Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ОТРИМАНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ



ВСТУП

Кристали CdJ2 належать до класу шаруватих низько розмірних матеріалів типу АІІВVII2, займають проміжне положення між добре вивченими діелектриками АІВVII і напівпровідниками АІІВVI, є ефективними люмінофорами та фотопровідниками з асимбатною залежністю фотопровідності та фотолюмінесценції. Кристалічна гратка їх будується шляхом паралельної упаковки пакетів-сендвічів типу J-Cd-J, всередині яких діють сильні ковалентно-іонні зв’язки, а між структурними шарами – слабкі Ван-дер-ваальські сили. Такі кристали є перспективними матеріалами для потреб сучасної фізики зокрема в галузі нанотехнологій.

На сьогодні доволі добре вивчені оптичні та люмінесцентні властивості таких шаруватих матриць і дуже мало інформації є стосовно їх електричних і, зокрема фотоелектричних характеристик. Серед причин цьому: велика ширина забороненої зони цих матеріалів (близько 3,2 еВ при кімнатній температурі), дуже низька концентрація основних носіїв заряду [1], а також проблема омічності контактів, котрі використовуються для вимірювань. А тому, при дослідженні зокрема фотопровідності (ФП) кристалів йодистого кадмію, як і інших галоїдних сполук кадмію (ГСК), вияснення ролі контактів в системі метал – кристал – метал має надзвичайно важливе значення.

При вимірюваннях спектрів пропускання (поглинання) в електричному полі та спектрів фотопровідності кристалів CdJ2 авторами [2] встановлений факт ідентичності цих спектрів незалежно від способу нанесення срібних контактів (напиленням чи нанесенням срібної пасти). Відомо також [наприклад, 3,4], що на контакті метал – напівпровідник можливе утворення потенціального бар’єру з викривленням зон при вирівнюванні положень рівнів Фермі. Тому, для побудови схеми контакту Ag – CdJ2 – Ag в першу чергу потрібна інформація про тип провідності напівпровідника. В [5] встановлено, що при 10 К і 80 К кристали CdJ2 володіють п – типом провідності, а при 300 К автор допускає можливість переходу до р – типу провідності йодистого кадмію.

 

МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ

В роботі досліджувались монокристали CdJ2, вирощені методом Бріджмена – Стокбаргера із сировини, яка була попередньо очищена зонною плавкою. Практично ідеальні плоскопаралельні зразки вирізалися розміром 10 х 10 х 0,2 мм3. Електричні контакти наносилися двома способами: напиленням срібла чи срібною пастою типу К-13 б з питомим опором 5·10-4 Ом·см (ОСТ 4ГО 054.045 2303). Вимірювання вольт-амперних характеристик (ВАХ) показало [2], що такі контакти в широкому інтервалі напруженостей електричного поля (від 0 до 103 В/см) є омічними. Для порівняння здійснено вимірювання із застосуванням блокуючи електродів.

На комплексній вакуумній установці проведено оптико-люмінесцентні та фотоелектричні дослідження чистих та активованих міддю кристалів йодистого кадмію в температурному діапазоні 77 … 350 К та спектральній області 200 … 2000 нм. Досліджувались та порівнювались результати вимірювань зразків без контактів, зразків із контактами із срібної пасти, а також зразків, на яких були блокуючи електроди. Крім цього, при досліджуваннях область контакту в одних випадках була неосвітленою, а в інших випадках – освітленою.

 

 

ОТРИМАНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

Проведені дослідження фотоелектрорушійної сили конденсаторним методом [6] свідчать про те, що при температурах вище 220 К спеціально неактивовані кристали йодистого кадмію володіють р­- типом провідності. В подальшому для розрахунків використовувались експериментальні дані про роботу виходу срібла Ам = 4,42 еВ [7] та поріг зовнішнього фотоефекту кристалів CdJ2, визначений із вимірювань фотоелектронної емісії [8], що складає 6,5 ... 7,5 еВ. Враховуючи, що у випадку р- типу провідності рівень Фермі ЕF розміщений у нижній частині половини забороненої зони кристалу йодистого кадимію (Eg при кімнатній температурі для CdJ2 складає 3,2 еВ [9]), отримуємо, що АМ < Aнп. В цьому випадку схема контактів системи Ag - CdJ2 матиме вигляд, зображений на рис. 1.

Рис. 1. Схема контакту Ag – CdJ2.

 

Для визначення висоти бар’єру Шотткі на контакті Ag - CdJ2 використовувалась методика вимірювання залежності фотоструму від енергії падаючих квантів в області емісії носіїв, збуджених світлом із металу в напівпровідник [10]. Значення висоти бар’єру φ = q·Фв = 1,9 еВ від рівня Фермі EF. Враховуючи теоретичні розрахунки енергетичних зон кристалів CdJ2 [11], положення рівня Фермі, відраховане від стелі валентної зони складає EF = 1,28 еВ, а величина згину зон φо = 0,62 еВ. (Енергія електронного споріднення CdJ2 складає χ = 3,3 еВ, а робота виходу Анп = 5,22 еВ).

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) системи Ag – CdJ2 – Ag, побудована у напівлогарифмічному масштабі, є симетричною і складається, в основному, з трьох ділянок. Початкова ділянка 1 на ВАХ (до різниці потенціалів порядку 0,1 В) зумовлена тунельним струмом [7]. Для напруг зміщення більших (3kT/e) густина струму пропорційна exp (eV/nkT) (рис. 2, ділянка 2), де п – коефіцієнт ідеальності, який в нашому випадку складає величину п =7,2. Відмінність від одиниці значення п свідчить про значний вклад рекомбінаційних процесів у збідненій носіями області контакту, що характерно для випадку контактів із високими бар’єрами та малими часами життя носіїв заряду.

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика кристалу CdJ2 при Т = 295 К.

 

Оскільки висота бар’єру практично незалежить від прикладеної напруги, подальше відхилення ВАХ від лінійної при великих напругах зміщення (рис. 2, ділянка 3) зумовлене найімовірніше спадом частини напруги на послідовно включеному опорі Rs, зумовленому нейтральністю кристалу між збідненою областю та омічним контактом. Густина струму при цьому пропорційна exp[e(V-IRs)/nkT].

Таким чином, в кристалах CdJ2, що знаходиться в контакті з шаром металу Ag, утворюється потенціальна m-s структура типу бар’єру Шотткі, причому енергетичні зони в області контакту зігнуті вниз.

Результати дослідження положення краю фундаментального поглинання кристалів CdJ2 в електричному полі при використанні ізолюючих (випадок 1) та омічних (випадок 2) контактів із срібла подано у [6]. В першому випадку, незалежно від полярності прикладеної напруги (відносно освітленого електроду), спостерігається зсув краю фундаментального поглинання в довгохвильову область спектра, тобто має місце ефект Франца – Келдиша. У другому випадку положення краю фундаментального поглинання кристалів CdJ2 залежить від напрямку прикладеного електричного поля, що вказує на сумарний прояв ефекту Франца – Келдиша та контактних явищ, пов’язаних з існуванням бар’єру Шотткі. Контактні явища відповідають за зміщення краю фундаментального поглинання кристалів CdJ2 на ΔЕ = 20 меВ при 290 К і 23 меВ при 80 К в довгохвильову область спектра при від’ємній полярності та в короткохвильову сторону при додатній полярності прикладеної до кристалу напруги [6, 15].

Електричне поле збіднює чи збагачує приповерхневий шар кристалу електронами, при цьому змінюється область просторового заряду, а значить, суттєво зменшується чи збільшується концентрація поверхневих електронних станів. Тому можна вважати, що залежність положення краю фундаментального поглинання (при наявності омічних контактів) від полярності прикладеної зовнішньої напруги пов’язана з величиною діелектричної щілини в області просторового заряду.

Як відомо[12-14], домішка міді в кристалах йодистого кадмію відіграє особливу роль. І, зокрема, при невеликих концентраціях активатора (до 1 мол.%) мідь суттєво збільшує інтенсивність як фотопровідності, так і фотолюмінесценції CdJ2. Цей факт дозволяє використати такі активовані міддю кристали йодистого кадмію для більш детального і більш точного вивчення впливу контактів на рекомбінаційні процеси в них.

а б

 

в г



Рис. 3. Спектри збудження фотолюмінісценції (а- 1,1', б - 2,2'), спектри ФП (в - 3,3') та ФЛ (г - 4,4') чистих кристалів CdJ2 (а - 1,1') та кристалів CdJ2:Cu (б - 2,2,' в - 3,3', г - 4,4') із срібними контактами: 1,2,3 – область контакту неосвітлена; 1',2',3' – область контакту освітлена.

На рис. 3 показано вплив освітленості контактів зі срібла на спектри фотопровідності (ФП), спектри збудження люмінесценції (СЗЛ) та спектри фотолюмінесценції (ФЛ) кристалів CdJ2 чистих і з домішкою міді. Встановлено, що освітлення зразків CdJ2 в області контакту веде до зменшення інтенсивності та до деякого зміщення спектрів ФЛ в короткохвильову область спектра, а також до збільшення (до двох порядків величини) ФП по відношенню до спектрів ФЛ і ФП зразків з неосвітленими контактами.

Оскільки використання ізолюючих контактів не веде до гасіння інтенсивності ФЛ та виходячи з існуючих уявлень про процеси, що протікають на межі метал – напівпровідник, можна вважати, що на гасіння ФЛ та ріст інтенсивності ФП визначальним фактором є вплив енергетичних бар’єрів в області контакту.

При фотозбудженні кристалів CdJ2 без освітлення контактів рекомбінація в таких бар’єрах практично відсутня внаслідок збіднення області просторового заряду основними носіями. При освітленні бар’єра різко збільшується концентрація іонізованих світлом центрів свічення. В таких умовах електрони із валентної зони переводяться на рівні цих центрів, а дірки переводяться полем до поверхні кристалу та рекомбінують там без випромінювання. Це і зумовлює гасіння величини ФЛ та зростання фотоструму в приконтактній ділянці зразка.

 

ВИСНОВКИ

Проведені дослідження свідчать про те, що освітленість приконтактної області та постійне електричне поле впливає не тільки на спектральне положення краю фундаментального поглинання кристалів йодистого кадмію, але і веде до збільшення відносної інтенсивності (величини) фотоструму, частково зменшує інтенсивність й змінює спектральний склад люмінесцентного потоку на користь короткохвильового свічення. Оскільки люмінесценція активованих міддю кристалів йодистого кадмію має при температурах кипіння рідкого азоту домінуючі два канали рекомбінації: фосфоресценція з максимумом при ~2,2 eB та флюоресценція з максимумом ~2,5 еВ, то така зміну спектрального складу люмінесцентного свічення вказує на зростання швидкої компоненти випромінювальної рекомбінації нерівноважних носіїв заряду, генерованих поблизу електричних контактів. Збільшення дефектності кристалів поблизу контактів сприяє більш швидшій релаксації фотогенерованих носіїв, що стимулює гасіння фосфоресценції в прибар’єрній ділянці зразка.

 

Антонюк В.Г. - к.ф.-м.н., доцент кафедри фізичної та біомедичної електроніки;

Рудка М.М. – к.ф.-м.н., доцент кафедри фізики;




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.