Физическая модель низкочастотного автоколебания тока
в компенсированном кремнии
Зикриллаев Х.Ф
1
., Аюпов К.С
1
., Абдуллаева Н.У
1
.,
Саитов Э.Б
2
. Мамасалиев О.К
2
. Жураев О.Ш
2
1
Ташкентский государственный технический университет имени Ислама Каримова
Узбекистан, 100095, Ташкент, ул. Университетская, 2
2
Ташкентский университет прикладных наук, ул.Гавхар 1, Ташкент 100149, Узбекистан
https://doi.org/10.5281/zenodo.10470961
Ключевие слова: Солнечная энергия, энергия, зеленая энергия, графен, преобразователь, эффективность,
возобновляемая энергия, углекислый газ, акуммулятор энергии.
Аннотация: В раьоте для объяснения механизма низкочастотных автоколебаний тока в сильнокомпенсированном
кремнии, предложена модель на основе флуктуационного потенциального рельефа из-за неоднородности
материала, которая хорошо согласуется с экспериментальными результатами
Из литературных данных можно сделать
вывод, что вопрос физического механизма
появления
автоколебаний
тока
и
его
закономерности изменения параметров, а также
физика переходных процессов различных типов
автоколебаний тока обнаруженных в одном и том-
же компенсированном материале. А также до
настоящее
время
отсутствует
объяснения
механизма автоколебания и теория этого явления
. Данное время остается открытым вопрос
теоретического
обоснование
полученных
экспериментальных результатов с точки зрения
термодинамического условиях существования
автоколебательной
среды,
как
источнике
регулярных, стабильных и воспроизводимых
автоколебаний тока с управляемыми параметрами.
При больших приложенных напряжениях
электрического поля и благодаря большой
электропроводимости образца, в состоянии
освещения увеличивается его температура из-за
Джоулева нагрева. Это, в свою очередь,
увеличивает электропроводимость образца за счет
температурного
выброса
дырок
из
локализованных
состояний
на
уровень
протекания,
что
еще
более
увеличивает
Джоулевый нагрев сильнокомпенсированного
кремния. Этот процесс имеет лавинообразный
характер.
Если
приложенное
напряжение
достаточно большое, то в результате указанного
процесса температура образца достигает таких
значений, что начинается интенсивный тепловой
заброс электронов с глубокого уровня в зону
проводимости.
Свободные
электроны
рекомбинируются с дырками в валентной зоне
через уровни рекомбинации. Вследствие этого
происходит уменьшение концентрации и времени
жизни дырок на уровне протекания, т.е.
происходит ТГФП. Однако, процесс Джоулева
нагрева образца продолжается, что приводит к
полной перезарядке уровней N
mn
, N
2
. Ток резко
уменьшается и образец начинает остывать за счет
потери тепла. В дальнейшем заново начинается
оптическая перезарядка уровней и процесс
Джоулева нагрева повторяется периодически.
Время оптической перезарядки зависит от
скорости генерации электронно-дырочных пар,
т.е. от освещенности, поэтому с ростом
интенсивности освещения частота автоколебания
увеличивается. С другой стороны, с ростом
частоты автоколебаний образец, не успевает
охладиться полностью и поэтому с ростом
освещенности амплитуда уменьшается.
Рисунок.
1.
Неоднородный
потенциальный барьер в полупроводнике n-типа.
Зачерченные области содержат неравновесные
дырки,
стрелками
показаны
участки
с
максимальной
плотностью
тока
(а).
Флуктуационный потенциальный рельеф (б).
Теперь
рассмотрим
количественное
описание условий возникновения низкочастотных
автоколебаний
тока
на
примере
сильнокомпенсированного кремния. Система
уравнений
описывающая
зависимости
концентрации носителей тока на уровнях от
времени и температуры, имеют вид:
RT
E
pr
nr
m
nm
np
pm
nr
др
Ee
ep
j
r
n
p
S
rp
C
n
r
R
C
dt
dr
n
S
N
C
n
r
N
C
BS
L
dt
dn
Sp
C
rp
C
L
dt
dP
T
T
b
c
jE
dt
dT
−
=
−
−
=
−
−
=
−
−
−
−
+
=
−
−
=
−
−
=
;
)
(
)
(
)
(
)
(
2
0
3.1
где: Е - напряженность электрического
поля, b=Ah|C
S
n
- коэффициент связанный с
коэффициентом теплопередачи; h- боковая
поверхность образца;
- плотность материала, с -
удельная теплоемкость; А - параметр; S
n
- площадь
поперечного сечения; L - фактор заброса
электронов
из
валентной
зоны
в
зону
проводимости; S,r - концентрация электронов на
уровнях марганца и рекомбинации; C
nr
, С
pr
-
коэффициенты захвата электронов и дырок на
соответствующих уровня; N
mn
, N
r
- концентрация
уровней марганца и рекомбинации; В - гасящий
фактор.
При
составлении
уравнений
теплопроводности мы учли, что выделение тепла
происходит за счет Джоулева нагрева, когда
проводимость образца при низких температурах за
счет фотоэффекта достаточно высокая, а потеря
тепла происходит в основном, через поверхность.
Cчитая образцы достаточно тонкими, мы не
учитываем
наличие
слабого
градиента
температуры по толщине. Решение системы
уравнений в общем виде затруднительно. Поэтому
воспользуемся
следующими
вполне
естественными предположениями относительно
свойства исследованного объекта. Наиболее
медленным является процесс теплопередачи в
образце, поэтому допускаем, что изменение
концентрации носителей тока в зонах и уровнях
следует за изменением температуры.
Так как сечения захвата дырок и
электронов на центрах рекомбинации и на
уровнях марганца имеют следующее соотношение
C
pr
>>C
nr
и C
nm
>>C
pm
, то концентрация электронов
в зоне проводимости n на уровнях марганца S и
уровнях
рекомбинации
быстро
достигает
стационарных значений при данной температуре,
а затем следует за изменением температуры.
Поэтому система уравнений (3.1) может быть
редуцирована к виду:
)
/
exp(
,
)
(
)
(
)
(
0
kT
E
E
ep
j
r
n
p
S
p
C
C
n
N
C
r
S
N
C
r
N
C
BS
L
n
S
C
rp
C
L
dt
dP
T
T
b
с
jE
dt
dT
g
pr
nr
r
nr
m
nm
r
nr
p
pm
pr
−
=
−
−
=
+
=
−
+
−
+
=
−
−
=
−
−
=
3.2
система уравнений (3.2) может быть
решена численно применением одним из методов
Рунге-Кутта. Выполненный расчет при значениях
параметров определенных из ТГ ФП и b = 0.5 дает
удовлетворительное согласие с экспериментом.
Зависимость параметров автоколебаний
тока
от
удельного
сопротивления,
типа
проводимости и концентрации электроактивных
примесных атомов можно качественно объяснить
из следующих представлений. По мере увеличения
концентрации электроактивных примесей в
образцах при заданной исходной концентрации
увеличивается
удельное
сопротивление
сильнокомпенсированного
кремния
легированного марганцем. При этом положение
уровня Ферми поднимается с нижней половины
запрещенной зоны к середине. В этом случае
проявляют
себя
в
основном,
дважды
ионизованные атомы марганца, концентрация
которых растет и достигает максимума при к
1. В
перекомпенсированных образцах к>1 уровень
Ферми
переходит
в
верхнюю
половину
запрещенной зоны. Это приводит к изменению
степени заполнения нижнего уровня марганца
ответственного за автоколебания тока и начинают
проявлять себя верхние уровни марганца. Чем
больше концентрация глубоких уровней, тем
больше время накопления дырок, тем меньше
частота и больше амплитуда автоколебаний тока,
что хорошо согласуется с экспериментальными
результатами
полученных
с
максимальной
концентрацией электроактивных атомов марганца.
Рост пороговых значений E
n
и I
n
с ростом
удельного
сопротивления
объясняется
увеличением
сопротивления
образцов
и
уменьшением скорости нагрева.
Зависимость порогового возбуждения и
параметров автоколебаний тока от интенсивности
освещения
как
интегрального
так
и
монохроматического света объясняется тем, что
при изменение интенсивности существенно
меняется степень заполнения глубокого уровня.
По этому с уменьшением интенсивности,
уменьшается скорость перезарядки глубокого
уровня
ответственного
за
возбуждение
автоколебаний тока, что и приводит к
уменьшению частоты и увеличению амплитуды,
из-за большего времени периода накапливается
большое число электронов.
Зависимость параметров автоколебаний
тока от напряженности иного поля можно
объяснить увеличением удельного сопротивления
некомпенсированного кремния под влиянием
магнитного поля.
Нами определено термодинамические
условия существования автоколебательных сред в
зависимости от типа, характера и зарядового
состояния компенсирующих примесей.
Таким образом нами для объяснения
механизма низкочастотных автоколебаний тока в
сильно компенсированном кремнии, предложена
модель
на
основе
флуктуационного
потенциального рельефа из-за неоднородности
материала, которая хорошо согласуется с
экспериментальными результатами.
Наши полученные экспериментальные
результаты и теоретических изучений можно
обоснованно утверждать, что кремний в состоянии
сильной компенсации можно рассматривать как
автоколебательную среду, а также всестороннее и
комплексное
изучение
различных
видов
автоколебаний тока в сильнокомпенсированном
кремнии
ЛИТЕРАТУРА
1.
Seki V., Compute simulation of
pulse-pype photjcurrend oscillations in CdIn
2
S
4
single
crystals. Iapan Ion Appe Phus.1981,v.20,№3,p.561-
564.
2.
Seri V. Endo S., eric T. Low-
freguency photjcurrent oscillations in CdIn
2
S
4
siuple
crystals. Iapan Ion Appe Phus. 1980, v.19,№9,р. 1667-
1674.
3.
Garlson R.O. Properties of silicon
doped
with
manganese.,
Phys.
Rev.1959,v.104,№4р.937-941.
4.
Иващенко А.И. Икизли М.Н.,
Наслодов Д.Н., Слабодчиков С.В. Низкочастотные
осциляции тока в высокооном фосфиде галлия.
ФТП. 1973,т.7,в.3,с. 612-614.
5.
Ohi K., Lesars S. Photocurrent
oscillation in KtdO
3
I. Phys.Soc. Iapan, 1976,v.40,№5,
p.1371-1376.
6.
Каваляускене Г.С., Ринкявичню
В.С. Низкочастотные колебания фототока в
монокристаллах тригонального селена. ФТП,
1983,т.17,в.9,с.1853-1855.
