На рис. 1.2 приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) пленок CdS0,6Se0,4, не подвергнутых термической обработке. Кривая 2 (см. рис. 1.2) иллюстрирует зависимость темнового тока от приложенного напряжения. При малых напряжениях (0—6 В) на ВАХ наблюдается линейный участок. С увеличением напряжения от 6 до 20 В линейный участок ВАХ переходит в суперлинейный участок, а при более высоких напряжениях зависимость имеет вид I ~ Uβ, где β > 2.
При уменьшении приложенного напряжения на ВАХ наблюдается гистерезис. С увеличением интенсивности падающего света образцы показывают остаточную проводимость (см.рис.1.2, кривая 3), и при более высоких значениях интенсивности света характеристика почти спрямляется в широкой области напряженности электрического поля (рис.1.2, кривая1) (0,5-130 В/см)
Вид этой ветви ВАХ авторы [4] определяли в основном явлением инжекции носителей при наличии захвата их на ловушках. Экспериментальная величина тока в образцах существенно была меньше теоретического значения, полученного для идеального полупроводника. При малых значениях электрического поля инжектированные электроны локализуются на ловушках, и это приводит к уменьшению тока. Резкое возрастание тока при больших значениях электрического поля связано с освобождением мелких ловушек полем или ударной ионизацией быстродвижущихся электронов. Захват инжектированных носителей заряда на ловушках приводит к медленному падению тока через образец при фиксированном напряжении и к появлению гистерезиса на ВАХ при вводе - выводе электрического тока.
При освещении происходит заполнение ловушек фотоэлектронами или переход электронов непосредственно из валентной зоны на уровни дефектов, связанных адсорбированными атомами кислорода. При сравнении кривых темнового и светового тока видно, что существует область напряжений, где фототок имеет меньшую величину, чем темновой, при тех же значениях приложенного напряжения.
Известно, что подобное явление наблюдается в полупроводниках с долговременными релаксациями проводимости. Авторы считают, что это в большинстве случаев связано с наличием в объектах исследований макроскопических потенциальных барьеров. В общем случае эти барьеры связываются с неоднородностями различного происхождения, к списку которых можно отнести монокристаллические границы, дислокации, кластеры и др. Наличие таких неоднородностей приводит к перестройке всей физической картины фотоэлектрических явлений.
По мнению авторов [4], в этом случае процессы связаны с наличием двух барьеров. Туннельный переход электронов с барьера между кристаллами в барьер, связанный с адсорбированным кислородом приводит к уменьшению кратности фотоответа. Последующий переход электронов с потенциального барьера в зону проводимости приводит к увеличению фотопроводимости.
1.3. Фотовольтаический эффект в полупроводниках
с электрической неоднородностью
Существование потенциального барьера в полупроводниковых образцах (как правило, структурах с разным типом проводимости или контактом разнородных областей) обычно сопровождается возникновением фотовольтаического эффекта. Заключается он в пространственном разделении образуемых светом разноимённых носителей тока из-за воздействия на них встроенного электрического поля [5]. Если при этом сопротивление внешней цепи незначительно по сравнению с сопротивлением образца, то во всей замкнутой цепи, содержащей освещаемый образец, потечёт электрический ток. Более сложные процессы происходят, если внешняя цепь разомкнута (так называемый режим холостого хода).
В этом случае поведение носителей тока в начальные моменты времени после освещения и в стационарном состоянии существенно отличается. В первые моменты времени фотовозбуждённые электроны под воздействием поля барьера образуют дрейфовый ток в сторону квазинейтральной части за пределами области пространственного заряда. Поскольку цепь разомкнута, они там накапливаются, понижая потенциал этого участка. Аналогично, за счёт дрейфового тока неравновесные дырки скапливаются с противоположной стороны. Потенциал этой области увеличивается. На контактах разомкнутого элемента образуется некоторая разность потенциалов, называемая э.д.с. холостого хода. Рекомбинационными процессами мы пренебрегаем, считая используемые материалы достаточно чистыми.
Если бы других процессов после освещения не происходило, фиксируемая вольтметром разность потенциалов в течение всего времени освещения практически неограниченно возрастала. Однако в полном соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна, развиваясь, этот процесс возбуждает конкурирующие явления. Между областями с повышенным содержанием электронов и избыточным содержанием дырок возникает ещё одно, внутреннее, поле, направленное против поля барьера. Из-за взаимодействия этих полей высота потенциального барьера, а значит и напряжённость поля здесь, несколько понижается. Ровно настолько, чтобы возросший при этом диффузионный ток в точности скомпенсировал генерационный.
Оба типа носителей – и основные и неосновные в основном занимают нижние уровни энергии в соответствующих зонах. При понижении барьера, вследствие обычных градиентов концентраций, они устремляются в противоположные области. С течением времени, за достаточно быстрый период, вновь, как и в темноте, устанавливается равновесие между дрейфовыми и диффузионными токами, только на более высоком уровне.
Высота барьера при этом, а значит и фиксируемая извне стационарная разность потенциалов, контролируется только интенсивностью падающего света.
1.4. Особенности фотопроводимости, обусловленной
неоднородным освещением
При исследовании слоистой структуры для объяснения наблюдаемых изменений авторами [6] привлекалось представление о влиянии электрического поля омического контакта на фотопроводимость. Внутреннее поле омического контакта разделяет генерированные светом электроны и дырки так, что дырки движутся в объем селенида кадмия, а электроны переходят в сульфид кадмия (электрод). При этом изменение проводимости низкоомного сульфида кадмия пришедшими электронами несущественно для продольного фоторезистора, в то время как дырки в селениде кадмия, захватываясь на центры чувствительности, вызывают гашение проводимости, в результате чего сопротивление слоя возрастает.
С увеличением длины волны излучения поглощение света происходит на большей глубине (вне слоя объемного заряда) или даже во всем объеме селенида кадмия.
Таким образом, концентрационный механизм коротковолнового гашения проводимости, обусловленный разделением электронно-дырочных пар электрическим полем омического контакта, может играть доминирующую роль по сравнению с эффектом уменьшения подвижности электронов, хотя и не исключает последнего.
Коротковолновое гашение проводимости особенно сильно проявляется при положительной полярности на исследуемом электроде.
Следует отметить, что на ряде образцов величина фотопроводимости уменьшалась после длительного (в течение нескольких часов) пребывания образца в темноте. При этом уменьшалась и темновая проводимость. Указанное обстоятельство позволяет считать, что исследуемый эффект представляет в ряде случаев коротковолновое гашение остаточной проводи-мости. Остаточная проводимость в пленочных образцах может возникать вследствие неоднородности их структуры.
Рентгеноструктурные и электронно-микроскопические исследования показали, что образцы состоят из кристаллитов в форме столбиков селенида кадмия гексагональной модификации, ориентированных осью с перпендикулярно подложке. На границе этих кристаллитов могут возникать слои, обедненные носителями заряда вследствие очувствления селенида кадмия акцепторной примесью меди в количествах, превышающих
предел растворимости меди, что приводит к разделению электронно-дырочных пар, генерированных светом, и появлению остаточной проводимости в каждом из таких столбиков (рис. 1.3., область 3).
Размеры кристаллов сравнимы с радиусом экранирования. Линии электрического тока параллельны межкристаллитным прослойкам; отсутствие пересечения прослоек линиями тока создает благоприятные условия для запасания проводимости в области 3. При этом электроны и дырки, разделенные на барьерах, захватываются на глубокие уровни в областях 3 и 4 соответственно. Захват электронов в области 3 приводит к повышению ее проводимости, сохраняющемуся длительное время из-за наличия рекомбинационного барьера на границе областей 3 и 4, препятствующего рекомбинации электронов с дырками, находящимися в области 4.
Уменьшение остаточной проводимости происходит в области 5 вблизи омического контакта 1 в результате рекомбинации «запасенных» на глубоких уровнях электронов со свободными дырками.
Таким образом, экспериментальные результаты показывают, что объяснение эффектов изменения фотопроводимости в пленочных сэндвич-структурах из селенида и сульфида кадмия возможно только на основе рассмотрения условий неоднородного фотовозбуждения.
1.5 Обогащенный контактный слой в отсутствие тока
В соответствии с работой [7] рассмотрим распределение потенциала в случае обогащенного контактного слоя (euk < 0 и в несколько раз превышает кТ) (рис. 1.4). При этом удобно раздельно рассматривать область вблизи объемного заряда контакта 1 и остальную толщу полупроводника 2, где зоны можно считать уже неискривленными. Тогда мы имеем
(1.1)
и уравнение Пуассона:
где nk – концентрация электронов на поверхности.
Умножая обе части этого уравнения на /dx и интегрируя по получаем
Постоянная интегрирования С определяется из условия, что на границе обеих областей
φ=uk, =0
Поэтому
Отсюда видно, что, вследствие условия (1.1), для области вблизи контакта постоянной С можно пренебречь по сравнению с первым слагаемым. Поэтому
Так как мы рассматриваем обогащенный слой в электронном полупроводнике, то φ < 0 и увеличивается по абсолютной величине с увеличением х, а, следовательно, нашей задаче соответствует знак минус. Интегрируя это уравнение еще раз по х в пределах от 0 до х, находим распределение потенциала в виде
(1.2)
где а есть характеристическая длина:
С точностью до множителя 2-1/2 это есть не что иное, как длина экранирования, в которой, однако, концентрация электронов в глубине образца п0 заменена ее значением на контакте пк. Таким образом, потенциал вблизи контакта изменяется по логарифмическому закону. Распределение концентрации электронов выражается соотношением
