Методы анализа уровня качества фотоэлектрических преобразователей (Аналитический обзор), страница 3

,                                                                                                                                    (1.11)

откуда:

.                                                                                                                                          (1.12)

Используя соотношение (1.12), параметры А и R_П могут быть определены по прямой ветви темновой ВАХ (первый квадрант на рисунке 1.5) следующим образом. Для набора значений I, соответствующих прямой ветви экспериментальной ВАХ при 0,1 В <U<j графическим, либо численным дифференцированием на ЭВМ указанного участка ВАХ находят набор значений dU/dI. Затем строят график зависимости dU/dI от 1/I (рисунок 1.6). Этот график представляет собой прямолинейный отрезок, наклоненный под углом g к оси абсцисс. В соответствии с выражением (1.12) tgg=AkT/e, откуда:

.                                                                                                                                        (1.13)

Величину R_П находят как значение описываемой соотношением (1.12) зависимости dU/dI от 1/I при 1/I=0, т.е. путем продолжения прямолинейного наклонного отрезка построенного графика до пересечения с осью ординат. При графическом дифференцировании прямой ветви ВАХ численные значения dU/dI в зависимости от I находят для каждого конкретного значения I как тангенс угла наклона b касательной в соответствующей точке ВАХ к оси ординат.

Эти методики аналитической обработки нагрузочных световой и темновой ВАХ позволяют сравнительно легко определять фототок, выходные и диодные параметры ФЭП с помощью ЭВМ.

1.4 Определение параметров выпрямляющего перехода и концентрации основных носителей заряда в базе диодной структуры ФЭП методом вольт-фарадной характеристики (ВФХ)

Для измерения параметров p-n-перехода широкое распространение получил вольт-фарадный метод. С его помощью проводят измерения концентрации легирующих примесей, генерационного времени ННЗ, плотности поверхностных состояний и их распределения по энергиям.

Этот метод состоит в экспериментальном изучении зависимости величины электрической емкости С затемненной полупроводниковой диодной композиции, обусловленной наличием объемного заряда в приповерхностной области полупроводника, от напряжения смещения U, подаваемого на исследуемый образец, и в последующей аналитической обработке экспериментальной ВФХ.

Для диодных полупроводниковых композиций с резким p–n гомопереходом зависимость барьерной емкости С_б, выраженной в фарадах, от величины U, выраженной в вольтах, согласно [5] описывается соотношением:

                                                       (1.14)

где     S -площадь слоя обеднения в неоднородной полупроводниковой композиции, м²;

e - заряд электрона, равный 1,6∙10^-19 Кл;

ε₀ - электрическая постоянная, равная 8,85∙10^-12

ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;

φ -высота потенциального барьера в неоднородной полупроводниковой композиции, выраженная в вольтах;

N-приведенная концентрация примеси в неоднородной полупроводниковой композиции, м^-3;

Для исследования ВФХ диодных полупроводниковых композиций используют мосты переменного тока в комбинации со схемой подачи постоянного смещающего напряжения на диодную композицию.

Определение высоты потенциального барьера и концентрации легирующей примеси проводят при полярности смещающего напряжения, соответствующей включению диодной композиции в обратном направлении. По экспериментально полученной ВФХ строят график зависимости (S/C_б)² от , который описывается уравнением:

                                                     (1.15)

Данный график зависимости, как видно из рисунка 1.7, является отрезком прямой, наклоненном во втором квадранте под углом α к оси абсцисс. Тангенс угла α из уравнения (1.15) равен:

                                                              (1.16)

Приведенная концентрация легирующей примеси может быть рассчитана по значению тангенса угла наклона α с помощью следующих соотношений:

                                                          (1.17)

Высоту потенциального барьера в диодной полупроводниковой композиции определяют следующим образом. отрезок на графике продолжают до пересечения с осью абсцисс в точке:

                                                               (1.18)

Значение напряжения в данной точке и определяет высоту потенциального барьера ФЭП.

1.5 Определение параметров неосновных носителей заряда (ННЗ) в диодной структуре ФЭП по спектральной зависимости тока короткого замыкания ФЭП и по характеру спада напряжения холостого хода со временем после отсечки светового потока

Метод затухания напряжения холостого хода (U_XX) позволяет определять достаточно малые значения времени жизни носителей (τ ≥ 10^-7 с) и основан на инжекции избыточных ННЗ в базовую область прибора с p-n-переходом при приложении прямого напряжения смещения или при фотогенерации, и с наблюдением процесса затухания U_XX после резкого прекращения действия источника носителей.

В общем случае, этот процесс можно описать следующим уравнением:

,                    (1.19)

где:

Т – абсолютная температура;

U_XX(t) – напряжение холостого хода в момент времени t;

U_XX(0) – напряжение холостого хода в момент времени t = 0 (в момент отсечки светового потока).

Если область перехода находится в состоянии теплового равновесия, то концентрация неосновных носителей заряда на границе обедненной области с поглощающим слоем (базой) связана с напряжением на переходе следующим соотношением:

,         (1.20)

где: E_Fn и E_Fp – уровни Ферми в n- и p-областях соответственно;

n_p – концентрация избыточных неосновных носителей заряда;

p_p – концентрация избыточных основных носителей заряда;

n_i – равновесная концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Если p_p ≈ N_a, где N_a – концентрация акцепторной примеси, то зависимость напряжения холостого хода от времени U_XX(t) будет иметь следующий вид:

.                                            (1.21)

Если толщина области, в которую инжектируются носители заряда, меньше диффузионной длины, то их избыточную концентрацию в этой области можно считать постоянной и процесс диффузии не рассматривать. В этом случае скорость рекомбинации носителей приблизительно одинакова во всем объеме слоя (при условии, что τ не является функцией координаты) и равна

,                                           (1.22)

где n_p – концентрация избыточных неосновных носителей заряда в момент времени t = τ;

n_p0 – концентрация избыточных неосновных носителей заряда в момент времени t = 0.

Время жизни носителей при небольшом избытке ННЗ, соглано (1.21) и (1.22), можно записать в виде:

.                                                   (1.23)

В условиях высокого уровня инжекции n_p ≈ p_p

.                                                     (1.24)

Данные выражения справедливы, если концентрации доноров и акцепторов связаны соотношением N_D >> N_A (в этом случае преобладает инжекция носителей в р-область).