电阻率-光学穿透深度-掺杂浓度-少子寿命的关系

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电阻率\光学穿透深度\掺杂浓度\少子寿命的关系
摘要:采用电动力学等方法,研究了太阳能多晶硅及多晶硅片的一些重要参数,并围绕着这些参数之间的紧密联系性作了详细计算。

为进一步用量子理论方法研究指出了方向。

关键词:电阻率、光学穿透深度、掺杂浓度、少子寿命
0引言
硅的少子寿命是越长越好(客户会要求少子寿命不能小于多少),而硅的少子寿命受到掺杂浓度的影响;生产的硅片多为P型,特殊客户有要求为N型的,P型或N型都要求在掺杂环节算好掺杂浓度,而掺杂浓度会影响到硅的电阻率(客户要求硅的电阻率要在一定的范围);硅的电阻率又会影响到硅的光学穿透深度(硅片的厚度),目前国内采用多线切割技术切割的硅片厚度在110-120,太厚会增加成本,太薄,一是技术上达不到或不成熟,二是硅并不能吸收全波段的光,当硅的光吸收跃迁几率减少,吸收的能量就减少,以后做成的太阳能电池的光电转换效率就会降低。

理论计算并考虑客户要求的情况下硅片还有切薄的空间。

1位移电流
在电介质中,位移电流取决于电场强度的改变:,假设电场强,则,而传导电流。

对硅而言,,,时,。

对于导体而言,而对半导体而言,,因此在硅片中,主要产生的是位移电流,无法用数字万用表测量其电阻率,应该采用范德堡(Van der paw)电阻率公式计算,可以用四探针电阻率测试仪或涡流法无接触电阻率测试仪测量其电阻率。

2 反射系数R
电磁波在电介质中的入射波和反射波平均能流密度分别表示为
反射系数R为
其中
如果在以后做成的太阳能电池表面存在一层减反膜,的介电常数,可以算出光波在光电池中的反射系数为10.7%。

但如果第一介质为空气,可以算出光波在电池表面的反射系数为30.1%。

3光学穿透深度
电磁波振幅降至原值1/e时,电磁波在电介质中走的距离称为穿透深度。

这样我们就得到了光学穿透深度和电阻率的关系式,通过这个关系式就可以知道一定厚度的硅片,电阻率是多少。

对于硅n取3.4,计算结果如(表一):
4 间接跃迁的吸收系数
吸收系数是光学穿透深度的倒数,它是频率或波长λ的函数,并且有一个普朗克常数,因此要用量子力学的方法计算,计算公式如下,和分别代表禁带能量和声子能量。

硅的光吸收系数和波长的关系如图(二)。

用光谱仪可以分析硅的光吸收系数,用光谱仪也可以得到和分析硅的其他许多试验结果。

5 非平衡载流子寿命(少子寿命)
把两粒硅原子看做一个电偶极谐振子做简谐振动,坐标分别为(x,0,0), (-x,0,0),用小代表电偶极矩,,,则,于是电偶极辐射功率
电偶极振子辐射功率时间平均值
已知等离子体振荡角频率
对于硅,电子振动的角频率为,代入,根据上式辐射功率为(将能量J转化为eV)。

硅原子中的电子从导带跳到价带所放出的能量为1.12eV,所以其寿命为。

硅是间接能隙半导体,其体内主要进行的是非平衡载流子的间接复合,以r 表示电子-空穴复合概率(单位), 表示复合中心浓度,硅的本证载流子浓度约为,非重掺硼杂质后P型硅的空穴浓度约为,的硅原子数为,所以硅内部的非平衡载流子寿命为
6 电阻率
对于P型半导体:,对于N型半导体:,为硅的空穴迁移率,为硅的电子迁移率,,、为载流子浓度,为电子电量,为电阻率。

7 结论
本文以多晶硅或多晶硅片作为试验样品,计算了其电阻率、硅片厚度(光学穿透深度)、掺杂浓度、少子寿命等参数,本文指出这些参数并不是孤立的,它们之间存在着密切的联系;本文对生产实践有一定的参考价值。

参考文献:
[1]邓稼先著.邓稼先文集(电动力学部分).安徽:安徽教育出版社,2003.
[2]刘恩科、朱秉升、罗普生等编著.半导体物理学.西安:西安交通大学出版社,1998.
[3]杨德仁编著,太阳能电池材料.北京:化学工业出版社,2007.
[4]钟锡华编著.现代光学基础.北京:北京大学出版社,2007.
注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。