Нестационарный фотомагнитный эффект в многослойных структурах с p–n-переходами ? Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ФИЗИКА ТВЁРДОГО ТЕЛА

УДК 539.534.9

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ФОТОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ С р-п-ПЕРЕХОДАМИ

© 2013 г. В.Н. Агарев, В.И. Стафеев

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

ett@phys.unn.ru

Посбупила в редакцию 22.01.2013

Рассмотрен нестационарный эффект фотомагнитного напряжения, возникающий в многослойной структуре с предварительно заряженными р-и-переходами. Показано, что максимальное нестационарное фотомагнитное напряжение может на несколько порядков превышать стационарное значение.

Ключевые слова: долговременная релаксация, фотомагнитное напряжение, многослойные структуры с р-и-переходами.

Эффекты аномального фотонапряжения (АФН) и аномального фотомагнитного напряжения (АФМ) в поликристаллических пленках PbS, CdTe и других известны давно [1]. Для объяснения этих эффектов используются модели многослойных структур с р-и-переходами (МС) [1-4] либо структур с межкристаллитны-ми барьерами [5, 6]. Поскольку большие значения аномального фотонапряжения и фотомаг-нитного напряжения представляют интерес для создания фотовольтаических приборов, то были созданы и исследованы планарные МС на основе эпитаксиальных пленок PdS на изолирующих подложках [7]. Количество р-и-переходов в них достигало 40, а минимальный период МС был 0.9 мм. В настоящее время планарная технология позволяет уменьшить размеры отдельных ри и-областей до нескольких микрометров, что сравнимо с размерами кристаллитов в поликри-сталлических пленках. При этом для осуществления АФН-эффекта потребуется дополнительное маскирование р-и-переходов через один, а АФМ-эффект будет возникать и в немаскированных МС.

Мы рассмотрим планарную МС на изолирующей подложке. Размеры р- и и-областей пусть равны толщине МС. Параметры р- и и-областей примем для простоты одинаковыми. Максимальное стационарное фотомагнитное напряжение на многослойной структуре с 2т р-и-переходами при больших уровнях освещения, когда токи световой генерации существенно превышают токи тепловой генерации, согласно [8] будет:

V,, = 2т—- цВ, (1)

е %

где ц - подвижность носителей заряда, В - магнитная индукция. При выводе формулы (1) предполагалось, что а>^-1 и L<<d, где а - коэффициент поглощения, L - длина диффузионного смещения, d - размер кристаллита.

Долговременная релаксация в МС определяется перезарядом барьерных емкостей р-и-переходов [9]. Если на МС подано большое внешнее напряжение (много больше 2ткТ/е), то, в основном, напряжение будет падать на обратно смещенных р-и-переходах. При этом заряд, запасенный на их емкостях, существенно превышает заряд на емкостях прямо смещенных р-и-переходов. Если концы МС после этого закоротить, то протекающим током смещения емкости р-и-переходов перезаряжаются за короткое время таким образом, что на всех р-и-переходах устанавливаются обратные смещения. Далее разряд барьерных емкостей определяется токами, текущими через обратно смещенные р-и-переходы, поэтому время разряда на много порядков превышает время жизни неравновесных носителей заряда [9]. Если в процессе релаксации токи соседних р-и-переходов различны по величине (например, из-за неоднородной засветки р-и-переходов или из-за градиента температуры вдоль МС), то в процессе релаксации барьерные емкости разряжаются с разной скоростью, и на МС возникает нестационарное напряжение, величина которого зависит от первоначального заряда барьерных емкостей и разности токов разряда сосед-

них р-и-переходов [10, 11]. Величина максимального нестационарного напряжения может достигать значений порядка тф, где ф - контактная разность потенциалов между р- и и-областями, то есть порядка 103 - 104 В/см.

Рассмотрим МС с предварительно заряженными емкостями р-и-переходов в режиме холостого хода. Пусть заряд, запасенный в и-облас-ти, составляет Q(0)>>Q0, где Q0 - равновесный заряд ионизованных доноров в слоях объемного заряда в и-области. В произвольный момент времени заряд на барьерных емкостях в и-области между7-м и (/+1)-м р-и-переходами равен:

Q(t) = QJ а) + QJ+1а) =

=QrJl+

V- (t)

+fJ1+

V+l(t)

dt

dQ/+l

dt

= -I - I - I = -I ,

1s 1f fm 1j,

= -1 - I + I =-I

1s f fm 1j+1'

(4)

(5)

Q02

(7+1)-м р-и-переходами Q(tmax)=Q(0)/2. Поскольку Q(0)>>Q0, то напряжения V, ¥7+\ при t=tmax остаются отрицательными и по абсолютной величине много больше кТ/е, так что токи 71, I действительно можно считать постоянными. Тогда максимальное фотонапряжение будет:

Vmax = тФ

^Q(0)v Г

0У

л

Ij- Ij+1 V Ij + Ij+1 У

(7)

При If >>Is и цВ<<1, то есть Ifm<< If, для максимального фотомагнитного напряжения получим:

(

Vmax = тФ

(2)

Q(0)

Q

Л2 ГI Л

0У

fm

V If I

V f У

= mф

Г Q(0)Л Q

0У

2цВ

(8)

ф 2 \ ф где V/, ^-+1 - напряжения на 7-м и (/+1)-м р-п-переходах.

Если теперь концы МС разомкнуты, то в режиме холостого хода полное напряжение на МС будет:

V = т(\V/! - \У^\). (3)

При освещении МС в поперечном магнитном поле изменение заряда на барьерных емкостях происходит под действием токов тепловой и световой генерации I , ^, а также фотомагнитного тока 1т [8]:

Отношение Ifm / If = 2цВ/п согласно [8].

Максимальное значение нестационарного фотомагнитного напряжения (8) существенно превышает стационарное фотомагнитное напряжение (1):

V

ЄФ

V 2kT

Г Q(0)Л

>> 1.

0У

(9)

10,

Токи 1^ 1^ определяются диффузией неравновесных носителей заряда в квазинейтральных областях. Поэтому до тех пор пока V, ^7+1 отрицательны и превышают по абсолютной величине кТ/е, токи ^ и 1т можно считать постоянными, так как концентрация неравновесных дырок на границах с р-п-переходами р(0), р(<3) <<ри, где ри -равновесная концентрация дырок в и-области. Если тепловая генерация дырок происходит также преимущественно в квазинейтральных областях, то 1$ также можно считать постоянным. Когда в процессе релаксации отрицательные напряжения V, ^7+1 уменьшаются до значений порядка кТ/е или становятся положительными, токи 17+1,I будут зависеть от времени.

Решая совместно уравнения (2)-(5), при условии постоянства токов 1+1 , I], получим полное напряжение на МС:

V(t) = ^ р 2(! 2+1 -12) - tQ(0)(17+1 -17)] . (6)

Максимальное фотонапряжение достигается при t=tmax=Q(0)/2(I^■ +17+1). При этом заряд на барьерных емкостях в и-области между 7-м и

Для CdTe еф/2кТ ~ 30, при (Q(0)/Q() согласно (9) Гтах/Г0 ~ 300.

Таким образом, в МС с предварительно заряженными барьерными емкостями р-п-переходов возможен нестационарный фотомагнитный эффект, во много раз превышающий стационарное значение. Рассмотренный эффект может представлять большой интерес для создания чувствительных датчиков магнитного поля, так как обычный стационарный эффект в АФН-пленках [8] уже превышает по чувствительности к магнитному полю датчики Холла на порядок.

Список литературы

1. Адирович Э.И. // УФН. 1971. Т. 105. С. 746-748.

2. Адирович Э.И., Рубинов В.М., Юабов Ю.М. // ДАН СССР. 1965. Т. 164. С. 529.

3. Набиев Г.А. // ФИП PSE. 2008. Т. 6. Вып. 3-4. С. 202-209.

4. Агарев В.Н., Степанова Н.А. // ФТП. 2000. Т. 34. № 4. С. 452-455.

5. Атакулов Ш.Б., Зайнолобидинова С.М., Набиев Г.А., Тухтаматов О.А. // ФТП. 2012. Т. 46. Вып. 6. С. 728-733.

6. Атакулов Ш.Б., Зайнолобидинова С.М., Набиев Г.А., Тухтаматов О.А. // ФТП. 2012. Т. 46. Вып. 6. С. 734-738.

7. Батукова Л.М., Карпович И.А., Янькова Т.Н. // Известия вузов. Физика. 1974. № 1. С. 53-56.

8. Адирович Э.И., Мастов Э.М., Юабов Ю.М. // ДАН СССР. 1969. Т. 188. С. 1254.

9. Стафеев В.И. // ФТП. 1972. Т. 6. С. 2134-2139.

10. Агарев В.Н. // Письма в ЖТФ. 1977. Т. 3. Вып. 13. С. 626-628.

11. Агарев В.Н. // ФТП. 1997. Т. 31. № 8. С. 920 - 922.

2

п

2

TRANSIENT PHOTOMAGNETIC EFFECT IN MULTILAYER STRUCTURES WITH p-n JUNCTIONS

V.N. Agarev, V.I. Stafeev

The transient effect of photomagnetic voltage in a multilayer structure with pre-charged p-n junctions is considered. It is shown that the maximum transient photomagnetic voltage can be several orders of magnitude greater than the stationary one.

Keywords: long-time relaxation, photomagnetic voltage, multilayer structures with p-n junctions.