Солнечные элементы

Колтун Марк Михайлович

Если энергия фотонов падающего излучения настолько мала, что они не могут перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, то под воздействием излучения электроны могут совершать переходы внутри разрешенных зон, Это отразится на спектре поглощения в длинноволновой области непосредственно за краем основной полосы поглощения полупроводника. Данный вид поглощения, получивший название поглощения свободными носителями, проявляется тем сильнее, чем выше концентрация ионизированных примесей и, следовательно, свободных носителей заряда в полупроводниках, а также чем больше количество свободных носителей, инжектированных в полупроводник под действием света или электрического тока.

Изучение спектров поглощения длинноволнового излучения в полупроводниках привело,

как уже указывалось, к обнаружению еще нескольких видов поглощения: на колебаниях решетки; примесного; экситонного, связанного с возбуждением пары электрон — дырка, однако не влияющего на концентрацию свободных носителей заряда, в силу того что по кристаллу в этом случае движется возбужденное состояние, а не отдельно электрон и дырка.

Спектры поглощения дают обширную и полезную информацию о структурных особенностях кристалла, о степени его легирования, позволяют определить энергию активации примесей и, следовательно, положение занимаемых ими в запрещенной зоне энергетических уровней. C помощью спектров поглощения удается исследовать даже столь тонкий эффект, как присутствие в кремнии растворенного кислорода (благодаря характерной для него полосе поглощения при 9 мкм), и определить концентрацию кислорода в кремнии.

Коэффициент отражения полупроводников в области основной полосы поглощения практически не зависит от степени легирования примесями, ионизирующимися при комнатной температуре, однако в длинноволновой области спектра наблюдается резкий рост коэффициента отражения с увеличением количества таких примесей и, следовательно, концентрации свободных носителей в полупроводнике, что позволяет получить из результатов оптических измерений дополнительную информацию об электрофизических характеристиках полупроводника.

Спектральные зависимости коэффициента отражения кремния, легированного сурьмой, мышьяком и фосфором, с концентрацией свободных носителей заряда (электронов) от 7,4x10¹⁸ до 1,67x10²° см^{– 3}, и арсенида галлия, легированного цинком, с концентрацией свободных носителей заряда (дырок) от 1,7x10¹⁹ до 1,5x10²⁰ cм^{– 1}, представлены на рис. 2.2, где хорошо видны положение минимума на спектральных кривых отражения от поверхности кремния и арсенида галлия и зависимость длины волны минимального отражения от концентрации свободных носителей.

Рис. 2.2. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремния, легированного фосфором (а), и арсенида галлия, легированного цинком (б), при различной концентрации свободных носителей заряда — электронов (а) и дырок (б)

1–1,67 x 10²⁰ см^{– 3};

2–1,02 x 10²⁰;

3–4,38 x 10¹⁹;

4–2,05 x 10¹⁹;

5–1,27 x 10¹⁹;

6–7,4 x 10¹⁸;

7–1,5 x 10²⁰;

8–3,2 x 10¹⁹;

9–1,7 x 10¹⁹ см^{– 3}

Рис. 2.3.

Зависимости концентрации свободных носителей заряда от длины волны плазменного минимума спектрального отражения

1 — для p-Si; 2 — для n-Si; точки — эксперимент

Поглощение света свободными носителями увеличивается с ростом длины волны, а повышение k приводит к возрастанию коэффициента отражения. Таким образом, спектральная зависимость коэффициента отражения легированных полупроводников должна проходить через минимум, что и наблюдается в эксперименте (см, рис. 2.2). Поляризуемость ?_c полупроводникового вещества пропорциональна произведению N?². G увеличением концентрации свободных носителей N то же значение поляризуемости (в частности, |?_c|, при котором n?1) может достигаться при меньших ?. Именно поэтому при повышении концентрации носителей спектральное положение r_min сдвигается в коротковолновую область, причем значение r_min при этом уменьшается, поскольку падает k.

Эта особенность спектров отражения легированных полупроводников в инфракрасной области может быть положена в основу простого оптического метода определения концентрации носителей N из спектров отражения. Экспериментальные зависимости спектрального положения длины волны минимума отражения для электронного сильнолегированного кремния n– типа (?_n– s1) и дырочного p-типа (?_p– s1) от концентрации носителей представлена на рис. 2.3. При этом концентрация носителей в эталонных образцах определялась по измерению слоевого сопротивления четырехзондовым методом с использованием известных эталонных кривых, связывающих удельное сопротивление р- и n– кремния с концентрацией свободных носителей. Недостатком данного метода является сравнительно невысокая точность установления спектрального положения длины волны минимума отражения для слаболегированных полупроводников.

Более сложные и точные методики определения концентрации, подвижности и эффективной массы свободных носителей заряда по коэффициентам отражения легированных полупроводников в инфракрасной области спектра детально описаны в ряде работ. В некоторых из них измеренные зависимости отражения сравниваются с эталонными кривыми в весьма широком спектральном диапазоне — от 1 до 50 мкм. Исследование инфракрасных спектров отражения от поверхности полупроводников дает возможность получить информацию не только об электрофизических свойствах кристаллов, но и о состоянии их поверхности, качестве химической и механической обработки, когда глубина нарушений поверхности составляет от 1 до 50 мкм и соизмерима с длиной волны инфракрасного излучения, используемого для измерений. Это удается сделать несмотря на то, что из-за трудностей регистрации суммарного отражения и его диффузной составляющей в инфракрасной области измеряется, как правило, лишь зеркальная составляющая коэффициента отражения и ее температурная зависимость.

Оптические исследования тонких легированных слоев кремния и других полупроводников было бы значительно легче и точнее выполнять с помощью излучения, которое сильно поглощается материалом полупроводника. Таким, например, является ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,2–0,4 мкм, почти полностью поглощаемое слоями кремния толщиной всего 0,05—0,1 мкм. Однако изменение концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике в очень широких пределах практически не влияет на его оптические свойства в коротковолновой области спектра.