Особенности формирования и релаксации неравнонагруженных фотоэлектрическиъ эффектов в поверхностно-барьерных полупроводниковых структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

/х.

£? ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

е,-

С\і

На правах рукоинсу УДК 621.315.592

ПАНІЧЕВСЬКА ТЕТЯНА ВОЛОДИМИРІВНА

ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ ТА РЕЛАКСАЦІЇ НЕРІВНОВАЖНИХ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ЕФЕКТІВ В ПОВЕРХНЕВО —БАР’ЄРНИХ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТРУКТУРАХ

01.04.07 — фізика твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізихо-математичних наук

Київ - 1997

Дисертація с рукопис

Роботу виконано в Інституті фізики напівпровідників НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор САЧЕНКО АНАТОЛІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

АКОПЯН АРСЕН АРТАШЕСОВИЧ кандидат фізико-математичних наук ЗІНЕЦЬ ОЛЕГ СЕРГІЙОВИЧ

Провідна організація: Національний університет ім. Тараса Шевченка, м. Київ

Захист відбудеться“16” травня 1997 р. о 14 год. 15 хв. на засіданні Спеціалізованої ради К 50.07.02 при Інституті фізики напівпровідників НАН України за адресою: 252650, м. Кнїв-28, проспект Науки, 45.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України за адресою: 252650, м. Київ-28, проспект Науки, 45.

Автореферат розісланий **3*/" березня 1997 р.

Вчений секретар Спеціалізованої ради кандидат фізико-математичних наук

І

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поверхнево — бар’єрні напівпровідникові структури широко застосовуються в техніці, особливо в оптоелектроніці та в сонячній енергетиці. Такі структури можуть реалізуватись на основі контакту напівпровідник—діелектрик, напівпровідник—метал, напівпровідник—електроліт або в напівпровідникових гетеропереходах. В формуванні фотоелектричного сигналу в цих структурах важливу, а в багатьох випадках і визначну, роль відіграють фізичні процеси, що відбуваються в приповерхневій області просторового заряду (ОПЗ) напівпровідника, а також на його поверхні або на межі розділу напівпровідник—діелектрик, напівпровідник—метал. Тому наукові дослідження фотоелектричних ефектів в поверхнево — бар’єрних структурах сьогодні с актуальними.

Особливий інтерес останнім часом викликають поверхнево — бар’єрні структури з інверсійними бар’єрами, одною з найбільш відомих реалізацій яких є структури Si — SÍO2 з вбудованим в діелектрик зарядом. їх, зокрема, використовують у високоефективних перетворювачах сонячної енергії в електричну, які надалі ми будемо називати інверсійними сонячними елементами (ICE). Основною перевагою ICE е дуже мала глибина залягання р—п — переходу і наявність сильного електричного поля в інверсійній області, тому рекомбінаційні втрати в короткохвильовій та ультрафіолетовій областях сонячного спектру в них набагато менші, ніж в СЕ з об’ємними р—п — переходами. З цієї ж причини вказані структури є перспективними для використання їх в фотоелементах з високою чутливістю в короткохвильовій області.

Незважаючи на те, що фотоелектричні властивості поверхнево — бар’єрних структур досліджуються вже давно, проте багато проблем до останнього часу не розв’язані, або розв’язані в простих, напівемпіричних моделях і потребують свого подальшого розвитку. Існують також експериментальні результати, які не мають теоретичного обгрунтування або пояснені некоректно.

Мета роботи. Дисертація виконана з метою дослідження теоретичними методами особливостей формування і релаксації нерівноважних фотоелектричних ефектів в поверхнево — бар’єрних напівпровідникових структурах саме для вказаних випадків, причому базовою для проведених досліджень була обрана структура Si — SÍO2 з інверсійними бар’єрами.

Основні завдання, розв’язані в роботі:

1. Запропоновано модель і проведено теоретичні розрахунки, які пояснюють збільшення вигину зон біля поверхні (аномальна поверхнева фо-тоерс) або зміну знаку фотоструму (аномальна фотонапруга), що спостерігалися експериментально при домішковому поглинанні світла.

2. Теоретично досліджено кінетику встановлення фотоструму в поверхнево — бар’єрних структурах з тунельним діелектриком та обгрунтовано її незалежність від перезарядки поверхневих станів для високоефективних фотоперетворювачів. Останнє узгоджується з експериментом.

3. Теоретично проаналізовано поведінку поверхнево — чутливих фотоефекті в (фотопровідність, поверхнева фотоерс, фотомагнітний ефект (ФМЕ)) в напівпровідниках з порушеними приповерхневими шарами.

4. Проведено розрахунки величини і знаку фотомагнітного ефекту в напівпровідниках з малими довжинами дифузії.

5. Отримано теоретичні закономірності затухання сигналу нелінійної поверхневої фотоерс в структурах з інверсійними бар’єрами при локальному фотозбудженні, що дало змогу проаналізувати умови застосування скануючої методики, як£ використовується для визначення однорідності електрофізичних параметрів напівпровідників по площі структури.

6. Виконано теоретичний розрахунок фотоструму в ICE з контактною сіткою на освітленій поверхні, на основі якого сформульовано умови оптимізації ICE за збиранням фотоструму.

7. Пояснено незвичайні (з максимумом) експериментальні залежності ерс фотоелементів від інтенсивності освітлення впливом умов на тиловому контакті, який може бути і неомічним.

з

Наукова новизна роботи визначається тим, що а результаті проведених досліджень в ній вперше: а) показано, що аномальний знак поверхневої фотоерс при домішковому поглинанні світла може бути поясненнії значною тунельною рекомбінацією в напівпровіднику; б) доведено, що перезарядка поверхневих станів не впливає на кінетику фотоструму поверхнево — бар’єрних структур з тунельним діелектриком при умові ефективної роботи фотоперетворювача; в) теоретично доведено, що експериментальним критерієм можливості описання рекомбінації в порушеному шарі параметром "ефективна швидкість поверхневої рекомбінації” с однакова спектральна залежність малосигнальної поверхневої фотоерс та фотомагнітного ефекту; г) показано, що аномальний фотомагнітний ефект не може існувати в напівпровідниках з довжинами дифузії неосновних носіїв, значно меншими за товшииу області просторового заряду; д) проведено аналіз двовимірного рівняння неперервності, що дозволило дослідити закономірності затухання сигналу нелінійної фотоерс в інверсійних структурах з локальним фотозбуджешіям та обрахувати збирання фотоструму в ICE з контактною сіткою.

Положення, що виносяться на захист:

1. Механізм формування поверхневої фотоерс аномального знаку, яка виникає при домішковому поглинанні світла з участю поверхневих станів і обумовлена багатоступінчатою тунельною рекомбінацією в напівпровідниках між зоною основних носіїв в об’ємі і зоною неосновних носіїв на поверхні, та теорія цього ефекту. Розрахунки фотоерс та фото-напруги аномального знаку в більш складній системі напівпровідник — тунельний діелектрик — провідник.

2. Висновок про незалежність кінетики встановлення фотоструму від параметрів поверхневих станів для фотоперетворювачів на основі поверхнево — бар’єрних структур з тунельним діелектриком у актуальному випадку, коли ефективна швидкість емісії неосновних носіїв заряду в контакт значно перевищує ефективну швидкість поверхневої рекомбінації.

3. Теоретичні розрахунки спектральної залежності фотопровідності, поверхневої фотоерс і фотомагнітного ефекту в напівпровідниках з порушеними приповерхневими шарами, яке враховує різну товщину та різні закони дисперсії параметрів напівпровідників в цих шарах, а також критерій можливості описання рекомбінації в порушеному шарі параметром “ефективна швидкість поверхневої рекомбінації”.

4. Наближений теоретичний аналіз та чисельні розрахунки величини і знаку фотомагнітного ефекту в напівпровідниках з довжинами дифузії близькими або значно меншими товщини ОПЗ и>, а також висновок про неможливість реалізації аномального ФМЄ в останньому випадку.

5. Теорія затухання нелінійного сигналу локальної поверхневої фотоерс в напівпровідниках з інверсійними бар’єрами, яка побудована для дрейфового та дифузійного механізмів розтікання генерованих світлом електронно — діркових пар вздовж поверхні.

6. Нова послідовна теорія збирання фотоструму в ICE з контактною сіткою, яка виходить з двовимірного рівняння неперервності для неосновних носіїв і вводить характерну довжину збирання Lc та визначає її залежність від параметрів напівпровідника та інтенсивності освітлення.

Наукова цінність роботи визначається тим, що в ній встановлено нові фізичні механізми і закономірності явищ, які відбуваються в поверхнево — бар’єрних структурах при збудженні в них світлом електронно — діркових пар, та побудована теорія цих явищ. Отримані в дисертації результати дозволили пояснити ряд експериментальних даних, які раніше не мали обгрунтування, а також можуть бути використані надалі для розширення можливостей наявних і створення нових методів дослідження властивостей напівпровідників.

Практична цінність результатів дисертаційної роботи полягає в тому, що а) виконані в ній розрахунки характеру затухання нелінійної фотоерс в неосвітлену область при локальному фотозбудженні дозволяють обгрунтувати скануючу методику експресного контролю однорідності параметрів напівпровідникових пластин, визначити чутливість і гранич-

не розділення цієї методики; б) на основі отриманого виразу для фотоструму ICE з контактною сіткою може бути виконана оптимізація структури за густотою та шириною ліній контактної сітки.

Ступінь достовірності. Достовірність та обгрунтованість отриманих в дисертації результатів забезпечується достовірністю фізичних моделей, обгрунтованістю використаних наближень та надійністю математичних методів, а також тим, що більшість отриманих у роботі результатів підтверджується співставлеиням з експериментальними даними та теоретичними розрахунками інших авторів.

Апробація роботи. Результати роботи доповідались і обговорювались на XII Всесоюзній конференції з фізики напівпровідників (м. Київ, 1990) та на VI Республіканській науково — технічній конференції “Фізичні проблеми МДН — інтегральної електроніки” (м. Севастополь, 1990), а також на наукових семінарах з фізики Поверхневих та контактних явищ ІФН НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 друкованих робіт, список яких наведено у кінці реферату.

Структур» та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, двох розділів, післямови та списка літератури з 105 найменувань. Кожен із розхилів поділений на глави; перший розділ складається з п’яти глав, другий — з двох. Дисертація викладена на 140 сторінках, які містять друкований текст та 23 малюнки.

Особистий внесок дисертанта. Автором дисертації безпосередньо виконано теоретичні розрахунки, описані в роботі, та в творчій співдружності з співавторами відповідних наукових робіт проведено фізичну інтерпретацію отриманих результатів. Тому внесок дисертанта є рівиим внеску співавторів робіт.

КОРОТКИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі дана загальна характеристика роботи: обгрунтована актуальність теми, визначені мета та основні завдання роботи, новизна, нау-

кова та практична цінність результатів, особистий внесок автора дисертації, сформульовані основні положення, які виносяться на захист, наведені дані, що стосуються апробації роботи і опублікування її основних матеріалів. В кінці вступу описана структура дисертації.

Розділ І. Вплив поверхні на фотоелектричні ефекти в напівпровідниках і в структурах напівпровідник — діелектрик — провідник.

У першій главі запропонована модель і виконані розрахунки релаксації поверхневої фотоерс (фотонапругн) аномального знаку, яка може виникати при домішковому поглинанні світла в напівпровідниках та структурах напівпровідник — діелектрик — провідник при низьких температурах, що спостерігалося експериментально. Аномалія фотоерс полягає в тому, що при освітленні напівпровідника поверхневий вигин зон в ньому не зменшується, а збільшується. В дисертації показано, що аномальний знак фотоерс може мати в напівпровідниках з значною багатоступінча-тою тунельною рекомбінацією електронно — діркових пар, розділених полем ОПЗ. Модель, що пояснює аномальний знак поверхневої фотоерс, ілюструє малюнок. Електрони заповненої зони поглинають світло з енер-

створені світлом біля поверхні, тунельно рекомбінують з електронами об'єму через пересаджувальні центри в ОПЗ. Якщо ймовірнісгь тунельної рекомбінації у > р, тоді ясно, що вигин зон при поглинанні світла буде збільшуватися, а фотоерс, відповідно, матиме аномальний знак.

В роботі розглянуто і більш складні системи напівпровідник — тунельний діелектрик — провідник, де, крім названих вище процесів, мож-

гісю ¡і\, меншою ширини забороненої зони Ее, і переходять на поверх-

Е .... подальшого туннелювання електронів Р з цих центрів в об’єм через Еу бар’єр ОПЗ мала. Вільні дірки, що

ливе туиелювання електронів і дірок через діелекрик. Всі ці процеси При певних співвідношеннях між їх ймовірностями (залежності ймовірностей тунелювання від прикладеної до структури напруги аналізуються) можуть приводити до аномального знаку фотоерс та фотонапруги, відповідно, в режимах розімкненого кола та протікання фотоструму.

В дисертації виконано співставленім теоретичних кривих з літературними експериментальними даними, які було отримано для С<іТе при Т=100 К та ваАз при Т< 200 К. Співставленім показало, що побудована теорія добре описує всі особливості експериментальних кривих.

Друга глава поділяється на дві частини.

В першій частині теоретично досліджується вплив поверхневих станів на кінетику встановлення фотоструму в поверхнево — бар’єрних структурах з тунельним діелектриком. Інтерес до такої задачі викликаний тим, що в багатьох експериментах не було виявлено цього впливу, хоча концентрація поверхневих станів змінювалась в широких межах.

В дисертації розраховано залежності фотоструму від часу і показано, що вони мають різний вигляд при різному співвідношенні між ефективними швидкостями поверхневої рекомбінації 5», та виносу неосновних носіїь в контакт УЕ. Так, у випадку ефективної роботи фотоперетворювача, коли Уе » Я*, фотострум встановлюється з часом перезарядки ємності ОПЗ тяс (у нашому розгляді цей час найменший серед усіх характерних часів тлс -> 0) і далі не релаксує. Саме цей випадок і реалізувався в згаданих вище експериментах. Якщо ж фотострум спочатку наростає

за час тдс, а далі релаксує до стаціонарного значення, яке тим менше, чим більша 5*. Час встановлення стаціонарного значення також залежить від співвідношення між та Уе. •

У другій частині п’ятої глави теоретично проаналізовано закономірності релаксації з часом ємності області просторового заряду МДН — структури при її освітленні або прикладанні до леї імпульсу напруги. По-

казано, що релаксація нерівноважного стану в бік зменшення ємності відбувається з сповільненням темпу в процесі релаксації. Це має місце завдяки перезарядці поверхневих станів і появі бар’єру, що розводить рекомбі-нуючі електрони і дірки, та його збільшенню в процесі релаксації.

У третій главі вивчаються поверхнево — чутливі фотоелектричні ефекти в напівпровідниках з порушеними приповерхневими шарами. Ці шари можуть мати різну товщину і описуються дисперсією часу життя тр(х) та коефіцієнта дифузії О/х) неосновних носіїв заряду.

В результаті досліджень показано, що вплив порушеного шару на фо-тоефекти можна описати параметром “ефективна швидкість поверхневої рекомбінації” тільки тоді, коли його товщина ¿/о значно менша за довжину дифузії неравноважних носіїв 1,до в ньому. Експериментальним критерієм цього випадку є однакова спектральна залежність поверхневої фотоерс та струму короткого замикання фстомагнітного ефекту. •

Для більш товстих порушених шарів, коли спершу розгляну-

та двошарова модель. В цій моделі величина поверхневої фотоерс визначається єдиним параметром — ¿ло і має просту спектральну залежність. В той же час фотопровідність та струм короткого замикання ФМЕ залежать як від параметрів порушеного шару (¡о, Ьла ,так і від параметрів об’єму </, Ьд, завдяки чому спектральні залежності цих величин значно ускладнюються, особливо в короткохвильовій області. Важливо також те, що спектральні залежності всіх трьох величин у цьому випадку різні. Далі чисельними методами отримані спектральні залежності фотопровідності для двох випадків зміни тДдг) в порушеному шарі. Ці спектральні залежності мають такі ж особливості, що і у двошаровій моделі.

Експериментально спостерігався короткохвильовий спад фотопровідності та струму ФМЕ, що описано в літературі, наприклад, для кристалів СсІхІ^і цТе, одна з поверхонь яких "псувалась" різними способами, Ці експериментальні дані пояснено в дисертації значною товщиною

(<& > ¿,да) порушеного шару та зменшенням в ньому довжини дифузії неосновних носіїв заряду.

У четвертій главі проведено теоретичний аналіз можливості реалізації аномального фотомагнітного ефекту в напівпровідниках з довжинами дифузії близькими або меншими за товщину.ОПЗ IV. Теоретичні розрахунки фотомагнітного ефекту для цього випадку значно складніші, ніж при Ьд » н>, але цікаві і необхідні, тому, що більшість шнрокозошшх напівпровідників мають багато глибоких центрів і, відповідно, малі довжини дифузії, так що в них може бути виконана навіть умова Ьд < и\ яка, на перший погляд, сприяє реалізації аномального знаку ФМЕ.

В дисертації проведено наближений аналіз фотомагнітного ефекту при виконанні умов 1*д и» або Ьд « н>, і зроблені чисельні розрахунки загального випадку. В результаті досліджень показано, що в напівпровідниках з 5- и' струм аномального знаку зменшується, а в напівпровідниках з Ьд « знак струму ФМЕ завжди додатній. Теоретичні розрахунки пояснили нормальний знак ФМЕ для СаАв поряд з різким зменшенням величини струму ФМЕ в короткохвильовій області поглинання.

У п'ятій главі досліджується формування сигналу нелінійної поверхневої фотоерс і затухання фотоструму при локальному фотозбудженні вузькою смугою або круглою плямою освітлення в напівпровідниках з інверсійними вигинами зон біля поверхні. На основі отриманих аиразів сформульовано критерії використання скануючої методики визначення неоднорідності параметрів по площі напівпровідникового зразка.

Аналізується двовимірне рівняння неперервності, яке далі інтегрується по Поперечній координаті. Показано, шо вздовж поверхні розтікання генерованих електронно — діркових пар контролює™, я при менших інтенсивностях світла тільки дрейфом неосновних носіїв, а при більших інтенсивностях: в близькому околі локального збудження — дифузією, а в подальшому околі — дрейфом. Сигнал фотоерс в неосвіглену область спадає повільно: в області, яка контролюється дифузією — за лінійним

законом, а в області, що контролюється дрейфом — логарифмічно. Така особливість затухання сигналу обумовлена наявністю вигину зон біля поверхні напівпровідника, який утруднює рекомбінацію електронно — дір* кових пар.

Скануюча методика вимірювання поверхневої фотоерс може бути ви* користана для контролю однорідності параметрів напівпровідника вздовж поверхні зразка, якщо характерна довжина затухання сигналу в неосвітлену область L3, що введена в дисертації і залежить від інтенсивності освітлення, розмірів освітленої області та довжини рекомбінації, знач* по менша за розміри неоднорідності. Для зменшення довжини L} необхідно зменшити бар’єр, який розділяє електрони і дірки, тобто використовувати значні інтенсивності освітлення. В дисертації отримані співвідношення, які показують, що скануюча методика може бути реалізована в області тим менших інтенсивностей світла, чим менша поверхнева рухливість неосновних носіїв, їх поверхневий надлишок і об’ємний рівень легування, а також чим більші швидкості рекомбінації в об’ємі та ОПЗ.

Розділ II. Деякі особливості роботи сонячних елементів.

У шостій главі досліджується процес збирання струму в інверсійних сонячних елементах з лицьовим контактом, який виготовлений у вигляді контактної сітки. Ця проблема вивчалася багатьма авторами з використанням різних напівемпіричних моделей, найбільш відомими серед яких с моделі “однієї” та “двох експонент”. В дисертації аналіз процесу збирання ведеться, виходячи з двовимірного рівняння неперервності, що з точки зору теорії є найбільш послідовним підходом.

Розглядається дрейфовий режим збирання струму, який має місце в 1СЕ навіть тоді, коли інтенсивність освітлення значно більша за сонячну. Важливим параметром теорії є характерна довжина збирання струму Lc. Ця довжина визначає відстань між елементами контактної сітки, яку не можна перевищувати для ефективної роботи сонячного елементу (оп-тимізований сонячний елемент). Залежність Lc від параметрів напівпро-

Бідняка, інтенсивності освітлення та вигину зон під контактом отримана в роботі в аналітичному вигляді. Таким чином, знайдено прості критерії для оцінки ефективності роботи сонячного елементу.

В результаті досліджень показано також, що емпірична модель “двох експонент”, яка використовується найбільш широко, описує тільки оп-тимізовані сонячні елементи. При відстані між- елементами контактної сітки, більшій за Ьс, ефективність фотоперетворення різко зменшується, а вольт — амперна характеристика сонячного елемента значно ускладнюється. Окремо вивчається з цій главі роль послідовного опору сонячного елемента Лл. Показано, що /?„ негативно впливає на ефективніш, фотоперетворення не тільки через падіння напруги на ньому, але й тому, що це падіння приводить до зменшення довжини збирання ¿с.

У сьомій главі аналізується вплив стану області просторового заряду біля тилового контакту иа фотоерс сонячного елемента або фотоелемента при різних інтенсивностях освітлення. В роботі вважається, що стан ОПЗ може змінюватися в широких межах: від сильного збагачення до глибокої інверсії, а також враховане те, що ефективна швидкість поверхневої рекомбінації 5* нелінійно залежить від інтенсивності освітлення /, тобто задача вирішується самоузгоджено.

В результаті проведених досліджень показано, що сонячні елементи мають найбільшу фотоерс при збагачуючих та незначних збіднюючих вигинах зон біля типового контакту. Фотоерс зменшується при значних збіднюючих та інверсійних вигинах зон. В цих випадках її залежність від інтенсивності освітлення І стає немонотонною (криві з максимумом). Відбувається це через модуляцію 5К(/). Зменшення фотоерс і немонотонний характер залежності від І мають місце навіть в фотоелементах з товстою базою (і£ 10£л, але особливо сильно відчувається це в фотоелементах з тонкою базою (1& ¿7. Немонотонні залежності фотоерс від інтенсивності освітлення спостерігалися експериментально в кремнієвих фотоелементах. Теоретичні розрахунки пояснюють ні експерименти.

Теоретичні дослідження виявили також цікавий факт незалежності фотоерс від інтенсивності освітлення в широкому діапазоні зміни І к І0,5+1018 квант см^ с'1 при значних інверсійних вигинах зон на тиловому контакті. Цей факт може бути використано при розробці нових приладів.

Дисертація має післямову, в якій коротко перераховані основні результати роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ.

1. Теоретично розглянуто релаксацію аномальної поверхневої фотоерс (збільшення приповерхневого вигину зон в напівпровіднику при освітленні) та аномальної фотонапруги (зміна знаку фотоструму), які можуть виникати в напівпровідниках і структурах напівпровідник—діелектрик—провідник при домішковому поглинанні світла і низьких температурах. Показано, що такий знак вказані величини можуть мати тоді, коли має місце значна багатоступінчата тунельна рекомбінація електронно — діркових пар, розділених полем ОПЗ напівпровідника або розділених тунельно тонким діелектриком. Теорія добре описує всі особливості опублікованих експериментальних результатів, наприклад, для С<ІТе, СаАз.

2. Теоретично проаналізовано вплив переза рядки поверхневих станів на кінетику встановлення фотоструму в поверхнево — бар’єрних структурах з тунельно — тонким діелектриком. Показано, що такий вплив відсутній при умові ефективної роботи фотоперетворювача, коли ефективна швидкість виносу неосновних носіїв в контакт Уе значно перевищує ефективну швидкість поверхневої рекомбінації В протилежному випадку, коли Ук £ 5.., перезарядка поверхневих станів суттєво впливає як на стаціонарне значення, так і на час встановлення фотоструму. Ці результати змогли пояснити експериментальні дані про незалежність кіне-іики фотоструму від параметрів поверхневих станів в кремнієвих МДН— структурах тим, що в них виконувалась умова

3. В різних моделях порушеного шару проведено теоретичний аналіз спектральних залежностей фотопровідності, поверхневої фотоерс та фо-томагнітного ефекту для напівпровідників з порушеними приповерхневими шарами. Показано, що вплив порушеного шару на вказані фотоефекті! можна описати параметром “ефективна швидкість поверхневої рекомбінації” лише тоді, коли товщина шару значно менша за довжину дифузії неосновних носіїв в ньому. Експериментальним критерієм цього випадку с однакова спектральна залежність малосигнальної поверхневої фотоерс та струму фотомагнітного ефекту. При більш товстих порушених шарах спектральні залежності фотоефектів значно ускладнюються, особливо в короткохвильовій області, і, що важливо, всі мають різний вигляд.

4. Проведено наближений теоретичний аналіз та чисельні розрахунки величини і знаку ФМЕ в напівпровідниках з довжинами дифузії більшими, близькими або значно меншими товщини ОПЗ. Зроблено висновок про неможливість існування аномального ФМЕ в останньому випадку.

5. При локальному фотозбудженні досліджено механізми формування нелінійної поверхневої фотоерс (значні інтенсивності освітлення) в напівпровідниках з інверсійними вигинами зон. Показано, що внаслідок існування значного приповерхневого бар’єру, який розводить рекомбіную-чі електронно — діркові пари, затухання сигналу фотоерс в неосвітлену область відбувається повільно: за логарифмічним законом, якщо розтікання генерованих пар вздовж поверхні контролюється дрейфом, і за лінійним — при перевазі дифузії. Виходячи з отриманих співвідношень, сформульовано умови застосування скануючої методики визначення неоднорідності параметрів по площі напівпровідникового зразка.

6. Проведено аналіз процесу збирання струму в сонячних елементах інверсійного типу з контактною сіткою, виходячи з двовимірного рівняння неперервності, що з погляду теорії є найбільш послідовним підходом. Запропонований метод дозволив записати в аналітичному вигляді прості критерії оцінки ефективності збирання, а також — більш точко проаналізувати вольт — амперну характеристику сонячного елемента.

7. Теоретично досліджено фотоерс сонячних елементів та фотоелементів з неомічним тиловим контактом в залежності від інтенсивності освітлення. Показано, що фотоерс зменшується при збіднюючих та інверсійних вигинах зон біля тилового контакту, а її залежність від інтенсивності освітлення стає немонотонною (криві з максимумом), що пояснює експериментальні залежності. Теоретичні дослідження виявили також цікавий факт незалежності фотоерс від Інтенсивності освітлення в широкому діапазоні зміни / » І015+1018 квант-см^-с-' при інверсійних вигинах зон на тиловому контакті.

Основні результати дисертації опубліковано в роботах:

1. Саченко А. В., Паничевская Т. В. Нелинейная поверхностная фото—эдс в структурах диэлектрик — полупроводник с инверсионными барьерами при локальном фотовозбуждении // УФЖ. -1991. - т. 36. - № 9. -С. 1384—1389.

2. Саченко А. В., Паничевская Т. В. О влиянии поверхностных состояний на кинетику фототока в поверхностно — барьерных структурах с туннельным диэлектриком // УФЖ. -1993. - т. 38. - № 8. - С. 1269—1273.

3. Саченко А. В., Зуев В. О., Панічевська Т. В. Моделювання фото-ефектів при наявності порушених приповерхневих шарів //УФЖ. -1993. -т. 40. - № 8. - С. 862—866.

4. Новомінський Б. А., Панічевська Т. В., Саченко А. В. Фотомагніт-ний ефект в напівпровідниках з малими довжинами дифузії II УФЖ. • 1995.-т. 40.-№ 10.-С. 1106—1108.

5. Саченко А. В., Шкребтий А. И-, Паничевская Т. В. Теоретическая модель солнечного элемента с контактной сеткой II Оптоэлгктр. и по-лупр. техн. -1991. - вып. 21. - С. 63—70.

6. Саченко А. В., Паничевская Т. В. Аномальные поверхностная фото—эдс и фотонапряжение в полупроводниках к в структурах проводник—диэлектрик—полупроводник II Препринт № 9—89. Институт полупроводников АН УССР. • Киев. -1989 г. - 20 с.

7. Гусев В. А., Паничевская Т. В., Саченко Л. В., Турчаников В. И. Релаксационные методы определения электрофизических параметров поверхностно — барьерных структур // Препринт № 9—91 г. Институт полупроводников АН УССР. -1991. - 30 с.

8. Саченко А. В., Шкребтий А. И., Паничевская Т. В. Теоретический анализ эффективности фотопреобразования в солнечных элементах инверсионного типа // Тезисы докладов 6—ой Республиканской конференции “Физические проблемы МДП — интегральной электроники”. - Севастополь. - июнь, 1990. - С. 156.

SUMMARY

Panichevskaya T.V. The formation and relaxation features for nonequilibrium photoelectric effects in the surface-barrier semiconductor structures.

The physics and mathematics candidate thesis on speciality 01.04.07 — Solid State Physics (typescript). Institute of Semiconductor Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1997.

Eight scientific papers are defended. They contain the results of theoretical investigations of the nonequilibrium photoelectric effects in the surface-barrier semiconductor structure*:. In the thesis: a) a model is proposed for formation of the surface photovoltage of anomalous sign under the impurity light absorption; b) the reasons are given for the fact that kinetics of photocurrent establishment in the tunnel insulator structures is independent of the surface states parameters at efficient photoconversion; c) an analysis is given for the spectral dependencies of photoconductivity, surface photovoltage and pho-tomagnetic effect in semiconductors with damaged near-surface layers; d) the criteria are formulated for the anomalous photomagnetic effect occurrence in semiconductors with small diffusion lengths; e) for semiconductors with inversion layers the mechanisms of the nonlinear surface photovoltage response formation under local photoexcitation are investigated; f) a novel consistent theory of the photocurrent collection is developed for solar cells with a collector grid.

АННОТАЦИЯ

Паничевская Т. В. Особенности формирования и релаксации неравновесных фотоэлектрических эффектов в поверхностно — барьерных полупроводниковых структурах.

Диссертация (рукопись) на соискание учёной степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.07 — физика твёрдого тела, Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 1997. Защищается 8 научных работ, которые содержат результаты исследований теоретическими методами неравновесных фотоэлектрических эффектов в поверхностно — барьерных полупроводниковых структурах. В диссертации а) предложена модель формирования поверхностной фотоэдс (фотонапряжения) аномального знака в условиях примесного поглощения света; б) обоснована независимость от параметров поверхностных состояний кинетики установления фототока в структурах с туннельным диэлектриком при эффективной работе фотопреобразователя; в) проанализированы спектральные зависимости фотопроводимости, поверхностной фотоэдс и фотомагнитного эффекта для полупроводников с нарушенными приповерхностными слоями; г) записаны критерии существования аномального фотомагнитного эффекта в полупроводниках с малыми длинами диффузии; д) исследованы механизмы формирования сигнала нелинейной поверхностной фотоэдс при локальном фотовозбуждении в полупроводниках с инверсионными барьерами; е) построена новая последовательная теория собирания фототока в солнечных элементах с контактной сеткой. .

Ключові слова: довжина дифузії, неосновні носії заряду, область просторового заряду, поверхневі стани, поверхнева фото’ерс, поверхнево— бар’єрна структура, порушені шари, сонячний елемент, тунельна рекомбінація, фотомагнітний ефект, швидкість поверхневої рекомбінації.