Технология поликристаллического кремния. Его применение

1. Технология поликристаллического кремния. Его применение.

Студент
Преподаватель
Жукова Е. В.
Субботин К.А.

2.

Поликристаллический кремний («поликремний») —
материал, состоящий из мелких кристаллитов кремния.
Занимает промежуточное положение между аморфным
кремнием, в котором отсутствует дальний порядок, и
монокристаллическим кремнием.

3. Ключевые свойства

Тпл = 1412°C
Теплопроводность: 150
Вт/м*к
Ширина ЗЗ: 1,14 эВ
Прозрачен в ИК
области, n=3,5
nе=1500 cм2/В*с
nh=480 cм2/В*с
Необходимо получать особо чистый материал

4. Технология получения поликристаллического кремния

1. Добывается в месторождениях кварца, как правило, в горных
породах.
2. Получение металлургического кремния: происходит в дуговой
печи путем смешивания кварцевой крупы, угля, щепок и кокса при
высокой температуре.
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Смесь чистого SiO2 и С нагревают с
пропусканием электрического тока до Т
больше 1000 °C.
Технический кремний 98-99%

5. Сименс-процесс

3. Хлорирование: трихлорсилан обычно получают путем
гидрохлорирования кремния: взаимодействием
технического кремния с хлористым водородом или со
смесью газов.
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
4. Дистилляция: очистка ТХС от примесей (бор, фосфор,
углерод) производится методом ректификации
(разделения) и перевода в нелетучие или комплексные
соединения.
5. Восстановление: поликристаллический кремний
получают путем осаждения и кристаллизации поликремния
из различных газообразных силанов на нагретых стержнях.
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl
6. Рецикл: Выделяющийся при этом водород можно
использовать многократно.

6. Общая ТХС

7. Применение поликремния

Поликремний
«электронного»
(полупроводникового)
качества ( с
содержанием примесей
менее 1·10-10 %)
«солнечного» качества
(с содержанием
примесей менее
1·10-5 %)
В полупроводниковом приборостроении
наиболее широкое применение находят
поликристаллические слои кремния. Эти слои
используют для таких элементов интегральных схем,
как резисторы, диоды, полевые и биполярные
транзисторы. Высокоомные поликристаллические
слои кремния используют для изоляции активных
элементов интегральных схем.

8. Солнечные батареи

Солнечные элементы (солнечные преобразователи)
относятся к классу полупроводниковых фотоэлектрических
приборов. Конструкции, образованные из многих элементов,
электрически связанных между собой, называются
солнечными батареями.

9. Изготовление солнечного элемента

Отдельно взятый
солнечный элемент (СЭ)
представляет собой
тонкую пластину
полупроводникового
материала (кремния)
площадью несколько
см2.
В процессе изготовления СЭ в эту пластину методом диффузии из
паровой фазы вводят легирующую примесь: фосфор (в пластину pтипа) или бор (в пластину n-типа). Диффузию фосфора проводят
при Т = 1100–1200 К в течение короткого времени (нескольких
минут), чтобы образующийся p-n переход залегал на малой глубине
(около 1 мкм). Следующей операцией является нанесение
электрических контактов. В заключение на лицевую поверхность СЭ
напыляют тонкую просветляющую плёнку монооксида кремния.

10. Основные принципы работы солнечных батарей

Когда СЭ освещается,
поглощенные фотоны генерируют
неравновесные электрондырочные пары. Электроны,
генерируемые в p-слое вблизи pn-перехода, подходят к p-nпереходу и существующим в нем
электрическим полем выносятся
в n-область.
Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично
переносятся в p-слой (рис.2а). В результате n-слой приобретает
дополнительный отрицательный заряд, а p-слой – положительный.
Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между pи n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение
(рис.б).

11. Проблемы СЭ

Кремниевый СЭ при Т=0 К и
интенсивном облучении теоретически
должен генерировать ЭДС равную
разности уровней Ферми в n- и робластях. Поскольку уровни Ферми
находятся вблизи краев
соответствующих разрешённых зон
(валентной зоны и зоны проводимости),
ЭДС Еg.
Проблемы:
Величина
Теор.
Реал.
ЭДС
1.12В
0.5В
Iкз
30 мА/см2
35 мА/см2
КПД
23%
14-18%

12. Способы решения проблем

Для питания аппаратуры солнечные
элементы объединяют в батареи.
Если СЭ не обеспечивает ток нужной
величины, то СЭ соединяют
параллельно. При этом токи
отдельных СЭ суммируются.
При последовательном соединении
СЭ суммируются даваемые ими
напряжения.
Поскольку в земных условиях в разное время суток и при разной погоде
радиация солнца может сильно изменяться, для постоянства
напряжения в системах питания от солнечных батарей применяют
специальные стабилизирующие устройства.

13. Выводы

Наиболее широкое применение в полупроводниковом
приборостроении находят поликристаллические слои
кремния:
Эти слои используют для таких элементов
интегральных схем, как резисторы, диоды, полевые и
биполярные транзисторы.
Высокоомные поликристаллические слои кремния
используют для изоляции активных элементов
интегральных схем.
Поликристаллические тонкие пленки также
перспективны для солнечной энергетики. Слои из
поликристаллических полупроводниковых
материалов применяются при создании солнечных
батарей наземного применения.