Реферат: Компьютерное моделирование сенситометрических характеристик формирователей сигналов изображения

На рис.1 приведена зонная диаграмма двух изолированных полупроводников, у которых различные значения ширины запрещенной зоны Еg , диэлектрической проницаемости e , работы выхода j _m и электронного сродства c .

Работа выхода и электронное сродство определяются как энергия, необходимая для удаления электрона с уровня Ферми Е_f и со дна зоны проводимости Е_c в вакуум соответственно. Различие в положении дна зоны проводимости полупроводников обозначено D Е_c ; а различие в положении потолка валентной зоны ΔE_v . На рисунке 1 показан случай, когда ΔЕ_c =(χ₁ -χ₂ ) .

Рис. 1. Зонная диаграмма двух изолированных полупроводников при условии электронейтральности

Зонная диаграмма анизотипного p-n - гетероперехода в равновесии, образованного этими полупроводниками приведена на рис.2.

Рис.2. Зонная диаграмма идеального анизотипного p-n гетероперехода при тепловом равновесии.

Положение уровня Ферми в равновесном состоянии должно быть одинаково по обе стороны перехода, а уровень энергии, соответствующий вакууму, должен быть параллелен краям зон и непрерывен. Поэтому разрыв в положении краев зоны проводимости и краев валентной зоны не связан с уровнем легирования.

Полный контактный потенциал Vb_i . равен сумме потенциалов Vb₁ +Vb₂ , где Vb₁ и Vb2 - электростатические потенциалы равновесия состояния первого и второго полупроводников соответственно.

Ширину обедненного слоя (W) в каждом полупроводнике и барьерную емкость (С) можно найти решив уравнение Пуассона для резкого перехода с каждой стороны границы раздела. Одним из граничных условий является непрерывность электрической индукции на границе раздела, т.е. ε₁ E₁ = ε₂ E₂ . В результате имеем:

	(1)
	(2)
	(3)

где Nd₁ - концентрация доноров в 1-м полупроводнике;

Na₂ - концентрация акцепторов во 2-м полупроводнике.

Отношение напряжений в каждом полупроводнике составляет:

(4)

где V=V₁ +V₂ - полное приложенное напряжение.

Вольт - амперная характеристика принимает вид:

(5)

где I - плотность тока.

(6)

Приведенное выражение отличается от вольт - амперной характеристики контакта металл-полупроводник множителем I₀ , а также характером зависимости от температуры. Обратный ток не имеет насыщения, а при больших V линейно возрастает с напряжением. В прямом направлении зависимость I от допускает аппроксимацию экспоненциальной функцией, т.е. .

Механизмы протекания тока.

В резком гетеропереходе благодаря разрывам ΔE_c и ΔE_v высоты потенциальных барьеров для электронов и дырок разные. Поэтому при прямом смещении в гетеропереходе обычно происходит односторонняя инжекция носителей из широкозонного полупроводника в узкозонный.

Инжектированные носители (в данном случае дырки) должны преодолеть потенциальные барьеры (“пики”), возникающие из-за разрывов зон. Механизмы протекания тока через эти барьеры, дополнительные по сравнению с p-n - переходом (туннельный и термоинжекционный) зависят от величины смещения на гетеропереходе, температуры, а также от степени легирования полупроводников.

В плавном гетеропереходе заряда на неосновные носители заряда действует внутреннее электрическое поле ε_i , возникающее вследствие изменения E_g . При прямом смещении в этом случае также происходит односторонняя инжекция дырок в более узкозонную часть.

Фотоэффект.

Как и в p-n переходе фотоэффект в гетеропереходе возникает за счет пространственного разделения в поле объемного заряда носителей, возбужденных светом. При освещении полупроводника со стороны широкозонного полупроводника в узкозонном поглощаются фотоны с энергией:

Eg1 <h υ<Eg2

(7)

где h - постоянная Планка

υ - частота излучения.

Широкозонный полупроводник служит в этом случае "окном", прозрачным для света, поглощаемого в узкозонном слое, и защищает область генерации неравновесных электронно-дырочных пар от рекомбинационных потерь на поверхности кристалла [2].

§ 2. Модели токопереноса в гетеропереходе CdS – Cu₂ S.

Система CdS-Сu₂ S представляет собой неидеальный анизотипный гетеропереход у которого различие постоянных кристаллических решеток контактирующих полупроводников CdS (5.832 Å) и Cu₂ S (5.601 Å) составляет 4%. Столь значительное различие периодов решеток при формировании гетероперехода создает высокую плотность дислокаций несоответствия на поверхности раздела. Оборванные связи в дислокациях приводят к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне, ответственных за захват носителей или за их рекомбинацию и оказывают существенное влияние на перенос заряда через обедненную область [3,4].

Было предложено немало моделей, объясняющих процессы, протекающие в гетеропереходе. Вид зонной диаграммы и характер токопрохождения не могут быть описаны в рамках модели Андерсона, учитывающей только ток, текущий благодаря инжекции.

Для гетероперехода известно несколько вероятных механизмов протекания тока через область барьера, реализующихся в зависимости от внешних условий: электронный и дырочный токи при фотовозбуждении (1,2), термоэмиссионный (3), эмиссионно-рекомбинационный (4), туннельно-рекомбинационный ток (5,6) (См. рис.3) .

Рис.3. Вероятные механизмы токопереноса в области пространственного заряда гетероперехода CdS-Cu2 S.

Для согласования теории с данными экспериментов, Бьюб предложил модель туннелирования электронов через "зубец" в зоне проводимости. Ширина "зубца", а следовательно и вклад туннельного тока в вольтамперную характеристику определялась глубокими уровнями дефектов в ОПЗ. Однако этот случай реализуется далеко не всегда.

Модель многоступенчатого туннелирования через эти состояния с последующей рекомбинацией на гетерограницах предложили Райбен и Фойхт для Ge-GaAs и Мартинуцци для CdS-Cu₂ S. При таком подходе, однако, невозможно точно определить вероятность туннельных переходов с одного уровня на другой и не учитывается ограничение туннельной проводимости скоростью рекомбинационных процессов на границе раздела.

В ряде публикаций [5,6,7,8] был предложен туннельно-прыжковый механизм токопереноса. Здесь учтены статистические распределения носителей и их взаимодействие с фононами. Определена также вероятность "прыжка" между соседними локальными состояниями.