CC BY
4Статья поступила в редакцию 22.02.10. Ред. рег. № 735
The article has entered in publishing office 22.02.10. Ed. reg. No. 735
УДК 662.997.537.22.
ТЕРМОЭЛЕКТРЕТНЫЕ СВОЙСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ, ПОЛУЧЕННОГО ВОСЬМИКРАТНОЙ ПЕРЕПЛАВКОЙ НА СОЛНЕЧНОЙ ПЕЧИ
А. С. Саидов
Физико-Технический институт НПО «Физика Солнца» АН РУз Узбекистан, 100084, Ташкент, ул. Г. Мавлянова, д. 2Б Тел: (+998-71) 235-41-04, e-mail: amin@uzsci.net; sh_usmonov@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 12.03.10 Заключение совета экспертов: 17.03.10 Принято к публикации: 22.03.0
Приведены результаты исследований поликристаллического кремния, полученного в результате переплавки технического кремния марки КРЗ (Si-96 вес.%, Al-1,5 вес.%, Fe-1,5 вес.%, Ca-1 вес.%) на солнечной печи. Исследования «Si структур с омическими контактами, изготовленных на основе восьмикратно солнечно-переплавленного технического кремния, показали, что они обладают рядом достаточно необычных свойств - при нагреве в них появляются ток и напряжение, зависящие от температуры, то есть пластина технического кремния ведет себя как батарея, аккумулирующая положительные и отрицательные заряды, в результате чего и появляется электрический ток. Обнаруженный эффект, который можно назвать термоэлектретным, проявляется при температурах Т > 25 °С. Говоря другими словами, полученный на солнечной печи поликристаллический кремний превращается в электрет под влиянием температуры.
Ключевые слова: полупроводник, очистка технического кремния бесхлоридным методом, солнечная плавка на воздухе, электрет, термоэлектрет, удельное сопротивление полупроводника.
THERMOELECTRICAL PROPERTIES OF THE TECHNICAL SILICON RECEIVED BY EIGHTFOLD MELTING ON THE SOLAR FURNACE
A.S. Saidov
Physical-Technical Institute of Scientific Production Association "Physics-Sun", RAS of Uzbekistan 2E Mavlyanov str., Tashkent, 100084, Uzbekistan Tel: (+998-71) 235-41-04, e-mail: amin@uzsci.net; sh_usmonov@rambler.ru
Referred: 12.03.10 Expertise: 17.03.10 Accepted: 22.03.0
Results of researches of the polycrystalline silicon received by eightfold melting of technical silicon of mark KR3 (Si-96 weight %, Al-1,5 weight %, Fe-1,5 weight %, Ca-1 weight %) on the solar furnace are resulted. Researches of «Si structures with the ohm contacts, formed on the basis of eightfold solar-melted technical silicon, have shown, that they possess a number of enough unusual properties - at heating in them there is a current and a voltage depending on temperature, that is the plate of technical silicon behaves as the battery accumulating positive and negative charges therefore an electric current appears. It is possible to name the found out effect thermoelectrical one; it appears at temperatures T > 25 °C. Speaking in other words, received on the solar furnace polycrystalline silicon turns in electret under influence of temperature.
Keywords: semiconductor, cleaning of technical silicon in chlorin's absence method, solar fusion on the air, electret, thermoelectret, the resistivity of the semiconductor.
Амин Сафарбаевич Саидов
Сведения об авторе: известный физик в области полупроводниковых материалов, д-р физ.-мат. наук, профессор, лауреат Государственной премии Республики Узбекистан в 2007 г. С 1984 г. по настоящее время - главный научный сотрудник в ФТИ НПО «Физика Солнца» Академии наук Республики Узбекистан.
Основной круг научных интересов: взаимодействие примесей в алмазоподобных полупроводниках и физические основы выращивания кремния, арсенида галлия, алюминия-арсенида галлия, высокоомных, однородных и варизонных твердых растворов 1У-1У, (1У2)1.1(Л2Б6)1, а также гетероструктур на их основе.
Публикации: 2 монографии, более 200 статей и 35 изобретений.
(IV2)1.i(A3B5)i:
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Введение
Методика эксперимента
Несмотря на то, что на протяжении многих лет проводятся поиски новых полупроводниковых материалов, кремний до сих пор остается основным материалом полупроводниковой электроники. На сегодняшний день годовая мировая потребность в поликристаллическом кремнии полупроводниковой чистоты по оценкам специалистов составляет 20-30 тыс. тонн. В силу этого исследования, посвященные разработке технологий и методов бесхлоридной дешевой очистки металлургического кремния, являются весьма актуальной задачей материаловедения и полупроводниковой технологии.
В данной работе приведены результаты исследований поликристаллического кремния, полученного восьмикратной переплавкой технического кремния марки КР3 (81-96 вес.%, А1-1,5 вес.%, Бе-1,5 вес.%, Са-1 вес.%) на солнечной печи на открытом воздухе по технологии, описанной в работах [1, 2]. Нами было показано [3], что плавка кремния марки КР3 на солнечной печи очищает его от примесей, уменьшая весовое содержание их от 4 до 1%. Мы провели восьмикратную переплавку такого технического кремния по этой методике. Рентгеноструктурный анализ показывает, что поликристаллический кремний, полученный восьмикратной солнечной переплавкой технического кремния указанной марки, содержит 81 - 99,4 вес.%, примеси: Бе - 0,31 вес.%, А1 - 0,02 вес.%, Са - 0,17 вес.%, Р - 0,01 вес.%, С -0,01 вес.%, Мп - 0,02 вес.%, Т1 - 0,02 вес.%, В -0,001 вес.%, Си - 0,03 вес.% и Сг - 0,009 вес.%., т.е. кремний марки КР3 был очищен до 99,4% кремния.
Полученный таким способом поликристаллический кремниевый слиток показан на рис. 1, а.
Рис. 1. Внешний вид кремниевого слитка, полученного восьмикратной переплавкой технического кремния марки КР3 (а), сечение вырезанной из него пластинки (b), полированная сторона пластинки (с), пластинка с омическими контактами (d) Fig. 1. Appearance of the silicon ingot formed on the base of eightfold melted technical silicon of brand КР3 (a), cross-section of the plate cut out from it (b), the polished side of the plate (с), the plate with ohmic contacts (d)
Из слитка были вырезаны пластинки толщиной ~ 500 мкм; вырезанные пластинки шлифовали с одной стороны и полировали с другой (рис. 1, Ь) для создания из них полупроводниковых структур с омическими контактами и измерения их электрических и теплоэлектрических свойств. Образцы имели крупнозернистую структуру (рис. 1, с) с размерами зерен ~ 1x2 мм с различной ориентацией и не имели шунтирующих металлических включений. Без преднамеренного легирования образцы имели п-тип проводимости с удельным сопротивлением р ~ 0,1 Омсм и диффузионной длиной неосновных носителей тока - 1-1,5 мкм. Токосъемные металлические омические контакты на основе сплава титан-никель-медь были нанесены на полированную сторону как сетка (рис. 1, С), а на шлифованную - сплошным тонким слоем методом вакуумного напыления, описанным в работе [4].
На рис. 2. показана схема полученной структуры и проводившихся измерений.
Рис. 2. Схема изучаемой nSi-структуры с омическими контактами: 1 - поликремний, полученный восьмикратной переплавкой технического кремния на солнечной печи; 2 - омические контакты; 3 - нагреватель Fig. 2. The scheme of researched nSi-structure with ohmic contacts: 1 - the polycrystalline silicon formed on the base of eightfold solar-melted technical silicon in the solar oven; 2 - ohmic contacts; 3 - a calefactory
Результаты и их обсуждение
На рис. 3 представлены вольт-амперные характеристики п81-структуры с омическими контактами, изготовленной из восьмикратно солнечно-переплавленного технического кремния, полученные при различных температурах. Из кривой 1 видно, что зависимость тока от приложенного напряжения при комнатной температуре имеет линейный характер и не проявляет выпрямляющих свойств. Из кривой 2 видно, что при 100 °С на ВАХ появляются небольшие выпрямляющие свойства, которые выражены еще сильнее при 200 °С (см. кривую 3). Таким образом, несмотря на то, что структура имеет чисто омические контакты, она под воздействием температуры приобретает выпрямляющие свойства (рис. 3), которые усиливаются с ростом температуры. При этом можно предположить, что выпрямляющие свойства исследованных структур обусловлены исключительно температурным воздействием на них.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
b
а
см
с
d
Солнечная энергетика
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики nSi структуры с омическими контактами, изготовленной из восьмикратно солнечно-плавленного технического кремния, полученные при различных значениях температур: кривая 1 - 25 °С; кривая 2 - 100 °С; кривая 3 - 200 °С Fig. 3. Current-voltage characteristics of nSi-structures with the only ohmic contacts, formed on the base of eightfold solar-melted technical silicon, obtained at various values of temperatures: the curve 1 - 25 °С; the curve 2 - 100 °С; the curve 3 - 200 °С
I, mkA
0,03
0,02
0,01
0,00
~40 ' 80 ' 120 ' 160 200
t, °C
U, mV
0,3
0,2
0,1
0,0
40
80
1 20 b
160 200
4 °C
Рис. 4. Температурные зависимости тока (а) и напряжения (b), возникающих в nSi-структуре с омическими контактами, изготовленной из восьмикратно солнечно-плавленного
технического кремния (кривые 1) и стандартного n-поликремния (кривые 2), полученные исключительно при температурном воздействии Fig. 4. Temperature dependences of the current (a) and voltage (b), generating in nSi-structure with the only ohmic contacts, formed on the base of eightfold solar-melted technical silicon (curves 1) and the same structure from standard n-polycrystalline silicon (curves 2), obtained exclusively at temperature affecting
Были проведены измерения температурных зависимостей тока и напряжения, возникающих в исследуемых структурах с чисто омическими контактами в темноте (без воздействия света и внешнего электрического поля), результаты которых представлены на рис. 4, а и Ь (см. кривые 1). Для контроля проводились те же измерения для структур с омическими контактами, изготовленных из стандартного п-поли-кремния (см. кривые 2). Из этого рисунка следует, что начиная с 25 °С в структуре с омическими контактами, изготовленной из восьмикратно переплавленного технического кремния, генерируются ток и напряжение, которые растут по мере роста температуры, в то время как в структурах из стандартного п-поликремния ток и напряжение не меняются в этом интервале температур, что соответствует классическим представлениям.
Таким образом, эта структура с чисто омическими контактами под воздействием температуры становится своеобразным генератором тока и напряжения (см. рис. 2). Это явление в восьмикратно очищенном техническом кремнии наблюдается впервые. Во многом оно напоминает поведение типичных электретов, в которых генерируется только под влиянием тех или иных внешних воздействий. Однако можно указать и на ряд существенных различий:
1. Полученный материал является низкоомным полупроводником с удельным сопротивлением ~ 0,1 Омсм, а не диэлектриком, как обычный электрет.
2. Электретное состояние, приводящее к генерации тока, возникает исключительно под воздействием температуры, чем отличается от обычных термоэлектретов, поскольку для них нужно воздействие температуры и поля.
3. В полученном материале возникает только объемный заряд, в то время как в электретах всегда есть не только объемные, но и поверхностные заряды.
4. Возникающий ток ~ 10-7-10-8Л, т.е. на несколько порядков больше, чем в обычном электрете.
Можно предположить, что при плавке технического кремния в солнечной печи на открытом воздухе многочисленные примеси, имеющиеся в материале, становятся слабо поляризованными, т.е. представляют собой большие домены (или молекулы) с положительными и отрицательными краями. Однако до нагрева они расположены хаотически, что приводит к отсутствию в материале внутреннего электрического поля. По-видимому, под воздействием температуры происходит упорядочение этих доменов (молекул) и возникает внутреннее электрическое поле и, следовательно, внутренние барьеры. В результате свободные носители, создаваемые за счет теплового воздействия, разделяются на этих внутренних барьерах, что и является причиной возникновения тока и напряжения, возрастающих с ростом температуры.
Нам представляется, что эти явления можно трактовать как термоэлектретный эффект в техническом кремнии, поскольку выращенный материал обладает,
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (83) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
2
a
2
по-видимому, достаточно необычными свойствами, сближающими его с классическими электретами. Только в отличие от классических электретов возбудителем электронного состояния выступает температура, а не внешнее поле или свет (как в фотоэлектретах, см. рис. 5). Это явление и способствует возникновению теплового тока.
Тепловой поток
+ + + + + + + + + + +
<— О
Рис. 5. Модель полупроводникового электрета Fig. 5. Model of a semiconductor electret
Выводы
Таким образом, в результате восьмикратной переплавки технического кремния на солнечной печи он был очищен до 99,4 вес.% кремния, что показывает - использование солнечной печи, являющееся бес-хлоридным, экологически чистым методом, позволяет получать поликремний высокой чистоты. Проведенные исследования показывают, что в результате восьмикратной переплавки технического кремния на
солнечной печи полученный поликристаллический кремний приобретает некоторые электретные свойства, в результате чего при нагреве в нем появляются ток и напряжение, зависящие от температуры, то есть пластина технического кремния становится батареей, аккумулирующей положительные и отрицательные заряды, в результате чего и появляется электрический ток. Этот эффект мы назвали термоэлек-третным.
В заключение считаю своим долгом выразить искреннюю благодарность академику М.С. Саидову за плодотворную научную дискуссию, профессору А.Ю. Лейдерман за полезное обсуждение и ценные советы и канд. физ.-мат. наук Ш.Н. Усмонову за техническую помощь при выполнении данной работы.
Список литературы
1. Абакумов А.А., Захидов Р.А., Харченко В.В. Плавление и кристаллизация слитков поликристаллического кремния с применением гелиоконцентрирую-щих установок // Гелиотехника. 1997. № 3. С. 78-82.
2. Абакумов А.А., Саидов А.С. и др. Труды 3-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, ГНУ ВИЭСХ, 14-15 мая 2003 г. С. 58-62.
3. Саидов А.С., Абакумов А.А., Саидов М.С. Солнечно-радиационная плавка металлургического кремния // Гелиотехника. 2003. № 1. С. 96-97.
4. Турсунов М.Н., Дадамухамедов С. и др. Кремниевые солнечные элементы с тонкими фронтальными диффузионными слоями // Гелиотехника. 2003. № 2. С. 20-25.
10TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON GREENHOUSE GAS CONTROL TECHNOLOGIES
Amsterdam, The Netherlands. 19-23 September 2010
Chair: Wim Turkenburg - Utrecht University, NL
Vice-Chair: John Gale - IEA Greenhouse Gas R&D Programme, UK and Editor-in-Chief of the International Journal of Greenhouse Gas Control
GHGT-10 aims to build upon the long tradition established in the conferences series. In particular, the conference aims to identify the progress made against the research agenda identified at GHGT-9 in Washington D.C. in 2008 and set the technical agenda for the coming years. The objective of GHGT-10 is to bring together all stakeholders involved in the field of CCS to present and discuss new insights, experiences, needs, developments and options in GHG emission reduction, from theory to experiment, from research to demonstration, from investment to deployment, from potential to risk, from cost to acceptance, and from policies to opportunities.
Deadline for abstracts submission: Tuesday 15 December 2009
For more information email: ghgt10@ghgt.info
Download the Call for Papers: www.ieagreen.org.uk/GHGT_10_CFP_web.pdf
Visit the conference website: www.ghgt.info/ghgt10.html_
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (83) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
