Особенности фотопроводимости монокристаллов сульфида кадмия при комбинированном возбуждении
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. И.И.МЕЧНИКОВА
кафедра экспериментальной физики
ОСОБЕННОСТИ ФОТОПРОВОДИМОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ СУЛЬФИДА КАДМИЯ
ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ВОЗБУЖДЕНИИ
Допускается к защите
Заведующий кафедрой
экспериментальной физики
академик _______________ Смынтына В.А.
Дипломная работа
студентки V курса
физического факультета
Минаевой Ольги Павловны
Научные руководители:
Профессор Чемересюк Г.Г.
Зав. лабораторией Каракис Ю.Н.
ОДЕССА – 2007
Содержание
Введение
Глава 1. Фотоэлектрические свойства неоднородных
полупроводниковых образцов
1.1. Свойства кристаллов, подвергнутых обработке в газовом разряде
1.2. Фотопроводимость при наличии запирающего барьера
1.3. Фотовольтаический эффект в полупроводниках с электрической
неоднородностью
1.4. Особенности фотопроводимости, обусловленные неоднородным
освещением
1.5 Обогащенный контактный слой в отсутствие тока
Глава 2. Энергетическая структура омического контакта в присутствии неравномерно распределенных электронных ловушек
2.1. Влияние ловушек на структуру барьера. Предварительный анализ
2.2. Распределение энергии в приконтактных слоях полупроводника с ловушками для электронов
2.3. Структура барьера в истощенном слое
2.4. Детализация явного вида функции распределения энергии
2.5. Энергетический профиль барьера в объеме полупроводника
2.6. Влияние освещения на профиль барьер
Глава 3. Фотоэлектрические свойства кристаллов, обработанных в
газовом разряде
3.1. Технология легирования образцов
3.2 Вольтамперные характеристики исследуемых структур
3.3. Спектральное распределение фототока
3.4. Спектральное распределение фото-э.д.с
3.5. Люкс-амперные характеристики
Выводы
Литература
Введение
Качество омических контактов к различным полупроводниковым устройствам является определяющим для их надежного и долговременного функционирования. Этим обеспечивается значительный интерес ко всем аспектам работы таких контактов – их созданию, особенностям протекания тока через них.
Вместе с тем известно, что свойства полупроводниковых веществ могут изменяться в широких пределах в зависимости от количества и качества образовавшихся дефектов. Разумеется, это неизбежно должно сказываться и на контактирующей части полупроводникового кристалла.
В настоящей работе рассмотрена задача о поведении изначально омического контакта к полупроводнику при появлении в его области пространственного заряда неравномерно распределенных электронных ловушек. Несмотря на очевидную актуальность этой проблемы, в литературе она практически не освещена.
Введение ловушечных центров в приконтактную область полупроводника, по-видимому, может кардинально изменить энергетическую структуру этой области. В частности, в случае электронных ловушек, возможно образование запирающего барьера. При этом значительно изменяются условия токопереноса и возникают специфические эффекты, близкие по природе к отрицательной фотопроводимости.
Мы ставим себе задачей выведение формулы, описывающей, как в темноте, так и на свету, вид возникающего барьера в зоне проводимости. А также определения связи параметров этого барьера – его ширины, высоты, координаты максимума, крутизны стенок – от свойств ловушек – их энергетической глубины, начальной концентрации и распределения по глубине образца. В тех случаях, когда прямой анализ был затруднителен, выявлялись, по крайней мере, тенденции зависимости.
Целью настоящей работы является показать, что неравномерно распределенные электронные ловушки способны сформировать запирающий барьер в области пространственного заряда омического контакта. Параметры его однозначно связанны с параметрами ловушек и значит, управляются технологически. При этом благодаря возникшему барьеру полупроводниковый кристалл приобретает новые свойства, в том числе и аномальные.
ГЛАВА 1
Фотоэлектрические свойства неоднородных полупроводниковых образцов
1.1. Свойства кристаллов, подвергнутых
обработке в газовом разряде
Изменения фотопроводимости, вызванные обработкой монокристаллических образцов халькогенидов кадмия в газовом разряде исследовали авторы [1-3]. Технология такой обработки заключается в следующем. Образец помещался в вакууме ~ 10-2¸10-3 мм.рт.ст. между электродами, к которым прикладывалось напряжение порядка нескольких киловольт. Использовались переменные поля промышленной частоты. В образовавшемся стримере разряда происходит бомбардировка заряженными частицами поверхности образца.
Обработка поверхности монокристаллов халькогенидов кадмия газовым разрядом приводит к существенному изменению вида вольтамперных характеристик.[2]. До обработки они линейны во всем интервале применяемых напряжений. После обработки линейный участок темновой вольтамперной харак-теристики (рис. 1.1, кривая 1) сохраняется лишь при начальных напряжениях. Затем зависимость тока от напряжения становится сублинейной, достигая насыщения. При достаточно высоких электрических полях она переходит в зависимость вида I ~V* где п > 2. При освещении кристалла (рис. 1, кривая 2) светом с λ = 740 нм зависимость Iф(V) сохраняет все особенности предыдущей кривой. Характерным является то, что при указанной подсветке в некотором интервале напряжений кривая 2 проходит ниже кривой 1, т.е. ток, измеренный при возбуждении кристалла светом, оказывается меньшим темнового. При подсветке излучением из глубины полосы собственного поглощения (λ = 500 нм) характеристика почти спрямляется в широкой области напряжений (рис. 1.1, кривая 3).
Обработка газовым разрядом поверхности кристаллов халькогенидов кадмия, наряду с уменьшением поверхностной рекомбинации, приводит к созданию большой концентрации электронных ловушек в приповерхностном слое. Это должно вызвать не только резкое возрастание инерционности фототока, что действительно наблюдается на опыте, но и уменьшение подвижности свободных носителей μ за счет дополнительного рассеяния их на заполненных электронами ловушках. Перезарядка ловушек может происходить как фотовозбужденными, так и инжектированными в кристалл электронами. Учитывая это, сублинейность и насыщение вольтамперных характеристик можно объяснить уменьшением подвижности за счет возрастания с увеличением напряжения концентрации инжектированных в образец электронов, заполняющих ловушки в приповерхностном слое кристалла. Последующее быстрое возрастание тока с ростом напряжения может быть объяснено процессами, приводящими к размножению свободных носителей с помощью электрического поля (освобождение мелких ловушек полем или ударная их ионизация быстро движущимися электронами).
|
Рис. 1.1.Вольт – амперные характеристики монокристалла CdSe, обработанного газовым разрядом. 1 - в темноте, 2-при освещении светом с λ=730 нм, 3-при освещении светом с λ=500 нм. |
Наблюдаемое уменьшение тока при освещении кристалла светом из области 730 нм можно интерпретировать как следствие увеличения числа рассеивающих центров при подсветке. Это может соответствовать заполнению ловушек фотоэлектронами или подъему электронов непосредственно из валентной зоны на уровни дефектов. Сравнение кривых 1 и 2 рисунка 1.1 показывает, что существует некоторая область напряжений, где ток, измеренный при освещении, имеет меньшую величину, чем соответствующий темновой ток. Это может произойти в результате настолько значительного уменьшения подвижности свободных носителей, что возрастание их концентрации в результате фотовоз-буждения оказывается недостаточным для увеличения световой проводимости по сравнению с темновой. Возрастание эффекта с увеличением электрического поля связано с повышением концентрации рассеивающих центров, вследствие заполнения ловушек электронами. Однако, при достаточно больших полях начинает сказываться ударная ионизация ловушек. Наибольшие изменения фотопроводимости достигается как результат равновесия между этими двумя эффектами.
В случае возбуждения кристалла сильно поглощаемым светом фототок создается в тонком приповерхностном слое, что соответствует высокой плотности свободных носителей. Тогда ловушки уже полностью насыщены электронами, и инжектированные полем носители не меняют их зарядового состояния. При такой ситуации сублинейность зависимости фототока от напряжения проявляется слабо [2] (рис.1.1, кривая 3).
Резкая зависимость эффекта от длины волны возбуждающего света показывает, что здесь существенную роль играет глубина проникновения света, т.е. зависимость коэффициента поглощения CdSe от длины волны возбуждающего света. При этом нужно учитывать, что обработка монокристалла газовым разрядом, вызывает повышение концентрации ловушек в тонком приповерхностном слое. Поэтому изменение фотопроводимости в данном случае зависит от соотношения глубины проникновения возбуждающего света в образец и глубины распространения рассеивающих центров. Если свет полностью поглощается в очень тонком поверхностном слое, то это соответствует случаю высокой плотности возбуждения. При проникновении возбуждающего света на большую глубину в кристалл свободные носители рождаются во всем объеме полупроводника, где плотность ловушек не повышена обработкой. Это снова приводит к стимулированию фототока. Наиболее благоприятным случаем для изменения фотопроводимости можно считать совпадение глубины проникновения света с глубиной расположения ловушек.
1.2. Фотопроводимость при наличии
запирающего барьера
Авторы [4] наблюдали, что при освещении проводимость пленок CdS1-xSex сначала незначительно увеличивается, а потом резко уменьшается относительно темнового тока. С ростом интенсивности света зависимость имеет характер насыщения. При оптимальных условиях кратность фотоответа составляла α = IT/IF ≥ 103 (IТ — значение темнового, а IF — светового тока). Причём проявляется лишь в некоторых интервалах значений интенсивности падающего на образец светового потока, приложенного напряжения и температуры.
