Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS
Создана структура n⁺CdS-nCdS-nSi, чувствительная к малым световым сигналам. Такая структура при освещении лазерным лучом с λ = 0,625 μm и мощностью P = 10 μW/cm² при комнатной температуре имеет спектральную чувствительность S ≈ 4700 A/W при напряжении смещения V = 40V в прямой ветви ВАХ. А при облуч...
Gespeichert in:
| Datum: | 2015 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2015
|
| Schriftenreihe: | Физическая инженерия поверхности |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108709 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS / И.Б. Сапаев, Ш.А. Мирсагатов, Б. Сапаев, Р.Р. Кабулов // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 129-135. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-108709 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1087092016-11-15T03:02:54Z Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS Сапаев, И.Б. Мирсагатов, Ш.А. Сапаев, Б. Кабулов, Р.Р. Создана структура n⁺CdS-nCdS-nSi, чувствительная к малым световым сигналам. Такая структура при освещении лазерным лучом с λ = 0,625 μm и мощностью P = 10 μW/cm² при комнатной температуре имеет спектральную чувствительность S ≈ 4700 A/W при напряжении смещения V = 40V в прямой ветви ВАХ. А при облучении белым светом мощностью P = 2,7•10⁻² μW структура имеет интегральную чувствительность Sint ≈ 110 A/ lux (1,2•10⁴ A/W) при том же напряжении смещения и температуре. Прямая ветвь ВАХ такой структуры описывается степенными зависимостями I ~ V² и I ~ V³, которые реализуются в длинных диодах (d/L ≥ 10, где d — толщина базы, L — длина диффузии неосновных носителей), и где протекающие токи определяются биполярным дрейфом носителей заряда. Показано, что усиление первичного фототока обусловлено модуляцией биполярной дрейфовой подвижности при облучении «примесным» светом малой мощности. Створена структура n⁺CdSe-CdS-nSi, чутлива до малих світлових сигналів. Така структура при освітленні лазерним променем з λ = 0,625 μm і потужністю P = 10 μW/cm² за кімнатної температури має спектральну чутливість S ≈ 4700 A/W при напрузі зсуву V = 40V у прямій гілці ВАХ. При опроміненні білим світлом потужністю P = 2,7•10⁻² μW структура має інтегральну чутливість Sint ≈ 110 A/lux (1,2•10⁴ A/W) за умов тієї ж напруги зсуву та температури. Пряма гілка ВАХ такої структури описується ступеневими залежностями I ~ V² і I ~ V³, які реалізуються в довгих діодах (d/L ≥ 10, де d — товщина бази, L — довжина дифузії неосновних носіїв) і де струми визначаються біполярним дрейфом носіїв заряду. Доведено, що посилення первинного фотоструму обумовлене з модуляцією біполярної дрейфової рухливості при опроміненні «домішковим» світлом малої потужності. It is created n⁺CdS-nCdS-nSi-structure sensitive to small light signals. Such structure has spectral sensitivity S ≈ 4700 A/W at illumination by laser beam with λ = 0,625 μm and power P = 10 μW/cm² at room temperature and voltage bias V = 40V in the direct branch of current-voltage characteristic. At irradiation by white light with power P = 2,7•10⁻² μW the structure has integrated sensitivity Sint ≈ 110 A/lux (1,2•10⁴ A/W) at the same voltage and temperature. The direct branch of current voltage characteristic of such structure is described by sedate dependences I ~ V² and I ~ V³ which are realised in long diodes (d/L ≥ 10, where d — thickness of the base, L — diffusion length of nonbasic carriers) where currents are defined by bipolar drift of carriers. It is shown, that amplification of the primary photocurrent is caused by modulation of bipolar drift mobility at irradiation by «ipurity» light with low power by such technological parameters as deposition time, substrate temperature and ratio of the sulfur and cadmium ions in the initial solution. 2015 Article Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS / И.Б. Сапаев, Ш.А. Мирсагатов, Б. Сапаев, Р.Р. Кабулов // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 129-135. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108709 53.043;53.023;539.234 ru Физическая инженерия поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Создана структура n⁺CdS-nCdS-nSi, чувствительная к малым световым сигналам. Такая структура при освещении лазерным лучом с λ = 0,625 μm и мощностью P = 10 μW/cm² при комнатной температуре имеет спектральную чувствительность S ≈ 4700 A/W при напряжении смещения V = 40V в прямой ветви ВАХ. А при облучении белым светом мощностью P = 2,7•10⁻² μW структура имеет интегральную чувствительность Sint ≈ 110 A/ lux (1,2•10⁴ A/W) при том же напряжении смещения и температуре. Прямая ветвь ВАХ такой структуры описывается степенными зависимостями I ~ V² и I ~ V³, которые реализуются в длинных диодах (d/L ≥ 10, где d — толщина базы, L — длина диффузии неосновных носителей), и где протекающие токи определяются биполярным дрейфом носителей заряда. Показано, что усиление первичного фототока обусловлено модуляцией биполярной дрейфовой подвижности при облучении «примесным» светом малой мощности. |
| format |
Article |
| author |
Сапаев, И.Б. Мирсагатов, Ш.А. Сапаев, Б. Кабулов, Р.Р. |
| spellingShingle |
Сапаев, И.Б. Мирсагатов, Ш.А. Сапаев, Б. Кабулов, Р.Р. Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS Физическая инженерия поверхности |
| author_facet |
Сапаев, И.Б. Мирсагатов, Ш.А. Сапаев, Б. Кабулов, Р.Р. |
| author_sort |
Сапаев, И.Б. |
| title |
Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS |
| title_short |
Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS |
| title_full |
Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS |
| title_fullStr |
Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS |
| title_full_unstemmed |
Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS |
| title_sort |
механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки cds |
| publisher |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| publishDate |
2015 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/108709 |
| citation_txt |
Механизм усиления фототока в инжекционных фотодиодах на основе фоточувствительной поликристаллической пленки CdS / И.Б. Сапаев, Ш.А. Мирсагатов, Б. Сапаев, Р.Р. Кабулов // Физическая инженерия поверхности. — 2015. — Т. 13, № 2. — С. 129-135. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Физическая инженерия поверхности |
| work_keys_str_mv |
AT sapaevib mehanizmusileniâfototokavinžekcionnyhfotodiodahnaosnovefotočuvstvitelʹnojpolikristalličeskojplenkicds AT mirsagatovša mehanizmusileniâfototokavinžekcionnyhfotodiodahnaosnovefotočuvstvitelʹnojpolikristalličeskojplenkicds AT sapaevb mehanizmusileniâfototokavinžekcionnyhfotodiodahnaosnovefotočuvstvitelʹnojpolikristalličeskojplenkicds AT kabulovrr mehanizmusileniâfototokavinžekcionnyhfotodiodahnaosnovefotočuvstvitelʹnojpolikristalličeskojplenkicds |
| first_indexed |
2025-07-07T21:57:15Z |
| last_indexed |
2025-07-07T21:57:15Z |
| _version_ |
1837026966154248192 |
| fulltext |
Сапаев И. Б., Мирсагатов Ш. А., Сапаев Б., Кабулов Р. Р., 2015 © 129
УДК 53.043;53.023;539.234.
МЕХАНИЗМ УСИЛЕНИЯ ФОТОТОКА
В ИНЖЕКЦИОННЫХ ФОТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ
ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ CdS
И. Б. Сапаев, Ш. А. Мирсагатов, Б. Сапаев, Р. Р. Кабулов
Физико-технический Институт,
Научно-производственное объединение «Физика – Солнце»,
Академия Наук Узбекистана,
Ташкент, Узбекистан
Поступила в редакцию 18.03.2015
Создана структура n+CdS-nCdS-nSi, чувствительная к малым световым сигналам. Такая структура
при освещении лазерным лучом с λ = 0,625 μm и мощностью P = 10 μW/cm2 при комнатной тем-
пературе имеет спектральную чувствительность S ≈ 4700 A/W при напряжении смещения V = 40V
в прямой ветви ВАХ. А при облучении белым светом мощностью P = 2,7·10–2 μW структура имеет
интегральную чувствительность Sint ≈ 110 A/ lux (1,2·104 A/W) при том же напряжении смещения
и температуре. Прямая ветвь ВАХ такой структуры описывается степенными зависимостями I ~
V2 и I ~ V3, которые реализуются в длинных диодах (d/L ≥ 10, где d — толщина базы, L — длина
диффузии неосновных носителей), и где протекающие токи оп ределяются биполярным дрейфом
носителей заряда. Показано, что усиление первичного фо тотока обусловлено модуляцией бипо-
лярной дрейфовой подвижности при облучении «примесным» светом малой мощности.
Ключевые слова: фотодиод, гетеропереход, мощность.
МЕХАНІЗМ ПОСИЛЕННЯ ФОТОСТРУМУ
В ІНЖЕКЦІЙНИХ ФОТОДІОДАХ НА ОСНОВІ ФОТОЧУТЛИВОЇ
ПОЛІКРИСТАЛІЧНОЇ ПЛІВКИ CdS
І. Б. Сапаєв, Ш. А. Мірсагатов, Б. Сапаєв, Р. Р. Кабулов
Створена структура n+CdSe-CdS-nSi, чутлива до малих світлових сигналів. Така структура при
освітленні лазерним променем з λ = 0,625 μm і потужністю P = 10 μW/cm2 за кімнатної тем-
ператури має спектральну чутливість S ≈ 4700 A/W при напрузі зсуву V = 40V у прямій гілці
ВАХ. При опроміненні білим світлом потужністю P = 2,7·10–2 μW структура має інтегральну
чутливість Sint ≈ 110 A/lux (1,2·104 A/W) за умов тієї ж напруги зсуву та температури. Пряма гілка
ВАХ такої структури описується ступеневими залежностями I ~ V2 і I ~ V3, які реалізуються
в довгих діодах (d/L ≥ 10, де d — товщина бази, L — довжина дифузії неосновних носіїв) і де
струми визначаються біполярним дрейфом носіїв заряду. Доведено, що посилення первинно-
го фотоструму обумовлене з модуляцією біполярної дрейфової рухливості при опроміненні
«домішковим» світлом малої потужності.
Ключові слова: фотодіод, гетероперехід, потужність.
THE MECHANISM OF AMPLIFICATION OF PHOTOCURRENT
IN INJECTION PHOTO DIODES ON THE BASIS OF PHOTOSENSITIVE
POLYCRYSTALLINE FILM CdS
I. B. Sapaev, Sh. A. Mirsagatov, B. Sapaev, R. R. Qabulov
It is created n+CdS-nCdS-nSi-structure sensitive to small light signals. Such structure has spectral sen-
si ti vity S ≈ 4700 A/W at illumination by laser beam with λ = 0,625 μm and power P = 10 μW/cm2 at
room tem perature and voltage bias V = 40V in the direct branch of current-voltage characteristic. At
irradiation by white light with power P = 2,7·10–2 μW the structure has integrated sensitivity Sint ≈ 110 A/
lux (1,2·104 A/W) at the same voltage and temperature. The direct branch of current voltage characteristic
of such stru cture is described by sedate dependences I ~ V2 and I ~ V3 which are re alised in long diodes
(d/L ≥ 10, where d — thickness of the base, L — diffusion length of nonbasic carriers) where currents are
defined by bipolar drift of carriers. It is shown, that amplification of the primary photocurrent is caused by
modulation of bipolar drift mobility at irradiation by «ipurity» light with low power by such technological
parameters as deposition time, substrate temperature and ratio of the sulfur and cadmium ions in the initial
solution.
Keywords: photodiode, heterojunction, power.
МЕХАНИЗМ УСИЛЕНИЯ ФОТОТОКА В ИНЖЕКЦИОННЫХ ФОТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ...
ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2130
ВВЕДЕНИЕ
Для обнаружения и регистрации малых оп-
тических сигналов, что является актуаль-
ной задачей современной микроэлектроники
и ин формационной технологии, необходимы
высокочувствительные фотоприемники с вну т-
ренним усилением. Промышленность выпускает
значительное число таких типов фотоприемни-
ков с высокой чувствительно стью, например
лавинные фотодиоды [1]. Однако спектральный
диапазон их чувствии-тельности ограничен об-
ластью собственной фоточувствительности ма-
териала, из которого они изготовлены.
Для обнаружения световых сигналов в ши -
рокой области спектра используются при-
месные фотоприемники. Практически только
фоторезисторы являются приемниками из-
лучения, проявляющими чувствительность
в примесной области спектра. От сюда сле-
дует, что только инжекционные фотодиоды
(ИФД) можно представить как фоторезисторы,
управляемые инжекцией из контактов, обла-
дающих высокой чувствительностью в спек-
тральном диапазоне от ультрафиолетовой (УФ)
до дальней инфракрасной (ИК) области [2].
Несомненным достоинством ИФД является
их высокая фоточувствительность к предель-
но слабым световым сигналам. Инжекционные
фо то диоды являются новым классам фото-
приемников с внутренним усилением. Они
созданы на основе многих полупроводников
(легированные германием, кремнием, арсе-
нидом галлия, антимонидом индия, твердые
растворы соединений А3В5 и другие материалы)
и характеристики их исследованы в [1–3].
В литературе имеются сведения об ин-
жекционных фотодиодах на основе соеди-
нений А2В6, в частности на основе сульфида
[4] и теллурида кадмия [5]. Не достаточные
сведения об инжекционных фотоприемни-
ках на основе соединений А2В6 обусловлены
трудностью получения проводимости p-типа
в таких полупроводниковых материалах, кроме
теллурида кадмия, и малым значением длины
диффузионного смещения неосновных но-
сителей. В работе [4] рассмотрена структура
Ni-i-nCdS-n+CdS на основе монокристаллов
CdS. Усиление фототока в этой структуре при
УФ освещении (λ = 0,22 μm) имеет место,
если увеличен уровень инжекции ос новных
носителей заряда в высокоомную n-область
из неосвещаемой стороны n+-n-перехода.
Кроме этого, инжекционный фотоприемник
чувствителен только в УФ области спектра.
Поэтому представляет интерес создание та-
кого фотоприемника, у которого диапазон
фоточувствительности имел бы более широ-
кий спектр электромагнитного излучения. На
наш взгляд такой фотоприемник можно со-
здать на основе n+CdS-nCdS-nSi-структуры,
где фоточувствительный полупроводник nCdS
является высокоомным компенсированным
материалом.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ
Фоточувствительная n+CdS-nCdS-nSi-
структура была создана путем напыления
порошков CdS (в квазизамкнутой системе в ва-
кууме 10–6–10–5 torr) на поверхность пластинки
кремния n-типа с удельным сопротивлением
ρ ≈ 15 Ом·cm и толщиной 300–400 μm. При
этом температура источника (CdS) составля-
ла Tист. ≈ 800–850 °С, а на подложке (nSi) она
поддерживалась в пределах .≈250–270 °С.
Проведенные исследования при помощи ми-
кроскопа M-4 показали, что пленки CdS со-
стоят из столбчатых кристаллитов (зерен),
которые ориентированы в направлении роста
пленок и разориентированы по азимуту. Было
установлено, что размер кристаллитов сильно
зависит от технологических режимов и прежде
всего от температуры Si подложки. Например,
изготовленные при Tп = 250 °С пленки CdS
имели размер кристаллитов ≈3–5 μm, которые
полностью пронизывали всю толщину пленки d
≈ 2 μm. Таким образом, выращенные CdS плен-
ки являлись высокоомнымними с удельным
сопротивлением ρ ≥ 108 Om·сm. Далее на CdS
пленке формировали n+CdS слой толщиной
~50Å и токосъемный «П»- образный контакт
путем вакуумного испарения In.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ)
изготовленных n+CdS-nCdS-nSi-структур
измерялись в прямом и обратном направ-
лении тока в темноте и на свету при осве-
щенности E = 0,04–50 lux и при комнатной
температуре. Освещение структур производи-
лось лазерным излучением в диапазоне мощности
10 μW/cm2–0,75 mW/cm2 с длиной волны
0,625 μm, а также от лампы накаливания, которая
по своим параметрам практически соответству-
ет эталонной лампе, у которой в одном люмене
И. Б. САПАЕВ, Ш. А. МИРСАГАТОВ, Б. САПАЕВ, Р. Р. КАБУЛОВ
ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2 131
которое приведено в относительных единицах
на рис. 2. Из этого рисунка видно, что кривая
спектрального распределения фоточувстви-
тельности состоит из двух частей. В первой
области с λ≈ 490–495 nm кривая фототока
начинает резко возрастать и своего макси-
мального значения достигает при λ ≈ 735 nm,
затем фототок резко уменьшается с дальней-
шим возрастанием длины волны и при λ ≈
850 nm достигает минимального значения.
Во второй области Iф начинает резко возрас-
тать при длине волны 850 nm и достигает
своего максимального значения при λ ≈
930 nm, а затем Iф начинает плавно умень-
шаться до λ ≈ 1300 nm. Это показывает, что
n+CdS-nCdS-nSi-структура имеет широкий
диапазон спектральной чувствительности от
λ ≈ 490–495 nm до λ ≈ 1200 nm. Как видно
из рис. 2 в первой и второй областях спек-
трального распределения, фототок имеет
разную полярность, что обусловлено
обратным включением потенциальных ба-
рьеров, между n+CdS-nCdS изотипно-
го перехода и nCdS-nSi гетероперехода.
Кроме этого, кривая спектрального распре-
деления фоточувствительности показывает,
что изотипный CdS-nSi гетеропереход на
границе раздела содержит малую плот-
ность поверхностных состояний. Подтверж-
дением является, то, что структура имеет
коэффициент выпрямления выше двух по-
рядков и появление максимума на кривой
I/Io, (λ) при λ ≈ 938 nm, а проведенная к нему
касательная по спаду в длинноволновой об-
ласти спектра отсекает на оси абсцисс длину
волны, соответствующую ширине запрещен-
ной зоны кремния.
мощность элек тромагнитного излучения в ви-
димой области спектра составляет 9,1∙10–3 W [6].
Спектральная зависимость фоточувствитель-
ности структур измерялась на монохроматоре
3МР-3 при комнатной температуре. Источни-
ком излучения служила ксеноновая лампа типа
ДКСШ-1000, работающая в режиме мини-
мально допустимой мощности. Лампа обеспе-
чивала световой поток 53000 lm и яркость до
120 Mcd/m2 в центре светового пятна. Излучение
лампы отградуировано в абсолютных единицах
при помощи термоэлемента с кварцевым окош-
ком РТЭ-9. Лампа ДКСШ-1000 имеет в уль-
трафиолетовой и видимой области сплошной
спектр [7].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены в двой ном ло га риф-
мическом масштабе прямая и об ратная ветви
вольт-амперной ха рактеристики типичной
In-nCdS-nSi-структуры.
Прямым направлением тока в струк-
туре считается, когда к nSi контакту при-
кладывается «+» потенциал, а обратным «–»
потенциал. Анализ ВАХ показывает, что
структура обладает выпрямляющими свой-
ствами и их коэффициенты выпрямления
«K» (определяемые как отношение пря-
мого и обратного тока при фиксированном
напряжении V = 5V), составляют более двух
порядков.
Спектральное распределение фототока
Вначале проанализируем спектральное распре-
деление фототока n+CdS-nCdS-nSi-структуры,
106
101
100
10–1
10–2
0,1 1 10
U, V
1b
1a
2
3
|||
||
|
105
104
103
102
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика структуры
в двойном логарифмическом масштабе в темноте и на
свету: прямая ветвь (1а), на которой указаны первый
(I), второй (II) и третий (III) участки; обратная ветвь
(1b); при освещении белым светом с Е = 4·10–1 lux (2);
при освещении лазерным лучом с λ ≈ 625 nm мощно-
стью 0,75 mW/сm2 (3)
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
–0,2
–0,4
500 600 700 800 900100011001200
λ, nm
0,735 µm
I/I0
0,930 µm
Рис. 2. Спектральное распределение n+CdS-nCdS-nSi-
структуры
МЕХАНИЗМ УСИЛЕНИЯ ФОТОТОКА В ИНЖЕКЦИОННЫХ ФОТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ...
ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2132
Как известно, у CdS гексагональной мо-
дификации (αCdS = 5,84 Ǻ) и Si (αSi = 5,43Ǻ)
постоянные кристаллических решеток α
отличаются почти на 7 %, а для созда-
ния гетероперехода с низкой плотностью
поверхностных состояний их различие
не должно превышать 4 % [8]. Однако
выше приведенные экспериментальные
факты указывают, что на границе разде-
ла контактирующих полупроводниковых
материалов наблюдается низкая плот-
ность поверхностных состояний. Поэтому
предполагается, что в процессе формирова-
ния структуры образуется промежуточный
слой между CdS и Si , который способствует
сглаживанию разницы между постоянными
кристаллических решеток кремния и суль-
фида кадмия. С целью доказательства этого
предположения было исследовано распре-
деление химических элементов по тол-
щине пленки, которое проводилось по ее
сколу. Измерение проводилось на микро-
аналитическом комплексе Jeol-JXA-8900
с помощью ЭДС LINK ISIS (энерго-
дисперсионный спектрометр); погрешность
измерений составляла ±2,0 %. Условия
измерений: V = 20 kV, I = 10 nA. Эталоны:
самородные Cd, и Si, для S — синтетический
FeS. Результаты измерений и микрофотогра-
фия показывают, что присутствие элементов
Cd, S и Si на границе раздела резко уменьша-
ются от единицы почти до нуля на расстоянии
≈1 μm по толщине пленки. Отсюда следует,
что между CdS и Si имеется твердый рас твор
толщиной порядка одного микрометра. Опред-
еление компонентов этого твердого раствора
является объектом дальнейших исследований.
ИССЛЕДУЕМАЯ СТРУКТУРА
В КАЧЕСТВЕ ФОТОДАТЧИКА
На рис. 1 приводятся темновые и световые
ВАХ типичного образца n+CdS-nCdS-nSi-
структуры: в темноте в прямом ( кривая 1a)
и в обратном (кривая 1b) направлениях; пря-
мая ветвь при освещении белым светом с Е =
4·10–1 lux (кривая 2) и прямая ветвь при осве-
щении лазерным лучом с λ ≈ 625 nm мощнос-
тью 0,75 mW/сm2 (кривая 3). Как видно из
рисунка, световые ВАХ сильно отличаются
от темновой вольт-амперной характерис-
тики по величине тока при одном и том же
значении напряжения смещения. Кроме этого
отличие между ними больше, чем больше ве-
личина напряжения смещения — V. Напри-
мер, если темновой ток Iт = 184·10–6 A/cm2
при V = 10 V, то токи структуры, измеренные
под действием лазерного и белого света
соответственно равны 7700·10–6 A/cm2
и 1430·10–6 A/cm2 при том же напряжении
смещения. Отсюда следует, что в исследуе-
мой структуре происходит внутреннее уси-
ление первичного фототока. Проведенный
расчет для фототока (Iф) также подтверж-
дает данное предположение. При расче те
допускалось, что вся падающая све товая
энер гия в виде фотонов генерирует не-
равновесные носители, которые разделяют-
ся потенциальными барьерами без потерь
и вносят вклад в фототок. В этом случае
лазерное облучение с λ ≈ 625 nm и мощ-
ностью 0,75 mВт/сm2 должно генерировать
IФ=3·10–4 A/cm–2, который является фото-
током идеального фотоприемника. Такого
фотоприемника не существует и его невоз-
можно создать в принципе. Тем не менее, эта
величина фототока более чем в 5 раз мень-
ше величины Iф, измеренного при лазерном
облучении с данной мощностью. Отметим,
что лазерное облучение (λ = 0,625 μm) для
сульфида кадмия является примесным об-
лучением. Приведенный эксперимент
показывает, что с уменьшением мощности
лазерного облучения возрастает величина
спектральной чувствительности (Sλ). Напри-
мер, при энергии P = 10 μW/cm2 спектраль-
ная чувствительность ≈1080 A/W при V =
10 V, тогда как при Р = 0,75 mW/cm2 она
равна 6,7 A/W при том же напряжении сме-
щения (табл. 1). Возрастание чувствитель-
ности к малым световым сигналам наглядно
проявляется при облучении образца белым
светом. При освещенности Е = 1 lux на об-
разец с активной площадью S ≈ 4·10–2 cm2
падает c 3,6·10–8 W световой мощности в ви-
димой части электромагнитного излучения
[6]. При этом число квантов, падающих
на образец, составляет N = 1,2·1011 cm–2·s,
а фототок равен 2·10–8A·cm–2. Такое число
квантов получено в предположении, что вся
энергия состоит из энергии фотонов, кото-
рая равна средней энергии квантов падаю-
щих в спектральном диапазоне 490–1300 nm,
И. Б. САПАЕВ, Ш. А. МИРСАГАТОВ, Б. САПАЕВ, Р. Р. КАБУЛОВ
ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2 133
т. е. ηυ .= {2,53 eV(λ = 490 nm) + 0,95 eV
(λ = 1300 nm)}/2 = 1,75 eV(λср = 895 nm).
Таким путем вычисленная величина Iф
в 7·105 раза меньше, чем величина фотото-
ка, измеренного в эксперименте при напря-
жении смещения V = 10V. Напомним, что
вычисленный фототок соответствует величи-
не фототока идеального фотоприемника ра-
ботающего при λср — 895 nm (ηυ — 1,75 eV),
поэтому эта величина завышена, а реальная
его величина, намного меньше. Эксперимент
показывает, что величина Sин уменьшается,
с увеличением энергии белого света, как при
лазерном облучении. Например, при увели-
чении освещенности белого света в 10 раз
от 2,5·10–2 lux до 25·10–2 lux величина инте-
гральной чувствительности уменьшается
в три раза при том же напряжении смеще-
ния V = 10 V(см. табл. 1). Проведенный
анализ показывает, что прямая ветвь ВАХ,
измеренная в темноте имеет два участка,
которые описываются степенными зависи-
мостями тока от напряжения I ~ V2 и I ~ V3
(cм. рис. 1). Такие зависимости реализуется
в длинных диодах (d/L ≥ 10, где d — толщи-
на базы, L — длина диффузии неосновных
носителей), в которых токи определяют-
ся биполярным дрейфом носителей заряда
[9–11]. Появление закономерности зависи-
мости тока от напряжения типа I ~ V3 обус-
ловлено инжекцией плазмы в изолятор. Так
как в исследуемой структуре база (CdS)
является сильно компенсированным
полупроводниковым материалом, весьма
вероятно, что она играет роль диэлектрика.
В этом случае инжектированные свободные
электроны и дырки почти полностью нейтра-
лизуют друг друга, что является условием су-
ществования инжектированной плазмы, их
средние концентрации одинаковы и имеют
одинаковое время жизни. Концентрация
локальных примесных уровней, точнее разни-
ца Nd–NA, предполагается достаточно малой,
чтобы можно было пренебречь любыми изме-
нениями их заселенности. Инжектированная
плазма в диэлектрик ограничивается одновре-
менно рекомбинацией и объемным зарядом.
Световые ВАХ, измеренные при лазерном об-
лучении (рис. 1, кр. 2) и белым светом (рис.1,
кр. 3), также имеют два участка и они почти
параллельны соответствующим участкам
темновой вольт-амперной характеристики.
Эти экспериментальные данные показывают,
что механизм протекания тока в темноте и на
свету один и тот же и они лишь отличаются
по величине тока. Согласно [12], при работе
структур в дрейфовом режиме двойной ин-
жекции решающее значение имеют особен-
ности биполярного дрейфа неравновесных
носителей в толщине n-базы, а вклад в этот
процесс инжектирующего и аккумулирующе-
го контактов несущественны. В работе [13],
Таблица 1
Зависимости фототока (If), интегральной чувствительности (Sint), спектральной
чувствительности (Sλ) от освещенности (Elx), мощности лазерного облучения (Р)
и напряжении смещения (U)
Белый свет Лазерное облучение
Е (lx) V, V
,
2f
A
I
сm
µ
,I
AS
lm
,I
AS
W
, 2
WP
cm
µ V, V
,
2f
A
I
сm
µ
,I
AS
W
0,04 5
10
15
20
40
170
1700
3200
6800
11000
1,7
17
32
68
110
187
1870
3520
7480
12100
10 5
10
15
20
40
4400
10800
13700
16700
47000
440
1080
1370
1670
4700
0,4 5
10
15
20
40
300
2900
5000
9800
20100
0,3
2,9
5
9,8
20,1
33
319
550
1078
2211
750 5
10
15
20
40
800
5000
36000
66000
172000
1,1
6,7
48
88
230
4 5
10
15
4100
5400
13700
0,41
0,54
1,37
45,1
59,4
151
МЕХАНИЗМ УСИЛЕНИЯ ФОТОТОКА В ИНЖЕКЦИОННЫХ ФОТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ...
ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2134
на основе модели диода с длинной базой
[9], теоретически проанализирован меха-
низм фотоэлектрического инжекционно-
го усиления тока. При этом показано, что
когда проводимость базы определяется
инжектированными носителями из контак-
тов, усиление тока определяется модуляцией
подвижности (μ) под действием «примесно-
го» освещения. Это также следует из анали-
тического выражения биполярной дрейфовой
подвижности [13]
μ μ
μ n p
n p
dnn p
dp
n p
−
= µ
µ +
, (1)
где в числителе стоит величина, зависящая
от разности концентраций носителей заряда.
«Примесное» освещение, при котором гене-
рируются носители одного знака, изменяет эту
разность, модулируя параметр μ, этот процесс
сильно влияет на концентрацию носителей за-
ряда, инжектированных из контактов. Кроме
этого следует отметить, что биполярная по-
движность определяется по существу малым
изменением заполнения центров захвата,
связанным малыми изменениями концентраций
свободных носителей. Этот процесс совершен-
но не затушевывается большими значениями
концентраций электронов (n) и дырок (p) [2,
13]. Этим обстоятельством можно объяснить
столь высокие экспериментальные значения
интегральной и спектральной чувствитель-
ности при облучении белым и лазерным (с λ
= 625 nm) светом очень малой мощностью P ≤
3,6·10–2 μW, 10 μW. Из табл. 1 следу ет, что ис-
следуемая n+CdS -nCdS-nSi-структура имеет
наибольшую ин тегральную чувствительность
≈110 A/lm (1,2·104 A/W) при облучении белым
светом мощностью P = 3,6·10–2 μW и напряже-
нии смещения V = 40 V. Отсюда следует, что
такая величина световой энергии является до-
статочной для модуляции биполярной подвиж-
ности. Отметим, что эта величина световой
энергии соответствует полному спектру ви-
димой области электромагнитного излучения,
а необходимая энергия для «примесного» воз-
буждения носителей заряда существенно мень-
ше. Отсюда следует, что приведенное выше
значение интегральной чувствительности силь-
но занижено, а ее реальное значение является
существенно больше. Эти экспериментальные
факты позволяют заключить, что исследуемая
структура способна усиливать первичный фо-
тоток, генерируемый световыми сигналами
мощностью намного меньше, чем 3,6·10–2 μW.
Согласно [14], отношение τp/tp(τp,tp —
время жизни и время пролета для дырок
соответственно) для инжекционного фото-
диода на основе n-полупроводника является
коэффициентом фотоэлектрического инжек-
ционного усиления тока при дрейфовом ме-
ханизме переноса неравновесных носителей
заряда в базе диода. Как указывалось выше,
в исследуемой структуре коэффициент уси-
ления первичного фототока составляет ~7·105
раз при облучении белым светом мощностью
P = 3,6·10–2 μW и напряжении смещения V =
10 V. Отсюда следует, что соотношение τp/tp
≈ 7·105. Это показывает, что в n+CdSnCdS-nSi
-структуре в пропускном направлении тока
при освещении белым светом мощностью
P ≤ 3,6·10–2 μW время пролета неосновных
неравновесных носителей тока становится
во столько раз меньше, чем их время жизни
из-за резкого увеличения скорости биполярно-
го дрейфа. Кроме этого скорость биполярного
дрейфа возрастает не только за счет модуля-
ции величины биполярной подвижности, но
и от роста величины поля в базе структуры,
что наблюдается в эксперименте (см. табл. 1).
Так как
2
τ τ μ
τ
P P
пр
V
L
≈ , (2)
где L — длина базы. Следовательно,
коэффициент фотоэлектрического инжек-
ционного усиления фототока от прило-
женного напряжения смещения возрастает
линейно, что наблюдается в эксперименте
(см. табл. 1). В таких диодах ограничение тока
обуславливается релаксацией фотовозбужде-
ния биполярной скорости дрейфа неосновных
неравновесных носителей. При этом счи-
тается, что время жизни и длина диффузии
неосновных носителей остается неизменной
величиной.
Таким образом, на основе сильно компенсиро-
ванной поликристаллической пленки CdS c ρ ≈
108 Om·сm создана диодная In(n+CdS)-nCdS-nSi-
структура c d/L ≥ 10, у которой прямая ветвь ВАХ
И. Б. САПАЕВ, Ш. А. МИРСАГАТОВ, Б. САПАЕВ, Р. Р. КАБУЛОВ
ФІП ФИП PSE, 2015, т. 13, № 2, vol. 13, No. 2 135
описывается степенными зависимостями I ~ V2
и I ~ V3. В этой структуре протекающие токи
определяются биполярным дрейфом носителей
заряда. Такая диодная структура в пропускном
направлении тока работает как инжекционный
фотодиод и имеет спектральную чувствитель-
ность S ≈ 4700 A/W при облучении лазером
мощностью P = 10 μW (λ = 0,625 μm ) и V =
40 V. Обнаружено, что такая структура при облу-
чении белым светом мощностью P = 2,7·10–2 μW
имеет интегральную чувствительность ≈110 A/
lux(1,2·104 A/W) при том же напряжении смеще-
ния и при температуре T = 293 K.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анисимова И. Д., Викулин И. М., Заи-
тов Ф. А., Курмашев Ш. Д. Полупроводнико-
вые фотоприемники, под ред. В. И. Стафее-
ва. — М.: Радио и связь, 1984, гл. 5. — 101 с.
2. Викулин И. М., Курмашев Ш. Д., Стафе-
ев В. И. Инжекционные фотоприемники //
ФТП. — 2008. — Т. 42. — № 1. — C. 113–127.
3. Стафеев В. И. ФГУП НПО «Орион». —
Мос ква, 2008. — 103 с.
4. Колдаев И. М., Лосев В. В., Орлов Б. М. //
ФТП. — 1984. — Т. 18. — 1316 с.
5. Мирсагатов Ш. А., Утениязов А. К. // Письма
в ЖТФ. — 2012. — Т. 38, вып. 1. — С. 70–76.
6. Фриш Э. Оптические методы измерений.
Часть I. Издательство Ленинградского Уни-
верситета, 1976. — 126 с.
7. Лабораторные оптические приборы / Под
ред. А. А. Новицкого. — М.: Машинострое-
ние, 1979. — 132 с.
8. Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и пе-
реходы металл-полупроводник / Под ред.
проф. В. С. Вавилова. — М.: Идательство
«Мир», 1975. — 425 с.
9. Осипов В. В., Стафеев В. И. // К теории длин-
ных диодов с отрицательным сопротивлени-
ем. ФТП. — 1967. — Вып. 12. — 1795 с.
10. Бараненков А. И., Осипов В. В. Инжекцион-
ный пробой компенсированных полупрово-
дников // ФТП. — 1971. — Т. 5. — 836 с.
11. Бараненков А. И., Осипов В. В. // Вольт-
амперные характеристики длинных диодов
из компенсированных полупроводников //
ФТП. — 1969. — Т. 3, вып. 1. — 39 с.
12. Карагеоргий-Алкалаев П. М., Лейдерман А. Ю.
Фоточувствительность полупроводниковых
структур с глубокими примесями. — Ташкент:
Изд. «ФАН» Узбекская ССР, 1981. — 200 с.
13. Гарин Б. М., Стафеев В. И. // Сб. трудов
МФТИ. Сер. Радио-техника и электрони-
ка. — М.: Изд-во МФТИ, 1972, вып. 2. — 88 с.
14. Kurmashev Sh., Stafeev V., Vikulin I.. Proc.
SPIE, 3182. 59 (1979).
LITERATURA
1. Anisimova I. D., Vikulin I. M., Zaitov F. A.,
Kur mashev Sh. D. Poluprovodnikovye fo to-
priemniki, pod red. V. I. Stafeeva. — M.: Radio
i svyaz’, 1984 gl, 5. — 101 p.
2. Vikulin I. M., Kurmashev Sh. D., Stafeev V. I.
Inzhekcionnye fotopriemniki // FTP. —
2008. — Vol. 42. — No. 1. — P. 113–127.
3. Stafeev V. I. FGUP NPO «Orion». — Moskva,
2008. — 103 p.
4. Koldaev I. M., Losev V. V., Orlov B. M. //
FTP. — 1984. — Vol. 18. — 1316 p.
5. Mirsagatov Sh. A., Uteniyazov A. K. Pis’ma
v ZhTF. — 2012. — Vol. 38, vyp. 1. — P. 70–76.
6. Frish E. Opticheskie metody izmerenij. Chast’
I. Izdatel’stvo Leningradskogo Universiteta,
1976. — 126 p.
7. Laboratornye opticheskie pribory / Pod red.
A. A. Novickogo. — M.: Mashinostroenie,
1979. — 132 p.
8. Milns A., Fojht D. Geteroperehody i perehody
metall-poluprovodnik. / Pod red. prof. V. S. Va-
vilova. — М.: Idatel’stvo «Mir», 1975. — 425 p.
9. Osipov V. V., Stafeev V. I. // K teorii dlinnyh
diodov s otricatel’nym soprotivleniem. FTP. —
1967. — Vyp. 12. — 1795 p.
10. Baranenkov A. I., Osipov V. V. Inzhekcionnyj
proboj kompensirovannyh poluprovodnikov //
FTP. — 1971. — Vol. 5. — 836 p.
11. Baranenkov A. I., Osipov V. V. // Vol’t-
ampernye harakteristiki dlinnyh diodov iz
kompensirovannyh poluprovodnikov // FTP. —
1969. — Vol. 3, vyp. 1. — 39 p.
12. Karageorgij-Alkalaev P. M. , Lejderman A. Yu.
Fotochuvstvitel’nost’ poluprovodnikovyh stru-
k tur s glubokimi primesyami. — Tashkent: Izd.
«FAN» Uzbekskaya SSR, 1981. — 200 p.
13. Garin B. M., Stafeev V. I. // Sb. trudov MFTI.
Ser. Radio-tehnika i elektronika. — M.: Izd-vo
MFTI, 1972, vyp. 2. — 88 p.
14. Kurmashev Sh., Stafeev V., Vikulin I. Proc.
SPIE, 3182. 59 (1979).
|