CC BY
10Статья поступила в редакцию 28.10.15. Ред. рег. № 2382
The article has entered in publishing office 28.10.15. Ed. reg. No. 2382
УДК 535.215 doi: 10.15518/isjaee.2015.21.002
ВЛИЯНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРОНОВ ОТ ПОВЕРХНОСТИ НА ФОТОЭДС В ТОНКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНКАХ И СРАВНЕНИЕ ЕЕ С ОБЪЕМНОЙ ФОТОЭДС
1 12 Г. Гулямов , М.Г. Дадамирзаев , Н.Ю. Шарибаев
1Наманганский инженерно-педагогический институт Республика Узбекистан, 160103, Наманган, пр. Дустлик, д. 12 Тел.: (8-369) 234-15-23, факс: (8-3692) 25-52-93, e-mail: [email protected] 2Наманганский инженерно-технологический институт Республика Узбекистан, 160115, Наманган, ул. Касансай, д. 7 Тел.: +998-69-232-53-27, факс: +998-69-225-05-42, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 01.11.15 Заключение совета экспертов: 05.11.15 Принято к публикации: 09.11.15
Исследовано влияние отражения фотоэлектронов от поверхности на фотоЭДС в тонких полупроводниковых пленках и проведено ее сравнение с объемной фотоЭДС. Показано, что отраженная фотоЭДС может преобладать над объемной электродвижущей силой только в образцах с большой длиной свободного пробега при сильном поглощении света. В тонких пленках отраженная фотоЭДС, по-видимому, наблюдается вместе с другими видами фотоЭДС и при интерпретации результатов эксперимента может быть истолкована как объемная электродвижущая сила.
Ключевые слова: фототок, тонкие пленки, длина свободного пробега, фотонапряжения, реактивные токи, фотоЭДС, косона-пыленные пленки, ЭДС Дембера, интенсивность света, коэффициент поглощения света.
INFLUENCE OF REFLECTION OF PHOTOELECTRONS FROM THE SURFACE PHOTO-EMF IN THIN SEMICONDUCTOR FILMS AND COMPARE IT WITH THE
BULK PHOTO-EMF
G. Gulyams1, M.G. Dadamirzayev1, N.Yu. Sharibaev2
*Namangan Engineering-Pedagogical Institute 12 Dustlik ave., Namangan, 160103, Republic of Uzbekistan Tel.: (8-3692) 34-15-23, fax: (8-3692) 25-52-93, e-mail: [email protected] 2Namangan Engineering-Technological Institute 7 Kasanay str., Namangan, 160115, Republic of Uzbekistan Tel.: +998-69-232-53-27, fax: +998-69-225-05-42, e-mail: [email protected]
Referred: 01.11.15 Expertise: 05.11.15 Accepted: 09.11.15
The influence of the reflection of photoelectrons from the surface photo-EMF in thin semiconductor films and compare it with the bulk photo-EMF. It is shown that the reflected photovoltage can prevail over the bulk of the electromotive force only in samples with a large mean free path with a strong absorption of light. In thin films reflected the photo-EMF, apparently observed with other types of photo-EMF and the interpretation of the experimental results can be interpreted as the volume electromotive force.
Keywords: photocurrent, thin films, the mean free path, the voltage, reactive currents, the photo-EMF, oblique sputtered film, the EMF Dember, the intensity of light, the light absorption coefficient.
Гафур Гулямов Gafur Gulyamov
Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры «Физика» Наманганского инженерно-педагогического института, руководитель гос. гранта Ф2-21 «Математическое моделирование определения плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик».
Образование: Ташкентский гос. университет (1971).
Область научных интересов: физика полупроводников и полупроводниковых приборов.
Публикации: более 200.
Information about the author: doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of "Physics" Namangan Engineering Pedagogical Institute. Head of state grant Ф2-21 "Mathematical modeling of the determination of the density of surface states at the semiconductor-insulator".
Education: Tashkent State University (1971).
Research area: physics of semiconductors and semiconductor devices.
Publications: more than 200.
№ 21 (185) Международный научный журнал
И
Мухаммаджон Гуломкодирович
Дадамирзаев Muhammadjon G. Dadamirzaev
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент, зав. кафедрой «Физика» Наманганского инженерно-педагогического института. Старший научный сотрудник гос. гранта Ф2-21 «Математическое моделирование определения плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик».
Образование: Ташкентский гос. университет (1993).
Область научных интересов: физика полупроводников и полупроводниковых приборов.
Публикации: более 70.
Information about the author: Ph.D. in Physical and Mathematical Sciences, Head of the Department "Physics" Namangan Engineering Pedagogical Institute, Senior Researcher of the state grant Ф2-21 "Mathematical modeling of the determination of the density of surface states at the semiconductor-insulator".
Education: Tashkent State University (1993).
Research area: physics of semiconductors and semiconductor devices.
Publications: more than 70.
Носир Юсупжанович
Шарибаев Nosir Yu. Sharibayev
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Высшая математика» Наманганского инженерно-технологического института. Старший научный сотрудник гос. гранта Ф2-21 «Математическое моделирование определения плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэлектрик».
Образование: Московский гос. университет (1993).
Область научных интересов: физика полупроводников и полупроводниковых приборов.
Публикации: более 50.
Information about the author: Ph.D. in Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of "Higher Mathematics" Namangan Engineering-Technological Institute. Senior Researcher of the state grant Ф2-21 "Mathematical modeling of the determination of the density of surface states at the semiconductor-insulator".
Education: Moscow State University (1993).
Research area: physics of semiconductors and semiconductor devices.
Publications: more than 50.
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).
Существующие приемники оптического излучения и устройства на их основе требуют обязательного применения источников питания. В них выходное напряжение, создаваемое /»-«-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 «светоизлучаю-щий 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 пленок из любых полупроводниковых материалов. Несмотря на это, не найден единый механизм, который раскрывает физическую природу этого явления [1].
В косонапыленных полупроводниковых пленках при освещении светом наблюдаются фотонапряжения больше ширины запрещенной зоны полупроводника, в единицах напряжения. Такие напряжения называются аномально большими фотонапряжениями (АФН-эффект). Для объяснения этого эффекта часто пользуются различными моделями [2-4]. Как известно по работам [5-7], баллистические и реактивные фототоки могут существенно влиять на фо-тоЭДС, генерируемую в тонких пленках.
Целью настоящей работы является исследование и сопоставление отраженной фотоЭДС от плоской поверхности, а также от поверхности с косым зубчатым микрорельефом и объемной фотоЭДС, генерируемой в тонких полупроводниковых пленках.
№ 21 (185) Международный научный журнал
Возобновляемая энергетика. Солнечная энергетика
Теоретические исследование и сопоставление отраженной фотоЭДС от плоской поверхности и объемной фотоЭДС в тонких полупроводниковых пленках
Оценим величину ЭДС, обусловленной носителями, отраженными от плоской поверхности. ЭДС, генерируемая в образце, определяется выражением
U
Uv
и, =
g(I) (Ъ.Тeíe -вhThíh )
g(1) (ie -)=g(i) (. -1h)(.+1h)
(i)
и =oei
(3)
Тогда, учитывая (2), для соотношения отраженного напряжения к объемной электродвижущей силе получим
a teS = te L2pp-1 (dpJdx) "XLT'
где
X =
aS
p 1 (d p/ dx)
(4)
(5)
где g(I) = ale; £ е и th - длины свободного пробега;
те, Th - время свободного пробега; éh - скорости возбуждаемых светом, соответственно, электронов и дырок; о - проводимость образца; a - коэффициент поглощения света; I - число фотонов, поглощаемых пленкой в единице площади за одну секунду; е - заряд электрона.
Отсюда видно, что баллистическая фотоЭДС прямо пропорциональна интенсивности света и определяется скоростью фотоэлектронов, временем и длиной свободного пробега возбуждаемых носителей. Обычно электродвижущая сила отраженных носителей складывается из объемной и поверхностной фотоЭДС. В работах [8, 9] ЭДС отраженных носителей сравнивается с ЭДС Дембера и показано, что при a Í2 > L реактивная ЭДС больше ЭДС Дембера. Поэтому для выявления относительной роли ЭДС отраженных носителей в измеряемой ЭДС необходимо еще сравнить ее с объемной фотоЭДС.
Для расчета ЭДС рассмотрим полупроводник n-типа и будем предполагать, что концентрация избыточных носителей 5n и Ър зависит только от одной координаты; генерация электронно-дырочных пар происходит в тонком слое шириной 2а, приблизительно равной ширине световой щели, причем 2а << длины диффузии L; концентрация избыточных носителей в этом слое постоянно; освещение не очень сильное. Тогда объемная фотоЭДС имеет следующий вид [10]:
Uv = eLiLpd*, (2)
VSpdx
где S - сечение образца, dр/dx - градиент темнового сопротивления в месте нахождения световой щели.
Оценим отношение отраженной от плоской поверхности фотоЭДС к объемной электродвижущей силе UrIUV. Для оценки положим, что
Если %£2е > ]}р, то отраженная ЭДС больше объемной электродвижущей силы. Тогда длина свободного пробега должна быть I е > 1р/^/х . Таким образом, следует ожидать, что отраженная фотоЭДС может преобладать над объемной электродвижущей силой только в образцах с большой длиной свободного пробега при сильном поглощении света. В тонких пленках отраженная фотоЭДС, по-видимому, наблюдается вместе с другими видами фотоЭДС и при интерпретации результатов эксперимента может быть истолкована как объемная электродвижущая сила.
Теоретические исследования и сопоставление реактивной фотоЭДС, отраженной от поверхности с косым зубчатым микрорельефом, и объемной фотоЭДС в тонких полупроводниковых пленках
Вычислим величину напряжения поперечной реактивной фотоЭДС, отраженной от поверхности с косым зубчатым микрорельефом. Тогда для напряжения холостого хода имеем [8]:
и=§ (/ кр0 а, (6)
d
где d - толщина образца; а - длина образца; а - коэффициент поглощения света; р0 - удельное сопротивление образца.
Отсюда следует, что реактивная фотоЭДС фотоэлектронов в основном зависит от квадрата длины свободного пробега. В низкоомных и толстых образцах ЭДС шунтируется проводимостью слоя и поэтому большие фотонапряжения могут не наблюдаться, а в тонких (порядка длины свободного пробега) и высокоомных (р0>10 Ом-м) пленках она принимает достаточно большие значения и наряду с существующими механизмами может объяснить аномально большие значения фотоЭДС.
Теперь рассмотрим отношение реактивной фото-ЭДС, которая возникает за счет отраженных фотоэлектронов от поверхности с косым зубчатым микрорельефом, к объемной электродвижущей силе
иг/иГзу6.
Учитывая (6) и (2), для соотношения реактивного напряжения к объемной электродвижущей силе получим:
№ 21 (185) Международный научный журнал
и
Ur
aSail
a £2 £2
= х-тт = , (7)
Р-1 (р/&:) с111р й12р Ь-где п = а/С.
В этом случае, если %ц£2е > 1Ь , то реактивная
ЭДС больше объемной электродвижущей силы. Тогда длина свободного пробега должна быть I е > Ьр1 ТХП и следует ожидать, что реактивная
фотоЭДС может преобладать над объемной электродвижущей силой только в образцах с большой длиной свободного пробега.
Заключение
Из проведенного анализа видно, что для преобладания фотоЭДС над объемной в случае плоских поверхностей длина свободного пробега должна быть £ е > Ьр!-у/х . А в случае поверхности с косым зубчатым микрорельефом длина свободного пробега должна быть £е > Ьр/^/хп . Показано, что в приповерхностном слое в тонких полупроводниковых пленках реактивная фотоЭДС сильно зависит от длины свободного пробега, а также от интенсивности света, степени диффузии, размера и удельного сопротивления образцов.
Список литературы
1. Рахимов Н.Р., Серьезнов А.Н. АФН пленки и их применение. Монография. Новосибирск: Изд-во «Новосибирск», 2005.
2. Као К., Хуанг В. Перенос электронов в твердых телах. В 2-х т. М.: Мир, 1984.
3. Адирович Э.И., Рубинов В.И., Юабов Ю.М. О природе АФН эффекта // ДАН СССР. 1966. Т. 168. С. 1037.
4. Безногов М.В., Сурис Р.А. Теория баллистических токов, ограниченных объемным зарядом, в наноструктурах разной размерности // Физика и техника полупроводников (Санкт Петербург). 2013. Т. 47, № 4. С. 493-502.
5. Саченко А.В., Снитко О.В. Фотоэффекты в приповерхностных слоях полупроводников. Киев: Наукова думка, 1984.
6. Белиничер В.И., Рывкин С.М. Реактивная фотоэлектродвижущая сила в полупроводниках // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1981. № 10. С. 353-360.
7. Ивченко Е.Л., Пикус Г.Е. Фотогальванические эффекты в полупроводниках // Сб. статей: Проблемы современной физики. Л.: Наука, 1980. С. 275-293.
8. Гулямов Г., Бойдедаев С.Р., Дадамирзаев М.Г., Гулямов А. Аномально большие фотонапряжения в полупроводниковых пленках, обусловленные реактивной фотоЭДС // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2007. № 5(49). С. 103-107.
9. Гулямов Г., Дадамирзаев М.Г., Гулямов А. Реактив ЭЮК ни Дембер ЭЮК билан солиштириш // Рост, свойства и применение кристаллов: Тез. докл. респ. науч. конф. 11-12 апреля 2008. Андижан, 2008. С. 138.
10. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.
References
1. Rahimov N.R., Ser'eznov A.N. AFN plenki i ih primenenie. Monografia. Novosibirsk: Izd-vo «Novosibirsk», 2005.
2. Kao K., Huang V. Perenos elektronov v tverdyh telah. V 2-h t. M.: Mir, 1984.
3. Adirovic E.I., Rubinov V.I., Üabov Ü.M. O prirode AFN effekta // DAN SSSR. 1966. T. 168. S. 1037.
4. Beznogov M.V., Suris R.A. Teoria ballisticeskih tokov, ogranicennyh ob"emnym zaradom, v nano-strukturah raznoj razmernosti // Fizika i tehnika poluprovodnikov (Sankt Peterburg). 2013. T. 47, № 4. S. 493-502.
5. Sacenko A.V., Snitko O.V. Fotoeffekty v pripoverhnostnyh sloah poluprovodnikov. Kiev: Naukova dumka, 1984.
6. Belinicer V.I., Ryvkin S.M. Reaktivnaa fotoelektrodvizusaa sila v poluprovodnikah // Zurnal eksperimental'noj i teoreticeskoj fiziki. 1981. № 10. S. 353-360.
7. Ivcenko E.L., Pikus G.E. Fotogal'vaniceskie effekty v poluprovodnikah // Sb. statej: Problemy so-vremennoj fiziki. L.: Nauka, 1980. S. 275-293.
8. Gulamov G., Bojdedaev S.R., Dadamirzaev M.G., Gulamov A. Anomal'no bol'sie fotonaprazenia v po-luprovodnikovyh plenkah, obuslovlennye reaktivnoj fotoEDS // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. 2007. № 5(49). S. 103-107.
9. Gulamov G., Dadamirzaev M.G., Gulamov A. Reaktiv EÜK ni Dember EÜK bilan solistiris // Rost, svojstva i primenenie kristallov: Tez. dokl. resp. nauc. konf. 11-12 aprela 2008. Andizan, 2008. S. 138.
10. Bonc-Bruevic V.L., Kalasnikov S.G. Fizika poluprovodnikov. M.: Nauka, 1977.
Транслитерация по ISO 9:1995
с---* — TATA — LXJ
№ 21 (185) Международный научный журнал
