Дипломная (вкр): Изучение шумовых свойств полупроводников

Рисунок 2.3 - Зависимость относительной спектральной плотности шума от интенсивности подсветки для четырех частот анализа.

Как видно из рисунка 2.3, расчеты, проведенные по данной модели, в достаточной мере соответствуют экспериментально полученным данным.

.2.3 Фотостимулированные преобразования в полупроводниках A^IIB^VI

Влияние движения дислокаций на темновую проводимость и фотопроводимость.

Рассматривая явления, связанные с движением заряженных дислокаций в соединениях A^IIB^VI, можно отметить влияние движения дислокаций на темновую проводимость и фотопроводимость представленную в работах [5-7]. Согласно данным полученным в ходе работ [6, 7], оказалось, что при движении дислокаций темновая проводимость возрастает, а фотопроводимость падает (рисунок 2.4) . Также было установлено, что эти эффекты находятся примерно в прямой пропорциональной зависимости от скорости дислокаций и уменьшаются по мере накопления пластической деформации.

Рисунок 2.4 - Диаграмма деформации и ток проводимости I_пр(t) (а); фототок I_ф(t) образца ZnSе (б): t₁,t₂ - выключение и включение деформирующей машины; скорость деформирования 10 мкм_*мин^-1

В соответствии с предполагаемой в [6,7] моделью, увеличение темновой проводимости вызвано ионизацией глубоких примесных уровней в электрических полях, набегающих на них дислокаций. При этом выброшенные с таких уровней электроны попадают в зону проводимости и увеличивают электропроводимость. Энергетическая диаграмма с изображением движения заряженных частиц представлена на рисунке 2.5. При этом утверждается, что концентрация ионизованных в таком процессе примесей (10⁷-10⁹ см^-3) составляет лишь небольшую часть от их полной концентрации (10¹⁴-10¹⁶ см^-3), данные значения являются крайне малыми для обнаружения их экспериментально.

Рисунок 2.5 - Изгиб энергетических зон вблизи дислокаций

Влияние движения дислокаций на фотопроводимость, проявляющееся в уменьшении времени жизни неравновесных носителей, пока что не имеет однозначной интерпретации. Предполагается, что оно может быть связано с выбиванием дырок с центров медленной рекомбинации и с последующим их захватом на центры быстрой рекомбинации. Однако увеличение темпа рекомбинации при движении дислокаций может происходить и при транспортировке дислокациями захваченных неравновесных носителей к центрам рекомбинации.

Увеличение фоточувствительности и интенсивности люминесценции.

В кристаллах, в результате освещения в интервале от комнатных до более низких температур, происходит значительное увеличение фоточувствительности, сопровождающееся возрастанием интенсивности полосы люминесценции (λ_max = 1.03 - 1.06 мкм в CdS). Эта люминесценция, как было было предложено в работе [8], связана с излучательным захватом электронов на основные акцепторные центры фоточувствительности в CdS (так называемые r-центры). Детальное исследование этих процессов показало, что оба они обусловлены возникновением в кристалле, в результате протекания физико-химических реакций, большого числа акцепторных r-центров фоточувствительности того же типа, которые обуславливают фоточувствительность обычных кристаллов CdS.

Для рассматриваемых процессов ФХР характерны следующие два обстоятельства:

а) одновременно с возникновением новых r-центров в кристаллах всегда образуются в той же концентрации мелкие доноры (E_c - 0.05 эВ), связанные, по-видимому, с междуузельным Сd_i⁺ . Они отчетливо проявляются в спектрах термостимулированной проводимости при низких температурах (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 - Кривые термостимулированного тока до (кривая 1) и после (кривая 2) протекания ФХР

Возрастание пика при 40К обусловлено ростом концентрации соответствующих центров прилипания, возрастание пика при 100К вызвано очувствлением кристалла при постоянстве концентрации центров прилипания;

б) для образования обоих типов центров необходимо присутствие свободных дырок. Они могут быть созданы не только собственным светом или биполярной инжекцией носителей из электродов, но и применением специальной инфракрасной подсветки, возбуждающей в валентной зоне дырки, ранее созданные светом и закрепившиеся на глубоких центрах в кристалле.

Первый факт указывает на происходящий при ФХР распад донорно-акцепторных пар [(r-центр)^{- -} Сd_i⁺] созданных термообработкой на независимые (r-центр)^- и Сd_i⁺.

Второй факт объясняет этот процесс. Рассматриваемый комплекс, оба компонента которого удерживаются кулоновскими силами, может захватить при температурах протекания ФХР только дырку, поскольку акцепторный центр достаточно глубокий (Ev + 1,0 эВ), а донорный - слишком мелкий (Ec - 0,05 эВ).

Отрицательный фотоемкостной эффект.

В пленках Cd_1-xZn_xS и CdS_1-xSe_x впервые обнаружены отрицательный фотоемкостный эффект и отрицательные медленно релаксирующие фотоэффекты, обусловленные переводом электронов, находящихся в наноразмерном приповерхностном слое, с мелких энергетических уровней центров прилипания на более глубокие с меньшей поляризуемостью и с наличием в этих материалах наноразмерных кластеров, играющих роль резервуара для неосновных носителей заряда, приводящих к замедлению релаксации фотоэффектов.

В работе [9] предполагается, что появление положительного фотоемкостного эффекта, наблюдаемого в пленках с высокой фоточувствительностью, связано с изменением зарядовых состояний электрически активных примесей, ответственных за фоточувствительность в данной области спектра.

Наличие технологически неконтролируемых примесей, собственных дефектов решетки и различного типа комплексов приводит к образованию в полупроводниковых соединениях A^IIB^VI центров с глубокими уровнями. Вакансия катиона является основным комплексообразующим дефектом и может находиться в различных зарядовых состояниях.

Переход типа мелкий-глубокий уровень, по-видимому, связан с наличием собственных дефектов решетки и различного типа их комплексов с примесью хлора и кислорода, концентрация и спектр которых контролируются технологическими условиями осаждения и термической обработки.

Поскольку при этом отрицательная фотоемкость наблюдается в коротковолновой области спектра, она может быть обусловлена перебросом электронов в приповерхностной области с мелких уровней на глубокие с меньшей поляризуемостью.

.3 Модели фотостимулированных изменений в полупроводниках

В работе [10] представлена модель фотоиндуцированного шума в полупроводниках. В данной работе причиной роста шума при оптической подсветке поверхностно-барьерной полупроводниковой структуры названа флуктуация поверхностного потенциала полупроводника, вызванная случайными изменениями концентрации неосновных носителей заряда (дырок), которая испытывает дополнительные флуктуации в соответствии с вероятностным характером рекомбинации неравновесных носителей, сгенерированных подсветкой. Этот процесс также характеризуется средним значением времени пребывания носителей в зонах, равным времени их жизни в структуре. Моменты данного случайного процесса определяются параметрами механизма рекомбинации носителей заряда и поэтому могут быть использованы для его исследования. Указанные фотоиндуцированные изменения концентрации носителей заряда: её среднее значение и флуктуирующая составляющая - изменяют электрическое поле ОПЗ и тем самым создают дополнительные постоянную и флуктуирующую компоненты поверхностного потенциала. Последняя увеличивается с ростом мощности подсветки и регистрируется в эксперименте как дополнительный шум полупроводниковой структуры. Увеличение же подсветкой среднего числа носителей заряда приводит к росту тока неосновных носителей, а значит, к снижению дифференциального сопротивления ОПЗ, что отражается в уменьшении уровня теплового шума структуры. Следовательно, в зависимости от соотношения первого и второго моментов случайного процесса при оптической подсветке изменения концентрации фотоиндуцированных неосновных носителей во времени полный шум может увеличиваться или уменьшаться.

В работе [4] высказывается предположение, о том, что экспериментально наблюдающийся шум типа 1/f вызван суперпозицией генерационно-рекомбинационных процессов, обусловленных наличием серии близко расположенных уровней или участка сплошного спектра уровней в запрещенной зоне полупроводника. Тогда при низкой температуре, когда большинство уровней, вносящих вклад в шум 1/f, лежит ниже уровня Ферми, появление дырок может приводить к сильному увеличению шума. При высокой температуре, когда большинство уровней практически пусто, дырки не будут влиять на уровень шума.

Выводы по главе 1

В ходе литературного обзора фундаментальных изданий и периодической литературы, изучены работы по различным фотоэлектрических эффектам в полупроводниках, связанных с влиянием внешнего излучения.

Выяснено, что немонотонная зависимость шума от интенсивности падающего излучения имеет место в различных полупроводниковых устройствах. При этом поведение в элементарных полупроводниках и в соединениях A^IIIB^V довольно предсказуемо. Однако в соединениях А^IIВ^VI имеют место дополнительные эффекты, вносящие изменение в фотоэлектрические свойства полупроводника.

Несмотря на большое количество работ экспериментального и теоретического плана, до настоящего времени отсутствует общая модель, в полной мере описывающая фотостимулированные преобразования в полупроводниках за счет дополнительного светового воздействия. Ввиду этого необходимо создание полной модели, применимой к различным полупроводниковым структурам и в достаточной мере описывающей процессы, происходящие в полупроводниковых материалах при воздействии фоновой засветки и после её окончания.

2. Теоретическое рассмотрение шумовых свойств фоторезисторов при совместном действии напряжения и фоновой засветки

.1 Экспериментальные результаты по шумам фоторезисторов из CdSe

В работах [11-12] приведены результаты экспериментальных исследований шумов фоторезисторов из CdSe, в которых показано, что зависимость спектральной плотности шума фоторезистора от напряжения смещения немонотонным образом зависит от мощности фоновой засветки: существует диапазон напряжений и мощностей засветки, при которых напряжение шума фоторезистора уменьшается в несколько раз. Также экспериментально наблюдались квазипериодические колебания напряжения шума.

Образцы и методика измерения.

В качестве образцов для исследования использовались промышленно выпускаемые фоторезисторы марок СФ 3-4Б и ФР-764, изготовленные из селенида кадмия со структурой вюрцита. Фоторезисторы из полупроводника n-типа проводимости представляли собой тонкую пленку с размерами фоточувствительной площадки L² =(5,8×5,8)мм ² и темновым сопротивлением R0 от 3 до 15 МОм. Освещаемая поверхность пленки покрывалась просветляющим покрытием из TiO2 толщиной около 70 нм. Ширина запрещенной зоны селенида кадмия ΔEg =1,74 эВ, подвижности электронов и дырок составляли соответственно μ_n =800 см ²/(В* с), μ_p = 50 см ²/(В* с).

Экспериментальные исследования проводились на аппаратно-программном комплексе, собранном на базе микрочипа ADuC812.

Схема входной цепи регистрации изменения параметров фоторезистора (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1- Входная цепь схемы регистрации сигнала и шума

Исследовались зависимости шумового напряжения U_ш фоторезистора марки СФ 3-4Б, измеренной на заданной частоте регистрации в единичной полосе частот, от величины прикладываемого к фоторезистору постоянного напряжения V при действии фоновой засветки регулируемой мощности P_ф.

На рисунке 3.2 показана зависимость спектральной плотности шумового напряжения для фоторезистора марки ФР-764, от напряжения смещения и мощности фоновой засветки на частоте 1кГц и при P_ф = 3 отн.ед. В области напряжений V > 5 В обнаружена группа следующих друг за другом минимумов шума. С ростом мощности засветки глубины минимумов уменьшались, а сами минимумы смещались в область больших напряжений смещения.

Рисунок 3.2 - Квазипериодические колебания шума в условиях фоновой засветки

На рисунке 3.3 показана зависимость спектральной плотности шумового напряжения U_ш фоторезистора марки СФ 3-4Б, от напряжения смещения и мощности фоновой засветки на частоте 1кГц и при P_ф = 3 отн.ед. Из рисунка следует, что увеличение P_ф приводит к появлению глубокого минимума шума в области средних значений V с последующим ростом, а затем уменьшением его глубины и перемещением в область малых V .

Рисунок 3.3 - Зависимость спектральной плотности шумового напряжения

Результаты исследования поведения минимума шума с ростом мощности засветки P_ф представлены на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 - Зависимости параметров минимума от мощности фоновой засветки.

На вставке рисунка 3.4 показано определение параметров минимума шума: V_min -положение минимума на оси напряжений (кривая 1); ΔV_min - полуширина минимума (кривая 2), ΔU_ш -глубина минимума (кривая 3). По графику видно, что указанные параметры резко уменьшаются с ростом мощностей засветки. Однако глубина минимума в области малых P_ф имеет подъем, сменяющийся спадом при P_ф >3,5 отн. ед.

.2 Расчет фотопроводимости и напряжения шума при действии фоновой засветки

Фотопроводимость.

В работе [13] представлено выражение для расчета сигнала фотопроводимости на входе схемы регистрации при наличии фоновой засветки, имеющее следующий вид:

, (3.1)

где

, (3.2)

. (3.3)

Данное выражение (3.1) показывает, что влияние фоновой засветки на сигнал фотопроводимости определяется соотношением сопротивления нагрузки и темнового сопротивления фоторезистора: в случае r > R0 фоновая засветка уменьшает сигнал фотопроводимости, а при r < R0 - увеличивает.

Шумовое напряжение.

Согласно работе [13], спектральная плотность полного шума фоторезистора, слагается из четырех различных составляющих спектральных плотностей: теплового шума - U_шT, дробового шума - U_шДР, генерационно-рекомбинационного шума - U_шГР и токового фликкер-шума - U_шF, каждая из составляющих зависит от V и P_ф.

Дисперсия теплового шума имеет следующий вид:

 (3.4)

Из данного выражения (3.4) следует, что фоновая засветка фоторезистора приводит к снижению уровня его теплового шума по закону P_ф, и что уровень теплового шума не зависит от напряжения смещения, что противоречит экспериментальным данным о поведении шума фоторезистора как по влиянию засветки, так и напряжения смещения.