О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении

Предложена новая модель АФН-пленки и новые механизмы образования АФН, на основе которых рассчитана высоковольтная фото-ЭДС при собственном и примесном фотовозбуждении. Теоретически предсказана линейная зависимость люксвольтовой характеристики при малых освещенностях, что подтверждается эксперимент...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2005
Hauptverfasser:	Вайткус, Ю.Ю., Юлдашев, Н.Х., Отажонов, С.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2005
Schriftenreihe:	Физическая инженерия поверхности
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98767
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:	О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении / Ю.Ю. Вайткус, Н.Х Юлдашев, С.М. Отажонов // Физическая инженерия поверхности. — 2005. — Т. 3, № 3-4. — С. 219–227. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-98767
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-987672016-04-18T03:02:36Z О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении Вайткус, Ю.Ю. Юлдашев, Н.Х. Отажонов, С.М. Предложена новая модель АФН-пленки и новые механизмы образования АФН, на основе которых рассчитана высоковольтная фото-ЭДС при собственном и примесном фотовозбуждении. Теоретически предсказана линейная зависимость люксвольтовой характеристики при малых освещенностях, что подтверждается экспериментальными ЛВХ пленки CdTe:Ag в монохроматическом свете. Запропоновано нову модель АФН-плівки й нові механізми утворення АФН, на основі яких розрахована високовольтна фото-ЭДС за власного і примісного фотопорушення. Теоретично обгрунтована лінійна залежність люкс-вольтової характеристики при малих освітленнях, що підтверджується експериментальними ЛВХ плівки CdTe:Ag у монохроматичному світлі. It was offered a new model for APV film and new mechanisms of APV formation , on the basic of which high-voltage photo emf was calculated at own and admixture light excitation. Theoretically it was predicted a linear dependence of lux-voltage characteristic at low illuminations, which is confirmed by experimental LVC of the CdTe:Ag film in monochromatic light. 2005 Article О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении / Ю.Ю. Вайткус, Н.Х Юлдашев, С.М. Отажонов // Физическая инженерия поверхности. — 2005. — Т. 3, № 3-4. — С. 219–227. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98767 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	Предложена новая модель АФН-пленки и новые механизмы образования АФН, на основе которых рассчитана высоковольтная фото-ЭДС при собственном и примесном фотовозбуждении. Теоретически предсказана линейная зависимость люксвольтовой характеристики при малых освещенностях, что подтверждается экспериментальными ЛВХ пленки CdTe:Ag в монохроматическом свете.
format	Article
author	Вайткус, Ю.Ю. Юлдашев, Н.Х. Отажонов, С.М.
spellingShingle	Вайткус, Ю.Ю. Юлдашев, Н.Х. Отажонов, С.М. О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении Физическая инженерия поверхности
author_facet	Вайткус, Ю.Ю. Юлдашев, Н.Х. Отажонов, С.М.
author_sort	Вайткус, Ю.Ю.
title	О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении
title_short	О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении
title_full	О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении
title_fullStr	О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении
title_full_unstemmed	О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении
title_sort	о механизме образования высоковольтной фото – эдс в тонких косонапыленных пленках cdte:ag при собственном и примесном поглощении
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2005
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/98767
citation_txt	О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении / Ю.Ю. Вайткус, Н.Х Юлдашев, С.М. Отажонов // Физическая инженерия поверхности. — 2005. — Т. 3, № 3-4. — С. 219–227. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Физическая инженерия поверхности
work_keys_str_mv	AT vajtkusûû omehanizmeobrazovaniâvysokovolʹtnojfotoédsvtonkihkosonapylennyhplenkahcdteagprisobstvennomiprimesnompogloŝenii AT ûldaševnh omehanizmeobrazovaniâvysokovolʹtnojfotoédsvtonkihkosonapylennyhplenkahcdteagprisobstvennomiprimesnompogloŝenii AT otažonovsm omehanizmeobrazovaniâvysokovolʹtnojfotoédsvtonkihkosonapylennyhplenkahcdteagprisobstvennomiprimesnompogloŝenii
first_indexed	2025-07-07T07:01:11Z
last_indexed	2025-07-07T07:01:11Z
_version_	1836970590569758720
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4 219 ВВЕДЕНИЕ В настоящее время достаточно хорошо изу- чен аномальный фотовольтаический эффект в тонких косонапыленных пленках CdTe ( [1– 5]). Так, детально исследованы влияние тех- нологических параметров на изменение по- лярности фото-ЭДС, на угловые, спектраль- ные, люксвольтовые, температурные и другие характеристики тонких слоев со стехиомет- рическим химическим составом и с нару- шенной стехиометрией. Однако до сих пор процессы формирования аномально боль- шого фотонапряжения (АФН ~ 103 В/см) в зависимости от зарядового состояния и энер- гетического спектра структурных неодно- родностей, таких, как собственные дефекты решетки, чужеродные глубокие примеси, по- верхностные уровни не рассматривались. Данная работа посвящена развитию теории образования высоковольтной фото-ЭДС при собственном и примесном поглощении. Предлагается новая модель АФН-пленки и совершенно новые механизмы образования АФН. Анализируются экспериментальные спектры поглощения, тока короткого замыка- ния и люкс-вольтовые характеристики тонкой пленки CdTe:Аg. ТЕОРИЯ Мы рассмотрим более реальную модель АФН-пленки, отражающую реальные тех- нологические условия роста поликристал- лической пленки при косом напылении. На рис. 1 схематически изображена структура АФН-пленки в поперечном сечении, где не заштрихованные области представляют со- бой пористые участки пленки. Асимметрия границ раздела бикристалла acde и bcde′, а также прилегающих им объемов обусловлена асимметрией роста. Это в свою очередь вызы- вает соответствующую асимметрию поверх- ностных и объемных свойств, таких как концентрация поверхностных состояний Nt(см –2), их энергетическое положение в за- прещенной зоне Et и сечения захвата для электронов cnt и дырок cpt, высота приповерх- ностного барьера ψs, концентрация электро- нов n0 и дырок p0 в квазинейтральном объеме при термодинамическом равновесии и т.д. Высоковольтное фотонапряжение VАФН со- гласно предлагаемой здесь модели возникает в результате суммирования элементарных фо- тонапряжений, генерируемых асимметрич- ными межкристаллитными барьерами. Как видно из рис. 1, следует различать трех типов таких барьеров: 1) барьеры на тыловых поверхностях типа a-c и b-c; 2) барьеры на границе раздела типа c-d; 3) барьеры на ес- О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ФОТО-ЭДС В ТОНКИХ КОСОНАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНКАХ CdTe:Аg ПРИ СОБСТВЕННОМ И ПРИМЕСНОМ ПОГЛОЩЕНИИ Ю.Ю. Вайткус, Н.Х Юлдашев, С.М. Отажонов Вильнюсский университет Литва Ферганский университет Узбекситан Поступила в редакцию 27.10.2005 Предложена новая модель АФН-пленки и новые механизмы образования АФН, на основе ко- торых рассчитана высоковольтная фото-ЭДС при собственном и примесном фотовозбуждении. Теоретически предсказана линейная зависимость люксвольтовой характеристики при малых освещенностях, что подтверждается экспериментальными ЛВХ пленки CdTe:Ag в моно- хроматическом свете. Рис.1. Структура АФН-пленки в поперечном сечении с плоскостью, перпендикулярной плоскости подложки ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4220 О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ФОТО-ЭДС В ТОНКИХ КОСОНАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНКАХ CdTe:Аg... тественных поверхностях типа d-e и d-e′. Таким образом, измеряемое фото-ЭДС, во- обще говоря, для однородно-легированных образцов, в которых можно пренебречь пере- зарядкой объемных примесных уровней при освещении, а биополярная длина диффузии носителей LбП >> Lэ – длины экранирования, включает четыре вклада: ( ) ( ) ( ) ( )( ) ФD 3 ФП 2 ФП 1 ФПАФН 1 NVVVVNV +++−= , (1) где N – число периодически расположенных кристаллитов вдоль пленки. Здесь для общ- ности учтена также фото-ЭДС – Дембера или диффузионная фото-ЭДС VФD “элементарной ячейки” acbf′e′def, возникающая при ра- зличных подвижностях электронов и дырок вследствие градиента концентрации избыточ- ных носителей заряда, который появляется из-за неоднородного поглощения света. Механизм возникновения барьерных фото-ЭДС ( )i ФПV при собственном поглощении света полупроводником заключается в сле- дующем. Поверхностные заряды создают изгиба энергетических зон, т.е. поверхност- ных барьеров и области объемных зарядов (003), экранирующих квазинейтральные объемы. Избыточные электронно-дырочные пары, возбужденные светом в 003, про- странственно разделяются встроенным элек- трическим полем поверхностных барьеров и возможен захват избыточного носителя за- ряда одного знака ловушками на поверхности полупроводника. Эти процессы приводит к увеличению концентрации подвижных но- сителей в области барьера, что вызывает понижение первоначальной высоты барьера. Разность между высотой барьера до и после освещения, измеренная в вольтах, и представ- ляет поверхностно-барьерную фото-ЭДС. Следует особо отметить, что каждый вклад ( )iVФП в АФН формируется как разность двух поверхностных фото-ЭДС, имеющих проти- воположного знака, причем ( )1 ФПV и ( )3 ФПV обна- руживают заметную угловую зависимость от освещения, которые могут быть как одного, так и противоположного знака в зависимости от типа поверхностных барьеров (зависящим от технологических параметров). Инверсии знака АФН при фронтальном и тыловом ос- вещении, а также при угловых и спектраль- ных зависимостях, естественно, можно объя- снить различием в знаках ( )1 ФПV и ( )3 ФПV . Вклад ( )2 ФПV , по-видимому, слабо зависит от угла па- дения света и уменьшается также как и другие компоненты АФН, из-за увеличения прово- димости пленки. Таким образом, модель АФН-пленки на рис. 1 позволяет качественно удовлетворительно объяснить все ранее экспериментально обнаруженные особенно- сти эффекта высоковольтного напряжения [1, 6]. Теперь попытаемся количественно рассчи- тать отдельные компоненты ( )iVФП – поверх- ностно-барьерные фото-ЭДС. В случае барье- ра типа 1 для расчета ( )1 ФПV АФН-пленку рас- смотрим как линейную периодическую це- почку последовательно включенных слоев полупроводник (П) – диэлектрик (D) – полу- проводник (П) [7]. Тогда соответствующую модельную зонную диаграмму АФН-пленки можно представить в виде несколько модер- низированной модели Петрица [8] (рис. 2). Диэлектрическую прослойку считаем без- ловушечной, на противоположных гранях ко- торой имеются ряд быстрых поверхностных состояний с отличающимися концентрация- ми. Темновые концентрации электронов n0 и дырок p0 в квазинейтральных объемах по- лупроводников, прилегающих с разных сто- рон к D-слою, также отличаются: n01 ≠ n02, p01 ≠ p02. Такая асимметрия свойств струк- турного элемента ПDП обусловливает асим- Рис. 2. Энергетическая зонная диаграмма АФН-плен- ки в условии термодинамического равновесия и воз- можные электроные переходы, приводящие к обра- зованию фото-ЭДС при собственном и примесном поглощения света. Случай поверхностных барьеров типа 1. ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4 221 метрию поверхностных барьеров, отражаю- щую в конце – концов асимметричной гео- метрии роста кристаллитов. Под действием освещения из спектраль- ной области собственного и даже примесного (типа зона-примесь или примесь-зона) по- глощения асимметричная ПДП – структура генерирует фото-ЭДС. Действительно, в слу- чае примесного поглощения фотона в барьер- ной области, происходит пространственное разделение подвижного носителя заряда од- ного знака и неподвижного примесного иона противоположного знака, что приводит к об- разованию поверхностной фото-ЭДС (1 – ме- ханизм). Если подвижный носитель захваты- вается поверхностной ловушкой и изменяет- ся поверхностный заряд, то появляется еще дополнительный канал образования поверх- ностной фото-ЭДС (2 – механизм). Поско- льку, поверхность и потенциальный барьер с разных сторон D-слоя отличаются по элект- рофизическим свойствам, то алгебраическая сумма поверхностных фото-ЭДС ПDП – структуры ( ) ( ) ( ) s ФПФПФПФП VVVV +−= 1 2, 1 1, 1 , (2) отлична от нуля, и составляет 1-й вклад эле- ментарного фотонапряжения, генерируемое одним структурным элементом АФН-пленки. В результате суммирования таких фотонап- ряжений, согласно (1) и (2), формируется “примесное - АФН”, обусловленное барье- рами типа 1. Здесь очень важно заметить следующие общие особенности образования АФН при примесном поглощении. а) Примесное АФН обусловлено только поглощением света в барьерных областях, т.е. для него отсутствует демберовский механизм образования АФН; б) Для заданного элементарного барьера полярность примесной фото-ЭДС не зависит от типа примесного поглощения, таких как примесь-зона или зона-примесь (электрон- ные переходы типа 1 и 2 на рис.2). в) Межпримесное поглощение света, при котором не возникает подвижные носители заряда, не приводит к образованию АФН (пе- реходы типа 3). Третье слагаемое в правой части (2) опи- сывает фото-ЭДС, обусловленной асиммет- ричным изменением поверхностных зарядов при освещении за счет захвата избыточных носителей ловушками на поверхности: ( ) ( )� ∆−∆ ε δ =ψ−ψ= t tt эфs ф ss ФП nn e е V 21 0 1 , (3) где ∆nt1 и ∆nt2 – изменение концентрации электронов на t поверхностном уровне слева (индекс 1) и справа (2) от D-слоя, δэф – эффек- тивная толщина последнего; 1 * 11 ttt nnn −=∆ , * 1tn , и nt1 = Nt1ft1 – концентрация электронов на t поверхностном уровне при освещении и термодинамическом равновесии. Если счи- тать, что в 003 справедливо приближение постоянных квазиуровней Ферми, то для * 1tn получается выражение [9] =* 1tn ( ) ( ) � � � � � � � � � � � � +�� ∆++ � � � � � � � � � � +∆+ ⋅ � � � � � � � � � � +∆+ = � � � � � � � �ψ−ψ ψ 01 0 01 01 1, 0 0 11, 101 0 1,11, * 1* 1 * 1 1 /1 n pe n pc n nec Nnpcec tkT npt tkT nnt ttpt kT nnt s s s . (4) Здесь ∆nt1 = δn1/ n0 – уровень инъекции элект- ронов, * 1sψ – величина изгиба зон на поверх- ности 1 при освещении, 0 tn и 0 tp – концент- рация электронов и дырок в случае, когда уро- вень Ферми совпадает с уровнем t – ловушки. Величина ∆nt2 вычисляется аналогично ∆nt1 и она согласно (4) сводится к определению ∆n2 и * 2sψ . Первое и второе слагаемые в правой части (2) могут быть представлены в виде ( ) ( )1 * 1 1 1ФП, 1 sse V ψ−ψ= , ( ) ( )2 * 2 1 ФП,2 1 sse V ψ−ψ= (5) т.е. как соответствующее изменение поверх- ностного изгиба зон под действием освеще- ния. Для расчета ∆ni и * siψ необходимо решать систему двух уравнений, а именно уравнения Ю.Ю. ВАЙТКУС, Н.Х. ЮЛДАШЕВ, С.М. ОТАЖОНОВ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4222 О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ФОТО-ЭДС В ТОНКИХ КОСОНАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНКАХ CdTe:Аg... интегральной нейтральности (баланса заря- да) и уравнения генерационно-рекомбина- ционного баланса [9]. Однако решить дан- ную систему уравнений в общем виде не уда- ется. Поэтому далее мы приводим результаты расчета в интересном для нас предельном случае инверсионного изгиба зон, когда один дискретный поверхностный уровень обмени- вается носителями преимущественно с ва- лентной зоной: >> ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ψ−⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∆+ i tsi ni i i ipt n p kTn pc 0 0* 0 0 , exp ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +ψ∆+>> 0 0* , exp1 n n kT c tsi niint . (6) Тогда можно показать [9], что ( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∆⋅+= i i i i n p n e kTV 0 01 ,ФП 1ln , (7) + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ψ−+−=∆ kT si in * si 0i exp v v1 2 1 (8) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ψ−⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ψ− ⋅ ⋅ αη+ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++ kT oisi ikT sisi e n Le ** vv v1 4 1 2 si 0i . Здесь v0i и vsi– скорости рекомбинации в ква- зинейтральном объеме и на поверхности i-го полупроводника (i = 1 слева от D-слоя); α, η и Li – коэффициент поглощения, квантовый выход и интенсивность (прошедшего во внутр пленки, квант/м2⋅с) возбуждающего света. При слабом уровне возбуждения (8) сильно упрощается и сводится к виду kT si iisi i ni si e n L ψ + ⋅ αη≅∆ v v 1 v 00 . (9) Если считать, что уровень инъекции i i ni n p 0 0<<∆ , то из (7) получим: ( ) kTisi i i si e p L e kTV ψ + αη= si 0i0 1 ,ФП v v 1 v , (10) для поверхностной фото-ЭДС, обусловлен- ной изгибом энергетических зон у поверх- ности полупроводника. Тогда соответст- вующий элементарный вклад в АФН от одной ПДП – структурой согласно (2) и (10) будет определяться формулой ( ) ×αη= L e kTV 1 0,ФП (11) � � � � � � � � � � + ⋅− + ⋅× ψ − ψ − kT s kT s ss e LLp e LLp 21 202 2 1 02 101 1 1 01 vv / vv / , где L – интенсивность света, падающего на поверхность пленки. А другой вклад, обу- словленный захватом избыточных дырок по- верхностными ловушками с одним дискрет- ным уровнем, находим из (3) и (4) в соот- ветствии со сделанными выше предположе- ниями: × ε = 0 0 ФП δ tэфs pe V � � � � � � − � � � � � � � � � � � + − + × � � � � � � ψ− � � � � � � � � ψ− 0 01 0 01 1 1 * 1 11 t kT t kT t peppep N ss ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − + − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ψ− ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ψ− 0 02 0 02 2 * 2 2 11 t kT t kT t peppep N ss . Отсюда при малом уровне возбуждения, когда kTss <ψ−ψ 1 * 1 , получим ×αη⋅ ε δ = L pe V tэфs 0 0 ФП − � � � � � � � � � � � � � � � + � � � � � � � + ⋅ × ψψ − kT t kT s t ss eppe LLpN 11 0 01101 1 1 011 vv / (12) ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4 223 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − ψψ − kT t kT s t ss eppe LLpN 22 0 02202 2 1 022 vv / Если подставим (11) и (12) в (2), то окон- чательно имеем ( ) ×αη= L e kTV 1 ФП − � � � � � � � � � � � � � � + δ⋅ + + ⋅× ψψ − kT t tэфt kT s ss epp LN e LLp 11 0 01 2 1 101 1 1 01 / 1 vv / ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + δ⋅ + + ⋅ − ψψ − kT t tэфt kT s ss epp LN e LLp 22 0 02 2 2 202 2 1 02 / 1 vv / , (13) где 02 0 2 / tt pekTL ε= . Для расчета вклада ( )2 ФПV , обусловленной барьерами типа 2 (т.е. границей раздела типа c-d на рис. 1) АФН-пленку представляем пе- риодическую цепочку бикристаллов (рис. 3). Тогда элементарная фото-ЭДС ( )2 ФПV есть фо- то-ЭДС, генерируемая границей одного би- кристалла, которая формируется как разность двух барьерно-поверхностных фото-ЭДС ( ) ( ) ( )2 2,ФП 2 1,ФП 2 ФП VVV −= , (14) т.е. ( )2 ФПV вычисляется аналогично ( )1 ФПV без третьей слагаемой sVФП в (2). Однако заметим, что параметры барьера и поверхности для барьеров типа 2 и типа 1 различаются. Для простоты считаем одина- ковыми скорости поверхностной рекомби- нации слева и справа от границы раздела vs1 = vs2 = vsб (индекс б относится бикристал- лу), также как и поверхностных изгибов зон ψs1 = ψs2 = ψsб без освещения. А равновесные концентрации носителей n0, p0 и скорости рекомбинации в квазинейтральных объемах бикристалла неодинаковы: n01≠ n02, р01≠ р02, v01≠ v02. С учетом этих замечаний в прибли- жении слабой инъекция для фото-ЭДС ( )2 ФПV получаем выражение, аналогичное (11) ( ) ×αη= L е kTVФП 2 (15) � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � + ⋅− � � � � � + ⋅× ψ − ψ − kT sб kT sб sбsб e LLp e LLp vv / vv / 02 2 1 02 01 1 1 01 . Отсюда видно, что в допущенных нами выше предположениях бикристалл генерирует фото-ЭДС за счет различия его объемных параметров. Третий вклад ( )3 ФПV поверхностно-барьер- ной фото-ЭДС связан непосредственно ден- дритной структурой открытой (фронтальной) поверхности АФН-пленки. Мы рассчитаем его как разности “горизонтально составляю- щих” фото-ЭДС, генерируемых дендритными приповерхностями областями, прилегающи- ми к поверхности e-d и d-e′ на рис. 1 (см. также рис. 4). Если параллельный пучок монохромати- ческого света с интенсивностью L падает на поверхность АФН-пленки под углом ϕ к поверхности подложки, то интенсивность прошедшего через границы e-d и d-e′ света будет L1 = T01⋅L⋅sin(α + ϕ) и L2 = T02⋅L⋅sin(ϕ – β). (16) где T0i(ϕ) – энергетический коэффициент про- пускания света i-ой границей раздела ваку- Рис. 3. Энергетическая зонная диаграмма АФН-плен- ки в условии термодинамического равновесия и воз- можные электроные переходы, приводящие к образо- ванию фото-ЭДС при собственном и примесном поглощения света. Случай поверхностных барьеров типа 2. Ю.Ю. ВАЙТКУС, Н.Х. ЮЛДАШЕВ, С.М. ОТАЖОНОВ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4224 О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ФОТО-ЭДС В ТОНКИХ КОСОНАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНКАХ CdTe:Аg... ум – АФН-пленка (который может быть рас- считан формулой Френеля [10]), α и β – угол наклона поверхности e-d (i = 1) и d-e′ (i = 2). Из (16) видно, что даже при однородном ос- вещении поверхности АФН-пленки дендрит- ная структура вызывает асимметрию интен- сивности света по обе стороны границы би- кристаллов. В результате фотогенерации но- сителей тока и их разделения в приповерх- ностных 003 электрические поля в них асим- метрично модулируются, неравенство гори- зонтально составляющих вектора напряжен- ности которых приводит к образованию фото-ЭДС: ( ) ( )3 ,ФП 3 1,ФП ed э V L hV ≅ , ( ) ( )3 ,ФП 3 2,Ф ed э П V L hV ′≅ . (17) Здесь учтено, что ed⋅sinα = de′⋅sinβ = h – вы- сота дендритов (рис. 4). Величины ( )3 ,ФП edV и ( )3 ,ФП edV ′ вычисляются также как, например, ( )1 1,ФПV и ( )1 2,ФПV . Учитывая (16), (17) и (10) для ( )3 ФПV получим следующее выражение: ( ) ×⋅αη= эL hL e kTV 3 ФП (18) ( ) ( ) � � � � � � � � � � + β−ϕ⋅− + ϕ+α⋅× ψ − ψ − kT s kT s ss e Tp e Tp 2,П1,П 2,П02 02 1 02 1,П01 01 1 01 vv sin vv sin , где vsП,1 и vsП,2 – скорости поверхностной ре- комбинации для дендритной поверхности, ψsП,1 и ψsП,2 изгиб зоны на поверхности e-d и d-e′. Если в (18) положим h = 0, то вклад ( ) 03 ФП =V , что естественно отражает отсутст- вие дендритной структуры. Из формул (13), (15) и (18) для парциаль- ных вкладов фото-ЭДС ( )iVФП видно, что рас- смотренные выше все три механизмы обра- зования АФН приводит к одинаковой по структуре выражениям. Согласно этим выра- жениям АФН возникает из-за различия элект- ронных свойств объема (n0, p0, v0) и поверх- ности (ψs, vs) соседних кристаллитов, что не реализуется при нормальном падении моле- кулярного пучка к подложку. При очень ма- лых освещенностях света АФН пропорци- онально коэффициенту поглощения α, кван- товому выходу η, интенсивности света L, ко- эффициенту пропускания Tоi границы раздела вакуум – пленка. Нелинейная зависимость ( )iVФП от L может возникать из-за зависимости скорости объемной v0i и поверхностной vsi ре- комбинаций от освещенности. Конкретный расчет v0i и vsi, так же как и демберовского вклада VФD, выходит за рамки настоящей ра- боты. Такой расчет для монокристалла в определенных приближениях выполнен в работе [9]. ЭКСПЕРИМЕНТ Поликристаллические пленки CdTe:Ag выра- щивались методом термовакуумного испаре- ния со скоростью конденсации ~1,7 нм/с, тол- щиной ~1,0 мкм на стеклянную подложку под углом ~45° между направлением молеку- лярного пучка и нормалью к подложке, тем- пература которой равнялась 250° С при ваку- уме в камере 10–4 ÷ 10–5 мм.рт.ст. Легирование серебром осуществлялось путем подпыления из отдельного испарителя на поверхность Рис. 4. Дендритная структура поверхности АФН-плен- ки и формирование связенное с нею приповерхност- ной фото-ЭДС. ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4 225 подложки или в начальной стадии осаждения пленок. Масса легиранта составляла ~0,3% от мас- сы CdTe. Темновое сопротивление пленок было ~1010 Ом при 290 К и они генерировали VАФН ≈ 300 В на 1см длины при естественном освещении с интенсивностью 104 лк. С целью изучения основных особенностей АФН эффекта, вызывающие светом из об- ласти собственного и примесного поглоще- ния, были измерены спектры оптического по- глощения и спектры тока короткого замыка- ния Iкз (рис. 5). На спектре поглощения света (кривая 1) исследованных пленок CdTe:Ag имеется явно выраженная примесная полоса поглощения: одна более явно выраженная по- лоса с красной границей ~1,3 эВ обусловлена скорее всего, с глубокими уровнями одноза- ряженных вакансий кадмия VCd и их комп- лексов, а другая, в которой коэффициент по- глощения уменьшается от ~103 до 102 см–1 в области 0,7 ÷1,3 эВ, может быть связана с глу- бокими уровнями двух заряженных вакан- сий кадмия (Eопт ≈ 0,7 эВ), вакансий теллура (Eопт ≈ 1,04 эВ), серебра (Eопт ≈ 1,15 эВ) и их комплексов. На спектре Iкз также четко выяв- ляется тонкая структура края фоточувстви- тельности. Из сравнения экспериментальных результатов с теоретическими кривыми сече- ния захвата фотона определены глубокие при- месные уровни с энергиями оптической акти- вации 0,95 эВ, 1,04 эВ, 1,15эВ и 1,30эВ [11]. На рисунках 2 и 3 схематически показаны электронные переходы с участием примес- ного поглощения света, приводящие к обра- зованию примесного АФН. Заметим, что спектры коэффициента поглощения и спектр Iкз хорошо коррелируются. На рис. 6 в двойном логарифмическом масштабе представлены люкс-вольтовые характеристики (ЛВХ) пленок CdTe:Аg при монохроматическом освещении. Как видно из рисунка, что ЛВХ обладают одним типом линейности VАФН ~ Lα и наклон всех кривых почти одинаков (tgα меняется в пределах 0,99 ÷ 1,23), что отражает однотипность дрей- фовых барьеров. Также видно, что с ростом энергии падающих квантов сечения их зах- вата, связанная с генерацией АФН растет, причем этот рост при малых энергиях кванта в области примесного поглощения более су- щественно, а с приближением hν к Еg се- чение захвата фотонов насыщается и при дальнейшем росте hν она практически не Рис. 5. Спектр поглощения (1) и Iкз (2) пленок CdTe:Ag при фронтальном освещении. Рис. 6. Люкс-вольтовые характеристики пленок CdTe:Ag при монохроматическом освещении. Ю.Ю. ВАЙТКУС, Н.Х. ЮЛДАШЕВ, С.М. ОТАЖОНОВ ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4226 О МЕХАНИЗМЕ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ФОТО-ЭДС В ТОНКИХ КОСОНАПЫЛЕННЫХ ПЛЕНКАХ CdTe:Аg... зависит, что отражает спектра коэффициента поглощения (см. рис. 5). СРАВНЕНИЕ ТЕОРИИ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ Если в полученных формулах (13), (15) и (18) которые справедливы лишь при малых ин- тенсивностях L пренебрегаем слабой частот- ной зависимостью выражения в квадратной скобке, то спектр VАФН будет определяться в основном частотными зависимостями коэф- фициента поглощения α(v) и квантового вы- хода η(v), связанными с генерацией АФН: VАФН ~ α(v)⋅η(v). Поскольку Iкз ~ VАФН, то спект- ры Iкз и VАФН(v) совпадают. В случае при- месного поглощения α(v) = σфi⋅ni, где σфi – сечение захвата фотона i-м примесным цен- тром, ni – концентрация заполненных i-цен- тров, которая имеет пространственную неоднородность в ООЗ. В генерации VАФН участвует определенная доля α, связанная поглощением фотонов только в барьерных областях с электронными переходами типа 1 и 2 (см. рис. 2 и 3). Неполное совпадение экс- периментальных спектров поглощения α(v) и тока короткого замыкания Iкз(v) в примес- ной области поглощения (рис. 5) обусловлено заведомо существенной частотной зависи- мостью квантового выхода η(v) поглощения фотона примесными центрами с последую- щим пространственным разделением фото- носителя одного знака и иона. Из сравнения спектральных кривых α(v) и Iкз на рис. 5 вы- ходит, что квантовый выход для примесной АФН в области частот hv < 0,95 эВ ничтожно мал, однако с ростом частоты в пределах (0,95 ÷ 1,3) эВ η увеличивается более чем в 103 ра- за, тогда как α – менее 1 порядка. В области частот hv ≥ Eg = 1,50 эВ (Т ≈ 300 К) коэф- фициент поглощения a также, как и кванто- вый выход η, а значит и Ιкз испытывает насы- щение. Вообще говоря, множитель в квадратной скобке в формулах (13), (15) и (18) может об- наружить частотную зависимость через ско- рости объемной v0i и поверхностной vsi реком- бинаций, а также через коэффициентов про- пускания T0i. В зависимости от технологии получения Iкз (т.е. VАФН) может даже испы- тать инверсию знака [12]. В известных до сих пор теоретических ра- ботах (см. например, [1]) утверждалось, что люксвольтовая характеристика АФН при ма- лых освещенностях носит сублинейный ха- рактер. В отличие от этих работ по результа- там настоящей работы VАФН линейно зависит от L. Действительно, как видно из формул (13), (15) и (18) если считать, что при малых интенсивностях света величины v0i и vsi не зависят от L, то VАФН обнаруживает линей- ную зависимость от L: VАФН ~ L. Если анали- зировать экспериментальные люкс-вольто- вые характеристики в монохроматическом свете, представленные на рис. 6 для несколь- ких значений энергии падающих фотонов из примесной полосы поглощения, то можно утверждать, что ЛВХ исследуемых АФН-пле- нок имеет вид VАФН ~ Lα, причем значение α изменяется в пределах (0,99 ÷ 1,23). Отсюда можно заключить, что действительно в со- ответствии с теорией экспериментальные ЛВХ при малых освещенностях в пределах ошибок измерения носит линейный харак- тер. Небольшое отклонение α от 1 обуслов- лено, по-видимому, не учтенной зависимос- тью от L величин v0i и vsi. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предлагаемая здесь модель АФН пленки и механизмы образования высоковольтной фото-ЭДС исходит из реальной структуры роста косонапыленной пленки и не допус- кает абстрактной гипотетической модели ти- па p-n-p-структуры или асимметричной ани- зотропии электрических свойств. В принципе она может быть уточнена конкретными расчетами α, η, v0i, vsi, T0i или коэффициента инъекции ∆n при определенном выборе спектра объемных и поверхностных уровней. Развитая теория образования АФН качест- венно удовлетворительно согласуются с пред- ставленными здесь спектральными и люкс- вольтовыми характеристиками VАФН. ЛИТЕРАТУРА 1. Адирович Э.И. и др. Фотоэлектрические яв- ления в полупроводниках и оптоэлектроника. – Ташкент: “Фан”, 1972. – 343 с. (С.143-229). 2. Дапкус Л.З., Валацка К.К., Бакутис И.П., Ясу- тис В.В. Некоторые особенности изменения ФІП ФИП PSE, 2005, т. 3, № 3-4, vol. 3, No. 3-4 227 ABOUT MECHANISM OF HIGH-VOLTAGE PHOTO EMF FORMATION IN THIN SLANTING DEPOSITED FILMS CdTe:Ag BY OWN AND ADMIXTURE ABSORPTION Yu. Vaytkus, N. Yuldashev, S. Otazhenov. It was offered a new model for APV film and new mechanisms of APV formation , on the basic of which high-voltage photo emf was calculated at own and admixture light excitation. Theoretically it was predicted a linear dependence of lux-voltage characteristic at low illuminations, which is confirmed by experimental LVC of the CdTe:Ag film in monochromatic light. ПРО МЕХАНІЗМ УТВОРЕННЯ ВИСОКОВОЛЬТНОЇ ФОТО-ЭДС У ТОНКИХ КОСОНАПИЛЕНИХ ПЛІВКАХ CdTe:Аg ЗА ВЛАСНОГО І ПРИМІСНОГО ПОГЛИНАННЯ Ю.Ю. Вайткус, Н.Х. Юлдашев, С.М. Отажонов Запропоновано нову модель АФН-плівки й нові механізми утворення АФН, на основі яких роз- рахована високовольтна фото-ЭДС за власного і примісного фотопорушення. Теоретично обгрун- тована лінійна залежність люкс-вольтової харак- теристики при малих освітленнях, що підтверд- жується експериментальними ЛВХ плівки CdTe:Ag у монохроматичному світлі. субструктуры, пьезоэлектрического заряда и высококвольтной фото-ЭДС в косонапылен- ных пленках CdTe//Lietuvos Fizikos Rinkinys. – 1981. – XXI, № 1. – С. 59-64. 3. Гулый Е.Г. Жадько И.П., Романов В.А. Фото- вольтаические свойства асимметричной пе- риодической p-n-p-структуры//ФТП. – 1982. – Т. 16, Вып. 2. – С. 331-336. 4. Дошанов К.М. Механизм АФН эффекта в по- ликристаллических полупроводника//ФТП. – 1990. – Т. 24, Вып. 7. – С. 1251-1263. 5. Агарев В.Н., Степанова Н.А. К теории эффек- та аномального фотонапряжения в много- слойных структурах с p-n-p-переходами ФТП. – 2000. – Т. 34, Вып. 4. – С. 452-454. 6. Атакулов Б.А., Абдуллаев Э.А., Афузов А.Я, Билялов Э.И., Рахимов А.У. Деформационные эффекты в неоднородных полупроводниках. – Ташкент: “Фан”, 1978. – 275 с. 7. Абдуллаев Э.А., Юлдашев Н.Х. //В сб. Мате- риалы III Всесоюзного научно-технического семинара-совещания “Перспективы развития и практическое применение методов тензо- метрии при исследовании прочности конст- рукций”. Фергана. – 1983. – С. 108-130. 8. Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел. – М.: Изд. “Иностранной литературы”, 1962. – 432 с. 9. Зуев В.А., Саченко А.В., Толпыго К.Б. Не- равновесные приповерхностные процессы в полупроводниках и полупроводниковых при- борах. – М.: Сов. Радио, 1977. – 256 с. 10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: “Наука”. – 719 с. 11. Вайткус Ю.Ю., Сенулис Ф.Д. Отажонов С.М., Эргашев Ж. Аномальный фотоэффект в плен- ках CdTe при возбуждении из примесной об- ласти поглощения. Лит. физ.// Сб. 1986.– XXVI, № 5. – С. 602-606. 12. Вайткус Ю.Ю., Отажонов С.М. Взаимосвязь структуры и фотоэлектрических свойств пле- нок СdTe, обладающих примесным аномаль- ным фотонапряжением//Кристаллография. – 1992. – Т. 37, Вып. 2. – С. 474-478. Ю.Ю. ВАЙТКУС, Н.Х. ЮЛДАШЕВ, С.М. ОТАЖОНОВ

О механизме образования высоковольтной фото – ЭДС в тонких косонапыленных пленках CdTe:Ag при собственном и примесном поглощении

Institution

Ähnliche Einträge