Книга: Расчет Кремниевых Солнечных Элементов

Распознанный текст из изображения:

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИИ ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Утверждено учебным управлением МЗИ в качестве учебного пособия

для студентов

ПО Е'у ~)СУ

РЛСЧГГ И КОНСТРУИРОВЛНИЕ

ПОЛ УП РОВОДН ИКОВЫХ ЗЛ ЕМНПОВ РАСЧЕТ ЕРЕМ 1 АЛИЕВЫХ СОЛ11Е П1Ь1Х

ЗЛ ЕМ Е НПО В Москва

Распознанный текст из изображения:

621,383

С 794

УДК 621.383.8

Расчет кремниевых солнечных элементов. Степанов Г. П.,

Петров О. Б./Под ред. А, Ф. МОН11хова.— М.: Моск. энерг.

ин-т, 1989. — 128 с.

Настояшее пособие содержит основные соотношения, необходимые

' 'работчику при проектировании полупроводниковых солнечных элемен-

тов на основе монокристаллического кремния, дана краткая характ р

ка основных параметров кремниевого солнечного элемента на основе рас-

смотрения физических процессов, протекающих в его полупроводниковой

структуре. Описана взаимосвязь электрических параметров солнечного эле-

мента с р ~ р'

па аметрами полупроводниковой структуры и основными техно-

анализа

ЛОГ ическими факторамп процесса его изготовления. На основе

па амет-

Э'ГОИ В заимосвязи показано как по данным классификационным пар .

рам солнечного элемента производится расчет основных технолог "

факторов того процесса, в ходе которого формируется полупроводниковая

структура кремниевого солнечного элемента,

Пособие предназначено для студентов старших курсов, готовящихся

стать инженерами электронной техники.

Рецензенты:

канд. физ.-мат. наук, мл. научи. сотр. В. А. Лигачев,

канд. техн. наук В, 1'1. Красовский

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И КОНСТРУКЦИЯ

СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Вни~а~~е ~сследователеЙ многих стран уже дави~ привлечено к разработке эффективных средств преобразования солнечной энергии в энергию электрическую. Появление первьгх солнечных элементов (СЗ) в конце 50-х годов открыло широкую перспективу практического использования полупроводников в качестве генераторов электрической энергии различного назначения, Сегодня никому не кажется необычным использование солпечноЙ энергии, например, в автономнь1х источниках питянн51 радиоэлектронной аппаратуры, средстВ навигации и связи, в солнцемобилях, солнечных домах и самолетах, в бытовых электроприборах, в фотоэлектрических станциях и т. д.

Од1изко ~о~дан~е стабил~ных В эксплуатации, Дешевых и высокоэффективных СЗ представляет собой актуальную задачу и на сегодняшний День, так как она вбирает в себя самые последние достижения физики, химии, математики и

ЭКОНОМИКИ.

Решение этой комплексноЙ и внутренне противореч~воЙ задачи возможно лишь на основе такого физико-математического описа~и~ ПОлупровОДНИ~ОВОЙ структуры СЗ и технологи- ческОГО процесся еГО НЗГОтовления„ которое позВоляет адекватно решать как прямую задачу (т. е, задачу анализа)— когда требуется рассчитать основные параметры СЗ по заданным Физико-Геометрическим параметрам полупрОВОднпковой структуры СЭ и параметрам технологического процесса ее изГотоВления, тяк и Обр11тиую задачу (т. е. Задачу син" теза) — когда по заданным классификационным параметрам СЗ требуется рассчитать основные электрофизические и геометрические параметры полупроводниковой структуры СЗ и по ним наЙти основные факторы технологического процесса

ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

Распознанный текст из изображения:

Вторая задача намного сложнее первой, но именно ее приходится чаще всего решать на практике технологу и конструктору полупроводникового прибора.

В настоящее время обе задачи с достаточной для практических целей точностью могут быть решены методами инженерного расчета. При этом особенно эффективны~ оказывается использование персональных мгн ро- н мини-ЗВМ, резко увеличиваюцтих Возможности инукеперов электроннои техники при решении задач технолоГическоЙ ЙОдГОтОВки и проектирОВяния кяк нсточников электрическоГО тока, тяк и друп1х полу~роводниковых приборов и устройств.

реход) располагается внутри полупроводникового кристалла

1рис. 1.2). Рассмотрение припцппа действия СЗ целесообраз-

но начинать с анализа процессов в неосвещенном р — л пере-

ходе.

Фотовольтаические эффекты представляют собой явлений, в которых свет создает напряжение, наводимое на Отдельных частях полупроводникоВОГО кристалла. Ня самом деле свет в полупровод~и~~ со~д~е~ ~ол~~о избыточную концентраци~о свободных носи*елеЙ ~~р~д~. Зти свободные носителп, двигаясь под деЙс~вием локальных полеЙ, пространственно разделяются и накапливаются, создавая объемные заряды. Фото-ЗДС возникает за счет такого отклонения от того термодпнампческого равновесия, в котором находится

ПОЛУПРОВОДНИК ДО ОСВЕЩЕНИЯ.

Разность потенциалов устанявлпвяетсн В результате движения фотовозбужденных носителей заряда под действием различных полей. Внутренние локальньге электрпческие поля могу~ быть обусловлены:

1) легнрованием донорами и акцепторями различных об- лястеЙ полупроводниковой структуры (т, е. Созданием р=н перехода);

2) изменением химического состава полупроводника (т, е. изготовлением гетероструктур) „

3) комбинацией двух первых (гетеро р — п переходы).

В настоящее время наиболее широко используемыми являются СЗ на основе монокристаллического кремния. Их работа ОснОвана на фОтОВОльтаическом эффекте В кремниевых структурах с р — и переходами.

Простейшая конструкция кремниевого СЗ представляет сОбОЙ ОбыкнОВенную ДКОДную структуру — систему из ДВух р — н а — типа полупроводниковых слоев, находящихся в тесном контакте друг с другом (рис. 1.1), Граница между областями с противоположйыми типами проводимости (р — а пе-

Рнс, 1.1, Простейшая конструкция сол-

нсппого элемента

Приведение в контакт электронного и дырочного полупроьодников (рис, 1.3) вызывает интенсивный обмен подвижными носителчми заряда между ними. Концентрация свободных

! !

!

'~,9 ~ ~тп а) б) Рнс. 1.2. Схема расположеннн р — и перехода внутри полупроводникового матернала и перпенднкулярно н

б параллельно падаютнену свету электронов В полупроводнике п-типа, ле~ирован~ым донорноЙ примесью выше, чем В полупроводнике р-типа, легированым акцепторной примесью, а концентрация дырок в полупроводнике р-тнпя Выше по сравнению с полупроводником д-типа, зя счет разности концентраций элект1зоны нз полуп1товодннкя й-типа диффунднруют В прОВОднцк Р-типа (первая сОстяв-

Распознанный текст из изображения:

/ . )ПЛ!

-се

ляющэя диффузиОИИОГО тока че~)ез Р— В переход), Остав.!1яф':;.;,

!!риконтак)но!1 Област!1 31!ектронного полупров!)дпика не-', скомпенсированнып поло)кцтельныЙ 331)яд неподвихкных ионои::.;:

е. ! Д вЂ” -Ъ-!

!

Рнс. 1.3. Контакт электронного н дырочного по-

лупроводников

доиорной примеси. К аналогичному эффекту приводит диф-

фузия дырок в полупроводнике и-типа из полупроводника::

р-типа (вторая составляющая диффузионного тока через

р — и переход); в приконтактном слое дырочного полупровод-

ника возникает нескомпенсированный отрицательный заряд:

неподвижных ионов акцепторной примеси. Следовательно, по .:

об~им сторонам металлургического перехода образуется двой-

ной заряженн!ыЙ СЛОЙ: Отрицательного Об~емного заряда со:

стороны р-Области и положительного объемного заряда со,.::,

СТОроны и-Области. Этот днпольныЙ Объемный заряд приво-

дит к Образованию контактнОЙ разности потенциалов 1рк н,

-электрическОГО поля с мэксимумОМ нэ металлурГическом р" — и 1гереходе (1)ис. 1.4), На лк)боЙ электро!1, тем пли ит1ым способом попавщий в область объемного заряда, со стороны этого поля действует сила, стремящаяся Вытолкнуть его В !1-!)б,:!!!Ст), а дырку — наоборот, в р-область, что вызывает иротекапие двух составляющих дрейфового тока через переход В направлении этого поля навстречу диффузионному току, !аким Образом, элект!)Нческое поле ДВОЙИОГ1) слОя ОоъемНОГО заряда щ)отиводе1!ствует процессу диффузии. Преиму-

Рнс. 1.4. Координатная аавнаи!ость напри)кенно-

стн электрического поля в р — и переходе

щественное перетеканне зарядов за счет преВалировэния диффузионнОГО или дрейфОВОГО тОкОВ прек1)атнтся после ВВ1- рэВнивэния положений урОвня Ферми В Р- и п-областях, т. с, ~о~да начнет соблюдаться равенство

где хр — контактная разность потенциалов, В;

тр„, !р„— потенциал уровня Ферми в р- и а-полупроводни-

КЭХ) Вр

д — заряд электрона, Кл.

В этом случае при отсутствии освещения р — и перехода в нем устанавливается стационарное ~не зависящее от времени) состояние. равновесия. Поле контактной разности потенциалов искривляет энергетические зоны в пределах р — и перехода, Там )ке„ где поле отсутствует, потенциал постоянен

Распознанный текст из изображения:

и искривления зон зз пределами перехОднОЙ Области нет (рис. 1,3, б).

Перепад в положениях уровня Ферми и соответствующая ему величина Конта~~ной разности ~отенциалов завис~т От температуры и степени легирования полупроводникового материала по Обе Стороны от Р— )т Перехода. Это, с Одной СТО- роны, открывает широкие возможности по направленному изменению свойств р †)1 перехода, а с другой — определяет достаточно сильную зависимость его оптических и фотоэлектрических характеристик от внешних условий.

Солнечное излучение, падая на поверхность описанной полупроводниковой структуры СЗ с р — и переходом, генерирует (в основном вблизи освещенной поверхности) пары электрон †дыр, Генерация избыточных носителей заряда приводит к нарушению состояния равновесия полупроводниковой структуры СЭ, в котором она находилась при отсутствии освещения. За счет процессов рекомбинации, когда освещение СЭ прекращается, его полупроводниковая структура вновь

ПРИХОДИТ В РВВНОВЕСНОЕ СОСТОЯНИЕ,

Согласно зонной модели полупроводников генерация электронно-дырочной пары означает, что какой-либо из электронов валентной зоны переводится в зону проводимости (механизм «зона--зона»). Для осуществления этого процесса необходимо затратить энергию, не меньшую, чем ширина запрещенной зоны данного полупроводника (в.-). При генерации светом этз энергия доставляется поглощенным в полупроводнике фотоном. Энергия фотона (е, эВ) СВЯзана с его частотон (У, Гц) соотношением

е= Ьг„ (1.1) где й — постояннаЯ Планка, эВЛ'ц.

Следовательно, генерация электронно-дырочных пар возможна л)1ц)ь при частоте Света ~, бОл~шей, чем кг)и*ическая частота У», котораЯ Равна

Поскольку щ)и частотах, меньших уо, пОГлОщение в полупроводнике света„сопрОВОждзк)щееся Генерацией пзр элект1)он-дырка практически Отсутствует, то ГОВорят, что э'1'3 частота соответствует краю поглощения. Длина волны света (к, м) связана с частотой соотношением

— света В Вакууме 'ц/с Этому краю поглощения соответствует длина волны

йс 'в = — ' (1.4)

'х

Очевидно, что чем меньше ширина запрещенной зоны по,1упроводника (е,), тем большая доля солнечного света поглощается в нем. На рис. 1.5 приведены зависимости количества 1енерируемых электронно-дырочных пар от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала. Рис. 1.5. Зависимость количества генерируемых светом электронно-1ыроиных пар от ширины за- 1)решенной воны нолунрово)11)иковых материалов Падающее на рабочую поверхность СЭ солнечное излучение различных длин ВОлн Х (причем К< 1.о, или, что тОже

;1мое т ='то) пРоникает в полУпРоводниковУв стРУктУРУ на 1'1, „нув; убину ( О Ольку ОследнЯЯ .ущественно 3 С1ГГ ОТ ЭНЕРГИИ ФОТОНОВ) И, ПОГЛОЩВЯСЬ, ГЕНЕРИРУЕТ НЕРЗВНО1птсньье пзрь1 электрон — дырка, концентрация кото1)ых знзчи- 1С зьно снижается От ОсвещенноЙ поверхности Внутрь полу- ПРОВОдНИКОВОЙ СтруКтурЫ, т, Е, В НапраВЛЕНИИ ОСИ Х (рИС. 1.6).

Г1ри условии, что каждый поглощенный полупроводником квант света рождает В нем одну пару электрон-дырка (принято говорить, что в этом случае квантовый выход внутрен- неГО фотОэффекта ~ равен единице), можно Определить число рожденных пар (6, и эс ') на глубине х из следующей фор-

Распознанный текст из изображения:

~с .:.",' 1 ей~..'и

Ф.

~~ -„ф

/

=.3

д 11) Л',т.', мкм

',' ~))ф

мулы (в случае освещения монохроматическим светом, т. е.':

СВЕТОМ ОДП011 ДЛИНЫ ВО,!НЫ 1.)

6 (х) = ао а ех)) ( — ссх) „ (1:)

Р-),

ГДЕ Я(), — М " С-

— м " с-' — число фотонов падающих на единицу':

поверхности С3 в единицу времени; Р„вт.м ' — мощносгь '

монохроматпческого света, падающего на единицу поверхно-:

сти; н, м-' — коэффициент поглощения данного полупроводни- .

ка, зависящий от К.

Рис. 1.6. Распределение числа созданных светом рааиой длины волны нар элеит1)ои — -дн)рка по слубине кремниевого солнечносо элемента

Функцию 6()с) обычно называют функцией Генерации, Дальнейшая судьба рожденных пар носителей заряда, зависит от их диффузионной длины Е=~% (и, соответственно времени жизни т) в данном полупроводнике. Если она: достаточно велика,. то созданные светом избыточные пары: носителей ЗЯрядЯ подойдут зэ счет процесса диффузии к Об-', ласти объемного заряда р — а перехода и- будут разделены его 'внутренним электрическим полем: неравновесные электроньг из р-области будут переброшены в и-область, дырки из: )т-области — в р-область.

В результате такого разделения в а-области полупровод ника накапливаются избыточные электроны, а в р-области

избыточные дырк~ (в ходе описанного процесса разделения Внут()синим электрическим полем ()ожденных сВегс)м носите,1ей зарядя, нц)авновесиые неосновные носители 3':1()ядя становились основными) Зто приведет к появлению на внешних металлических электродах к р- и н-областям полупроводникового кристалла разности потенциалов, называемой фото- ЗДС, кото1)ая вызо~ет про~ек~ние тока через 11одключаемое

К ЭЛЕКТРОДЯМ НЯГ()УЗОЧНОЕ СОП()ОТИВЛЕНИЕ ~нэс,

Рис. 1,7. Прпнпин работы солнечного элемента

Таким образом, полупроводниковая структура СЭ играет роль своеобразной «помпы», «перекачивающей» электроны в а-область через внешнюю нагрузку и обратно к омическому контакту с р-областью.

Концентрация образованных светом и разделенных электрическим полем р — и перехода избыточных носителей заряда, а следовательно и величина фото-ЗДС зависят от интенсивности светового потока и величины нагрузочного сопротивления )с'„„, включенного во внешнюю цепь СЗ.

Если цепь СЭ разомкнута, т, е. Йн;ц =ею (режим холостОГО ХОДЯ), как это показано на рис, 1.7,Я, то Все избыточные но-

Распознанный текст из изображения:

сителн заряда, разделенн~ые электрическим пОлем Р— л пере-,:

хода, скапливаются у р — а перехода и на максимально воз-

можную Величину ком пенсирук)т потенциальный барьер на

переходе, создавая максимальное значение фото-ЭДС, равное

напряжению холостого хода У,, Теоретически максимально

достижимое значение фото-ЭДС представляет собой высоту

потенциального барьера на р — л переходе, определяемой как

гр;;, которая в свою очередь в пределе (при легировании р- и

а-областей до состояния вырождения) равна ширине запре-

щенной зоны данного полупроводникового материала. На

рнс. 1.7, чтобы не усложнять схему, условно изображено скоп-

ление равновесных носителей заряда в виде только тех носи-

телей, которые создают потенциальный барьер.

Если же СЭ замкнут накоротко, т. е. Р,„г=О (ре)ким ко-

роткого замыкания), как показано на рис. 1.7, б, то избыточ-

ные разделенные полем носители заряда будут иметь воз-

можность циркулирования через эту короткозамкнутую цепь.

создавая максимально возможное значение генерируемого СЭ

тока — ток короткого замыкания 1„-,. При этом у р — и пере-

хода никакого скопления избыточных зарядов не возникнет.

Потенциальный барьер будет иметь ту же величину, что и

в отсутствии освещения (рис. 1.7,а), а значение фото-ЭДС

СЭ в этих условиях будет равно нулю.

Если СЭ замкнут на какое-то конечное сопротивление на-

грузки Л„аг. как показано на рнс. !.7, в, то часть разделенных

переходом избыточных носителей заряда затратит свою энер-

ги!О на снн)кение Величины потенциального барьерд у Р— п пе-

рехода (т, е, на создание напря)кения Рва,), а оставшаяся

часть избыточных носителей создает ток через нагрузку.

Однако не вся энергия света, падающего на рабочую по-

Верхность СЭ, расходуется на генераци)О пар электрон-дыр-

Ка И ВЫДЕЛЯЕТСЯ На НВГРУЗКЕ анас.

На рнс, 1,8 изображена диаграмм~ энергети~)еск11Х потерь

в СЭ при преобразовании падающего света в электрическую

энерги1О В резульгате различ)1ых физико-элтктрическнх про-

цсссоь, которая позволяет судпт1 о значении КПД СЭ,

ПО ха1)актеру потерь целесообразно Объединнть их В трн

группы: световыс пОтери, потери по току и потери по

напряжени)О,

Световые Потери представляк)т собой часть пОлнОЙ эне1)-

гии света„падающего на СЭ, которая теряется в результате.

— иефотоактивного поглощения полупроводником квантов

света с энергие11 (и), меньшей ширины запрсщенноц зоны

(в,) для данного полупроводникового материала, которые не приводят к генерации электронно-дырочных пар, Энергия нефотоактивных квантов света рассеивается в основном на теп-

ЙО.Х 3 еврея Рва//Омам и 1 1 сг1ж 7 Р и„; я . лтуиро~дэр~~~ р д Рис. 1.8. Диаграмма потерь энергии в солнечном элементе прп пре-

образовании энергии нада»ощего света в электричсскук» .И)вых колебаниях кристаллической решетки полупроводника;

— ~о~~ощения ~~~нтов света с эн~рг~ей В~~в„которые проходят сквозь полупроводниковую структуру СЗ и поглощаются на его тыльном контакте;

Распознанный текст из изображения:

— отражения света от рабочей поверхности СЭ, которое определяется коэффициентом Отражения ф ) для данного полупроВОдниковоГО материала, Величина кОтороГО может быть существенно уменьше~а (а по~ери ~нергии на Отраже-' ние — значительно снижены) нанесением на рабочую поверхность СЗ однослойных и многослойных просветляющих покрытий.

Потери по таку представля1от собой часть энергии, поглощенной в полупроводниковой структуре СЭ и идущей на генерацию неравновесных пар, которая теряется в результате:

— УТЕЧКИ тОКа ЧЕРЕЗ ШУНТОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СЗ фв,), поскольку в реальных СЗ 0: Р„~с~;

--- рекомбинации генерированных светом носителей зарядов в р — и переходе, в объеме полупроводниковой структуры СЗ и на его поверхности. Последняя составляющая на практике вносит определя)ощий вклад в рекомбннационные потери энергии, Для существенного снижения ее стремятся к максимально Возможному (за счет хнмическОГО или химико-динамического травления) удалению с поверхности полупроводниковых пластин слоев, механически нарушенных и деформированных в результате проведения предыдущих операций. Этим достигается значительное снижение плотности эффективных пентров рекомбинации на фронтальной поверхности полупроводниковоЙ структуры СЗ. При этом предпо)тение следует Отдавать кислОтным травителям„а не щелочным, так как послсдппе боль1пе заГрязня10т травиму10 поверхност1э, н созда)от поверхность с больн)еЙ скоростьк) нове()хностно)1 рекомбинации.

Для сохрапе11И11 на ()або~)СЙ Г11)верхности СЭ ~алоЙ плотности центров рекомбинации ее сразу после травления и тщаТел~ной Отмывки ~окры~аю~ специальной защитноЙ пленкой или наносят просветля10щее покрьГГие.

11отери ио нааряженик) являю:ся частью энергии генерированных светом пар носителей заряда, разделенных р--п переходом, которая те()яется В результате:

~~у~р~~~~ных переходов носителеЙ ~~р~д~ после прохождения их через потенциальные барьеры, существующие в полупроводниковой структуре СЭ (потенциальные барьеры на контакте металл-полупроводник, па ~) — и и изйтипных Р+ — Р или и+ — л переходах)„

— протекания носи~елеЙ заряда через последовательное сопротивление СЗ (ив),

.1ф

)) — Чсвт)гт) и1

~' ~,~ЗМ, 1Х

б

— эффективность процессов преобразования энергии света в СЗ с учетом световых потерь;

~~в ~

~ Р)~й

1)

~нвг ~

о 1

— эффективность процессов преобразования энергии света в СЭ с учетом потерь по току;

айвз ~ Н1~"' о

113ввр ~ РМ Л

О

— эффективность преобразования энергии света в СЗ с учетом потерь по напряжению;

~ е„фЖ-, аХ

о

вв — ШИрИНа ЗВПрЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ДЛЯ ПОЛУ.

провод11ика;

к~ энергия не))авновесных пар носителей

зарядов, Ге)1ерпровапных светом; ~ — контактная разность потенциалов; вв — разность потенциалов на р — и пере-

ХОДЕ",

вг.' НапРЯжЕНИЕ 1ГВ НБГРУЗКЕ'

1. — длина БОлны падающего излучения;

Рв — СПЕКТраЛЬНВЯ ПЛОТНОСТЬ ПОТОКа ИЗЛУЧЕНИЯ;

н — коэффициент поглощения кремния; Я" — коэффициент Отражения кремния; д — толщина СЗ;

~~~ — квантоВЫЙ выход для внутреннего фО"

тоэффекта;

— коэффициент собирания пар Р— й пе"

рюкодом (раВен Отношению количества

не~)авновесных пар, разделенных ~) — й

Принимая за основную характеристику эффективности пр6- образования энергии падающего на СЭ света отношение всей поступившей энергии, за исключением бесполезно потерянной в результате различных физико-электрических процессов ко всей поступившей энергии, общий КПД СЗ ()~) можно запи- ~ ать в виде:

Распознанный текст из изображения:

по~~ж~~~оЙ В 1-м квадранте, и ее продолжения (1Ч-Й квад-:::; рант), представляющих собой практически прямую линию к: оси токов, Ом;

Р|н — шунтирующее сопротивление (отражает возможные::-: поверхностные и Объемные утечки тока по паразитным сопро- ", тивлениям, подключенным параллельно р — а переходу). Зна-:,. чение К характеризует наклон части световой вольт-ампер-.'-: ной характеристики, расположенной в 1-м квадранте и ее про-:. должение (11-Й квадрант), представляющих собой практиче- ". ски прямую линию к Оси напряжениЙ, Ом.

3. Электрофизические и геометрические лараметры, характеризующие физико-геометрические свойства полупроводниковой структуры СЗ:

а — коэффициент поглощения оптического излучения по-:::. лупроводниковым материалом, па основе которого изготовлен СЗ, безразмерная величина;

1н;,,/Р— спектРальнаЯ чУвствительность СЗ, А/Вт (лю-: мен);

Рнпх — — УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО МЗТС

РИЗЛЗ (ИЛИ Л нпу КОНЦЕНЦ) ЗЦИЯ ЛЕГИРУЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ИС

ходном полупроводнике, м-'), из которого изготовлен СЗ, Ом см;

~„, Е, — диффузионные длины неосновных носителей заря- .,; да„соответственно дырок в л-области и электронов в р-обла- ) сти, м (или т~, т„— Времена жизни неосновных носителей '. заряда, с);

д — толщина полупроводниковой структуры СЗ (и ее От- '.

ДЕЛЬНЬИ СОСТЗВЛЯЮЩИЕ д,,о+ ду дн И Й ) М ~

Аподн полная Освещаемая площадь полупрОВОдникОВОЙ ст13уктуры СЗ,М'-' (после нанесен~я токосъемноЙ ~он~~ктноЙ; сетки на рабочую поверхность плайарного СЗ значение пло-,

ЩЗДИ ЗЛЕМЕИТЗ, ЗЗНЯТОЙ КОНТЗКТНОП СЕТКОЙ рЗВНО Ан, ЗНЗЧЕ- .

ние рабочей площади СЗ, свободной ог контактной сетки ,': равно А„.;, причем А„„,„=Ар„6+А,);

д„аппп — ~~лщи~а ианесенногО на рабочую ~о~ерхность СЗ;,.: металла и просветляющего .покрьпия, м;

Р" — коэффициент отражения. падающего на СЗ оптичес- . кого излучения от его рабочей поверхности;

бь 6~ — геометрические размеры ~онта~~н~х ~олос" токосъемной сетки планарного СЗ (рис. 1.11) заданной топо- -',

ЛОГИИ, М.

4. Технологические факторы, т, е. параметры, характе-'::: ризующие технологический процесс из~о~ов~ени~ СЗ.

Распознанный текст из изображения:

Эта группа включает В себя входные и управляющие параметры основных технологических операций (ТО), в ходе которых формируется полупроводниковая структура СЭ: Т; — температура проведения 1-й ТО, К; ~; -- время проведения !'-й ТО, с; и т. и. (подробнее об этом СМ. В ГЛ. 4).

Для целенаправленного В«)здеЙС) Вця на С~ОЙСТВа СЭ ц«'льк) созданиЯ Высокоэффективных преобразователей сол- цечцОЙ э1и.ргци Б электрическую 1геобходнмо четко представлять !«Вртицу существук)щнх связе)! между Основными параметрамц СЭ. Наиболее удобно эти связи анализировать ца Основе многоуровневой физик0-аналцтич('ской модели СЭ» блок-схема которой изображена на рис. 1.10.

Структура ФЛМ СЭ соево~~ из четырех Взаимосвязанных уровнеЙ: — уроВень классификационных цараме'!ров С ) (1 Ь,11), — уровень электрических параметров СЭ (11 — ЭП);

-- уровень электрофизцческцх ц геометрических паре!метров СЭ полупроводнпковой структуры СЗ (111---ЭФГП); — уровень технологических факторов (1")' — ТФ). В 1гастояшее Время Б качестве основной для СЭ цз монокрцст(!Л.»!Пческого кремния с Гомогенным Р--л переходом, работающим прц сравнительно небольших концентрациях сол-

/'7»» Р(!е. 1.11. Тннн»!ная нолунронод(!)(((Оная е)р))(ттра еолнечног<)

элемента нбчнОГО излучения яВляется планарная конструкция (Р— и пе реход располо)кен перпендикулярно падающему солнечному

излучению ца основе и+ — р — р+ (или р+ — п--п+) структуры с изотипным р — р+ (или а — и+) переходом. На рис. 1.11 схематически изображены поперечный разрез и вид сверху плацарного СЭ. Основой такого элемента является пластина монокристаллического кремния толщ;!НОЙ 200 — 500 мкм, что Определяется технологическими и конструктивным требованиями. Верхняя 1, обращенная к падающему солнечному пзлученнк), полупроводниковая ооласть СЭ, ~в~~е~~~ сильно- легированной (до предельной растворимости ато,.ов примеси Б кремнии (10~0 — 102' см а). Столь высокая степень лсгироВания необходим для уменьшения последовательного сопротивления и переходного сопротивления металл-полупроводник, .Г(иффузион)!ая длина неосцОВных носителеЙ заряда при такоЙ степени легирования обычно составляет доли микрометра (0,2 — 0,6 мкм), Столь малая диффузио(цьая длина неосновцых носителей заряда в сильнолегированном слое является одной из причин мелкого залегания р — и перехода (у современных СЭ в интервале 0,3 — 0,6 мкм).

Однороднолегированная базовая область 2 СЭ имеет про1цвоположный тип проводимости и легирована сравнительно слабо — до концентрации атомов примеси 10'6 — 10" см-а что бы обеспечить достаточно высокие зцачения таких параметров СЭ, как максимальная рабочая температура (Т!»»е„„„) ц напря)кение холостого хода (У,,). При этом дпффузион!Гая дли- !1;! НСОснОВных носитслеЙ зарЯда В базОБОЙ Обл(!с'1'и В этнх условиях составляет 100--2:)О м км.

Прн создаииц ко!С«актов к СЭ конструкторы ц технолоГи 1!1) цбор!! уд(»ля к)т:1н(1ЬИ1т('.;1ЬНО«' Внцм анис физи'1сскОму сОстОЛ- ццю прцконтактной области полупроводниковой структуры (.,Э (глуб)!На м(»хацичсскц ц;11)) шеиного приповерх)!Ост((ого слоя. Степень (.е лсгирования, Градиент концентрацци атомОВ 1!1» пмеси н 1 1 ранице» базы с прцк«)нт((ктнои Об»(аст( к) ц '! д ) 0«»(ольку эт«) опред(»ля(»"1 элскт рофцзцческце своцсгва к«)ц т;!ктов СЭ.

В случае нанесения металлическон !Окосьемц«)Й сеткп не!Госредственно на Бысокоомну)о базовую область СЭ скорость 1!Оьсрхностц011 «)екомбццац)1И (О...,, м с ') ца Границе раздела '-.Металл'-полупроводник» имеет достаточно высокое значение ц црц проведении практических расчетов ее достаточно Обосцованно мо)кно принимать равнОЙ бесконечности, т, е, д;) ()() (контакт чисто рекомбинационного типа).

Для увеличения эффективности работы СЭ и его базоБОЙ об''1ас'Гц сЦ)емятся создать '1'ыльныЙ контакт Отр(!жа)ощего

Распознанный текст из изображения:

типа. Для э~ого со~дается Очен~ ~ОНКИЙ изотипный пере-., ход Б и+ — а (или р+ — р) типа. В результате энергетическая:, диаграмма вышеописанной структуры СЭ имеет вид, изображенный на рис. 1.12, Потенциальный барьер на нзотипном ',' переходе, полученном подлегированием базовой области с::.: Р4!с. 1.12. Зоннпн дизгрзммп солнечного элемента

с нзотнпным переходом ТЫЛ~ИОЙ с~ороны, как бы Отражает неосновные носители заряда от тыльного контакта, увеличивая их эффективную диффузионную длину и фактически, резко уменьшая, сводит к нулю скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела базовый слой — тыльный контакт. Глубина подлегированного до 10'-' — 10""' см '- слоя со стороны тыльного контакта обычно колеблется от 0,2 до 0,5 мкм.

Лицевая контактная сетка СЭ 3 имеет многослойную стРт ктУРУ, поскОлькУ каждый из металлов, ее сОстаВлЯющих, в Отдельности не Обладает ОДНОВременно ХОрОшей проводимостью, малой глубиной проникновения в- кремний, согласоВанными кОэффициентами температурного расширения, прочным сцеплением как с кремнием, так и с другими металлами, с которыми не должно образовываться гальванических пар. Наилучшим материалом для контакта могло бы стать серебро, однако оно имеет плохую адгезию к чистой поверхности кремния, Для ее улучшейня используют промежу~о~ный слой титана толщиной 40 нм, Однако Во влажной среде между титаном и серебром происходит электрохимическая реакция, поэтому между ними для предотвращения коррозии часто вводят слой полладия толщиной около 20нм. Для уменьшения сопротивления контактов толщина слоя серебра должна 2;4

быть достаточно большой (Обычно около 5 мкм). Для умень!!!е!!ия последовательного сопротивления СЭ за счет увели- 1!ЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ТОКОСЪЕМНОН Дорожки дополни',е.!!.По наносят припоЙ на Основе Р5 — Ьп ~олщ~~ой В неско.1!ьно десятков микрометров. Лицевой контакт 3 для снижения ,;Оследовательного сопротивления имеет форму сетки, кон!а!4тные полоски которой в зависимости от степени легирова, пя и толщины сильнолег!!рованного слоя разделены зазором о! 0,03 до 0,3см и соединены общим токосъемом 7. В резуль!; те контактная сетка занимает от 5 до 10% полноЙ плон!ади СЭ.

На тыльноЙ стороне СЗ расположен сплошноЙ металли:!4ский (чаще всеГО ал4оминневыЙ пли никелевый) контакт 4.

11!!ОГда и на тыльную поверхность наносЯт мпОГОслойный !например, Т! — Рс1--А).') контакт.

Поскольку в рабочем спектральном диапазоне (от 0,4 и! 1,1 мкм) коэффициент отражения чистого кремния (Р"„) !рпнимает значение 33 — 54%, го для значительного с!4иже!!Ня ! Го на рабочую поверхность СЭ наносят пленки просветля!о!Пнх покрытиЙ 6, позволяющ~е уменьшить ~ол~че~т~о отра- .кеннОГО и увеличить колич~ство света, проходящеГО ВГлубь !!Олупроводника н участвующего в создании фото-ЭДС. Оптимальное ОДНОСЛОЙное покрытие т!Озво.4!1!ет снизить коэффи- !1,пент Отражения в указаннОм спектральном интервале прн- ~!Срно до 10%, а двухслойное — до 3 %, В качестве просвет-

покрыт~!И используют сл"-!и ~!О2. ~!О ~!Зтч4 А)2О. ! !О~, Та;О,, Уп5, 5пО, МдГ2, СеО и др. Пленки просветляю-

покрытий служат также для пассивацни рабочей поВерхности СЭ и защиты ее от разрушающего воздействия атМОСфЕРЫ,

Для рабОты В условиях высОКОЙ плОтности СОлнечного излучения (до 1000-кратной и выше), создаваемой с помощью специальн!Ых концентраторов сВета, наиболее эффектиВными фотоэлектрическими преобразователями показали себя высоковольтные солнечные элементы (ВСЗ), Их конструкция представляет собОЙ твердотельную матрицу из большеГО числа последоВательнО скоммутироВанных микроэлементов с р — гт переходами> располОженными параллельно падающему потОку света (рис. 1.13). При последовательной коммутации микроэлементов полное напряжение, снимаемое с контактов ВСЗ, равно сумме напряжений на каждом из микроэлементов. Оно может достигать десятков и сотен вольт в зависимости от

Распознанный текст из изображения:

ТРщстйп

хана7ахл7

77е777алплф~7а~ йн ЛЫС 770НГГсоХ77777

Число 7а-л 77еог-,?

/

хасЪд У 7ча7г~7 а~~легч ан7п е

Ханфт урс77и л ,а-77 леаехааТаЮ

Утч-

количества микроэлементов В матрице (типичный БСЭ соде'

жит от 50 до 1000 микроэлементов),

Ц настоящее Время разработаны конструкции матричны

структур с произвольной конфигурацией р — и переходов н""

Рис. 1.13, Типичная полупроволниковая структура ввь

соковольтного 7иатричного солнечного элемента

Р!!с. 1.14, Кпассификапия вин оковопьтнык матричных сгнчнечнь!к

апс7иентов по !нс.ау и коцфигурапии р--и перекопов (Гаесго приап

гане!я контакта к баЗОВОЙ О!тпасти э,тсиента аагпт1тиконано)

Однон или даже пяти гранях микроэлементОВ с последОВатель- НОЙ кОммутацией их В матрице, Онн МОГут быть изготовлены либо на общей подложке, либо набираться из отдельных мик-:: 1зоэпементов механически п электр!! 1ески обьедине11ных металлом КОнтакта. Классифи~ац~я ВСЗ и1!едставлена на рис. 1.14.

:т7 Всех типов НСЗ Н1Н11!И1а базовой Обласгн составляет 100 до 250 мкм, а ш~рина сильнолсгированного слоя.-- От единиц до иескольких деся1ков мик)тометрОВ, При этОм толщина самой матрицы ВС'-7 лежит в пределах 300 —:,;.

1500 мкм, что определяется прочностными характеристиками полупрОВодниковой матрицы ВСЗ;

СОЛТ!це излучает энергик! В виде фо~о~о~, подоб~о абсо-,ютиому черному телу при температуре 5800 К. Как отмечалось в ~ !.3, наибольшей величиной энергии !в=/!т) обг!ада!от фотоны, характеризующиеся в волновой теории света !!анбольшей частотой (или, что тоже самое, наименьшей длиноп волны).

Распределение энергии в непрерывном солнечном спектре весьма неравномерно, и истинная кривая спектральной плотнос!и потока как заатмосферного, так и наземного солнечного излучения, имеет довольно сложный вид !рис. 1.15).

'7,Х .:/а ~~1 7,,~; ! ИИМ

1Ь!с, 1.1 "7, Спектральная ннтенснвиость сОлнечнОГО палучення

- внса гиосфе1т!!Ог~ АХ!11; 2, д, 4 -- атгиосфе1тиого соотвг гствснно

А!т! 1, АМ 1, т, АМ 2

1.!Сновной энергетический интервал длин волн 0,28 — 6 мкм (~ ~к видно из рис. 1,!5, В этом интервале .!включено более

эне11Гип светОВОГО излученпя) соде~хкит следующие Об'!Нсг~! спектра Солнца по Длииам ВОлн: 0,28 — 0,4 мкм — уль'г!'афполетОВВЯ (Фотоны с наибольшей энергие11); 0,4— 1-'., О мкм — видимая и 0,76--6 мкм — инфракрасная.

Распознанный текст из изображения:

.Я)«ив

'ф ФИтпь"

Таблача 1,

Условия освещения

800

Р„„, Вт~м2

27

Для практических расчетов при проектировании СЗ част' требуется зн~~ь интегральную плотност~ потока солнечног"' излучения Р„„,, падающего нормально на поверхность СЗ;-:-- которая может быть определена интегрированием спектраль. ной плотности в диапазоне изменения длин волн ог 11 — —..':., =0,28 мкм до ),2 — — 6 мкм (для более точных расчетов о~:. ) 1 —— 0 до ).в = оо ), т. е,

р «.1))„, ) «~«)й., Бт и--'. () 6. 0 ),=-О,')В чкм

Плоп)ость потока и спектр солнечного излучения па по--,

Верхности Земли ззВисит От Высоты СОЛ)гцз над Горизонтом

от высоты местности над уровнем моря, от состояния атмо::.

сферы и друГих фактороВ.

Высота Солнца над горизонтом определяет длину пуп

лучей, которую они проходят В атмосфере Земли. Для сн)ре:

деления степени влияния атмос~)еры Земл)1 пользук)тся спе

п,изльпой величино)1, п«)зынземой о~т~~ескоЙ МЗСС~Й

сферы.

Атмосферным массам 1АМ) на уровне моря, равным АМ1'

АМ1,5, АМ2 соответствуют следующие высоты Солнца па

горизонтом: 90", 41 "49', 30'.

Нз Верхней границе зтмОсферы Землн масса принимзстс

равной нулю, что принято обозначать как АМО.

( пектры солнечнОГО излучения для атмосферных мзс

от 0 до 2 приведены на рис. 1.15,

При проведении практических расчетов, учитывающи

условия Освешения С,"), можно ориентироваться нз следую'

шие значе~ия интегральной плотности, которые сведен

в табл, 1.1.

Одной из важнейших оптических харак.аристик СЗ явл' ется его спектральная чувствительность, которая предст" ляет собоЙ спектральную заВисимость От длины ВОлны СВф

"Гока короТкоГО замыкания

вддх, т. Е.

— в Вт-'

Р

«пн) ).

')'средненная спектральная чувствительность кремниевых

СЗ приведена на рис. 1.16. Бе длннноволновый край ограничен

лишь знерГетическим пОложением краЯ ОснОВнОЙ пОлОсы

ПИГЛОЩЕНИЯ ()о), которая определяется шириной запре-

Рис. ),)г,

,16. Спектральная чувствительность кремппево10 солнсчиоГо элемента

Ггп)1~)п,)оны данного полуп))ОВОдникз (для кремния:

~,!2ЗВ=)-в,.'--Йу,=.1,12ЗВ=,'-~о — — 1,2 мкм) и ха акте ом

)) ')п)ССКИХ ПЕРЕХОДОВ В ПОЛУПРОВОДНИКЕ МЕХЗНИЗМОМ <<ЗОНЗ-—

о~') '". 1~0ротковолновый крзЙ чувствительности Определяется

))овном скоростью поверхностной рекомбинации пар элек- .1.он — дырка нз ОбрзщеннОЙ к сВету пОВерхнОсти СЗ.

) «1кпм Образом, знание спектральной чувствительнОсти СЗ «)кч)очительно ~олезн~ для д~~~нейшего поиска путеи улучи) я

их своиств и повышения эффективности и" б

рео разовзолнечного излучении в электрическую энергию.

2, ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ

СООТНОШЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ СВОЙСТВА

СОЛ Н ЕЧ Н Ь$Х ЗЛ ЕМЕ НТО В

роблема создания высокоэффективных СЗ требует дальишего сове ршенствования технологии изготовления СЭ. Ме-

Распознанный текст из изображения:

тодики и аппаратуры измерения их параметров, более глу-,

бокого экспериментального исследования процессов в полу-

проводниковых структурах СЭ и совершенствования методи '

ряс !ета и проектирования СЭ на основе адекватных физико-

математических моделей с использованием ЭВМ.

Вышеназванные задачи постоянно развиваются и решени

Одних способствуьет успех7 в решении друГИХ. И если в пер-

вые тридцать лет после создания малоэффективных (3 — 5 !О)

СЭ наибольшее развитие получали экспериментальные иссле

дования и; характеристик, то последние десять лет отлича.

ются успехами в разработке достаточно точных физико-ма

тематических моделей полупроводииковых структур СЭ, в про

ведении с их помощью иа ЭВМ вычислительного эксперимен

та и оптимизации электрофизических и геометрических пара:

метров высокоэффективных (12 — 15О!о ) СЭ, изготовленных:

помощью наисовременнейшего оборудования по различны

ТЕХНОЛОГ)!ЧЕСК ИМ .Ва РИ ЯНТЯ М .

Задача расчета и проектирования СЭ заключается в обос

нованном выборе:

— параметров исход!юго полупроводникового материал '

с необходимыми электрофизическими свойствами;

— параметров, характеризующих концентрационный про

филь легирования полупроводниковой структуры;

— — геометрических размеров и конфигурации сильнолеги:

роваииых 00ластей;

— технологии получения и типа омических контактов

11«)освстля101цих покрь!тий, которь1С !)беспечиВяют ВыиОлнени .

Г1)сбоваииЙ технического 3'!Дания (1.ь), Определяющего клас

сиф11кацион11ыс 1!3«)ямст1)ы и электричсские параметры и ха

1,актеристики проектируемого СЭ,

ЭТЯ задача МО)кет быть успешно решена при на,'!Ичии та

! Ой физико-математической модсли СЭ, которая бы давал

ВО)ЗМ!))1,-Н!)! Г) СВЯЭЯ ! 1, Э »1ЕК 1 Риь!Е~ 1;ИЕ .; ! РП К ! ЕРИС ! НКН

ЭЛЕКТРОф ИЗ ИЧССКИМ И И 31) Я МЕТР Я М И СГО ИОЛУ» ПРОВОДИ ИКОВО

с) РУ1~ ! ) 1и»!ь !Оио,:!О! Ией кои) Як)ИОЙ сетки и технологическим)

факт01ь1!ч!! Основных операций процесса изготовления С-

Основными физико-математическими соотношениями дл янялизя и расчета процессоВ полупроВОдникоВой структур СЭ ЯвляютсЯ уравиеи1Я испрерыВности для дырок и электро

иов, уравнение плотности

уравнение Пуассона.

В Общем виде .эти соотношения мог

)с следующей си'Гемь! дифференц'Я „.-„., „и

и Ы Х ПрОНЗВОДНЫХ.

д~

—;;, =~ — «'.— — Ил,

д

~ьь ' ь ьь

) р =- Ч1е,!)Š— д1)„)у~,

)~ =- ф), П Г + ф~ ~-»П

ь = ь! ьь + 1 р

1'2,3)

(ьь 1)

(2 ')

— заряд электрона Р и А',+ Л! — Коицен,рации

электронов, ионизированных доноров и якцепторов;

И д, «~), И «Хь» — КозффИЦИЕНТЫ ДиффУЗИН И ИОДВИН1ИОСТИ

!1,!! Ок и электронов; «„и )„, Š— плотности тока дырок и элеь-

! ~ ьь!!ОВ, Напри)КЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ; 6Р, 1'), 1)'

)» ь ьь »

ь ь рости ГЕНЕряПИИ И СКорОСТИ «)ЕКОмбИНяцнп ДЫроК И ЗЛЕК-.

!ЬГЬНОВ; 8ь РЬ) — ОТНОСИТЕЛЬНЯЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКЯЯ ПРОНИЦЯТЕЛЬ'- !'' '!'и полуЩ)оводникз и Ябсол10тная диэлект«)ическая прони-

1)»'АЛОСТЬ ВЗКУУМЯ; 1 — — ВРЕМЯ,

,!«ля исследования поведения СЭ в реал)и)ых условиях его

' Ь Ь З ! »1)ЬЯТЯ ЦИИ

'!''ь! 1уаТЯЦИИ НЕОбХОДНМ СОВМЕСТНЫЙ ЯНЯЛИЗ у«)ЯВИЕНПй ЭТОЙ

!!МЫ В Ши

проком дняпазОие 1и!Ыенений! Неремеиных у', ь

как функций коо«)д1и)ят и В1)емени. СтрОГО аналитический

и)дхоД К ЕШЕ

д р нию такой задачи В общем виде без предва-

ипег!Ьных п еоб а.

р о разований приводит к непреодолимым мате-

' !ическим трудностям. В зависимости от используемь,

реобразования основной системы диффере)ьщиальиых

"!В11ений ( СДУ) в аиде (2,1 — 2.6), а также ввод)!Мых !.

пр ицения еш н

Х ДЛЯ

Ь"', отно

решения допущений, методах решения и пере

сительно которых она решается все виды

меп-

И1ЕСКИХ М

и ы матемамоделеи СЭ с некоторой условностью можно пред-

" '!ВИТЬ В ВИДЕ ЧЕТЫРЕХ ОСНОВНЫХ ГРУПП.

первой группе относятся модели полупроводн иково)"

.' " х р, скованные на непосредственном решении

ая ст кт

С '!У В численном виде иа ЗВМ. При этом полупро

лупровОдникоструктура рассматривается как единое целое в ней не

Распознанный текст из изображения:

квазиэлектронеитральные области Ь

ти и облает ' енного заряда, а переменными модели (помим, и времени) яв

) ляются электростатический потен-' зиуровни р

и Ферми для дырок и электронов. Модели Ч с большим объемом памяти и высоким быстро- и для инженерного проектирования СЭ являютс сложными. Для получения на основе этих моделей

асчета необходимы доста. уд овлетворительных результатов расче

х и элект офизических: точ о но точные сведения о геометрически, р ф

т ы СЭ а асполагать; параметрах полупроводииковои структуры такои информацией

ф . цией на практике не всегда удается. Эта груп-" па математических еских моделей пол упроводни конон тру ур:,

1я а ское СЭ е решать задачи ее проектирования, а ск р Э призвана не р

имгнтомй.,' заменить натурны

ный эксперимент ~смаи1инным зктивр т. е. численным н 1ым исследованием особенностеи процессов, р ,

СЭ всем диапазоне изменения внешних у сло-:, текающих в - во и

е Оиател вни. о к прово одящему подобный эксперимент неслед

н олжен хо ош

е ъяиляются серьезные требования. Он должен р предъя взбираться в особенностях оптических и ф

физических процесра сои, протекающих в и

СЗ технологических приемов его изго., тоиления, а также им

иметь хорошую физико-математнческу,

отовку чтобы меть формулировать задачу численног эксперимента в виде решения системы ур авнений математи

12.1 — 2,6), чеекой физики, каковыми являются уравнения 12. —, ),

Ко вто ой группе моделей СЭ можно отнести такие моде. ли, которые основываются на разделении асей полупровод: янковой структуры СЗ на отдельные, различающиеся по сион:

ные области, силь: свойствам области (квазиэлек гронейтраль

або легированные области, область пространственног

а яда р — и перехода), для каждои пз кот р заряда имых при решении допущении ОСД, пр р .

ДУ и иоб етает бол ' ди простой вид. Переменными этои группь д . " (

ент ации носителе координат и времени) могут служить конц р

, вряд в рассматриваемой области, ток через не При этОм каждая дая область и вся полупроводниковая с р~

н ра может ыть пр

быть и едставлена эквииалентной схемои е соср доточенными или распределенными параметрами, отража щими основные механизмы переноса (д ффу, р " изменения (генерация, накопление, рекомбинация) концен' рации носителеи з р

ей заряда в рассматриваемой области полупр водниковой структуры. Полученные при таком подходе при лиженные решения длЯ Отдельных областей структуры зате

::сшиваются» на граниЦах этих областей. Эта группа моделей дает возможность решать задачу емаи1инного проектирова-.ия.» СЗ, т. е. достаточно оперативно (за счет некоторого сни,кения точности решения ОСДУ) выявлять оптимальные со1етания электрофизическнх и геометрических параметров полупроводниковой структуры по определяемым техническим заданием электрическим параметрам СЭ без привлечения мощ',ых ЗВМ и наиболее точных методов численного решения ОСДУ.

К третьей группе моделей СЭ относятся уже ставшие клас.Пческими модели, базирующиеся на основных допущениях :еории Шокли и на частных случаях решения линеаризованпой ОСДУ в аналитической форме для каждой из различаю;иихся по своим электрофизическим свойствам областей полупроводниковой структуры СЭ. На результатах, полученных

помощью этой группы моделей, основана вся классическая ~еорня работы СЭ как в условиях малой, так и большой плотности солнечного излучения. Наглядная форма аналитнчес..Ого решения линеаризованной ОСДУ в том или ином частном виде, во-первых, позволяет проследить влияние интересующего электрофизического или геометрического параметра на исследуемый электрический параметр СЭ, а во-вторых, открывает возможность выявить влияние на этот параметр 1 Э технологических режимов его изготовления. Последнее .собенно важно на этапах автоматизации технологической подготовки процесса изготовления СЗ и управления им, Такой подход позволяет экономить значительное время на самой процедуре решения (за счет снижения точности полу1аемого результата), но что еше более важно, не переключать ,:пимание исследователя на преодоление чисто математичес- кнХ И ПРОГРИММИЫХ ТРУДНОСТЕЙ РЕШЕНИЯ, ОетаВЛЯЯ И фОкусе сго основных интересов особенности протекания физических «роцессов в полупроводниковой структуре СЭ. Последнее заставляет отдавать предпочтение этой группе моделей прп Обучении специалистов электронной техники (конструкторов 1риборои, технологов, испытателей). Наличие аналитического решения позволяет искать Оптимальное сочетание электрофн':ических н геометрических параметров полупроводниковой с1руктуры СЭ н поэтому в настоящее время в связи со стре'.Птельным развитием ЭВЧ такое решение часто использует"я, хотя и с определенной долей риска, что является следствием линеаризации ОСДУ и приближенности решениЯ и

Распознанный текст из изображения:

используемых при этом граничных условий, заметно понижаю- -.

щих точность конечного результата.

1~ четвертоа грдиае моделей СЗ можно отнести графичес- .

кое Отражение Вольт-ямпернОЙ характеристики, ее аналити.

инское Выражение, ОсноВанное 1га допущениях малосиГняль-

ной теории Шокли, эквивалентные схемы СЗ с сосредоточен- '::

ными схемпыми элементами, а также СЗ В Виде двухполюс-

нИКЯ.

Области ряц11онал1,ного Использования каждого из этих

способов описания свойств СЗ давно извесп1ы. Поэтому дан-

ную группу моделеЙ СЗ можно сч)ггать традиционной, Исполь-

зование В них ток!! и напряжения на зажимах СЗ В; качестВе

~сновных переменных ~в~яю~ся больши~ удобством для

! хв !!пт1!Носково !1ровкт11~)ОВИН!!я солнечных батареЙ на раз-

ные !Оки и напри)кения. Представление СЗ каждым из этих .

спосооов ие т1!ебует глубоких э!Наний Особенностей протекания .

физических процессов В отдельных областях полупроводни-

ковой структуры СЗ, Подобные модели СЗ В Виде различных '

моднфикациЙ широко используются при машинном проекти- -,

РОВЯНИИ ЭЛЕКТРИ«1ЕСКИХ СХЕМ ИСТОЧНИ!«ОВ ПИТЯНИЯ РЯЗЛИЧНОИ

мошийсти тяк кяк и!!1)а метры кот!!рык! и Оперирует этя Группа .

моделей СЗ, хорошо 'стыкуюгся) с па1)яметрами, непосред-

ственно измеряемыми ня реальном СЗ в конце процесса его;

изГОтовле)!ия,

2.2. Модель солнечногО элемента при протекании

постОЙННОГО тока

Исходя из Физической тео1)1ц1 работы С'), учитывак)щей

только основные э!1!!1)ект11 ирОисх!)!111щие В СГО полуи1)ОВОд-';

иикОВОЙ ст1)уктуре с р — ~ Г1ереходом, можио получить прос"

тейшую модель СЗ в виде:

(2.7),'

которая может быть представлена эквивалентной электричес-.

кой схемой, изображенной на рис. 2.1.

В формуле (2.7) и схеме на рнс. 2.1 1 — ток через нагру

зочное сопротивление Й,.„, А; )ф — фототок, т.е. полный то:

СЗ, который генерируется в нем при освещении, А;:

д1/

Рн = 1, ехр 1 — — 1 — о чере р — п пере од, записанны

~йТ

в виде облачной темновой вольт-амперной характеристик

СЗ, А Д вЂ” Обратный ток насыщения р — и перехода„А;

',!!ряд электрона, Кл; Т вЂ” абсолютная температура, К; к— постоянная Больцмана, Дж/К; У= напряжение на р — и переходе, В). Рис. 2,1. Эквивалентная электрическвя схемя солнючного элюынтв но

модели (2.7)

Для реального СЗ характерно наличие потерь, обусловленных последовательным ~«), и шунтнрующим Р„, сопротивлениями, значения которых определяются конструкцией н технологией изготовления СЗ.

-- — -м — — = — -О- -1

1 'т) !

..Л Рис. 2,2. Зквивилвнтная электрическая схема сол-

нечного элемента по модели (2,8)

Учет этих сопротивлений, а также процесса рекомбинации носителей заряда в р — и переходе позволяет уточнить предыдущее выражение вольт-амперной характеристики СЗ (2.7), записан его в более развернутом виде: — р "~+'~'~ — 11 — ~ '~" (2.В

«и!«Т: !~ ~ Р!«! где т — безразмерный коэффициент, полученный при срав-

Распознанный текст из изображения:

— диффузанс

(отражает диффузию .нОсителей. заряда), А м

йеййй теоретйческой й эксперймейтальйой кривых вольт-ам-:::; перных характеристик СЗ (принимает значения от 1 до Ь::: й зяВисит От кячестВЯ изГотОВления Р— и перехода).

%.

а~ ~. ф "Рис. 2.3, Результаты исследования на основе модели (2,81 влияния последовательносо и н 1иунтирукннесо б сопротивлений на тегиновые 3 и световые 2 вольт-амперные характеристики планарносо сол-

нечного элемента

зквйвалентная электрическая схема СЗ для этОГО Вида записи Вольт-ЯмпернОЙ характеристики приВедена на рис. 2.2,

Расчет вольт-амперйой характерйстйкй, согласйо (2.8), позволяет наглядно представить влияние значений последовательного й шунтирующего сопротивлений на свойства СЗ, Результаты этих расчетов приведены на рис. 2.3.

2.3. Модель полупроводниковой структуры солнечного

элемента с сосредоточеннымн параметрами Динвилла

для расчета его спектральных характеристик

Рассмотренные упрощенная (рис. 2.1) и уточненная (рис, 2.2) эквивалентные схемы СЗ шйроко используются при анализе его работы„однако Вольт-амперные характеристики,

34

,н~лученные на их основе, имеют порой значительные отклонения от вольт-амперных характеристик реального СЗ, что „Обудило к разработке моделей, более точно отражающих процессы в полупроводниковой структуре СЗ.

Одну из таких моделей — модель с сосредоточенными параметрами ЛинВилла (В Дальнейшем моДель Линвилла) рассмотрим более подробно.

Модель Линвилла для СЗ, достаточно полно отражая фи-

ЭПЧЕСКИЕ ПроцЕССЫ, ПроИСХОДящИЕ В 06ЛуЧЯЕМОЙ ПОЛуПрОВОД-

нпкОВОЙ структуре СЗ, Вместе с тем, позволяет йа этОЙ осноВе рассчитать его выходные параметры.

Физическая суть модели заключается в пространственном разбиении полупроводниковой структуры СЗ с шагом Лх па ряд с язных друг с другом элементарных объемов (а-об~ясть; р-область, р — и переход). Причем каждый из выделенных при разбиении ОбъемОВ характеризуется набором неко1орых символических элементоВ: диффузанся Н,э дрифтянса /, сторанса 5 и комбинанса Н,, каждый из которых, в свою чередь отражает определенный физический процесс — соотВетственно диффузию, дрейф, накопление, рекомбиняцию ИО- сйтелей заряда,

В свою Очередь эти симВолические элементы Выражаются 1ерез геометрические и электрофизические параметры полученных при пространственном разбиении элементарных объемов полупроводниковой структуры СЗ:

-- комбийянс ААх (Отражает рекомбинацию носителей зарядя), Л*м

Распознанный текст из изображения:

Тиолица 2,1

— стор анс Я~ =дАЛх~, (отражает накопление

НОСИТЕЛЕЙ ЗЯРЯДЯ) „1хЛ ' М

— дрифтанс ~ М~9 (Ф вЂ” Ф~+~)

(ОТраЖЯЕТ ДрЕЙф 4х;

носителей заряда), А м'

где Π— заряд электрона, Кл; й — коэффициент диффузии но. двнжных носителей заряда, м~" с 1. т — время жизни неосновных носителей заряда, с; Лх,---- шаг пространственного разбиения полупроводниковой структуры СЭ м' А — пло1цадь поперечного семени~ полупров~дниковоЙ

СЭ, м'; р, — подвижность неосновных носителеЙ заряДЯ, ме В ' с-', «р,- — потенциал в ~-й точке объема полупроводниковой структуры СЭ, В; ~,, -- концентрация неосновных носителей заряда в ~'-й точке объема полупроводниковой структуры СЭ,М ".

Токи, протекаюгцне через кажДыЙ выДеленныЙ Объем и определяемые различными физическими процессами в этом объеме, выражаются через разности концентраций носителей заряда Д;; ~;+1) и разности потенциалов (хр;; ~р,+1) на границах элементарных объемов полупроводниковой структуры СЭ. причем коэффициентами пропорциональности служат параметры символических элементов Линвилла, А:

— диффузионный ток 1„,1 = — ф — ~;+1) Н

— ток, через сторанс 1,=5; —;

ф~

сн

— рекомбинацнонный ток 1„, =О, ~;;

— дрйифОВыи тОк Ь. Е~—

Ф Ф'

5+В+1

1 2

Такам образом, прн изложенном подходе уравнении в частных производных в виде (2.1) — (2.6) преобразую'гся за счет использования конечноразностной аппроксимации нх в систе-

36

му обыкновенных дифференциальных уравнений. Введенные символические элементы Линвилла, с одной стороны, непосредственно отражают физические процессы в кремниевом

Рис. 2.4. Типы конструкпий солнечных элех1ептов

СЗ, а с другой стороны, имеют схемотехнический смысл, позволяя тем самым записать физические процессы в полупроводниковой структуре СЗ в виде электрической эквивалентной схемы. Зто позволяет вести анализ работы СЗ на основе

Распознанный текст из изображения:

Х+ Х

, о1х

Х Х

— е

о х/7.р

дЕГ.р

Х= —,

2к7'

стоянная Больцмана,

температуря);

= 1уУ'+1; к =

А — 1

Т вЂ” абсолютная

где УА (х) — функция, Отражающая концентрационньй про- ' филь распределения атомов примеси в сильнолегированном п+-слое; г — координата, от которой зависит функции генерации (Г=х — для планарных СЭ; е=у для высОНОВОльт-,

Рис. 2.6. Экаивалентная электрическая схема солнечного эле*

мента, полученная на осноае подхода Линаилла

них СЗ); 6 (г) — функция генерации электронно-дырочных пар, которая в случае совмещения СЗ монохроматическим световым потоком ~о с длиной волны ~, определяется математическим соотношением (1.5).

Большинство практически реализуемых условиЙ работы С3 позволяют в у1)авнении (2.9) преиеб1)ечь членом,пр,дЕ/дЯ по сравненн|О с членом Е1с„др/дг. При этом уравнение (2.9) можно записать следующим образом:

— — ~~' — — — = — б(а)

д" 7у - др ~)

(2.13)

да дс

Использование метода ЛинВилла пОЭВоляет представить одномерну~о математическую ~одел~ ~олупроводников~й структуры СЗ В Виде эквивалентной ~~е~~риче~кой .Схемы с символическими элементами Линвилла. На рис. 2,6 показана двухсекцнонняя модель, где элементы Линвилля отображают физические процессы в п+- и р-областях полупроводниковой структуры СЭ, Выражения для определения этих элементов получены путем решения уравнений (2,1О) и (2.13),

Для ге+"Области:

Ру=2 М(сзсЬ М Л$) (зЬ У Л$);

О а1™СВСЬМЛ$(сЬМ Л$ — е ')+Л'.

0.,2=М СЯСЬ МЯ(СЬ М Л~ — е-"й) Аг

О„=Ме'"СЯСЬ М Л$ — 2 к М сзсЬ МЛ~ зЬ уЛ„, гае ай х= — гнпеобовнческнй синус;

2

сйсйх = — — гнпейбопнческнй косеканс;

ех х'

— гиперболический котангенс;

— безразмерная координата;

— безразмерное электрическое поле (к — по-

с=с-'ха'; бй,=ба — е,=

Генераторы тока У„„1 и 1„„а определяют поведение неосновнь~х носителей, возбужденных светом в и+-области. и безразм~ Рпой ФОРМЕ ЗНЗЧЕНИЯ ЭТИХ ТОКОВ МОЖНО ОПРЕДЕЛИТЬ ИЗ СЛЕ- лй нпцих Вы1)ажений."

lчр1 — — т1,~(М сй МЛс — Х вЂ” ЦЕ,,)+т1х2(е '"'М сзсЬ МЛ~);

(2.18)

.lс„а — — т1,ч (Ме "СЯСЬ МЛ'й) — т1ча (М с(Ь МЛс,+Х+ц1.„),

1

(2.19)

У1е! = — ОТНОСНТЕЛЬНЯЯ КОНЦЕНТ1ЭЯсЦНЯ ДЫ-

(хг ру + ЛМЧ7 р а

Гснерированных излучением В точке с1 — — = О,

а р

' — — 9ч1е- а" — относительнаЯ концентРациЯ дыРок, генеРН-

ОВНННЫХ ИЗЛУЧЕНИЕМ: В ТОЧКЕ

Распознанный текст из изображения:

значЕния ТОКОВ ДЫРОК Ур! и Ут' 2 В ТОЧках $1

соответственно:

У ! = Утз Д!) Т1 2 (Н зз+Н рз1+КУР ) Т1 '~ (Нг!!з' (1 К) Гзз) +У

(2,2 '

У вЂ” У ($~) = — т)б! (Нт!рз+к рз) +

(Н +Н (1 — К) Ррз) Уе!з2

(2.21

— от нос.

г~г безрезмерныИ ток; т. =

гне

гне

ыКзр р

м Е

тельная концентрация неравновесных дырок в 1т+-области.

Для р-области;

Н,н=сзс11 ЛО; (2,2

Н,„, = Н„„= С(11 ЛΠ— сзс11 ЛОт (2.2

Хр —,'т'1 тРз — Х1

гне *б=!з,— Рг=—

Генераторы тока У„,! и У„н2 характеризуют поведение не '

ионных носителей, генерированных светом в р-области:

Урн! — — — уе! (си1 ЛΠ— а1.м)+у,~ сас11 ЛО; (2.2

У„„2 —— уе! Сзс1т АО--у.2 (С(11 АО+аУ. ), (2.2

И ., — ОТНОСИТЕЛЬН!з|Е КОНЦЕНТРЗЦИИ ОПТИЧЕСКИ ГЕН'

гдЕ те! И уе2—

рнрОВПННЫХ ат1ЕзктроНОВ В ГОЧ1 ак 0 И О СООТВЕТ

— а1

-ы ' гт..!

— а1., 'т1!

Определим значения токов на Границах р-Области

1„1= — У.1(Н н+Н,„!)+У. Н н+У.н1; ',2.2г

Ун2 —— ур!Н~н — т,2 (Н„,+Не„..)+Урн.. ',2.2'

— от

где мз„= —" — - — беЗразмерный ток; еГзм---: -, — от '

Гека. 4Г.к ЗыГ„..з„.„

сительная концен'г1эация неравновесных Злект(1онов в р-:,

ласти.

Для 1)асчета тока, протекающего че11ез р — н переход, не

ХОДИМО задать граинчиые у~лоВИЯ. Рассматр~иан ПРОЦЕС е

п11оисходящие и ОПЗ р — Г1 перехода, формально будем с

тать, что зта обл~ст~ определяет грани~ные ус~овин,

!1~'1цен11я (3) получаем:

бе.З

Р~е(е !) кнн и -..б !е г !),

г!1 '

пр1 — 1тро(е — «) или - . ( зрг )

От Х~!1 — РаВНОВЕСНЫЕ КОНцЕНтрации НЕОСНОВН

!!Осителей в и+- и р-областях соответственно.

Согласно допущению (5) имеем:

и 2=0 или у„=0 (2.30)

Если положить, что р,! мало по сравнению с концентрацией !!Осителей, генерированных светом, то ток, протекающий че)!Сз р — п переход, определяется выражением:

У= Ум! — У„~. (2.31)

Подставляя в (2.31) результаты, полученные ранее, с уче1О~! граничных условий (2.28 — 2.30) имеем:

дЦ

фl

рАр беке( ~б Ззе(е !)(Оз ! Н г! '.Его е~е — !) (

Х(Н +УУ, — (1 — К)У' )1+~У-нУен +У У„и. (2.32)

!И

одель солнечного Элемента Освещенного 11авновесным

излучением с непрерывным спектром, для расчета ВАХ

ФО11мула (2.32) удобна для Расчета Вольт-амперных ха- )1 !еристик СЭ при освещении монохроматическим светом и ! ~ !з и 1! а сче 1е его спект)згзл 1зны х хара ктерис Гик. При исполь"

т 1: 1и!!и С.='1 в качестве источника алектроанергии Он Освеи Грея светом с определенной спектральной плотностью, 1 !Ом слут1ае формула (2.32) для Расчетов неудобна, так как !' ! '~однмо суммирование токов по длинам волн спектра.

излучатель считать черным телом с температурой 7'н

г

- 5800 1х — температура поверхности Солнца), то равнобг!!'!я спектралы1ая плотность излучателя Опреде!1яется вы-

'! «!» С ! П1ЕМ;

Распознанный текст из изображения:

задача прямого расчета относительно небольшого числа пар"" метров СЭ (и батареи на его основе) как источника электр . ческой мощности требует наличия большого количества и"' формации о свойствах используемых полупроводниковых,. других материалов и того технологического процесса, кот, рый был реализован при изготовлении СЗ.

Процедура про~~де~и~ ~аког~ Вида расчета В настоящ." время реализуется намного проще, чем процедура обратна" когда по небольшому числу выдвигаемых техническим задВ нием классификационных пеЕраметров СЭ требуется рассчй тать необходимые электрофизические и геометрические па раметры полупроводниковой структуры СЭ и соответству ' щие технологические факторы процесса ее изготовления,

Процедура проведения прямоГО расчета правомочно ря'- сматривать в виде двух самостоятельно решаемых зада '

— расчет электрофизических и геометрических параме ров по~упроводни~овоЙ структуры СЭ по 11звестным техн лоГическим факторам процесса изГотовления СЭ, и

— проектирование СЭ и батареи на его основе по извес н~ым электрофизическим и Геометрическим параметрам и

ЛуПРОВОдНИКОВОЙ СТруКтуры СЭ.

ПерВая из этих задач требует наличия адекВатных мат' матических мОделей тех технолоГических ОперациЙ, котор используются в процессе производства СЭ. Для решенич вт рой задачи, т. е. задачи прямого проектирования, необходи прежде всего уметь рассчитать значения фототока 1,р, то нас~щения 1б и напряжения холостого хода У,, по извести значениям электрофизических и геометрических параметр. полупроводниковой структуры СЭ.

3.1. Расчет фототока, тока насыщения и няпряекения

холостого хода

Выражения для фототока 1ф н тока насыецения 7б мож'

получить из формулы (2.39). На практике при проектиров',

нии СЭ удобееее пользоваться значениями плотностей эт

токов (еф и ~б, А м-'):

= — = д7рб(1 „3,„1 +1.р3„Э); (3'"

Араб

Е'л. 4л ' 4

рлб ~<р ' "1р — л ~Еб ~ЕХР ~1~(~ '"' '; ' ~ "л Йп ) ЕГ~~ — 1~. (3,3)

Е~11уская несложн

сложные математические выкладки из (2.42) р1' .е"'=О, можно получить выражение ля

осе~ го хода У СЭ

> р . Для напряжения хоа „, которое имеет вид

р рлл б'Т Ц,"

'-'лх —: - — 1П

уел

Ееереходя от выражения для вольт-амперной ха а

ки элемента ной я

рнон характерис-

рякте истики ля

р " яченки СЭ к выражению вольт-ам

МПЕРНОИ

о хо имо

р д я всеи его полупроводниковой стр

д учитывать порядок соединения меж 6 "

РУКТУРЫ,

ентярных ячеек,

ДУ СО ОИ ЭЛЕ

Вр !

Где и-; — собственная кон„н а, „

Р ция основных носителеи „а я

р '1 Пл КОНЦЕНТ а Ия

сг"'~нно В Р е1 а+ Областях (в Расчетах Обычно чита т

ТЯЮТ, ЧТО

В формуле (3.1) и

( ' ) ри проведении практических Расчетов ,11е~,бходЕемо чеЕтыват аз

у ь разницу в представлении параметра Л, „, определяющего рабочую площадь СЭ, для высоковольт- 11,1: и планарного СЭ.

'(лл плинЦпного СЗ А

З Ар,б представляет собоЙ Ч~сть полной бол ПОИ ОТ КО

Ое ь.:щаемой площади полупроводниково"

Й структуры СЭ, сво-

О..~пой От контяктнОЙ сетки, которая участвует в Г .:~,к;,тронно-дырочньЕХ пар,

ътЕТ В Е ЕНЕРЯЦИИ

,..~рЕЯ Высокоиольтйоао СЭ Ар„- представ„ Еея.еь, равн ю и ОизВе

Рло Представляет собой ПЛО-

у произведению суммы диффузионных длин неос-

ОЕ:ПЫХ НОСИтЕЛЕй За Я а

Да по обе ~~~р~ны От Р— и и изотипного Еп — и или Р+ — и) переходов на ширину элемента и кОлие~. ~ Во сОединенных В матрицу микроэл!юментов и+ — — + (и.1И 11+ — а — и+) типа.

'Ов П вЂ” Р— Р

11РИ Расчете то

'яеп1сит От па аю

ка нясьещения Уо, значение которо

д щего на СЭ освещения, а определяется св

ГО НЕ

'1~'."ЯМИ ПОЛуП ОВО НИ"

.ТСЯ СВОИ-

д кОВОГО материала и технолоГиеЙ

П ПСРЕХОДЯ.

ф рмуле (3.2) под Ар „понимают площЯд

ЯДЬ

1 1сходя из вышесказ-1

я 1нОГО Выражение для Вольт-ампернОЙ

я~ яктеристики элементарнои чче Йки '9 можно записать

Распознанный текст из изображения:

В случае планарного СЭ, структура которого представляе'

собой параллельное соединение Х элементарных ячеек, нагру

зочная вольт-амперная характеристика имеет вид

~ =- ~~."Ф"). (3.

Учитывая, что при последовательном сопротивлении

элементарных ячее~, обр~~ующ~~ структуру высоковольтн .'

го СЭ, напряжение на зажимах (Б,) определяется как сумм

напряжений, возникающих при освещении на каждой отдел

ной ячейке, выражение для Вольт-амперноЙ харак~еристик.

запишется следующим образом:

~/В = '~'„ЕУ„" ,(Х""). (3,

В настоящее времЯ 1эаз1эаботаны более сложные констру

ц и СЗ, В ающ В ебЯ Од Овре нно « . едов"

тельные, так и параллельные соединения элементарных яче

между собои Дл" таких С=э уравнение Определяющее ",.

грузочную вольт-амперную характеристику принимает сл

дующий вид:

и

(3'

т:=. 1 , и ==.1

где М вЂ” ~исло элемента1эн1~х 1П1еек, ссэеднненн1э1х последов':,

тельно; Л1 — число элементарных ячеек, соединенных пара'

ЛЕЛЬНО.

Для создания высокоэффективных СЭ, в которых ма

та доля вырабатываемой мощности, которая рассеивается

в нагрузке, а внутри СЗ„требуется снижение величины

внутреннего, так называемого «последовательного» сопрот

ления Я„ которое. складывается из последовательно включ

ных сопротивлений базовой области фб), сопротивления к

тактов (Й,) и сопротивления растекания ф,), т. е. сопрот

ления сильнолегированной области;

Р.=об+Я.+Яр. (Э

Насколько сильное влияние на эффективность работы

оказывает величина 1х„можно судить из следующего приме

прп увеличении Рп от 0,10М до 40М Сэ снижает на 7оэ(э »101цность Вырабатываемой энергии.

Сопротивление однороднолегированной базовой области С3 ф;,) зависит от ее геометрических размеров и мо кет быть 11; Йдено по формуле

А

(Д С1)

Р— и

С~про~и~ление кон~~~тов (Р,) Вклкэчает в себя две ком110ненты. сопротив.чение металлической кон*актной ~,1э,,") и сопротивление перехода «металл-полупроводник»

О и"-и) Г

1Э Я и+Я и--и (3.10)

Д чя элементарных ячеек полупроводн11ковой структуры 11,1ВНарНЫХ СЗ, ПРИВЕДЕННЫХ В ТабЛ. 2.1, СОПРОТИВЛЕНИЕ СПЛОШ- 1».;Г1 ТЫЛЬНОГО ОМИЧЕСКОГО КОНтаКта Прн дОСтатОЧНОй тОЛщИНЕ

Ми'1 ВЛЛИЗацИИ ЗВВИСИТ ПраКТИЧЕСКИ ТОЛЬКО ОТ СОПроТИВЛЕНИЯ

11~'1эехода «металл-полупроводник» и ВО мнОГОм Определяется 1ровнем леГирОВаниЯ ОазовОЙ Области полупроВодникОВОЙ с~руетуры у тыльнОЙ пове1эхнОсти (длЯ Ячейки БСЗ эти рас- Г:,":1 Пения ОтносЯтсЯ к контакту базовой Области), С учетом .'«10 сопротивление тыльного контакта можно рассчитать

формуле

й', = р~,.~л„, (3.11)

Г.: Ак — площадь сплошноГО тыльного контакта, м2,

Для относительно слаболег111эованного полупроводника

~.1, -.- 5 10"' см --') удельное сопрот11вление перехода «металля;.эупроводнпк» (р',,„, Ом.м-') имеет следующий вид:

11уд — ехР (3.12)

дЛ'Т ~ 11Т,1

4Л1/Ж» Ю"- Гя ' к — постоянная Вол ьцмана; Л'" - — — постоЯннаЯ

6~

р1гчардсона; т' — эффективная масса неосновного носителя

'1~эяда (длЯ Р-области — электрона, длЯ и-Области — дырки);

11 — - постоянная Планка; ~р,— высота контактного барьера

:металл-полупроводник», равного разнице работ выхода электрона из металла и полупроводника,

При высоком уровне легирования (А'- 10" см-') полу-

' пр1эводника в приконтактной области уменьшается ширина

'::: ~11'1эьера и Важную роль начинает иГрат1 прОцесс тунвелиро-

В' пия. При этом:

". "1.-167Г> Щ

Распознанный текст из изображения:

4д "«»»е»п ~ф~

где  — диэлектрическая постоянная кремния; У вЂ” конц.

трация легирующей примеси в кремнии.

П«)и проектирован)1И СЭ ну)кио С~реми~ься, ~тобы р'у)(.

.~0,2 Ом см-'.

Н' ОсвеЩаемоЙ передней поверхности плана«)нОГО СЭ

а

л

противление перехода «металл-полупроводник» значите

меньше собственного Сопротивлени~ контак*ной металли::

ской сетки, что связано с большим (до уровня максималь,

растворимости атомов легирующей примеси В кремнии) з

чением поверхностной концентрации примеси (для яче:

В( Э эти рассуждения Относятся к к )н'такту сил) нолегнров

ной области). По этому переходное сопротивление на пер'.

неЙ поверхности полупроВодникоВОЙ структуры СЭ мож

рассчитать по формуле

Я~~ . р з (3,

Где «)м — удельное сопротивление металла токосъемной с

ки, Ом м; 1 — длина металлическоЙ доро)кки токосъем)«

сетки, м'„3 — площадь сечения металлическоЙ доро)кки

косъем но Й сетк и, м ".

Наибольший Вклад В Величину )сп для СЭ планарной к

струкции, как правило, Вносит сопротивлен)1е переднеГО си

ноле) нрованного слоя Ь,', 11з-за малОЙ глубины залега .

— -и перехода и, как следствие этого, малоЙ площади сече

сильнолеГирОВа1шОГО сло)1. При располо)кении на поверхнО

СЭ со сто«)оны сильнолегированпого слоя контактпОЙ

(рис. 1,11) линии тока 9 в базовой области 2 СЭ направле'

перпендикулярно тыльному контакту 3 и плоскости р — л ИЕ'

хода 8, а В переднем сильнолегирОВанном слое 1 -- па«)

ЛЕЛЬНО ИМ.

Поскольку степень леГирОВания переднеГО слоя СЭ ча

всего ограничена пределом растворимости соответствую

примеси в используемом полупроводнике и минималыю:

пустимым значением диффузионной длины неосновных НО"

т елей заряда в переднем слое, то уменьшение сопротивле"

растекания возможно лишь за счет расстояния между о '

Нами тОкоотВОдОВ 1! (т, е. уВеличение числа пОлОсОк на е

нице площади) и увеличения толщины переднего слоя () (г'.

бины залегания р — и перехода), малая величина которого '

50

б)ирается из услОВия получения наибольшеГО фОтотока, и по-' этому ее увеличение неприемлимо, так как будет значительно спи)каться КПД СЭ. Сокращение же расстояния между полосками токоотводов !! уменьшает сопротивление расстеканпя, 11,) при этом сокращается и полезная (не занятая контактом) р а О О ч а я (Л рд~~) поверхность СЭ.

1«сходя из С~азанно~~ ясно, что для снижения величины каждыЙ «)аз при.проектировании СЭ необходим0 решать !'!дачу создания ОптимальноЙ кОнтактноЙ сетки, т. е. с такимн р;!змерами и тополоГией, которые дак)т минимальное значе-

Н !1С Рп

Сопротивлен))е растекания СЭ с контактпымп Сетками р,, !Личной топологии (рис. 2.4) можно определить, рассмат- «1(!Вая их как параллельное соединение ряда простейших пол; проводниковых структур (табл. 2.1).

Б ОбЩем ВиДе сопротиВление растекания кансДОЙ из зле.;,!»нтарных ячеек (таол 2.1) можно рассчитать по формуле

Рр— (3,15)

Х

1,~1(() — У,,»,! р (Ж)»1,

(". — бсзразме«)ный па«)амстр, оп«)еделяемыЙ топологиеи и ! еометрическими размерамп контактной сетки (значения э!Огс! Па«)ам(тра !приведены в табл. 2.1); М„,, — степень ле1пр(!Вання ИСХОДНОГО КрЕМНИя, СМ -"; М(Х) -- ЗаКОН ИЗМЕНЕНИЯ !. ~!1!1ентрационнОГО профиля рас1!рсделс'ния атомов легирую" (!(! й с!«)Имеси В переДнем слое СЭ, см —; р~'А'(х) ~ — значение !!~ с(В1!жнос Гц О(..НОВных носи ге !1(: й .1а«) яд«1 В Гочк()х ( нлы10ле г!;рованного переднего слоя СЭ, см"-/В с.

Для упрощения рас'1с'!ОН От 311ака иптегр(1л»1 В з11аменателе 1 >рмулы (3.15) можно перейтн к знаку суммы, для чего !««бходим0 произвести пространственну)0 диск«)етизацию спльполегированной передней области СЭ на и секций с нек(!!.0«)ым шагом Лх по коордипатноЙ оси х. В пределах каждой 1-й (1=1 ... и) секции считаем полупроводник однородно легированным, т. е. Ю;=сопз1 (рис. 3.1). В этом случае сопротивление расстекания для а-секционной модели переднего ('И,1ьнолеГирОВаннОГО слоя СЭ аппроксимируется следующим Об)разом:

Распознанный текст из изображения:

где т — номер секции дискретизируемого пространства; и число секций разбиения (для достижения необходимой точ;:: ности при практических расчетах достаточно, чтобы а~5)' Рнс, 3,1, Дискретизация концентрационного профиля распределення атомов прнмесн в снльнолегнрованном слое солнечного

элемента М; — степень легирования ~'-Й секции переднего слоя, см-'-. 1т(Л',) --- подвижность основных носителей заряда в 1-Й сек цин переднего слоя, см'/В с; Π— заряд зле~трона, Кл; Й шаг пространственной дискретизации, см; С --- безразмерны параметр, зависящий от топологии и геометрических разме;: ров контактной сетки (см. табл. 2.1.)

Общее последовательное сопротивление полупроводник '. вой структуры СЭ, состоящей из 1 (1=1, 2 ... и) элементарны', ячеек, имеет следующий вид:

Ȅ— -=- — (3 1 ГДЕ Я„т — ПОСЛЕДОВатЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ 1'-Й ЭЛЕМЕНтаРН: ячейки, на которые была разбита полупроводниковая стру: тура СЗ, Ом; 1' — номер элементарной ячейки.

При проектировании кремниевого СЭ для обеспечения з,' данных значений У„и У., нужно стремиться, чтобы послед'

нательное сопротивление СЗ с площадью в один квадратный

,цптиметр не превышало 0,50м.

3.3. Расчет коэффициента заполнения вольт-ампериой

характеристики солнечного элемента

Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики реального СЭ характеризует степень ее приближения к пря~1оугольной форме вольт-амперной характеристики идеального СЭ, в котором отсутствуют потери носителей заряда гянутри СЗ (Й„=О и Й„=ао). В этом случае коэффициент ;,1полнения равен единице.

В любом реальном СЭ внутри его полупроводниковой с труктуры существуют значительные потери мощности: по -оку (обусловлены рекомбинацией образованных светом пар

лектрон-дырка и их утечка через Р„~оо) и по напряжению 1обусловлены внутризонными потерями и потерями в Р,~О). поэтому к,:, для реальных СЭ меньше единицы. Его значение можно рассчитать по формуле, которая выводится из ус,.овня:

Л'

' ~л~ат

~ !~меет следующий вид:

~тгн--- ф~~~1 — ',"--- — ~1п(1 -; и) — -1п11 " ' ~ ~~, (3,1с))

Ф(1+о) 1 1

где с = —; ф -= "'-; и —.— с — 1п с„

а~7 Р„тф '

о .60

~Л

'ф 11+ о) фй (1+ о)з

"' — эмпирический коэффициент «ттт =1 — 5),

Обычно типичные значения коэффициента заполнения н' ' ты-амперной характеристики современных СЭ составляют " ")---0,85,

При расчете к,:,, по формуле (3.19) ток короткого замыкания (1„) принимается равным фототоку (7ф), т. е.:

1„~ Уф,

~пр~ведливо практически для всех ре~л~ны~ у~л~~~й ра1зо гы С'Э

Распознанный текст из изображения:

3.4. Расчет выходной мощности солнечного элемента

и его КПД

Численное значение КПД (т~, 'ф) преобразования энерги светового потока в электрическую и мощность электрическо . энергии (Р, „Вт м '), которую СЭ единичной площади вы".:, рабатывает при заданных условиях его освещенност (Р„,„, Вт* м-'), являются основными классификационными па.:, раметрами СЭ, характеризующими эффективность его ра-" боты.

Хотя основными электрофизическими параметрами, от ко:, торых зависит КПД и мощность электрической энергии СЗ' являются 1О, Я„1ф, Я и др., на практике чаще всего т~ Р„,, вычисляются через три электрических параметра СЭ У... 1„ и к„,„ поскольку они дают наглядное представлени о свойствах СЭ и их легко измерить.

Учитывая сказанное, КПД СЭ, впрочем как и преобразо:.' вателей других видов, можно представить в виде:

т);..—.. — '"" ~00О;;, (3.20

над

где Р„„., Вт м ' — интегральная энергия солнечного излуче.,' ния, падающая на единицу площади, СЭ; Р„„, Вт.м-' — — вы; ходная мощность электрической энергии, генерируемая с еди'-'.. ичщы площади СЭ, значение которой определяется в виде

Рвнх= — Кх~кзкр~. (3.21"

Из рассмотренного выше видно, что обратная зада га про: ектировання СЭ, т. е, расчета электрофизических и геометри-:- ческих парамстров полупроводниковой с1руктуры СЭ по пред, лагаемым техническим заданием классификационным пара меграм СЭ (Р„,-„,, Р„,.„, ц) также может быть решена на осно-. ве тех зависимостей, которые были р1ссмотрены в этой главе

4. СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЕМНИЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ

ЭЛ ЕМЕНТОВ

4.1. Описание технологического процесса изготовления Технология изготовления СЭ состоит из большого коли", честна технологических операций (ТО), основные группы каторых можно представить в виде: изготовление пластцц ц-'

Распознанный текст из изображения:

",' МО ': )оцокристаллнческого кремния, формирование в них р — ипе:- Рех!)да, создание контактов и нанесение просветляющего по, кр),1-)ИЯ.

На рис. 4,1 и на рис. 4.2 представлены принципиальные ' схемы технологических процессов производства соответственн)) !1."1анаРных и ВысокОВОльтных СЗ, показаны Различные

ехнологические варианты (Тв) их изготовления.

4ЛЛ. Описание технологического процесса изготовления

планарных солнечных элементов

11ервая операция «резка слитков кремния пз пластины» !1О 1).

Из различных способов резки слитков при производстве С;-') используется в основном резка латунными дисками с внут!)с!!!!Сй алмазной режу)цей кромкой, армированные, например гннтетическими алмазными микропорошками типа ЛСН 60/40 н, отечественных станках «Алмаз-6М», СДШ-100, СДП-100. ,'1)!я крепления слитков кремния к держзтелю станка исполь)\ к)т специальньге мастики на ОсноВе эпоксидных смОл, ци!1~ н!!з, клея ЬФ, полистирола. Ио окончании процесса резки ,1~.'Ржа'1 ель слитка вместе с пл))стинг)ми сиимзют со стзпкз, и

!!)Ные пластины очищгпот от мастики, промывая их в гори- !Г)! воде с добавлением сгнрзльного порошка или ш)щевоЙ

)ы. Разрезанные пластины толщиной 500---700 мкм, имеют !!')!Ссрхность со:)н))чи'!елы)ымн мехзничес1',ими нзрушениямп, !!Р!)чем Глубина н аруше)1нОГО слоя достиГаст нескольких де-

Г'! !'КОВ МИКРОН.

Вторая операция «шлифовка п,)зстнн) (Т02).

Для удаления нару1ненного прн резке слитков на пластислоя н достижения необходимых значений плоскопаралльности противоположных сторон пластины шлифуются на ~. !)ециальных станках для двухсторонней шлифовки, прн атом

качестве образина используют микропорошки с последова«льно уменьшающимся размером обрззивного зерна основ!):: й фракции; М28, М 20, М 14, М 10 и т, д.

Третья операция «механическая полировка пластин» 110 3).

При сОздании Р— и пе1зеходов, располагающихся близкО к поверхности (доли н единицы микрометров), механические 1! )Рушения могут играть существенную роль, влияя на равномерность залегания переходов по глубине и проникновение ~)еталла В Объем полупроводника при металлизаци)1. Б связи

зтнм шлифОВанная поверхность подверГается поли1зовке.

Распознанный текст из изображения:

Обычно при изготовлении планарных СЭ полируется лиш одна сторона пластин, на которой предполагается созда ' р — и переход. После механической полировки мелким алмаз ным микропорошком, например, АСМ 3/2, на поверхност обнаруживаются повреждения, распространяющиеся на глу бину 0,2 мкм. При этом глубина механически деформирован. ного слоя составляет 0,7 — 1,2 мкм.

Четвертая операция «химическая полировка пластин' (ТО 4)

Поскольку снижение скорости рекомбинации генерирован,' ных светом носителей заряда на рабочей поверхности СЭ (и,. является одним из основных путей повышения эффективност, их работы, то необходимо стремиться к максимально возмож, ному улучшению качества рабочей поверхности кремниевы пластин. С этой целью оставшиеся после предыдущих опе' раций нарушенный и механически деформированный слои' содержащие большую плотность эффективных центров реком бинации носителей заряда в приповерхностной области, уда:, ляются с помощью последующей химической обработки. В ка:: честве травильной смеси используется либо раствор 60 — ': 70%-ной азотной (НХОФ), 40 — 49%-ной плавиковой (НГ) уксусной (СН;СООН) кислот, либо щелочной травитель н основе 1---40%-го раствора щелочей 1чаОН или КОН.

В цасто51щсе врсм51 коГда позволяют эколоГические усло-' вия, для аиро!цсция тсхцолОГии изГОтовлсция СЭ вмссто Т «мсх11ц!111сск11я ц1лцфсч!к!1 и полировка» используя)т химическое травление цл11с!1!ц ца большую (ДО цсскочьких десятков. мкм) глуб)гцу.

Пятая операция «1)чцс!К)1 пл51сти51» (ТО 5).

Отполированные пластины, толщина которых на этом эта-:: пе составляет 300 мкм. тщательно отмываются, чередуя очистку в ~~аство()ах Н» 1 — — Н») ц Нг' и Иром! !вку в проточно!в деонцзировацной воде, по~~е чего Оии постуца)от на следу!о--. щук) тсхнологц11ескук) оцераццк), которая состоит в созда51ии:,: Р— и и изот)ц!Ного (и+ — -и или Р+ — Р) переходов.

Шестая операция «формирование э,'цктроцц!)-;1ы1)очного и:. цзотипног1) переходов» (ТО 6.1).

В настоящее время в процессе изготовления полупровод--,; никовых структур СЭ с р — и переходом испольэу)отся как раз-.: личные диффузанты в качестве источника примеси, так и различные методы проведения процесса диффузии;

— в пе5токе Газа нОсителя;

— с одновременным окислением поверхности полупровод, цка;

— — из стекловидных легированных слоев и ряд других.

Для формирования наиболее эффективных СЭ на основе , — — р — р+ (или п' — -и — р+) структур больше всего подходит ~:д1!Овременная двусторонняя относительно низкотемператур„;!я диффузия фосфора и бора. Одновременную диффузи!о осуществляют, используя легированные окисные пленки, наносимые избирательно на противоположные стороны кремниевых ц,!астин. Более прост метод нанесения легированных пленок ц; растворных композиций эмульситонов. Растворные компо;ццн5! на основе гидролизованного тетраэтоксисилана типа РБМК или КФК с заданной концентрацией легируюших прицссей (в пленке типа КБМК--30 —.20 Т содержится 30% В~О;,; ц пленке типа КФК вЂ” 50 — 20 Тд содержится 50% Р~05).

Растворные композиции избирательно наносятся на поверх;!ость пластин методом цецтрифугирования. Толщина наноси~1ых пленок составляет 0,1 — 0,25 мкм. После нанесения пле1ок проводится их термодиструкция на воздухе при Т=190'С ц течение нескольких часов, за время которой происходит !к парение вещества — растворителя и ряд других физико-хи)1ц)еских изменений в состоянии пленок.

Диффузия легирующих примесей проходит при 7=850— ',1!)0'С в вакууме или в среде аргона, иногда азота, и позво,,яет получить р — а переход и цзотицный (р+ — р или и+ — и) '.среход глубиной от десятых еднш)щ микрометра до нескольмцкрометров (чля ВСЭ до дес5ггков мкм)

Седьмая операция «удалсние стеклообразнОГО счоя диф- !» '.5)нтов» (ТО 7,1).

После проведения диффузии фосфора ц бора на поверхности пластин. куда перед этим были нанесены диффузанты, ~.1)раз~ ютсЯ боросиликатнОе и фосфо()но-силикатное стекла, ь~,'!Э)рые ес11ц онц це цсполь!ук)тся ка1' просвет!!Як)щце покры- !1!Я могутт быть удалены химическим травлением. ДлЯ этОГО ц. цол)-,здот, например, Одностороннюю обработку в травителе

14см' 48%-иоц Н1=, 7см'" ледяной СН)СООН и 0,1см' 'х !ХО;„травление в которо)м продолжается 1 — -2 мин пр5! Комцгной1 температуре.

В последнее время внимание специалистов привлекает !ионная технология производства СЭ„характеризующаяся высокой производительностью, хорошей воспроизводимостью результатов, малым числом ручных операций. В такой тех- 1")лОГии Р— и. перехода получают методом ионного леГирова-

Распознанный текст из изображения:

ния (ТО 6.3). Этот метод привлекателен еще и тем, чт; позволяет относительно легко управлять профилем распре.-: деления внедренных на небольшую глубину ионов примеси.„: что особенно актуально для СЗ.

При использовании для создания р — и перехода СЭ ме,' тода ионной бомбардировки легированный слой получаетс ' с большим содержанием дефектов кристаллической структу:; ры и как следствие — малой концентрацией основных носи,': телей заряда, что не соответствует уровню ионного легиро. вания, и с очень малым значением времени жизни неоснов-.' ных носителей заряда. Улучшение электрофизических свойст этого слоя можно получить последующим отжигом (ТО 7.3),:.: Проведение последующего отжига в окислительной атмосфер сопровождается диффузионным перераспределением внедрен:-'; ной примеси и созданием слоя %02 на поверхности пластин='::

Восьмая операция «фотолитография по окислу» (ТО 8)'-„--: Следукэщей важной технологической операцией являетс" фотолитография, с помощью которой происходит маскирова, цие поверхности пластин для создания металлической кон:. тактной сетки на рабочей поверхности СЗ. Она включает себя подготовку поверхности кремниевых пластин, формиро нацие слоя фогорезиста (его нанесение на поверхность плас:.с тиц и цер!зая сушка). формирование рисунка контактной сет':", кц в пленке фоторезцста (эксц<шированце, проявление и тер.,'

мозг),с! уб,.с)ив»!цце) и создание 1)цсуцка конта!сгной се) кц н "'

ЦОДЛ О Ж КЕ.

1х;)с!сствс) фотол)ггографцческого процесса во многом опре': деляегся под!!)тс)якой цоверхц!эсти кремниевых пластин, кото. рая зак,!)г)'!аеэс)1' н сэсэсз)сс !1/эцьч!)сцп пласт!гн в р1)!'аническц растворителях (толуоле, тр)!хл!эрэгцлене четыреххлористог углерода и т. д,); тра)э.!е)!и!! цх с целью удаления физико-хн' мических загрязнений, образующихся в результате взаимо": действия поверхности пласт!ц! с окруэкающей средой, и от .)!!!ВКЦ ПдаСтИН Н ДЕИОНЦЗИ1)ОВаННОП ВОДЕ ДЛЯ УДа.~!ЕНИЯ ОСтатс ков реагентов, минеральных солей и продуктов поверхностны, 1эеакцц Й.

Формирование фоторезистивного слоя начинает~я с нане сенин Определенной дозы фотореэцста на повер~нос~~ плас, тин, например, методом центрифугирования, причем, таки' параметры процесса, как угловая скорость вращения ротор', ного столика центрифуги (гс)=500 — 8000 об)мин), время цент: рифугирования (1„=20 — 30 с) и толщина нанесенной пленк' (Лф — — 0,5 — 2 мкм) определяются вязкостью используемого ф:",

орезиста и радиусом пластины. Далее проводйтся' -~ужкМ

„„1 )есенной на пчастины пленки фоторезиста для испарения ,„,творителя, повышения при этом ее прочности и увеличения сцд адгезии пленки к поверхности пластин. Обычно сушка барс)водится в термошкафах при температуре 90--150'С в тес),.цце 1Π— -60 мин.

Экспонирование ультрафиолетовым светом (л,=0,35—

041 мкм) начинает формирование рисунка контактной сетки в нанесенной пленке через заранее изготовленный фотошаб,,; 1, определяющий топологию контактной сетки СЗ, с целью ,„кального изменения растворимости пленки фоторезистора ц и воздействии на нее специальных травителей, Время эк. позиции обычно составляет 5 — 25 с. Далее следует )троя—

8-

,)с ИГ СКрЫтОГО ИЗОбражЕНИя рИСуНКа, ЗаКЛЮЧаЮщЕЕСя В удадес!Ци после экспонирования ненужных участков фоторезиста

1)оверхности пластин с помощью специальных травителей

(дэ!)г позитивных фоторезистов — — слабые водные и водно-гли- 1!Е!) Ц

це)ицовые растворы КОН, МаОН, ХазРО4 12Н~О; для нега- ) 1,1!ц1,!х фоторезистов -- трихлорэтилен, толуол, хлорбензол,

1лол). Затем проводится термозадуоливггние проявленного

рс„ьефного рисунка на пластинах для окончательного удаления остатков растворителей и дополнительной термополиме- 1)ц,1!!гни пленки фоторезиста. Температура задубливация !)с 1Ьефа ПрИМЕрНО В дВа раэа ВЫШЕ тЕМПЕратурЫ ПЕРВОЙ

СУЦ1КЦ.

ЛЕВЯтаЯ ОПЕРаЦИЯ «ТСРМЦЧССКОС ОС;1ЭКДЕЦИС В НЗКУ)сМЕ ПО-

! к гс)вагельно Т1, Рс1 и Л~ на лицсвукэ и тыльнук) поверхности ц ц !цц> (ТО94)

К;!к ) же о!мечалось в п, 1,3, необходимость !.Оздания мноиной металлической сетки вызвана тем, что каждьгй

и ')сталлов, ее составляктщих, в Отдельности не Обладает о . !» ременцо хорошей проводимостью, согласованными коэффц11)интами температурного р:.!сц!!!ренин, малой глубиной пропп ц )вопия в кремний, прочным сцеплением как с к~емнием,

дрх'~ имц мет!)л,с)амц, с кг)то1)ь!мц це до!!Жг!о О!)разовьг"

1-' ссс:. я гальванических пар

11„цыленце металлических пленок для создания контактов

мсс стза с полупроводником производится в вакуумных устав!)! !.,)х, Перед началом процесса кремниевые гиластины,':йО- с»'1!щ!шис с операции «фотолито!.рафия», обрабатываются"::Вс "-, Г1''1')1)ЦКОВОй КИСЛОТЕ. НаПЫЛЕНИЕ ПрОИЗВОдИтея Прн тЕМП6~3а' .: туре 250 — 300'С (и в вакууме 10-"' мм рт.ст,), ПосЛе:.''НОЮ)ФЮ= ;: '!!)в ггельного напыления пленок Тг, Рг( и Лд пластййИ.-:Т~Ф~:.

Распознанный текст из изображения:

тельно промывают для удаления фоторезистивной маски, н''

пример, в пернкисно-аммиачном растворе, при температу'

75 — 80' С.

Десятая операция «отжиг контактов» (ТО 10.4).

В заключение для получения низкоомного контакта к кре"

пик» нанесенные металлические контакты подВерГаются те

мообрзботке. Режим отжигз составляет !О мин при темпер:

туре 550'С, Зта температура ниже температуры появлен '

жидкой фазы в системе кремний — металл. Происходит тве

дотельпая диффузия кремния В нижниЙ (титановыЙ) мета

лический слой контакта,

Иногда вместо ТО 9.4- — ТО 10.4 для формирования ко

тзктной сетки СЗ используется химическое осаждение нике

ТО 9.5 — ТО 11.5, что связано с !»тносительной простотой это.,'

метода и еГО п1»иГОдностыо дл я м ассОВОГО изГотоВления Отн

сительно дешевых СЗ.

В этом случае кремниевые пластины опускаются в раство

химического никелирования с рН=8 на 7 — 8 минут. Пос

последующего вжигания осажденной никеливой пленки, пр

водимой в вакуумной установке при температуре Т=420.,::

470' С в течение 15 — 25 минут, проводится повторное хим

ческое (или гальваническое) никелирование пластин.

Одиннадцатая операция «лужение контактов» (ТО 11).

Для увеличения поперечного сечения токосъемной доро,

ки, '!то п1?иВг?лиг !' спижсни?О сои 1»0! ивлепия 1»астекзння и О?

лсГчениЯ п1?оцесс;1 пайки ( 3 и бзтз1»еи, пластины Окунзк?":;:.

в ванночки с рзсп !Гпюм припоя пз основе РЬ вЂ” Яп наход

щеГОся !!ри тех?пс1»"!'ту1?с егО плзВления, кото)?ая зависит

состава припоя.

Двенадцатая Операция :просветление рабочей поверхн"

стп» (ТО 12).

Для существенного снижения коэффициента ' отраженй

солнечного светл от рабочей поверхности СЗ, и тем самы'

значительного увеличения КПД преобразования СЭ, на н

износна !. я, нап1?пмс1», 1?к1с!!ылениеы В Вакууме, Однослоиные

многос,!ойные 1и»к!»Цтпя из Мс Г", 7ИЯ, Япо и др.

4.1.2. !.?онсвняс технолог»!чешско!о !»роцессв нзготовл~нв»?

высоковольтны»! солнючных эдвмвнтов

При анализе технологического процесса производства ВС изображенного в виде блок-схемы на рис. 4.2, следует, ч'. осноьные отличительные черты технологии изготовления ВС:: от технологии изготовления СЗ планарной конструкции пр.,

сп?и этапу формирования матричной структуры элемента.

При изготовлении ВСЗ, скоммутированного из отдельных Р-- -и — и+ (или р+ — р — и+) микроэлементов, получаемых в рез».!1,тате одновременной диффузии акцепторных и доиорных н,»?!мосе!1, этот этап заключается в следующем. Р?!с. 4.3. По?гупровод!твковвя сто»у»сту1?1!»?о??о?»??т-

ного высоковольтного соя!?е п»ого элс»?снтв

После термического напыления на обе сторонь1 кремниеви" пластин сплошной пленки алюминия (или силумина) ?Олщиной 10 мкм (ТО 8,14), пх укладывакгг в пакет в опрея! !вином порядке (например, р'-стороно11 вверх) В специальны ~ Графитовых кассетах. К1»?111чес?во уложенных в !пакет Г1,1;!стин определяется необходимыми размерами ВСЗ и вели'!!И ! О й еГО 1? а боч еГО н а п 1»»1 ж си 1! Я, и 06 ы ч 11О сост 3 В л и ет несколькз? дссятков штук. После их укладки В пакет на ВС1»хп101О п,п!стину устанавливается груз. Операцию «сплзвление плас,::. т!ш в пакет» (ТО 9.1) .осуществляк»т в вакуумных установках п1,И температуре 720 — 760'С в течение 15 — 20 минут.

Сплавление пластин в пакет можно осуществить и с по. м ?щью алюминиевых (или силуминовых) прокладок толщи'::-. Ной 20 — 30мкм„которые располагаются между кремниевыми :;: пластинами при укладке их в графитовые кассеты для сплавлспия (ТВ 1.3).

Далее сплавленные пакеты пластин поступают на участок :::,:= механической обработки, где из них вырезаются отдельные :" "СЗ (ТО 13) толщиной 0,3 — 0,5 мм.

61

Распознанный текст из изображения:

Йа шенный и результате механической резки припОВ '

ностный слой с обеих поверхностен удаляетс, р р,,

ару

мико-механической полировкой или обработкой в полирова'

ных,смесях и травителях (ТО 14).

При создании монолитной матричной структуры В,

( . 4.3) на одной кремниевой пластине (ТВ 2) используе'

!рис.. ) на

Операция зонной плавки с градиентом температ р ( '

с помощью кОторой В толще !ОремннеВых пластин, наприм.'

а-типа проводимости, формируется вертикальные р"-обла'

за счет проплавления предварительно напыленн!ых иа

Верхность пластин алюми~иевых зон заданноЙ конф~!г~ра

Ширина вертикальной р+-зоны и расстояние между зона

изменяется соответственно от 50 до 100 мкм и от 1 до 3

На тыльной поверхности ВСЗ создаются изотипные прик'

тактные слои р+-(ТО6.6 — диффузия бора) и л+-типа про

димости (ТО 6.7 — 6.8 — диффузия фосфора), уменьшаю

последовательное сопротивление и рекомбинацию на тыль

поверхности преобразователя.

На рабочей поверхности прибора создаются участки

ризонтального р+-слоя, легированного бором, соединен

только с одной из вертикальных р+-зон и образующие р-а:,

еход на глубине 0,2 — 0,4 мкм. Металлические контакты с

даются на тыльной поверхности и соединяют микроэлеме

ВСЭ последовательно ТО 6,10 — 6.11.

Математические модели технологических оп~раций и.

цесса изготовления СЭ позволяют рассч!!Тывать технологич

кие факторы используемого на операциях оборудования.

требуемым значениям контролируемых в ходе технологпч

кого процесса электрофпзпческпх и геометрических паращ

ров полупроводниковой структуры С.-.), которые в свою

редь Обеспеч!и!ают зада!!ные техническим заданием кла

фикационные параметры С3.

Рассматриваемая в этом параграфе математическая дель расчета технологических факторов операции «меха, ческая обработка» адаптирована для отечественных стай," «Алмаз-4», «Алмаз-6М», СДШ-100, СДП-100, широко пространенных в отечественном полупроводниковом приб строении.

Исходными данными при расчете являются параме используемого те~но~~~~~~~~о~о оборудования, Т~кие,

мкм — размеры зерен абразивного материала в диске

; внутренней алмазной режущей кромкой; С-'", мкм — зернист!Сть абразивных кругов при шлифовке свободным абразив!м, интервалы варьирования частот вращения режущих ин;,рументов и т. д. Кроме того зада!отся требуемая толщина !! !!стин 'и',Р, допустимый разброс по толщине отрезаемых ,, !;!стин Л„,~, и толщина механически нарушенного слоя /!!.

Расчет технологических факторов операции «механическая

, !!1!аботка» начинается с вычисленич К,--- необходимой тол- !!~!!ны отрезаемой от слитка кремния пластины, котороЙ пер.

!!~~начально присВаивается некоторое минимальное значение ! !! р,;1„-,), ОбуслоВленное Возможностями данного типа станка ! 1ГР=2 10-' — 1,2 10-' м). При этом величина поперечной по,!, чи режущего инструмента в зону реза при резке слитка ,ремния на пластины (5Р, мм/мин) можно наЙти следующим ооразом:

5" й! 1п 1Гр+й~, (4,1)

!.!е ~!! и /~~ — эмпирические коэффициенты, слабо зависящие

~,—, режимов резания и значения К,.

Разброс по толщине пластин Л определяется в основном

~ оростью подачи и в интервале изменений 5Р=10 — 65 мм/мин,

, эжет быть определен по формуле

А=К+/!! 5', 14.2)

! !е /,! и й4 — импирические коэффициенты, зависящие В Оси ином от условий работы станка для резки.

При превышении Л над значением Лдо!ь задаваемого из

«.!»В!!Й максимальной И1)О!!знод!!Тел!.н!эсти !!роцесс'!, Иеоохо.!!!МО умен!,шит!, ~е~~~~~у подачи режущего Инструмента 5Р.

Д1эугим Важным гехпологическим фактором процесса рез! !! Ивляется щ!), Об/мин -- частота Вра!ценил режущего инстру»!с!!'г'1, которой В начале расчета г!араме!'ров операции «ме-

~;!и!!ческая обработка» присваивается максимальное значеи:!е ьр,.„„, зависящее от технических возмо)киосте!! использ' емого станка. Обычно о!Р„..=3000 об/мин.

Глубина нарушенного слоя кремния после резки за счет

б! ения режущего диска (Й~,) для интервалов варировання

«"-=1500 — 3000 об/мин и 5Р=10 — 65 мм/мин может быть получено из следующего расчетного уравнения:

ар„= а,— а~ар+аз (5Р) '. (4.3)

Минимально возможная толщина механически -нарушенно'!::::, го слоя кремния (Ьр„) при резке, определяемую типом ис-

63

Распознанный текст из изображения:

пользуемого режущего инструмента, можно рассчитать

формуле:

ЙР„„.=А5СР, (4'

где пг — 1 7 (для кремния),

Если оказывается, что Йр„превышает толщину нарушен

слоя Й нс, го следует у меньшнть ь), а при выходе

пределы варьирования (ь)р~ь)р,..ь„) необходимо изменить зй

чение Ср на меньшее (заменить режущий диск на диск;-

меньшим размером зерен абразива в режущей кромке).

Далее осуи)ествляется расчет технологических фактор '

операции механической шлифовки, для чего на первой ст:,

дии процесса (а=-1) при фиксированном значении в)р рассч'

тывается скорость съема материала Г'"(а), которая опрело"

ляется в основном размером зерна основной фракции абр"

зивного материала С (а), Эта зависимость может быть а'

проксимирована следующим образом:

1' (п) = й; ехр (Й) С (и) ),

где Аб и Й~ — импирические коэффициенты.

Расчет времени проведения каждого этапа процесса шл" фовки )' (а) начинается с присвоения ему минимального зн ' чения ~ ',,„,(а), которое определяется на базе опытных да'. ных, Толщину снимаемого при этом слоя кремния ЛВ'"(ц, можно найти по формуле:

~'~~ (и) Г "~ (а)

/г

(4.-

где Й,) — — 0,6 при использовании абразивных кругов типа А и АСМ.

Подбираемая продолжительность каждой стадии процесс' шлифовки должна обеспечивать снятие нарушенного сл ' кремния, оставшегося после обработки пластин на предыд' щей стадии Й"'(а — 1). На первой стадии процесса шлифовк. (п=1) значение Й (а — 1) равно глубине нарушенного сло после резки слитка на пластины ЙР„.

Зависимость глубины нарушенного слоя после провед: ния каждой из стадий шлифовки Й'"(а) от величины удел' ного давления абразивного материала на поверхность полу проводниковой пластины Р"',(и), скорости вращения шлиф:: вальника а (а) и размера зерна абразива С (а) можно на ти по формуле:

Й"'(а) =6) — Ь.е'"(и)+6,Р .„

,." гд,: Ьь 62, Ьз — импирические коэффициенты;

— для диапазонов изменений Р „=0,01 — 0,3 кг/см';

ю"=10 — 75 об/мин.

Чипнмально возможная глубина нарушенного слоя

икя и"'„;(а) при шлифовке, определяемая размерами

абразивного материала, мо)кно рассчитать следующим

зом

крем- зерен обра-

Й,(п) =ВОВС (а), (4.8)

где ~г. — импирический коэффициент.

1=ели условие Й (а) ~Й „(а) не выполняется, следует

провести еще одну стадию шлифовки (п=п+1), но с использованием более мелких фракций абразивного материала.

Если условие Й (а) ~Й' „„(и) выполняется, то переходят

к расчету толщины обработанной пластины

Ж'= К" — Л В', (4,9)

Л

д, ~Я/ш=~;~ф'ш(а) — суммарная толщина слоя материала удаленного при шлифовке. В случае, когда рассчитанное значение толщины пластины К отличается от требуемой толщины 11"„, задаваемой из условий получения максимального К,11Д СЗ, следует изменить 11~'Р и повторить вышеописанную процедуру расчета.

Результатом проведенного расчета является нахождение

таких технологических факторов, как; о)р, Яр, С, С (а), а, ~" (а), 1~ (а), которые позволяют получить кремниевые пластины с определенными значениями толщины Кр и глубины механически нарушенного слоя Й (а).

4.3, Расчет параметров процесса химической полировки

кремниевых пластин

В технологическом процессе изготовления СЭ химическая

обработка кремниевых пластин в различного рода травите,':-::;::;:.:.лях используются главным образом для:

— контролируемого удаления полупроводникового матеРиала с целью получения пластин необходимой толщины без :,': механически нарушенного и деформированного на предыду;::: п)их операциях поверхностных слоев (химическая поли-',";, ровка);

'":;: —., ~-1675

66

Распознанный текст из изображения:

— травления рабочих поверхностей СЭ в целях управля мого изменения выходных характеристик готовых прибор: за счет требуемого изменения состояния рельефа рабочей и''' верхности (химическое профилирование).

Исходными данными при расчете технологических факт" ров операции «химическая полировка» кремниевых пласт." (концентрации компонентов, входящих в используемый тр: витель С', %; скорость стравливания кремния, Г„, мкм~ время проведения процесса, 1, с, которое определяется нео ходимой толщиной пластин д, мкм, равной сумме толщин б' зовой Иб, мкм и сильнолегированной д„, мкм областей, пре"' варительные значения которых обеспечивают заданные те-' ническим заданием классификационные параметры проект: руемого СЗ) являются геометрические параметры кремни' вых пластин, определяемые условиями предварительно пр" веденной операции механической обработки (толщина пла: тин и", мкм; величина механически нарушенного слоя л,'-", мк;

Поскольку кремний является достаточно химически акт " ным полупроводниковым материалом, он всегда покрыт ст' бильной пленкой диоксида ЯО~. Поэтому в технологическ, процессе изготовления кремниевых СЭ в основном в качест' травителей ЯО2 используют химические растворы на осн:: щелочи КОН (или ХаОН) или плавиковой НГ и азотн' НХОа кислот.

Обработка кремниевы~ пластин в щелочном травите ' который обычно представляет собой 20 — -30%-ный води, раствор гидроксида калия КОН (или натрия ! !аОН), про. водится с подогревом до температуры 50 — 100'С (обыЧ"' травление кремниевых пластин производится при температур кипения щелочного травителя).

Травление кремния в щелочи протекает в основном по х мическому механизму, и скорость этого процесса 1''ц„ не- висит от типа проводимости полупроводникового матерна' В процессе обработки происходит значительное загрязнен поверхности пластин продуктами реакции. Последующая и мывка пластин холодной и горячей деионизированной вод' малоэффективна из-за низкой растворимости продуктов ок ления кремния в воде,

Кроме этого, обработкой в щелочных травителях дос точно сложно получить сравнительно тонкие (порядка 1 200мкм) кремниевые пластины с гладкой поверхностью. недостатки приводят к высоким значениям скорости нове' постной рекомбинации носителей заряда на обработанны'

щелочных травителях рабочих поверхностях СЭ (ОР,~15 м/с) „ которая практически не меняется с увеличением времени обработки. У „,м~м,"с ! !

!

! т !и ! и ! ! ю го за Фа 5б 60 С„,„,% Рис. 4.4, Зависи~!оста скорости травле~и!я кремния от концентрации КОН в растворе

травителя

Более употребительными для химической полировки крем-

ниевых пластин в процессе изготовления СЗ являются кису .,отные травители на основе смеси азотной НХОв и плавиковой 1И» кислот. Механизм растворения кремниевых структур при тбработке их такого рода травителями носит ярко выражен. ный электрохимический тип. Скорость травления Г',Р крем!»!я в травильной кислотной смес~ на о~нове НХОа--НЕ такке мало зависит от типа проводимости полупроводника.

Процесс обработки пластин проводится при постоянной температуре и достаточно интенсивным перемешиванием травителя. Для ограничения скорости процесса травления благодаря изменению концентрации реагентов в смеси, вязкости ее и снижению степени диссоциации молекул НР и НМОа на ионы в раствор этих кислот вводят уксусную кислоту СНЗСООН (ледяную).

Скорость поверхностной рекомбинации носителей заряда на обработанной кислотным травителем (на основе смеси Нà — НХОа — СНаСООН) рабочей поверхности СЗ ниже, чем на поверхности, обработанной щелочными травителями. Ге величина составляет Ю,-0,1 — 10м/с в зависимости от усло-

Распознанный текст из изображения:

Вий проведения предыдущей механической Обработки повер: ности.

Зкспериментально полученные зависимости скорости тра' ления в растворах на основе КОН, а также на осно ' ~т~1мк~~ '-'

Ю Ф0 И 80 д% 1Мл, анна~ Рис. 4.5. Зависимость скорости травления кремния от

концентрации НГ и НМОэ в травителе НГ(48о~о-ной) — НКОа(60 — 70'ф-ной) от концентрации соста ляющих их компонентов изображены соответственно н: рис. 4.4 и рис. 4.5.

Данные импирические кривые можно аппроксимирова,, следующим образом: — для травителя на основе водного раствора КОН: 0% ~ Скон ~» 3О% 1 тр -- ~1 -',— ~1е '

1

35% -. СКОН~100% ~'т"р - С4-1- ~аЕ" — для травителя на основе НР— НХОа. О% < Снр < 40% Ккр --- а, -'; — Ь, е" с""' 40% <Снр <70% )~,р а +„«е

Ф

70% < С, ~ 80% 1~"' — п~, ь е' ~нр где 01 ... Йа, ь| . 6в, с1 ... св — коэффициенты.

Нз Основе данных зависимостей (4,10 — 4.11) можно достаточно точно рассчитать необходимое время обработки кремниевых пластин В расСматрИВЗЕмых тРзвиТЕЛЯХ, ЕСЛИ ИЗВЕСТЕН его состав.

В свою очередь вопросы «химического профилирования»,

текстурирования рабочей ~овер~но~т~ кремниевых СЗ, в настоящее время привлекает большое внимание технологов и конструкторов высокозффективных СЗ.

Текстурированная рабочая поверхность СЗ позволяет повысить Эффективность их работы за счет двух Эффектов.

11ервый из них заключается в снижении оптических потерь за счет многократного отражения света от граней пирамид (полученных при анизатропном травлении кремния) при прохождении его в СЗ под некоторым углом к плоскости р — и персхода. Второй Эффект заключается в приближении (в среднем) к р — и переходу тех областей полупроводниковой структуры СЗ, где происходит фотогенерация пар «Электрон — дыр1~а». Зто дает ВозмОжность тем самым уВеличить коэффициент собирания неравновесных носителей заряда, генерированных прежде всего фотонами мал~ых Энергий.

Технологически текстурированная поверхность СЗ может быть получена за счет анизатропного травления его рабочей и верхности. Известно, что для кремния скорости трав;:;.Ния основных кристзллографических плоскостей не равны: 1 '''~ "~тр -> И~ ~тр И ~тр. В ЧЗСТНОСТИ, дЛя ЭТИЛЕНдиаминового травителя (этилендиамина — 35,1о~о; пирокатехина — 3,7о~о; в,.ды — — 61,2о~о) пРи темпеРатУРе 100-+!'С соотношение Этих скоростей травления составляет соответственно 3: 30: 50 мкм/ч. Для гидразинового травителя (гидразина— 500!о. Воды — 50$о) И'0а|,р составляет 200 мкм~ч при темперагуре 120'С. Заметной анизатропией отличаются травители нн основе едкого натра (ЯЗОН вЂ” 2 — 3%, остальное — иода).

Большое различие скоростей травления кремния по разным кристаллографическим направлениям приводит к. вытравливанию в направлении большей скорости травления углублений, ограниченных плоскостями, характеризующимися малыми скоростями травления. Основная причина анизатропн >го травления заключается в анизатропии прежде всего сорбционных процессов на поверхности кремниевого кристалуслоВия протекания которых ззвнсят От числа и конфигураций химических связей, создающих комплекс «адсорбиР~'г~анный атом — травимая поверхность». Знтальпия образо- В ~НИЯ ТЗКИх комПЛЕКСОВ На травиМЫХ НОВЕрхноСтях кРем-

69

Распознанный текст из изображения:

ниевого кристалла с разной кристаллографической ориента;:; цией также различна.

При создании текстурированных структур СЭ на их по-;. верхности с помощью анизатропного травления стараются по',,', лучить четырехгранные пирамидки высотой 1 — 3 мкм, кото.-": рые ограничены крнсталлографическимн плоскостями 11111~,

Так как большинство анизатропных травителей для крем-" ния неактивны по отношению к диоксиду кремния, то оксид.'' ные маски можно использовать для локализации процессо, при глубоком (десятки и сотни микрометров) вытравливани профилированных углублений с целью последующего полу:,' чения за счет диффузии атомов примеси профилированны . изотипных и электронно-дырочных переходов в полупровод'..' никовой структуре СЭ.

Таким образом, для получения заданной геометрии тек: стурированной рабочей поверхности С3 при известном тип" травителя и процентном составе его компонентов (что апра' деляет соотношение скоростей травления по разным кристал-:. лографическим направлениям) можно рассчитать необходи', мое время обработки в данном травителе,

4.4. Основные дифференциальные уравнения, описывающпе::;:,

процесс диффузии атомов примеси в полупроводнике

В самом общем случае появление диффузионного поток' атомов примеси обусловливает наличие в полупроводник.'" градиента химического потенциала. На диффузию заряжен' ных частиц, которыми являются ионизированные при темпе: ратуре диффузии атомы примеси, определенное влияние оказывает как внутреннее, так и внешнее электрическое пол в полупроводниковом кристалле. Внутреннее электрическ ' поле в полупроводнике, как отмечалось в ~ 2.3, существуе' всегда в областях с неравномерным распределением атом ' примеси. С учетом электрического поля одномерный пот атомов примеси в изотропном полупроводнике, содержаще различные примеси, можно записать в виде:

У;, —.—. --- 0; — '' -- - 7; р; № Е, (4.1 где х — координата; У вЂ” поток ~-й примеси в направлении У;, 0;, р; — концентрация, коэффициент диффузии и подви ность атомов ~'-й примеси; Š— локальное значение напряже ' ности электрического поля в полупроводнике; Г; — коэфф циент, характеризующий кратность и знак заряда атом,,

доноров, Я,= — 1 (для однократно отрицательно заряженных атомов акцепторов У;=1).

Изменение концентрации заряженных частиц в некоторой точке со временем определяется на основании уравнения непрерывности, которое для одномерного случая имеет вид:

дй; д1;,

(4,13)

дт дх

Обобщение уравнений (4.12) и (4.13) дает классическое уравнение диффузии

дУ; д ( дУ;

(4.14) описывающее распределение концентрации диффундирующих атомов примеси в различных точках полупроводника как функцию времени.

Решение уравнения диффузии в общем виде встречает серьезные математические трудности. Для практических целей решение этого уравнения, используя принципы детерминированного подхода к моделированию процесса диффузии, ведется или с помощью численных методов, или аналитически с помощью введения ряда значительно упрощающих задачу предположений.

Для получения практически полезных результатов приходится рассматривать конкретные условия проведения процесса диффузии и, исходя из них, задаваться определенными граничными и начальными условиями для решения уравнения (4.14) .

4.5. Расчет параметров операции ~Диффузия~ на основе

аналитического подхода

При решении уравнения (4.14) в аналитической форме

вводят следующие допущения:

1) рассматривается одномерная задача;

2) в полупроводнике отсутствует электрическое поле;

3) коэффициент диффузии атомов примеси не зависит от

концентрации;

4) коэффициент диффузии атомов примеси зависит от

температуры в виде уравнения Аррениуса

0 ~7) = 00 ехр — — ~ (4.15)

ЛЕ ~

лт ~

где ЛŠ— энергия активизации атомов примеси, Дж/моль;

Распознанный текст из изображения:

1фемиий)

Химический элемеи7 В кичестие

примеси

0 при 1200' С,

2/

см )с

)~)с, смг)'с

.Р— газовая постоянная Я=8,31696 Дж/град моль); Т ...'. темпеРатУРа в гРадУсах Кельвина; Е1с †- коэффипнент, ОпР деляемый периодом собственных колебаний атомов в узла кристаллической р~ше~~и и ~р~~ч~йши~ расстоянием межд, положениями равновесия диффундирующих частиц, см'/с.

Значения энергии активизации ЛЕ для ряда донорных " акцепторных примесей в кремнии приведены в табл, 4.1,

(4.19)

»»'»»'; г) = »),ег)»в

2 1»' ЕИ

где ег1г и ег1с.з=1 — ег1г — сокращенная форма записи функп))и ошибок и ~ополнительной функции ошибок соответст- ВЕННО.

Для допустимого упрощения в практических расчетах аоычна пользуются следующей аппроксимацией:

ег,ся ехр( 2) ~1/г 1/Д.яз~фгт (4 20) пли более простви

ег1с г ж ехр г — (8+0,3) 21, (4.21)

Б А1 Р

355649 334728 355649

2,8 10-'г

1,3.10-

2 8. 10-)г

Л'(х; /) =- Л,

2,й

которое часто записывается как

Введение вышеперечисленных допущений значительно уп':

рощает аналитический подход к решению уравнения (4.14) ':,;

которое с учетом вышесказанного переходит в уравнение

— — /~(7') (4.16;

известное как уравнение второго закона Фика.

При формировании р — и перехода в кремниевых СЗ прак-':;:

тический интерес представляют два случая: диффузия из не-".

исчерпаемого источника примеси и диффузия из ограничен.'

ного источника примеси, которая состоит из стадий загонкн:-:.

и разгонки.

1. Диффузия из неисчерпаемого источника с постоянной:::.,

концентрацией атомов примеси (Л1,.) на поверхности пластины,:','.

В этом случае граничным и начальным условиями при ре-,:.

шении уравнения диффузии являются:

а) при всех 1 в точке х=0 имеем Л';(О; /) =Л)„

б) прн всех /в тачке х= о имеем Ж,(оо; /)=О (4.17)",

в) при /=О при всех 0;х - оо имеем Л';(х; /) =О

Решение уравнения (4.16) с учетом условий (4.17) имеет'::,

вид

где з .††координата, приведенная к удвоенной длине

2г» В1

;. и ффузии.

2, ДиффузиЯ из Ограниченного источника с пОстОЯнным Общим количеством диффундирующей примеси.

Для решения уравнения (4.16) в этом случае удобно в качестве количественной характеристики источника примеси ввести величину Я, ат/см' — общее количество примеси, продиффундировавшее в полупроводниковую пластину за время проведения процесса диффузии, отнесенное к единице плон)иди.

Граничные условия при решении уравнения диффузии за,ишутся следунщим образом:

у( . 0) ',Лг» при 0= х~~й (4 22)

' О при Й~-х - оо

где /), — толщина слоя, содержащего днффундирующие приВеличина «,) Определяется интегралом вида

»г: 1»»»» (.»; г) г)х.

«4 23)

Решение уравнения (4.16) в данных условиях имеез вид

»»гг», г) — ' гг) " " .'. ег) " ' ~ )424)

2-„~Я 2 з~ 01

Поверхностная концентрация убывает со времевем

)»'»О', г) - »»', ег) -1»».25)

21'1М

Распознанный текст из изображения:

14.2'

г;~е А~

й',

(4.2

(4.31)

~ 0а+1/2

И ь'

Для х < " г > Уравнение (4,24) выражается в.вй

6,0

де функции Гаусса:

м (д ~) —.— ехр ~

Х'- 4И

Здесь обьемная концентрация примеси на поверхности по' лупроводника, т. е. в точке х=О, согласно уравнению (4.26~':- определяется соотношением

Исходя из того, что на глубине залегания р — п переход.' (х,) концентрация атомов диффундирующей примеси рави ' концентрации исходной примеси М„,„, преобразование ура;., нений (4.19) и (4.26) приводит соответственно к следующи" выражениям для глубины залегания р — и перехода, полу'' чаемого диффузией в полированную поверхность

4.6. Численный расчет параметров операции «Диффузия»:.'.

Описанная в п. 4.5 математическая модель технологичес; кой операции «Диффузия», основанная на аналитическом под,;. ходе к решению уравнения (4.14), справедлива в том случае,':-", если коэффициент диффузии атомов примеси — постоянна '. величина при данной температуре и не зависящая от кон:; центрации (третье допущение в ~ 4.5). Однако при формй:.;„ ровании мелкозалегающих и сильнолегированных слоев в по,.,' лупроводниковых структурах СЭ, когда поверхностная кой:,.;:, центрация атомов используемых диффузантов близка к и'', предельной растворимости в кремнии, наблюдаются нелиней-:., ные концентрационные зависимости коэффициентов диффу.:'.", зни. В подобных случаях значительно усложняется аналити--',' ческое решение уравнения диффузии (4.14), которое при все .: вводимых допущениях в ф 4.5 (кроме третьего) приобретае,', более общий, по сравнению с (4.16) внд

Достаточно просто получить решение этого уравнения, применяя конечно-разностные методы его аппроксимации, которые позволяют учесть граничные и начальные условия, характерные для различных технологических приемов проведения операции диффузии при производстве СЭ. Метод конечных разностей (метод сеток) основан на замене области непрерывного изменения аргументов функции расчетной сеткой — дискретным множеством точек (узлов сетки). Функция непрерывного аргумента заменяется на функцию дискретных аргументов (сеточную функцию), определенную в узлах сетки. При этом частные производные аппроксимируются разностными соотношениями. В результате дифференциальное уравнение (4.29) превращается в систему линейных алгебраических уравнений, называемую разностной схемой.

Используя явный вариант конечно-разностной аппроксимации, разностную схему уравнения (4.29) можно записать в каноническом виде

А,-Х'+',, +В,М,'+'+ С;Н'+';, ~ — — Г;, (4.3Р)

ът

— — коэффициенты трехдиагональной матрицы (~=0 ... Л, 1'=О ... М), где 1г,„— шаг разностной сетки по координате х, см; Т вЂ” конечное множество точек, дискретизирующее непрерывное изменение аргумента х функции М(х; 1); х,=й„— ~'-й узел разностной сетки, см; М вЂ” шаг разностной сетки по временной координате 1, с; М вЂ” конечное множество точек, дискретизирующих непрерывное изменение аргумента функции У(х; 1); 1;=1Л~ — 1-й узел разностной сетки по координате 1, с; №;; №;,; Ж,'+', №+'„.~~ — значение функции Л~(х; 1) в узлах разностной сетки соответственно (х„; 1;), (х; )., 1,), (х;; ~,~)), (х;~~, 1,~~), см — з;

— значения функции В(К) в правом и левом междоузлиях, см2/с

При решении уравнения (4.29) можно использовать концентрационную зависимость коэффициентов диффузии приме-

75

Распознанный текст из изображения:

сей, полученную на основе анализа примесио-вакаисионн "

механизма взаи~одействия

""-Ф-("'." 'Л ("-( -- „„"'„.Г'"~ «

где Π— коэффициент диффузии примеси, независящий от '

кснцснтрации(для Х<.ХО), Ом'/с; Л',= ~ ' " 1, ' см',.;,

6 (1 — ) 12Ь' о„

122 К

— верхний предел концентрации примеси, при которО

начинает сказываться 0(Х) (для бора Хож 102О см-' для ф '

фора Ло- 10" см — '); ~ =0,27 — соотношение Пуассона; 12

=7,55 ° 10н — модуль сдви а, дин/см2; /у=3,٠— значен'

вектора Бюргерса; Л; Е=1 9.1У2 — модуль Юнга, дин/см,.:,

( 2,32 1

по — — 4,6 10'-' ехр1--- — '~ см-', 1з — коэффициент кристалл "

~Т

ческой решетки (для бора Р=5,2. 10 " см', для фосфор,

1 — 10 — 24 смз)

Собственная концентрация носителей заряда в полупр .'

воднике в формуле (4.32) можно найти из выражения

и; =- Хс (Т) Х,: (Т) ехр --- — (4.

кТ

где Хс(Т) .2 ' ' - и Х(Т) .2

,2 62

соответственно эффективные плотности занятых энергетичес)

ких уровней в зоне проводимости и валентной зоне, прив

денные к краям этих зон: Ле(Т) =Лво(ТО) — а(ТΠ— Т) — изме,.

нение ширины запрещенной зоны полупроводника с темпе.'

ратурой (для кремния ' е 1,12 ~в; а=2 4.10 — 4 ~в/К):

и „=0,33то и т",=0,55то — соответственно эффективны '

массы электрона и дырки; То — комнатная температура, 1~:"='

Т вЂ” температура диффузии, К.

Граничные и начальное условия, соответствующие кон.':

кретнь|м условиям проведения процесса диффузии, такж,

записываются в разностном виде.

Например, для диффузии из неограниченного источника

примеси, они будут выглядеть следующим образом:

Х';= 0

ЛЯ =-- Х2

Х,'у -- О, ХЛ.: Г

г и П' — - максимальная глубина проникновения примеси.

Решение системы линейных уравнений «4.30) можно осуществить методом прогонки. В этом случае решение записыв„ется в виде:

(4 35)

1+1 Я +Р ~' 3+1

для каи;дого /(/=1.„М) ~=А' — 1, Л" — -2 ...

«4.36)

д,. 1 Л,.Р, ' ' й,-:;-Л; 1.,

— - прогоночные коэффициенты.

Коэффициенты уравнений (4.35), связывающих последую-

~ие э~~~ения А",+' и ~~'+';,ь /=1, 2, ... Л" — 1 ~ож~О Опреде-

„,п.ь из рекуррентных соотношений (4.36), поскольку Ро и «)о

,,аданы в (4.34). Это прямой ход прогонки.

1Лз второго граничного условия (4.32) по формуле (4.35)

важно последовательно определить Л"+',- 1 ... Х,'+' — это об-

патный ход прОгонки.

Таким образом, система уравнений (4.30) будет решена.

Необходимым условием устойчивости решения, найденно-

го методом прогонки, является условие ~Р,~ -'1, а достаточ-

~ым условием называют условие ~В;~:=-.~А;1+1С;~, где ~Р;~,

'~ В, ~, 1А; ~ и 1С; ~ — определители соответствующих матриц

коэффициентов.

При решении системы (4.30) на основе предложенного чис-

ленного метода с использованием ЦВМ, удобнее оперировать

безразмерными величинами, например, Х=Л/Х, — безразмер-

ная концентрация; 0=0/О, — — безразмерный коэффициент

диффузии, Оо — — В (1000' С); /= ~//О ---- безразмерное время

(/Π— 1 ч); г = — безразмерная координата.

20 (1000' С) 1,

4.7. Расчет параметров Операции «Диффузия»,

проводимой одновременно с окислением

Технологическая операция «Диффузия», проводимая в две стадии (загонка и разгонка примеси) в потоке газа носителя одновременно с окислением поверхности кремниевых пластин, имеет большой практический интерес при изготовлении планарных СЗ, поскольку в ходе ее одновременно с формированием р — и перехода на рабочей поверхности СЗ, создается слой окисла ЯОр, который выступает в роли просветляющего покрытия,

Распознанный текст из изображения:

Уравнение, ойисывавщее процесс диффузии примеси-:

кремниевую пластину с одновременным окислением ее

верхности, имеет следующий вид:

дЖ »д, )) д Г дУ )д; )) дХ 1)) )) ]

д) дд [

ду а»

где Ь У(у; 1) — поправка, учитывающая процесс перер '

аХ (1)

пределения атомов примеси между кремнием и растущ

во время диффузии пленкой окисла; Л'=%~у(1); »1 — конце

трационный профиль распределения атомов примеси в кре"

ниевой пластине; ц=х — ЬХ(1) — подвижная координата,

считываемая от мгновенной границы раздела кремний — дн,.

окись кремния; Х(1) — толщина пленки окисла в момент в ',

мени 1; ЬХ(1) — толщина кремния, использованного при

разовании пленки окисла толщиной Х(1).

Для системы кремний — двуокись кремния Ь=0,44.

Толщина пленки двуокиси кремния определяется из ура

пения

Х2 (~) +АХ Я = О (1+ 1о), (4,3

1

где А и  — константы скорости Окисления; 1))-— --- — -~Х (1)';

Д

+АХ(0)] — поправочное время, вводимое для учета толщи '

окисла Х(0) в момент времени 1=0.

При температурах загонки Т .1100'С и толщинах окис '

Х~2000 А равенство (4.38) переходит н параболнческ

закон

(4.3

где  — параболическая константа роста пленки %02, зав, сящая от температуры и состава окислительной среды, мкм~' » — время проведения диффузии, с.

При решении уравнения (4,37) можно использовать зав:"! симость В(Л»), выраженную уравнением (4.32).

Граничнь1е и начальные условия для уравнения (4.3 определяются технологическими особенностями проведен:, диффузионных операций. Так на стадии разгонки распредед,, ние примеси при 1=0 соответствует распределению при з: гонке Ж(у; О) =~(у). При одностадийной диффузии Л'(у, О) =.".

Для диффузии из неограниченного источника У(0; 1) =,. а для ограниченного источника дй/ду]„=о —— О. Причем, ес' рассматривается разгонка примеси, то

78

Л'З)О,

где К= ' ' — коэффициент сегрегации примеси, характеричующий перераспределение между кремнием и растущим окислом (для бора А,В=О,1 — 0,001; для фосфора Й,,"=2 — 10).

С учетом (4.32) граничное условие (4.41) для Х„: Уо ;)меет вид:

--- »'1» (О; 9 (~2, — 1)) — — О.

»»Х »»»

1олщина пластины при производстве СЭ в большинстве практических случаев много больше глубины диффузии ~.= — 1»%, что позволяет использовать в качестве другого гра)пчного условия выра'кение Л'( И; 1) =-О.

Численное решение уравнения (4.37) можно осуществить на основе аппроксимации методом конечных разностей. В конечно-разностной форме уравнение (4.37) имеет вид

2 ' 1'+1 ! +1

(В»+1,2 У»+1--- О»+1,: М»

х~ +

О» — 1/2 ~7~7» + д-д»+1/2»» 1» — 11

(л'" х'-']

6„(»»+1)

(4.43)

т — шаг по времени; 6„— шаг по координате;

М(О; ~) =к„(1) М„ (4.40)

где кд — коэффициент„учитывающий изменение поверхностной концентрации примеси за счет ухода определенного кол)1чества примеси в пластину кремния и в слой окисла.

Поскольку диффузией бора и фосфора в окисленную плен,:;:;.:,-:::- ку можно пренебречь, а на подвижной границе между кремн11ем и окислом должно выполняться условие сохранения массь примеси, диффузионный поток примеси в кремний при ,1.=0 должен быть равен скорости захвата примеси растущим слоем окисла

( ) ! ) ( ! ') (~5 Ь)! (4~41)

дд 1). =а )) л

Распознанный текст из изображения:

г Ь) , Ь,

где Л,

Ьк,.)1)Ь )) . ' Ьь„(~Ь ) ))

2Г2|О. »,а

8; --1-'- ~~ к ~~

2ьа)

62 гг (Й+ 1)

61

!)к (/к+1)

Е;= Х';, !г 0,1,, /Ч

Система (4.44) решается аналогично системе (4.30).

Описанная на основе численного решения уравнения (4.3;: математическая модель технологической операции «Дифф зия», проводимой одновременно с окислением, достаточ . сложна и при проведении практических расчетов с использ ванием ЗВМ требует значительного времени и обьемов и мяти.

Более приемлимым для практических расчетов являет:- приближенное аналитическое решение уравнения (4.37) с гр' ничным условием (4.41), полученным при пренебрежении дц) фузией примеси в окисел. Для получения аналитического шения реальной параболический закон роста окисной плен' приближенно можно заменить линейным:

Х(1) =к1, (4,4. где к:;= — ' — средняя скорость роста окисла; Х(1,) — т 1ццна окисла в конце разгонки, а закон распределения втоц примеси в кремниевой пластине после стадии загонки с тать экспоненециальным;

„''Ф

Й, Щ = К, ехр ( — — ),

у

где 1.» — характеристическая длина, мкм.

С учетом этих допущений, а также принимая В=сок

получается простое дифференциальное уравнение с пост-,

ными коэффициентами

па раме ! !» г)Ц1»еде )! яющнц ха1»зк»ьер дцскре ! ива пни п1»ост

ранства по оси х.

Системы линейных алгебраических уравненеий (4.43) мои~

цо переписать в кононическом виде аналогично (4,30)

А,Н 1,,+В,К; »+С,К»»,,=г„ (4 44.

дМ(у; г) ' г д'-Ф(у; ~), — д))) (у;.1)

— Ой: (4,48)

Д1 Ду2 Ду

с начальным (4,47) и граничным (4.41) условиями.

Используя метод преобразования Лапласа, решение уравнения (4.48) можно записать в виде:

Ж2 (и"; ~) = (1/2 «гл) Ж, ехр [ — (у*+0,22 ХД,2) '-~;<

[ 1'Фз — у' 2()'й — у*) 1»,'аь — и !"212

2 е

У' фа+У* (1 ф~ ' У*) ~ ) ф~ — С К 0~ 1~

! 1

с -1, Й.', ,~2-);р 2 (с»' АУ га+у*)

2

) де Де=ф2«Д2/2 / е~= «)Д21|~ — дцффузцонцая длцна п1»цмесц при разгонке, мкм;

«Д4= (1-2/Х,») [1 — 0,22(Х//.~) (! )/Х,2); (4.50)

г 1»РА = (Л//;) Ф~е (1 — 0,22//ге) . (4.51)

Выражение (4.49) описывает профили распределения при;)оси в кремнии после разгонки с одновременным окислением «максимумом вблизи ш»верхности д=-0, величина которого 1);)стет пРи Увеличении коэффициента сегРегации пРимеси /ге

Характеристическую длину Е) в распределении примеси в ),ремнии при загонке можно выразить через поверхностное опротивление легированного при загонке слоя Яеаа„которое ))пределяется следую1цим образом:

Ле ааг е [др (Л/л с)/11е/ \~ ) (4.52)

!де Агл с=5 10" см-' = концентРациЯ пРимеси В легиРованной слое; р(У,,) — подвижность основных носителей заряда в легированном слое (при легцровании бором ц») (Ж,) ж ='50 см'/В с; при легировании фосфором 1»,„(Мл с) = '=200 — 140 см2/В с).

Прц температурах Т=950 †11'(:, которые наиболее час»о используются при изготовлении СЗ, поверхностная концентрация примеси в кремнии при загонке У„ практически равна максимальной растворимости этой примеси в кремнии !)ри данной температуре «для бора Л'"ежХ'„„,„=2 10" см-', д !я фосфора Лг', У',Р,д — — 3 10" см-').

~-1676 81

Распознанный текст из изображения:

;,~ехр — — ' ", ф

(4..64)

Е, ко

ыр+

Яр

~о

АДр

78

175

Рр

200—

Ыр

70

В этом случае основные результаты процесса ионного л6.":;.

гировання выражаются следующими соотношениями:

— глубина залегания р — и перехода

х~ — Яр + Лйр 2 1п (4,6

~п Л~р'1исх

— максимальная концентрация внедренной смеси

Я

(4.

)'Б ЛЯр

При Др~ЗЬЛр распределении (4,54) приобретает вид у ':

ченной гауссианы

Ф(х) =

— 1+ ег1 Лйр

Чаще всего после ионного легирования полупроводниковая структура подвергается термообработкам, в ходе которых происходит перераспределение примесей. Тогда технологическую операции ионного легирования можно рассматривать з качестве этапа загонки, а концентрационные профили (4.54) н (4.64) в качестве начального распределения примеси при моделировании процесса диффузии примеси на этапе разгонки.

С учетом температурных режимов термообработкн кремниевых пластин после имплантации окончательный концентрационный профиль распределения ионов примеси можно вычислить следующим образом:

ПРи низкотемпеРатиРном отхиге (1'ЕИ/Йр << 1)

для Рр» ЗЛЙр

М (~): —. ехр — — — — ~ -- Ф„„.„(4.65)

Я 1 Х вЂ” Йр~

— Мр 1 для Кр =ЗККр

Ж(х) =:;

;х, 'ехр -- — — ' —. М„„„; (4.66)

при выеокотемиератионом отжиге (фИЯр>>1)

М (х):-- ехр — — + М„„, (4.67)

~2

)'.. п~

4И

При условии )~МЯрж1 концентрационный профиль принимает вид

Х вЂ” Яр

М(х) =.. ехр — . — У„,„.

т'д()~2 Мр+ р''Б 1 2ййр+21~~%

4.9. Расчет параметров процесса контактной

фотолитографии

Одним из объектов математического моделирования в данном пособии рассматривается процесс контактной фотолито-

Распознанный текст из изображения:

графин (ПКФ), который в настоящее время широко испол зуется для создания металлической контактной сетки не' ходимой топологии на освещаемой поверхности полупров6': пиковой структуры планарных СЭ. Физико-химические яв,'а' ния, лежащие в основе проведения отдельных технологи ЪВ

К""

а сл'~-' ( Рааы "~77 ж ж/ ! ( /7/рею Гюгмыа~гмУЗ 1 7~ л«:. 2й и"' 1 И~2

( Рис. 4,6. Блок-схема технологической операции контактной фото.

литографии ких операций ПКФ, определяют тесную взаимосвязь качеств ' проведения последующих операций этого процесса с услО-: виями проведения предыдущих. П1

Для анализа зависимостей между основными параметрам' '

~Ф в данном пособии проведена декомпозиция этого про'.,'. цесса на восемь отдельных последовательно проводимых тех,, нологических операций (рис. 4.6), и весь ПКФ рассмот е' в виде технологической системы, преследующей едину ' цель — проведение ПКФ с такими наперед заданными пара:=,: метрами как:

— точность передачи рисунка, задаваемого фотошаблоно- ' и воспроизводимого ПКФ Н1, мкм;

— минимальный размер воспроизводимого ПКФ элемент," рисунка Н, мкм;

— допустимая плотность дефектов в пленке фоторези т ' фа, см '.

ф резист' '

Исходя из принятой схемы декомпозиции (рис. 4.9) сле-';, дует, что, если последовательно:

— обработать поверхность подложки перед нанесением,' фоторезиста (операция 1);

— нанести на обработанную поверхность подложки плен,::- ку фоторезиета (операция 2); 86

— высушить нанесенную пленку фоторезиста и удалить из ,~ее излишки растворителя (операция 3);

— облучить (проэкспонировать) пленку фоторезиста через фотошаблон с целью формирования в пленке фоторезиста ;крытого изображения рисунка (операция 4);

— проявить скрытое в пленке фоторезиста изображение рисунка за счет обработки подложки с этой пленкой в хими~еском реактиве (операция 5);

— термо (обработкой) задублированием перевести в слабо растворимое состояние оставшиеся после проявления участки |ленки фоторезиста (операция 6);

— провести химическое травление материала, находящегося под пленкой фоторезиста в окнах, вскрываемых в этой пленке при проявлении скрытого изображения в видимое (операция 7);

— очистить рельефную поверхность подложки от оставшихся после травления участков пленки фоторезистора (операция 8), то окажется возможным воспроизвести на материале подложки рельефное изображение задаваемого фото- шаблоном рисунка контактной сетки СЭ.

При этом, если материалом подложки, в которой получено рельефное изображение, является нанесенная на кремниевую пластину пленка диэлектрика (%02, $1аХ4 и др.), то вытравленные в ней окна позволяют высадить в них металл (Х1, Си и др.) для создания на рабочей поверхности СЭ токопроводящей контактной сетки.

Если же материалом подложки, в которой получено рельефное изображение, является напыленная в вакууме или химически высаженная на поверхность кремниевой пластины пленка металла (А1, %, Сг и др.), то оставшиеся после операции с<травление материала под пленкой фоторезиста» участки этой металлической пленки образуют рисунок контактной етки на рабочей поверхности СЭ.

Исходными данными при расчете технологических факторов ПКФ являются: тип используемого фоторезиста и его параметры (вязкость, плотность, молекулярная масса и др.), травимый материал подложки и его параметры (плотность„ толщина и ряд других), используемые травители и их скорости травления, а также все эмпирические коэффициенты (Кь К2 ... К|т), используемые при описании рассматриваемых операций ПКФ.

Результатом проводимого расчета является нахождение необходимых значений технологических факторов каждой опе-

Распознанный текст из изображения:

рации, при которых сам ПКФ реализуется с предьявляемы~ к нему требованиями по точности передачи рисунка, мийо~ мальному размеру воспроизводимого элемента рисунка и д:: пустимой плотности дефектов.

Для уяснения физической и математической взаимосвязе основных параметров ПКФ рассмотрим более детально каж'' дую из восьми последовательно проводимых технологически' операций, представляющих в данном случае весь ПКФ.

Обработка поверхности подложки (операция 1) перед на". несением фоторезиста проводится для обеспечения достаточи' хорошей адгезии пленки фоторезиста к материалу подложи',' Силы адгезии во многом определяют качество проведения все~-;." ПКФ, о чем можно судить по величине бокового растравл'.; вания (М, мкм) материала подложки под пленкой фотор~' зиста и этим самым оценивать точность реализации на под' ложке задаваемого фотошаблоном рисунка. Количественно; характеристикой определения качества обработки поверхн " сти подложки является угол смачивания этой поверхност" водой Я, град), который обратно пропорционален величин бокового подтравливания

М=КД вЂ” ', (4.69 и который зависит от условий (температуры Ть К и времен':" 1ь с) термообработки подложки в сухом азоте непосредствеВ но перед нанесением фоторезиста в виде

Я=К2Т, '1п(КА), (4.76: где Кь К2 и К8 — — эмпирические коэффициенты, определяемц' материалом подложки.

Нанесение фоторезиста на подложку (операция 2) — одй из ответственных этапов ПКФ, Из всех известных методо' нанесения (окунание, распыление, заливка, накатка и др„, гие) центрифугирование есть наиболее распространенный, управляемый метод. Используя его," можно на поверхнос: подложки воспроизводимо получать однородную пленку торезиста (Ь, мкм) толщиной от нескольких десятых до е4'. ниц микрона. В рассматриваемом методе фоторезист в ж ком виде через капельницу подается на подложку, помещу', ную на ротор центрифуги, Последующее непосредственно Ж, подачей нескольких капель фоторезнста быстрое вращей: ' ротора центрифуги вместе с подложкой со скорост ь„=0,8 — 8 10', об/мин, приводит к удалению с подлож излишков жидкого фоторезиста центробежными силами, к: торые тем больше, чем выше обороты центрифуги. Так

88

образом, изменяя о„, можно регулировать толщину наносимой пленки фоторезиста, исходя из обратнопропорциональной зависимости этих параметров:

К,~1"2 — 1,~2 (4.71)

где а, минь2 — постоянная центрифуги; К4 — коэффициент пропорциональности; С, о~о — содержание сухого вещества в фоторезисте.

Выбор необходимой голщины наносимой пленки фоторезиста диктуется минимальным размером воспроизводимого на подложке элемента рисунка (Н, мкм), так как последние параметры тесно взаимосвязаны соотношением;

Н= К;6, (4.72) где К8 — безразмерный коэффициент.

Критерием качества проведения операции нанесения фоторезиста на подложку служит плотность дефектов Л' в нанесенной на подложку пленке фоторезнста на единичной площади, оцениваемой эмпирической формулой

~~ д — Кб+ К2 ь~ ц+ К8я ~ (4.73)

где т1 — вязкость фоторезиста; К8, К2 и К8 — эмпирические коэффициенты.

Сушка фоторезистивной пленки (операция 3), нанесенной на подложку, начинается при комнатной температуре сразу же после подачи фоторезиста на подложку. Но для улучшения сцепления пленки фоторезиста с поверхностью подложки н более полного удаления растворителя из этой пленки последняя подвергается термообработке при температуре Т2, К, в течение времени 12, с. При этом, чем выше температура сушки, тем короче этот процесс, и наоборот, т. е.

~2 = К9 ехр ( — — К10Т2), (4.74)

где К8, с и К~о, К вЂ” эмпирические коэффициенты, определяемые типом фоторезиста, процентным содержанием в нем растворителя после формирования пленки фоторезиста на подложке и коэффициентом переноса этого растворителя.

Если ~~ушком низ~~~ температура сушки может привести к прилипанию фотошаблона к недосушенной пленке фоторезиста, то необоснованное сокращение времени сушки за счет чрезмерного увеличения температуры этой операции (выше 320 К) тоже недопустимо, Так как при этом повышается вероятность тепловой полимеризации нанесенной на подложку пленки фоторезиста и как результат этого невозмож-

Распознанный текст из изображения:

ния ВСЭ, во многом определяющей его внешний вид и трические параметры. В ходе ее осуществления формиру ' матричная структура ВСЗ (рис. 1.13) за счет создания е!' ческих контактов между уложенными друг на друга и ложенными фольгой (толщина фольги составляет 20 — 40 м,"' из электродного материала диффузионными, напряг; р+ — л — и+ (или р+ — р — а — и+), полупроводниковыми стру .' рами. Пакет пластин загружается в специальные графито3~'' стаканы или кассеты. Иногда из-за хрупкости графита исй0 зуют более долговечные и прочные стальные кассеты с вп'. сованными гранатовыми или рубиновыми втулками, котор предохраняют от контакта расплав электродного матерк ":"-' и стальные части конструкции кассет.

В качестве электродного материала., наиболее полно уд летворяющего требованиям, предьявляемым к омичееким ктактам, выбирается алюминий (лучше всего использовать в" сокочистый алюминий марки А99) или силумин эвтектичее "' го состава.

Фазовая диаграмма для системы А1 — % типична для ко' понентов, обладающих полной растворимостью в жидк " состоянии и ограниченной в твердом (рис. 4.7), образующ эвтектику (11,7О~О Я) при температуре 577,2'С.

Физико-металлургические процессы, протекающие прн фо. мнровании омичееких контактов между кремниевыми стру турами методом еплавлення, условно'можно разделить е дующим образом:

— расплавление электродного материала, емачпванне ~~', контактирующих поверхностей кремниевых пластин;

— растворение определенного объема кремния в объе', электродного материала в количестве, определяемом точко на диаграмме состояния;

— кристаллизация расплава и образование сплавного ом' ческого контакта.

Режим разогрева кассет с загруженными пакетами кре~~: ниевых пластин должен быть таким, чтобы в течение пр'' Чесса смачивания не происходило заметного растворейи';, кремния в расплавленном алюминии (силумине). Необходим.' также учитывать, что процесс смачивания поверхности сплав':, ляемых пластин длится вполне определенное время 10 ." 15 мин, продолжительность которого зависит в основном 0' состояния контактирующих поверхностей. Поверхность пла~';, тин хорошо емачнвается расплавом алюминия (силумина::

94

при скорости разогрева 1~„„=30 — 60'С/мин до температуры- 7', „= 680 — 700' С.

Различные дефекты поверхности сплавляемых пластин и нх структуры (дислокации, мнкротрещины, царапины) при, одят к понижению энергии активации растворения кремния.

м' ! / и '!'," "а !!и!:.'о л! 4а!с

0 ~~а Рис, 4.7. дилГряммЗ ОООтОяии;! И.чн!!!!!!!!!!Ь

КРИЧ!!!!!! Поэтому эти нарушения препятствуют равномерному смачинанию, локализуя в этих областях растворение полупроводникового материала. Недостаточная чистота поверхности сплавляемых кремниевых пластин, остатки на ней пленки .кисла 8102, различных механических загрязнений, способ.твуют образованию неемочениых участков, что вызывает возрастание омического сопротивления формируемых контак= тов, В связи с этим перед сплавлением кремниевые пластины обрабатывают в травителе, например, в плавиковой кислоте в течение 10 — 15 мин с последующей промывкой в деионизированнои воде.

Дчя улучшения смачивания и бочее плотного прилегания еплавляемых кремниевых пластин сверху пакета с помощью грузов или специальных устройств создаетея постоянный в