Глава 2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЕ ПЕРЕХОДЫ

2.1. ВВЕДЕНИЕ

В предыдущей главе были получены соотношения для расчета фототока в различных [Моделях солнечных элементов. При вычислении КПД преобразования солнечной энергии возникает еще один важный вопрос — определение вольт-амперной характеристики выпрямляющего перехода, с помощью которой находится рабочее напряжение элемента.

В данной главе рассмотрены основные типы систем с гомогенным переходом (образующимся между областями -типов проводимости одного и того же полупроводникового материала), гетерогенным переходом и гетероструктурой (у которых переход расположен на границе раздела двух различных полупроводниковых материалов) и приборы на основе переходов других типов, а именно: со структурой металл-полупроводник (барьер Шоттки), а также металл-диэлектрик—полупроводник (МДП) и полупроводник—диэлектрик—полупроводник (ПДП), в состав которых входит промежуточный слой диэлектрика. Эта глава не является исчерпывающим курсом по теории приборов с электронно-дырочным переходом. В ней изложено, скорее, введение в такой курс и представлен обзор по основным вопросам, связанным с принципом действия солнечных элементов.

Здесь представлен общий обзор механизмов протекания тока в приборах с электронно-дырочным переходом. Подробно рассмотрен процесс переноса зарядов только электронами, поскольку для дырок может быть выполнен аналогичный анализ. Если к переходу приложено прямое напряжение смещения (рис. 2.1), то электроны из -области (по отношению к которой они являются основными носителями) инжектируются через

Рис. 2.1. Энергетическая зонная диаграмма гомогенного перехода Шокли при прямом напряжении смещения V и отсутствии освещения

обедненный слой в квазинейтральную область проводимости -типа. Здесь электроны (уже как неосновные носители) рекомбинируют с дырками. В то же время из внешней цепи через омический контакт в область поступает поток дырок, в результате чего электрическая цепь оказывается замкнутой. Ток, проходящий через элемент, в общем виде может быть представлен как

где q — заряд электрона, взятый с положительным знаком; — скорость рекомбинации носителей, а пределы интегрирования представляют собой координаты внешних поверхностей прибора. Для нахождения необходимо знать зависимость концентрации носителей от и напряжения смещения V.

В диоде Шокли с гомогенным переходом протекание тока обусловлено поступлением неосновных носителей заряда в квазинейтральную область за счет диффузии, и их последующей рекомбинацией и влиянием обедненного слоя на процесс переноса носителей можно пренебречь. Полагают, что обедненный слой совершенно «прозрачен» для инжектируемых электронов, причем при их электроны находятся в состоянии теплового равновесия с носителями заряда в каждой из энергетических зон. Вывод соотношения для электронного тока на границе обедненного слоя требует решения уравнения переноса (1.16) для квазинейтральной области -типа при соответствующих граничных условиях. Поскольку этот ток должен быть равен полному току электронов, инжектируемых в квазинейтральную область -типа, то интеграл в уравнении (2.1), таким образом, уже найден. Аналогичные приемы применяются и при рассмотрении инжекции дырок в квазинейтральную область -типа. Бели значения толщины квазинейтральных областей не во много раз больше диффузионной длины неосновных носителей заряда, то при нахождении полного рекомбинационного тока необходимо учитывать рекомбинацию на внешних поверхностях прибора ), например

посредством выбора соответствующих граничных условий при решении уравнений переноса для квазинейтральных областей.

Когда рекомбинация носителей заряда в обедненном слое оказывает существенное влияние на ток в области перехода, то допущение, обычно используемое при определении зависимости от напряжения смещения, заключается в том, что диффузионной составляющей тока в обедненном слое пренебрегают. В этом случае в любой точке такого слоя является функцией лишь концентрации носителей и их времени жизни. Интегрирование уравнения (2.1) по всей толщине обедненного слоя позволяет определить соответствующую этому слою составляющую рекомбинационного тока диода. Для нахождения полного тока, протекающего через элемент, эту составляющую необходимо суммировать с токами в квазинейтральных областях.

В гетеропереходах почти всегда наблюдается значительный рекомбинационный ток через энергетические состояния, расположенные на границе раздела двух полупроводников. Его также необходимо учитывать при интегрировании (2.1), например, путем введения эффективной скорости рекомбинации на поверхности раздела. В некоторых случаях (при очень малой толщине обедненного слоя) часть носителей заряда принимает участие в совместном процессе туннелирования и рекомбинации, который может оказаться даже преобладающим в области границы раздела. Существование туннельного тока сказывается на форме вольт-амперной характеристики диода и, в частности, обусловливает специфические особенности поведения характеристики при вариациях температуры.