Реферат: Примесная краевая фотопроводимость полупроводников

В случае перехода типа 1 ТС в тип 2 фоточувствитель­ность в собственной области спектра сильно уменьшает­ся при относительно слабом ее изменении в примесной области максимумов ДM₁ и ДM₂ . В результате спектры ФП приобретают характерный для кристаллов с типом 2 ТС вид кривой с доминирующим длинноволновым макси­мумом в примесной области спектра (рис. 6, кривые 1–3) [37].

В случае инверсии типа ТС при ИК-подсветке происхо­дит общее гашение фоточувствительности, существенно превалирующее в спектральной области дополнительных максимумов ДM₁ и ДM₂ . В случае инверсии типа ТС с ростом тянущего поля фоточувствительность в области ДM₁ и ДM₂ практически не меняется, а в собственной области спектра значительно возрастает (рис. 7). В обоих случаях фоточувствительность в области максимумов ДM₁ и ДM₂ относительно собственной области уменьшается, а общий вид спектральных кривых ФП приобретает черты, характерные для кристаллов с ти­пом 1 ТС.

Трансформация спектров ФП по мере увеличения слоя обеднения у поверхности (рис. 6, кривые 1-3) объясня­ется уменьшением τ _s за счет увеличения скорости реком­бинации в области пространственного заряда по мере перехода от слабого обогащающего к истощающему приповерхностному изгибу зон [35]. Аналогично можно объяснить влияние предварительной засветки собствен­ным светом на спектры ФП, поскольку в результате осве­щения возможна перезарядка поверхностных состояний за счет заполнения их электронами. Образование слоя обеднения у поверхности кристаллов CdS с типом 1 ТС, обусловленное ”прилипанием” фотоэлектронов на поверхностные состояния, обнаружено в [38] методе спектроскопии фотоотражения в области экситонных резонансов[2] .

Характер действия ИК-подсветки на ТС спектров ФП указывает на изменение под ее влиянием соотношения τ _s < τ _v на обратное. В то же время значительное уменьшение фототока в собственной области спектра при ИК-подсветке указывает на соответствующее умень­шение τ _s . Поэтому соотношение τ _s > τ _v может ре­ализоваться при ИК-подсветке лишь в случае преиму­щественного уменьшения при этом τ _v . Это фактически и наблюдается в эксперименте в виде превалирующего ИК-гашения фототока в примесной области максимумов ДM₁ и ДM₂ .

Селективный характер ИК-гашения ФП, с одной сто­роны, объясняет трансформацию ТС при ИК-подсветке, а с другой стороны указывает на объемное происхождение ДM₁ и ДM₂ (на это указывает также отмеченная выше их слабая чувствительность к изгибу зон у поверхности).

ИК-гашение ДM₁ и ДM₂ связано, на наш взгляд, с ионизацией ИК-излучением очувствляющих r-центров, с которыми непосредственно взаимодействуют соответ­ствующие этим максимумам центры. Возможно, что r-центры входят в состав последних. Не исключено также, что центры, формирующие ДM₁ и ДM₂ , являются двукратно ионизованными собственными акцепторными дефектами, изолированными (ДM₂ ) [36] или возмущенны­ми другими заряженными центрами (ДM₁ ).

Нетривиальным представляется нам эффект влияния тянущего поля на ТС. Трансформация ТС, как и в случае ИК-подсветки, указывает на обращение нера­венства τ _s < τ _v с ростом тянущего поля. Однако в данном случае такое обращение связано с ростом τ _s при одновременном уменьшении τ _v , что следует из сверхлинейного роста фототока с ростом тянущего поля в собственной области и сублинейного — в примесной области (рис. 7). Подобные изменения τ _s и τ _v с ростом тянущего поля могут быть связаны с инжекцией дырок из контакта (анода) в сильных полях, легко достижимых в образцах CdS с малыми размерами [39]. Инжекция дырок может привести к сокращению τ _v за счет захвата инжектированных дырок r-центрами и увеличения темпа рекомбинации в объеме свободных электронов с дырка­ми, захваченными на мелкие акцепторные центры. Рост τ _s с увеличением тянущего поля может быть вызван уменьшением истощающего изгиба зон вблизи поверхно­сти в результате захвата части инжектированных дырок приповерхностным дырочным ”карманом”.

Постановка задачи

В работе была поставлена задача экспериментального исследования изменений спектрального распределения фотопроводимости кристаллов в краевой области спектра с изменением температуры в интервале 77–300.

Глава №2. Экспериментальная установка и методика эксперимента.

§1. Экспериментальная установка.

Рис. 8. Блок – схема экспериментальной установки для измерения спектров фотопроводимости

На рис. 8. 1) – источник питания; 2) – светоизмерительная лампа накаливания ленточного типа (СИ10 – 300У); 3) - объективы; 4) – светофильтр (СЗС – 24); 5) – монохроматор МДР – 3; 6) – поляризатор; 7) – оптический криостат с исследуемым образцом CdS и термопарой; 8) – вольтметр постоянного тока В2-36; 9) – источник питания типа Б5 – 50; 10) – электрометрический усилитель типа У5-9; 11) – согласующий блок; 12) – самопишущий потенциометр КСП – 4.

Оптическая система установки состоит из источника света (2), объективов (3), светофильтра (4), монохроматора (5), поляризатора (6) и исследуемого образца (7). Электрическая система включает в себя источник питания (9), образец (7), усилитель (10) и самописец (12).

В качестве источника возбуждения в данной установке применяется светоизмерительная лампа СИ10 – 300У (2), с ленточным (вольфрамовым) телом накала и с увиолевым окошком, которое предназначено для пропускания широкого спектра излучения. Максимальная мощность лампы 300 Вт. Изменение яркости свечения лампы (2) осуществляется с помощью источника питания (1). Для поглощения инфракрасного света из спектра излучения лампы (2) на оптической скамье, поле объектива (3) устанавливается адсорбционный светофильтр СЗС – 24, область пропускания которого лежит в пределах от 300 до 700 нм. Для выделения монохроматического излучения и его развертки по спектру применяется монохроматор МДР – 3, диспергирующим элементом которого является дифракционная решетка (600 шт/мм, обратная линейная дисперсия 20 Å/мм). Для поляризации монохроматического излучения в установке используется поляризатор (6), плоскость поляризации которого может изменятся относительно оптической оси кристалла С . Исследуемый образец устанавливается в ячейку, которая помещается в оптический криостат с жидким азотом. Источник питания (9) предназначен для приложения тянущего напряжения к исследуемому полупроводнику через омические электроды. Возникающий в цепи фототок, регистрируется электрометрическим усилителем (10). Через согласующий блок (11), представляющий собой цепь сопротивлений с различными номиналами, далее сигнал регистрируется самопишущим потенциометром (12). Регистрация данных эксперимента производится на диаграммной ленте самописца (12).

Измерение температуры производилось термопарой, установленной на одном уровне с образцом в 1 – 2 мм от него. Измерение термоЭДС осуществлялось вольтметром (8). При изменении температуры от 77 до 300 К значения термоЭДС находились в интервале - 6,5 – 0 мВ.

§ 2. Методика проведения эксперимента

Измерение спектров краевой фотопроводимости кристаллов CdS производилось в режиме стационарного возбуждения в температурном интервале 77 – 300 К. Спектральный интервал, в пределах которого исследовалась фотопроводимость кристаллов, находилась в области 470 – 530 нм, т. к. край поглощения исследуемого кристалла при исследуемых температурах находится в пределах указанной области. Для наблюдения тонкой структуры важным фактором является спектральный интервал Δλ монохроматического излучения. Вследствие этого ширина входной и выходной щели монохроматора устанавливалась не шире 0,4 мм, что соответствует спектральному разрешению не хуже 8 Å/мм. Скорость развертки монохроматора составляла величину 8 нм/мин.

При измерении фотопроводимости спектры регистрировались как при движении в коротковолновую, так и в длинноволновую стороны. Для разрешения всех оптических переходов поляризация возбуждающего фотопроводимость излучения устанавливалась в состояние , где С – оптическая ось кристалла.

Увеличение температуры достигалось постепенным выкипанием жидкого азота.

Электроды для подведения тока к полупроводнику создавались механическим нанесением In – Ga-вой пасты на поверхность полупроводника.

Величина тянущего электрического поля варьировалась в интервале от 1 до 300 В. При возбуждении фотопроводимости, зондирующий луч света падал на кристалл, не освещая контакты. В зависимости от цели эксперимента, геометрия освещения кристалла также могла изменяться. В ряде случаев зондирующий луч света фокусировался в центр образца или же расфокусировался до ширины пучка в 2 – 3 мм.

В эксперименте исследовались образцы, которые не легировались в процессе выращивания. Толщина кристаллов составляла около нескольких десятых долей мм и имели плоскую зеркальную поверхность. Темновое сопротивление исследуемых кристаллов достигало значений в несколько ГОм. Длина применяемых в экспериментах кристаллов варьировалась от 2 до 4 мм.

Глава №3. Экспериментальные результаты и обсуждение.

§ 1. Экспериментальные результаты.

В ходе проведения экспериментов исследованы спектры краевой фотопроводимости монокристаллов CdS при различных температурах образца. В частности, нами изучалась температурная зависимость примесного дополнительного максимума фототока ДМ, расположенного вблизи основного состояния А-экситона. Измерялись зависимости спектрального смещения ДМ, величины фототока в максимуме и его полуширины от температуры.

Исследования проводились в температурном интервале 77 – 300 К. Температура кристалла изменялась от азотной (77 К) и по мере выкипания жидкого азота из криостата, повышалась до комнатной. Скорость изменения температуры составляла на начальном этапе около 2°С/мин, а на завершающем этапе достигала скорости 5°С/мин.

Согласно [40], формирование исследуемого максимума ДМ связано с фототермополевыми переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости через однократно ионизированные мелкие доноры (D⁺ ), в качестве которых выступают собственно-дефектные состояния кристалла (Cd_i ).

На рис. 9 представлены спектры краевой фотопроводимости исследованного образца CdS, измеренные при различных температурах. По мере повышения температуры образца наблюдается ряд изменений в спектральном распределении фототока кристалла CdS. Во-первых, это общеизвестное спектральное смещение края собственного поглощения, связанное с температурной зависимостью ширины запрещенной зоны полупроводника. Во-вторых, скорость спектрального смещения максимума ДМ превышает скорость смещения основных состояний экситонов А, В и С и имеет излом в области 130 К. Скорость смещения экситонов составляет 0,35 мэВ/К, в то время как для максимума ДМ оно составляет около 0,65 мэВ/К до и 0,8 мэВ/К после 130 К. В-третьих, повышение температуры приводит к немонотонному уширению и изменению интенсивности примесного максимума ДМ. Данная диаграмма представлена на рис. 10. В-четвертых, повышение температуры ведет к размытию экситонных состояний, которые при Т = 160 К практически не проявляются в спектре.

Т=77 К(1) Т=86 К(2) Т=100К(3) Т=125К(4) Т=157К(5) Т=198К(6)

§2. Обсуждение экспериментальных результатов.