УДК 537.311.33
БОГАТОВ Н.М., МАТВЕЯКИН М.П.,
РОДОМАНОВ Р.Р.
НЕРАВНОВЕСНЫЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЗАРЯД В
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ

Кубанский государственный университет,
350040, Россия, Краснодар, ул. Ставропольская, 149,
bogatov@phys.kubsu.ru

Величина плотности поверхностного заряда Qs зависит от состояния
поверхности, является основным параметром для поверхностно-барьерных
структур и неконтролируемым параметром для приборов с n-p или
гетеропереходами. В работе рассматривается изменение плотности
поверхностного заряда DQs в неравновесном режиме. Считаем, что DQs не
изменяет тип проводимости в поверхностной области, но влияет на
величину потенциального барьера перехода. Эта ситуация реализуется,
если область пространственного заряда (ОПЗ) перехода подходит
вплотную к поверхности, например, в структурах с мелким эмиттером.
Полученные закономерности перестройки ОПЗ мелкого несимметричного
n-p перехода в неравновесном режиме справедливы для поверхностно-

барьерных и гетероструктур.

В работе [1] показано, что ОПЗ мелкого диффузионного n+-p
Рис. 1. Схема распределения заряда в структуре с глубоким (а) и
перехода состоит из трех частей, первой из которых является эмиттер,
мелким (б) несимметричным p-n переходом
содержащий плотность положительного заряда много меньшую, чем

концентрация ионизированных доноров, второй - область, обогащенная
Вольт-амперную
характеристику
(ВАХ)
полупроводникового
электронами, третьей - область, обедненная электронами и дырками,
прибора с одним активным барьером представляют в виде суммы двух
содержащая
плотность
отрицательного
заряда,
созданного
составляющих:
составляющей,
не
зависящей
от
приложенного
ионизированными акцепторами. Область, обедненная электронами и
напряжения, и составляющей, являющейся темновой ВАХ. В результате
дырками, содержащая плотность положительного заряда, созданного
ВАХ принимает вид:
ионизированными донорами, отсутствует.

q(U + iSR )

q(U + iSR ) U + iSR
s
s
s
i = i - i exp
-1 - i exp

÷÷

-1 -
,
Учтем влияние поверхностного заряда на структуру ОПЗ (рис. 1). На
ph
0
r
kT

kT
÷÷
a
SR






sh
рис. 1,а область объемного заряда, индуцированного поверхностным
(1)
зарядом, (x[-wp, -xps]) отделена от ОПЗ p-n перехода (x[- xp, xn]), а на
где i - плотность электрического тока, i
рис. 1,б сливается с ней. Если темпы захвата неравновесных электронов и
ph - плотность фототока, i0 -
плотность диффузионного тока насыщения, U - напряжение на контактах
дырок
поверхностными
состояниями
отличаются,
то
DQs0.
прибора, R
Неравновесный поверхностный заряд вызывает изменение ширины ОПЗ p-
s - последовательное сопротивление прибора, ir - плотность
n перехода (рис. 1), что можно рассматривать как падение напряжения на
рекомбинационного тока насыщения, a - коэффициент неидеальности n-p
переходе (рис. 2).
перехода или гетероперехода, Rsh - шунтирующее сопротивление, S -

площадь
фотоэлектрической
структуры.
Влияние
поверхностных
состояний на iph, i0 обычно учитывают, вводя эффективную скорость

поверхностной рекомбинации неосновных носителей заряда sn или sp. Если
носителей. Согласно теории [2, 3] постоянная скорость рекомбинации на
состояние поверхности не изменяется, то sn,p=const.
освещенной поверхности влияет на потери коэффициента собирания

только в коротковолновой области спектра. Потери, связанные с
неравновесным
поверхностным
зарядом,
проявляются
во
всей
фотоактивной области спектра.

1. Н.М.
Богатов
Анализ
влияния
рекомбинации
в
области
пространственного заряда на вольт-амперную характеристику
кремниевых солнечных элементов, Гелиотехника, 1990, 6, с. 49-53.
2. А.М.
Васильев,
А.П.
Ландсман
Полупроводниковые
фотопреобразователи, М.: Советское радио, 1971. 248 с.
3. А. Фаренбрух, Р. Бьюб Солнечные элементы: Теория и эксперимент,
М.: Энергоатомиздат, 1987. 280 с.



Рис. 2. Энергетическая диаграмма мелкого p-n перехода в
равновесном режиме (а) и с неравновесным поверхностным зарядом (б)

Поверхностные рекомбинация и накопление заряда связаны с
различными энергетическими уровнями. Изменение электрического
потенциала в поверхностной области в неравновесном режиме ведет к
изменению величины sn (sp) для структур с глубоким p-n переходом и к
дополнительному падению напряжения на ОПЗ мелкого p-n перехода. Эти
эффекты дают дополнительный нелинейный вклад в зависимость i(U).
При освещении монохроматическим светом с hnEg (Eg - ширина
запрещенной зоны) плотность фототока iph пропорциональна падающему
потоку квантов излучения f и связана с коэффициентом собирания
носителей заряда Q:
iph=qfQ. (2)
Экспериментальное значение плотности тока короткого замыкания
iкз не совпадает с iph, поэтому коэффициент собирания, рассчитанный через
iкз, отличается от величины, определенной по формуле (2). Теория
фотовольтаических
структур [2, 3] описывает
спектральную
характеристику, т.е. зависимость iph или Q от длины волны преобразуемого
излучения l. В случаях, рассмотренных на рис. 1,б и рис. 2,б, в режиме
короткого замыкания напряжение на p-n переходе не равно нулю. Расчеты
показывают, что этот эффект является дополнительным источником
потерь, связанных с неполным собиранием фотогенерированных