Файл: Министерство образования и науки российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования калмыцкий государственный университет им. Б. Б. Городовикова Кафедра экспериментальной и общей физики.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 64
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАЛМЫЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. Б.Б. ГОРОДОВИКОВА»
Кафедра экспериментальной и общей физики
«Допустить к защите»
Заведующий кафедрой
кандитат физико-математических наук,
доцент__________________ Батырев А.С.
«____» ______________ 2019г.
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Эффекты тянущего поля в спектрах краевой фотопроводимости
кристаллов CdSe
Выполнил:
Обучающийся 4 курса очной формы
обучения, направления 04.03.02
«Химия, физика и механика материалов»
Абдакова Р.К. _____________
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук,
доцент_____________ Бисенгалиев Р.А.
Элиста 2019
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………...3
Глава 1. Спектры фотопроводимости полупроводников……………………… 5
-
Фотопроводимость полупроводников……………………………………… 5 -
Влияние электрического поля на электропроводимость полупроводников…………………………………………………………………………….. 9 -
Зонная структура кристаллов CdSe……………………………………….. 15 -
Краевая фотопроводимость кристаллов группы A2B6 и её зависимость от тянущего электрического поля……………………………………………. 16
Постановка задачи………………………………………………………………. 20
Глава 2. Техника и методика эксперимента…………………………………… 21
2.1. Установка для измерения спектров фотопроводимости…………………. 21
2.2. Образцы. Методика эксперимента………………………………………… 21
Глава 3. Спектры краевой фотопроводимости кристаллов CdSe……………. 23
3.1. Экспериментальные результаты…………………………………………... 23
3.2. Обсуждение результатов…………………………………………………… 29
Выводы…………………………………………………………………………... 32
Список литературы……………………………………………………………… 33
Введение
Исследование фотоэлектрических спектров полупроводниковых материалов дает важную, информацию о состоянии и физических свойствах полупроводника. Так, например в спектрах фотопроводимости большинства «чистых» специально не легированных кристаллов группы A2B6 в краевой области спектра проявляются так называемые дополнительные максимумы фототока, связанные с собственно-дефектными состояниями полупроводников. Эти максимумы обладают рядом характерных свойств, которые сравнительно хорошо исследованы в кристаллах CdS. В кристаллах других соединений A2B6 свойства дополнительных максимумов фототока практически не исследованы.
В связи с этим, в данной выпускной работе исследуются эффекты тянущего электрического поля в спектрах краевой фотопроводимости кристаллов CdSe. Измерения выполнены на «сверхчистых» монокристаллах CdSe при комнатной температуре.
Данная выпускная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы.
В первой главе представлен литературной обзор по теме работы, а именно, рассмотрено явление фотопроводимости, приведена данные о влиянии электрического поля на электропроводимость полупроводников, рассмотрена краевая фотопроводимость кристаллов CdS и её зависимость от тянущего электрического поля. Описана зонная структура кристаллов CdSe. В конце главы сформулирована постановка задачи.
Вторая глава содержит описание техники и методики эксперимента. Описана установка для измерения спектров фотопроводимости, а также методика работы с образцами при выполнении эксперимента.
В третьей главе приводятся экспериментальные данные, полученные в ходе исследований спектральных кривых фотопроводимости кристаллов CdSe. Последний параграф этой главы посвящен обсуждению полученных результатов.
В заключении кратко сформулированы основные выводы работы. Список литературы насчитывает 20 литературных источников.
Глава 1. Спектры фотопроводимости полупроводников.
-
Фотопроводимость полупроводников.
Проводимость - способность вещества проводить ток.
В общем случае внутренний фотоэлектрический эффект, изменение проводимости при освещении, может возникать другие причины, в том числе такие как перезарядка (фото ионизации) примесей, генерации нейтральных возбуждений, экситонов, с последующей их авто- или термоионизацией, и т.д. Но мы будем рассматривать только один процесс, возбуждение светом электронов v-зоны в с-зону. Естественно, это может происходить только под действием света с энергией квантов
hv ≥ ΔEg = Ec − Ev . Эту спектральную область поглощения и фотопроводимость в ней называют собственной, в отличие от примесной, при hν < ΔEg .
Здесь образуются сразу два носителя, электрон в с-зоне и дырка в v-зоне. Их концентрации увеличиваются по сравнению с равновесными, так что эти генерированные светом носители называют неравновесными.
Когда освещение выключено, система будет расслабляться до состояния равновесия, то есть до равновесных концентраций. И это может произойти только в результате рекомбинации электронов с дырками. Если такой процесс вообще возможен, то, естественно, он всегда продолжается, если в полупроводнике есть носители. И в темноте, и на свету. Темновая концентрация определяется равенством скоростей термогенерации и рекомбинации; это динамическое равновесие. Для его описания полезно ввести понятие времени жизни носителей в зонах до их рекомбинации, или времени рекомбинации τr .
Подсветку добавляем к тепловому еще одному процессу генерации. Но увеличение концентрации приведет к увеличению скорости рекомбинации. При неизменном значении τr оно пропорционально концентрации.
Таким образом, освещение только в начальный момент времени увеличивает концентрацию носителей, а затем, после времени порядка нескольких τr, ситуация стабилизируется. Концентрации будут увеличиваться на столько, сколько свет генерирует во время τr.
Обычно τr тоже зависит от концентрации носителей заряда, но не всегда.
При достаточно большой энергии квантов свет может генерировать носители с очень большой, по сравнению с kT, кинетической энергией. В этом смысле они отличаются от термически равновесных носителей и энергетическим распределением. Их называют “горячими” (кинетическая энергия соответствует очень kT большим ). Подвижность, конечно, зависит от энергии, но иначе как в специально поставленном эксперименте, особых кинетических свойств этих электронов не наблюдается.
Дело в том, что за время порядка 10-11 с они "термализуются", т.е. за счет столкновений с решеткой теряют избыточную энергию и принимают распределение, диктуемое температурой решетки.
Время жизни носителей в зоне, τr обычно на несколько порядков больше времени термализации.
Поэтому во всех случаях, когда мы измеряем фотосигналы с помощью оборудования, которое не имеет фемтосекундного временного разрешения, мы просто не видим поведенческие особенности горячих электронов.
Поэтому термин «неравновесные носители» будет пониматься только как характеристика их концентрации, и по кинетическим свойствам неравновесные носители неотличимы от равновесных. Они имеют одинаковую эффективную массу, одинаковую длину свободного пробега τr и одинаковое время жизни в зоне.
При hv < ΔEg свет не поглощается и фотопроводимости нет, а при hv ≥ ΔEg поглощается весь свет. Если при этом каждый поглощенный квант образует одну пару носителей, то квантовая эффективность будет в этой области неизменна, а энергетическая – линейно спадать в коротковолновую область. Но реальные зависимости выглядят иначе. На рис. 1., для примера, показаны спектры фотопроводимости для различных полупроводниковых соединений.
Рис.1. Спектральное распределение фототока Iф* в области собственного поглощения, произвольные единицы.
Спектры: 1–ZnS; 2–CdS; 3– CdSe; 4– GaAs; 5– Si; 6– Ge; 7– PbS; 8– PbTe; 9– InSb (5K); 10 – PbSe. Все спектры, кроме InSb, сняты при 90 К.
Имеются два принципиальных различия между реальным и идеальным спектрами:
• плавный рост вместо ступеньки в длинноволновой
• быстрый спад в коротковолновой области фоточувствительности.
Основная причина уширения длинноволнового края спектра фоточувствительности неоднородность реальных кристаллов.
Энергетическая структура полупроводника и, в том числе, ширина запрещенной зоны ΔEg , зависят от структуры кристалла. Но даже при нулевой температуре ионы колеблются относительно их равновесных, идеальных положений. Кристалл не может быть структурно идеален. В нем обязательно есть области повышенной и пониженной плотности расположения ионов.Рис.2.Спектральные характеристики фотодиода на основе GaP при различных температурах Т°С: 1 - -190; 2 - 20; 3 - 200; 4 - 300; 5 – 320
Эти области не стабильны, но стабильно распределение плотностей в кристалле и амплитуда флуктуаций.
Рис.2.Спектральные характеристики фотодиода на основе GaP при различных температурах Т°С: 1 - -190; 2 - 20; 3 - 200; 4 - 300; 5 – 320
Она, естественно, зависит от температуры. С ростом температуры увеличиваются и амплитуды колебаний атомов, и, из-за ангармоничности межатомного взаимодействия, средние расстояния между атомами, что проявляется как тепловое расширение.
Следовательно, от температуры должны зависеть и положение, и крутизна длинноволнового фронта фото чувствительности. На рис.2. показан пример такой зависимости.
Кроме того, в при пороговой области существенно изменяется коэффициент фотоэлектрического поглощения ν(ω), увеличиваясь при продвижении в коротковолновую сторону. При hν = ΔEg энергии фотона хватает только на преодоление запрещенной зоны. Кинетические энергии генерированных электрона и дырки равны нулю, так что у них крайне мала вероятность разделиться и стать независимыми носителями заряда. С увеличением разности hv – ΔEg = Ekn + Ekp эта вероятность растет.
Наконец, третий фактор - это поглощение экситона. Экситоны, связанные состояния электрона и дырки, имеют энергию, немного меньшую ширины запрещенной зоны. Но энергия связи низкая, как правило, меньше, чем kT при комнатной температуре. Поэтому экситон может получать энергию от решетки, достаточную для его «ионизации», разложения на пару носителей. В результате существует конечная вероятность генерации носителей при поглощении света в области hν < ΔEg .
Спад чувствительности в коротковолновой области.
Концентрация фотоносителей пропорциональна их времени жизни, которое ограничивается рекомбинацией. Как правило, в широкозонных полупроводниках рекомбинация происходит не напрямую, при столкновении электрона и дырки, а через локальные центры дефектов кристалла или химических примесей. Дефектный центр захватывает один носитель, затем – другой. Центры, на которых эти два последовательных процесса происходят наиболее эффективно, определяют время жизни носителей, темп их рекомбинации и называются центрами рекомбинации.
Но самый принципиальный дефект кристалла – поверхность. И на поверхности концентрация центров рекомбинации обычно очень велика.
На идеально гладкой поверхности существуют состояния, образованные самим фактом обрыва периодического потенциального поля кристалла. Кроме того, обычно поверхность имеет огромное количество различных дефектов структуры, – ступеньки, вакансии, адсорбированные атомы и т.д.
Поэтому можно предположить, что, достигнув поверхности, носитель будет захвачен некоторым локальным центром и рекомбинирует существенно быстрее, чем в объеме. Вероятность достижения поверхности выше, если весь свет поглощается на малой глубине, то есть при высоких коэффициентах поглощения. Это определяет уменьшение светочувствительности в коротковолновой области, поскольку коэффициент поглощения вещества увеличивается с увеличением hν, поскольку число состояний в зонах, между которыми возможен оптический переход, увеличивается.