Оценка основных параметров диодных p-i-n фотоструктур

поликристаллические полупроводники. М.: Наука, 1987. 484 с. 3. ШурМ. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х кн. М.: Мир, 1992. 4. Блад П, Ортон Дж. В. Методы измерения электрических параметров полупроводников // Зарубежная электроника. 1991. Вып. 2. С. 3-49. 5. Kunst M, Muller G, Schmidt R. Surface and Volume Processes in Semiconductor Studied by Contactless Transient Photoconductivity Measurements // J. Appl. Phys. A. 1988. Vol. 46. P. 77-85. 6. Использование емкостной связи для бесконтактного контроля электрофизических параметров полупроводниковых пластин большого диаметра / Е.С. Горнев, Л. Н. Кравченко, М.П. Поджилков, В.Н. Подшивалов, Г.К. Чиркин // Микроэлектроника. 1999. Т. 28, №1. С. 68 -73. 7. Рау Э.И., Шичу Чжу. Бесконтактный электронно-зондо-вый метод измерения диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей в полупроводниках // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 35. Вып. 6. С. 749-753. 8. Бородин Б.Г., Гордиенко Ю.Е., Рябухин А.А. Фотомодуляционная диагностика полупроводниковых структур // Радиотехника. 1999. Вып. 111. С.7-13. 9. Gordienko E, Borodin B.G., Smuglii V.I. Microwave Photomodulation Method for the Study of Recombination Processes in Semiconductors // Telecommunication and Radio Engineering. 1998. Vol. 52, N 2. Р. 47 - 52.

Поступила в редколлегию 02.11.2002 УДК 621.362:621.383

ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДИОДНЫХ P-I-N ФОТОСТРУКТУР

СЛИПЧЕНКО Н.И., ПИСЬМЕНЕЦКИЙВ.А., СУПРУН Ж.М.

Рассматриваются основные свойства и параметры p-i-n фотодиодов. Исследуется влияние температуры и освещенности на фотоэлектрические характеристики кремниевых солнечных элементов. Приведенные результаты экспериментальных исследований подтверждают корректность предложенных математических моделей.

К числу основных фотодиодных конструкций, перспективных для использования в оптоэлектронных приборах, следует отнести кремниевую p-i-n структуру, которая все активнее вытесняет приборы с p-n переходом. В последнее время из-за резкого расширения производства средств связи и, в частности, носимых переговорных устройств специального назначения постоянно увеличивается спрос на p-i-n диоды. По данным одного из ведущих зарубежных производителей, годовой прирост потребности в p-i-n диодах в последние 5 лет достигает 17-33%, а по отдельным типономиналам—до 50%. Подобная тенденция наблюдается и в нашей стране, причем характерно, что p-i-n диоды находят все большее применение не только в специальной аппаратуре, но и в коммерческой.

Широкое распространение p-i-n диоды получили в ВЧ и СВЧ электронике для управления уровнем и фазой СВЧ сигналов. Их можно использовать в качестве СВЧ переключателей с практически постоянной барьерной емкостью и высокой нагрузочной способностью. Р-i-n диоды применяют также для защиты радиотехнической аппаратуры от случайных СВЧ импульсов, для стабилизации СВЧ РИ, 2002, № 4

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Айзацкий Н.И.

Гордиенко Юрий Емельянович, д-р физ.-мат. наук, професор, зав. кафедрой микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника, неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: Украина, 61166,Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 40-93-62, 32-12-76.

Бородин Борис Григорьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: контроль параметров полупроводниковых материалов. Адрес: Украина, 61166,Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 4093-62,32-12-76.

Бабыченко Сергей Васильевич, стажер-исследователь кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника, неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 40-93-62, 32-12-76.

Абу Анзех Ияд, аспирант кафедры микроэлектроники, электронных приборов и устройств ХНУРЭ. Научные интересы: микроэлектроника, неразрушающий контроль материалов и изделий. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел.: (0572) 40-93-62, 32-12-76.

мощности. Применение коммутаторов на p-i-n диодах значительно сокращает время на переключение с приема на передачу, что особенно важно при работе с цифровыми видами связи. Благодаря высокому сопротивлению p-i-n диодов в закрытом состоянии и весьма низкому — в открытом, стало возможным их применение в качестве элементов затухания и переключения. При выборе излучателей и фотоприемников принимаются во внимание не только обеспечиваемые ими в линиях дальнодействие и быстродействие, но и долговечность, простота применения, стоимость. P-i-n диоды широко применяют как источники энергии. Кроме того, их можно использовать в качестве управляемого аттенюатора, сопротивление которого почти линейно зависит от прямого тока, а также в модуляторах, ограничителях, фазовращателях.

Анализ работ по p-i-n фотодиодам позволяет сформулировать следующие их основные достоинства:

— сочетание высокой чувствительности (на длине волны X» 0.90 мкм практически достигнут теоретический предел So ~ 0.7 А/Вт) и высокого быстродействия;

— малая барьерная емкость;

— линейность характеристик в широком диапазоне изменения мощности облучения;

— высокая эффективность при малых обратных напряжениях (в частности в вентильном режиме);

— малые значения паразитных параметров (токи утечки, емкости);

— высокая температурная стабильность характеристик и хорошие эксплутационные свойства;

— высокое дифференциальное сопротивление p-i-n фотодиодов открывает возможности для создания высококачественных усилителей.

39

Целью настоящей работы является анализ и исследование основных параметров p-i-n фотоструктур: выходная мощность, фототок, эксплутационные параметры: напряжение холостого хода Ux.x., ток короткого замыкания 1кз, КПД для максимальной мощности, коэффициент заполнения ВАХ.

Величина Uxx может быть выражена через фототок 1ф, ток насыщения I0 и параметр a [5]:

U

x.x.

akT ln +1 kT « — ln ( I^ ^ IФ

e 110 V e 110 J

где a — параметр, который определяется природой тока через p-i-n переход и может быть равным 1-3.

Следовательно, при заданном токе 1ф напряжение холостого хода логарифмически возрастает при уменьшении тока насыщения I0. Значение фототока короткого замыкания определяется соотношением [5]:

I

к.з.

1+

SW R П

Rp-i-n

здесь S — интегральная чувствительность фотодиода; W — мощность потока лучистой энергии; Rn — последовательное сопротивление; Rp-i-n — сопротивление p-i-n перехода.

Выходная мощность равна [3]:

f

P = IU = I ф U

Л

- 1ф и.

Условие максимума мощности получим, положив dP/dU=0. Тогда максимальная выходная мощность определяется выражением:

Pm = ImUm * Іф

1|n(l + Um^)--J

- Iф| — - 4

,

где p = e / kT, Em = e Uxx ширина запрещенной зоны.

1

P

ln

1

P

Зависимость максимальной мощности от изменения фототока при максимальном напряжении U =26В показана на рис. 1

m ґ

Рис. 1. Зависимость максимальной мощности Pm от изменения фототока 1ф при максимальном напряжении Um: 1 - при 200С; 2 - 500С; 3 - 800С

Зависимость максимальной мощности от изменения максимального напряжения при фототоке 1ф = 0-13А представлена на рис. 2.

изменения максимального напряжения Um при Ц: 1 - при 200С; 2 - 500С; 3 - 800С

Эффективность преобразования (КПД) р элемента определяется выражением:

Pm _ AUxxIф

P P

ги ги

где Ри - внешняя мощность (мощность падающего излучения); А - коэффициент заполнения ВАХ фотодиодов, или отношение максимальной мощности фотодиода к произведению Uxx. 1кз..

Коэффициент А заполнения ВАХ отражает степень приближения ВАХ к прямоугольной [3] и равен:

A _ ImUm ^Uxx

При соответствующем подборе нагрузочного сопротивления вырабатываемая энергия может достигать 80% произведения U^I^ .

Как следует из соотношения (5), для получения максимального КПД необходимо добиться максимальных значений всех трех сомножителей в правой части равенства.

Для преобразователей солнечной энергии в электрическую высокий КПД определяется крутизной прямой ветви ВАХ.

Будем полагать, что фотоэлемент имеет идеальную ВАХ [3]:

I = I0

exP

eU

kT

-1

-IФ,

где I - ток через внешнюю нагрузку. Ток насыщения диода определяется так:

I0 = J0 •S = eNcNv х

X

NaTI тn Nd ^ 1 p J

exP

-Eg

kT

здесь j0 - плотность обратного тока насыщения; S - площадь фотодиода; Nc - эффективная плот-

40

РИ, 2002, № 4

ность состояния в зоне проводимости; Nv — эффективная плотность состояния в валентной зоне; NA — концентрация акцепторов; Dn, Dp — коэффициенты диффузии; т n , х p — время жизни носителей.

В соответствии с соотношением (7) для идеальной ВАХ получим зависимость [3], представленную на рис.3.

I f

Ikz=If

Im

Прямоугольник

Um Uxx

U

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика освещенного солнечного элемента

С помощью зависимости I = f(U) на рис. 3 можно определить величины Im и Um — значения тока и напряжения, при которых реализуется максимальная выходная мощность Pm, численно равная площади наибольшего прямоугольника, который вписывается в вольт-амперную характеристику. Чем ближе форма ВАХ к прямоугольной, тем больше КПД. Как следует из соотношения (1), напряжение холостого хода линейно уменьшается с повышением температуры, в то время как ток короткого замыкания линейно возрастает. Изменение напряжения холостого хода может быть объяснено быстрым увеличением тока насыщения при повышении температуры. Однако ток короткого замыкания с нарастанием температуры увеличивается медленнее, чем падает напряжение холостого хода, и это приводит к тому, что отдаваемая мощность имеет отрицательную температурную зависимость.

Для реальных ФЭ следует учитывать последовательное сопротивление Rn, обусловленное омическим падением напряжения на лицевом контакте, и шунтирующее параллельное сопротивление R0, обусловленное токами утечки.

Учет этих сопротивлений приводит к развернутому выражению для ВАХ:

I = І0

exp

e

kT

U - IR п

R Ш

•

Из приведенной формулы следует, что шунтирующее сопротивление сравнительно мало влияет на форму ВАХ. В то же время небольшие изменения последовательного сопротивления (например от 1 до 5 Ом) приводят к резкому ухудшению формы ВАХ и значительному снижению выходной мощности [2].

Для фотодиодов важно знание обратной ветви ВАХ. Величина обратного темнового тока определяет порог чувствительности фотодиода. Чем она меньше , тем выше порог чувствительности и тем эффективнее фотодиод, особенно при низких освещенностях.

При разработке конструктивно - технологических решений ФП необходимо оптимизировать геометрические размеры фронтальной контактной токосъемной сетки. При этом следует учитывать как электрические характеристики по контактному сопротивлению, так и механическую прочность контакта. Качество и форма контактов влияют на ВАХ фотопреобразователя. Известно [1, 4], что омические потери на последовательном сопротивлении устройства значительно снижают выходную мощность и КПД преобразователя. Последовательное сопротивление ФП складывается из сопротивления тыльного контакта RT и сопротивления фронтального слоя (сопротивление растекания RP) [1,4]. Если тыльное сопротивление ФП можно сделать очень малым (легирование тыльного контакта, применение материалов с высокой электропроводностью), то снизить сопротивление растекания возможно лишь путем уменьшения длины ФП. Однако при этом сокращается и полезная (не закрытая контактом) поверхность.

На рис. 4 приведена конструкция контактной сетки фронтальной поверхности ФП, с помощью которой можно оптимизировать условия преобразования для получения максимально высокого КПД [6].

Рис. 4. Токосъемная контактная сетка

Сопротивление растекания контактной сетки фронтальной поверхности можно определить, рассматривая его как параллельное сопротивление П-образных контактов [4]:

Rp = 1.26..Е.

к2 xi

l1l2

4l2 +l2 411 +12

где ю — количество П — образных контактов; р — удельное сопротивление контактного слоя; xt — глубина залегания p-i-n перехода; Д — расстояние между центрами полос; 12 — длина токосъемной полосы.

Увеличивая число токосъемных полос и делая контактную сетку более густой, можно уменьшить последовательное сопротивление, однако при этом уменьшается полезная поверхность ФП. При разработке конструкции ФП важно получить максимальную мощность с единицы поверхности в соответствии с выражением:

РИ, 2002, № 4

41

P -

гуд _

ImUm

S

Напряжение Um определяется по формуле:

TT kT,

Um = —ln e

jK3 (S - SK)-1 joS

+1

- Rp!>

где SK — площадь токосъемных контактов. Если ввести обозначение

I I I

Iф jK3

= m,

то с учетом предыдущего выражения формулу для удельной мощности можно записать так:

Руд _ jK3m

f

kT,

e

jK3 i1 mX1 SK/S)

jo

Rpmjкз (1 - Sk/S)] .

+ 1 J

Далее определим, при каких размерах контактной сетки и каком значении m удельная мощность принимает максимальное значение, считая, что ширина контактных полос g на поверхности ФП задана и является малой с учетом базовой технологии. Дифференцируя (14) по m и приравнивая производную нулю, получаем уравнение, определяющее оптимальное значение m. Если пренебречь в этом уравнении величиной Sk/S по сравнению с единицей и падением напряжения на фронтальном слое по сравнению с напряжением ФП, получим соотношение вида:

евых ФП с p-i-n структурой при однократной освещенности составляет 18%. В кремниевых ФП, предназначенных для концентрированного солнечного освещения, достигнут КПД = 20% [1]. Коэффициент заполнения ВАХ А = 0,66-0,68. Последовательное сопротивление Rn = 0,1-0,21 Ом, шунтирующее сопротивление R0=18-27 Ом. Коэффициент идеальности диода = 1,2-1,11. Плотность тока короткого замыкания 1КЗ=39-41мА/см2. Диодный ток насыщения I0= 1,710"9-4,3*10-11 A.

Рис. 5. Нагрузочные световые ВАХ ФП

Сравнительная оценка экспериментальных и расчетных значений параметров ФП подтверждает справедливость предложенных математических моделей.

f(m) = - ln(1 - m) = ln jRP.

1 - m j0 Для экспериментальной проверки основных соотношений в работе методом нагрузочных световых ВАХ при Т=20 оС исследовались диодные параметры изготовленных на основе монокристаллического кремния марки КДБ-10 тестовых структур единичных фотопреобразователей: ток насыщения I0, коэффициент идеальности диода, последовательное сопротивление Rn и эксплутационные параметры — ток короткого замыкания 1Кз, напряжение холостого хода Uxx, коэффициент заполнения ВАХ, максимальная выходная мощность, КПД. Экспериментально полученные световые ВАХ ФП размером 24х 15 мм с расстоянием между соседними параллельными полосчатыми элементами токосъемного контакта L приведены на рис.5.

Аналитическая обработка нагрузочных световых ВАХ по ранее описанной методике позволила определить 1Ф, Uxx, Pm, A, rj. Значения этих параметров составили: напряжение U = 84 мВ, максимальное напряжение Um=26 В, напряжение холостого хода Uxx=0,59—0,62В, величина фототока 1Ф=0,12—0,15 А. С помощью соотношений (1), (3)-(6), (9) рассчитаны параметры исследуемых образцов, значения которых составили: фототок 1Ф=0,13 А, максимальная мощность Pm = 51,95 мВт, внешняя мощность P=282,3 мВт, напряжение холостого хода Uxx=0,6 В. Реальный КПД у кремни -

Литература: 1. Фаренбух А., Бъюб Р. Солнечные элементы: Теория и эксперимент: Пер. с англ. / Под ред. М.М. Колтуна. М.: Энергоатомиздат, 1987. 280с.2. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987. 192 с. 3. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн.2.: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 456с. 4. Василъев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио, 1971. 248с. 5. Бузанова Л.К., Глиберман А.Я. Полупроводниковые фотоприемники. М.: Энергия, 1976. 63 с. 6. Антонова В.А., Борщев В.Н, Золотарев В.А, Листратенко А.М, Слипченко Н.И. Оптимизация кремниевых солнечных элементов на основе n+-p-p+ структур // Радиотехника. 2001. Вып. 120. С. 155-161.

Поступила в редколлегию 30.11.2002

Рецензент: д-р. физ.-мат. наук, проф. Чурюмов Г.И.

Слипченко Николай Иванович, канд. техн. наук, профессор, проректор по научной работе ХНУРЭ. Научные интересы: радиофизика и электроника. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр.Ленина,14, тел. (0572) 4090-20.

Письменецкий Виктор Александрович, канд. техн. наук, профессор ХНУРЭ. Научные интересы: разработка устройств обработки сигнала. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр.Ленина,14, тел. 40-93-43.

Супрун Жанна Михайловна, аспирантка ХНУРЭ. Научные интересы: анализ диодных структур и их характеристики. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр.Лени-на, 14, тел. 40-94-13.

42

РИ, 2002, № 4