Одной из тенденций развития технологии полупроводниковых приборов является уменьшение глубины p-n-перехода до субмикронных размеров wp < 1 мкм. В этом случае параметры области пространственного заряда (ОПЗ) p-n‑перехода зависят от концентрации акцепторов, доноров и плотности заряда на поверхностных состояниях внешней границы полупроводника.
Равновесный поверхностный заряд в полупроводниковых приборах изучен достаточно подробно [1]. Неравновесные эффекты, обусловленные захватом электронов (дырок) на поверхностные состояния, разнообразны и не изучены до конца. Влияние захвата неравновесного поверхностного заряда на спектральные характеристики кремниевых солнечных элементов (СЭ) исследовано в работах [2, 3].
Цель работы - определить время захвата неравновесного поверхностного заряда по затуханию тока короткого замыкания.
Обозначим изменение плотности поверхностного заряда в неравновесном режиме ΔQs. Считаем, что ΔQs не изменяет тип проводимости в поверхностной области, но влияет на величину потенциального барьера перехода. Эта ситуация реализуется, если область пространственного заряда перехода подходит вплотную к поверхности. Неравновесный поверхностный заряд вызывает изменение ширины ОПЗ p-n‑перехода и высоты потенциального барьера, что можно рассматривать как падение напряжения Vs на переходе.
Характерное время жизни неравновесных электронов τn, дырок τp в кремнии составляет 10÷100 мкс. Время измерения тока короткого замыкания t >> τn, t >> τp. В этом временном масштабе параметры, обусловленные объёмной рекомбинацией (фототок, диффузионный ток насыщения, рекомбинационный ток насыщения), квазистационарны, а вольтамперная характеристика описывается двух экспоненциальной моделью, в режиме короткого замыкания ток Isc вычисляется по формуле
, (1)
где Iph - фототок, I0 - диффузионный ток насыщения, Rs - сосредоточенное последовательное сопротивление, Ir - рекомбинационный ток насыщения, a - коэффициент неидеальности p‑n‑перехода, Rsh - шунтирующее сопротивление.
При низких уровнях освещенности
, Vs ~ ΔQs.
Выразим Isc через Vs из формулы (1) в линейном приближении:
. (2)
Релаксация неравновесного поверхностного заряда 
с характерным временем τ >> τn, τ >> τp обусловливает изменение тока короткого замыкания
. (3)
Измерения тока короткого замыкания СЭ выполнялись с помощью автоматизированного спектрального комплекса [2] по методике с низким уровнем освещенности. Погрешность измерений не превышала 5%. Исследовались двусторонние кремниевые СЭ, изготовленные НПФ "Кварк" (г. Краснодар), со структурой n+-p-p+ или p+-n-n+ типа, субмикронным (0,15 мкм) p-n-переходом, текстурированной поверхностью, на которую наносилось пассивирующее просветляющее покрытие SiO2. В качестве образца-свидетеля использовался СЭ с глубоким плоским p‑n‑переходом.
Измерялось стационарное значение тока короткого замыкания Isc при постоянных условиях освещения. Затем световой поток резко прерывался, и измерялась зависимость Isc(t) на участке спада. У исследуемых СЭ наблюдался плавный участок спада функции Isc(t), а у образца-свидетеля Isc изменялся скачком от одного постоянного значения к другому.
На рис. 1 показаны типичные временные зависимости тока короткого замыкания. Начальные участки соответствуют освещению светом с длиной волны λ=950 нм (зависимость 1) и λ=1000 нм (зависимость 2). Участки спада для обеих зависимостей описываются формулой (3) с t » 7 с. Значения τ не зависят от λ в пределах погрешности измерений.
Наблюдаемая у исследуемых СЭ нестационарность тока короткого замыкания с характерным временем τ ~ 10 с объясняется релаксацией неравновесного заряда на медленных поверхностных электронных состояних границы Si-SiO2, имеющих достаточно большие времена обмена носителями заряда с разрешенными зонами. Согласно данным [4] для этих процессов t может составлять 10-1-104 с и зависит от молекулярного состава межфазной границы. Текстурирование поверхности увеличивает площадь границы Si-SiO2 и p-n-перехода более чем в 10 раз, поэтому эффект влияния изменения плотности неравновесного поверхностного заряда на ток короткого замыкания возрастает вследствие увеличения эффективных значений I0, Ir в формуле (1).
Рис. 1. Зависимость тока короткого замыкания от времени: 1 - λ=950 нм; 2 - λ=1000 нм
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. Томск: НТЛ. 2000. - 426 с.
- Богатов Н.М., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р., Яковенко Н.А. Автоматизация измерений спектральных характеристик двусторонних солнечных элементов. // Автометрия. 2003. Т. 39. № 6. С. 68-77.
- Богатов Н.М., Корнеев А.И., Матвеякин М.П., Родоманов Р.Р. Исследование влияния неравновесного заряда границы SiO2-Si на динамику спектральной чувствиительности солнечных элементов с субмикронным p-n-переходом // Известия высших учебных заведений Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2006. № 2. С. 52-54.
- Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. М.: МГУ. 1999. -284 с.