МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. І.І. МЕЧНИКОВА
Кафедра експериментальної фізики
Комп'ютерне моделювання сенситометричних ХАРАКТЕРИСТИК Формувач СИГНАЛІВ ЗОБРАЖЕННЯ
НА ОСНОВІ гетеропереході CdS-Cu2S.
Дипломна робота
студента 5-го курсу
фізичного факультету
Барди Олексія Валерійовича
Наукові керівники -
канд. ф.-м. наук,
доцент Віктор П.А.
ст.н.с. Борщак В.А.
О Д Е С С А - 2000 р.
ЗМІСТ
ВСТУП. 3
Розділ I. Гетероперехід CdS-Cu2S, ЙОГО ВЛАСТИВОСТІ
І ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ. 5
§ 1. Загальні властивості гетеропереходів. 5
§ 2. Моделі токопереноса в гетеропереході CdS - Cu2S. 9
§ 3. Фотоелектричні властивості гетеропереході CdS-Cu2S. 12
§ 4. Механізми викиду захопленого заряду в ОПЗ гетеропереході CdS-Cu2S. 15
§ 5. Технологія виготовлення гетеропари CdS-Cu2S. 19
Розділ II. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ДОСЛІДЖЕННЯ сенситометричних ХАРАКТЕРИСТИК гетеропереході CdS-Cu2S ТА ЇХ
Комп'ютерне моделювання. 25
§ 6. Загальні поняття про сенсітометріі. 25
§ 7. Опис експериментальної установки. 27
§ 8. Дослідження сенситометричних характеристик
перетворювача зображення на основі гетеропереході CdS-Cu2S. 29
§ 9. Моделювання та комп'ютерний розрахунок характеристичних кривих. 33
ВИСНОВКИ 37
ЛІТЕРАТУРА. 38
ВСТУП.
Дослідження гетеропереходів являє собою важливий розділ фізики напівпровідникових приладів, який
сформувався в останні чотири десятиліття на основі вивчення епітаксиальні вирощування напівпровідників.
Бар'єри на діаграмі енергетичних зон, пов'язані з різницею в ширині забороненої зони двох
напівпровідників відкривають нові можливості для конструкторів.
гетеропереході використовуються в лазерах, обчислювальної техніки, інтегральних схемах. Електрооптичні
властивості гетеропереходів знайшли практичне застосування в фототранзисторів і в сонячних елементах.
Однак у цій галузі є ще багато невирішених проблем, багато класи гетеропереходів ще чекають свого
ретельного вивчення і застосування.
Основна частина досягнень у дослідженнях гетеропереходів пов'язана з використанням гетеропари GaAs-AlGaAs,
в якій здійснено так званий ідеальний гетероперехід. При цьому використані напівпровідники з однотипною кристалічними гратами, які
мають настільки близькі значення постійних своїх грат, що на кордоні не виникає електрично активних дефектів.
Однак фізика і техніка гетеропереходів мають й інший важливий аспект - створення, дослідження і
практичне застосування неідеальних гетеропереходів. Такі структури утворені полікристалічний напівпровідниками з незбіжними константами
кристалічних граток, часто і різних граткових симетрії. У неідеальних гетеропереході спостерігається великий набір різних ефектів і
явищ, пов'язаних з різними властивостями напівпровідників по обидва боки кордону, а також з появою великої кількості електрично активних
дефектів на гетерограніце, які беруть участь у токопереносе, поглинанні та випромінюванні світлових квантів.
Перспективність практичного застосування неідеальних гетеропереходів пов'язана в першу чергу з більш
економічною технологією створення полікристалічних гетероструктур у порівнянні з монокристалічний.
Одним з напрямків у вивченні неідеальних гетеропереходів є можливість застосування критеріїв,
розроблених в класичній фотографічної сенсітометріі, до перетворювачів оптичного зображення в електричний сигнал на основі гетеропереході CdS-Cu2S.
Метою даної роботи є створення математичної моделі характеристичної кривий і розрахунок основних
сенситометричних характеристик (г-коефіцієнт контрастності і S-фоточутливість) формувача сигналу зображення (ФСІ) на основі
гетеропереході CdS-Cu2S, використовуючи в якості вихідних даних характеристики локальних центрів у гетеропереході.
Розділ I. Гетероперехід CdS-Cu2S, ЙОГО ВЛАСТИВОСТІ І ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ.
§ 1. Загальні властивості гетеропереходів.
гетеропереходів називається контакт двох різних за хімічним складом напівпровідників. Якщо
напівпровідники мають однаковий тип провідності, то вони утворюють ізотипних гетероперехід. Якщо тип їх провідності різний, то виходить анізотіпний
гетероперехід.
Для отримання ідеальних монокристалічних гетеропереходів без дефектів решітки та поверхневих
станів на межі розділу необхідно, щоб у напівпровідників співпадали типи кристалічних граток, їх періоди і коефіцієнт термічного розширення. Для
їх отримання періоди грат повинні збігатися з точністю ~ 0,1%. Приклад ідеального гетеропереході: GaAS-AIGaAS [1].
Модель зони структури ідеального різкого гетеропереході без пасток на межі розділу була
запропонована Андерсеном, який використовував результати роботи Шоклі [2].
На рис.1 наведена зонна діаграма двох ізольованих напівпровідників, у яких різні значення
ширини забороненої зони Еg, діелектричної проникності e, роботи виходу jm і
електронного спорідненості c.
Робота виходу та електронне спорідненість визначаються як енергія, необхідна для видалення електрона з рівня
Фермі Еf і з дна зони провідності ЄС у вакуум відповідно. Розходження в положенні дна зони провідності
напівпровідників позначено DЕc; а відмінність в положенні стелі валентної зони ДEv. На малюнку
1 показаний випадок, коли ДЕc = (ч1-ч2).
Рис. 1. Зонна діаграма двох ізольованих напівпровідників за умови електронейтральності
Зонна діаграма анізотіпного pn - гетеропереході в рівновазі, утвореного цими напівпровідниками
наведена на мал.2.
Рис.2. Зонна діаграма ідеального анізотіпного pn гетеропереході при тепловому рівновазі.
Положення рівня Фермі в стані рівноваги повинна бути однаково по обидва боки переходу, а рівень
енергії, відповідний вакууму, повинен бути паралельний краях зон і безперервний. Тому розрив в положенні країв зони провідності і країв
валентної зони не пов'язаний з рівнем легування.
Повний контактний потенціал Vbi. дорівнює сумі потенціалів Vb1 + Vb2, де Vb1
і Vb2 - електростатичні потенціали рівноваги стану першим і другим напівпровідників відповідно.
Ширину збідненого шару (W) в кожному напівпровіднику і бар'єрну ємність (С) можна знайти вирішивши рівняння
Пуассона для різкого переходу з кожного боку кордону розділу. Одним з граничних умов є безперервність електричної індукції на кордоні
розділу, тобто е1E1 = е2E2. В результаті маємо:
(1)
(2)
(3)
де Nd1 - концентрація донорів в 1-м напівпровіднику;
Na2 - концентрація акцепторів в 2-му напівпровіднику.
Відношення напружень в кожному напівпровіднику становить:
(4)
де V = V1 + V2 - повне прикладена напруга.
Вольт - амперна характеристика набуває вигляду:
(5)
де I - щільність струму.
(6)
Наведене вираз відрізняється від вольт - амперної характеристики контакту метал-напівпровідник
множником I0, а також характером залежності від температури. Зворотний струм не має насичення, а при великих V лінійно зростає з
напругою. У прямому напрямку залежність I від допускає апроксимацію експоненційної
функцією, тобто 
.
Механізми протікання струму.
У різкому гетеропереході завдяки розривів ДEc і ДEv висоти
потенційних бар'єрів для електронів і дірок різні. Тому при прямому зсуві гетеропереході зазвичай відбувається одностороння Инжекция носіїв з
ширококутного напівпровідника в вузькозонних.
інжектованих носії (в даному випадку дірки) повинні подолати потенційні бар'єри ( "піки"),
що виникають із-за розривів зон. Механізми протікання струму через ці бар'єри, додаткові в порівнянні з pn - переходом (тунельний і термоінжекціонний)
залежать від величини зсуву на гетеропереході, температури, а також від ступеня легування напівпровідників.
У плавному гетеропереході заряду на неосновні носії заряду діє внутрішнє електричне поле еi,
що виникає внаслідок зміни Eg. При прямому зсуві в цьому випадку також відбувається одностороння Инжекция дірок у більш вузькозонних
частину.
Фотоефект.
Як і в pn переході фотоефект в гетеропереході виникає за рахунок просторового розділення в
поле об'ємного заряду носіїв, збуджених світлом. При освітленні напівпровідника з боку ширококутного напівпровідника в вузькозонних поглинаються
фотони з енергією:
Eg1 де h - постійна Планка
х - частота випромінювання.
ширококутного напівпровідник служить в цьому випадку "вікном", прозорим для світла, що поглинається в
вузькозонних шарі, і захищає область генерації нерівноважних електронно-доручених пар від рекомбінаційних втрат на поверхні кристала [2].
§ 2. Моделі токопереноса в гетеропереході CdS - Cu2S.
Система CdS-Сu2S являє собою неідеальний анізотіпний гетероперехід у якого розходження
постійних кристалічних граток контактуючих напівпровідників CdS (5.832 Е) і Cu2S (5.601 Е) становить 4%. Таке значне розходження періодів
решіток при формуванні гетеропереході створює високу щільність дислокацій невідповідності на поверхні розділу. Обірвані зв'язку в дислокаціях приводять
до появи енергетичних рівнів у забороненій зоні, відповідальних за захоплення носіїв або за їх рекомбінацію та чинять істотний вплив на перенесення
заряду через збіднення область [3,4].
Було запропоновано чимало моделей, що пояснюють процеси, що протікають в гетеропереході. Вид зонної
діаграми і характер токопрохожденія не можуть бути описані в рамках моделі Андерсона, що враховує тільки струм, поточний завдяки інжекції.
Для гетеропереході відомо кілька ймовірних механізмів протікання струму через область бар'єру,
що реалізуються в залежності від зовнішніх умов: електронний і дірковий струми при фотовозбужденіі (1,2), термоеміссіонний (3), емісійно-рекомбінаційні (4),
туннельно-рекомбінаційні струм (5,6) (Див рис.3).
Рис.3. Імовірні механізми токопереноса в області просторового заряду гетеропереході CdS-Cu2S.
Для узгодження теорії з даними експериментів, Бьюб запропонував модель тунелювання електронів через
"зубець" в зоні провідності. Ширина "зубця", а отже і внесок тунельного струму в вольтамперних характеристику
определялась глибокими рівнями дефектів у ОПЗ. Проте цей випадок реалізується далеко не завжди.
Модель багатоступінчастого тунелювання через ці стани з наступною рекомбінацією на
гетерограніцах запропонували Райбен і Фойхт для Ge-GaAs і Мартінуцці для CdS-Cu2S.
При такому підході, однак, неможливо точно визначити ймовірність тунельних переходів з одного рівня на інший і не враховується обмеження тунельною
провідності швидкістю рекомбінаційних процесів на межі розділу.
У ряді публікацій [5,6,7,8] був запропонований туннельно-стрибкові механізм токопереноса. Тут враховано
статистичні розподілу носіїв та їх взаємодія з фононами. Визначено також імовірність "стрибка" між сусідніми локальними
станами.
Велика кількість моделей, що пояснюють процеси в гетеропереході CdS-Cu2S, обумовлено
різної технології їх одержання, нестабільністю гетеропереходів в процесі роботи, деградацією характеристик і іншими причинами [3].
На малюнку 4 наведені типові криві спектрального розподілу струму короткого замикання гетеропереходів
з різним хімічним складом базового шару. [3].
Рис.4. Спектральне розподіл струму короткого замикання тильнобарьерних фотоелементів з
різним складом базового шару:
1 - нелегований CdS;
2 - CdS з домішкою 0.01% In;
3 - CdZnS з домішкою 0.2% In.
На малюнку 5 зображено детальна зонна діаграма гетераперехода, побудована Дасом, який
використовував теоретичну модель Ротворфа й інші моделі. Значення всіх параметрів переходу, використані в цій діаграмі, були визначені
експериментально [4].
Рис.5. Енергетична зонна діаграма гетеропереході CdS-Cu2S.
Фотоелектричні властивості гетеропереході CdS-Cu2S детально розглянуті нижче.
§ 3. Фотоелектричні властивості гетеропереході CdS-Cu2S.
В основу формувача сигналів зображення належить властивість неідеального гетеропереході CdS-Cu2S
накопичувати позитивний заряд нерівноважних дірок на локальних рівнях.
На зонної діаграмі (рис.6) зображені процеси, що відбуваються в ФСІ при освітленні.
Різке розходження в провідності сульфідів кадмію і міді призводить до того, що область
просторового заряду локалізована практично повністю з боку CdS [4].
Рис.6. Зонна діаграма ФСІ.
При фотовозбужденіі квантами з області власного поглинання сульфіду кадмію з'являються нерівноважні
електрони і дірки (переходи 1). Електрони видаляються полем бар'єру до обсягу базової області, а дірки захоплюються поблизу кордону розділу на пастки і
центри рекомбінації (переходи 2). Наявність таких компенсуючих центрів з великою концентрацією фактично є одним з основних властивостей
розглянутого гетеропереходів. Поле бар'єру сприяє накопиченню дірок в ОПЗ, тому навіть при незначному рівні фотовозбужденія розподіл
позитивного заряду в CdS значно змінюється, що призводить до зростання ємності переходу. Крім того, розподіл енергії електрона від координати
змінюється з квадратичного на експоненційний. При цьому різко зростає напруженість електричного поля біля кордону розділу гетеропереході [3].
Струм короткого замикання Iкз формувача зображення знаходиться у прямій залежності від просторового
розподілу електричного потенціалу ц (x), а це розподіл безпосередньо пов'язано з концентрацією дірок, локалізованих на пастки.
Як показано в [3]:
(8)
де 
- фотоструму за відсутності втрат на кордоні розділу;
- рухливість
електронів в CdS;
- швидкість поверхневої рекомбінації на межі розділу.
Оскільки дрейфовий швидкість електронів визначається з співвідношення:
(9)
що рівнозначно:
(10)
вираз (8) можна переписати:
(11)
Таким чином, змінюючи освітленість гетеропереході за допомогою власної для сульфіду кадмію підсвічування
можна управляти розподілом ц (x), а, отже, і дрейфовий швидкістю електронів і величиною струму короткого замикання Iкз.
При проектуванні на зразок будь-якого зображення, його точки висвітлюються по різному, що призводить до
різної концентрації дірок, захоплених на пастки і відповідно до різного вигину енергетичних зон в ОПЗ.
Якщо проектуванні припинити, то різниця в концентрації дірок зберігається досить довгий
час що дозволяє використовувати гетероперехід як пристрій, що запам'ятовує оптичну інформацію.
Зчитування цієї інформації можливо при скануванні зразка інфрачервоним світлом. Загальна тривалість ІК --
імпульсів при скануванні повинна бути як близько 10 мкс, тому що більш довгі імпульси будуть викликати активну оптичне спустошення пасток, тобто
вивільнення дірок з локальних рівнів у валентну зону (перехід 6).
За допомогою ІК - підсвічування можна також робити стирання зображення, при цьому зразок висвітлюють
імпульсами великої тривалості з високою частотою проходження. Після чого зразок придатний для повторного запам'ятовування іншого зображення.
Інформація, отримана під час сканування зразка, обробляється комп'ютерними методами і потім може
відтворюватися на екрані комп'ютера. Процеси запису та зчитування можуть бути значно рознесені в часі, однак тривале зберігання супроводжується
термічним спустошенням пасток, що призводить до поступової втрати оптичної інформації.
При зберіганні зразка при температурі близько 0oС зчитування інформації можливе на протязі 6-8
днів. Підвищення температури зберігання призводить до більш швидкому термічному вивільненню дірок у валентну зону.
Більш докладно явища видалення захопленого заряду будуть розглянуті нижче.
§ 4. Механізми викиду захопленого заряду в ОПЗ гетеропереході CdS-Cu2S.
гетероперехід CdS-Cu2S може знаходитися в двох різних станах. Одне з них - рівноважний --
має низьку чутливістю до інфрачервоного світла і дозволяє отримати невисоке значення струму Iкз. Інший стан - нерівноважної --
високочутливої до ІК - світла і дає значно більшу величину струму короткого замикання.
Перехід з рівноважного стану в нерівноважної здійснюється при дії короткохвильового світу за
рахунок описаного вище ефекту захоплення і накопичення нерівноважних дірок на пастки в ОПЗ CdS
Час збереження структурою нерівноважного стану визначається величиною рекомбінаційні бар'єру і
процесом викиду дірок з пасток, що йде поряд з накопиченням. Але після припинення дії короткохвильової підсвічування викид починає грати вирішальну
роль у токопереносе, тому що звільнення захопленого заряду обумовлює зворотні зміни параметрів бар'єру і перехід структури з нерівноважного
стану в рівноважний.
Інтенсивність викиду визначає величину та швидкість цієї зміни параметрів бар'єру, а значить і Iкз.
Тому видається важливим звати, як саме викид впливає на параметрі бар'єру після припинення фотовозбужденія короткохвильовим світлом, як швидко
вони змінюються з часом.
Видалення дірок, захоплених на пастки в ОПЗ CdS, можливо по наступних чотирьох механізмів (Рис.7):
1.терміческій викид в валентну зону CdS (перехід 1);
2.непосредственное тунелювання дірок з ловушечних центрів валентну зону Cu2S
(перехід 2);
3.двухступенчатое тунелювання електрона з квазінейтральной області CdS в ОПЗ (перехід 3) і
подальшої рекомбінації з нерівноважної діркою;
4.туннельно-стрибкова рекомбінація (перехід 4)
Рис.7. Механізми видалення захоплених на пастки дірок з ОПЗ гетеропереході CdS-Cu2S
Наявність останнього механізму пов'язано з тим, що дефекти трансляційної симетрії в ОПЗ призводять до розмивання
країв дозволених поклик і утворення в забороненій зоні відмінною від нуля щільності станів N (E). За цим локальним станів можливий
токоперенос, що описується з позицій моделі стрибкові провідності Мотта. Частина електронів, що знаходяться на локалізованих станах, може рекомбінувати з
дірками, захопленими на пастки, очевидно, що рекомбінувати можуть лише носії, що знаходяться поблизу рівня Фермі, тому що вище носіїв немає. а нижче за все
стану заповнені і стрибок зробити нікуди. Таким чином, рекомбінувати можуть тільки відносно рухливі носії, розташовані на енергетичному
відстані близько kT від рівня Фермі EF.
Вірогідність здійснення зазначених механізмів перебувають у сильній залежності від глибини залягання
доручених пасток, ET, температури зразка і просторової координати локальних центрів в ОПЗ.
Зовнішнє зсув робить на механіземи викиду різний вплив, так, термічний викид (1) від напруги не
залежить взагалі, безпосереднє тунелювання (2) залежить слабо, а двоступінчаста рекомбінація я туннельно-стрибкові механізм виявляють сильну
залежність від зовнішнього зсуву.
Кінетика викиду дірок по перерахованих механізмів при фотовозбужденіі описується рівнянням:
(12)
де f-функція генерації, яка має постійне значення;
-теплова швидкість носіїв;
Spt і Snt-поперечний переріз захоплення дірок я електронів
Pv-ефективна густина станів у валентної зоні CdS;
n0-концентрація вільних електронів у квазінейтральной області CdS;
Snr-поперечний переріз захоплення електронів центром рекомбінації на межі розділу;
- N (EF)-щільність станів в околі рівня Фермі;
-D1 (х), D2 (х)-коефіцієнти прозорості бар'єрів, які відповідають тунелювання я двоступеневої
рекомбінації:
-ефективна теплова швидкість носіїв при стрибкові
провідності.
Друге доданок в правій частині описує термічний викид (1), третє - тунельний (2), четверте --
двоступенева тунелювання (3), а п'яте - туннельно-стрибкову рекомбінацію (4).
Розглянемо кінетику викиду дірок у відсутності фотовозбужденія, тобто випадок спадаючий релаксації. Нехай
при t = 0 (в момент вимикання короткохвильового світла) концентрація на пастки така, що умова:
(13)
виконується. У цьому випадку рекомбінаційні втратами на кордоні можна знехтувати і струм, генеровані
довгохвильовим світлом в Cu2S, буде максимальний. Після вимкнення світла при t = 0 в рівнянні (12) функція створення f виявляється
рівною нулю. У той же час початкова умова записується у вигляді
(14)
Безумовно, при всіх значеннях x pt (x)
