ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ pCdTe — nCdS И pCdTe — nCdSe С ГЛУБОКИМИ ПРИМЕСНЫМИ УРОВНЯМИ
УДК: 53.087
С. Отажонов, Н. Юнусов
Ферганский государственный университет
Аннотация
В данной работе рассматривается фотоэлектрические явление в гетероструктурах на основе pCdTe — nCdS и pCdTe — nCdSe с глубокими примесными уровнями. Показано, что в созданных гетероструктурах фотоносители увеличивается, из-за наличие глубоких уровней в запрещённой зоне CdTe, энергии активации, которых равны EC — 1,15 эВ.
Ключевые слова: гетероструктуры, фотоносители, квазифермиевские уровни, кристалл-пленка, коэффициенты преобразования, легирования.
Введение
Изучение фотоэлектрических свойств гетеропереходов представляет большой интерес для понимания структуры и физических процессов, происходящих на границе кристалл-пленка. Физический механизм фотогальванического эффекта в гетеропереходах практически такой же, как и в любом полупроводнике, а именно поглощение фотона, создающего электронно-дырочную пару. Эти фотоносители затем физически разделяются в полупроводниковых устройствах (т. е. p-n-переходах, контакте металл-полупроводник или гетеропереходе) за счет встроенного напряжения на переходе [1—4].
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Ниже рассмотрим фотоэлектрические свойство созданных гетероструктуры на основе pCdTe — nCdS и pCdTe — nCdSe с глубокими примесными уровнями.
Используя уравнение диода
(1)
показал, что связь между током короткого замыкания Isd, который линейно зависит от интенсивности света, и напряжением холостого хода Voc p-n-гомоперехода определяется выражением
(2)
Это логарифмическое изменение показано на рис. 1.1. Исследование также показал, что максимальная достигаемая фотоэдс ограничена высотой встроенного барьера. Максимальное фотоэдс, достижимое в p — n-переходе, исследовали ученные, который рассматривал проблему с точки зрения электростатического потенциала и пришел к тому же выводу, что и мы. Однако в своем анализе ученные предположили, что изменения электростатического потенциала вдали от области пространственного заряда незначительны. С другой стороны, исходили из того, что квазифермиевские уровни никогда не могут уйти очень далеко в зону проводимости или валентную зону. Это предположение в сочетании с предположением о высокой инжекции на одной стороне перехода привело к предсказанию, что насыщенная фотоэдс составляет определенную долю энергетической щели [5].
Этот подход без учета того факта, что, хотя в режиме высокой инжекции концентрации электронов и дырок сравнимы, на самом деле они различаются на небольшую величину, и эта разница существенна для большая часть слаболегированной области. Переформулированная уравнения переноса полупроводников и показал, что максимально возможная фотоэдс действительно представляет собой диффузионный потенциал перехода.
Рис. 1. Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода в зависимости от силы света.
Рис. 2. Область перехода освещается лучом света в плоскости, параллельной плоскости границы раздела кристалл-пленка
Рис. 3. Фронтальное освещение светом используемый эффект окна
Фотоэлектрические свойства гетеропереходов можно исследовать двумя способами: боковое освещение рис. 2 и фронтальное освещение рис. 3.
В первом случае область перехода освещается лучом света в плоскости, параллельной плоскости границы раздела кристалл-пленка, как показано на рис. 2. Этот метод особенно удобен для изучения изотипных гетеропереходов. Используя эту технику, исследовано гетеропереходы pCdTe — nCdS и pCdTe — nCdSe. Их измерение фотонапряжения показало изменение знака с фотонами с энергией> 1,2 эВ. Обнаружено, что во всех устройствах (pCdTe — nCdSe) знак был таков, что pCdTe был отрицательным по отношению к nCdSe. Противоположный знак был обнаружен для фотонов с энергией <1,2 эВ. Критическая энергия фотонов, при которой происходила смена знака, не зависела от легирования в CdTe. Из этих измерений мы пришли к выводу, что уровень Ферми на границе гетероперехода имеет фиксированное положение, не зависящее от положения уровня Ферми в объемных материалах [6].
Фронтальное освещение использует эффект окна как показано на рис. 3, в котором материал с более широкой энергетической щелью используется в качестве окна, через которое граница раздела облучается фотонами с энергией, меньшей, чем энергетическая щель материала окна. Этот метод полезен для изучения анизотипных гетеропереходов. Ученные продемонстрировали применимость выпрямляющей структуры в анизотипическом гетеропереходе для чувствительного и быстрого обнаружения излучения в заданном диапазоне энергий [7].
Одним из основных применений фотоэлектрические явлении в полупроводниковой технологии является прямое преобразование солнечной энергии в электрическую в «солнечных элементах». Широкомасштабное применение кремниевых солнечных элементов для долговременных источников питания в космических исследованиях потребовало значительных усилий для разработки и улучшения солнечных элементов и их характеристик.
Первый кремниевый солнечный элемент, созданный Чаплином и др. (1954 г.), показал КПД преобразования энергии примерно 6%, в то время как более поздние кремниевые солнечные элементы были способны обеспечить КПД преобразования около 13%. Однако некоторые исследования были посвящены другим материалам и другим методам изготовления с целью более эффективного использования солнечной энергии.
Хотя говорят, что фотоответ гетеропереходов не такой большой, как у гомопереходов, из-за поверхностных состояний nCdS-pSi с эффективностью преобразования энергии, сравнимой с эффективностью кремниевого гомоперехода [8]. Во всех этих исследованиях влияние интерфейсных состояний считалось незначительным. В улучшении характеристик солнечных элементов и использовании солнечной энергии ограничивают механизм преобразования солнечной энергии в полупроводниках и наличие полезных фотонов в солнечном спектре. Механизм, ответственный за преобразование энергии в полупроводниках, по существу представляет собой поглощение фотона, создающее электронно-дырочную пару. Если энергия фотона больше или равна ширине запрещенной зоны полупроводника, созданная электронно-дырочная пара может быть физически разделена, а затем собрана и пропущена во внешнюю цепь для обеспечения выходной мощности. Это приводит к вопросу о том, сколько фотонов, доступных в солнечном спектре, имеют энергию, превышающую или равную ширине запрещенной зоны материала [9].
Величина плотности потока фотонов (число см-2 с-1 (эВ) -1), доступных за пределами земной атмосферы, как функция энергии фотонов. По этой кривой можно найти количество фотонов, энергия которых больше или равна ширине запрещенной зоны рассматриваемого материала (т. е. Nph), путем интегрирования NPh (E). т. е. количество фотонов, энергия которых E определяется выражением:
где Eg — ширина запрещенной зоны полупроводника, а EH — максимальная энергия фотона, доступная в солнечном спектре. Поэтому:
(3)
