Исследование полупроводникового спектрального калибратора с селективной чувствительностью

Зимина София Олеговна

бакалавр, ОНУ им. Мечникова г. Одесса

Каракис Юрий Николаевич

заведующий лабораторией кафедры экспериментальной физики ОНУ им. Мечникова г. Одесса

E-mail: sophyko@list.ru

Предлагается устройство, работающее в ближней инфракрасной области спектра. На основе полупроводниковых фоточувствительных кристаллов сульфида кадмия, обладающих R- и S-центрами, создан датчик, реагирующий не только на интенсивность возбуждающего света, но и обладающий чувствительностью к определенной длине волны из спектра этого света. Исследованы свойства полученных элементов.

Изучение полупроводниковых элементов, работающих в инфракрасной части спектра привлекает внимание в связи с потребностью применения их для средств связи, диагностики, датчиков излучений, в технологических процессах, систем передачи информации, в медицинских целях, в военном деле и т. д.

В исследуемых полупроводниковых кристаллах, содержащих центры быстрой и медленной рекомбинации, под действием подсветки с постоянной длиной волны из полосы собственного возбуждения, устанавливается фототок I_о. Если одновременно на образец направить монохроматический свет с изменяемой длиной волны, то протекающий фототок I₁ уменьшается. Поэтому эффект назван инфракрасным гашением фототока. Механизм реализации эффекта гашения впервые [2].

На рисунке 1а показано изменение фототока I₁ под действием основного света различных длин волн. Здесь же для удобства показан фототок I₀ под действием подсветки. Как видно из рисунка 1б, наибольший фотоответ в образце возникал при освещении светом с длиной волны 500 нм. Именно это значение длины волны использовалось в дальнейшем в качестве возбуждающей подсветки для образца.

Рис.1. Спектральное распределение фототока под действием совместно основного света и подсветки (а) и только основного света (б).

Поскольку в коротковолновой части спектра в условиях дополнительного возбуждения ток возрастает I₁ >I₀, а в длинноволновой оказывается меньше I₁<I₀ (см. рис. 1а), то должна существовать такая точка Д, когда I₁ =I₀. Назовём эту длину волны коротковолновым порогом эффекта инфракрасного гашения фототока. Включение света с такой длиной волны не изменяет исходного значения фототока I₀.

Процессы, происходящие при этом в кристалле, ранее не изучены. Возможны два варианта. Либо воздействие основным светом при этой длине волны не вызывает никаких изменений. Уже нет возбуждения, но ещё нет и гашения фототока. Либо оба процесса, хотя и в слабой степени, активированы, но равны друг другу. В последнем случае, как и обычно, при действии конкурирующими механизмами, протекающий ток должен быть весьма чувствителен к изменениям внешних условий – температуры, приложенного напряжения, изменения интенсивности основного света и подсветки.

Целью настоящей работы является проверка этих возможностей. Исследовалось изменение пороговой длины волны в точке Д при изменении каждого параметра, а также строилась соответствующая модель, объясняющая эти изменения.

Из анализа графика рис. 1а следует, что в пороговой точке Д присутствуют оба процесса, как фотовозбуждение, так и гашение фототока:

1.  Если бы процессы фотовозбуждения заканчивались при длине волны ранее пороговой точки, а эффект ИК-гашения начинался позже её, то в окрестностях точки Д мы наблюдали бы более или менее выраженное плато, с уровнем равным значению I₀. Именно отсутствие такого плато указывает на то, что реализуется другой механизм. В области пороговой длины волны одновременно происходит возбуждение образца основным светом и ИК-гашение фототока. В самой точке Д эти два процесса скомпенсированы.

2.  Как видно из графика 1б, образец проявляет фоточувствительность вплоть до длин волн 1000 нм. Длина волны света в этой области слишком велика. Он слабо поглощается и количество фотовозбуждённых носителей невелико. Очевидно, что в этих условиях заполнение дырками R-центров оказывается незначительным. Процесс ИК-гашения затруднён. Наблюдается длинноволновый край фотовозбуждения в отсутствие гашения. Это указывает, что в пороговой точке при длине волны 930 нм присутствует процесс фотовозбуждения.

3.  Слева от точки Д кривая I₁(λ) изменяла плавность. Начиная с длин волн порядка 880 нм график I₁(λ) стремится к пороговой точке более резко. Это может происходить, если на вид графика для фототока уже влияет процесс ИК-гашения. Измерить кривую гашения в этой области без участия возбуждения (аналогично пункту 2) невозможно, поскольку процесс гашения принципиально требует участия двух световых потоков. Однако эту зависимость можно вычислить. Для этого был выбран участок кривой I₁(λ) удалённый от точки Д в сторону больших длин волн, где фотовозбуждение уже отсутствует (1000—1040 нм, см. рис. 1б). На этом участке функция I₁(λ) апроксимировалась степенным рядом. Экстраполируя затем эту зависимость до пересечения со значением I₀, мы получали точку разветвления при значениях длин волн меньших, чем в точке Д. То есть процесс гашения начинается при длинах волн, меньших пороговой точки Д. И значит, при длине волны в точке Д гашение фототока присутствует.

4.  В ряде случаев в области пороговой точки наблюдается сложная зависимость кривой I₁(λ) с одной и даже двумя точками перегиба, располагающимися как до, так и после точки разветвления Д. Это легко объяснить исходя из того, что одновременно действующие процессы гашения и возбуждения по-разному зависят от длины волны освещения, причём оба нелинейно. Преобладание одного из процессов для каждой длины волны поглощённого света и порождает изменения нелинейности графика.

Таким образом, все четыре приведённые аргумента свидетельствуют о том, что для области длин волн в окрестности точки Д (920—950 нм) характерна конкуренция возбуждения и гашения, причём в самой точке Д интенсивности этих процессов одинаковы.

С увеличением температуры пороговая длина волны сдвигалась в сторону больших значений (рис. 2а).

Рабочий интервал температур был выбран таким образом, чтобы исключить возможность термической активации дырок в свободное состояние.

Рис. 2. Зависимость координаты точки разветвления от действующей температуры (а) и изменение её положения с ростом приложенного напряжения (б).

Однако при этом могут происходить внутрицентровые термические переходы. На наличие сложной структуры R-центров указывает существование двух минимумов в области гашения фототока (900—1450 нм, рис 1а). Поглощая фононы, равновесные дырки могут переходить с основных уровней R-центров на возбуждённые R΄-центры. При этом заселённость дырками R-состояний уменьшается, а именно они ответственны за вид кривой I₁(λ) в области 1000—1100 нм. Одновременно эта часть зависимости I₁(λ) (см. рис. 1а), как более близкая к точке Д, оказывает определяющее влияние на спектральное положение этой точки. Причём, в соответствии с [4], с изменением температуры спектральное положение минимума кривой I₁(λ) при 1040 нм не изменяется.

При неизменном количестве фотонов, поглощённых дырками на R-центрах в единицу времени, уменьшение заселённости этих уровней сопровождается уменьшением переходов дырок в свободное состояние. Механизм гашения, зависящий от количества этих дырок, ослабевает. Равновесие его с фотовозбуждением возможно при больших длинах волн, где и фотовозбуждение меньше (рис. 1б). В результате точка Д сдвигается в сторону больших длин волн. Сдвиг будет происходить до тех пор, пока увеличение количества активированных ИК-светом дырок не будет компенсировать потери, связанные с воздействием температуры.

В пределах от 10 до 50 В с ростом напряжения точка Д практически линейно смещалась в сторону коротких длин волн. Полученные результаты соответствуют модели, развитой авторами в [3].

Поскольку интенсивности основного и дополнительного света в ходе эксперимента не изменялись, процессы фотовозбуждения как электронов через запрещённую зону, так и дырок с R-центров остаются теми же. Соответственно сохраняется неизменной и концентрация захваченного заряда на R-центрах.

Но при этом происходит ещё один процесс. Фотовозбуждённые дырки находятся в окрестностях исходных R-центров и имеют возможность туда возвращаться. Чем больше приложенное напряжение, тем эффективнее они увлекаются от своих ловушек. За счёт поступления дополнительного количества дырок усиливается процесс гашения. Точка Д смещается к более коротким длинам волн, где равновесие восстанавливается более высоким уровнем фотовозбуждения.

C возрастанием интенсивности света с длиной волны 500 нм точка Д смещалась в сторону более коротких длин волн. Физически это означает, что при этом баланс процессов возбуждения и гашения нарушается. Увеличивается как концентрация свободных электронов, так и концентрация дырок на R-центрах. При этом, хотя интенсивность ИК-света не изменилась, он поглощается лучше. Количество дырок, активированное этим светом в свободное состояние, увеличивается. Таким образом, оба процесса - и фотовозбуждение и гашение фототока - происходят интенсивнее. Однако, если фотовозбуждение возрастает с интенсивностью света примерно линейно, то гашение, согласно [2],осуществляется сверхлинейно. Процесс ИК-гашения фототока преобладает и может быть скомпенсирован в более коротковолновой области, где фотовозбуждение больше. В результате пороговая точка Д оказывается при меньших длинах волн.

Отметим, что проведённые рассуждения справедливы только в области небольших интенсивностей световых потоков, когда число поглощённых квантов света дырками на R-центрах меньше концентрации этих дырок. В противоположном случае, например при очень интенсивном гасящем свете и слабом возбуждающем, наблюдаемая картина может существенно корректироваться уровнем заселённости R-центров. Подробнее границы применимости интенсивностей световых потоков рассмотрены авторами в работе [3].

Изменения в положении пороговой точки Д с увеличением интенсивности основного света простому истолкованию не поддаются. В этом случае, горизонтальная прямая на рис.1а остаётся неизменной, тогда как зависимость I₁(λ) нелинейно модифицируется. В коротковолновой части графика она повышается за счёт дополнительного поглощения квантов собственного света. В длинноволновой части, где межзонных переходов уже практически не происходит, фототок должен понижаться за счёт увеличения поглощённых дырками на R-центрах инфракрасных фотонов. Соответственно при этом увеличивается интенсивность процесса гашения.

В точке Д интенсивность обоих процессов – возбуждения и гашения, возрастает. Но по-разному. Увеличение числа фотонов собственного света вызывает непосредственное увеличение концентрации электронов, а с ней более или менее линейное увеличение фототока. Увеличение же числа поглощённых на R-центрах фотонов может отразиться на фототоке только тогда, когда выбитые дырки попадут на S-центры и вызовут дополнительную рекомбинацию электронов. Как показано в [1], на этом процессе может сказываться возвращение дырок на исходный центр непосредственно после возбуждения. При этом процесс воздействия ИК-фотонами оказывается не таким эффективным. В результате интенсивность роста гашения отстаёт от роста возбуждения. Возобновление баланса оказывается возможным при больших длинах волн, когда процесс фотовозбуждения меньше, но увеличивается темп гашения. Действительно, экспериментально наблюдалось сдвигание пороговой точки Д вправо.

Проведённые исследования показывают, что сама граница перехода к инфракрасному гашению фототока несёт важную информацию о нюансах протекающих процессов. Ранее подобный аспект оставался неизученным.

Таким образом, нами установлено, что для этой спектральной области характерна конкуренция фотовозбуждения и гашения фототока. Именно в силу этого пороговая длина волны оказывается чувствительной к внешним воздействиям.

В частности, её изменение с приложенным напряжением свидетельствует о том, что активирование ИК-фотонами дырок с R-центров происходит в два этапа – часть фотовозбуждённых носителей может возвращаться на исходный центр, никак не участвуя в эффекте инфракрасного гашения.

При возрастании интенсивности дополнительного света граница эффекта смещается в сторону меньших длин волн из-за увеличения концентрации основных носителей. Наоборот, увеличение интенсивности основного света приводит к перемещению границы в сторону больших длин волн за счёт преобладания темпа фотовозбуждения над гашением из-за недостаточно эффективного выброса дырок с R-уровней.

Аналогичные изменения происходят при повышении температуры. Вызывается это уменьшением заселённости дырками основного состояния R-центров.

Изменение положение точки Д может быть использовано для создания спектрально-чувствительного датчика нового типа. В зависимости от применённой калибровки он может одновременно применяться для измерения температуры и\или напряжения и интенсивности света в видимой и ИК-области. При этом, поскольку в самой точке Д разностный ток равен нулю, чувствительность такого устройства может быть очень значительной. В зависимости от легирования исходного кристалла возможно управление спектральным положением пороговой точки.

Список литературы:

1.Зимина С. О., Каракис Ю. Н. Разработка физических основ схем регистрации в ближней инфракрасной области. Международная конференция // Электронная техника и технологии: тезисы докл. Т. 1(18—20 апреля 2011г.). - г. Харьков, 2011. - С. 106.

2.Роуз А.Основы теории фотопроводимости. - М.: Мир, 1966. - С. 192.

3.Бритавський Є., Каракіс Ю. Особливості спектрального розподілу фотоструму в умовах реверсного збудження // Вісник Львівського університету/Серія Фізична. - 2010-№ 45.- С. 199—205.

4.Novikova M. A., Karakis Yu. N., Kutalova M. I. Particularities of current transfer in the crystals with two types of recombination centers // Photoelectronics.- 2005 - № 14. P. 58—61.