Диссертация (Методы управления фотоэлектрическими параметрами фоторезисторов на основе PbS для импульсных оптикоэлектронных систем), страница 8

Идеальный ФП работает в режиме ограничения фоном (ОФ или BLIP –background limited infrared photo detector), то есть шум его определяется флуктуациямифонового излучения. Это понятие ввели Бурштейн (E. Burstein) и Пикус (G.S. Picus) [158]:37D* ОФ Этосоотношениедляmax =2,5maxhc  2 N Фмкм,f=2,кГц(1.24)даетзначение1∙1011Вт-1∙см∙Гц0,5.Применительно к пленкам PbS корректнее было бы определить предельное Dmax , исходяиз предельно малой концентрации термогенерированных носителей при Т=300 К, а не измощности флуктуации фона.Для идеального детектора частотный спектр шума был бы идентичен сигналу иличувствительности и, следовательно, обнаружительная способность не имела бы зависимость отчастоты [159].Спектральные зависимости чувствительности PbS изучены Моссом и Сканлоном [33, 153,154, 160].Спектральная характеристика S   , вольтовая чувствительность Su, обнаружительнаяспособность D*, постоянная времени релаксацию фотопроводимости  , и темновоесопротивление ФР RТ относятся к паспортным параметрам, сложнее обстоит дело с частотнойхарактеристикой шума ФП, влияющей на значение D*(f).Весьма характерно [11], что при различных внутренних сопротивлениях фоторезисторовхарактер их спектральных зависимостей чувствительности остается один и тот же при равнойтолщине полупроводникового слоя.

При уменьшении толщины полупроводникового слоя, какбыло сказано выше, максимум чувствительности несколько смещается в сторону коротких длинволн и, наоборот, с увеличением толщины слоя этот максимум смещается в сторону длинныхволн.Спектральные зависимости стандартных и сильно окисленных пленок, полученныххимическим осаждением, согласно [20], аналогичны друг другу и, в то же время, отличаются отзависимостей для неокисленной пленки. Окисленные материалы сохраняют свой отклик вплотьдо высоких энергий фотонов, а отклик неокисленных пленок спадает с ростом энергии фотонов.Локальные изменения потенциального барьера между кристаллитами, возникающие из-запроизвольного распределения примесей, и, предположительно, влияют на форму спектра.Изменения потенциала приводят к появлению “хвостов” в запрещенной зоне и, таким образом,уменьшают пороговую энергию поглощения.

Несоответствие спектральной характеристикитеории может также означать, что ширина запрещенной зоны материала увеличилась подвлиянием кислорода.38Фотопроводимость увеличивается благодаря разделению носителей на центрах захвата,вызванных вариациями потенциала, и, следовательно, время жизни уменьшится с увеличениемэнергии возбуждения фотона. Важным результатом, по мнению Джонсона (T.H. Johnson,) [20],является то, что величина коэффициента поглощения почти не зависит от использованияокислителя, в то время как величина фотоотклика зависит. Главные различия в характеристикахдетекторов на пленках трех типов (неокисленные, стандартно окисленные и сильноокисленные), по всей видимости, объясняются в терминах изменения времени жизнисвободных носителей [98].

Это не согласуется с моделью фотопроводимости, которая основанана чувствительных центрах, присутствующих только в окисленных материалах.В этой связи в работе [20] отмечено, что очень тонкие пленки стандартного материаладают значения D*, сравнимые с теми, которые можно было бы ожидать масштабированиемболее толстых пленок.

Эти тонкие пленки были настолько тонки, что островки, образованныеотдельными зернами, привели к высокому сопротивлению пленки.Гашение фотопроводимости при повышенных температурах, отмеченная в [20], отвечаетэнергияактивации0,23эВ.Еслиинтерпретироватьэтирезультатывтерминахсенсибилизирующих центров, то они должны находиться приблизительно на 0,23 эВ ниже дназоны проводимости. Именно это значение связывается с энергетическими центрами захвата,образованных при сенсабилизации структур (введении кислорода).Из трех типов пленок (по степени окисленности) стандартная наименее всегочувствительна к поглощению кислорода; более тонкие пленки, то есть из одного или двухпокрытий, более чувствительны к поглощению кислороду, чем четырехслойные пленки и.наконец, неокисленный материал не может быть сделан чувствительным как абсорбцией, так идесорбцией кислорода [20].По данным Мосса [153] время, необходимое для первичного процесса – поглощенияфотона – весьма мало, около 10-14 с.

Однако хотя образование свободных носителей начинаетсянемедленно, проходит некоторое время, прежде чем избыточная концентрация носителейдостигает стационарного значения, соответствующего максимальному сигналу для данногозначения облученности.Установлено, что образование токового сигнала и его исчезновение по выключенииосвещения представляют собой простые экспоненциальные процессы с единственнымзначением постоянной времени τ, хотя иногда обнаруживаются и два различных значенияпостоянной времени [161].39Используя статистику Шокли-Рида, Земел и Варела (J.O. Varela) [127] для химическиосажденных пленок с малой концентрацией носителей установили, что лимитирующей стадиейрекомбинации является захват дырок на рекомбинационных центрах.Характеристики так называемых оптимальных приемников совпадают достаточно хорошоу образцов, изготовленных различными фирмами [3, 76, 157].

Обычно приводятся следующиезначения для ФР: D* при рабочих температурах 295, 193 и 77 К и угле поля зрения 60осоставляет (0,8…1,5)∙1011, (4…6)∙1011, (1,5…2,5)∙1011 см∙Гц1/2/Вт при теоретическом значенииD*max =5,8∙1012 Вт-1∙см∙Гц1/2; SVmax =(1…400)∙104 В/Вт;max =2,4 мкм; постоянная времени равна0,1…0,5 мс при комнатной и несколько миллисекунд при более низких температурах [31].Параметры этих фотосопротивлений далеки от идеальных, а сами приборы работают не врежиме ограничения фоном.Если исключить компоненту избыточных шумов и определить концентрацию свободныхносителей тока как термоионизованную, то можно рассчитать D* при создании ФР намонокристаллических пленках при их достигнутых параметрах (τ, р, Ƞ(λ)) и сравнить с«идеальным»фотоприемникомдляданногодиапазонадлинволнИКизлучения,ограничивающего его D* только флуктуациями фонового излучения.1.4.1.

Время релаксации и время жизни носителей токаКакбылосказановпервомразделе,переходотмонокристаллическихкполикристаллическим слоям (кроме экономической составляющей) был определен именновозможностью получения необходимого времени жизни основных носителей заряда. Времярелаксации фотопроводимости (время жизни дырок с концентрацией р1) в монокристаллах PbSопределяться оже-рекомбинацией носителей: р12    (2÷3)∙1027сечении рекомбинациисм-6∙с при эффективном =1,5∙10-35 см2, согласно работе [78], что не позволяет на основе этихмонокристаллов получать ФП, пригодные для реальных ОЭС.Р.

Петриц в работе [60] показал, что все основные характеристики ФР связаны с временемрелаксации фотопроводимости (временем жизни носителей). Исходя из выраженияdp p g,dt(1.25)Чувствительность фоторезисторов, согласно (1.12), (1.13) и (1.17), определяетсяследующим образом:Sf ~SU0    ,~22 0  ФЭ   p  d  1   1   2 2(1.26)40где d – толщина слоя.Наосноверассмотренияпроцессарекомбинацииможнопоказать,чтофоточувствительность прямо пропорциональна времени сохранения изменения проводимости[162-164].Напряжение ГРШ при малых концентрациях свободных электронов, согласно (1.26) иработе [60]:U шГР   2  dp0,5U ФР.1   2 2(1.27)Тогда удельная обнаружительная способность:D*  0,5dp f 1 2  Аэфф 12(1.28)В формулах (1.26)÷(1.28) большое значение играет общий множитель –  d  p  , где τ –время жизни основных носителей; р – концентрация основных носителей, d – толщинафоточувствительного слоя.Таким образом, согласно выражению (1.28) для увеличения D * необходимо увеличиватьτ, а для улучшения частотных свойств – уменьшать, т.е.

необходимо технологическимиметодами оптимизировать характеристики ФР. Отсутствие связи между  и D возможно из-за*наличия у ФР избыточного шума.Связь пороговой чувствительности со временем жизни широко обсуждалась в литературе.Джонс (R.C. Jones) [159] на основе исследований МакАлистера предложил в качестве мерыкачества охлаждаемых и неохлаждаемых фотоэлементов связь между чувствительностью ипостоянной времени:   Фп =15, где τ – постоянная времени в микросекундах. Фп , выражено вмикроваттах. Однако по другим данным в физических фоторезисторах   Фп =47 по данным[24];  Фп =12,6 по данным [10]; в химических   Фп =115 по данным [10]. По другим данным[157; 162, 163, 164] экспериментально подтверждено, что пороговая чувствительность обратнопропорциональна постоянной времени.Естественно, что τ определяет частотные (инерционные) свойства ФР и, следовательно,всей ОЭС в целом, поэтому ее роль крайне велика.На постоянную времени огромное влияние оказывают ловушки захвата.

Следуя моделям,рассмотренным Роузом (A. Rose) [162] и С.М. Рывкиным [42], и используя только один уровеньприлипания с концентрацией Nt, можно записать уравнение непрерывности для электронов,находящихся в зоне проводимости:41nnnnn G   Rзах Rвоз G    n  n  N t  nt    n  nt  N Cttnn(1.29)И для электронов, захваченных ловушками:nt  n  n  N t  nt    p  nt  N Ct ,t(1.30)где G  g  d  a  l – объемная скорость генерации электронов в зону проводимости, Nt –концентрация уровней прилипания (ловушек), nt – число занятых ловушек, Nt  nt  – числосвободных ловушек,  n – коэффициент захвата неравновесных дырок ловушками, эффективнаяплотность состояний, приведенная к уровню ловушек определяется выражением: E  Et N Сt  N С  exp   С.kT (1.31)В этом случае приращение избыточной проводимости будет определяться следующимобразом:  q  p  p  (1  b  bM )где b   np(1.32)N  N  Nt, M  1  t   Сt 1 постоянная релаксация фотопроводимостиN Сt N Сt растет согласно выражению:  ф  M   .1.5.