CC BY
18
05.14.00. ЭНЕРГЕТИКА
05.14.01. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ЯВЛЕНИЙ В АФН-СТРУКТУРАХ С ИЗОВАЛЕНТНЫМИ ПРИМЕСЯМИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ
Касимахунова Анархан Мамасадиковна, д-р техн. наук, профессор Ферганского политехнического института, Узбекистан, Фергана. E-mail: [email protected]
Найманбаев Рахмонали, канд. техн. наук, доцент Ферганского политехнического института, Узбекистан, Фергана. E-mail: [email protected]
МамадалиеваЛола Камилджановна, канд. техн. наук, доцент Ферганского политехнического института, Узбекистан, Фергана. E-mail: [email protected]
Нурдинова Разияхон Абдихаликовна, докторант Ферганского политехнического института, Узбекистан, Фергана. E-mail: [email protected]
Олимов Шоирбек Абдукоххорович, докторант Северного Китайского университета энергетики, КНР, Пекин. E-mail: [email protected]
Аннотация. В данной работе представлено полупроводниковые пленки, легированные изовалентными примесями с аномально большим фотоэлектрический эффектом. Представлено АФН-фотоприемник автономного типа со стабильными параметрами и хорошими деградационными характеристиками и в результате разработаны оптоэлектронные измерительные трансформаторы напряжения (ОИТН) и тока (ОИТТ).
Ключевые слова: аномальное фотонапряжение (АФН), фотоприемники, электрооптические и магнитооптические явления АФН-структурах, фотоэлектретное состояние.
IVESTIGATING OF SOME CHARACTERISTICS OF AN APT-STRUCTURE WITH ISOVALENT IMPURITIES IN ORDER TO CREATE DEVICES FOR MEASURING AND NON-DESTRUCTIVE CONTROLLING
Kasimakhunova Anarkhan М., Doctor of Technical Sciences, professor of Fergana Polytechnic Institute, Fergana, Uzbekistan
Naymanbayev Raxmanali, candidate of technical sciences, associate professor of Fergana Polytechnic Institute, Fergana, Uzbekistan
Маmаdаliyeva Lola H., candidate of technical sciences, associate professor of Fergana Polytechnic Institute, Fergana, Uzbekistan
Nurdinova Raziyaxon А., doctoral candidate of Fergana Polytechnic Institute, Fergana, Uzbekistan
OlimovShoirbekА., doctoral candidate of Northern China University of Energy,The People's Republic of China, Beijing
Abstract. This paper presents semiconductor films doped with isovalent impurities with an anomalously large photoelectric effect. An APT-photodetector of autonomous type with stable parameters and good degradation characteristics is presented and as a result optoelectronic voltage measuring transformers (OVMT) and current (OCMT) have been developed.
Keywords: abnormal photo tension(APT), photodetectors, electrooptical and magneto-optical phenomena, APT-structures, photoelectric state.
ИССЛЕДОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ЯВЛЕНИЙ В АФН-СТРУКТУРАХ С ИЗОВАЛЕНТНЫМИ ПРИМЕСЯМИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ
Касимахунова А.М., Найманбаев Р., Мамадалиева Л.К., Нурдинова Р.А., Олимов Ш.А.
Введение. Аномальный фотомагнитный эффект
Эффект разделения неравновесных носителей заряда в поле р-л-перехода позволяет ожидать, что в полупроводниковых структурах, состоящих из большого числа последовательно расположенных р-л-переходов суммарное действие этих переходов должно вызывать такие же явления какие обычно создает внешнее электрическое поле. Между тем, АФН-пленки представляют собой цепочку из многих тысяч микроскопических р-л-переходов (порядка 105 ни 1 см длины пленки). Естественно было ожидать, что фотомагнитный эффект в таких пленках будет на несколько порядков превышать обычной [1]. Подобная теория фотомагнитного эффекта в р-л-переходе была развита Равичем [2]. Отметив, что при освещении двух соседних р-л-переходов фотоволь-таические эффекты вычитаются, а фотомагнитные складываются, Равич высказал идею о возможности значительного усиления фотомагнитного напряжения в многослойной структуре, состоящей из большого числа последовательно расположенных р-л-переходов.
Как следует из литературных данных [3, 4] фотомагнитный эффект в системах с большими числом р-л-переходов экспериментально изучался на АФН-пленках CdTe и Sb2Se3. С целью стабилизации параметров, для улучшения дегра-дационных характеристик и повышения фотовольтаичности АФН-пленок, нами получены новые АФН-элементы, легированных изовалентными примесями. Исследование фотомагнитных свойств этих пленок показали, что эрстед-вольтовые характеристики линейны в широком интервале напряженно-стей магнитного поля Н = 20 Э до Н = 80кЭ. Эксперименты проводились при освещении как белым, так и монохроматическим светом. Рассчитана универсальная физическая модель АФН-пленок с фотовольтаическим механизмом АФН-эффек-та. На основе развитой теории показано, что малые по сравнению с Ы(кТ/д) значения напряжений АФН-эффекта, наблюдаемые в эксперименте, обусловлены не шунтирующим действием фотовольтаически неактивного объема пленки, а значительно взаимной компенсацией фотонапряжений, генерируемых на р-л- и л-р-переходах. Сопоставление результатов расчета с совокупностью экспериментальных данных исследований АФН- и ФМЭ-эффектов доказывает правильность предложенной универсальной модели АФН-пленок. Проведены оценки параметров исследованных образцов. На основе результатов проведенных исследований показана принципиальная возможность создания высокочувствительных микроминиатюрных, оптоэлектронных магнитометров. Показаны преимущества такого ФМЭ-датчика магнитного поля: автономность, т.е. возможность работы без источника электрического питания, нечувствительность к изменениям освещенности в широком интервале за счет быстрого выхода ЛВХ на насыщение, большой динамический диапазон измеряемых значений напряженности магнитного поля (20-80 кЭ), отсутствие необходимости термостатирования прибора из-за слабой температурной зависимости фотомагнитного напряжения, возможность измерения топографии магнитных полей. Конструктивные изменения регистрирующей части ФМЭ-датчика позволяют сдвинуть верхнюю границу измеряемого магнитного поля порядка до 105 Э.
Электрооптические явления
Под действием электрического поля кристаллы диэлектриков (полупроводников) изменяют свои оптические свойства и, в частности, показатели преломления [5].
Характеризовать изменения показателей преломления принято не непосредственно, а через изменения поляризационных констант, а являющихся квадратами обратных величин показателей преломления.
1
В некоторых кристаллах изменения (приращения) поляризационных констант оказываются пропорциональными первой степени электрического поля (поляризации). В этом случае говорят, что кристалл обладает линейным электрооптическим эффектом. Все кристаллы диэлектриков (полупроводников), в принципе, должны обладать квадратичным электрооптическим эффектом, т.е. обладать свойством получать приращения поляризационных констант, пропорциональные квадрату электрического поля (поляризации).
Дл = сР2; Дл = Д(ле - л0),
где Р - полная поляризация; с - коэффициент пропорциональности.
Электрооптический эффект относится к нелинейным оптическим явлениям, оно связано с зависимостью коэффициента преломления среды от напряженности электрического поля. Оно возникает в результате нелинейной зависимости поляризации среды от электрического поля.
Известно, что в АФН-пленках наблюдается оптическая анизотропность и неоднородность по кристаллической структуре и по составу, поэтому естественно ожидать на АФН-структурах нелинейные оптические явления [6]. По соображениям симметрии все кристаллы, не имеющие центра симметрии должны обладать электрооптическими свойствами, в том числе АФН-структуры. Оптическая система для исследования электрооптического эффекта в АФН-струк-турах состоит из поляризатора 1, анализатора 2, компенсатора 3, и линзы 4 (рис. 1).
ФП
Рис. 1. Оптическая система для наблюдения электрооптического эффекта в АФН-структурах
Образец 6 помещается между скрещенными плоскими поляризаторами 1, 2. Через такую систему пропускается параллельный или сходящийся пучок монохроматических лучей 5, регистрируемой фотоприемником (ФП).
Исследование электрооптических свойств, сводится к определению изменения поляризационных констант кристалла под действием электрического поля (поляризация). Изменения поляризационных констант можно рассчитать по приращениям показателей преломления Дл (который непосредственно связан с электрическими коэффициентами). Подобные изменения, как правило, производятся в плоско-поляризованном свете, путем фотоэлектрического измерения, изменяющегося интенсивность света, пропускаемого системой при наложении на образец 6 электрического поля. При этом электрооптический коэффициент можно рассчитать по величине напряжения, необходимого для получения разности хода, равной Л/2, по углу компенсации двупрелом-ления [5, 6].
а
При наложении и изменении величины электрического поля интенсивность пропускаемого света будет изменятся. Свет, пропускаемой системой в отсутствии поля, может быть погашен при помощи введенного в систему компенсатора 3 двупреломления. Зависимость интенсивности монохроматического света на выходе установки от электрического выражается формулой
J = sin2
X
где Л - длина волны; п0 - обыкновенный показатель преломления; V - напряжение на образце, т.е. аномальное фотонапряжение; г - электрооптический коэффициент. Из формулы следует, что интенсивность будет максимальной (} = 1)при напряжении V, обеспечивающим разность хода Л/2, т.е. при условии
_
По приведенной формуле, пропуская через образец монохроматический свет разных длин волн и измеряя соответствующие напряжения, необходимые для получения разности хода Л/2, можно определить электрооптический коэффициент и его дисперсию. Электрооптический коэффициент, также можно определить по углу компенсации, т.е. по углу, на который необходимо повернуть анализатор 2, чтобы скомпенсировать (привести к минимуму) интенсивность света, полученную при данном фотонапряжении на образце (АФН-элементе). Угол компенсации ф зависит линейно от величины фотонапряжения (^ФН) на образце
Ф =
rijnoп X
V>,
Это дает возможность определить гц при любом ^ФН на образце.
Магнитооптические явления на АФН-структурах
Экспериментально было найдено, что магнитное поле, приложенное в направлении распространения света, вызывает поворот плоскости поляризации при прохождении плоскополяризованного монохроматического излучения через АФН-структуры [7]. При изменении направления поля и поворота также изменяется и при изменении направления пучка, так что многократно отражая излучения внутрь образца, можно значительно увеличить угол полного поворота плоскости поляризации.
Общее объяснение этого эффекта состоит в следующем. Можно считать, что в данном образце плоская волна состоит из двух волн, поляризованных по кругу в противоположных направлениях. В присутствии магнитного поля эти волны распространяются с различными скоростями, причем одна из них движется быстрее, а другая медленнее, чем в отсутствии поля. Согласно эффекту Фарадея при больших монохроматических волнах угол поворота прямо пропорционален индукции магнитного поля В:
1
а _- АВ, 2
где угол а выражен в радианах. Здесь
ац
= Мец.
Исходя из этого соотношения можно предположить, что в образцах с большими значениями подвижности (ц) и при больших длинах волн угол поворота может быть довольно значителен. Кроме того, показатель преломления сильно зависит от положения плоскости поляризации. При освещении с изменением проводимости (а) наблюдалось изменение диэлектрической постоянной (s = n2). Экспериментальные исследования показывают, что в кристаллах ZnS и CdS наблюдается спонтанное изменение двойного лучепреломления (Дп), при больших магнитных полях. Поэтому положение края полосы поглощения будет несколько различным для света, поляризованного параллельно и перпендикулярно. Экспериментально определяя угол поворота (а) можно находить индукцию магнитного поля, при этом АФН-структура служит в качестве магнитооптического преобразователя.
Для измерения магнитного поля, АФН-магнито-оптиче-ский преобразователь помещают непосредственно поблизости к источнику магнитного поля, например высоковольтная цепь. Магнитное поле цепи действует на вектор поляризации монохроматического света. Поляризованный монохроматический луч, проходя через оптическую ячейку, и далее на измерительной головке с помощью фотоприемника преобразуется в электрический сигнал. Измеряя угол поворота плоскости поляризации (соответствующий к выходному электрическому сигналу) света можно определить индукцию магнитного поля или силу тока в цепи, если преобразователь поместить в магнитное поле измеряемого тока.
Экспериментальное изучение магнитооптических свойств АФН-структуры может представлять двоякий интерес: при известной эффективной массе
, Be m = —
<вс
по измеренным значениям угла поворота плоскости поляризации а может быть определена концентрация носителей N, либо соотношение концентрации тяжелых и легких дырок и, наоборот, если известна концентрация носителей, то можно найти значение эффективной массы (m*).
Фотоэлектретное состояние в АФН-структурах
Образование фотоэлектрета складывается из трех процессов:
1) генерация свободных носителей в высокоомном полупроводнике;
2) пространственное разделение электронов и дырок;
3) закрепление пространственно разделенных носителей на достаточно глубоких локальных уровнях.
Первые два процесса осуществляются в результате воздействия внешних факторов- света и электрического поля. Третий обусловлен наличием в образце центров прилипания. В СМС-структуре с микро-р-п-переходами фотоэлектрет может быть создан как при совместном действии света и поляризующего поля, так и без внешнего поля, в результате одного лишь освещения. В последнем случае роль внешнего поляризующего поля играют внутренние фотоэлектростатические поля АФН-структур[8].
Нами разработана технология изготовления фотоэлектретов без внешнего поляризующего поля на АФН-пленках CdTe и Sb2Se3 с изовалентными примесями (Cu, Ag, Au, Al, Ga, Zn, O, As, Sb, Bi), создающие глубокие уровни, что является необходимым условием образования фотоэлектретного состояния в полупроводнике. Фотоэлектреты, изготовленные
A
ИССЛЕДОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ЯВЛЕНИЙ В АФН-СТРУКТУРАХ С ИЗОВАЛЕНТНЫМИ ПРИМЕСЯМИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ
Касимахунова А.М., Найманбаев Р., Мамадалиева Л.К., Нурдинова Р.А., Олимов Ш.А.
по разработанной технологии в отличии от известных, поляризуются при отсутствии внешних электрических полей. Их фотополяризацию можно осуществить как при разомкнутом, так и при замкнутом положениях электродов. Делается вывод о том, что в механизме поляризации и релаксации фотоэлектретного состояния пленочных фотоэлектретов основную роль играют не равновесие носителей заряда, а захваченные глубокими центрами прилипания в областях объемного заряда. Нами также показаны возможности практического использования автономно работающих управляемых фотоэлектретных АФН-структур в оптоэлектронике, в качестве элементов памяти в запоминающих устройствах.
АФН-эффект в сегнетоэлектриках
Из литературных данных известно, что первоначальные исследования по АФН-эффекту начались с однородных монокристаллических сегнетоэлекритов [9, 10]. Согласно [9], возможны две причины возникновения АФН-эффекта:
1) фотовольтаический эффект;
2) переходные фототоки.
Фотовольтаический эффект состоит в том, что при однородном освещении однодоменного монокристалла сег-нетоэлектрита, в нем протекает стационарный фотоволь-таический ток, который может быть связан с асимметрией распределения потенциала примесных центров. Благодаря этой асимметрии при фотовозбуждении примесного центра происходит асимметричный выброс электронов в зону проводимости, что и вызывает стационарный ток. Асимметричное распределение потенциала рассматриваемых центров приводит также к их перемещению в случае их ионизации. Этот механизм также дает свой вклад в стационарный фотовольтаический ток.
Исследовано, что АФН-эффект в сегнетоэлектриках может быть связан не только со стационарным фотовольтаиче-ским током, но и с переходными фототоками. Согласно [9], переходные фототоки могут возникать за счет экранирования спонтанной поляризации неравновесными носителями и за счет влияния неравновесными носителями на величину спонтанной поляризации. Однако природа этого переходного фототока неясна.
Заключение
Получен и исследован аномально большой фотоэлектрический эффект в полупроводниковых пленках, легированных изовалентными примесями. С помощью специально
разработанной технологии получена из сложных полупроводниковых оптико-соединений анизотропная и неоднородная (по структуре и по составу) АФН-пленка.
Получен АФН-фотоприемник автономного типа со стабильными параметрами и хорошими деградационными характеристиками. С помощью АФН-фотоприемников можно получить очень большие фотоэлектростатические поля с напряженностью порядка 105 В/см и больше. Такие сильные поля применяются успешно в квантовой электронике (например, как источник высокого напряжения в цепях сортирующей системы молекулярного генератора), а также в робототехнике как стимулятор электроадгезионных микрозахватов.
Используя электрооптические и магнитооптические свойства АФН-элементов, разрабатываются оптоэлектрон-ные измерительные трансформаторы напряжения (ОИТН) и тока (ОИТТ). Оптоэлектронные трансформаторы напряжения (ОТН) имеют коэффициент трансформации порядка 1000. АФН-элементы могут служить в качестве первичных преобразователей информации, например, электрических, оптических, неэлектрических величин. Поэтому на основе АФН-элементов, разрабатываются различные приборы и устройства для неразрущающего контроля и измерения.
Вследствие большого сопротивления АФН-элементов (например, порядка 10п-1014 Ом) приборы на АФН-элементах могут работать только на высокоомную нагрузку. Возможности решения, совместимые с требованиями микроминиатюризации, открывают МОП-транзисторы и другие полупроводниковые приборы с изолированным затвором (например, совместно МОП-транзистором АФН-элемент может работать как элемент памяти в запоминающих устройствах).
Литература
1. Равич Ю.И. ФТТ, 1962. 4, № 9. С. 2411.
2. Равич Ю.И. Фотомагнитный эффект полупроводниках и его применение. М.: Советское радио, 1967.
3. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектро-ника / под. ред. Э.И. Адировича. Ташкент: ФАН, 1972. С. 143-229.
4. Найманбоев Р. Изв. АН УзССР. Сер.: Физ.-мат. науки. № 6.
5. Каримов Б.Х. Известия Томского политехнического университета, 2009. Т. 314, № 2.
6. Касимахунова А.М., Нурдинова Р.А. АФН-элементы с двойным лучепреломлением // Uzbek Jornal of Physics, 2017. Vol. 19, № 5. Рр. 302-306.
7. Материалы II Международной конференции «Оптические явления в полупроводниковых микро- и наноструктурах». Фергана, 8-9 сентября 2011 г. С. 179.
8. Эргашев Ж. Изв. АН УзССР. Сер.: Физ.-мат. науки, 1978. № 2. С. 60.
9. Фридкин В.М. Фотосегнетоэлектрики. М.: Наука, 1979.
