РОЗДІЛ 2
МЕХАНІЗМИ ФОРМУВАННЯ РЕКОМБІНАЦІЙНИХ СТРУМІВ В ПРЯМО ЗМІЩЕНИХ КРЕМНІЄВИХ
Р-N-ПЕРЕХОДАХ І СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТАХ
Вступ
В цьому розділі мова йтиме про механізми струмопроходження в кремнієвих
бар'єрних структурах, зміщених в прямому напрямку, в області температур від
кімнатної до температури рідкого азоту. Звичайно при описі темнових ВАХ
кремнієвих діодів використовують уявлення про те, що повний струм складається з
двох доданків - рекомбінаційного і дифузійного струмів, з коефіціентами
неідеальності 2 і 1 відповідно (при реалізації низького рівня збудження).
Слідує відзначити, що в p-i-n cтруктурах з короткою базою при реалізації
великого рівня ін’єкції коефіціенти неідеальності ВАХ для рекомбінаційного і
дифузійного механізмів проходження струму відповідно дорівнюють 4 і 2. Це
означає, зокрема, що ідеальний діод Шоклі, виготовлений на основі p-i-n
структури, може мати коефіціент неідеальності, рівний 2.
Окрім названих механізмів проходження струму особливий інтерес викликає
тунельний механізм струмопроходження, зв'язаний з тунелюванням носіїв заряду
через область просторового заряду (ОПЗ). В першу чергу, він реалізується в
тунельних діодах, а в діодах з достатньо слабко легованою базою - в області
зворотних зміщень. При прямих зміщеннях надлишково-тунельний струм звичайно
зв'язують з дуже великою концентрацією глибоких рівнів в ОПЗ і
багатоступінчастим тунелюванням з участю означених рівнів. Однак, як показують
оцінки, при випадковому розташуванні дефектів, що створюють глибокі рівні в
ОПЗ, надлишково-тунельний струм при достатньо великих прямих зміщеннях може
спостерігатися тільки при концентрації дефектів порядку 1021 см-3. Більш
імовірно, що надлишково-тунельний струм пов'язаний з тунелюванням через
дислокації, які пронизують ОПЗ бар'єрної структури. В роботі [45] запропонована
і експериментально підтверджена модель дислокаційного тунельного шунтування, що
дозволяє описати струмопроходження в діодах на основі GaP. Її суть полягає в
тому, що густина надлишково-тунельного струму при прямому зміщенні дорівнює =,
де густина струму насичення слабко залежить від температури і пропорційна
концентрації дислокацій, а - характеристична енергія, що не залежить від
температури (q - заряд електрона, V - прикладена до діоду напруга).
В даній роботі показано, що використання запропонованої в роботі [45] моделі
надлишково-тунельного струму через дислокації дозволяє пояснити ВАХ кремнієвих
діодів зі сплавним p-n-переходом, що експериментально спостерігаються. Більш
того, показано, що при достатньо низьких температурах, зокрема, при температурі
рідкого азоту саме надлишково-тунельний струм через дислокації вносить
визначальний вклад в повний струм якісних кремнієвих діодів з низькою
концентрацією дислокацій в області порівняно невеликих прямих зміщень.
Проведена теоретична класифікація механізмів струмопроходження в кремнієвих
діодах з довгою і короткою базою і дані критерії застосованості наведених
співвідношень. Показано, що ефективний коефіціент неідеальності ВАХ в
залежності від механізму струмопроходження, рівня ін’єкції і співвідношення між
довжиною дифузії і довжиною бази в відсутність тунельних струмів може
змінюватися в межах від 4 до 2/3.
2.1. Рекомбінаційні механізми струмопроходження в кремнієвих діодах і СЕ з
довгою базою
Спочатку будуть наведені теоретичні співвідношення для темнових ВАХ кремнієвих
діодів з довгою у порівнянні з довжиною дифузії базою для низького рівня
ін’єкції, коли надлишкова концентрація нерівноважних носіїв заряду набагато
менша за рівноважну концентрацію дірок pр в базі. Для випадку, коли справедлива
еквівалентна схема діода з зосередженими параметрами, для густини повного
струму діода можна записати:
,
Де ~ - густина дифузійного струму насичення, ~ - густина рекомбінаційного
струму насичення, - концентрація носіїв заряду в власному напівпровідникові, і
- ефективні густини станів в зоні провідності і в валентній зоні, - послідовний
опір, - шунтуючий опір.
На рис. 2.1 наведені температурні залежності характеристичної напруги,
визначеної як напруга, при якій величина на порядок менша за , тобто, по суті,
дані критерії здійсненності наближення малого рівня ін’єкції, при реалізації
якого і справедливе співвідношення (2.1). Параметром кривих є значення . Як
видно з рисунку, чим менше значення , тим при менших значеннях прикладеної
напруги порушується критерій мализни рівня ін’єкції. При напругах, що
перевищують , вирази для дифузійної і рекомбінаційної складової повного струму
можуть бути знайдені з спільного розв’язку рівнянь незперервності для
нерівноважних електронів і дірок і рівняння Пуасона чисельними методами.
Використання виразів типу (2.1) з відмінними від 1 і 2 коефіціентами
неідеальності для дифузійної і рекомбінаційної складових струму в цьому
випадку, взагалі кажучи, не має сенсу.
Рис. 2.1. Температурні залежності характеристичної напруги, при якій в
кремнійових діодах виконується лінійний рівень інжекції. Використані параметри:
pp, см-3: 1 - 1017, 2 - 3Ч1016, 3 - 1016, 4 - 3Ч1015, 5 - 1015.
На рис. 2.2 наведені експериментальні темнові ВАХ для кремнієвого діоду зі
сплавним р - n - переходом, виміряні при кімнатній температурі (крива 1) і
температурі рідкого азоту (крива 2). Пунктиром зображені розрахункові ВАХ,
отримані з використанням формули (2.1). Початкова ділянка на кривих 1 і 2 дуже
добре описується третім доданком в формулі (2.1), тобто тунельним струмом, з
=0,066 еВ.
Рис. 2.2. Експериментальні і розрахункові ВАХ для кремнієвого діоду зі сплавним
p-
- Киев+380960830922