Реферат: Исследование взаимосвязи электрофизических параметров кремния полученного методом карботермического восстановления от технологии его получения

Министерство общего и высшего образования

Российской Федерации

Иркутский ГосударственныйУниверситет

Физический факультет

Кафедра электроники твердого тела

Курсовая работа

Исследование взаимосвязи электрофизических параметров кремнияполученного методом карботермического восстановления от технологии егополучения.

Работувыполнил: студент группы 1431

ШиряевДмитрий Анатольевич

Научныйруководитель: кандидат ф-м наук,

доценткафедры электроники твердого тела

СиницкийВладимир Васильевич

Иркутск 1998г.

Оглавление:

Введение………………………………………………………..3

1 Технология получения столбчатогомультикремния 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 временижизни…………………………………...8

3.2Фотопроводимость………………………………………....9

3.3 Многозарядные ловушки вполупроводниках……….…..11

4.Установка для измерения жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках…………………………………………….13

Заключение…………………………………………………….14

Использованные источники…………………………………..15

Приложение……………………………………………………16

Введение.

Технологияполучения чистого полупроводникого кремния на данный момент отработанадостаточно хорошо. Наиболее чистые материалы получают путем синтеза кремния вгазовую фазу (SiCl3), последующуюочистку и восстановления чистого кремния.

Данный метод достаточно дорог для солнечной энергетики,так как в солнечных элементах, где основную стоимость составляет именноиспользуемый кремний и применение кремния восстановленного из газовой фазыприведет к такой цене, что преимущество солнечной (альтернативной) энергетикиперед традиционными источниками энергии, будет можно сказать с обратным знаком.

В связи сэтим, рядом научных и производственных объединений Иркутской области ведутсяработы по получению более дешевых технологий получения солнечного кремния.Технология предусматривает карботермическое восстановление из чистых природныхкварцитов, имеющихся в Прибайкалье, и последующую его очистку путем отмывания вразличных кислотах и перекристаллизацию при различных технологическихпараметрах.

Возникаетнеобходимость исследования дефектности структур, а также одержания в немпримесей и связи этих параметров с характеристиками технологических процессов.

В прошлойкурсовой работе нами были поставлены и апробированы на получаемых образцахметодики, позволяющие получать информацию о типе полупроводника, его электропроводности,о концентрации носителей заряда и их подвижности. Для чего использовались двеметодики измерения это: 1.Измерение удельной электропроводности четырехзондовымметодом 2.Измерение ЭДС Холла. Полученные нами данные хорошо согласовались стабличными данными, что говорило о хорошей применимости данных методов контролядля предъявляемых требований. Прошлогодние результаты говорили о следующих особенностяхпервых полученных образцов: низкая подвижность меньше на два порядка табличныхданных, что приводило к выводу о высоком содержании электронейтральной примесей.

Институтом Геохимии СО РАН проводились работыпо совершенствованию методик получения чистого кремния, было использованодругое сырье, которое синтезировалось в других условиях, очистка кремнияметодом рафинирования; что позитивно отразилось на данных полученных нами. Также ими получены данные химического анализа исследуемых нами образцов.

Задачанастоящей курсовой работы, заключалась в дальнейшем исследовании зависимостиэлектрофизических параметров кремния полученного методом карботермическоговосстановления и разработка методики, позволяющей получать данные окинетических процессах происходящих в исследуемом кремнии.

1. Технология получения столбчатого мультикремнияиз кремния полученного методом карботермического восстановления.

В этом годуинститутом Геохимии СО РАН проводились работы по совершенствованию методикочистки кремния. Было использовано:

1)Другоесырье, синтезировалось в других условиях (Ирказ), где установлена специализированнаяпечь для получения поликристаллического кремния. 2)Институт применял методрафинирования (двойная перекристаллизация методом Стокбаргера).

3)Полученыданные химического анализа как для сырья, так и для полученных образцов, чтопозволяет говорить о степени очистки и судить о примесях которые определяют происходящиепроцессы и механизмы рассеяния в полупроводнике.

4)Необходимое дробление материла можно осуществлять разными методами, но неизбежноодно, что при использовании, скажем стального молотка, в образце растетконцентрация Fe. В связи сэтим, для дробления был использован молибденовая насадка для пресса, молибденамало в исходном материале, то есть его появление можно обосновать используемойв технологическом процессе насадкой.

5) Очисткакремния методом вакуумной сублимации. В атмосфере 10-3 Торосуществляется нагрев в ростовой печи происходит испарение примесей tплав. которых меньше tплав. кремния. @

1450<a В.В.U_1"">[В.В.U1] °С. Дальше доводят температурув печи до температуры плавления и выдерживают некоторое время для испаренияболее тугоплавких примесей. Затемтемпературу поднимают на отметку 50-70°С выше температуры плавления для испарения еще более тугоплавкихпримесей и выдерживают в этом режиме некоторое время. Скорость роста при этомлежит около 0.8 см/час.

Рис.1

После роста, получаем кремний, который имеет областимонокристалличности схематично изображенные на рис.1. Это так называемый,столбчатый мультикремний.

2.Электрофизические параметры и зависимость их от технологий производства.

Электрофизические параметры образцов приведены втаблице 1.

Тип

провод.

r

Ом×

см

s

Ом-1 ×

см-1

см3

см-3

m

см3

в×

см

7-1

0.145

6.850

58.140

1.17*

1017

355.04

0.20

7-2

0.077

13.04

50.250

1.24*

1017

655.26

0.19

8-1

5.260

0.190

566.60

1.10*

1016

107.65

0.20

8-2

1.205

0.830

27.320

2.28*

1017

22.680

0.20

9-1

0.470

2.320

25.600

2.44*

1017

59.400

0.18

9-2

1.588

0.630

26.325

2.37*

1017

16.580

0.28

10-1

1.240

0.800

13.050

4.79*

1017

10.450

0.17

10-2

0.670

1.490

31.410

1.99*

1017

46.700

0.20

10-3

1.920

0.520

17.360

3.60*

1017

10.450

0.17

11-1

1.390

0.735

31.000

2.00*

1017

22.300

0.30

11-2

0.670

1.500

22.300

2.80*

1017

33.800

0.29

13-1*

0.274

3.650

13.890

4.50*

1017

51.000

0.20

13-2*

0.255

3.920

25.000

2.50*

1017

98.000

0.17

14-1

0.192

5.200

9.8750

6.30*

1017

51.350

0.14

14-2

0.165

6.060

6.3900

9.78*

1017

38.720

0.16

15-1

0.181

5.525

4.5400

1.38*

1018

25.080

0.15

15-2

0.260

3.846

4.6800

1.34*

1018

18.000

0.12

16-1*

0.094

10.70

6.2000

1.00*

1018

66.340

0.26

16-2*

0.104

9.590

7.4500

8.39*

1017

71.440

0.24

21-1*

0.094

10.64

8.4700

7.38*

1017

90.100

0.20

21-2*

0.089

11.24

8.8100

7.10*

1017

99.000

0.20

21-4*

0.093

10.72

8.1300

7.69*

1017

87.200

0.20

Таблица1 *-образец перекристаллизован два раза

Анализрезультатов позволяет сделать некоторые выводы о зависимости от параметров:

1)

В образцах, которые были перекристаллизованы два разаощутимо меньше удельная электропроводность r, по сравнению с предыдущими образцами.

2) У этихобразцов выше подвижность, что позволяет говорить о меньшем количествепримесей; о более глубокой очистке при данном методе.

В данныххимического анализа [1],можно видеть:

1)

Содержание всех элементов, кроме бора и фосфора, всырье выше, чем в образцах очищенных кристаллизацией.

2)

Бор и фосфор не изменяют свой концентрации при ростекристалла из сырья, и эта концентрация составляет приблизительно 1017см-3, этот порядок совпадает с порядком величины концентрацииносителей заряда в образцах. Это позволяет сделать вывод, что типполупроводника и концентрацию носителей заряда в нашем случае определяет именнобор и фосфора.

3. Диффузионная длина, фотопроводимость,

время жизни.

Для полного исследования образцов кремния на предметприменимости их в качестве солнечныхэлементов, недостаточно всех вышеупомянутых методов, позволяющих контролироватьосновные электрофизические параметры. Необходимо представлять кинетикупроисходящих в полупроводнике процессов. Основой кинетической характеристикой(7) полупроводниковых материалов является диффузионная длина пробега: длина L на которой d

p или dn уменьшаться в e раз в отсутствии внешнего поля. Прямымметодом это измерить в нашем случае затруднительно из-за большого количествапримесей. Поэтому наша задача измерить время жизни неравновесных носителейзаряда t.

3.1 Понятиевремени жизни неравновесных носителей заряда.

Вполупроводнике (5,7) под влияниемвнешнего воздействия концентрации электронов и дырок могут изменяться на многопорядков. При термодинамическом равновесии действует принцип детальногоравновесия, который говорит:

J

12=J21 (1.1)

При внешнихвоздействиях этот принцип нарушается и появляется компонента J

12’. При этом в зонахпоявляются неравновесные носители заряда с концентрациями:

d

n=n-n0 dp=p-p0 (1.2)

Если вполупроводнике нет электрического тока, то изменение концентрации электронов идырок, при внешнем воздействии, выглядит так:

dd

n/dt = Gn-Rn ddp/dt = Gp-Rp (1.3)

Gn, Gp– означает темп генерации

Rn, Rp– соответственно темп рекомбинации

Дляколичественного описания приводится схема кинетики неравновесных электронныхпроцессов применяется понятие среднего времени жизни неравновесных электронов взоне проводимости и дырок в валентной зоне:

Rn=(n-n0)/t

n Rp=(p-p0)/tp (1.4)

Иначе говоря, 1/t

естьвероятность исчезновения одного избыточного заряда из одной зоны в единицувремени в следствии рекомбинации

dd

n/dt = Gn-dn/tn ddp/dt = Gp-dp/tp (1.5)

Стационарныеконцентрации неравновесных носителей заряда, устанавливающиеся последлительного воздействия внешней генерации, равны

(d

n)s =Gntn (dp)s = Gptp (1.6)

Величины t

ntpзависят от физических особенностей элементарных актоврекомбинации электронов и дырок. При этом tnи tp, вообще говоря, могут сами зависеть от неравновесных концентраций dnи dp, а также от температуры. Поэтому tnи tpне являются характеристиками данного полупроводника,но зависят еще от условий опыта. Если dn=dp, то и времена tntpравны, и мы имеем единое время жизни электронно-дырочных парt=tn=tp.

3.2 Понятие фотопроводимости.

Простейший способ создания неравновесныхносителей заряда состоит в освещении полупроводника. Возникновениенеравновесных носителей проявляется в изменении электропроводностиполупроводника (фотопроводимость). Электронные переходы при оптическойгенерации могут быть различными. Если энергия фотонов hw

³Eg, тенеравновесные электроны и дырки образуются вследствие возбуждения электронов извалентной зоны в зону проводимости (собственная оптическая генерация,собственная фотопроводимость). Однако при наличии примесей фотопроводимостьможет возникать и при hw£Eg. Оптическая генерация электронов и дырок обязательносопровождается дополнительным поглощением света. Собственное поглощение света,наблюдается при hw³Eg исвязано 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 большепоглощения в примесной зоне.

Темп оптической генерации связан скоэффициентом поглощения света

G=u

(w)g(w)I(x) (2.1)

u

(w)-квантовыйвыход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей заряда, рождаемых всреднем одним поглощенным фотоном

I(x) — монохроматический световой поток, рассчитанный на единицу поверхности.

g

(w) — коэффициент поглощения света.

В общемслучае gразлично в разных точкахполупроводника (неоднородная генерация). Изменение проводимости полупроводникаобусловлено тем, что при освещении изменяется как концентрация электронов идырок, так и их подвижность. Однако относительное влияние обоих этих причинможет быть весьма различным. Действительно,возникающая в результате поглощения пара электрон-дырка получает некийквазиимпульс и энергию (hw

-Eg).Пусть, для простоты, энергия передается толькоодному из фотоносителей, скажем электрону (что имеет место при сильном различиимасс Mnи Mp). Эта избыточная энергия затем растрачивается вследствиевзаимодействия фотоэлектрона с решеткой, и через некоторое время, порядкавремени релаксации энергии tе, средняяэнергия фотоэлектрона принимает значение, соответствующее температуре решетки.Аналогично, равновесное распределение квазиимпульса фотоэлектроновустанавливается за время порядка времени релаксации импульса tр. Если tе<<Tn, где Tn-времясуществования фотоэлектрона в зоне, то фотоэлектроны успевают“термализоваться”, т.е. приобрести такое же распределение по энергиям иквазиимпульсам, как и равновесные электроны. В этом случае подвижности неизменяются, а фотопроводимость обусловлена только изменением концентрацииэлектронов и дырок и равна

d

s=e(mpdp+mndn) (2.2)

Если,напротив t

е³Тn, то за время своего существования фотоэлектроны неуспевают термализоваться и при освещении изменяются и концентрации фотоносителей,и их подвижности.

dd

s/dt = e(mp+mn)g-ds/tфп. (2.3)

где t

фп=(mpdp+mnsn)/(mpdp/tp+mpdp/tp) (2.4)

Изуравнения 2.3 видно, что характерное время t

фп есть время релаксации фотопроводимости, которое определяеттемп установления и затухания ds.

Встационарном состоянии фотопроводимость (d

s), равна

(<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-fami

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике