Приборы на основе некристаллических полупроводников

Приборы, активная область которых представляет собой некристаллический полупроводник, могут быть разделены на четыре основных группы:

1. Приборы для записи и обработки оптической информации.

2. Фотоэлектрические преобразователи.

3. Электронные приборы.

4. Элементы ИК-оптики и световоды.

Мы рассмотрим три первые из указанных групп приборов и начнем с первой группы.

Итак, запишите заголовок:

Носители оптической информации и резисты на основе некристаллических полупроводников

Некристаллические полупроводники нашли широкое применение в различных типах устройств для записи оптической информации, а также в качестве фото-, электроно- и рентгенорезистов высокого разрешения.

Классификация принципов и методов записи, способов создания изображения и видов носителей оптической информации представлена на рисунке (рис. 2-9, раздаточный материал).

По принципу записи носители оптической информации на некристаллических полупроводниках могут быть разделены на четыре группы.

В первой группе изображение первоначально записывается в виде потенциального рельефа на поверхности или в объёме некристаллического полупроводника.

Во второй группе под действием излучения происходят фотоструктурные изменения в некристаллической фазе, приводящие к изменениям оптических и химических свойств материала.

В третьей группе запись оптической информации основана на индуцированных излучением взаимодействиях некристаллического полупроводника с контактирующим с ним металлом.

Четвертая группа характеризуется фотоиндуцированными фазовыми переходами первого рода. В этом случае под воздействием излучения происходит локальная кристаллизация некристаллической фазы, либо аморфизация кристалла, либо испарение материала носителя.

Рассматриваемые носители, в зависимости от принципа и способа записи информации, имеют различные преимущества, по сравнению с традиционными галоидосеребряными фотографическими материалами. Основными из них являются: возможность многократного использования фоточувствительного слоя, запись в реальном масштабе времени, высокая разрешающая способность, отсутствие «мокрых» процессов при получении изображения. Вместе с тем, по фоточувствительности носители изображения на некристаллических полупроводниках серьезно уступают галоидосеребряным материалам (нижняя часть рисунка раздаточного материала).

Рассмотрим подробнее перечисленные группы носителей оптической информации.

В первой группе приборов носитель представляет собой слой высокоомного некристаллического полупроводника на проводящем основании. Поверхность этого слоя заряжается до некоторого начального потенциала с помощью коронного разряда (в случае электрофотографических и фототермопластических носителей), или с помощью пучка электронов (в видиконах – передающих телевизионных трубках).

+

+++ · ++ ++ ++ ++

Затем на заряженную поверхность проецируется регистрируемое изображение, создающее к концу периода экспозиции (за счет фотопроводимости освещенных участков) потенциальный рельеф (скрытое электростатическое изображение). Визуализация скрытого электростатического изображения, или считывание потенциального рельефа производится с помощью заряженного красящего порошка в электрофотографии, пленки нагреваемого термопластика в фототермопластических носителях или путем сканирования электронного пучка в видиконах.

Полупроводниковый слой в этой группе приборов должен обладать высокой фоточувствительностью в видимой области спектра (для создания за время экспозиции необходимого потенциального рельефа). С другой стороны, он должен обладать высоким удельным сопротивлением (для сохранения созданного потенциального рельефа в период визуализации или считывания изображения). В видиконах, где экспозиция и считывание проводятся за время телевизионного кадра (0,04 сек), удельное сопротивление материала должно быть не менее 10¹¹ Ом×см. В электрофотографии в термопластических носителях необходимы ещё более высокоомные материалы.

Указанные требования весьма жестки и противоречивы. Действительно, электропроводность (удельное сопротивление) полупроводника определяется концентрацией и подвижностью носителей заряда:

s = 1/r = q×n×m_n + q×p×m_p.

В свою очередь, минимальная концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике определяется шириной его запрещенной зоны:

n_i = p_i = A×exp (- DE / kT).

Таким образом, для увеличения удельного сопротивления полупроводника необходимо выбирать полупроводники с большой шириной запрещенной зоны.

С другой стороны мы знаем, что максимум фоточувствительности полупроводника наблюдается при взаимодействии с ним излучения с энергией квантов, близкой к ширине запрещенной зоны. Поскольку видимая область спектра лежит в диапазоне 0.4 – 0.7 мкм, то для обеспечения фоточувствительности в красной области спектра ширина запрещенной зоны полупроводника должна составлять DE = 1.7 – 1.9 эВ (l = 1.234 / DE).

Однако традиционные кристаллические полупроводники при таких значениях ширины запрещенной зоны не обеспечивают необходимого удельного сопротивления.

Решить это противоречие удалось, используя некристаллические полупроводники, которые при той же ширине запрещенной зоны обладают удельным сопротивлением на 4 – 5 порядков выше за счет меньшей подвижности носителей заряда.

Рассмотрим подробнее

Электрофотографический процесс

В 1938 году американский изобретатель Честер Карлсон получил первую электрофотографическую копию. Через 21 год в 1959 году фирма «Холоид» (в дальнейшем «Ксерокс») выпустила первый автоматический электрофотографический аппарат (модель 914), который сразу же приобрел широкую популярность.

За прошедшие 45 лет электрофотографический процесс стал наиболее распространенным способом изготовления копий: в настоящее время в мире ежедневно получают около четырех миллиардов электрофотографических копий. Кроме того, электрофотографические устройства активно внедряются и в смежные области: принтеры для ЭВМ, факсимильные аппараты, полиграфическое оборудование и другие. В настоящее время в мире ежегодно выпускается более 5 млн штук копировальных аппаратов (2.5 млн – Япония, 1.5 млн – США, 1 млн – остальные) и более 15 млн штук электрофотографических принтеров.

Схема классического электрофотографического процесса в наиболее распространенных аппаратах ротационного типа показана на рисунке 2-10 (раздаточный материал).

Фоточувствительным элементом является электрофотографический носитель информации, представляющий собой слой высокоомного полупроводника, нанесенный на цилиндрическую проводящую подложку – электрофотографический цилиндр (ЭФЦ). ЭФЦ вращается вокруг своей оси с постоянной скоростью. Все основные этапы электрофотографического процесса выполняются по окружности ЭФЦ.

Первоначально на поверхности ЭФЦ с помощью коротрона 1 наносится электростатический заряд (а). При этом в проходящем под коротроном полупроводнике формируется двойной электрический слой, образуемый осаждаемым поверхностным зарядом и возникающим в проводящей подложке зарядом экранирования.

На заряженный слой электрофотографического цилиндра с помощью оптической системы 2 проецируются в виде узкой полосы участки оригинала.

Благодаря согласованному движению проецируемых участков и ЭФЦ, проекция оригинала полностью переносится на полупроводниковый слой. На освещенных участках полупроводника вследствие фотопроводимости происходит разрядка двойного электрического слоя (б), в результате чего создается скрытое электростатическое изображение (потенциальный рельеф).

Электростатическое изображение проявляется (визуализируется) в камере 3 заряженными частицами красящего порошка (в). В зависимости от знаков зарядов, создающих электростатическое изображение, и зарядов частиц красящего порошка, на поверхности ЭФЦ создается позитивное (заряды разных знаков) или негативное (заряды одного знака) изображение.

Перенос проявленного изображения с ЭФЦ на несветочувствительную подложку 5 (бумагу, пластиковую пленку и другие материалы) осуществляется путем прижатия последней к поверхности ЭФЦ и создания между ней и ЭФЦ электрического поля (коротрон 7). Под действием поля заряженные частицы красящего порошка переходят на прижимаемую подложку (г).

Перенесенное на подложку изображение легко разрушается (смазывается) при незначительных механических воздействиях и поэтому нуждается в закреплении. Закрепление изображения осуществляется термическим или термосиловым методом (д) путем спекания частиц красящего порошка на подложке.

Операцией закрепления изображения заканчивается процесс изготовления электрофотографической копии. Однако электрофотографический цилиндр необходимо подготовить к следующему рабочему циклу: очистить его от остатков красящего порошка и убрать с его поверхности оставшиеся электрические заряды. Для облегчения очистки, с помощью коротрона 8 на ЭФЦ наносится отрицательный заряд, нейтрализующий оставшийся на поверхности ЭФЦ положительный заряд. После этого частицы красящего порошка удаляются с поверхности ЭФЦ вращающейся щеткой узла очистки 9 (е). Окончательное удаление остаточных зарядов с поверхности полупроводникового слоя ЭФЦ, сохранившихся после переноса изображения, а также возникших при перезарядке в процессе очистки, осуществляется за счет фотопроводимости при освещении поверхности ЭФЦ лампой 10 (ж).

После этого поверхность ЭФЦ готова к новому циклу записи информации.

Основными характеристиками копировальных электрофотографических аппаратов являются:

• производительность, или скорость копирования;

• гарантированный объем копирования (количество копий);

• оптическая плотность копий;

• размеры оригинала, копий и возможность изменения масштаба при копировании;

• массогабаритные и энергетические характеристики аппарата.

Большинство этих характеристик определяется фундаментальными свойствами полупроводниковых материалов, применяемых в электрофотографических носителях информации.

О двух основных и противоречивых требованиях к этим материалам мы уже говорили. Это требования высокой фоточувствительности в видимой области спектра и высокого удельного сопротивления. Противоречия между ними удалось решить, используя некристаллические полупроводники.

Среди других требований к полупроводниковым материалам для электрофотографических носителей информации необходимо отметить:

• механическую прочность;

• устойчивость некристаллического полупроводника к кристаллизации;

• стабильность свойств при воздействии сильных электрических полей, ионных токов коротронов, красящего порошка, что определяет тиражестойкость (количество копий) электрофотографического носителя;

• тенденция к уменьшению размеров электрофотографических аппаратов ведет к возрастанию тепловых нагрузок на носитель информации (вследствие ухудшения условий теплоотвода) и повышает требования к температурной стабильности электрофотографического носителя.

Исходя из перечисленных требований, можно назвать пять групп полупроводниковых материалов для электрофотографических носителей информации:

• поликристаллические полупроводники (оксид цинка) в диэлектрической связующей среде – хронологически первые материалы, сейчас не используются;

• стеклообразный селен и материалы на его основе;

• двух и многокомпонентные халькогенидные стеклообразные полупроводники;

• органические полупроводники;

• гидрогенизированный аморфный кремний и материалы на его основе.

К онструктивно электрофотографические носители подразделяются на носители на жесткой подложке (цилиндрические или плоские) и ленточные носители, выполненные на гибкой подложке. Во всех случаях электрофотографический слой включает в себя следующие, функционально различающиеся области: 5 (пассивирующий)

н епосредственно к проводящей подложке 1

п римыкает блокирующий слой 2, 4 (слой генерации)

п репятствующий инжекции носителей заряда