Оптоэлектронные приборы на основе нанокристаллических полупроводниковых (CdTe) АФН-пленок Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.382:530.93:365.2

Б.Х. Каримов, Н.Р. Рахимов*, Ш.Б. Каримов

СГГА*, Новосибирск

ФерПИ, Фергана

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ НА ОСНОВЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ (CDTE) АФН-ПЛЕНОК

B.Kh. Karimov, N.R Rakhimov*, Sh.B. Karimov Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)*

Fergana polytechnic institute (Fer PI)

10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

INVESTIGATION OF PHOTOELECTRIC PROPERTIES OF APV CDTE FILMS AND DEVELOPMENT OF OPTOELECTRONIC DEVICES ON THEIR BASIS

The photoelectrical properties of anomalous photovoltaic (APV) CdTe, films have been investigated. On the basis of these films the self-contained optical radiation receivers and photo electronic transformers for sensitive control of coordinates of moving objects have been developed.

Преобразования электрического сигнала в световой и светового сигнала в электрический осуществляются в оптоэлектронике на основе различных функциональных принципов. В излучателях, например, инжекционных светодиодах, лазерах, электролюминесцентных ячейках, свет генерируется за счет энергии электрического сигнала. В качестве приемника оптического излучения (ПОИ), главным образом применяются, полупроводниковые ПОИ. Полупроводниковые ПОИ уступают по отдельным параметрам фотоэлектронным ПОИ, но использование их в условиях производства предпочтительнее благодаря малым габаритам, высокой надежности и небольшим рабочим напряжениям.

К этому классу ПОИ относятся: фоторезисторы, фотодиоды,

фототранзисторы, фототиристоры, приборы с зарядовой связью (ПЗС), полупроводниковые болометры.

В этих ПОИ, электрический сигнал формируется не за счет энергии света, а в результате вызываемого световым сигналом перераспределения энергии от независимого источника электрического питания. Иначе говоря, излучатель представляет собой световой генератор с электрическим питанием, а фотоприемник - электрический ключ со световым управлением. Исходя из идеи дуальности электрических и оптических связей, естественно поставить задачу создания оптического ключа с электрическим управлением и электрического генератора со световым питанием. Такие элементы открывают новые функциональные возможности как при раздельном применении, так и в качестве компонентов оптронной пары [1-4].

Электрическими генераторами со световым питанием являются вентильные фотоэлементы, нанокристаллическая полупроводниковая плёнка

и пьезо-, пиро-, сегнетоэлектрические полупроводники создающие аномально большие фотонапряжения (АФН).

Однако, фотоэлемент не пригоден, для использования в качестве приемника света в оптоэлектронных устройствах, так как в вентильном режиме (в отличие от фотодиодного) р-п- переход мало чувствителен к свету. Напротив, нанокристаллическая полупроводниковая АФН-плёнка и пьезо-, пиро-, сегнетоэлектрические полупроводники, фотовольтаическая чувствительность которых высока, представляют собой перспективные для оптоэлектроники ПОИ автономного типа.

На базе нанокристаллической полупроводниковой АФН-плёнки и пьезо-, пиро-, сегнетоэлектрических полупроводников можно создать оптоэлектронный трансформатор напряжения.

Задача создания трансформатора напряжения, аналогичного по своим свойствам трансформатору с электромагнитной связью, то есть, сочетающего преобразование напряжения с электрической развязкой входа и выхода, не имеет решения в твердотельной электронике. Необходимость реализации этих функций привела к идее оптрона с прямой оптической связью, положившей начало развитию оптоэлектроники. Однако передача напряжения в оптроне осуществляется не путем непосредственной трансформации входного сигнала в выходной с помощью внутренних связей, а по релейному принципу. Напряжение, подаваемое во входную цепь, изменяет через канал оптической связи проводимость фотоприемника во вторичной цепи, работающего как реостат, управляемый светом. Поэтому для получения сигнала на выходе в выходной цепи оптрона должен находиться автономный источник питания.

В оптроне с прямой оптической связью, действующего на базе АФН-эффекта, нанокристаллических полупроводниковых плёнок и в пьезо-, пиро-, сегнетоэлектрических полупроводниках эта трудность снимается. Такой оптрон представляет собой оптоэлектронный трансформатор напряжения, функционально подобный трансформатору с электромагнитной связью. Входное напряжение (1-5В) определяется порогом свечения инжекционного полупроводникового излучателя. При освещении от инжекционных излучателей полупроводниковые плёнки и пьезо-, пиро-, сегнетоэлектрические полупроводники создают на выходе напряжение порядка 10-1000В. Поэтому рассматриваемая система работает как повышающий трансформатор, причем формирование сигнала на выходе происходит в результате непосредственной трансформации входного сигнала через оптическую связь, играющую здесь роль индуктивной связи в обычном трансформаторе.

Экспериментально, разработка оптоэлектронного трансформатора напряжение базировалась на наиболее эффективных существующих полупроводниковых инжекционных светодиодах - GaAs, GaP, GaAsxP1-x и GaхA11-x As и АФН- пленках [2].

Анализ характеристик АФН-плёнок с позиций спектрального согласования со светоизлучателями, быстродействия и величины

генерируемого фотонапряжения приводит к заключению, что наиболее подходящими являются плёнки теллурида кадмия с разными примесями, селенида кадмия и трёхселенистой сурьмы.

В качестве фотоприемников для оптоэлектронных трансформаторов напряжения показывают хорошее спектральное согласование оптронных пар GaP- CdTe и GaAs - Sb2Se3.

Для реальных условий работы оптоэлектронного трансформатора напряжения необходимо определить значения УАФН, создаваемые АФН-фотоприёмниками при импульсном возбуждении в режиме холостого хода.

АФН эффект в нанокристаллических полупроводниковых плёнках и пьезо-, пиро-, сегнетоэлектрических полупроводник может быть применен как новый тип элементов - фотовольтаических преобразователей энергии.

КПД преобразования световой энергии в электрическую на основе фотовольтаического эффекта пока низок (0,1%). Однако, нанокристаллическая полупроводниковая АФН-плёнка и пьезо-, пиро-, сегнетоэлектрические полупроводники могут использоваться для генерации опорных напряжений низкой мощности. При этом спектральная чувствительность этих элементов варьируется в широкой области: от вакуумной ультрафиолетовой до красной видимой области.

Имеются возможности применения этих процессов в бессеребряной фотографии и в видиконах в качестве источника сигнала.

Таким образом, исследование рабочих характеристик излучателей на основе полупроводниковых соединений GaAs, GaSb, InSb, PbS, PbTe, PbSe, GaAs:Zn, GaAs:Fe, GaP:N, GaAs:Te, InAs, ZnS и получение фоточувствительных АФН-пленок (приемников) на основе CdSe, CdTe, CdTe:Ag, Sb2Se3 представляет научный и практический интерес. Их освоение связано с исследованием физико-технологических основ АФН-пленок, изучением особенностей протекающих в них физических процессов и разработкой на базе найденных новых технических решений многофункциональных систем неразрушающего контроля (мониторинга) физико-химических, эксплуатационных и потребительских параметров веществ, материалов и конструкций.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рахимов, Н.Р. АФН-пленки и их применение / Н.Р. Рахимов, А.Н. Серьёзнов. -Новосибирск: СибНИА, 2005. - 64 с.

2. Рахимов, Н.Р. / Н.Р. Рахимов, Л.К. Мамадалиева // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. -2004. - Т. 47, № 8. - С. 53-56.

3. Пат. РУз 1АР 02610. Способ получения фотогенераторов / Рахимов Н.Р., Касымахунова А.М., Усманов Ш.Ю.; заявл. 25.02.2003.

4. Фридкин, В.М. Фотосегнетоэлектрики / В.М. Фридкин. - М.: «Наука», 1979. - 264 с.

5. Адирович, Э.И. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроника. -Ташкент: Фан, 1972.

© Б.Х. Каримов, Н.Р. Рахимов, Ш.Б. Каримов, 2008