Влияние атомов калия на дрейф носителей заряда в гранулированном кремнии

The influence potassium atoms on charge carrier drift in granular silicon
Цитировать:
Сохибова З.М. Влияние атомов калия на дрейф носителей заряда в гранулированном кремнии // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 9(78). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10729 (дата обращения: 26.09.2021).
Прочитать статью:

 

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 МА и МВ 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 MA и МВ 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 Кху или Кх-Vу.

Этот процесс предотвращает образование преципитатов SiО2 или SixOу 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.
Информация об авторах

докторант Андижанского машиностроительного института, Узбекистан, г. Андижан

Doctoral student of Andijan Machine Building Institute, Uzbekistan, Andijan

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top