Содержание к диссертации
Общая характеристика работы
ВВЕДЕНИЕ
§1.Сравнение задач переноса тепла и носителей заряда в излучающих и поглощающих средах
§2. О решении интегро-дифференциального уравнения переноса
ЧАСТЬ I.
Радиационно-диффузионный перенос носителей заряда в гомо-и гетероструктурах на основе прямых широкозонных полупроводников.
§3. Явление переизлучения и его влияние на параметры силовых полупроводниковых приборов ГЛАВА I.
Моделирование процессов переноса носителей заряда (ННЗ) в материалах с высоким внутренним квантовым выходом излучательной рекомбинации.
§4. Приближенное решение уравнения переноса ННЗ в полубесконечной области Р " G-O.A& при малом уровне
§5. Влияние переизлучения на коэффициент переноса в Р - bate
§6. Приближенное решение уравнения переноса ЕНЗ при высоком уровне инжекции
§7. Исследование переноса носителей заряда в P+-&aAs при их поверхностном импульсном фотовозбуждении .
§8. Исследование переноса носителей заряда в IT0-fraAs при их поверхностном импульсном фотовозбуждении
Приложение ІА .86
Приложение ІБ 89
Выводы 92
ГЛАВА 2.
Модуляция базы силовых полупроводниковых приборов рекомбинационным излучением и их вольтамперные характеристики.
§9. Модуляция базовой области высоковольтного диода собственным рекомбинационным излучением 94
§10. Расчет характеристик силового Р+-/У -А/ + диода с учетом переизлучения в Р+ и № областях 105
§11. Приближенный анализ влияния излучения из Р+ эммитера на модуляцию N -базы 115
§12. Модуляция базовой области силовых диодов на основе гетеропереходов 120
§13. Расчет прямой ветви вольтамперной характеристики арсенид-галлиевого тиристора 129
§14. Модуляция коллектора высоковольтного оптотранзистора рекомбинационным излучением 132
Выводы 142
ГЛАВА 3.
Расчет характеристик фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии на основе плавных гетероструктур.
§15. Солнечные элементы на основе полупроводниковых структур с переменной шириной запрещенной зоны Ї44
§16. Фотоэффект в плавных изотипных и анизотипных A6( xAs гетероструктурах при высоких уровнях освещенности 149
§17. Нагрузочные характеристики преобразователей солнечной энергии на-основе плавных AWkiAs гетероструктур 161
§18. Влияние объемной ЭДС на эффективность преобразователей солнечной энергии 164
Приложение 3 175
Выводы 176
Ч А С Т Ь 2 .
Радиационно-кондуктивныи теплообмен (РКТ) в твердой и жидкой фазах при вытягивании полупрозрачных профилированных кристаллов из расплава.
§19. Как влияет перенос тепла излучением на процесс выращивания кристаллов из расплава 178
ГЛАВА 4.
Моделирование процессов РКТ в твердой фазе.
§20. Особенности процесса теплообмена в тонких профилированных кристаллах, вытягиваемых из расплава 185
§21. Световодная модель радиационно-кондуктивного теплообмена 189
§22. Расчет температурного поля в тонком круговом цилиндре при постоянных оптических характеристиках
материала 205
§23. Расчет температурного поля в тонком круговом цилиндре, покрытом тонкой поглощающей пленкой 215
§24. Расчет температурного поля в тонкой пластине при постоянных оптических характернетиках материала 219
§25. Расчет температурного поля в тонкой пластине с учетом зависимости коэффициента поглощения от температуры 228
Приложение 4А. Моделирование теплообмена в пакете полупрозрачных пластин 233
Приложение 4Б. Что показывает термопара в полупрозрачной среде 244
Выводы 249
ГЛАВА 5.
Моделирование процессов РКТ в жидкой фазе. Влияние излучения на устойчивость и форму фронта кристаллизации.
§26. Особенности процесса теплообмена в полупрозрачном расплаве вблизи границы раздела фаз 251
§27.Распределение температуры в оптически тонком слое расплава 258
§28. Распределение температуры в оптически толстом слое расплава 265
§29. Расчет формы фронта кристаллизации при вытягивании J широкой и длинной пластины для модели прозрачный кристалл - непрозрачный расплав 271
§30. Радиационная неустойчивость плоского фронта кристаллизации 284
Приложение 5. Моделирование условий выращивания ленты сапфира 296
Выводы 307
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 310
Литература 3
Введение к работе
Перенос излучения в поглощающих, излучающих и рассеивающих средах интенсивно изучался при исследовании звездных атмосфер [НО, 122] , в динамике излучающего газа [34] , при изучении теплофизи-ческих свойств полупрозрачных материалов [109], в технических проблемах [48, 49] . В настоящей диссертации рассматриваются два новых класса задач, связанных с переносом излучения и его взаимодействием с веществом:
1. Радиационно-диффузионный перенос неравновесных носителей заряда (ЇЇНЗ) в полупроводниковых структурах на основе материалов с высоким внутренним квантовим выходом ( 4А$ - &aAs );
2. Радиащонно-кондуктивный теплообмен в тонких полупрозрачных кристаллах, вытягиваемых из расплава.
В первом случае излучение является неравновесным, рекомбинацион-ным, возникающим в результате процесса излучательной рекомбинации электронно-дырочной пары. При поглощении этого излучения его энергия затрачивается на генерацию новой пары электрон-дырка в результате чего осуществляется фотоперенос неравновесных носителей заряда. Во втором случае излучение является равновесным тепловым и переносит энергию, которая при поглощении передается кристаллической решетке, повышая её температуру. В обоих явлениях наряду с излучением работают механизмы переноса диффузионного типа: теплопроводность при выращивании кристаллов и диффузия и дрейф ННЗ в полупроводниковых структурах. Хотя указанные явления обычно изучаются в различных разделах физики, их математическое описание оказывается практически одинаковым.
Вообще говоря, неудивительно, что радиацгюнно-диффузионные процессы переноса тепла и носителей заряда в излучающих и поглощающих средах подчиняются дифференциальным уравнениям одного и того же типа. Однако, в настоящем случае, благодаря ряду особенностей рассматриваемых задач, эта аналогия оказывается существенно более полной, что будет показано ниже.
Первая часть диссертации посвящена рассмотрению влияния излучения на перенос носителей заряда в гомо- и гетероструктурах на основе прямых широкозоннх полупроводников A As- cruAs . Эта часть состоит из вводного параграфа и трех глав. В вводном параграфе 3 дается обзор литературы по исследуемой проблеме, очерчивается крут рассматриваемых явлений, формулируются основные задачи, а также те допущения, которые будут использоваться при их решении. В главе I изучаются особенности переноса ННЗ в материалах с высоким внутренним квантовым выходом в условиях высокого (для N -- G-G.AS ) и низкого (для Р+-(кк) уровней инжекции. В главе 2 исследуется влияние излучения на модуляцию базы, и как следствие этого, на вольтамперные характеристики таких силовых приборов, как диод, тиристор, биполярный транзистор. В главе 3 рассматриваются фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии на основе плавных гетероструктур.
Вторая часть .диссертации посвящена исследованию процессов ра-диационно-кондуктивного теплообмена при выращивании полупрозрачных кристаллов, таких как сапфир, методом Степанова. Эта часть состоит из вводного параграфа и двух глав. В вводном параграфе 19 обсуждаются те стороны процесса роста кристаллов, на которые перенос тепла излучением оказывает наиболее существенное влияние и дается общий обзор литературы по этой проблеме. В главе 4 исследуется роль излучения в переносе тепла в твердой фазе. Вводится световодная модель радиационно-кондуктивного теплообмена и на её основе исследуются температурные поля в кристаллах цилиндрической и ленточной формы. В главе 5 рассматривается влияние лучистого теплообмена, во-первых, на распределение температуры в жидкой фазе, а, во-вторых, на форглу, положение и устойчивость фронта кристаллизации. Глава заканчивается приложением, в котором на основе полученных результатов выполнено моделироватье тепловых условий выращивания лент сапфира, необходимых для производства интегральных схем.
Детальный анализ физических предпосылок и допущений, лежащих в основе постановки перечисленных выше задач дается в соответствующих разделах диссертации, а в данном параграфе проводится сравнение указанных задач с точки зрения выявления сходства и различия их математического описания. Предполагается, что процесс переноса НИЗ происходит в условиях постоянства температуры среды. Вообще говоря, имеются задачи, например, связанные с отжигом полупроводниковых кристаллов лазерными импульсами очень короткой нано- и пикосекундной длительности ]15б] , когда процессы переноса тепла и носителей заряда посредством излучения могут оказываться связанными. Однако в настоящем случае такая ситуация не имеет место и не рассматривается.
