Исследование взаимосвязи электрофизических параметров кремния полученного методом карботермического восстановления от технологии его полученияОглавление: Введение………………………………………………………..3 1 Технология получения столбчатого мультикремния из кремния полученного методом карботермического восстановления……………………….5 2 Электрофизические параметры и зависимость их от технологий производства…………………………………………………….6 3 Диффузионная длина, фотопроводимость, время жизни…………..7 3.1 Понятие времени жизни…………………………………...8 3.2 Фотопроводимость………………………………………....9 3.3 Многозарядные ловушки в полупроводниках……….…..11 4. Установка для измерения жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках…………………………………………….13 Заключение…………………………………………………….14 Использованные источники…………………………………..15 Приложение……………………………………………………16 Введение. Технология получения чистого полупроводникого кремния на данный момент отработана достаточно хорошо. Наиболее чистые материалы получают путем синтеза кремния в газовую фазу ( SiCl 3), последующую очистку и восстановления чистого кремния. Данный метод достаточно дорог для солнечной энергетики, так как в солнечных элементах, где основную стоимость составляет именно используемый кремний и применение кремния восстановленного из газовой фазы приведет к такой цене, что преимущество солнечной (альтернативной) энергетики перед традиционными источниками энергии, будет можно сказать с обратным знаком. В связи с этим, рядом научных и производственных объединений Иркутской области ведутся работы по получению более дешевых технологий получения солнечного кремния. Технология предусматривает карботермическое восстановление из чистых природных кварцитов, имеющихся в Прибайкалье, и последующую его очистку путем отмывания в различных кислотах и перекристаллизацию при различных технологических параметрах. Возникает необходимость исследования дефектности структур, а также одержания в нем примесей и связи этих параметров с характеристиками технологических процессов. В прошлой курсовой работе нами были поставлены и апробированы на получаемых образцах методики, позволяющие получать информацию о типе полупроводника, его электропроводности, о концентрации носителей заряда и их подвижности. Для чего использовались две методики измерения это: 1.Измерение удельной электропроводности четырехзондовым методом 2.Измерение ЭДС Холла. Полученные нами данные хорошо согласовались с табличными данными, что говорило о хорошей применимости данных методов контроля для предъявляемых требований. Прошлогодние результаты говорили о следующих особенностях первых полученных образцов: низкая подвижность меньше на два порядка табличных данных, что приводило к выводу о высоком содержании электронейтральной примесей. Институтом Геохимии СО РАН проводились работы по совершенствованию методик получения чистого кремния, было использовано другое сырье, которое синтезировалось в других условиях, очистка кремния методом рафинирования ; что позитивно отразилось на данных полученных нами. Так же ими получены данные химического анализа исследуемых нами образцов. Задача настоящей курсовой работы, заключалась в дальнейшем исследовании зависимости электрофизических параметров кремния полученного методом карботермического восстановления и разработка методики, позволяющей получать данные о кинетических процессах происходящих в исследуемом кремнии. 1. Технология получения столбчатого мультикремния из кремния полученного методом карботермического восстановления. В этом году институтом Геохимии СО РАН проводились работы по совершенствованию методик очистки кремния. Было использовано: 1)Другое сырье, синтезировалось в других условиях (Ирказ), где установлена специализированная печь для получения поликристаллического кремния. 2)Институт применял метод рафинирования (двойная перекристаллизация методом Стокбаргера). 3)Получены данные химического анализа как для сырья, так и для полученных образцов, что позволяет говорить о степени очистки и судить о примесях которые определяют происходящие процессы и механизмы рассеяния в полупроводнике. 4) Необходимое дробление материла можно осуществлять разными методами, но неизбежно одно, что при использовании, скажем стального молотка, в образце растет концентрация Fe . В связи с этим, для дробления был использован молибденовая насадка для пресса, молибдена мало в исходном материале, то есть его появление можно обосновать используемой в технологическом процессе насадкой. 5) Очистка кремния методом вакуумной сублимации. В атмосфере 10 -3 Тор осуществляется нагрев в ростовой печи происходит испарение примесей t плав. которых меньше t плав. кремния. @ 1450 [В.В.U1] ° С. Дальше доводят температуру в печи до температуры плавления и выдерживают некоторое время для испарения более тугоплавких примесей. Затем температуру поднимают на отметку 50-70 ° С выше температуры плавления для испарения еще более тугоплавких примесей и выдерживают в этом режиме некоторое время. Скорость роста при этом лежит около 0.8 см/час.
Электрофизические параметры образцов приведены в таблице 1.
Необходимо представлять кинетику происходящих в полупроводнике процессов. Основой кинетической характеристикой (7) полупроводниковых материалов является диффузионная длина пробега: длина L на которой d p или d n уменьшаться в e раз в отсутствии внешнего поля. Прямым методом это измерить в нашем случае затруднительно из-за большого количества примесей. Поэтому наша задача измерить время жизни неравновесных носителей заряда t . 3.1 Понятие времени жизни неравновесных носителей заряда. В полупроводнике (5,7) под влиянием внешнего воздействия концентрации электронов и дырок могут изменяться на много порядков. При термодинамическом равновесии действует принцип детального равновесия, который говорит: J 12= J 21 (1.1) При внешних воздействиях этот принцип нарушается и появляется компонента J 12’. При этом в зонах появляются неравновесные носители заряда с концентрациями: d n=n-n0 d p=p-p0 (1.2) Если в полупроводнике нет электрического тока, то изменение концентрации электронов и дырок, при внешнем воздействии, выглядит так: d d n/dt = Gn-Rn d d p/dt = Gp-Rp (1.3) Gn , Gp – означает темп генерации Rn , Rp – соответственно темп рекомбинации Для количественного описания приводится схема кинетики неравновесных электронных процессов применяется понятие среднего времени жизни неравновесных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне: Rn=(n-n0)/ t n Rp=(p-p0)/ t p (1.4) Иначе говоря, 1/ t есть вероятность исчезновения одного избыточного заряда из одной зоны в единицу времени в следствии рекомбинации d d n/dt = Gnd n/ t n d d p/dt = Gpd p/ t p (1.5) Стационарные концентрации неравновесных носителей заряда, устанавливающиеся после длительного воздействия внешней генерации, равны ( d n)s =Gn t n ( d p)s = Gp t p (1.6) Величины t n t p зависят от физических особенностей элементарных актов рекомбинации электронов и дырок. При этом t n и t p , вообще говоря, могут сами зависеть от неравновесных концентраций d n и d p , а также от температуры. Поэтому t n и t p не являются характеристиками данного полупроводника , но зависят еще от условий опыта. Если d n = d p , то и времена t n t p равны, и мы имеем единое время жизни электронно-дырочных пар t = t n = t p . 3.2 Понятие фотопроводимости. Простейший способ создания неравновесных носителей заряда состоит в освещении полупроводника. Возникновение неравновесных носителей проявляется в изменении электропроводности полупроводника (фотопроводимость). Электронные переходы при оптической генерации могут быть различными. Если энергия фотонов h w ³ Eg , те неравновесные электроны и дырки образуются вследствие возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственная оптическая генерация, собственная фотопроводимость). Однако при наличии примесей фотопроводимость может возникать и при h w Eg . Оптическая генерация электронов и дырок обязательно сопровождается дополнительным поглощением света. Собственное поглощение света, наблюдается при h w ³ Eg и связано с переходами зона-зона и образованием пар. Примесное поглощение, связанное с возбуждением электронов и дырок с примесных уровней в зоны. Поглощение в собственной полосе частот обычно на много порядков больше поглощения в примесной зоне. Темп оптической генерации связан с коэффициентом поглощения света G= u ( w ) g ( w )I(x) (2.1) u ( w )-квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей заряда, рождаемых в среднем одним поглощенным фотоном I ( x ) - монохроматический световой поток, рассчитанный на единицу поверхности. g ( w ) - коэффициент поглощения света. В общем случае g различно в разных точках полупроводника (неоднородная генерация). Изменение проводимости полупроводника обусловлено тем, что при освещении изменяется как концентрация электронов и дырок, так и их подвижность. Однако относительное влияние обоих этих причин может быть весьма различным. Действительно, возникающая в результате поглощения пара электрон-дырка получает некий квазиимпульс и энергию ( h w - Eg ).Пусть, для простоты, энергия передается только одному из фотоносителей, скажем электрону (что имеет место при сильном различии масс Mn и Mp ). Эта избыточная энергия затем растрачивается вследствие взаимодействия фотоэлектрона с решеткой, и через некоторое время, порядка времени релаксации энергии t е, средняя энергия фотоэлектрона принимает значение, соответствующее температуре решетки. Аналогично, равновесное распределение квазиимпульса фотоэлектронов устанавливается за время порядка времени релаксации импульса t р. Если t е Tn , где Tn -время существования фотоэлектрона в зоне, то фотоэлектроны успевают “термализоваться”, т.е. приобрести такое же распределение по энергиям и квазиимпульсам, как и равновесные электроны. В этом случае подвижности не изменяются, а фотопроводимость обусловлена только изменением концентрации электронов и дырок и равна d s = e( m p d p + m n d n) (2.2) Если, напротив t е ³ Т n , то за время своего существования фотоэлектроны не успевают термализоваться и при освещении изменяются и концентрации фотоносителей, и их подвижности. d d s /dt = e( m p+ m n)gd s / t фп . (2.3) где t фп =( m p d p + m n s n)/( m p d p / t p + m p d p / t p ) (2.4) Из уравнения 2.3 видно, что характерное время t фп есть время релаксации фотопроводимости, которое определяет темп установления и затухания d s . В стационарном состоянии фотопроводимость ( d s ),равна ( d s )s = e( m p + m n ) g t фп (4.5) Отсюда видно, что чем больше t фп, тем больше и ( d s ) s ,т.е. тем выше чувствительность фотопроводника. Однако при этом будет и больше время затухания (установления) фотопроводимости, т.е. будет больше инерционность фотопроводника. С этим противоречием между чувствительностью и быстродействием приходиться считаться при разработке фотосопротивлений для технических целей. 3.3 Многозарядные ловушки в полупроводнике. В случае многозарядных примесных атомов (или дефектов), создающих несколько энергетических уровней, результирующий темп рекомбинации будет равен сумме темпов рекомбинации через каждый из этих уровней (7). Если известны положения всех уровней и известны коэффициенты захвата электронов и, соответственно, дырок для каждого уровня, то можно определить неравновесные степени заполнения каждого уровня и найти результирующий темп рекомбинации (а, следовательно, и времена жизни электронов и дырок). Существенной особенностью рекомбинации через многозарядные ловушки является то, что при изменении температуры или равновесной концентрации электронов может происходить изменение зарядового состояния ловушек, что равносильно изменению природы центров рекомбинации.
Действие и.к-излучения, модулированного прямоугольными импульсами на полупроводниковый образец приводит к возникновению в нем фотопроводимости. Ее спад и нарастание будем считать экспоненциальными. Эффективное время спада фотопроводимости при этом можно считать равным эффективному времени жизни t неравновесных носителей заряда. Заключение. Итак, из всего вышесказанного видно: 1) Методики измерения, поставленные нами в прошлом году и используемые нами в этой курсовой работе, хорошо работают, и те данные, которые получаем по этим методикам, хорошо согласуются со справочными данными по кремнию. 2) Качество получаемого материала в сравнении с прошлогодними результатами заметно растет по многим важным для применимости этого материала параметрам. Что говорит, о хороших перспективах в направлении совершенствования технологий получения чистого солнечного кремния. 3) Предварительное испытание схемы позволяющей определять времена прошли успешно и можно сделать предположения о применимости ее в качестве метода контроля кинетических процессов происходящих в кремнии. В следующем году будет продолжена работа по отладки схемы и отладки ее усилительной части, а также постановки методики измерения времени жизни неравновесных носителей заряда. Использованные источники: 1.А.И.Непомнящих. Рост кристаллов. Курс лекции. ИГУ. 1997. 2.Л.П.Павлов. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов.Москва. «Высшая школа”. 1975. 3.Под редакцией К.В.Шалимов. Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам. Москва.”Высшая школа”. 1968. 4.А.С.Стильбанс.Физика полупроводников. |
График 1 Зависимость постоянного выходного напряжения от частоты входного синусоидального напряжения имеет вид как на графике 1. U(f) = U 0 [1-2 t f th(2 t f) -1 (4.1) U(f 0 ) = 0.8U 0 (4.2) t = (10 f 0 ) -1 = T 0 (4.3) Таким образом, определив частоту входного сигнала f 0 , при котором U ( f 0 ) = 0.8 U 0, можно определить время жизни неравновесных носителей. Нужно отметить, на сложность, которая возникла в процессе работы. В связи с большой концентрацией примесей и образованием ловушек кинетика спада и нарастания фотопроводимости сильно замедлена по сравнению с ожидаемыми данными. В этом направлении автор и планирует работать в следующем году.