Análisis de la corriente de emisor en dispositivos bipolares avanzados

Abstract

Este trabajo se enmarca en el área de dispositivos semiconductores, siendo su propósito concreto el realizar una aportación original a los estudios teóricos relativos al transporte de portadores en las regiones de silicio con perfiles de concentración de impurezas no uniformes. <br/>Con esta finalidad se ha partido de la utilización de un método semi-analítico original de resolución de las ecuaciones del semiconductor en una zona casi-neutra, llamado solución iterativa, que permite obtener con gran rapidez el valor exacto de la corriente y/o el perfil de minoritarios, tanto en condiciones de oscuridad como de iluminación, requiriendo el concurso de recursos informáticos muy modestos. Este método de solución ha sido validado mediante la comparación de sus resultados tanto con resultados procedentes de simulaciones exactas como con medidas experimentales. <br/>La disponibilidad de la solución iterativa permite identificar qué parámetros y factores físicos son los dominantes en el comportamiento eléctrico de la región de emisor. Los resultados obtenidos indican que la dosis (cantidad de impurezas existente en el emisor) y la velocidad de recombinación en la superficie son los parámetros de mayor influencia sobre la corriente de emisor en oscuridad. Asimismo el estudio realizado muestra que es posible hacer una interpretación física sencilla de esta corriente en base a sus componentes de recombinación superficial y volumétrica. De este estudio además se deriva que es posible extraer condiciones de minimización de la corriente, resultado de gran interés cara al diseño óptimo de emisores para dispositivos avanzados. <br/>A continuación el trabajo utiliza el principio de superposición para obtener soluciones analíticas aproximadas de la corriente de emisor, tanto para condiciones de oscuridad como de iluminación. Estas nuevas soluciones mestran un buen compromiso entre margen de validez y complejidad formal (igual o superior al de otras soluciones comparables propuestas en la literatura), y una estructura fácil de relacionar con interpretaciones físicas. <br/>El último objetivo del trabajo consiste en la aplicación de lo obtenido a la optimización del emisor en una célula solar de silicio monocristalino. Un análisis de las prestaciones fotovoltaicas de la célula revela que existe siempre un rango de dosis que conduce a resultados fotovoltaicos óptimos, y que estos resultados óptimos son poco dependientes de la anchura del emisor, lo cual supone una cierta libertad a la hora de escoger qué perfil de dopado es el más conveniente. <br/>Finalmente se propone y evalúa a nivel teórico la utilización de contactos de polisilicio en el emisor. Los resultados obtenidos muestran una reducción de la corriente de oscuridad y con ella una mejora directa de las prestaciones fotovoltaicas, en concreto de la tensión de circuito abierto y del rendimiento. Estas perspectivas vienen confirmándose a nivel práctico por otros trabajos recientes y/o actualmente en curso.

This work is framed in the semiconductor devices area, being its main purpose making an original contribution to the theoretical studies on transport of carriers in silicon regions with nonuniform profiles of impurity concentration.<br/>To this effect, an original semi-analytical method of resolution of the equations of the semiconductor in an quasi-neutral zone, called iterative solution, is introduced and used. Such solution allows very quickly to obtain the exact value of the current and the minority carrier profile, both under illumination or dark conditions, requiring the aid of very reduced computation resources and time. This method of solution has been validated by comparison with results coming from exact numerical simulations and with results extracted from experimental measurements. <br/>The availability of the iterative solution allows to easily identify what physical parameters and factors are the dominant ones in the electrical behavior of the emitter region. The obtained results indicate that the dose -that is, the total amount of impurities in the emitter- and the recombination speed at the surface are the parameters of greater influence on the emitter current under dark conditions. The study also shows that it is possible to make a rather simple physical interpretation of the current behavior on the basis of its components of superficial and volumetric recombination. Moreover, it is concluded that it is possible to extract conditions for current minimización, being this a result of great interest to the optimal design of emitters for advanced devices. <br/>Next the work uses the superposition principle to obtain approximate analytical solutions of the emitter current, as much for dark conditions as for illumination. These new solutions exhibit a good commitment between validity margin and formal complexity (equal or superior to the one of other comparable solutions proposed in the literature), and a formal structure which is easy to relate to physical interpretations. <br/>The last objective of the work consists of the application of the obtained tools to the optimization of the emitter region in solar monocrystalline silicon cells. An analysis of the cell reveals that a dose rank always exists that leads to optimal photovoltaic results, and that these optimal results are little dependent on the emitter width, thus introducing some degree of freedom at the time of choosing what doping profile is most optimal. Finally the use of polysilicon contacts in the emitter is evaluated at the theoretical level. Here the obtained results show that a significant reduction of the dark current can be obtained, with a direct improvement of the cell performance, in concrete of the open circuit voltage and of the conversion efficiency. These perspectives are in good agreement with practical results from other recent and currently underway works.