Диссертация (1097819), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Дифференциальный показатель наклона ( =ℎ ( )1ℎ ( ) )является функцией напряжения, длины волны света и частотымодуляции светового потока. Показатель m остается практически постояннымпри небольших напряжениях, приложенных к барьеру в запорном направлении, и в интервалах длин волн 0.62 ÷ 0.85 мкм в барьерах −, − 2 и0.62 ÷ 0.7 мкм в барьерах −, − 2 .
Заметное изменение и рост домаксимального значения происходят при стремлении к длине волны, соответствующей порогу фотоэффекта в соответствии с формулой (3.3). В структурах скоэффициентами неидеальности > 1.2 величина m больше, чем в структурахс , близкими к единице. Это обстоятельство указывает на необходимость учета токов через поверхностные электронные состояния контакта (ПЭСК).
Какпоказано в [180], фототоки электронов и дырок изменяются с приложенным напряжением к барьеру из — за изменения концентрации электронов на ПЭСК.В поверхностно — барьерных структурах на , при фотоэлектроннойэмиссии электронов из металла в полупроводник фототок увеличивается привключении обратного смещения из — за понижения величины барьера [181]. Висследуемых контактах зависимость фототока от приложенного к барьеру напряжения кроме этого связывается с влиянием электрического поля барьерана перенос заряда и заполнением ПЭСК. Понижение потенциального барьера197силами изображения оказывает влияние на фототок в припороговой областиспектра. Из результатов наших измерений следует, что с увеличением обратного смещения и температуры величина потенциального барьера уменьшается.Во всех исследуемых структурах в области спектра 0.62 ÷ 40 мкм отсутствуютособенности в спектральных зависимостях фототока, связанные с примеснымпоглощением.
В [170, 182] в спектрах люминесценции и фотопроводимости дифосфида кадмия — типа были обнаружены полосы при энергиях 0.72, 0.86 и0.96 эВ, связанные с переходами между уровнями энергий собственных дефектов кристалла и зонами, 0.86 и 1.15 эВ — связанные с внедренной примесью .Отсутствие ярко выраженных особенностей в спектральных зависимостях фототока, обусловленных примесным поглощением, может быть объяснено малыми значениями коэффициента поглощения в примесной области ( < 10 см−1 )и выполнением соотношения ≪ 1, т.к.
ширина области пространственного заряда (ОПЗ) в исследуемых барьерах, в которой формируется фототок,составляет 3 ÷ 6 · 10−6 см (при нулевом смещении). Фототок в области спектра 0.62 ÷ 1.5 мкм в связи с этим связывается с фотоэлектронной эмиссиейиз металла в полупроводник. Однотипный характер спектральных зависимостей при энергиях фотонов ~ ≫ для структур с величинами барьеров > /2 и < /2 в большей степени соответствует предложенной интерпретации спектров. Однако отклонения от закона Фаулера (3.3), в указанныхвыше спектральных интервалах, могут быть связаны с примесным поглощением. В барьерах − квадратичная зависимость фототока от энергиифотонов сохраняется в интервале энергий < ~ < [183].
С влиянием примесного поглощения может быть связана меньшая величина барьера для структуры − 2 , полученная из фотоэлектрических измерений, по сравнению свеличинами из электрических измерений и из зависимости высоты барьера отработы выхода металла в структурах металл — 2 [154].Спектральная характеристика фототока в области длин волн < 0.62 мкм вструктурах со всеми используемыми нами металлами имеет качественно одинаковый характер (рис. 3.17).
Фототок исследуемых структур при энергиях фотонов, близких к ширине запрещенной зоны и больших ее ( = 1.98 эВ при198300 К [66]), обусловлен генерацией неравновесных носителей заряда в полупроводнике. Рост фототока при длинах волн < 0.47 мкм обусловлен вышерасположенным межзонным переходом [168]. Приложенное обратное смещениеувеличивает фототок, а характер зависимостей фототока от напряжения определяется длиной волны падающего на структуру излучения, параметрами барьера, границы раздела и частотой модуляции света.Как следует из полученных результатов, фототокзависит от приложенногонапряжения при выполнении как условия ≪ 1,так и при условии ≫1. Показатель наклона вузком интервале длин волн0.62 ÷ 0.59 мкм увеличивается до максимальных значений ∼ 2 − 3 и затемуменьшается.
Наибольшееизменение величины фото- − 2 в0.4 < < 0.6 мкм при напряжениях , B: 1 -−3,2 - −1, 3 - −0.6, 4 - 0.Рисунок 3.17: Спектральные характеристики барьераобласти длин волнтока от напряжения соответствует одновременному влиянию на фототок электрического поля и ширины ОПЗ от напряжения.В ходе исследований обнаружен разброс значений в структурах с одним итем же контактирующим металлом и отличие в значениях на разных металлах: 0.15 · · · 0.18, 0.25 · · · 0.30, 0.5 . . . 0.7 в структурах − 2 , − 2 , − 2 соответственно на длине волны = 0.641 мкм.На рис. 3.18(а) показаны частотные характеристики фототока структур −2 при освещении светом с разными длинами волн.
Характер частотнойзависимости фототока в структурах с другими металлами не содержит принципиальных отличий. В области частот = 10 ÷ 103 Гц фототок остается постоянным. При дальнейшем увеличении частоты модуляции интенсивности светафототок изменяется в соответствии с зависимостью ℎ ∼ − . Показатель сте-199 − 2 при освещении светом с длинами волн0.635(14), 4 — 0.517(0.05). В скобках указаны мощностиРисунок 3.18: Частотные зависимости фототока барьера,мкм: 1 —0.465(0.86),2 —0.401(0.26),3 —2излучения в мВт/см . a — экспериментальные данные, b — расчет по формуле (3.6).Рисунок 3.19: Частотные зависимости фототока барьера = 0.401мкм и при напряжениях,B: 1 —0,2 —−0.4, − 2 на длине волны источника света−0.8.
a — экспериментальные данные, b —3 —расчет по формуле (3.6).пени изменяется в пределах от единицы до двух. Его значение зависит отпараметров структуры и характеристик полупроводника и светового сигнала.Граничная частота , начиная с которой происходит спад частотной характеристики фототока не зависит от приложенного обратного смещения, интенсивности света, рода контактирующего металла и незначительно изменяетсяс температурой. Физическая интерпретация частоты может быть связана собратным значением эффективной постоянной времени , характеризующейскорости рекомбинации на границе ОПЗ и области квазинейтральности и награнице металла с полупроводником. Амплитуда фототока растет на всех частотах модуляции света с увеличением энергии падающих на структуру фотонов.200Рисунок 3.20: Частотные зависимости фототока барьера = 0.465мкм и при температурах,К: 1 –283,2 —296, − 2 на длине волны источника света315, 4 — 350.
a — экспериментальные данные,3 —b — расчет по формуле (3.6).На длинах волн света, на которых коэффициент поглощения света кристаллом < 4 см−1 , спад фототока при больших частотах модуляции света происходитбыстрее. Фототок на всех частотах с ростом напряжения увеличивается, а частота не изменяется.
Величина остается постоянной в интервале частот10 ÷ 2 · 104 Гц. При дальнейшем увеличении частоты растет.С ростом температуры величина фототока в области низких частот уменьшается. При этом граничная частота незначительно увеличивается.При значительном увеличении сопротивления происходит нарушениеусловий [184]:( + + ) ·√︁2 + ()2 < 1, < 1,(3.4)где — активная составляющая полной проводимости ОПЗ, — реактивнаясоставляющая барьера, — сопротивление объема полупроводника, — сопротивление области квазинейтральности, — сопротивление нагрузки, —емкость на входе измерительной системы, = 2 — круговая частота, —частота измерительного сигнала.Это приводит к уменьшению частоты и изменению частотной зависимости фототока на высоких частотах. Можно предположить, что к нарушениюусловия (3.4) может привести значительная величина сопротивления областиквазинейтральности .
Теоретические расчеты в данном случае невозмож-201ны [180]. Значения , , используемые в расчетах, определены экспериментально из электрических и фотоэлектрических измерений. Сопротивление областиквазинейтральности из этих измерений составляет 1 · · · 5 и не зависит от интенсивности и длины волны падающего на образец света.Внутреннее сопротивление контактов металл — 2 определено по нагрузочным характеристикам ℎ (ℎ ) = (ℎ ) этих структур при изменении величины нагрузочного сопротивления, интенсивности, частоты модуляции интенсивности и длины волны света падающего на структуру.В области низких частот < 300 Гц величина фототока сохраняется постоянной при изменении в пределах 100 ÷ 5 · 105 Ом.
Внутреннее сопротивлениене зависит от интенсивности и длины волны светового потока и уменьшаетсяна частотах выше нескольких сотен герц 560 ÷ 440 Гц. При изменении частотыот 1 до 200 кГц сопротивление изменяется от 104 до 0.03 кОм.В физической модели структуры для расчета фототока барьера предположено, что генерация фототока светом происходит в ОПЗ, области квазинейтральности и в области смежной с ней на расстоянии диффузионной длины.
Полноесопротивление структуры при ее освещении светом не может быть полученоаналитически, на основе которого можно было бы составить эквивалентнуюсхему замещения структуры. Исследования зависимости от частоты модуляции света при различных условиях эксперимента подтверждают возможностьприменения в приведенных выше расчетах эквивалентной схемы замещения исследуемых структур, представленной в [184]. По — видимому, это возможно из— за незначительного вклада в фототок неравновесных носителей заряда, генерируемых светом в области квазинейтральности.Теоретическая интерпретации полученных экспериментальных результатовпроведена в предположении, что величина фототока мала.
При этом распределение дырок описывается уравнением неразрывности и не нарушается протекающим током. В расчетах учитывается поверхностная рекомбинация неравновесных носителей заряда и скорости перезарядки уровней на границе ОПЗс областью квазинейтральности и полупроводника с металлом. Аналитическоерешение задачи в общем случае получить невозможно. Поэтому мы допускаем,202что в ОПЗ на генерированные светом носители заряда действует эффективное электрическое поле , которое определяется линеаризацией координатнойзависимости потенциала в ОПЗ: = (1 − /2 ),(3.5)где — максимальное поле барьера, — диффузионная длина неосновныхносителей заряда.Нами получено следующие выражение для плотности фототока при генерации неравновестных носителей заряда светом из области фундаментальногопоглощения [185, 186]:ℎ = [( + (− + )/2)( − ) + ((− + )/2 − )( − )++ ( − )( − )] /( − )−− (1 + ) [( + (− + )/2) + ((− + )/2 − )] , (3.6)где — заряд электрона, — скорость поверхностной рекомбинации, — подвижность дырок, — коэффициент диффузии дырок, = −[( + (− +)/2) + ][(− + )/2] , = [( + )/2 − − ][(− − )/2)] , = [( − )(1 − 2 ) − 1 + 2 ]( ), 1 = −/(2 − +(1 + )/ ), 2 = −/(2 + (1 + )/ ), = [(1 + )/ ]1/2, = [( )2 + 4(1 + )/ )]1/2, = /, — эффективная постояннаявремени, определяющая скорость генерационно—рекомбинационных процессовна границах ОПЗ, — время жизни неравновесных носителей заряда в ОПЗ, — скорость оптической генерации неравновесных носителей заряда на границеполупроводника с металлом.Измеряемая и теоретически рассчитанная по формуле (3.6) величины плотности фототока связаны соотношением:ℎ =ℎ,1 + ( + + )) + ( + + )(3.7)(см.
эквивалентную схему замещения барьера Шоттки [184]).Теоретические зависимости плотности фототока от частоты, напряжениясмещения и температуры представлены на рис.3.18 — 3.21. В расчетах использо-203вались значения коэффициента поглощения в глубине области фундаментального поглощения и времени жизни неравновесных носителей заряда из работы [182], подвижности неравновесных дырок из работы [170] и приняты следующие значения параметров полупроводника и структуры: = 1.2 · 102 cм−2 с−1 , = 2.7·10−5 с, = 3·10−8 с, = 10 см2 В−1 с−1 , при которых получено наилучшее согласие с экспериментом.
Другие параметры, необходимые и используемыев расчетах, получены из электрических характеристик исследуемых структури кристаллов 2 [26, 60, 187–190].Спад частотной зависимости фототока в исследуемом интервале температури полей определяется в основном эффективной постоянной времени , имеющей близкие значения к постоянной времени обмена электронами донорныхцентров с зоной проводимости [60].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
