ArticlePDF Available

ФЛЕКСОФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ Р-П-СТРУКТУРАХ

Authors:

Abstract

In this work, the experimentally discovered effect of flexophotovoltaics (FFV) in silicon p-n structures under the influence of local mechanical stress on the front surface is theoretically justified for the first time. The regularities of the manifestation of the FFV effect are determined depending on the value of the local pressure force and the photoexcitation intensity. The experimental data were processed statistically by the least squares method and a new empirical formula was obtained for the experimentally determined dependence of the short-circuit photocurrent of a silicon structure on local mechanical stress.
№ 4 (85) апрель, 2021 г.
__________________________
Библиографическое описание: Флексофотовольтаический эффект в полупроводниковых р-п-структурах //
Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Алиев Р. др.]. 2021. 4(85). URL:
https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11597 (дата обращения: 26.04.2021).
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
DOI: 10.32743/UniTech.2021.85.4-4.77-81
ФЛЕКСОФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ Р-П-СТРУКТУРАХ
Алиев Райимжон
д-р техн. наук, профессор, Андижанский государственный университет,
Республика Узбекистан, г. Андижан
Франк Бехрендт
д-р техн. наук, профессор, Берлинский технический университет,
Германия, г. Берлин
Жасур Гуломов
соискатель, Андижанский государственный университет,
Республика Узбекистан, г. Андижан
Муроджон Абдувохидов
докторант, Андижанский государственный университет,
Республика Узбекистан, г. Андижан
Сухроб Алиев
доктор философии по физ.-мат. наук. (PhD), доцент
Андижанский машиностроительный институт,
Республика Узбекистан, г. Андижан
E-mail: suhrob_asr89@mail.ru
Бобур Рашидов
докторант, Андижанский государственный университет,
Республика Узбекистан, г. Андижан
FLEXOPHOTOVOLTAIC EFFECT IN SEMICONDUCTOR
P-N-STRUCTURES
Rayimjon Aliev
Doctor of Technical Sciences, Professor
Andijan State University,
Uzbekistan, Andijan
Frank Behradt
Doctor of Technical Sciences, Professor
Berlin Technical University,
Germany, Berlin
Jasur Gulomov
Researcher
Andijan State University,
Uzbekistan, Andijan
Murodjon Abduvokhidov
PhD Researcher
Andijan State University,
Uzbekistan, Andijan
№ 4 (85) апрель, 2021 г.
78
Sukhrob Aliev
PhD of Physical and Mathematical Sciences, associate professor
Andijan Machine-Building Institute,
Uzbekistan, Andijan
Bobur Rashidov
PhD Researcher
Andijan State University,
Uzbekistan, Andijan
АННОТАЦИЯ
В данной работе теоретически обоснован впервые экспериментально обнаруженный эффект флексофото-
вольтаики (ФФВ) в кремниевых р-п-структурах при влиянии локального механического напряжения на фрон-
тальной поверхности. Определены закономерности проявления эффекта ФФВ в зависимости от величины ло-
кальной силы давления и интенсивности фотовозбуждения. Выполнена статистическая обработка
экспериментальных данных методом наименьших квадратов и получена новая эмпирическая формула для экспе-
риментально определенной зависимости фототока короткого замыкания кремниевой структуры от локального
механического напряжения.
ABSTRACT
In this work, the experimentally discovered effect of flexophotovoltaics (FFV) in silicon p-n structures under the
influence of local mechanical stress on the front surface is theoretically justified for the first time. The regular ities of the
manifestation of the FFV effect are determined depending on the value of the local pressure force and the photoexcitation
intensity. The experimental data were processed statistically by the least squares method and a new empirical formula
was obtained for the experimentally determined dependence of the short-circuit photocurrent of a silicon structure on
local mechanical stress.
Ключевые слова: кремний, р-п-переход, флексофотовольтаика, деформация, механическое напряжение,
кристалл, ширина запрещенной зоны.
Keywords: silicon, p-n junction, flexophotovoltaics, deformation, mechanical stress, crystal, band gap.
________________________________________________________________________________________________
Авторами работы [1] предложен новый способ
повышения эффективности фотоэлектрического
преобразования (ФП) за счет локального давления
полупроводниковых кристаллов при их освещении
оптическим светом определенной длины волны.
Оказание локального давления кристаллу приводит
к возникновению в нем градиента механического
напряжения и, следовательно, наблюдается флексофо-
товольтаический (ФФВ) эффект. Исходя из кристал-
лографического представления полупроводниковых
материалов можно предполагать, что ФФВ эффект
может наблюдается в любых видах полупроводни-
ков, в т. ч. и в кремний. Однако, физическая природа
ФФВ практически не изучена. С целью рекоменда-
ции эффекта ФФВ для повышения эффективности
какого-либо электронного прибора, в частности ФП,
мы должны представит процесс переноса заряда в
рассмотренной структуре. С другой стороны, по фи-
зике известных полупроводниковых приборов
знаем, что если формировать р-п-переход в объеме
полупроводника, то чувствительность на внешние
воздействия такой (диодной) структуры на много
повышается по сравнению со структурой без р-п-пе-
рехода (резистора) [2]. Поэтому, представляет важ-
ный физический и практический интерес - целена-
правленное исследование локального механического
напряжения на процесс фотоэлектрического преобра-
зования в кремниевых структурах с р-п-переходом
к чему посвящена настоящая работа.
В полупроводнике п-типа проводимости при
приложении электрического поля с напряженностью
Е, основные носители заряда (НЗ) – электроны с заря-
дом q и подвижностью µе получают упорядоченное
движение со скоростью vе. Для такого электрического
тока и других основных физических параметров
можно принять следующие известные выражения:
I = -qneve S; ve = µе E; E = - grad(φ), (1)
где φ высота потенциального барьера р-п-перехода
и S площадь ФП.
В случая рассмотрения потока электронов только
в одном направлении c длиной l и напряженностью
E = -ΔU/l можно получить выражение для тока [3]:
I = -qneve S (ΔU/l) (2)
Согласно теории ФП с р-п-переходом ток опре-
деляется выражением:
I = I0 [e(Ue/kT)-1] (3)
Учитывая выражение (2) и то, что темновой ток I0
определяется суммой диффузионного тока электронов
и дырок через р-п-переход получаем:
I = S qni2 [(Dp/LpNd)+(Dn/LnNa)] × [e(Ue/kT)-1] , (4)
где ni - концентрация элекронов в собственном по-
лупроводнике, Dp - коэффициент диффузии дырок,
Lp - длина диффузии дырок, Nd - концентрация доноров
в в эмиттере, Dn - коэффициент диффузии электронов
Ln - длина диффузии электронов, Na - концентрация
№ 4 (85) апрель, 2021 г.
79
акцепторов в базе, U - высота барьера, k - коэффициент
Больцмана, T - абсолютная температура.
В более обобщенном виде можно представить, что
I = (β/L) f(U) , (5)
где определенный вид для коэффициента β можно
выбрать из выражений (2) или (4).
Принятие представления позволяют считать,
что если ВАХ полупроводникового ФП подчиняется
выражению (5), то для любого диода без смещения
выполняется условие: U 0 и f(U) 0; для осве-
щенного ФП: U → 0 и f(U) → 1 .
Теперь рассмотрим кристаллическую решетку
полупроводникового кремния. Для силы притяжения
между соседними атомами можно выбрать известное
выражение [4]:
F = Akq2/r2 , (6)
где A коэффициент пропорциональности, зависящий
от вида межатомной связи, r межатомное расстояние.
Если поставленная внешняя сила Fk вызывает
изменение межатомного расстояния и принимать
условия:
r ~ L, r = γ L, dr = γdL , (7)
где γ коэффициент пропорциональности.
то можно представить, что внешняя сила вызывает
изменение исходной силы межатомного притяжения
(F + ΔF) за счет изменения межатомного расстояния
(r+Δr):
F + ΔF = Akq2/(r+Δr)2 (8)
Из этого можно получить:
ΔF = Akq2 [Δr(2r-Δr)/(r-Δr)2r2] (9)
Теперь попытаемся оценит каким образом вли-
яет небольшое изменение силы притяжения F на из-
менение межатомного расстояния r. Выполним не-
которые математические преобразования:
ΔF/Δr = Akq2 [(2r-Δr)/(r-Δr)2r2]
dF/dr = limΔr→0 (ΔF/Δr) = - Akq2 (2/r3)
и получаем:
dF = - Akq2 (2/r3) dr (10)
Учитывая (7) можем получить:
dL = - (γ2L3/2Akq2) dF . (11)
Теперь с целью определения зависимости тока
от диффузионной длины НЗ дифференцируем (5):
dI = - (βγ2L/2Akq2) f(U) dF , (12)
Отсюда находим:
L = (Akq2)1/2/γF f(U) , (13)
dI = [βγ/2(Akq2)1/2] f(U) dF/F1/2 , (14)
Для тока к. з. ФП можно получить выражение:
dIк.з. = [βγ/2(Akq2)1/2] dF/F1/2 , (15)
Проинтегрировав (15) и учитывая F=Fk+F0 по-
лучаем:
Iк.з. = Iк.з.0 + [βγ/(Akq2)1/2]× [(Fk+F0)1/2 F01/2] , (16)
где F0 межатомная сила притяжения без приложения
внешней силы.
Выполнено экспериментальное исследование при
помощи специального устройство (блок 3, Рис. 1), ко-
торое посредством вертикальной иголки с острим кон-
цом ≈50 мкм, закрепленный на одном конце эластич-
ного тонкого стержня позволяло осуществить локаль-
ное давление на фронтальную поверхность (п-типа)
кремниевого ФП 1 с диффузионным р-п-переходом с
глубиной залегания 0,5 мкм. Толщина кремниевой
базы р-типа проводимости составляла ≈170 мкм.
Величина механического давления в блоке 3 варь-
ировалась в диапазоне от нуля до 1 Н с увеличением
силы тяжести груза. Воздействии механического дав-
ления на исследуемую структуру оценивалось путем
измерения ВАХ освещенного при помощи системы 4
ФП при помощи лабораторного измерительного ком-
плекса 2 с цифровым табло показаний измеренных фо-
тоэлектрических параметров.
Полученные экспериментальные результаты пред-
ставлены на рис. 2 в виде (кривая 2) зависимости Iк.з. =
f (Fk). Как видно из графика (Рис. 2), с увеличением ве-
личины внешней силы, оказывающее локальное давле-
ние на поверхность кремния, существенно возрастает
значение фототока к. з. Выбор верхнего предела уве-
личения внешней силы связан с тем, что более высокие
значения превышает критического значения механи-
ческой прочности пластины кремния и вызывает вы-
ход из строя структуры.
Проведенные дополнительные эксперименты сви-
детельствовали о существенной роли дислокации
точки локального воздействия относительно фрон-
тальным электродным полосам. Причем, четко прояв-
лено более сильное изменение значений фототока к.
з. при более близких к контакту точках, чем дальние.
Также установлено что увеличение значений фото-
тока к. з. при более высоких уровнях освещенности
становится более существенным, чем при слабых
освещенностях (Рис. 3).
№ 4 (85) апрель, 2021 г.
80
Рисунок 1. Блок схема экспериментального устройства для измерения
зависимости фототока к. з. кремниевой р-п-структуры от величины
локального механического напряжения на фронтальной поверхности
Рисунок 2. Зависимость фототока к. з. кремниевой р-п-структуры от величины
локального механического напряжения на фронтальной поверхности: 1 - эксперимент, 2 - расчет
Рисунок 3. Зависимость фототока к. з. кремниевой р-п-структуры от относительного роста освещенности
при различных значениях локального механического напряжения на фронтальной поверхности
4
3
1
2
I = 4, 53400 mA
U = 0, 00000 V
№ 4 (85) апрель, 2021 г.
81
По данным рис. 3 можно отметить, что зависи-
мость фототока к. з. кремниевой р-п-структуры от
относительного роста освещенности при различных
значениях локального механического напряжения
на фронтальной поверхности имеется существенное
повышении прироста фототока к. з. с увеличением
силы механического давления в диапазоне освещен-
ности от нуля до 0,8 кратного солнечного излучения.
С увеличением силы давления на локальную точку
от нуля до 1 Н наблюдается постепенный прирост
фототока за счет флексофотовольтаического эффекта.
Причем, прирост фототока к. з. более значительно в
диапазоне силы давления 0-0,5 Н, при более 0,5 Н
прирост ослабевает. На исследованных образцах
верхний предел силы тяжести составлял не более 1 Н.
Превышение этого предела сопровождался выходом
из строя структуры, что связано превышением механи-
ческой прочности пластины исследованной толщины.
Основываясь на ничтожности значений F0
порядке 10-9 Н), можно принимать, что Fk » F0.
Следовательно, учитывая βγ/(Akq2)1/2 = α выражение
(16) можно упрощать:
Iк.з. = Iк.з.0 + α Fk1/2 , (17)
где фототок к. з. при отсутствии механического
напряжения выражается в виде:
Iк.з.0 = Sqni2[Dp/(LpNd) + Dn/(LnNa)] .
Полученная упрощенная формула (17) представ-
ляет практический интерес для анализа эксперимен-
тальных зависимостей фототока к. з. полупроводнико-
вого ФП от величины приложенной внешней силы.
Для экспериментальной графической Iк.з. = f (Fk)
зависимости (Рис. 1) соответствовало выражение
(17). Статистическая обработка экспериментальных
данных методом наименьших квадратов позволяла
определить значения коэффициента пропорциональ-
ности выражения (17): α = 0,8114.
Считаем, что представленные в работе [5] резуль-
таты об увеличении времени жизни, следовательно,
диффузионной длины носителей заряда в кремние-
вых пластинах после механической обработки уль-
тразвуковой частоты могут подтвердить гипотезу
теоретического механизма исследованного флексо-
фотовольтаического эффекта.
Считаем целесообразным доработать и внедрить
в производство способ повышения эффективности
преобразования кремниевых ФП р-п-переходом.
Для этого требуется разработка новых конструкций
ФП, позволяющих локально деформировать их
фронтальную поверхность. Кажется, что при умень-
шении за последующие несколько лет толщины
базы кремниевых ФП может наблюдаться более вы-
сокая фотоэлектрическая чувствительность к ло-
кальной деформации.
Можно также отметить, что представленные ре-
зультаты могут служит основанием для создания
датчиков механического давления или чувствитель-
ных к механическим воздействиям фотоприемников
на основе достаточно широко распространенного
кристаллического кремния.
В заключении отметим, что выполнено теоретиче-
ское обоснование впервые обнаруженного авторами
эффекта флексофотовольтаики в кремниевых р-п-
структурах. Установлены закономерности проявле-
ния эффекта флексофотовольтаики в зависимости от
локального механического напряжения, получена
новая эмпирическая формула для экспериментально
определенной зависимости фототока короткого за-
мыкания кремниевой структуры от локального ме-
ханического напряжения.
Установлена преимущественная корреляция
теоретически предложенной закономерности и экс-
периментальных данных.
Результаты исследования служит также для раз-
работки новых видов флексофотовольтаических фо-
топриемников.
Исследование выполнено в рамках инновацион-
ного проекта АИФ-2/7, финансированного всемирным
банком.
Список литературы:
1. M.-M. Yang et al. // Science, 2018. Mark Garlick. Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную
энергию. // University of Warwick. // http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/fiziki-vydavili-iz-solnechnykh-ba-
tarei-dopolnitelnuyu-energiyu?utm_campaign=subscribe_techno&utm_mediumemail&utm_source=subscribe
(Опубликовано 20 апреля, 2018).
2. С. Зи, Физика полупроводниковых приборов. Книга 1 - М.: Мир, 1984. - 456 c.
3. Jeffery L. Gray “The physics of the solar cell”, Purdue university, West Lafayette, Indiana, USA.
4. Kim, Jiseok, "Band Structure Calculations of Strained Semiconductors Using Empirical Pseudopotential Theory"
(2011). Open Access Dissertations. 342.
5. Р.Алиев, Б.Урманов, М.Муйдинова, Ж.Каххаров Стимулирование времени жизни носителей заряда за счет
флексо-электрического эффекта на поверхности кремния. // Материалы IV Международной конференции по
«Оптическим и фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро - и наноструктурах» ФерПИ,
26-27 мая 2018, Фергана. С. 277-279.
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
Electronic band structure of various crystal orientations of relaxed and strained bulk, 1D and 2D confined semiconductors are investigated using nonlocal empirical pseudopotential method with spin-orbit interaction. For the bulk semiconductors, local and nonlocal pseudopotential parameters are obtained by fitting transport-relevant quantities, such as band gap, effective masses and deformation potentials, to available experimental data. A cubic-spline interpolation is used to extend local form factors to arbitrary q and the resulting transferable local pseudopotential V(q) with correct work function is used to investigate the 1D and 2D confined systems with supercell method. Quantum confinement, uniaxial and biaxial strain and crystal orientation effects of the band structure are investigated. Regarding the transport relavant quantities, we have found that the largest ballistic electron conductance occurs for compressively-strained large-diameter [001] wires while the smallest transport electron effective mass is found for larger-diameter [110] wires under tensile stress.
Chapter
IntroductionFundamental Properties of SemiconductorsPN -Junction Diode ElectrostaticsSolar Cell FundamentalsAdditional TopicsSummaryReferences
Mark Garlick. Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную энергию
  • M.-M Yang
M.-M. Yang et al. // Science, 2018. Mark Garlick. Физики выдавили из солнечных батарей дополнительную энергию. // University of Warwick. // http://www.nanonewsnet.ru/news/2018/fiziki-vydavili-iz-solnechnykh-batarei-dopolnitelnuyu-energiyu?utm_campaign=subscribe_techno&utm_mediumemail&utm_source=subscribe (Опубликовано 20 апреля, 2018).
Каххаров Стимулирование времени жизни носителей заряда за счет флексо-электрического эффекта на поверхности кремния. // Материалы IV Международной конференции по «Оптическим и фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро -и наноструктурах» ФерПИ
  • Р Алиев
  • Б Урманов
  • М Муйдинова
Р.Алиев, Б.Урманов, М.Муйдинова, Ж.Каххаров Стимулирование времени жизни носителей заряда за счет флексо-электрического эффекта на поверхности кремния. // Материалы IV Международной конференции по «Оптическим и фотоэлектрическим явлениям в полупроводниковых микро -и наноструктурах» ФерПИ, 26-27 мая 2018, Фергана. С. 277-279.