CC BY
6Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
Перспективы применения элементов с аномальными фотовольтаическими напряжениями
Нурдинова Разияхон Абдихаликовна,
доктор философии по техническим наукам, Ферганский филиал Ташкентского университета информационных технологий имени Мухаммада аль-Хорезми e-mail: [email protected]
Аннотация: В данной работе проведены результаты экспериментальных исследований АФН-эффекта. Сформулировано и определено природа микропроцессов, приводящих к возникновению аномально высоких фотоэлектрических напряжений(АФН-эффект). Проведены исследования энергетических параметров АФН-пленок.
I Ключевые слова: аномальное фотонапряжение (АФН), вольт-амперные характеристики, люкс-вольтовые характеристики, спектры фотонапряжения.
Введение. Изучение фотоэлектрических эффектов и модификации технологии получения тонко-пленочных структур с эффектом аномального фотовольтаического напряжения (АФН) является актуальным вопросом науки и техники в области физики полупроводников. Для этого нужно проводить целенаправленное исследование в следующих направлениях:
1. Усовершенствования технологию получения элементов аномального фотонапряжения из полупроводниковых структур CuInSe2;
2. Управление выходными параметрами и воспроизводимостью фоточувствительности образцов диселенида меди и индия;
3. Изучение влияния изовалентных примесей и внешних условий на эффект аномального фотонапряжения (АФН);
4. Влияние поляризованного света на проявление АФН -эффекта в магнитном поле;
5. Разработка устройства получения АФН пленок с дополнительными примесями методом вакуумного напыления.
В этом плане выполнены ряд научных исследований. Например, в работе японских ученых Takahashi M., Nakai J. приведена технология получения плёнки из
полупроводникового материала Ge, в вакууме 10-5 мм. рт. ст. со скоростью испарения 100 мкм /с. В результате установили, что с увеличением угла напыления увеличивается фотонапряжение и приобретает максимальные значения при углах
60°, но увеличение толщины пленок в интервале от 0,02 до 0,2 мкм приводить к снижению фотонапряжения.
В нашей Республике в направление получение тонких пленок с аномальными фотонапряжениями нужно отметить работы ученых под руководством Э.И. Адировича. Они получили плёнки германия и изучали их свойства. Напыление пленок толщиной 0,1 мкм проводили под углом 45-60 градус при температуре подложки 200-400°С. При комнатной температуре значения АФН составляли 100 В. К настоящему времени в направлении изучения новых аспектов применения АФН пленок на основе сульфида кадмия проводятся профессором С.Отажоновым.[1]
Несмотря на широкое изучение АФН-элементов, остаются неизученными вопросы фотоэлектрических, фотомагнитных, магнитооптических и других свойств пленок с эффектом аномального фотовольтаического напряжения.
Нами получены АФН-пленки из различных полупроводниковых материалов с шириной и узкой запрещенной зоной используя метод вакуумного испарения [2,4].
Технологический режим получения АФН-пленок зависит от большого числа параметров, таких как температура испарителя и подложки, угол напыления, толщина пленки, состав и давление остаточных газов в вакуумной камере, условия термической обработки пленок после напыления. При этом каждому
полупроводниковому материалу соответствует свой оптимальный режим и часто небольшие отклонения от него даже по одному параметров
104
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
приводят к исчезновению АФН-эффекта в изготовляемых пленках. Поэтому разработка технологии получения АФН-пленок из того или иного материала требует проведения большой экспериментальной работы, большого количества пробных напыления при последовательном варьировании нескольких технологических параметров, их сочетаний и нахождения параметров, специфичных для получения АФН-эффекта на пленках из данного полупроводникового материала.
Также исследован АФН-эффект в пленках и кристаллах полученных легированным с изовалентными примесями и обладающих с эффектом двойного лучепреломления.[]
С этой цели разработаны специальная методика и установка для получения АФН-пленок из различных полупроводниковых материалов, которая описана в [7]. Разработанная методика и соответствующая ему установка вполне обеспечивает в пленке неоднородность по структуре и по составу. При освещении неоднородного поликристаллического
полупроводника может возникать вентиляция фото-ЭДС, на барьерах разного типа. Например, в пленках CdTe, CdSe, ZnS и др. наблюдается так называемый АФН-эффект, состоящий в возникновении аномально высоких
фотонапряжений, превышающих ширину запрещенной зоны соответствующего
полупроводника. Оказывается, что АФН-пленка представляет собой сложную супер многослойной (СМС) систему, состоящую из большого числа микрофотоэлементов(~105 см-1 и более), каждый из которых связан с какой-либо структурной особенностью пленки-микронеровностями,
наличием межкристаллических прослоек или зерен, границ блоков и т.д. Кроме вентильной фото-ЭДС, эффект может обусловливаться диффузионной (демберовской) фото-ЭДС, в объеме микрокристалла. В неоднородных СМС структурах фото-ЭДС преимущественно определяется межкристаллитным веществом. По величине фото-ЭДС и фотопроводимости можно определять подвижность носителей заряда. Поликристаллические и аморфные АФН-пленки (Sb2S3 и Sb2Se3 ) могут иметь весьма высокие эффективное объемное удельное сопротивление (например, (~1010^ 1011 Ом *см) и низкую подвижность носителей заряда. Это связано с
наличием кристаллических включений в аморфной фазе, где локализуются микрогетеропереходы [8]
В результате выполненных исследований АФН-эффект был нами впервые обнаружен в селенид меди и индия, теллурид кадмий с изовалентными примесями(Си, Ag и Au), германий и кремний (Л!, Ga и !п), и в некоторых эквимолекулярных составов (РЬБе Б^Зеэ или РЬБ 8Ь28е4). В качестве подложки использованы полированные стеклянные, керамические и сегнетоэлектрические пластины. Установлено, что АФН-пленки получаются только при косом напылении на подложку. Между испарителем и подложками в вакуумной камере была установлена шторка, перемещаемая с помощью электромагнитного привода параллельно поверхности источника. Изменяя скорость перемещения шторки и наклон подложки по отношению к оси молекулярного пучка, можно было независимо управлять угловой анизотропией напыления и градиентом толщины пленок, получая, в частности, пленки постоянной толщины при наклонном напылении и клинообразные пленки при напылении по нормали. Пленки обоих типов были нами получены на всех исследованных полупроводниковых материалах. Из
экспериментальных результатов следует, что АФН-пленки образуются только в однородном и при анизотропном напылении независимо от наличии или отсутствии градиента толщины. Исследования кристаллической структуры показали, что один из факторов возникновения АФН-эффекта, является неоднородность по структуре и по составу. Кроме, того в АФН-пленках фотодиффузионном и так при фотовольтаическом механизме выполняется
уафн = Г(Б, Яс),
т.е. АФН-эффект может возникать только в высокоомных пленках, В-интенсивность падающего света; Яс - темновое сопротивление пленки.
С целью определения области применения и технические возможности АФН-эффекта мы проводили исследования фотоэлектрических, магнитоэлектрических и фотоэлектретных свойств, вновь полученных нами АФН-пленках и АФН-элементах на основе сегнетоэлектритовп [8]
В рамках фотоэлектрических исследований проведено экспериментальные и теоретические исследование вольтамперных (ВАХ), люкс-
105
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
вольтовых (ЛВХ) и спектральных (СХ) характеристик АФН-пленках. [7]
Вольт-амперные характеристики
Основываясь предложенной в работах [1-5] модели АФН-пленки теллурида кадмия, и учитывая сложность структуры, неоднородность по структуре и по составу других АФН-пленках, обобщая результатов в [6] получено ВАХ в общем виде [7]. Темновые ВАХ для рассмотренной модели представлены на рис.1.
С целью обнаружения на ВАХ участков предсказываемых теорией были проведены экспериментальные исследование ВАХ на различных АФН-пленках (Рис.2) Темновые ВАХ линейны до значений Е=5 *103В/см, при более сильных полях вплоть до пробойных (Е=5*105В/см) - сверхлинейны. Линейный участок ВАХ в начале координат зависит от степени шунтирования микро^^-переходов. После линейного участка ВАХ имеет сверхлинейную область. Однако, согласно теории когда между переходами смещенных в прямом направлении и смещенным в обратном направлении происходит эффект переноса инжектированных носителей (а= 1), переходы взаимосвязанные на ВАХ после сверхлинейного участка должна наблюдатся снова линейный участок, который не удалось обнаружить в эксперименте (Рис.2).
Физический смысл суперлинейности ВАХ состоит в том, что пока рекомбинационные потери инжекционного тока в p-n-областях составляют малую долю тока насыщения единичного перехода.
I
V
1 - № » I
2,3 -W « L
Рис.1 Вольт-амперная характеристики для взаимосвязанных (а=1) невзаимосвязанных (а=0) СМС с p-n-переходам. а -коффициент переноса; W-толщина квазинейтральных областей
переходов; L-длина диффузии; Ryr - сопротивление утечек электронно-дырочных переходов; Rш-сопротивление фотошунта
Рис.2 Типичные темновые
экспериментальные вольт-амперные
характеристики АФН-пленок тройных сплавов CuInSe2: а) ВАХ при больших электрических полях: и=0; 2^=2*104 лк. б) ВАХ при слабых электрических полях В=0
Поэтому практически все прикладываемое к переходам напряжение падает на эмиттерах. При достаточно больших токах основную роль начинает играть обратно смещенные p-n-переходы. ВАХ становится сублинейной. На экспериментальной ВАХ переход от
106
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
сверхлинейного участка к сублинейному не обнаружена.
При освещении образцов ВАХ спрямляется и при высоких освещенностях интенсивности света, становится линейной.
Спрямление ВАХ при больших освещенностях света связано, по-видимому, с уменьшением дифференциального сопротивления обратно смещенных переходов и падения напряжения на последовательном сопротивлении.
Люкс-вольтовые характеристики
Важнейшей характеристикой АФН-эффекта является зависимость фотонапряжения от интенсивности света. Исследование ЛВХ производилось путем ослабления падающего светового потока нейтральными светофильтрами, фотонапряжения измерялось электростатическими вольтметрами С-50, С-96 и электрометром В2-5. Типичные ЛВХ АФН-пленок приведены на рис.3.
Люкс-вольтовые характеристики образцов АФН-пленок легированных изовалентными примесями не проходят через нуль системы координат, это означает, что в данных образцах имеется темновое электретное напряжение. Это напряжение появляется в процессе наклонного напыления пленок, при отсутствии поляризующего электрического поля. Интересно, что полярность электретное напряжение может совпадать с полярностью генерируемого этой пленкой аномально-большого напряжения и может быть противоположной. У некоторых образцов фотонапряжения равно нулю, в то время, электретное напряжения отлично от нуля. Опыты по нагреву пленок в вакууме до температуры 1000С также не привели к исчезновению электретного напряжения.
Рис.3 Люкс-вольтовые характеристики АФН-пленок: 1-германий; 2-кремний; 3-арсенид галий; 4-теллурид кадмия
Люкс-вольтовые характеристики
халькогенидов при комнатной температуре линейны вплоть до интенсивности света В=0,35
Вт/см2. При температуре жидкого азота линейность ЛВХ сохраняется лишь до интенсивностей возбуждения В<2^10"2 ВТ/см2. Существенно, что при 770К фотонапряжение резко возрастает в области малых интенсивностей света и уже при В=10-6 ВТ/см2 достигает значений порядка 1В, а дальнейшее увеличение интенсивности возбуждения приводит к росту аномального фотонапряжения вплоть до нескольких десятков тысяч вольт, причем насыщение не наблюдается до В=0,35 Вт/см2.
Спектры фотонапряжения
Результаты измерений спектров аномального фотонапряжения CdTe, Si, Ge, GaAs, Se, GaP и халькогенидных сплавов показали, что АФН-эффект вызывается светом из области собственного поглощения. Типичные спектры АФН-пленок нормированные к единице падающей на пленку энергии света, приведены на рис.4. Наряду с приведенными ЛВХ в пленках различных веществ наблюдается спектральные зависимости с инверсией знака фотонапряжения (см. например рис.4).
В рамках спектральных исследований были сняты полярные диаграммы (зависимость фотонапряжения от угла освещения АФН-пленок монохроматическим светом), они дают возможность однозначно определить приходу возникновения АФН в микрофотоэлементах. Отсутствие инверсии знака на полярных диаграммах, позволяет сделать однозначный вывод о фотовольтаическом ф-^переходом) механизме АФН-эффекта (рис.5), если полярных диаграммах наблюдается инверсия в области коротких монохроматических волн (вблизи угла напыления пленки), то говорим о диффузионном (Демберском) механизме эффекта.
Таким образом, комбинация полярных (угловых) и спектральных измерений дает однозначный ответ на вопрос о природе микрофотоэлементов в АФН-пленках.
Заключение
Разработан и исследован аномально большой фотоэлектрический эффект в полупроводниковых пленках легированных изовалентными примесями.
Используя электрооптических и
магнитооптических свойств АФН-элементов
107
Muhammad al-Xorazmiy nomidagi TATU Farg'ona filiali "Al-Farg'oniy avlodlari" elektron ilmiy jurnali ISSN 2181-4252 Tom: 1 | Son: 4 | 2023-yil
"Descendants of Al-Farghani" electronic scientific journal of Fergana branch of TATU named after Muhammad al-Khorazmi. ISSN 2181-4252 Vol: 1 | Iss: 4 | 2023 year
Электронный научный журнал "Потомки Аль-Фаргани" Ферганского филиала ТАТУ имени Мухаммада аль-Хоразми ISSN 2181-4252 Том: 1 | Выпуск: 4 | 2023 год
разрабатываются оптоэлектронные измерительные трансформаторы напряжения (ОИТН) и тока (ОИТТ). Оптоэлектронные трансформаторы напряжения (ОТН) имеют коэффициент трансформации порядка 1000. АФН-элементы могут служит в качестве первичных преобразователей информации например, электрических, оптических, неэлектрических величин. Поэтому на основе АФН-элементов разрабатываются различные приборы и устройств для неразрущающего контроля и измерения.
По результатам исследований (ВАХ, ЛВХ, СХ и электромагнитными измерениями) можно определить все необходимые характеристические параметры и величин для разработки новых оптоэлектронных приборов на основе АФН-эффекта.
Список использованной литературы
1. Касимахунова А.М., Нурдинова Р.А. «АФН-элементы с двойным лучепреломлением» Uzbek Jornal of Physics, 2017 Vol.19 (№5), PP 302-306.
2. Р.Найманбаев, С. Ирматов «Ярим утказгичли фотоприёмниклар, «Фаргона» нашриёти, 2011
3. Б.Х.Каримов, Известия Томского политехнического университета., 2009, Т.314, №2
4. Материалы II Международной конференции по «Оптическим явлениям в полупроводниковых микро- и наноструктурах», Фергана , 8-9 сентября 2011г., с.179
5. Эргашев Ж. ИЗВ. АН УзССР. Сер. Физ.-мат. наук, 1978, №2, С.60
6. Найманбаев Р. И др. Запоминающие устройства, Авт.Свид.СССР.1976 №546936.
7. Касимахунова А.М., Найманбаев Р., Мамадалиева Л.К., Нурдинова Р.А., Олимов Ш.А. «Исследования некоторых явлений в АФН-структурахс изовалентными примесями для разработки приборов и устройств неразрушающего контроля и измерения», г. Москва, Computational nanotechnology, № 2, 2018 г.с.72-76
8. Kasimakhunova A., Naymanbayev R., Mamadalieva L., Nurdinova R., Olimov Sh., «Research of AHV-effect in films and rystalswith the effect of the double
luxurification», г. Москва, Computational nanotechnology, № 2, 2018 г.с.44-48 9. Фридкин BM. Фотосегнетоэлектрики г. Москва, Шука, М.,1979
108
