Електричні та фотоелектричні процеси в сонячних елементах та детекторах оптичного випромінювання - Автореферат

Застосовуване для звязку на значні віддалі кварцове волокно характеризується найменшими оптичними втратами та швидкодією при передачі сигналу за допомогою світла з довжиною хвилі 1.55 мкм і дещо більшими втратами - з довжиною хвилі 1.3 мкм. В інтервал 1.1-1.5 ЕВ попадає ширина забороненої зони кремнію, однак коефіцієнт оптичного поглинання в напівпровіднику з непрямими міжзонними переходами, яким є Si, доволі повільно зростає з енергією фотона hv в області фундаментального поглинання (hv>Eg), що обмежує можливості тонкоплівкового сонячного елемента. Особливості фізичних процесів у діодних структурах на основі твердого розчину CDXHG1-XTE (x > 0.6) і можливості застосування цього матеріалу у фотодіодах на довжини хвиль 1.3 і 1.55 мкм, сонячних елементах і детекторах g-випромінювання на час виконання дисертаційної роботи вивчені дуже мало. Дисертаційна робота виконана в рамках планів науково-дослідних робіт "Механізми переносу заряду й детектування оптичного й іонізуючого випромінювання в барєрних структурах на основі широкозонних II-VI напівпровідників" (номер державної реєстрації 01034U001110) і “Фізичні процеси в гетероструктурних сонячних елементах на основі монокристалічного та тонкоплівкового CDTE” (номер державної реєстрації 0106U001454), які виконувались в Чернівецькому національному університеті в рамках Координаційних планів НДР Міністерства освіти і науки України у 2004-2006 рр. Роль дисертанта у виконанні вказаних тем полягала в дослідженні електричних, оптичних і фотоелектричних характеристик монокристалів CDXHG1-XTE та фізичних процесів в діодних структурах на їх основі. Мета роботи - зясувати фізичні процеси, що визначають електричні, оптичні та фотоелектричні властивості CDXHG1-XTE (x > 0.6) діодних структур і на основі отриманих результатів дослідити можливості їх застосування в фотодіодах на довжину хвилі 1.3 і 1.55 мкм, сонячних елементах і детекторах г-випромінювання.На вольтамперній характеристиці діодної структури спостерігається протяжна ділянка, на якій струм описується залежністю I~exp(QV/2KT) - 1, (I - струм, q - заряд електрона, k - постійна Больцмана, Т - температура, V - прикладена напруга), що характерне для рекомбінаційного механізму проходження прямого струму через діод. Застосування теорії Саа-Нойса-Шоклі [2] і результатів праці [3] дозволяє описати генераційно-рекомбінаційний струм у діоді, який визначається інтегруванням швидкості генерації-рекомбінації по всій області просторового заряду: де А - площа діода, W - ширина області просторового заряду, n(x,V) і p(x,V) - концентрації вільних носіїв у зоні провідності та валентній зоні, , , n1 і p1 - їх рівноважні значення за умови, що рівень Фермі співпадає з рівнем центру рекомбінації, ni - власна концентрація носіїв, tno і tpo - ефективні часи життя електронів і дірок в області просторового заряду, Dm - енергія рівня Фермі в об‘ємній частині діодної структури, j (x, V) - залежність потенціальної енергії в бар‘єрній області від координати і прикладеної напруги, Nv і Nc - ефективна густина станів у валентній та зоні провідності. Спектральний розподіл фотоелектричного квантового виходу досліджуваних діодів описуються виразом (2), який враховує дрейфову і дифузійну складову фотоструму та поверхневу рекомбінацію [4]: де Dp - коефіцієнт дифузії дірок, S - швидкість поверхневої рекомбінації, б - коефіцієнт оптичного поглинання, Ln - довжина дифузії електронів. У разі однорідного електричного поля ефективність збирання заряду описується рівнянням Гехта [5]: , де ln= mn·Fфn і lp= mp·Fфp - довжини дрейфу електронів і дірок, tn і mn та тр і мр - час життя і рухливість електронів і дірок, відповідно. У фотовольтаїчній структурі поверхнева рекомбінація залежить від спектрального складу випромінювання, посилюючись зі збільшенням коефіцієнта поглинання a та швидкості поверхневої рекомбінації S, вплив якої на квантовий фотоелектричний вихід в діоді Шотткі на основі напівпровідника р-типу провідності при великих a (AW >> 1) описує формула (2).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. - М.: Наука, 1977.

2. C. Sah, R. Noyce, W. Shockley. Carrier generation and recombination in p-n-junction and p-n-junctions characteristics // Proc. IRE. - 1957. -Vol. 45, №9. - P. 1228-1243.

3. Л.А. Косяченко, В.П. Махний, И.В. Потыкевич. Генерация-рекомбинация в области пространственного заряда контакта металл-CDTE // УФЖ. - 1978. - 23, №2. - C. 279-286.

4. Lavagna M., Pique J.P., Marfaing Y. Theoretical analysis of the quantum photoelectric yield in Schottky diodes // Solid State Electron. -1977. - 20. - P. 235-240.

5. K. Hecht. Zum Mechanismus des lichtelektrischen Primдrstromes in isolierenden Kristallen // Zeits. Phys. - 1932. - 77. - P. 235-243.

6. National Institute of standards and Technology, USA, 1997, Основні результати дисертаційної роботи викладені в таких публікаціях: 7. L.A. Kosyachenko, V.V. Kulchynsky, O.L. Maslyanchuk, S.Yu. Paranchych, V.M. Sklyarchuk. Studies of CDHGTE as a material for x- and g-ray detectors // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. -2003. - V. 6. - №2. - P. 227-232.

8. В. Кульчинський. Дослідження детекторів Х - і g - випромінювання на основі CDXHG1-XTE (х=0,05). // Збірник тез Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “Еврика 2004”. 19-21 травня. 2004. Львів, Україна. C. 71-72.

9. В.В. Кульчинський. Можливості застосування твердого розчину CDXHG1-XTE у детекторах X- і g-випромінювання. Тези доповідей. Том 2 Стендові доповіді. ІІ Українська наукова конференція з фізики напівпровідників (за участю зарубіжних науковців) УНКФН-2. 20-24 вересня. 2004. Чернівці-Вижниця, Україна. с.105.

10. В. Кульчинський, І. Герман. Фотодіоди для волоконно-оптчного звязку на основі Hg3In2Te6 i Hg0,4Cd0,6 Te // Збірник тез Міжнародної конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики „Еврика -2005” , 24-26 травня 2005 р., Львів, Україна, C.76-77.

11. L.A. Kosyachenko, V.V. Kulchinsky, V.M. Sklyarchuk,. Characterization of detectors based on wide-gap Hg1-XCDXTE(x>0.6) single crystals // XXXIV International school on the physics of semiconducting compounds, Ustron-Jaszowiec, Poland, june 4-10, 2005 p. 62.

12. Л.А. Косяченко, В.В. Кульчинский, С.Ю. Паранчич, В.М. Склярчук. Фотодиоды на основе Cd0.71Hg0.29Te и Cd0.64Hg0.36Te для длин волн 1.3 и 1.55 мкм // Тезисы докладов XIX Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 23-26 мая 2006 г, Москва, Россия, C.62.

13. V.V. Kulchynsky, L.A. Kosyachenko, S.Yu. Paranchych, V.M. Sklyarchuk, S.G. Guminetsky. Efficiency of Solar Cells Based on Cd0.8Hg0.2Te. // XXXV International School on the Physics of Semiconducting Compounds, 19-23 June 2006, Jaszowiec, Poland, p.139.

14. L.A. Kosyachenko, V.V. Kulchynsky, S.Yu. Paranchych, V.M. Sklyarchuk, S.G. Guminetsky. Limiting efficiency of solar cells based on CDXHG1-XTE (x=0.8) // Photoelectronics. Inter-Universities scientific articles. Odessa: Astroprint, (2006), 15, p.31-34.

15. В. Кульчинський. Можливості застосування твердого розчину телуриду ртуті-кадмію з широкою забороненою зоною в фотоелектроніці. // Науковий вісник Чернівецького університету. Випуск 303. Фізика. Електроніка. Чернівці. 2006. - C.90-93.

16. Л.А. Косяченко, В.В. Кульчинский, С.Ю. Паранчич, В.М. Склярчук. Электрические характеристики CDHGTE фотодиодов для длин волн 1.3 и 1.55 мкм. // Журнал технической физики, 2006, 76, 9, с.88-93.