внутрішньої області збідненого шару, поскільки там величина мала, так що експоненту в формулі (2.25), строго говорячи, можна не враховувати. Якщо вважати, що , то експоненту можна розкласти в ряд:
(2.34)
Якщо обмежитися двома першими членами ряду, одержимо:
. (2.35)
Якщо врахувати, що в даному випадку ,то
. (2.36)
Вибираємо напрямок відліку x від металу в глибину н/п. Приймаючи в глибині напівпровідника ,отримуємо =0, так як при віддаленні від межі розділу величина зменшується. Інша постійна . Тут є абсолютна величина потенціалу при x=0, який вибираємо виходячи із умови, коли стає справедливим нерівність , тобто в так званій квазінейтральній області. Якщо ця область простягається аж до поверхні, то .
Для квазінейтрального шару отримуємо:
(2.37)
Таким чином, дебаєвська довжина екранування LD являє собою глибину проникнення поля в квазінейтральній області, на якій потенціал по абсолютному значенню зменшується в e раз. Для германію ( ) при 300К і n0=1014см-3 маємо LD=4.10-5см.