CC BY
35УДК 621.382:530.93+621.365.2
Теоретические основы и экспериментальные методы определение природы возникновения аномального фотонапряжения
Н. Р. Рахимов, Б. Н. Рахимов
Аннотация: В данной работе приведены результаты исследований эффекта аномально высоких фотоэлектрических напряжений (АФН) в полупроводниковых плёночных системах
Ключевые слова: АФН-пленка,
фотогенератор, фотовольтаический эффект, p-n -переход, эффект Дембера.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время вопросы исследования фотоэлектрических свойств полупроводниковых пленок привлекают все больше внимания специалистов. Пленки, обладающие эффектом аномального фотонапряжения (АФН), представляют теоретический и практический интерес при создании первичных преобразователей - приемников оптического излучения (ПОИ).
АФН-пленока представляют собой функциональный преобразователь, трансформирующий световой поток интенсивности Ф0 в аномально большое фотонапряжение Уафн. Соответственно существующих модели эта трансформация складывается из трех этапов.
Во-первых, создания фототока 1Ф обусловленного фотогенерацией и пространственным разделением неравновесных носителей на каждом микро-р-п-переходе. Во-вторых, возникновения элементарных напряжений на микро-р-п-переходах в результате накопления объемных зарядов, создаваемых фототоком. В-третьих, формирования аномально большого фотонапряжения путем суммирования элементарных фотонапряжений на p-n-пере-ходах.
Существующие ПОИ и устройства на их основе требуют обязательного применения источников питания. В них выходное напряжение, создаваемое ^-п-переходом в вентильном режиме, заведомо ограничено шириной запрещенной зоны полупроводника. Одним из перспективных оптических методов неразрушающего контроля является оптоэлектронный способ на основе излучателя и АФН-приемника, который позволяет исключить внешний источник питания для ПОИ, снизить вес и габариты, обеспечивает полную электрическую развязку между цепями «светоизлучающий диод - ПОИ».
К настоящему моменту в области АФН-эффекта накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, позволяющий утверждать, что АФН-эффект может быть получен при нанесении плёнок из любых полупроводниковых материалов. Несмотря на это, не найден единый механизм, который раскрывает физическую природу этого явления.
1. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Известно, что фото-ЭДС (или фотонапряжение) в полупроводниках независимо от ее природы не может превышать ширину запрещенной зоны, т. е. несколько вольт [1]. Например, в однородном полупроводнике демберовское (диффузионное) фотонапряжение для сколь угодно большой интенсивности возбуждающего света не превышает значения:
т. кТ. п1 кТ. ыс V =— 1п— <<— 1п— = Е , (1)
Я
п
о
Я
п
о
где ЕЯ - ширина запрещенной зоны полупроводника, п1 и п0 - соответственно неравновесная и равновесная концентрация носителей, N - плотность состояний.
Другим примером может служить фотонапряжение, возникающее при освещении р-п-перехода [2],
V £ кТ 1п ПяР^ = Е
Я
п
Рп
ЕРр, (2)
которое также не превышает ЕЯ. Здесь пп и рр - соответственно концентрации электронов в п-области и дырок в р-области, ЕРп и ЕРр - энергии уровня Ферми в п- и р-областях.
До последнего времени исключение из этого правила составляли лишь полупроводниковые текстуры, в которых наблюдается эффект аномально больших фотонапряжений (АФН-эффект), обусловленный сложением элементарных фото-ЭДС Дембера (1) или элементарных фото-ЭДС (2), развивающихся на отдельных р-п-переходах текстуры [3]. В таких текстурах из напыленных слоев СёТв, Б1, Ов, GaAs, РЬБ и т. д. фотонапряжения могут достигать значений порядка нескольких сотен вольт на сантиметр
длины в направлении сложения элементарных фото-ЭДС.
Вначале эффект аномально больших фотонапряжений наблюдался в ряде однородных монокристаллов сегнетоэлектриков [1—6]. Оказалось, что при равномерном освещении однородного сегнетоэлектрика с разомкнутыми электродами в собственной или примесной области спектра возникает напряжение порядка , превышающее, таким образом, величину Ея на два-четыре порядка.
К настоящему времени опубликовано несколько десятков экспериментальных работ по аномально фотовольтаическому (АФ) эффекту. Прежде всего следует сказать, что факт существования АФ-эффекта сейчас можно считать твердо установленным для многих типов полупроводниковых кристаллов.
2. АФН-ЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНКАХ
В 1946 г. Старкевич, Сосновский и Симпсон [3] наблюдали фотонапряжения Ея = 1,2 В в сульфиде свинца, у которого Ея = 0,4 В, причем авторы не только отметили этот факт как некоторую физическую аномалию, но и высказали для его объяснения некоторые идеи.
Изучением обнаруженного АФН-эффекта занимались на первом этапе Р. Я. Берлага с сотр. [1], Швабе [3], Пивковский [3] и др. По получению и исследованию АФН-эффекта имеется много работ, мы же здесь ограничиваемся ссылкой на библиографию, приведенную в работах [3-9].
Интерес к физическим и прикладным аспектам АФН-эффекта существенно увеличился после того, как Пенсак и Голдстейн [22] показали, что фотонапряжение в пленках СйТв при комнатной температуре может достигать сотен вольт. Они выявили, что величина АФН зависит от толщины слоя и температуры подложки в процессе напыления пленки и для наличия большей подвижности при формировании АФН-эффекта в пленках теллурида кадмия важна температура подложки. Пенсак и Голдстейн показали, что оптимальная область температуры подложки лежит в пределах 150...200°С, при температурах подложки 250°С АФН-эффект отсутствовал.
В результате анализа технологического процесса напыления многочисленные исследователи показали, что для получения эффективных пленок необходимо сочетание оптимальных значений давления и состава остаточных газов в вакуумной камере, температуры подложки и испарителя пленки и угла напыления.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИРОДЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АНОМАЛЬНОГО ФОТОНАПРЯЖЕНИЯ
Природа аномального фотонапряжения, превышающего ширину запрещенной зоны полупроводника, рассматривается во всех работах об АФН-эффекте.
Теоретически рассматривая вопрос о причинах возникновения аномально больших фотонапряжений, авторы работы [3] доказали теорему о необходимости батарейной структуры АФН-плёнок. После этого вопрос о природе элементарных процессов, приводящих к возникновению АФН-эффекта, был сведен к дилемме - либо фотовольтаический эффект в микро-р-и-переходах, либо диффузионной демберовский эффект в микрообластях, однородных по типу проводимости. На Рис. 1 схематически изображена структура АФН-пленки, соответствующая р-и-переходной (а) и демберовской (б) моделям. В первой из этих моделей УАФН возникает в результате суммирования разности фотонапряжений, генерируемых на переходах.
400 600 800 1000 X
Рис. 1. Типичные спектры фотонапряжения АФН-
пленок
Фотонапряжение для р-и-перехода описывается формулой
т/ кТ 1
Ур-и =-1п
я
г г л г
V А 5 У
(3)
В демберовской модели (Рис. 2, б) активная часть пленки состоит из фоточувствительных областей, которые разделены нефотоактивными прослойками, препятствующими обмену свободными носителями между этими фотопроводящими областями.
Прослойки могут быть как высокоомными, так и низкоомными. Роль их состоит в том, что они препятствуют выравниванию концентрации носителей справа и слева от контакта в двух соседних демберовских микрофотоэлементах. Фотонапряжение в демберовской модели выражается формулой
V
кТ Ь -1 1 + Да/а
2/ ^О
Дембер
1п ,
Я Ь +1 1 + Дах/а(
(4)
где ао - темновая проводимость пленки, а
Да и Да значения фотопроводимости на
концах элемента.
Из-за однотипного характера формул (3) и (4) большинство экспериментальных фактов оказывается некритичным по отношению к механизму элементарных процессов, лежащих в основе АФН-эффекта, т. е. по крайней мере качественно согласуется как с ^-п-переходной, так и с демберовской моделью микрофотоэлементов. Замечая, что Jф < 1 и Да < 1, а J$ < Ко и ао = 1 / Ко (J - интенсивность падающего света, Ко - темновое сопротивление) видно, что как при фотодиффузионном, так и при фотовольтаическом механизме
V=/дхКо), (5)
т. е. АФН-эффект может возникать только в высокоомных пленках. Иначе говоря, АФН-пленка представляет собой генератор тока и, как источник высокого напряжения, может работать только на высокоомную нагрузку [32].
Рис. 2. Модель АФН-плёнки: а - из микро р-п-переходов (1 и 2 - р-п-области); б - из фотодиффузионных микрообластей, (3 -фотоактивная область; 4 - прослойка)
В [7, 8] была предложена модель аномально фотовольтаического эффекта, основанная на батарее из микро-р-п-переходов. Позднее, Швабе [15], исследовавший зависимость фотонапряжения от угла падения света, обнаружил инверсию знака ^афн при фронтальном освещении в пределах от о до 18о°С.
Этот результат, полученный на пленках РЪ8, не мог быть объяснен в рамках р-п-переходной модели и вполне естественно, что Швабе предложил модель, основанную на батарее, в которой микрофотонапряжение возникает благодаря эффекту Дембера. Установлением таких зависимостей как VАФН от интенсивности
света, температуры и т. д. нельзя было однозначно выявить тот или иной механизм АФН-эффекта. Полученный результат не могли связывать с вкладом каждого микроэлемента, поэтому нужно было проводить такие эксперименты, которые для обоих механизмов приводили бы к диаметрально противоположным следствиям.
По мнению Э.И. Адировича с сотр. [3], которые развивали идею Швабе, результаты исследования угловых диаграмм в белом и монохроматическом свете могут служить критерием для определения физической причины возникновения АФН-эффекта.
Если АФН-структура представляет собой батарею р-п-переходов, то очевидно, что при фронтальной освещенности в пределах о... 18о° инверсия знака ^афн должна отсутствовать.
Если АФН-структура представляет собой батарею демберовских элементов, то в белом свете при фронтальном освещении в пределах о.. .18о° знак фотонапряжения должен изменяться, однако, как показано в работе [3], возможен аномальный дембер-эффект. В этом случае знак дембер-эффекта не связан с направлением светового потока, а обусловлен различием скоростей поверхностей
рекомбинации на различных гранях. Поэтому при аномальном дембер-эффекте, а также при фотовольтаическом эффекте на р-п-переходах 1^афн не меняет знака при изменении угла падения света. В работе [3-,5] показано, что эта неопределенность устраняется, если
производить угловые измерения VАФН (Р) при освещении пленок монохроматическим светом с различными длинами волн.
Таким образом, в работах [4, 5] доказано, что наличие инверсии знака ^афн при изменении угла освещения в пределах о. 18о° однозначно свидетельствует о том, что АФН-эффект обусловлен демберовский механизмом, а отсутствие инверсии не позволяет сделать однозначного вывода, ибо в этом случае может иметь место либо р-п-переходный механизм, либо аномальный дембер-эффект. Эту частичную неопределенность устранили путем перехода к исследованию VАФн(Р) при освещении коротковолновым светом.
Аномальный дембер-эффект имеет место, когда скорость поверхностной рекомбинации на освещаемой грани достаточна велика, а на затемненной грани - мала. При длинноволновом возбуждении, т. е. при слабом поглощении света а*^ < 1 (а*- коэффициент поглощения, ^ -толщина пленки) градиенты концентраций неравновесных носителей заряда и поток биполярной диффузии направлены не по световому потоку, а против него, вследствие чего знак демберовского VАФН аномален. Если, однако, от возбуждения длинноволновым светом перейти в область коротких волн, то вследствие увеличения коэффициента
поглощения генерация электронно-дырочных пар будет происходить только вблизи освещенной поверхности, направление потока биполярной диффузии станет независимым от скорости поверхностной рекомбинации и вместо аномального дембер-эффекта, имеющего место на длинных волнах, возникнет нормальный дембер-эффект. Следовательно, если АФН эффект обусловлен демберовским механизмом, то при возбуждении пленки достаточно коротковолновым светом возникает инверсия знака. Напротив, при р-и-переходном механизме величина УАФН (Р) должна оставаться неинверсионной в условиях коротковолнового фронтального возбуждения.
Таким образом, комбинация угловых и спектральных измерений дает однозначный ответ на вопрос о природе микрофотоэлементов в АФН пленках [3, 7-9].
Полученные данные позволяют считать, что в пленках Ge, INas, Al2Se3, GaAs, PbS природа АФН-эффекта демберовская (фотодиффузионная), а в пленках Cd.Se, СйТе и халькогенидных сплавов р-и-переходная (фотовольтаическая).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оптоэлектронные первичные
преобразователи с применением АФН-при-ёмников в качестве автономного ПОИ открывают широкие возможности в области разработки контрольно-измерительных
устройств физико-химических параметров веществ и материалов, что целиком и полностью подтверждается имеющимся к настоящему времени значительным опытом применения АФН-приёмников в этом плане.
Расширение сфер и объёма применения АФН-приёмников для автоматизации производственных процессов связано с развитием технологии получения АФН-плёнок, совершенствованием их применения в качестве ПОИ, а также развитием метрологии и светотехники. В первую очередь здесь следует отметить применимость АФН-приёмников в качестве координатно-чувствительного и двумерного координатно-чувствительного ПОИ для определения координат источника светового излучения в электронных и робототехнических устройствах.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. - М.: Физматтиз, 1963. - 494 с.
[2] Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел. - М.: ИЛ, 1962. - 558 с.
[3] Фотоэлектрические явления в полупроводниках и оптоэлектроника / Под ред. Э.И. Адировича. -Ташкент: ФАН, 1972. С. 143-229
[4] Фридкин В.И. Сегнетоэлектрики-полупроводники. - М.: Наука, 1976. - 408 с.
[5] Class A.M., Von der Linde D., Nergan T.J. Highvoltage bulk photovoltale effekt and the photorefractive process in LiNbO3. Appl. Phyo. Lett, 1974. № 4, Vol. 25. P. 233-236;
Investigation of the Eiektrical Propertion of Sr1-xBaxNb2O6 with Special Reference to pyrroelectrics Direction / J. of Appl Phys., 1969. Vol. 40, № 12. P. 4699-4713.
[6] Fridkin V.I., Popov B.N., Verkhovskaya K.A. Effekt of Anomalous Bulk photovoltage in Perroelektrics. Phys. Stat. Sol. Ser. A, 1977. Vol. 39, № 1. P. 193201.
[7] Rahimov N.R., Hatamov S.O. Coordinate and sensitive selfcontained optical radiation
detector / The Fourth International Conference «Modern problems of nuclear physics» / Book of abstracts. - Tashkent, 2001. P. 185-186.
[8] Рахимов Н.Р. Приемники оптического излучения на основе АФН-пленок / Сб. тезисов докладов III Республиканской конференции по физической электронике. - Ташкент, 2002. С. 162.
[9] Rahimov N.R., Dzhurakhalov A.A. Investigation of APV-CdTe-films and development of optoelectronic devices on their basis / The European material research conference EMRS 1999 spring meeting. -Strasbourg, France, 2002. P. 242.
Бахтиёржон Нематович
Рахимов - старший научный сотрудник (докторант) кафедры Системы телерадиовещания Ташкентской университет
информационной технологий, автор более 30 научных трудов в т.ч. 4 изобретений. Область научных интересов и
компетенций - оптоэлектронное приборостроение, оптимизация, многофункциональные системы. E-mail: [email protected]
Неъматжон Рахимович
Рахимов - д.т.н., профессор кафедры Специальных устройств и технологий ФГБОУ ВПО «СГГА».
Е-mail: [email protected]
Theoretical Bases and Experimental Methods to Determine the Nature of the Occurance of Abnormal Photo-Voltage
NEMATZHON R. RAKHIMOV BAKHTIYOR N. RAKHIMOV
Abstract: This paper presents results of investigations of the effect of anomalously high voltage PV (APV) in the semiconductor foil
systems
Key words: APV-film photogenerator, photovoltaic effect, pn junction, the effect Dember.
REFERENCES
[1] S. Rivkin Photoelectric phenomena in semiconductors. - M .: Fizmatgiz, 1963. - 494 p.
[2] R. Bube Photoconductivity solids. - M .: IL, 1962. -558 p.
[3] The photoelectric phenomena in semiconductors and optoelectronics / Ed. EI Adirovich. - Tashkent: FAN, 1972: 143-229
[4] Friedkin VI Ferroelectric semiconductors. - M.: Nauka, 1976 - 408 p.
[5] Class A.M., Von der Linde D., Nergan T.J. Highvoltage bulk photovoltale effekt and the photorefractive process in LiNbO3. Appl. Phyo. Lett, 1974. № 4, Vol. 25. P. 233-236;
Investigation of the Eiektrical Propertion of Sr1-xBaxNb2O6 with Special Reference to pyrroelectrics Direction / J. of Appl Phys., 1969. Vol. 40, № 12. P. 4699-4713.
[6]Fridkin V.I., Popov B.N., Verkhovskaya K.A. Effekt of Anomalous Bulk photovoltage in Perroelektrics.
Phys. Stat. Sol. Ser. A, 1977. Vol. 39, № 1. P. 193201.
[7] Rahimov N.R., Hatamov S.O. Coordinate and sensitive selfcontained optical radiation
detector / The Fourth International Conference «Modern problems of nuclear physics» / Book of abstracts. - Tashkent, 2001. P. 185-186.
[8] N.R Rakhimov The receivers of optical radiation on the basis of the FSA films / Coll. Abstracts of III Republican Conference of physical electronics. -Tashkent, 2002. 162 pp.
[9] Rahimov N.R., Dzhurakhalov A.A. Investigation of APV-CdTe-films and development of optoelectronic devices on their basis / The European material research conference EMRS 1999 spring meeting. -Strasbourg, France, 2002. P. 242.
