Влияние атомов калия на дрейф носителей заряда в гранулированном кремнии

АННОТАЦИЯ

Экспериментально исследовано влияние атомов калия на процессы переноса заряда в гранулированном кремнии при повышении температуры. При температуре Т~210 °С рассеяние электронов на донорном уровне калия привело к увеличению тока с отрицательным знаком, при этом удельное сопротивление оказалось в 1000 раз ниже, чем у не калийсодержащих гранул. Было также замечено, что на более поздних стадиях повышения температуры знак тока меняется, то есть ток увеличивается с положительным сигналом, когда Т>250 °С.

ABSTRACT

The effect of potassium atoms on the charge transfer processes in granulated silicon was study experimentally during temperature rise.  At a temperature of Т~210 °С, the scattering of electrons from the donor-level potassium led to an increase in the current with a negative sign, while the specific resistance was show to be 1000 times lower than that of the non-potassium-containing granules. It was also observed that in the later stages of the temperature increase, the current sign changes, that is, the current increases with a positive signal when Т>250 °С.

Ключевые слова: гранула, кремний, дрейф носителей заряда, температура, высоты потенциального барьера.

Keywords: granule, silicon, charge carrier drift, temperature, potential barrier.

В последние годы широко изучаются физические свойства гранулированных полупроводников при определенных условиях, в частности термовольтаические свойства, их зависимость от эффектов входного теплового напряжения и механизмы проявления этих эффектов [1, с.45; 2, с.36; 3, с.153; 4, с.165; 5, с.113; 6, с.262]. Согласно анализу, термовольтаические свойства гранулированных кремниевых полупроводников зависят от размера гранулы и исходного состояния или дефектов на поверхности, а также от разницы температур. Было признано, что образование электронно-дырочных пар может повысить эффективность полупроводников. Процесс переноса заряда зависит от размера гранул, и при малых размерах основной фактор, влияющий на процесс переноса заряда, зависит от свойства двух смежных сфер между гранулами. Однако образование электронно-дырочных пар в гранулированных полупроводниках и механизмы переноса заряда в них в настоящее время являются одной из нерешенных проблем. Исследования микроструктуры межзеренных границ поликристаллического кремния, их зарядовых состояний и p-n - переходов экспериментально показали [9, c.183], что атомы щелочных металлов, таких как калий, устраняют новые центры рекомбинации в межзеренных границах поликристаллического кремния, что приводит к повышенной проницаемости.

В связи с этим изучение механизмов устранения центров рекомбинации атомов калия в неравномерной зоне с SiO₂ на поверхности гранулированного кремния и их влияния на процессы переноса заряда представляет интерес для специалистов в данной области.

Исследования процесса изменения температуры проводились обычным двухзондовым методом [7, с.1; 8, с.10].

Температурные изменения контролировали с помощью хромель-алюминиевых термопар. Порошковая технология была использована для получения гранулированных кремниевых полупроводников [7, с.1; 8, с.10], монокристаллических и поликристаллических образцов кремния, содержащих энергию Е~30 кэВ и D~10¹³ см^-2 атомов калия, путем ионной имплантации в качестве сырья [9, с.183].

На рисунках 1 и 2 представлены результаты, полученные при исследовании процессов переноса заряда в гранулированном кремнии. Для сравнения полученных результатов мы используем результаты, полученные в предыдущем исследовании [8, с.10-17]. Результаты исследования показывают, что в образцах без атомов калия ток стабилен до 100 °С, затем увеличение при Т≤150 °С, Т~180÷230 °С, Т~240÷280 °С, Т~290÷300 °С, Т~310÷380 °С, Т≥400 °С, уменьшение Т~150÷170 °С, резкое увеличение Т~180 °С, Т~240 °С, Т~290 °С, Т~310 °С наблюдаемый (рисунок 1, линия 1) [8, с.10].

Напряжение также было стабильным до 100 °С, затем снизилось до T≤210 °С, после чего последовало резкое повышение и изменение температуры по мере увеличения тока.

Однако невозможно было графически описать изменение гранул, в которые были вставлены атомы калия, так как напряжение подскакивало как на отрицательные, так и на положительные мелко дискретные значения. Установлено, что сила тока стабильна до 100 °С, а затем увеличивается до отрицательного значения до T≤210 °С. На следующих этапах повышения температуры ток уменьшается до T≤250 C с отрицательным значением, а затем увеличивается с положительным сигналом.

Хотя удельное сопротивление гранул уменьшается с повышением температуры, они также претерпевают скачкообразные процессы.

Для объяснения полученных результатов мы используем модель процессов переноса заряда в гранулированном кремнии и ее механизм, а также модель термоэлектронной эмиссии [10, с.344], предложенную в предыдущих исследованиях [7, с.1; 8, с.10]. По его словам, процессы переноса заряда в основном происходят между двумя соседними гранулами (рис. 3а, зона 4).

Рисунок 1. Температурная зависимость тока в гранулированном кремнии: 1 - чистый кремний, 2 - гранулы, содержащие атомы калия

Рисунок 2. Температурная зависимость удельного сопротивления гранулированного кремния: 1 - чистый кремний, 2 - гранулы, содержащие атомы калия

Согласно предложенной модели, с точки зрения структуры гранулы, зона рельефа (1), состоящий из SiO₂ на поверхности гранулы, состоит из зон (2), отделяющих ее от ядра  гранулы(3) (рис. 3б). Комбинация двух гранул образует зону (5). Гранулы также соединены омическими контактами М_А и М_В через  зоны 1-2 (рис. 3а).

a)

b)

Рисунок 3. a) Методика исследования и упрощенная схема размещения гранул. (1, 2, 3) – гранулированный полупроводник, 4 – зона контакта гранул, 5 – керамическая трубка, омические контакты M_A и М_В в областях A и B соответственно, Q – количество переданного тепла, б) – упрощенная структура порошка

В гранулах, содержащих атомы калия, текущее состояние до Т~100 °С соответствует состоянию образца без калия, но последующие состояния другие. Например, увеличение до Т~210 °С отрицательным знаком, а затем уменьшение до Т~250 °С положительным знаком.

Это может быть связано с образованием донорных поверхностей в калиевом кремнии атомами калия.

Таким образом, атомы калия взаимодействуют с атомами кислорода и вакансиями с образованием комплексных соединений К_х-О_у или К_х-V_у.

Этот процесс предотвращает образование преципитатов SiО₂ или Si_xO_у на поверхности гранул кремния [1, с.45; 2, с.36], а также устраняет новые типы центров рекомбинации, возникающие под действием температуры. В этом случае электропроводность зависит от образования электронно-дырочных пар во вводных состояниях, состоящих из сложных соединений, образованных атомами калия.

Увеличение количества электронно-дырочных пар с температурой приводит к увеличению электропроводности термоэлектрического материала, в который введены атомы калия.

Полученные результаты и представленные соображения могут быть важны для объяснения физических свойств гранулированных полупроводников при определенных условиях, включая структуру гранул, образование двух смежных полей, процессы переноса заряда между ними и другие кинетические явления в полупроводниках микро- и наноразмеров.

Также использование предлагаемого термоэлектрического материала и способа его производства позволит значительно снизить стоимость тепловых электростанций и их производства.

Список литературы:

1. Ашуров М.Х., Абдурахманов Б.М., Адилов М.М., Ашуров Х.Б. Изотипный преобразователь тепловой энергии на основе микрозернистого кремния. //ДАН РУз. 2010. с.45-49.
2. Абдурахманов Б.М, Адилов М.М, Ашуров М.Х, Ашуров Х.Б, Оксенгендлер Б.Л.  Разработка и исследование кремниевых изотипных, одно и многопереходных тепловольтаических преобразователей энергии. Препринт ИЯФ АН РУз Р-8-693. Ташкент – 2010. с.36.
3. Сохибова З.М., Анарбоев И., Мамиров А., Олимов Л.О. “Электропроводность гранулированных полупроводников”. Материалы республиканской научно-практической конференции. Андижан - 2018. с.153.
4. Сохибова З.М., Анарбоев И., Олимов Л.О., Омонбоев Ф.Л., Алиев Р.У. “Введение термовольтаических эффектов в ультрадисперсных порошковых полупроводниках”. Материалы республиканской научно-практической конференции. Андижан - 2018. с.165.
5. Сохибова З.М., Адилов М.М., Олимов Л.О. “Влияние гранулометрических параметров порошка кремния на его электропроводность” IPEC-7 Сборник тезисов докладов, 18-19 мая, 2018. С.113.
6. Сохибова З.М., Анарбоев И., Олимов Л.О., Эркабоева С, Омонбоев Ф.Л., Алиев Р.У. “Влияние атомов кислорода на термовольтаические свойства ультрадиспертов кремния”. IV Международной конференции по Оптическим и фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро- и наноструктурах. Часть-3. 25-26 мая 2018 года, Фергана. с.262.
7. Олимов Л.О., Сохибова З.М., Абдурахманов Б.М. “Некоторые особенности переноса носителей заряда в гранулированных полупроводниках”. I. Структура и механизм явления.  Международный журнал перспективных исследований в области технических и прикладных наук (ISSN: 2278-6252) 2018. с.1-9 (IF: 7.388) www.garph.co.uk.
8. Олимов Л.О., Сохибова З.М. “Некоторые особенности переноса носителей заряда в гранулированных полупроводниках”. II. Экспериментируйте. Международный журнал перспективных исследований в области технических и прикладных наук (ISSN: 2278-6252) 2018. с.10-17 (IF: 7.388) www.garph.co.uk.
9. Олимов Л.О. “Границы зерен поликристаллического кремния: микроструктура, зарядовые состояния и p-n – переходы”. Автореферат докторской диссертации.
10. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применения: Пер. С англ. // Под.ред. Харбек Г. –М., «Мир». 1989. 344 с.