Исследование параметров электрофотографических носителей изображения на основе некристаллических полупроводников (Описания лабораторных и мануал к типовому расчету)

УДК537В-756Министерство общего и профессиональногообразования Российской Федерации_____________________Московский энергетический институт(технический университет)В. А. Воронцов, В. А. Лигачев, А. И. ПоповЛабораторная работапо курсуФизика и технология приборов на основенекристаллических полупроводниковИсследование параметров электрофотографических носителей изображенияна основе некристаллическихполупроводниковМоскваиздательство МЭИ1999УДК537http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsВ-756УДК:537.311.322:77(076.5)Подготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru2Утверждено учебным управлением МЭИПодготовлено на кафедре Физики и технологии электротехническихматериалов и компонентовВоронцов В.А., Лигачев В.А., Попов А.И.Исследование параметров электрофотографических носителейизображения на основе некристаллических полупроводников.Под ред. А.И.

Попова - М.: издательство МЭИ, 1999, 15 С.Описана методика выполнения лабораторной работы по экспериментальному исследованию и расчету основных характеристикпромежуточных носителей заряда на основе аморфного полупроводникового материала для электрофотографии. Предназначено длястудентов специальности 2001.Учебное изданиеВоронцов Владимир АнатольевичЛигачев Валерий АлексеевичПопов Анатолий ИгоревичИсследование параметров электрофотографических носителейизображения на основе некристаллических полупроводниковЛабораторная работа по курсу“Физика и технология приборов на основенекристаллических полупроводников”Корректор Е.Н.КасьяноваЛР № 020528 от 05.06.97Темплан издания МЭИ 1999(2) метод.

Подписано к печати 10.02.99Формат бумаги 60х84/16 Физ печ. л. 1.5 Тираж 50 Изд № 7Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная, д. 14 Московский энергетический институт, 1999http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru3МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯНекристаллические полупроводники широко применяются вразличных типах устройств для записи, обработки и тиражированияоптической информации. Наибольшее распространение в настоящеевремя получил электрофотографический (ксерокс) процесс, в котором изображение первоначально записывается в виде потенциального рельефа на поверхности или в объеме так называемого промежуточного носителя информации (изображения).Промежуточный носитель изображения представляет собойслой высокоомного некристаллического полупроводника на проводящем основании.

Поверхность этого слоя заражается до некоторого начального потенциала с помощью коронного заряда (рис.1а).Затем на заряженную поверхность проецируется регистрируемоеизображение, создающее за счет фотопроводимости к концу периода экспозиции потенциальный рельеф − скрытое электростатическое изображение (рис. 1б). Визуализация скрытого изображенияпроводится с помощью заряженного красящего порошка (рис. 1в).Затем полученное изображение переносится на бумагу (рис. 1г) изакрепляется силовым или термосиловым методом (рис. 1д).Заключительные стадии процесса − очистка слоя от остатковкрасящего порошка (рис.

1е) и электрических зарядов (рис 1ж). После этого носитель готов к новому циклу записи информации. Вэлектрофотографических аппаратах слой фоточувствительного полупроводника, как правило, наносится на цилиндрическую металлическую подложку − электрофотографический цилиндр (ЭФЦ),вращающийся вокруг своей оси с постоянной скоростью, а все основные этапы электрофотографического процесса выполняются поокружности ЭФЦ.Из сказанного следует, что слой некристаллического полупроводника должен обладать высокой фоточувствительностью в видимой области спектра (для создания во время экспозиции необходимого потенциального рельефа) и высоким удельным сопротивлением (более 1012 Ом⋅см) для сохранения созданного потенциального рельефа во время визуализации.Указанные требования весьма жестки и противоречивы. Действительно электропроводность и, следовательно, удельное сопротивление полупроводника определяется концентрацией и подвижностью заряда:σ=1= q ⋅ n ⋅ µn + q ⋅ p ⋅ µ p ,ρ(1)http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А.

Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru4где q − заряд электрона; n, p, µn и µp − концентрации электронов идырок и их подвижности соответственно.Рис. 1. Основные этапы электрофотографического процесса:а − зарядка; б − экспозиция; в − визуализация; г − перенос изображения на бумагу; д − закрепление; е − очистка; ж − разрядка.1 − полупроводниковый слой; 2 − металлическая подложка; 3 − коронатор; 4 − высоковольтный источник; 5 − блок проявления; 6 −бумага; 7 − блок закрепления; 8 − блок очистки; 9 − лампа разрядки.В свою очередь минимальная концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике зависит от ширины его запрещенной зоны:ni = pi = A ⋅ e− ∆E2 kT,(2)где ∆Е − ширина запрещенной зоны; k − постоянная Больцмана, T− температура.Таким образом для увеличения удельного сопротивления необходимо выбирать полупроводники с большой шириной запрещенной зоны.

С другой стороны известно, что максимум фоточувствительности полупроводника наблюдается при взаимодействии сизлучением с энергией квантов близкой к ширине запрещенной зоны. Поскольку видимая область спектра лежит в диапазоне длинволн 0,4 − 0,8 мкм, то для обеспечения фоточувствительности вкрасной области спектра ширина запрещенной зоны должна состав-http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsлять 1,7 − 1,9 эВ (λ =Подготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru51,234) . Однако традиционные кристаллические∆Eполупроводники при таких значениях ширины запрещенной зоныне обеспечивают необходимого удельного сопротивления. Это противоречие удалось решить, используя некристаллические полупроводники, обладающие при той же ширине запрещенной зоны болеевысоким (на четыре − пять порядков) удельным сопротивлением засчет меньшей подвижности носителей заряда.Зависимость потенциала поверхности полупроводниковогослоя от времени на различных стадиях фотографического процессаизображена на рис.

2. Основные параметры электрофотографического носителя (см. рис. 2):!"предельный потенциал зарядки слоя UПР − максимальныйпотенциал, до которого возможна зарядка слоя;!"скорость спада потенциала в темноте (dU)Tdt− скоростьуменьшения потенциала заряженного слоя при отсутствииэкспозиции за счет собственной электропроводности материала;!"время полуспада потенциала в темноте t1/2 − время, за которое начальный потенциал зарядки при отсутствии экспозиции в два раза;!"световая скорость спада потенциала (dU) C − скорость измеdtнения потенциала поверхности слоя за счет фотопроводимости материала;!"остаточный потенциал UОСТ − потенциал освещенных участков слоя после экспозиции;!"электростатический контраст ∆U − разность потенциалов наосвещенных и неосвещенных участках слоя после экспозиции;!"рабочая экспозиция − величина экспозиции (лк⋅с), необходимая для достижения заданного электростатического контраста;!"электрофотографическая чувствительность − величина обратная рабочей экспозиции (лк-1 ⋅ с-1).Световые характеристики электрофотографических слоев могут определяться как при экспозиции интегральным (белым) светом, так ипри экспозиции излучением с определенной длинной волны.http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А.

Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru6Рис. 2. Зависимость потенциала полупроводникового слояот времениОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИДля исследования кинетики зарядки, темнового и световогоспадов потенциала электрофотографических полупроводниковыхслоев используется стенд для измерения параметров электрофотографических цилиндров (рис. 3), работающий совместно с ПЭВМ.Стенд выполнен в виде конструктивно законченного устройства настольного типа и состоит из двух неразъемных модулей, установленных один над другим (рис.

3). В нижней части стенда (блокеэлектроавтоматики) расположены электрические блоки:1питания БП;2синхронизации БС;3контроллера БК.В верхней части стенда (оптико-механическом блоке):1узел фиксации и возвращения ЭФЦ;2устройство измерения;3механизм перемещения устройства экспонирования;4плата электрометра;5узел электризации;6высоковольтные источники питания;7узел засветки;8светонепроницаемый кожух.http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А.

Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru7Рис. 3. Стенд для измерения параметров электрофотографическихцилиндров1 − оптико-механический блок; 2 − блок электроавтоматики;3 − блок питания; 4 − блок синхронизации; 5 − блок контроллера.Рис. 4. Схема устройства измерения1 − электрофотографический цилиндр; 2 − электризатор (коротрон);3 − осветитель; 4 − узел засветки; 5 − датчик электрометра; 6 − держатель светофильтров; 7 − объектив; 8 − оптическая щель.Привод вращение электрофотографических цилиндров обеспечивает линейную скорость вращения ЭФЦ равную 0,12 м/с для цилиндров с диаметром 30, 60 и 84 мм.

Соответствующее изменениескорости вращения для ЭФЦ различного диаметра осуществляется спомощью переключателя на блоке БС. Диэлектрическая изоляциядержателей ЭФЦ (относительно корпуса) позволяет обеспечитьвозможность измерения тока зарядки ЭФЦ, для чего система измерения тока подключается при помощи подпружиненной графитовойщетки к левому держателю ЭФЦ, (см.