Исследование электрофизических и фотоэлектрических характеристик твердых растворов AlGaAs/GaAs



В статье приведены исследования фотоэлектрических свойств фоточувствительных структур на основе арсенида галлия. Кроме того, изучены электрофизические характеристики структур солнечных элементов на основе AlGaAs/GaAs- гетероструктур.

В структурах с p-n переходом AlGaAs/GaAs в фотодиодном режиме, т. е. при наличии в цепи тянущего внешнего электрического поля суммарный ток имеет вид I= Iкз +Is где Iкз=q(Fs-Fсо) — ток короткого замыкания; Fs- число падающих фотонов, образующих электронно-дырочные пары, Fсо- число поглощенных фотонов, Is- ток насыщения в запирающем направлении [1–3]. Выражение ВАХ относительно I можно представить в виде:

, (1.1)

где φк — контактная разность потенциалов, приложенная к р-n переходу в фотодиодном режиме. При φк=0 второе слагаемое в (1.1) равно нулю и ток в цепи определяется током Iкз, т. е. I= Iкз. Это равносильно тому, что р-п переход в цепь включен в вентильном режиме (рис.1.б.), отсутствует внешний источник и нагрузка RH для потребления Iкз, а цепь разомкнута, и по амперметру течет ток короткого замыкания, фото ЭДС измеряется вольтметром по падению напряжения на его входном сопротивление RBH пропорционально току Iкз, который протекает через него.

Рис. 1. а) фотодиодный режим

Рис. 1. б) вентильный режим

При этом Iкз имеет максимальное значение соответствующей мощности падающего светового потока. При образовании замкнутой цепи через RH потребителя, ток короткого замыкания Iкз уменьшается, в результате падения напряжения фото ЭДС на RH. Вольтметр по существу измеряет нагрузочную зависимость напряжения холостого хода Uxx, которое имеет максимальное значение при Iкз +Is=0. Это возможно при значении RH, когда оно сравнимо или больше RBH, измерительного прибора.

При решении выражения (4.1) для условия I=0 можно получить:

. (2)

Так как, φк= IRH –U0, где U0- напряжение, подаваемое от внешнего источника и при U0=0, φк= IRH, т. е. φк- представляет собой нагрузочную зависимость напряжения холостого хода — Uxx.

В данном случае для возникновения контактной разности потенциалов на p-n переходе или в области пространственного заряда в качестве источника неравновесных носителей заряда служит световой поток, падающий на поверхность исследуемого образца. Причем, источник света можно использовать в импульсном режиме или в стационарном режиме с длительностью намного превышающей время релаксации фотопроводимости, как по нарастанию, так и по спаду.

Обычно для исследования спада фотопроводимости и напряжения холостого хода, с целью определения времени жизни неосновных носителей τ, применяются импульсные источники инжекции неравновесных носителей заряда с длительностью намного меньшей времени релаксации Т<

В качестве таких источников могут, служить импульсные источники света или прямоугольные электрические импульсы.

Методика определения фотопроводимости по спаду релаксационной зависимости подробно описана в [4], сущность которой заключается в построении зависимости lnU(t) или lnI(t) и определении τ по наклону касательной, пересекающая ось t.

Наблюдаемые релаксационные процессы для нарастания фотоотклика можно выразить в виде:

, (3)

а для спада в виде:

. (4)

где t — время релаксации, τ- время жизни (эффективное) носителей заряда. Так как при исследованиях был использован спад фотопроводимости, то воспользуемся формулой (4).

Если в момент времени t1, ток фотоотклика , а в момент времени t2 соответствует , то можно получить следующие выражения:

или

,

откуда можно определить (5)

По выражению (5) определяется τ. На рис.2. приведена зависимость lnU(t) для образца № 1 AlGaAs/GaAs.

Рис. 2. Зависимость lnU(t) для образца № 10 AlGaAs/GaAs.

При наблюдениях релаксационного процесса был использован светодиод типа АЛ 402 с λmax 0,7 мкм, мощность излучения Pλ=5мВт. Фотоотклики наблюдались при Т=6ּ10–2с (период) и t=2ּ10–4с (длительность) Эпюры напряжений фотоотклика фиксировались на запоминающем осциллографе С 8–12.

Как видно из приведенной зависимости в логарифмическом масштабе, релаксационный процессе состоит из нескольких участков, включающих в себя τ1, τ2,τ3 определенные по вышеописанной методике

τ1=4,76·10–5 с, τ2=9,5·10–5 с, τ3=1,3·10–4 с.

Наличие нескольких значений τ в зависимостях является предметом дальнейших исследований, поскольку, это показывает достаточной сложности генерационно-рекомбинационных процессов в исследуемых структурах.

Вольтамперные характеристики, описываемые выражением (1) для структур AlGaAs/GaAs (обр.№ 1) и AlGaAs/GaAs (обр.№ 2), при установившихся режимах работы, т. е. при постоянной комнатной температуре (~250С) и постоянном значении светового потока ~ 85мВт/см2 приведены на рис.3. и рис.4.

Рис. 3. Вольтамперные характеристики в темноте (1) и при освещении (2) мощностью Р=83 мВт/см2 (образец № 1, AlGaAs/GaAs)

Рис.4. Вольтамперная характеристика образца № 2 (AlGaAs/GaAs) при Ф=83 мВт/см2

Приведенные характеристики имеют некоторые особенности. Каждая вольтамперная характеристика, снятая при постоянном световом потоке расположена в трех квадрантах I, III, IV системы координат.

Участки характеристик, расположенные в I и III квадрантах, снимались только при наличии во внешней цепи исследованных структур дополнительного источника питания Еа. Этот режим работы вентильного ФП называют диодным режимом (рис. 1а.). В этом случае ток и напряжение источника питания имеют одинаковые знаки: положительные в I квадранте, отрицательные в III квадранте. В первом случае напряжение источника питания Еа включается в прямом направлении, а во втором случае в обратном направлении. В диодном режиме работы фотодиод на основе структур AlGaAs/GaAs потребляет электроэнергию, изменяя, в данном случае уменьшая, свое сопротивление под действием падающего на него светового потока. Линии нагрузки показаны в IV квадранте для структур AlGaAs/GaAs (обр.№ 1). RH=UH/IH составляет RH=0,4 В / 2,1·10–4 А ~2000 Ом, при Ф= 83 мВт/см2 и показывает величину фототока, достигаемого при данном значении светового потока. Нагрузочная линия обычно строится по двум точкам: точка начала координатных осей, и точка, соответствующая максимальному значению рассеиваемой нагрузочной мощности структуры PH=IH·UH. Для образца № 1 это соответствуют PH=2,1·10–4, В=8,4·10–4,Вт=0,84 мВт. На рис.3. заштрихованная область соответствует максимально достигнутым рабочим мощностям -PP, а область, ограниченная внешними пунктирными линиями, предельной мощности -PS, отношение которых показывает коэффициент заполнения –Q, т. е. Q=PP/PS. Для образца № 1 PP=42·10–4 Вт/см2, PS=64·10–4 Вт/см2, следовательно Q=0,65. Аналогичные оценки по экспериментально полученным данным для образца № 2 показывают, что Q=0,4. Это свидетельствует о низкой способности преобразования падающего светового потока в электроэнергию. То есть в исследованных структурах ~35 % (для образца № 1), и ~40 % (для образца № 2) мощности светового потока, падающей на образцы, расходуется без пользы для преобразования в электроэнергию.

К таким расходам можно отнести нагрев самого ФП, отражение от поверхности, потери при рекомбинации электронов и дырок на границе перехода, рассеяние на сопротивлениях и т. п.

Литература:

1. Абдиев У. Б. Солнечные элементы на основе кремния и арсенида галлия. Монография. ISBN-978–9943–14–440–8. — Ташкент: «ТУРОН-ИҚБОЛ», 2016. — 123 с.
2. Абдиев У. Б., Исмоилов Э. Физика таълимида “Қуёш фотоэлементларининг фойдали иш коэффициенти”ни оширишнинг замонавий имкониятларини ўрганиш // Физика, математика ва информатика. — Тошкент, 2016. –№ 1. — Б. 24–28.
3. Абдиев У. Б., Исмоилов Э. Физика таълимида қуёш фотоэлементларини тайёрлаш ва уларнинг самарадорлигини ошириш имкониятларини ўрганиш // Физика, математика ва информатика. — Тошкент, 2015. — № 5. — Б. 32–36.
4. С. М. Рывкин «Фотоэлектрические явления в полупроводниках». М: Наука, 1963. — 494 с.