Введение к работе
Диссертационная работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию основных закономерностей процессов токообразования и формообразования вольтамперных характеристик (ВАХ) в солнечных элементах (СЭ), диодах и транзисторах на основе полупроводников Ge, Si, GaAs и твердых растворов в системе Al-Ga-As.
Актуальность проблемы. Актуальность обозначенного
напраатения исследований непосредственно вытекает из того, что
только глубокое познание закономерностей токообразования в
неоднородных полупроводниковых структурах и определение на его
основе адекватно соответствующих уравнений ВАХ
полупроводникового элемента может дать возможность оптимального решения такой энергетической проблемы как преобразование солнечной энергии в электрическую (СЭ), проблемы устойчивой работы силовых полупроводниковых приборов (промэлектроника), проблемы телекоммуникации (мощные каскады радиопередающих устройств, усилители, генераторы, быстродействующие электронные коммутаторы), проблемы информатики и, наконец, проблемы системы автоматизированного проектирования (САПР).
Современное развитие мировой экономики в условиях научно-технической революции связано с постоянным ростом потребления энергии. В связи с интенсивным расходованием топливно-энергетических ресурсов в настоящее время остро встает вопрос о разработке новых способов производства энергии. Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых СЭ выгодно отличается от других способов, что связано как с неисчерпаемостью источника (Солнца), так и с отсутствием вредных отходов и теплового загрязнения Земли. Использование фотоэлектрического метода для крупномасштабного производства электроэнергии сдерживается высокой стоимостью СЭ. Необходимое снижение стоимости энергоустановок может быть достигнуто при осуществлении преобразования высококонцентрированного солнечного излучения, когда рабочая площадь СЭ уменьшается примерно на три порядка. В то же время задача создания СЭ, работающих при высоких уровнях оптического возбуждения, ставит целый ряд проблем физического характера, заключающихся в выборе оптимальных параметров материачов и
сочетании их свойств с параметрами приборных структур, разработке новых методов расчета и исследования сильноточных СЭ. Основной является проблема совмещения в одном приборе широкой области спектральной чувствительности и низкого внутреннего сопротивления. Наиболее успешно она решается при использовании гетероструктур в системе GaAs-AlAs. Кроме того, базовый материал GaAs является оптимальным с точки зрения получения максимачьного КПД преобразования и обеспечения работоспособности СЭ при повышенных температурах, что является неизбежным условием для концентраторных СЭ.
На пути практической реализации метода преобразования концентрированного солнечного излучения также возникает ряд проблем. Во-первых, при повышении мощности солнечного излучения пропорционально увеличивается плотность генерируемого в СЭ фототока, что требует усложнения конструкции СЭ для уменьшения омических потерь. Во-вторых, увеличивается тепловая нагрузка на СЭ, что требует создания эффективной системы теплоотвода. В третьих, необходима разработка высокоэффективных и дешевых концентраторов излучения. В четвертых, необходимо точное наведение и слежение установок за положением Солнца, что усложняет конструкцию и эксплуатацию солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ). В то же время благодаря применению концентраторов появляется возможность использования в крупномасштабной солнечной электроэнергетике дефицитных и дорогих полупроводниковых материалов, например арсенида галлия и твердых растворов на его основе, обеспечивающих получение термостабильных сильноточных СЭ с высоким КПД, а также позволяет использовать эффект комбинированного термического, фотонного и инжекционного отжига радиационных дефектов, возникающих при эксплуатации СФЭУ в космосе [1].
Что касается проблем промэлектроники и телекоммуникации, то одна из них связана с тем, что использование мощных транзисторов и других полупроводниковых приборов часто ограничивается явлением, называемым вторичным пробоем, признаком которого служит резкое снижение напряжения на приборе с одновременным внутренним шнурованием тока. Об этом явлении впервые сообщили Торнтон и Симмонс [2], и с тех пор оно широко изучается при исследовании мощных полупроводниковых приборов [3].
Современное производство сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) невозможно представить без систем автоматизированного проектирования (САПР). Моделирование процессов и приборов необходимо рассматривать с точки зрения как проектирования, так и исследования физики приборов. Проектирование СБИС при использовании наиболее передовой технологии требует одновременной оптимизации технологического процесса, прибора и схемы (ППС).
Успешное решение поставленной выше задачи дало бы в руки разработчика САПР возможность строгого расчета функциональных характеристик аналоговых и цифровых устройств телекоммуникации в режиме большого сигнала на любых частотах и при любой структурной сложности этого устройства. Поэтому концепция САПР ППС становится очень актуальной [4].
Работа выполнена в 1976-Н996 гг. в отделе контактных явлений в полупроводниках ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и на кафедре электронных и квантовых приборов ТЭИС министерства связи РУз в соответствии с планом научных исследований по естественным наукам АН СССР по проблеме 1.3.7.8 (физика полупроводников; гетеропереходы и многослойные полупроводниковые гетеро структуры) целевой комплексной программы НТП 0.01.08. "Создать и внедрить солнечные, геотермальные, ветровые установки и устройства для производства тепла и электрической энергии". РАН N 10103-619 от 14.04.82 и в рамках госбюджетной научно-технической программы РУз (Приоритеты государственной научно-технической политики РУз на 1993г и ближайшую перспективу).
Объектом теоретического и экспериментального исследований в работе являются физические явления, протекающие при заданных условиях в системах гетерогенных или гомогенных р-n переходов. Гетеропереходы рассматриваются как базисная основа современных высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей - СЭ. Системы гомопереходов рассматриваются как базисная основа электропреобразовательных элементов (диодов, транзисторов, тиристоров), являющихся ключевым звеном аналоговых и цифровых устройств телекоммуникационных систем.
Целью исследований является установление всех тех существенных взаимосвязей и закономерностей токообразования в гомо- и гетеропереходах, которые проявляют себя в реальных режимах работы соответствующих приборов, и получение на их основе таких
достаточно строгих уравнений ВАХ этих приборов, параметры которых можно было бы определить либо на основе значений микропараметров структуры, либо на основе экспериментачьно снятых ВАХ прибора. Важнейшим условием здесь является именно то, что полученные аналитические выражения ВАХ прибора должны адекватно отражать всю гамму реально существующих существенных явлений и взаимосвязей, а не исходить из тех или иных априорных представлений о существенном и несущественном, как это имеет место в подавляющей части научных разработок по этому вопросу.
Личный вклад автора. Автор внес определяющий вклад как в постановку задач исследований, так и в проведение экспериментов и анализ полученных результатов. За цикл работ "Создание и исследование высокоэффективных полупроводниковых гетерофото-преобразователей концентрированного излучения и автономных модулей солнечных электростанций на их основе " ему присуждена премия Ленинского комсомола страны в области науки и техники за 1984 г. В постановке отдельных задач и обсуждении результатов работ активное участие принимачи академик Ж.И. Алферов, профессор В.М.Андреев, доцент И.С. Андреев и профессор В.Д.Румянцев. Фамилии соавторов, принимавших участие в отдельных напрашіениях исследований, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации.
Достоверность основных положений и выводов диссертации обеспечены корректной постановкой проблемы и решаемых задач, выбором адекватных физико-математических моделей и современных вычислительных методов для их решения, строгостью анализа выведенных уравнений, ясной физической трактовкой полученных результатов и их совпадением с известными в некоторых ситуациях предельными частными случаями.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
-выявлены закономерности формообразования нагрузочных ВАХ СЭ с распределенными параметрами при любых уровнях освещенности на основе анализа многозвенной эквивалентной схемы. Предложено характеризовать внутренние омические потери в СЭ не одним параметром - последовательным сопротивлением, а двумя -эффективным сосредоточенным и эффективным распределенным сопротивлениями (Rq и Rp );
-установлены теоретически и экспериментально проверены универсальные зависимости эффективности фотоэлектрического
преобразования СЭ на основе GaAs в широком диапазоне освещенностей вплоть до глубокого насыщения;
-для плавных AlGaAs-гетероструктур теоретически предсказано и экспериментально подтверждено наличие закономерностей, связывающих фотоэлектрические явления с процессами возникающими при прохождении тока . Значение фототока, при котором объемная фотоэдс холостого хода испытывает насыщение, соответствует значению прямого тока, при котором инжектированные в градиентную р-область электроны достигают наиболее широкозонной её части;
-предложен и теоретически обоснован новый метод выявления различных типов внутренних омических потерь и дефектов в СЭ на основе прямозонных полупроводников типа GaAs по характеру пространственного распределения в них интенсивности электролюминесценции (ЭЛ) при пропускании прямого тока;
-получены формулы для граничных концентраций неосновных носителей в базе бездрейфового транзистора в реальных условиях средних и высоких уровней инжекции. На основании этих формул получено выражение для тока эмиттерного перехода, которое, с высокой степенью точности соответствует данным эксперимента; :.
-доказано, что наличие встроенного поля в базе дрейфового транзистора обуславливает непосредственное влияние обратного напряжения на коллекторном переходе на значение высоты потенциального барьера эмиттерного перехода. Влияние напряжения на коллекторе на высоту барьера эмиттерного перехода обуславливает наличие положительной обратной связи тока коллектора с током эмиттера. Этим самым показано, что биполярный транзистор на гомопереходах является принципиально неустойчивой по току системой, в отличие от транзисторов на гетеропереходах;
-экспериментачьно обнаружено и теоретически исследованы особенности инжекционно-вольтаического эффекта в биполярных транзисторах;
-разработаны методы экспериментального определения значений параметров функций, аппроксимирующих ВАХ транзистора как на основе непосредственных измерений токов, так и на основе измерений значений дифференциальных параметров. Последнее дает возможность определения значений этих параметров на любой частоте сигнала и, следовательно, возможность расчета передаточных характеристик транзистора в режиме большого сигнала на любых
частотах;
-учтено влияние неоднородности продольного электрического поля в канале полевых транзисторов и явление вырождения поверхностного слоя полупроводника в МДП транзисторах. В результате получены аналитические выражения ВАХ этих транзисторов, которые во всех деталях соответствуют экспериментально наблюдаемым результатам.
Совокупность развитых и обоснованных в работе научных положений и выводов можно квалифицировать как новое научное направление в физике полупроводников, описывающее: формообразование ВАХ систем нелинейных элементов в широком диапазоне уровней возбуждения.
Основные положения, выносимые на защиту :
1.Аналитические выражения нагрузочных ВАХ СЭ прямоугольной формы при произвольном количестве звеньев эквивалентной схемы в условиях равномерного освещения. Нагрузочные ВАХ СЭ состоят из двух частей - верхней, определяемой действием распределенного слоевого сопротивления, и нижней, определяемой действием только сосредоточенного сопротивления.
-Рабочие формулы нагрузочных ВАХ СЭ круглой конфигурации в условиях равномерного и осесимметрического неравномерного освещения.
-Наиболее выпуклую форму ВАХ имеют СЭ круглой конфигурации, что наиболее оптимально при преобразовании концентрированного солнечного иатучения.
2. Внутренние омические потери в СЭ определяются двумя параметрами - эффективным распределенным (Rp), и эффективным сосредоточенным (Rfj) сопротивлениям.
-Полученные в работе универсальные зависимости эффективности фотоэлектрического преобразования для СЭ на основе гетероструктур GaAs-AlGaAs, работающих в широком диапазоне освещенностей вплоть до глубокого насыщения.
-Разработанная в диссертации методика выявления различных типов внутренних омических потерь и дефектов в СЭ с помощью наблюдения в них пространственного распределения интенсивности электролюминесценции.
-В плавных AlGaAs - гетероструктурах значения фототока, при которых объемная фотоэдс холостого хода испытывает насыщение, соответствуют значениям прямого тока, при которых инжектированные в градиентную р-область электроны достигают наиболее широкозонной её части.
3. Сильноточные СЭ с промежуточным преобразованием
излучения (ППИ-СЭ) на основе гетероструктур AlAs-GaAs могут
эффективно работать при значении коэффициента концентрации
солнечного излучения вплоть до Кс~2500; Показано, что максимачьная
электрическая мощность, снимаемая с ППИ-СЭ 010 мм,
составила 14,2 Вт при величине фототока 19 А и напряжении
холостого хода 1,2 В.
-СЭ на основе гетероструктур nGaAs-pGaAs-pAlGaAs с толстым AlGaAs слоем эффективно работают при К^ЮОО. Показано, что единичная мощность фотоэлектрических модулей на основе этих СЭ может достигать 20 Вт.
4. Математическая модель характеристики диода (6);
-Методики экспериментатьного определения значений трех
параметров уравнения (6) - Ig, b, с.
-Экспериментально обнаружено и теоретически исследован особенности инжекционно-вольтаического эффекта в биполярных транзисторах.
-Главной закономерностью, практически полностью
определяющей свойства транзистора в любой схеме включения, является зависимость тока эмиттера от напряжений на переходах.
-Предложенная нелинейная 4-х параметрическая математическая модель тока эмиттера бездрейфового транзистора (уравнение 12).
-Ток эмиттера дрейфового транзистора должен представляться экспонентой, показатель которой имеет вид (14).
-Предложенная нелинейная 4-х параметрическая математическая модель тока эмиттера дрейфового транзистора (15).
-Влияние напряжения на коллекторном переходе на высоту
потенциального барьера эмиттерного р-n перехода обуславливает
наличие положительной обратной связи тока коллектора с током
эмиттера. Это, в свою очередь, является причиной неустойчивой
работы транзисторов при напряжениях на коллекторе,
превышающих некоторое значение иКБПОР, и возникновения так называемого вторичного пробоя. Значение иКБПОР снижается с ростом напряжения иБЭ .
-На основе установленной причины вторичного пробоя и изученных особенностях инжекционно-вольтаического эффекта в транзисторах разработаны и практически апробированы схемы преобразователей и составных транзисторов, устойчиво работающих при напряжениях на коллекторе в 4-5 раз и рассеиваемой на коллекторе мощности в 2-3 раза превосходящих предельно допустимые значения для отдельно взятого транзистора данного типа.
-Разработанные методики определения значений параметров математической модели ВАХ транзистора.
5. Особенности влияния неоднородности продольного электрического поля в канале полевых транзисторов и явление вырождения поверхностного слоя полупроводника в МДП транзисторах.
-Методы экспериментального определения значений параметров математической модели полевых транзисторов как на основе непосредственных измерений токов, так и на основе измерений значений дифференциальных параметров.
Практическая ценность. Предложенные методы расчета СЭ позволяют прогнозировать величину отдаваемой электрической мощности сильноточных СЭ при любых уровнях освещенности. Сильноточные ППИ-СЭ на основе гетероструктур в системе AlAs-GaAs, сочетающие в себе широкую область спектральной чувствительности в диапазоне 400-900 нм и уменьшенное внутреннее сопротиаіение, могут эффективно работать при степени концентрирования солнечного излучения (Кс) Кс » 2500; с
гетероструктурой nGaAs- pGaAs- рА1х Ga,.x As (х - 0,75, Na=510'8cm"3) с толстым AlGaAs слоем (25-:-30 мкм), могут эффективно работать при 1(,-=1000. Показано, что единичная мощность фотоэлектрических модулей на основе этих СЭ может достигать 20 Вт. Созданные в результате проведенных исследований высокоэффективные концентраторные AlGaAs-СЭ могут быть широко использованы как для оснащения солнечных установок электроснабжения автономных потребителей в пустынных и горных районах, так и при создании крупномасштабных фотоэлектрических станций.
В диссертационной работе получены и экспериментально проверены аналитические выражения для ВАХ диодов и транзисторов, справедтивые в широком диапазоне режимов работы по току и частоте; даны методы определения значений параметров этих уравнений, разработаны и апробированы комплексы программ
машинного расчета характеристик функциональных устройств любой сложности, основанных на соответствующих элементах ("Диод", "Дитранс", "Микроэлектроника").Предложены схемы инжекционно-вольтаических составных транзисторов, устойчиво работающих при значениях обратного напряжения на коллекторном переходе в 4-5 раз более высоких, чем обычно, и при рассеиваемой на коллекторе мощности в 2-3 раза превосходящей предельно допустимую для отдельного транзистора. Разработаны и проверены на практике оригинальные схемы мощных усилителей, генераторов, регуляторов и коммутаторов, устойчиво работающих в критических режимах.
Методы исследования. Определяющим в изучении закономерностей токообразования в гомогенных диодах и транзисторах являлся феноменологический метод. При этом особое внимание обращалось на корректность пренебрежения теми или иными процессами в структуре элемента, которые могут влиять на форму ВАХ этого элемента. Несущественными полаг&чись лишь такие процессы, которые видоизменяли ВАХ в количественном отношении не более чем на 1%.
Образцами для этих исследований служили промышленные образцы диодов и транзисторов соответствующих типов. Термостабилизация осуществлялась с помощью масляных термостатов.
Что касается исследований свойств СЭ, то все образцы СЭ выращивались методом жидкостной эпитаксии на монокристат-лических подложках n-GaAs при охлаждении растворов-расплавов, насыщенных по мышьяку.
Большие значения абсолютных токов (десятки ампер), снимаемых с СЭ при высоких уровнях засветки, потребовали разработки специшіьньїх конструкций корпусов СЭ, обеспечивающих эффективный отвод от пластин СЭ электрической и тепловой мощности.
Для ППИ-СЭ использовалась фотолюминесцентная (ФЛ) методика контроля излучательных свойств структур. Исследования ФЛ и коэффициента собирания фотогенерированных носителей при низком уровне возбуждения проводились с помощью He-Ne лазера ЛГ-75, при высоком - с помощью непрерывного Кг-лазера (Я=647 нм), а также импульсных лазеров - азотного ЛГИ-21 (Х=337 нм) и лазера на красителе R6G ( Х= 575 нм).
Для снятия нагрузочных ВАХ СЭ при концентрированной
солнечной засветке были созданы две установки со сферическими отражателями. В первой из них, предназначенной для исследований образцов 04 мм, степень концентрирования достигала Кс = 2600, во второй для образцов 010 мм и 017 мм - Кс=1800 и Кс=1000 соответственно. Отвод тепла от СЭ осуществлялся посредством водяного охлаждения корпусов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях:
-
Республиканской конференции "Фотоэлектрические яшіения в полупроводниках", Ужгород, 1979 г;
-
III Расширенном заседании прикладных исследований Научного совета АН СССР. "Изыскание новых путей использования солнечной энергии", Ашхабад, 1981 г ;
-
Всесоюзной конференции "Физика соединений А3В5 ", Новосибирск, 1981 г ;
-
I Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов", Кишинев, 1982 г ;
-
III Всесоюзной конференции "Физические процессы в полупроводниковых гетероструктурах", Одесса, 1982 г ;
-
Республиканской конференции "Актуальные вопросы прикладной физики", Ташкент, 1985 г ;
-
II Международная конференция вузов и факультетов связи, Минск, 1992 г ;
-
Республиканской конференции "Современные проблемы телекоммуникации Республики Узбекистан и интеграции науки с производством", Ташкент 1995 г ;
-
Международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков", Ташкент, 1995 г .
-
Международной конференции "Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов", Ташкент , 1997 г.
Публикации. По результатам проведенных исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликовано 58 печатных работ, список которых приводится в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Работа по своей структуре состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Она содержит 386 страниц сквозной нумерации, в том числе 244 страниц машинописного текста, 128 рисунков, 19 таблиц, а список литературы включает 230 наименования.
