Модели токопереноса в гетеропереходе CdS Cu

Модели токопереноса в гетеропереходе CdS Cu. S. Система CdS-Сu2S представляет собой неидеальный анизотипный гетеропереход у которого различие постоянных кристаллических решеток контактирующих полупроводников CdS 5.832 Е и Cu2S 5.601 Е составляет 4. Столь значительное различие периодов решеток при формировании гетероперехода создает высокую плотность дислокаций несоответствия на поверхности раздела.

Оборванные связи в дислокациях приводят к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне, ответственных за захват носителей или за их рекомбинацию и оказывают существенное влияние на перенос заряда через обедненную область 3,4. Было предложено немало моделей, объясняющих процессы, протекающие в гетеропереходе.

Вид зонной диаграммы и характер токопрохождения не могут быть описаны в рамках модели Андерсона, учитывающей только ток, текущий благодаря инжекции. Для гетероперехода известно несколько вероятных механизмов протекания тока через область барьера, реализующихся в зависимости от внешних условий электронный и дырочный токи при фотовозбуждении 1,2, термоэмиссионный 3, эмиссионно-рекомбинационный 4, туннельно-рекомбинационный ток 5,6 См. рис.3 . Рис.3. Вероятные механизмы токопереноса в области пространственного заряда гетероперехода CdS-Cu2S.Для согласования теории с данными экспериментов, Бьюб предложил модель туннелирования электронов через зубец в зоне проводимости.

Ширина зубца, а следовательно и вклад туннельного тока в вольтамперную характеристику определялась глубокими уровнями дефектов в ОПЗ. Однако этот случай реализуется далеко не всегда. Модель многоступенчатого туннелирования через эти состояния с последующей рекомбинацией на гетерограницах предложили Райбен и Фойхт для Ge-GaAs и Мартинуцци для CdS-Cu2S. При таком подходе, однако, невозможно точно определить вероятность туннельных переходов с одного уровня на другой и не учитывается ограничение туннельной проводимости скоростью рекомбинационных процессов на границе раздела.

В ряде публикаций 5,6,7,8 был предложен туннельно-прыжковый механизм токопереноса. Здесь учтены статистические распределения носителей и их взаимодействие с фононами. Определена также вероятность прыжка между соседними локальными состояниями.

Большое количество моделей, объясняющих процессы в гетеропереходах CdS-Cu2S, обусловлено различной технологией их получения, нестабильностью гетеропереходов в процессе работы, деградацией характеристик и другими причинами 3. На рисунке 4 приведены типичные кривые спектрального распределения тока короткого замыкания гетеропереходов с различным химическим составом базового слоя. 3. Рис.4. Спектральное распределение тока короткого замыкания тыльнобарьерных фотоэлементов с различным составом базового слоя1 - нелегированный CdS2 - CdS с примесью 0.01 In3 - CdZnS с примесью 0.2 In. На рисунке 5 изображена детальная зонная диаграмма гетераперехода, построенная Дасом, который использовал теоретическую модель Ротворфа и другие модели.

Значения всех параметров перехода, использованные в этой диаграмме, были определены экспериментально 4. Рис.5. Энергетическая зонная диаграмма гетероперехода CdS-Cu2S.Фотоэлектрические свойства гетероперехода CdS-Cu2S подробно рассмотрены ниже. 3. Фотоэлектрические свойства гетероперехода CdS-Cu2S. В основу формирователя сигналов изображения положено свойство неидеального гетероперехода CdS-Cu2S накапливать положительный заряд неравновесных дырок на локальных уровнях.

На зонной диаграмме рис.6 изображены процессы, происходящие в ФСИ при освещении. Резкое различие в проводимости сульфидов кадмия и меди приводит к тому, что область пространственного заряда локализована практически полностью со стороны CdS 4. Рис.6. Зонная диаграмма ФСИ.При фотовозбуждении квантами из области собственного поглощения сульфида кадмия появляются неравновесные электроны и дырки переходы 1. Электроны удаляются полем барьера в объем базовой области, а дырки захватываются вблизи границы раздела на ловушки и центры рекомбинации переходы 2. Наличие таких компенсирующих центров с большой концентрацией фактически является одним из основных свойств рассматриваемого гетероперехода.

Поле барьера способствует накоплению дырок в ОПЗ, поэтому даже при незначительном уровне фотовозбуждения распределение положительного заряда в CdS значительно изменяется, что приводит к росту емкости перехода.

Кроме того, распределение энергии электрона от координаты изменяется с квадратичного на экспоненциальное. При этом резко возрастает напряженность электрического поля у границы раздела гетероперехода 3. Ток короткого замыкания Iкз формирователя изображения находится в прямой зависимости от пространственного распределения электрического потенциала цx, а это распределение непосредственно связано с концентрацией дырок, локализованных на ловушках.

Как показано в 3 8где - фототок в отсутствие потерь на границе раздела - подвижность электронов в CdS - скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела. Поскольку дрейфовая скорость электронов определяется из соотношения 9что равнозначно 10выражение 8 можно переписать 11Таким образом, изменяя освещенность гетероперехода с помощью собственной для сульфида кадмия подсветки можно управлять распределением цx, а, следовательно, и дрейфовой скоростью электронов и величиной тока короткого замыкания Iкз. При проецировании на образец какого-либо изображения, его точки освещаются по разному, что приводит к различной концентрации дырок, захваченных на ловушки и соответственно к различному изгибу энергетических зон в ОПЗ. Если проецирование прекратить, то различие в концентрации дырок сохраняется достаточно долгое время что позволяет использовать гетеропереход в качестве устройства, запоминающего оптическую информацию.

Считывание этой информации возможно при сканировании образца инфракрасным светом.

Длительность ИК - импульсов при сканировании должна быть как порядка 10 мкс, так как более длинные импульсы будут вызывать активное оптическое опустошение ловушек, т.е. высвобождение дырок с локальных уровней в валентную зону переход 6. С помощью ИК - подсветки можно также производить стирание изображения, при этом образец освещают импульсами большой длительности с высокой частотой следования.

После чего образец пригоден для повторного запоминания другого изображения. Информация, полученная при сканировании образца, обрабатывается компьютерными методами и затем может воспроизводиться на экране компьютера. Процессы записи и считывания могут быть значительно разнесены во времени, однако длительное хранение сопровождается термическим опустошением ловушек, что приводит к постепенной утрате оптической информации.

При хранении образца при температуре около 0oС считывание информации возможно в течении 6-8 дней. Повышение температуры хранения приводит к более быстрому термическому высвобождению дырок в валентную зону. Более подробно явления удаления захваченного заряда будут рассмотрены ниже. 4.