1.3.4 Электрические и оптоэлектронные характеристики

Изучение электронных свойств полупроводников включает определение удельного сопротивления подвижности носителей или концентрации носителей или постоянной Холла диффузионной длины неосновных носителей или времени жизни неосновных носителей или и температурных зависимостей этих параметров.

Методы измерения хорошо известны и описаны в литературе [63, 64]. Поэтому мы не будем обсуждать их подробно, а только отметим, что к широко применяемым методам относятся: 1) двухзондовый метод измерения удельного сопротивления; 2) четырехзондовый метод измерения удельного сопротивления с линейным расположением зондов; 3) метод измерения распределенного сопротивления для определения удельного сопротивления; 4) четырехзондовый метод измерения

удельного сопротивления при нелинейном расположении зондов;

5) метод Ван-дер-Пау, позволяющий определять удельное сопротивление, постоянную Холла и холловскую подвижность;

6) измерения эффекта Холла; 7) метод Хайнса — Шокли, применяемый для измерения подвижности носителей.

По характеру температурной зависимости подвижности можно установить механизм переноса носителей заряда. Используя температурную зависимость концентрации носителей, определяют энергетическое положение уровня Ферми и примесных уровней. Измерения освещенных образцов позволяют получить значения фотопроводимости и постоянной Холла, исходя из которых можно вычислить подвижность и концентрацию носителей при освещении.

Измерения фотопроводимости, включающие измерения временных характеристик или термостимулированной проводимости, могут оказаться полезными для определения параметров переноса носителей заряда в полупроводниковых пленках [65, 66]. Данные о ловушках получают на основе анализа зависимости фототока от интенсивности излучения и кривых релаксации фототока. Эффекты теплового или оптического гашения фотопроводимости дают информацию об энергии ионизации примесей. Для изучения ловушечных уровней используют также спектральные зависимости фототока.

Одно из наиболее важных приложений методов измерения фотопроводимости связано с определением времени жизни неосновных носителей по затуханию фотопроводимости. Генерация избыточных носителей заряда происходит при облучении образца светом с энергией фотонов, превышающей ширину запрещенной зоны. Проводимость образца прямо пропорциональна концентрации носителей, и изменение проводимости Да вследствие оптического возбуждения пропорционально количеству избыточных носителей, т. е.

Здесь время жизни носителей, С — постоянная величина. Для того чтобы определить выключают освещение и регистрируют процесс затухания проводимости. Пространственное распределение времени жизни носителей можно измерить с помощью лазерного луча, сканирующего поверхность образца [67].

Для определения диффузионной длины неосновных носителей проводят измерения поверхностной фото-э.д.с. [68—70]. Поверхностная фото-э.д.с. появляется при освещении независимо от наличия -перехода и может быть измерена с помощью метода, использующего емкостную связь. Поверхностная рекомбинация не влияет на измеряемое значение времени жизни. Интенсивность света выраженная через поверхностный потенциал, равна

Здесь -функция поверхностного потенциала — постоянная величина, а — коэффициент поглощения света, диффузионная длина неосновных носителей. При проведении измерений коэффициент поглощения а варьируют, изменяя длину волны света, а интенсивность света при каждой длине волны регулируют таким образом, чтобы сохранялось прежнее значение и величина оставалась постоянной. Полученную зависимость от экстраполируют к и определяют эффективное значение которое затем используют для вычисления

Зависимость напряжения холостого хода солнечного элемента от может иметь три характерные области, соответствующие условиям высокого, промежуточного и низкого уровней инжекции. Уравнения, описывающие затухание в этих трех областях, имеют вид [71, 72]

для высокого уровня инжекции,

для промежуточного уровня инжекции и

для низкого уровня инжекции. Здесь время жизни неосновных носителей, продолжительность процесса. Величина равна в момент прекращения оптического возбуждения. Данный анализ основан на предположении, что вклад сильно легированного слоя в пренебрежимо мал. Затухание можно также наблюдать при резком прерывании прямого тока, проходящего через солнечный элемент [71].

Все три указанных выше метода измерения диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей применимы, если значения диффузионной длины составляют не менее 10 мкм, а значения времени жизни — не менее 0,1 мкс. Однако в поликристаллических тонких пленках диффузионная длина неосновных носителей очень мала, и ее значения, как правило, не превышают 1 мкм. Поэтому обычными методами, которые были здесь рассмотрены, измерить диффузионную длину довольно трудно.

Рис. 1.13. Схема экспериментальной установки для измерения диффузионной длины неосновных носителей заряда по методу наведения тока электронным лучом и зависимость от расстояния до перехода в тонкопленочном солнечном элементе на основе Применение растрового электронного микроскопа с пучком электронов диаметром от 5 до 10 нм позволяет проводить измерения со значительно более высокой разрешающей способностью. Диффузионную длину можно теперь определить в условиях генерации неосновных носителей заряда электронами. На рис. 1.13, а показана схема экспериментальной установки для этого метода измерений, известного под названием «метод наведения тока электронным лучом». На боковой поверхности солнечного элемента создают скол, позволяющий определить положение перехода, после чего элемент устанавливают в растровом электронном микроскопе таким образом, чтобы плоскость перехода была расположена параллельно направлению распространения электронного луча. Сканирование осуществляется в направлении нормали к плоскости перехода. Если базовую область элемента считать полубесконечной, то зависимость между током I, наведенным электронным лучом, и расстоянием от оси пучка до плоскости перехода имеет вид [73]

Здесь значение в плоскости перехода диффузионная длина неосновных носителей в той области элемента, на которую направлен электронный луч. Диффузионная длина выражается через тангенс угла наклона зависимости от На рис. приведена зависимость от Оукс и др. [73] отмечают, что при использовании метбда наведения тока электронным лучом точные измерения диффузионной длины могут быть проведены при где длина пробега первичных электронов в материале. При наведенный ток не зависит от но в то же время сильно зависит от энергии электронов в пучке.

Рис. 1.14. Зависимости нормированного тока, наведенного электронным лучом, от средней глубины генерации носителей в слое солнечных элементов на основе подвергнутых обработке в различных условиях [74]. Сплошные линии — теоретические зависимости при различных значениях диффузионной длины электронов и нормированной скорости поверхностной рекомбинации 5 после получения пленки химическим методом (1), после термообработки на воздухе (2) и обработки в тлеющем разряде в атмосфере водорода с последующим старением (3).

Это означает, что при использовании электронов низких энергий ( точность измерений повышается, поскольку эффективная глубина генерации носителей (например, для определяется соотношением

где энергия электронов в пучке, выраженная в киловольтах, а величина представлена в микрометрах.

В методе возбуждения тока световым лучом — оптическом аналоге предыдущего метода — вместо электронного луча используют лазерное излучение и диффузионную длину неосновных носителей находят из зависимости ток короткого замыкания) от таким же способом, как и раньше [71]. Однако предел разрешения, обеспечиваемый методом возбуждения тока световым лучом, ограничен размером светового пятна (1 мкм). Кроме того, при измерениях этим методом влияние поверхностной рекомбинации на получаемые результаты становится более существенным. При учете поверхностной рекомбинации в случае возбуждения тока световым лучом

эффективную диффузионную длину можно рассчитать помощью соотношения [71]

Здесь толщина солнечного элемента от освещаемой до тыльной поверхности, а — коэффициент поглощения света, соответствующий длине волны лазерного излучения, скорость поверхностной рекомбинации.

При использовании метода наведения тока электронным лучом измерения могут быть также выполнены способом, обеспечивающим относительно меньшую точность в определении [73, 74]. В этом случае образец, к примеру солнечный элемент на основе устанавливают в таком положении, при котором электронный луч направлен перпендикулярно поверхности а объем, в котором генерируются носители, перемещается, пересекая плоскость перехода, вследствие изменения и соответственно эффективной глубины генерации Для того чтобы исключить эффекты, связанные с различием электронных токов и с увеличением скорости генерации неосновных носителей при повышении ускоряющего напряжения, измеренный ток I нормируют на электронный ток в пучке). При достаточно малых величинах когда генерация носителей происходит преимущественно в зависимость от эффективной глубины генерации позволяет определить значение Шоком [74] были построены зависимости нормированного тока от пробега первичных электронов в и путем сравнения полученных результатов с теоретическими зависимостями найдены значения как это показано на рис. 1.14.