Удовлетворительная теория, объясняющая структуру системы ITO — Si , изложена в работе [101] и базируется на свойствах промежуточного тонкого изолирующего слоя между пленками ITO и Si. В рамках этой теории хорошо объясняются [124] высокие значения эффективности преобразования энергии солнечными элементами ITO-InP
[121]. Установлено, что диоды MIS-структуры являются предельным случаем SIS -структуры. Поскольку природа промежуточного слоя до конца не выяснена, в теории используется модель "тонкого промежуточного слоя". Промежуточный слой предполагается достаточно тонким, так что перенос носителей заряда через него осуществляется с помощью туннельного механизма. На рис. 3.2.1 представлена зонная энергетическая диаграмма системы ITO-SiO2—p-Si. Промежуточный слой толщиной 10 - 20 А состоит из широкозонного полупроводника или изолятора. Слой формируется в процессе изготовления диода, и его строение может быть более сложным, чем предполагается, поскольку в его состав могут входить компоненты пленок ITO [101]. Значение работы выхода в пленках ГГО и Si таково, что на поверхности кремния происходит изгиб энергетических зон. Вследствие большой ширины запрещенной зоны пленок ITO предотвращается туннельный переход дырок в р-кремнии из зоны в зону. Неосновные носители заряда, поставляемые поверхностью р-кремния с изогнутыми энергетическими зонами, создают туннельный ток в пленке ГГО (IсТ). JsT - туннельный ток через дефекты в структуре ITO - Si, Jci и hi ~ эффективные значения встречных токов, возникающих при обмене зарядом между зоной проводимости и валентной зоной кремния в процессе рекомбинации. С уменьшением толщины изолирующего слоя туннельные токи возрастают, и при толщине слоя ниже критической диоды начинают работать как "неравновесные" туннельные диоды SIS-структуры. При определенном значении приложенного смещения диоды работают в неравновесном режиме, когда ток ограничивается со стороны полупроводника. Элемент ITO - Si ведет себя как туннельный диод SIS -структуры с переносом неравновесных неосновных носителей заряда, в котором под влиянием приложенного смещения квазиуровни Ферми неосновных носителей заряда в полупроводнике могут быть эффективно смещены относительно зон, в которых расположены соответствующие неосновные носители заряда [101] (рис. 3.2.1, б). При возрастании приложенного напряжения ток полупроводника увеличивается до значения, которое может поддерживаться туннельным механизмом.
Рис. 3.2.1. а - упрощенная равновесная зонная энергетическая диаграмма системы ITO-SiO2-р-Si; Egos, Eg, и Egs — запрещенные эоны ITO, SiO2 и Si соответственно; φosi— высота барьера окисный полупроводник — изолятор, зависящая от работы выхода пленки ITO; — высота барьера, который определяет значение напряжения холостого хода vor диода [101]; Evos, Ecos, Efos - положения верхнего края валентной зоны, дна зоны проводимости и уровня Ферми в окисном полупроводнике; Evi , Eci - верхний край валентной зоны и дно зовы проводимости изолятора (окиси кремния);Evs, Eсs — верхний край валентной зоны и дно зоны проводимости Si.
С этого момента квазиуровни Ферми перестают смещаться относительно края зоны проводимости. На рис. 3.2.1, в изображена зонная энергетическая диаграмма диода в режиме фотоэлемента.
Было исследовано влияние ширины запрещенной зоны окисного полупроводника на значение тока электронов J сТ и дырок J υγ. В отсутствие поверхностных уровней туннельный ток дырок JνΤ при большой ширине запрещенной зоны исчезает. При наличии поверхностных уровней сквозь промежуточный слой через поверхностные уровни может протекать туннельный ток заметной величины.
Рис. 3.2.1. б — схематическое изображение темновой зонной энергетической диаграммы системы ITО — SiO2 —ρ·Si с использованием неосновных носителей заряда. К диоду приложено положительное смещение Va относительно верхнего края слоя IТО; JсT и JvТ — токи, текущие от зоны проводимости и валентной зоны Si к спою ITO; TsT -ток от поверхности к слою ITO, который обеспечивается токами Jci и Jvi. На диаграмме показаны также квазиуровни Ферми ЕFn, ЕFp для электронов и дырок в полупроводниках; в — зонная энергетическая диаграмма системы ITO-SiO2-p-Si в режиме, близком к выработке максимальной мощности при освещении [101].
В неравновесном режиме при смещении, близком к нулевому, преобладающий ток течет через зоны с основными носителями заряда, с поверхностными уровнями и с неосновными носителями заряда. Было показано [95], что диоды с переносом неосновных носителей заряда можно сформировать на кремнии p-типа, если подобрать материалы с малым значением работы выхода на границе раздела окисный полупроводник - изолятор. При толщине промежуточного слоя до 16 А вольт-амперные характеристики описываются уравнением для идеального диода Шокли до таких значений приложенного смешения, при которых ток полупроводника начинает превосходить туннельный ток.
Высота барьера в таком диоде определяется выражением [ 95 ] 
где Vi — разность потенциалов по толщине изолирующего слоя; Qs — заряд, встроенный в поверхностные уровни; Qi - связанный заряд в изолирующем слое; φsi - φοsi - энергетический разрыв в зоне проводимости, который должен быть пренебрежимо малым, чтобы напряжение холостого хода было максимальным. Для создания SIS -структуры с максимальной эффективностью требуется, чтобы электронное сродства в окисном полупроводнике и в базовом полупроводнике р-типа было одинаковым, а если базовым является полупроводник n-типа, то значение электронного сродства должно равняться сумме значений ширины запрещенной зоны и электронного сродства в полупроводнике η-типа [ 95 ]. Ширина запрещенной зоны должна быть большой и составлять 3-4 эВ, и этому условию удовлетворяют пленки SnO2, ITO и Cd2SnO4.
