1.2.2 Емкостные измерения

Для оценки качества -перехода и определения его параметров, влияющих на характеристики солнечных элементов, чаще всего используют зависимость емкости перехода от напряжения [11, 14—23]. Последовательное измерение вольт-фарадной характеристики по точкам может быть осуществлено применением емкостного моста при различных значениях внешнего напряжения смещения. Однако вольт-фарадные характеристики удобнее получать в виде кривых с помощью устройства, изображенного на рис. 1.4. Принцип действия автоматического измерителя вольт-фарадных характеристик состоит в следующем: создаваемый генератором синусоидальный сигнал с частотой 100 кГц (возможно использование другой частоты) и амплитудой около 10 мВ подают через смеситель совместно с пило образным напряжением на емкостную нагрузку (солнечный элемент). Преобразователь ток — напряжение (ПТН) усиливает ток, проходящий через емкостную нагрузку, и преобразует его в пропорциональный по величине сигнал напряжения. Это напряжение, складывающееся из двух составляющих — совпадающей по фазе с входным сигналом (которая пропорциональна активному сопротивлению нагрузки) и сдвинутой по фазе на 90°, которая пропорциональна емкостной части нагрузки,— подается в фазочувствительный детектор (ФЧД), где происходит разделение напряжения на составляющие. Выходные сигналы фазочувствительного детектора могут быть представлены в виде зависимостей емкости и проводимости от напряжения с помощью двухкоординатного графопостроителя или осциллографа. Индикаторный цифровой измеритель (ИЦИ) в зависимости от положения переключателя показывает значения либо емкости, либо проводимости. Такие автоматические измерители зависимостей емкости и проводимости от напряжения выпускаются промышленностью. Однако их рабочий диапазон ограничен значениями емкости 2...2000 пФ.

Рис. 1.4. Блок-схема автоматического измерителя вольт-фарадных характеристик.

Рис. 1.5. Эквивалентная схема импеданса солнечного элемента.

Авторами совместно с сотрудниками лаборатории был разработан автоматический измеритель вольт-фарадных характеристик, позволяющий проводить измерения емкости в диапазоне от 2 пФ до 200 нФ [24].

При выполнении измерений вольт-фарадных характеристик частота сигнала должна принимать значения, при которых влияние протекающего тока на осцилляции заряда в области перехода максимально. Для некоторых типов солнечных элементов, которые содержат глубокие энергетические уровни ловушек, например элементов на основе частоту сигнала следует, наоборот, выбирать таким образом, чтобы не происходило возбуждения этих ловушек. В процессе измерений к солнечному элементу может быть приложено обратное или прямое напряжение смещения. Однако в режиме прямого смещения приложенное напряжение не должно превышать примерно 200 мВ, в противном случае проводимость элемента значительно возрастает.

Дальнейшая обработка вольт-фарадных характеристик требует внесения в измеренные значения емкости поправки, связанной с влиянием проводимости. В соответствии с эквивалентной схемой солнечного элемента, представленной на рис. 1.5, измеренные значения емкости и проводимости можно выразить через действительные значения емкости С и проводимости с помощью соотношений [23]

Следует отметить, что при справедливо приближенное равенство Поскольку последовательное сопротивление элемента можно определить по углу наклона зависимости от

Значения могут быть рассчитаны по приведенным выше соотношениям с помощью Из построенных затем зависимостей от V можно найти диффузионный потенциал концентрацию донорной примеси толщину обедненного слоя и напряженность поля в области перехода — параметры, входящие в ряд уравнений, устанавливающих зависимость между Эти уравнения имеют простую форму только при однородном распределении пространственного заряда. Помимо этого случая возможны и другие профили распределения пространственного заряда [15, 21], которые показаны на рис. наряду с соответствующими теоретическими зависимостями от На рис. 1.6, а представлено однородное распределение заряда. Для распределения, приведенного на рис. и характерного для солнечных элементов на основе прошедших термообработку, выполняются следующие соотношения:

Здесь точка пересечения с осью напряжений экстраполированной зависимости от точка на оси напряжений, соответствующая диффузионному потенциалу, диэлектрическая проницаемость полупроводника, концентрация акцепторной примеси. Для наиболее общего случая, изображенного на рис. Пфистерером [15] получены следующие соотношения:

Таким образом, используя различные формы представления зависимости от V, можно найти значения или Определяя зависимость от расстояния до перехода, мы получаем профиль распределения концентрации примеси [12,22].

(см. скан)

Рис. 1.6. Возможные профили распределения пространственного заряда и соответствующие зависимости от

Измерив значение можно определить положение уровня Ферми. Напряженность поля в области перехода находится из уравнения [19]

Измерения емкости перехода при освещении и спектральной зависимости емкости дают очень важную информацию о влиянии глубоких уровней на характеристики перехода. Ротворф

и др. [19] провели исследование емкости освещенного перехода и изучили влияние спектрального состава излучения на поле в области перехода. Рассматривая совместные данные по емкости освещенного перехода и по спектральной чувствительности (коэффициенту собирания носителей), авторы этой работы определили скорость рекомбинации на границе раздела.

При интерпретации результатов измерений вольт-фарадных характеристик необходимо учитывать зависимость измеряемых значений емкости от формы перехода. Коэффициент увеличения площади перехода, определяемый отношением площади реального перехода к площади элемента, в некоторых случаях, например у тонкопленочных солнечных элементов на основе изготовляемых «мокрым» методом [15], может быть равен 5.. .6. Коэффициент увеличения площади перехода уменьшается при повышении обратного напряжения смещения вследствие сглаживания области объемного заряда. К аналогичному эффекту приводит и продолжительная термообработка [15, 20], в процессе которой увеличивается толщина компенсированного слоя При больших значениях коэффициента увеличения площади перехода угол наклона зависимости от V увеличивается, и после термообработки элементов данная зависимость смещается в сторону высоких значений величины в большей степени, чем в случае планарного перехода. Следовательно, значение концентрации легирующей примеси, найденное по результатам емкостных измерений, оказывается заниженным, а коэффициент диффузии меди — завышенным по сравнению с их действительными значениями. Измерения коэффициента диффузии по экспериментальным вольт-фарадным характеристикам солнечных элементов со структурой прошедших термообработку, были проведены Пфистерером [15], а также Холлом и Сингом [20]. Отклонение профиля распределения пространственного заряда от прямоугольного также приводит к изменению зависимости от , Пфистерер [15] подчеркивает, что определение концентрации легирующей примеси, исходя из зависимости от V, оказывается невозможным в двух случаях: при сложной форме перехода и непрямоугольном профиле распределения пространственного заряда.

Нойгрошел и др. [17] предложили метод определения диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей с использованием емкостных характеристик структур с -переходом, измеряемых при прямом напряжении смещения. Емкость квазинейтральной базовой области -структуры (аналогичные

выводы справедливы и для -структуры) при прямом напряжении смещения равна

Здесь -концентрация легирующей примеси в базовой области (определяемая по зависимости емкости от напряжения при обратном смещении), диффузионная длина неосновных носителей в базе -типа проводимости, А — площадь перехода. Если величина найдена экспериментально, то из уравнения (1.10) можно определить а из соотношения время жизни носителей при условии, что известна величина Однако в измеряемое значение емкости С помимо входит ряд других составляющих:

где символ 5 соответствует поверхностной области, области объемного заряда перехода, квазинейтральной области легированного слоя, I — ионизированным примесям в области пространственного заряда перехода. В приборах с низкими значениями плотности поверхностных состояний и заряда в поверхностном окисном слое величиной можно пренебречь; величины и пропорциональны .

Для того чтобы выделить значение измерения вольт-фарадных характеристик проводят как на относительно высоких, так и низких частотах. Сигнал низкой частоты воздействует на подвижные носители во всех областях элемента, в то время как сигнал более высокой частоты не оказывает влияния на неосновные носители базовой области, вследствие чего вклад в полную емкость прибора пренебрежимо мал. Подвижные же носители, связанные с реагируя на высокочастотный сигнал, дают вклад в измеряемую емкость. Таким образом, емкость, характерная для квазинейтральных областей, равна разности значений емкости, измеренных на низкой и высокой частоте. Эта величина оказывается равной при условии, что время жизни носителей в легированном слое значительно меньше и что для частоты сигнала выполняется соотношение Вычислив величину с помощью уравнения (1.10), можно определить величину Требование, ограничивающее применимость рассмотренного метода, состоит в том, что емкость нейтральной базовой области должна составлять значительную долю измеряемой общей емкости прибора, поэтому данный метод не может использоваться для исследования приборов с малой диффузионной длиной носителей заряда.