Примесная краевая фотопроводимость полупроводников (стр. 4 из 4)

Увеличение температуры достигалось постепенным выкипанием жидкого азота.

Электроды для подведения тока к полупроводнику создавались механическим нанесением In – Ga-вой пасты на поверхность полупроводника.

Величина тянущего электрического поля варьировалась в интервале от 1 до 300 В. При возбуждении фотопроводимости, зондирующий луч света падал на кристалл, не освещая контакты. В зависимости от цели эксперимента, геометрия освещения кристалла также могла изменяться. В ряде случаев зондирующий луч света фокусировался в центр образца или же расфокусировался до ширины пучка в 2 – 3 мм.

В эксперименте исследовались образцы, которые не легировались в процессе выращивания. Толщина кристаллов составляла около нескольких десятых долей мм и имели плоскую зеркальную поверхность. Темновое сопротивление исследуемых кристаллов достигало значений в несколько ГОм. Длина применяемых в экспериментах кристаллов варьировалась от 2 до 4 мм.

Глава №3. Экспериментальные результаты и обсуждение.

§1. Экспериментальные результаты.

В ходе проведения экспериментов исследованы спектры краевой фотопроводимости монокристаллов CdS при различных температурах образца. В частности, нами изучалась температурная зависимость примесного дополнительного максимума фототока ДМ, расположенного вблизи основного состояния А-экситона. Измерялись зависимости спектрального смещения ДМ, величины фототока в максимуме и его полуширины от температуры.

Исследования проводились в температурном интервале 77 – 300 К. Температура кристалла изменялась от азотной (77 К) и по мере выкипания жидкого азота из криостата, повышалась до комнатной. Скорость изменения температуры составляла на начальном этапе около 2°С/мин, а на завершающем этапе достигала скорости 5°С/мин.

Согласно [40], формирование исследуемого максимума ДМ связано с фототермополевыми переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости через однократно ионизированные мелкие доноры (D⁺), в качестве которых выступают собственно-дефектные состояния кристалла (Cd_i).

На рис. 9 представлены спектры краевой фотопроводимости исследованного образца CdS, измеренные при различных температурах. По мере повышения температуры образца наблюдается ряд изменений в спектральном распределении фототока кристалла CdS. Во-первых, это общеизвестное спектральное смещение края собственного поглощения, связанное с температурной зависимостью ширины запрещенной зоны полупроводника. Во-вторых, скорость спектрального смещения максимума ДМ превышает скорость смещения основных состояний экситонов А, В и С и имеет излом в области 130 К. Скорость смещения экситонов составляет 0,35 мэВ/К, в то время как для максимума ДМ оно составляет около 0,65 мэВ/К до и 0,8 мэВ/К после 130 К. В-третьих, повышение температуры приводит к немонотонному уширению и изменению интенсивности примесного максимума ДМ. Данная диаграмма представлена на рис. 10. В-четвертых, повышение температуры ведет к размытию экситонных состояний, которые при Т = 160 К практически не проявляются в спектре.

§2. Обсуждение экспериментальных результатов.

Приступим к обсуждению полученных данных. Представленную на рис. 9. температурную зависимость кристалла CdS можно объяснить следующим образом. Температурное гашение фоточувствительности, как в собственной области, так и в области максимума ДМ, связывается с увеличением вероятности выброса дырки, захваченной на r-центре с ростом температуры. Напомним, что r-центры—глубокие акцепторные уровни являются центрами фоточувствительности полупроводника, которые захватывают фотодырки, тем самым обеспечивая высокую фоточувствительность полупроводника. Смазывание экситонной структуры с ростом температуры связано с экситон–фононным взаимодействием, которое при повышении температуры приводит к уширению экситонного уровня и соответственно к уменьшению его времени жизни.

Рассмотрим причину немонотонного температурного поведения полуширины примесного максимума ДМ. Как видно из рис. 10. на начальном этапе полуширина примесного максимума с ростом температуры увеличивается с одной скоростью, а начиная с температуры ≈ 220 К наблюдается значительное увеличение этой скорости. Для объяснения такого поведения рассмотрим природу дополнительного максимума ДМ. На рис. 11. показана энергетическая диаграмма, поясняющая формирование максимума ДМ при различных температурах t₁ и t₂. Формирование максимума ДМ связано с фототермическими переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости через мелкий донор D⁺. В реальных кристаллах донорные центры создают не строчку уровней, имеющих одну и ту же глубину залегания, а примесную зону, в которой доноры распределены в некотором интервале энергий. При низких температурах максимум ДМ создается при фототермических переходах с участием самых мелких доноров (случай t₁). При высокой температуре (случай t₂) возможно проявление не только самых мелких уровней доноров, но и доноров, имеющих большую глубину залегания. Представленная модель объясняет повышенную скорость спектрального смещения ДМ от температуры. Поскольку при высокой температуре проявляются все мелкие доноры D⁺, то полуширина этого максимума должна быть больше, чем при низких температурах (t₁).

В ходе температурной зависимости интенсивности максимума ДМ (рис. 10) можно видеть, что до 170 К максимум повышается, а далее при повышении температуры наблюдается его понижение. По нашему мнению, это связано с тем, что одновременно проявляются 2 конкурирующих процесса, один из которых стремится повысить максимум ДМ, а другой – его понизить. Первый процесс, приводящий к увеличению ДМ₁, связан с температурным увеличением вероятности выброса фотоэлектрона с мелкого донора D⁺ в зону проводимости. Второй процесс, понижающий исследуемый нами максимум, связан с обычным тепловым гашением фотопроводимости, о котором было сказано выше.

Заключение

Подведем итоги работы. При повышении температуры в CdS можно наблюдать следующие явления:

1) Край собственного поглощения смещается в длинноволновую область;

2) Наблюдается размытие экситонной структуры;

3) Максимум ДМ, связанный с фототермическими переходами, имеет более высокую скорость смещения, чем край собственного поглощения;

4) Интенсивность максимума ДМ и его полуширина изменяется немонотонно.

Список литературы

1. Френкель Я. И. Введение в теорию металлов. М., 1958. 368 с.
2. Mott N. K. On the absorption of light by crystals // Proc. Royal Soc. 1938. Vol. 167, N930. P. 384-391.
3. Frank J., Teller E. Migration and photohemical action of exitation energy in crystals // J. Chem. Phys. 1938. Vol. 6. P. 861-872.
4. Fano U.A theory of cathode luminescence // Phys. Rev. 1940. Vol. 58. P. 544-553.
5. Apker L., Taft E. Photoelectric emission from F-centers KI // Phys. Rev. 1950. Vol. 79, N6. P. 964-966.
6. Hebb M. H. Mechanism of exiton-enhanced photoelectric emission in alkali haliddes // Phys. Rev. 1951. Vol. 81. P. 702-705.
7. Inchauspe N. Photoconduction in KBr and KJ containing F centers // Phys. Rev. 1957. Vol. 106. P. 898-903.
8. Лущик Ч. Б., Заитов Ф.Н., Лийдья Г. Г. Фотоэлектрические явления в полупроводниках // Киев, 1959. 180 с.
9. Toyozawa Y. The electronic polaron and ionization of trapped election by an exciton // Proc. Theor. Soc. 1954. Vol. 12. P. 421-422.
10. Trlifai M. Non-radiative dicay of exitons on ionized donors and acceptors in semiconducting and dielectric crystals // Czech. J. Phys. 1965. Vol. 15. P. 780-796.
11. Гастев СВ., Лидер К. Ф., Новиков Б. В. «Горячие» экситоны в спектре фотопроводимости кристаллов CdS при 4,2 К // Физ. и техн. полупр. 1973. Т. 7, №5. С. 901-904.
12. Гросс Е. Ф., Каплянский А. А., Новиков Б. В. Структура спектральной кривой внутреннего фотоэлектрического эффекта в кристаллах // Докл. АН СССР. 1956. Т. 110. С. 761-764.
13. Coret A. et Nikitine S. Variation de la photoconductivite d'origine exci-tonique en function de la temperatuur dans Cu20 // Sol. St. Comm. 1969. Vol. 7. P. 87-89.
14. Gross E. F., Novikov B.V. The fine structure of the spectral curves of photoconductivity // J. Phys. Chem. Sol. 1961. Vol. 22. P. 87-100.
15. Киселев В. А., Новиков В. В., Утнасонов С. С, Чередниченко А. Е. Поверхностные флюктуации в твердом растворе Cd(Se,S) с низким содержанием серы и аномальные спектры экситонного отражения // Физ. тв. тела. 1986. Т. 28. С. 2946-2949.
16. Lyons L. E. Photoconductance in tetracene-type crystales: theory of the spectral dependance // J. Chem. Phys. 1955. Vol. 23. P. 220.
17. Miyazawa Т., Tarucha S., Ohomorj Y., Okomoto H. Room-temperature observation of exciton and its electric field effect in GaSb-AUGai-zSb multi quantum well // Surface Science, 1986. Vol. 174. P. 238-239.
18. Гросс Е. Ф-, Новиков Б. В. Структура спектральных кривых фотопроводимости в кристаллах сернистого кадмия // Физ. тв. тела. 1959. Т. 1, вып. 3. С. 357-362.
19. Mark P. Photo-induced chemisorption on insulating CdS crystals // J. Phys. Chem. Sol. 1964. Vol. 25, N9. P. 911-920.
20. Лашкарев В.Е., Сальков Е.А., Хвостов В. А. Квантовый выход внутреннего фотоэффекта в экситонных полосах поглощения // Труды IX Междунар. конф. по физике полупроводников. Москва, 1968 год. Л., 1969. С. 501-504.
21. Соколов Н. С., Новиков Б. В., Гастев С. В. Распад горячих эксито-нов на длинноволновых акустических фононах в кристаллах германия и кремния // Физ. тв. тела. 1976. Т. 10. С. 196-198.
22. Novikov B. V., Sokolov N. S., Gastev S. V. Free-carrier generation via exiton-phonon and exiton-impurity interaction in Ge crystals // Phys. Stat. Sol. (b). 1976. Vol. 74. P. 87-89.
23. Пихтин А.Н., Попов В. А. Аномальный фотоэффект на связанных экситонах в фосфиде галия // Письма ЖЭТФ. 1980. Т. 31, вып. 12. С. 723-726.
24. Соколов Н.С, Новиков Б. В. Исследование структуры энергетических уровней в кристаллах германия по спектрам фотопроводимости // Физ. тв. тела. 1975. Т. 17. С. 3347-3351.
25. Поляков В.Н., Ермаков М.Г., Перов П. Н., Хомич А. В. Влияние кинетических параметров свободных экситонов в CdSe на спектры барьерного фотоотклика // Физ. тв. тела. 1985. Т. 27. С. 2971-2978.
26. Naka N., Husio M., Nagasava N. Two-photon photo-voltaic spectroscopy on wannier exitons in СигО // Физ. тв. тела, 1998. Т. 40. N5. С. 921-923.
27. Гросс Е. Ф., Новиков В. В. Влияние механической обработки поверхности на вид тонкой структуры спектральных кривых фотопроводимости в кристаллах сернистого кадмия // Физ. тв. тела. 1959. Т. 1. Вып. 12. С. 1882-1885.
28. Grigoriev R. V., Novikov B.V., Cherednichenko A. E. Influence of oxygen adsorption on the fine structure of spectral distribution of photoconductivity in CdS crystals // Phys. Stat. Sol. 1968. Vol. 28, N1. P. 85-88.
29. Лидер К. Ф., Новиков Б. В., Пермогоров С. А., Разбирин B.C. Спектры связанных экситонов и радиационные дефекты в соединениях А₂В₆. // Журн. прикл. спектроскопии. 1969. Т. 10, вып. 6. С. 985-991.
30. Novikov В. V., Ilinski А. V., Lider К. F., Sokolov N. S. Determination of exiton diffusion length from photoconductivity low temperature spectra // Phys. Stat. Sol. (b), 1971. Vol. 48. P. 473-480.
31. Wright C.) Boer K. W. Transitions between class I and class II CdS crystals induced by heat-treatment, oxygen de/adsorption and electron bombardment // Phys. Stat. Sol. 1970. Vol. 38, N1. P. 51-55.
32. Schubert R., Boer K. W. Desorption of oxygen and its influence on the electrical properties of CdS single crystal platelets // J. Phys. Chem. Sol. 1971. Vol. 32, N1. P. 77-92.
33. Bargagnolo J. A., Boer K. W. Luminescence spectrum of undoped CdS plateets as a function of slight heat treatment in ultra-high vacuum // J. Lum. 1970. Vol. 1,2. P. 572-580.
34. Bragagnolo J. A., Wright C, Boer K. W. Thermally stimulated desorp-tion from class I CdS crystals and its effect on their electrical properties // Phys. Stat. Sol. (a). 1974. Vol. 24, N1.P. 147-158.
35. В.А. Киселев, Б.В. Новиков, А.Е. Чередниченко. Экситонная спектроскопия приповерхностной области полупроводников. ЛГУ, Л. (1987). С. 162.
36. А.С. Батырев, Н.В. Карасенко, Б.В. Новиков. Вестн. СПбГУ 4, 1(4) 28 (1994).
37. J.A. Bragagnolo, G.M. Storti, K.W. Boer. Phys. Stat. Sol. (a) 22, 639 (1974).
38. R.A. Bisengaliev, E.D. Batyrev, B.V. Novikov, A.V. Sel’kin. Abstr. of Int. Conf. ”Optics of Excitons in Condensed Matter”. St. Petersburg (1997), P. 68.
39. R.W. Smith. Phys. Rev. 105, 3, 900 (1957).
40. А.С. Батырев, Э.Д. Батырев, Р.А. Бисенгалиев, Б.В. Новиков. Влияние подсветки инфракрасным светом на спектры фототока кристаллов CdS.
41. А.С. Батырев, Р.А. Бисенгалиев, О.Э. Ботов, Н.В. Карасенко, Б.В. Новиков∗, Е.В. Сумьянова. Исследование экситонной структуры в спектрах фотопроводимости кристаллов CdS.

[1]Этот эффект наблюдался нами только в кристаллах, содержащих в спектрах ФП один или два длинноволновых дополнительных максимума ДM₁ и ДM₂ [36] (в обозначениях работы [37] I₁(ДM₁) и I_x(ДM₂)). Такие кристаллы составляли большинство в партии исследованных нами образцов.

[2] В этом методе установлена также корреляция между типом ТС спектров ФП и типом спектров фотоотражения, что указывает на важную роль поверхностных состояний и в формировании ТС спектров ФП.