монокристаллов кремния (1), теллурида кадмия (2), арсенида галлия (3) и фосфида индия (4) от длины волны падающего излучения при комнатной температуре

Коэффициент поглощения а материала связан с его показателем поглощения k соотношением α=4πkλ. Таким образом, измеряя интенсивность оптического излучения, прошедшего через полупроводниковые образцы различной точно измеренной толщины, можно определить значения k и α данного вещества.

На рис. 2.1 представлены зависимости коэффициента поглощения а от энергии фотонов падающего излучения двух наиболее часто используемых в полупроводниковой фотоэнергетике материалов — кремния и арсенида галлия, а также двух других перспективных материалов — теллурида кадмия и фосфида индия. Именно из этих материалов получены наиболее эффективные современные солнечные элементы. На рис. 2.1 результаты измерений приводятся для монокристаллических полупроводниковых материалов при комнатной температуре.

Столь очевидные отличия спектральных зависимостей коэффициента поглощения рассматриваемых полупроводниковых материалов объясняются различием в их зонной структуре и характере оптических переходов. В арсениде галлия (так же как в теллуриде кадмия и фосфиде индия) осуществляются сразу прямые оптические переходы зона— зона: поглощение резко увеличивается при появлении в спектре излучения фотонов с энергией, превосходящей ширину их запрещенной зоны, и коэффициент поглощения а быстро достигает значений 104—105 см-1. Поглощение в кремнии (в основной полосе) начинается с непрямых переходов при 1,1 эВ с участием как квантов света, так и квантов колебаний решетки — фононов, коэффициент поглощения растет сравнительно медленно (до значений 103—104 cм-1)× Только при энергии фотонов около 2,5 эВ переходы зона — зона становятся прямыми: поглощение резко возрастает.

Для германия также характерны непрямые оптические переходы, начинающиеся при 0,62 эВ (коэффициент поглощения от 1 до 102 см-1), и только при энергии фотонов более 0,81 эВ основное поглощение определяется прямыми переходами.

Следует отметить, что значения термической ширины запрещенной зоны полупроводников, рассчитываемых по рассмотренной выше температурной зависимости электропроводности, близки, как правило, к значениям оптической ширины запрещенной зоны, определяемым краем основной полосы поглощения, совпадающим с началом непрямых оптических переходов зона — зона.

Спектральные зависимости коэффициента поглощения (см. рис. 2.1) показывают, что, применяя кремний, можно использовать для преобразования в электрический ток большую часть солнечного спектра (излучение с длиной волны 1,1 мкм и короче), т. е. более 74 % энергии внеатмосферного солнечного излучения. Для арсенида же галлия фотоактивным (способным перебросить электроны через запрещенную зону) является излучение с длиной волны 0,9 мкм и менее, и в силу только этого ограничения лишь 63 % энергии Солнца во внеатмосферных условиях может быть преобразовано в электрическую. Однако из-за непрямых оптических переходов и малых значений коэффициента поглощения в области края основной полосы поглощения толщина кремниевого солнечного элемента, поглощающего все фотоактивное излучение, должна быть не менее 250 мкм, в то время как аналогичная толщина солнечного элемента из арсенида галлия может составлять не более 2–5 мкм. Эту особенность спектральных характеристик поглощения необходимо учитывать при разработке высокоэффективных и дешевых тонкопленочных солнечных элементов.

Если энергия фотонов падающего излучения настолько мала, что они не могут перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости, то под воздействием излучения электроны могут совершать переходы внутри разрешенных зон, Это отразится на спектре поглощения в длинноволновой области непосредственно за краем основной полосы поглощения полупроводника. Данный вид поглощения, получивший название поглощения свободными носителями, проявляется тем сильнее, чем выше концентрация ионизированных примесей и, следовательно, свободных носителей заряда в полупроводниках, а также чем больше количество свободных носителей, инжектированных в полупроводник под действием света или электрического тока.

Изучение спектров поглощения длинноволнового излучения в полупроводниках привело, как уже указывалось, к обнаружению еще нескольких видов поглощения: на колебаниях решетки; примесного; экситонного, связанного с возбуждением пары электрон — дырка, однако не влияющего на концентрацию свободных носителей заряда, в силу того что по кристаллу в этом случае движется возбужденное состояние, а не отдельно электрон и дырка.

Спектры поглощения дают обширную и полезную информацию о структурных особенностях кристалла, о степени его легирования, позволяют определить энергию активации примесей и, следовательно, положение занимаемых ими в запрещенной зоне энергетических уровней. C помощью спектров поглощения удается исследовать даже столь тонкий эффект, как присутствие в кремнии растворенного кислорода (благодаря характерной для него полосе поглощения при 9 мкм), и определить концентрацию кислорода в кремнии.

Коэффициент отражения полупроводников в области основной полосы поглощения практически не зависит от степени легирования примесями, ионизирующимися при комнатной температуре, однако в длинноволновой области спектра наблюдается резкий рост коэффициента отражения с увеличением количества таких примесей и, следовательно, концентрации свободных носителей в полупроводнике, что позволяет получить из результатов оптических измерений дополнительную информацию об электрофизических характеристиках полупроводника.

Спектральные зависимости коэффициента отражения кремния, легированного сурьмой, мышьяком и фосфором, с концентрацией свободных носителей заряда (электронов) от 7,4×1018 до 1,67×102° см-3, и арсенида галлия, легированного цинком, с концентрацией свободных носителей заряда (дырок) от 1,7×1019 до 1,5×1020 cм-1, представлены на рис. 2.2, где хорошо видны положение минимума на спектральных кривых отражения от поверхности кремния и арсенида галлия и зависимость длины волны минимального отражения от концентрации свободных носителей.

Рис. 2.2. Спектральные зависимости коэффициента отражения кремния, легированного фосфором (а), и арсенида галлия, легированного цинком (б), при различной концентрации свободных носителей заряда — электронов (а) и дырок (б)

1–1,67 × 1020 см-3;

2–1,02 × 1020;

3–4,38 × 1019;