КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА CdS-Cu₂S.

Дипломная работа

студента 5-го курса

физического факультета

Барды Алексея Валерьевича

Научные руководители –

канд. ф.-м. наук,

доцент Виктор П.А.

ст.н.с. Борщак В.А.

О Д Е С С А - 2000 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 3

ГЛАВА I. ГЕТЕРОПЕРЕХОД CdS-Cu₂S, ЕГО СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. 5

Общие свойства гетеропереходов. 5

§ 2. Модели токопереноса в гетеропереходе CdS – Cu₂S. 9

§ 3. Фотоэлектрические свойства гетероперехода CdS-Cu₂S. 12

§ 4. Механизмы выброса захваченного заряда в ОПЗ гетероперехода CdS-Cu₂S. 15

§ 5. Технология изготовления гетеропары CdS-Cu₂S. 19

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОПЕРЕХОДА CdS-Cu₂S И ИХ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. 25

Общие понятия о сенситометрии. 25

Описание экспериментальной установки. 27

§ 8. Исследование сенситометрических характеристик преобразователя изображения на основе гетероперехода CdS-Cu₂S. 29

Моделирование и компьютерный расчет характеристических кривых. 33

ВЫВОДЫ 37

ЛИТЕРАТУРА. 38

ВВЕДЕНИЕ.

Исследование гетеропереходов представляет собой важный раздел физики полупроводниковых приборов, который сформировался в последние четыре десятилетия на основе изучения эпитаксиального выращивания полупроводников.

Барьеры на диаграмме энергетических зон, связанные с различием в ширине запрещенной зоны двух полупроводников открывают новые возможности для конструкторов.

Гетеропереходы используются в лазерах, вычислительной технике, интегральных схемах. Электрооптические свойства гетеропереходов нашли практическое применение в фототранзисторах и в солнечных элементах.

Однако в этой области имеется еще много нерешенных проблем, многие классы гетеропереходов еще ожидают своего тщательного изучения и применения.

Основная часть достижений в исследованиях гетеропереходов связана с использованием гетеропары GaAs-AlGaAs, в которой осуществлен так называемый идеальный гетеропереход. При этом использованы полупроводники с однотипной кристаллической решеткой, которые имеют настолько близкие значения постоянных своих решеток, что на границе не возникает электрически активных дефектов.

Однако физика и техника гетеропереходов имеют и другой важный аспект - создание, исследование и практическое применение неидеальных гетеропереходов. Такие структуры образованы поликристаллическими полупроводниками с несовпадающими константами кристаллических решеток, зачастую и различных решеточных симметрии. В неидеальных гетеропереходах наблюдается большой набор различных эффектов и явлений, связанных с различными свойствами полупроводников по обе стороны границы, а также с появлением большого количества электрически активных дефектов на гетерогранице, принимающих участие в токопереносе, поглощении и излучении световых квантов.

Перспективность практического применения неидеальных гетеропереходов связана в первую очередь с более экономичной технологией создания поликристаллических гетероструктур в сравнении с монокристаллическими.

Одним из направлений в изучении неидеальных гетеропереходов является возможность применения критериев, разработанных в классической фотографической сенситометрии, к преобразователям оптического изображения в электрический сигнал на основе гетероперехода CdS-Cu₂S.

Целью данной работы является создание математической модели характеристической кривой и расчет основных сенситометрических характеристик (γ-коэфициент контрастности и S-фоточувствительность) формирователя сигнала изображения (ФСИ) на основе гетероперехода CdS-Cu₂S, используя в качестве исходных данных характеристики локальных центров в гетеропереходе.

ГЛАВА I. ГЕТЕРОПЕРЕХОД CdS-Cu₂S, ЕГО СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

Механизмы протекания тока.

В резком гетеропереходе благодаря разрывам ΔE_c и ΔE_v высоты потенциальных барьеров для электронов и дырок разные. Поэтому при прямом смещении в гетеропереходе обычно происходит односторонняя инжекция носителей из широкозонного полупроводника в узкозонный.

Инжектированные носители (в данном случае дырки) должны преодолеть потенциальные барьеры (“пики”), возникающие из-за разрывов зон. Механизмы протекания тока через эти барьеры, дополнительные по сравнению с p-n - переходом (туннельный и термоинжекционный) зависят от величины смещения на гетеропереходе, температуры, а также от степени легирования полупроводников.

В плавном гетеропереходе заряда на неосновные носители заряда действует внутреннее электрическое поле ε_i, возникающее вследствие изменения E_g. При прямом смещении в этом случае также происходит односторонняя инжекция дырок в более узкозонную часть.

Фотоэффект.

Как и в p-n переходе фотоэффект в гетеропереходе возникает за счет пространственного разделения в поле объемного заряда носителей, возбужденных светом. При освещении полупроводника со стороны широкозонного полупроводника в узкозонном поглощаются фотоны с энергией:

Eg₁<h υ<Eg₂

(7)

где h - постоянная Планка

υ - частота излучения.

Широкозонный полупроводник служит в этом случае "окном", прозрачным для света, поглощаемого в узкозонном слое, и защищает область генерации неравновесных электронно-дырочных пар от рекомбинационных потерь на поверхности кристалла [2].

§ 2. Модели токопереноса в гетеропереходе CdS – Cu₂S.

Система CdS-Сu₂S представляет собой неидеальный анизотипный гетеропереход у которого различие постоянных кристаллических решеток контактирующих полупроводников CdS (5.832 Å) и Cu₂S (5.601 Å) составляет 4%. Столь значительное различие периодов решеток при формировании гетероперехода создает высокую плотность дислокаций несоответствия на поверхности раздела. Оборванные связи в дислокациях приводят к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне, ответственных за захват носителей или за их рекомбинацию и оказывают существенное влияние на перенос заряда через обедненную область [3,4].

Было предложено немало моделей, объясняющих процессы, протекающие в гетеропереходе. Вид зонной диаграммы и характер токопрохождения не могут быть описаны в рамках модели Андерсона, учитывающей только ток, текущий благодаря инжекции.

Для гетероперехода известно несколько вероятных механизмов протекания тока через область барьера, реализующихся в зависимости от внешних условий: электронный и дырочный токи при фотовозбуждении (1,2), термоэмиссионный (3), эмиссионно-рекомбинационный (4), туннельно-рекомбинационный ток (5,6) (См. рис.3) .

Рис.3. Вероятные механизмы токопереноса в области пространственного заряда гетероперехода CdS-Cu₂S.

Для согласования теории с данными экспериментов, Бьюб предложил модель туннелирования электронов через "зубец" в зоне проводимости. Ширина "зубца", а следовательно и вклад туннельного тока в вольтамперную характеристику определялась глубокими уровнями дефектов в ОПЗ. Однако этот случай реализуется далеко не всегда.

Модель многоступенчатого туннелирования через эти состояния с последующей рекомбинацией на гетерограницах предложили Райбен и Фойхт для Ge-GaAs и Мартинуцци для CdS-Cu₂S. При таком подходе, однако, невозможно точно определить вероятность туннельных переходов с одного уровня на другой и не учитывается ограничение туннельной проводимости скоростью рекомбинационных процессов на границе раздела.

В ряде публикаций [5,6,7,8] был предложен туннельно-прыжковый механизм токопереноса. Здесь учтены статистические распределения носителей и их взаимодействие с фононами. Определена также вероятность "прыжка" между соседними локальными состояниями.

Большое количество моделей, объясняющих процессы в гетеропереходах CdS-Cu₂S, обусловлено различной технологией их получения, нестабильностью гетеропереходов в процессе работы, деградацией характеристик и другими причинами [3].

На рисунке 4 приведены типичные кривые спектрального распределения тока короткого замыкания гетеропереходов с различным химическим составом базового слоя. [3].

Рис.4. Спектральное распределение тока короткого замыкания тыльнобарьерных фотоэлементов с различным составом базового слоя:

1 - нелегированный CdS;

2 - CdS с примесью 0.01% In;

3 - CdZnS с примесью 0.2% In.

На рисунке 5 изображена детальная зонная диаграмма гетераперехода, построенная Дасом, который использовал теоретическую модель Ротворфа и другие модели. Значения всех параметров перехода, использованные в этой диаграмме, были определены экспериментально [4].

Рис.5. Энергетическая зонная диаграмма гетероперехода CdS-Cu₂S.

Фотоэлектрические свойства гетероперехода CdS-Cu₂S подробно рассмотрены ниже.

§ 3. Фотоэлектрические свойства гетероперехода CdS-Cu₂S.

В основу формирователя сигналов изображения положено свойство неидеального гетероперехода CdS-Cu₂S накапливать положительный заряд неравновесных дырок на локальных уровнях.

На зонной диаграмме (рис.6) изображены процессы, происходящие в ФСИ при освещении.

Резкое различие в проводимости сульфидов кадмия и меди приводит к тому, что область пространственного заряда локализована практически полностью со стороны CdS [4].

Рис.6. Зонная диаграмма ФСИ.

При фотовозбуждении квантами из области собственного поглощения сульфида кадмия появляются неравновесные электроны и дырки (переходы 1). Электроны удаляются полем барьера в объем базовой области, а дырки захватываются вблизи границы раздела на ловушки и центры рекомбинации (переходы 2). Наличие таких компенсирующих центров с большой концентрацией фактически является одним из основных свойств рассматриваемого гетероперехода. Поле барьера способствует накоплению дырок в ОПЗ, поэтому даже при незначительном уровне фотовозбуждения распределение положительного заряда в CdS значительно изменяется, что приводит к росту емкости перехода. Кроме того, распределение энергии электрона от координаты изменяется с квадратичного на экспоненциальное. При этом резко возрастает напряженность электрического поля у границы раздела гетероперехода [3].

Ток короткого замыкания Iкз формирователя изображения находится в прямой зависимости от пространственного распределения электрического потенциала φ(x), а это распределение непосредственно связано с концентрацией дырок, локализованных на ловушках.

Как показано в [3]:

(8)

где - фототок в отсутствие потерь на границе раздела;

- подвижность электронов в CdS;

- скорость поверхностной рекомбинации на границе раздела.

Поскольку дрейфовая скорость электронов определяется из соотношения:

(9)

что равнозначно:

(10)

выражение (8) можно переписать:

(11)

Таким образом, изменяя освещенность гетероперехода с помощью собственной для сульфида кадмия подсветки можно управлять распределением φ(x), а, следовательно, и дрейфовой скоростью электронов и величиной тока короткого замыкания Iкз.

При проецировании на образец какого-либо изображения, его точки освещаются по разному, что приводит к различной концентрации дырок, захваченных на ловушки и соответственно к различному изгибу энергетических зон в ОПЗ.

Если проецирование прекратить, то различие в концентрации дырок сохраняется достаточно долгое время что позволяет использовать гетеропереход в качестве устройства, запоминающего оптическую информацию.

Считывание этой информации возможно при сканировании образца инфракрасным светом. Длительность ИК - импульсов при сканировании должна быть как порядка 10 мкс, так как более длинные импульсы будут вызывать активное оптическое опустошение ловушек, т.е. высвобождение дырок с локальных уровней в валентную зону (переход 6).

С помощью ИК - подсветки можно также производить стирание изображения, при этом образец освещают импульсами большой длительности с высокой частотой следования. После чего образец пригоден для повторного запоминания другого изображения.

Информация, полученная при сканировании образца, обрабатывается компьютерными методами и затем может воспроизводиться на экране компьютера. Процессы записи и считывания могут быть значительно разнесены во времени, однако длительное хранение сопровождается термическим опустошением ловушек, что приводит к постепенной утрате оптической информации.

При хранении образца при температуре около 0^oС считывание информации возможно в течении 6-8 дней. Повышение температуры хранения приводит к более быстрому термическому высвобождению дырок в валентную зону.

Более подробно явления удаления захваченного заряда будут рассмотрены ниже.

§ 4. Механизмы выброса захваченного заряда в ОПЗ гетероперехода CdS-Cu₂S.

Гетеропереход CdS-Cu₂S может находиться в двух различных состояниях. Одно из них - равновесное - обладает низкой чувствительностью к инфракрасному свету и позволяет получить невысокое значение тока Iкз. Другое состояние - неравновесное - высокочувствительно к ИК - свету и дает значительно большую величину тока короткого замыкания.

Переход из равновесного состояния в неравновесное осуществляется при действии коротковолнового света за счет описанного выше эффекта захвата и накопления неравновесных дырок на ловушках в ОПЗ CdS

Время сохранения структурой неравновесного состояния определяется величиной рекомбинационного барьера и процессом выброса дырок из ловушек, идущего наряду с накоплением. Но после прекращения действия коротковолновой подсветки выброс начинает играть решающую роль в токопереносе, так как освобождение захваченного заряда обусловливает обратные изменения параметров барьера и переход структуры из неравновесного состояния в равновесное.

Интенсивность выброса определяет величину и скорость этого изменения параметров барьера, а значит и Iкз. Поэтому представляется важным звать, как именно выброс влияет на параметре барьера после прекращения фотовозбуждения коротковолновым светом, как быстро они изменяются со временем.

Удаление дырок, захваченных на ловушки в ОПЗ CdS, возможно по следующим четырем механизмам (Рис.7):

1.термический выброс в валентную зону CdS (переход 1);

2.непосредственное туннелирование дырок с ловушечных центров валентную зону Cu₂S (переход 2);

3.двухступенчатое туннелирование электрона из квазинейтральной области CdS в ОПЗ (переход 3) и последующей рекомбинации с неравновесной дыркой;

4.туннельно-прыжковая рекомбинация (переход 4)

Рис.7. Механизмы удаления захваченных на ловушки дырок из ОПЗ гетероперехода CdS-Cu₂S

Наличие последнего механизма связано с тем, что дефекты трансляционной симметрии в ОПЗ приводят к размыванию краев разрешенных зов и образованию в запрещенной зоне отличной от нуля плотности состояний N(E). По этим локальным состояниям возможен токоперенос, описываемый с позиций модели прыжковой проводимости Мотта. Часть электронов, находящихся на локализованных состояниях, может рекомбинировать с дырками, захваченными на ловушки, очевидно, что рекомбинировать могут лишь носители, находящиеся вблизи уровня Ферми, т.к. выше носителей нет. а ниже все состояния заполнены и прыжок совершить некуда. Таким образом, рекомбинировать могут только относительно подвижные носители, расположенные на энергетическом расстоянии порядка kT от уровня Ферми E_F.

Вероятности осуществления указанных механизмов находятся в сильной зависимости от глубины залегания дырочных ловушек, E_T, температуры образца и пространственной координаты локальных центров в ОПЗ.

Внешнее смещение оказывает на механизёмы выброса разное влияние, так, термический выброс (1) от напряжения не зависит вообще, непосредственное туннелирование (2) зависит слабо, а двухступенчатая рекомбинация я туннельно-прыжковый механизм проявляют сильную зависимость от внешнего смещения.

Кинетика выброса дырок по перечисленным механизмам при фотовозбуждении описывается уравнением:

(12)

где f -функция генерации, имеющая постоянное значение;

-тепловая скорость носителей;

S_pt и S_nt-поперечное сечение захвата дырок я электронов

P_v-эффективная плотность состояний в валентной зоне CdS;

n₀-концентрация свободных электронов в квазинейтральной области CdS;

S_nr-поперечное сечение захвата электронов центром рекомбинации на границе раздела;

- N(E_F) -плотность состояний в окрестности уровня Ферми;

-D₁(х),D₂(х)-коэффициенты прозрачности барьеров, соответствующих туннелированию я двухступенчатой рекомбинации;

-эффективная тепловая скорость носителей при прыжковой проводимости.

Второе слагаемое в правой части описывает термический выброс (1), третье - туннельный (2), четвертое - двухступенчатое туннелирование (3), а пятое – туннельно-прыжковую рекомбинацию (4).

Рассмотрим кинетику выброса дырок в отсутствии фотовозбуждения, то есть случай спадающей релаксации. Пусть при t=0 (в момент выключения коротковолнового света) концентрация на ловушках такова, что условие:

(13)

выполняется. В этом случае рекомбинационными потерями на границе можно пренебречь и ток, генерированный длинноволновым светом в Cu₂S, будет максимален. После выключения света при t=0 в уравнении (12) функция генерации f оказывается равной нулю. В то же время начальное условие записывается в виде

(14)

Безусловно, при всех значениях x p_t(x)≤N_t. Таким образом, уравнение (12) перепишется в виде:

(15)

Данное уравнение определяет зависимость концентрации носителей захваченных на дырочные ловушки в ОПЗ гетероперехода CdS-Cu₂S от времени, прошедшего после выключения возбуждающего света.

Решение кинетического уравнения для неравновесных дырок с концентрацией p_t, захваченных не ловушки в ОПЗ CdS, учитывающего все пути ликвидации накопленного заряда, определяет процесс спада тока короткого замыкания, т.к. кинетика находится в прямой зависимости от кинетики захваченного заряда.

§ 5. Технология изготовления гетеропары CdS-Cu₂S.

Осаждение из паровой фазы.

Чаще всего термическое испарение в вакууме проводится в открытых системах, в которых тигель и подложка устанавливаются в одном и том же объеме, ограниченном вакуумной камерой. Температура подложки, в процессе испарения, оказывает определяющее влияние на свойства осажденного материала. Оптимальное значение температуры составляет 180-200^oС.

Тигель для испаряемого вещества обычно изготовляют из кварца. Испарение чистого CdS проводят при температуре тигля, приблизительно равной 1000^oС; испаряемый материал можно загружать в тигель в виде порошка или гранул.

Несовершенство метода испарения в открытом вакууме заключается в загрязнении пленки, что связано с наличием примесей в системе для испарения, а также в необходимости проведения дополнительной рекристаллизации.

Катодное распыление.

В данном случае слои образуются катодным распылением в атмосфере инертного газа. Для этого можно использовать кадмиевый катод и такие газы как H₂S/Ar или S/Ar. Ионы меди, образующиеся в результате диссоциации во время разряда, взаимодействуют с атомами кадмия на поверхности подложки.

Преимущество этого метода состоит в том, что химический состав получаемой пленки аналогичен составу катода.

Метод спекания.

Пленки CdS тонкого типа обычно изготовляют из смеси порошка CdS и CdCI₂. Смесь наносят на подложку и затем нагревают до температуры 500-600^oС. В процессе нагрева при температуре 568^oС CdS начинает растворяется в расплаве CdCl₂, который начинает испаряться при 400^oС; таким образом наблюдается рекристаллизация. В процессе спекания, сплавление частиц и рекристаллизация происходят при относительно низкой температуре, и образующиеся пленки имеют структуру, близкую к монокристаллической.

ВЫВОДЫ

Преобразователь оптического изображения в электрические сигналы на основе гетероперехода СdS–Cu₂S может быть использован для регистрации слабых оптических изображений с последующей записью их элементов в память ЭВМ с возможной коррекцией фоточувствительности. Так как в данном устройстве считывание изображения производится ИК - светом, то для него не требуется вакуум и высокое напряжение. Благодаря возможности изготовления преобразователя большой площади и его высокой чувствительности - вероятной областью применения такого устройства может быть регистрация изображений, создаваемых крупными телескопами при астрономических наблюдениях.

ФСИ на основе гетероперехода СdS–Cu₂S можно охарактеризовать с помощью классических сенситометрических характеристик, разработанных для фотографических слоев.

Спектральное распределение светочувствительности позволяет охарактеризовать формирователь сигналов изображения на основе ГП СdS–Cu₂S как зеленочувствительный по общепринятой классификации для фотографических слоев с коэффициентом контрастности g= 0,55 и фоточувствительностью 16 единиц ГОСТа.

Рассчитанная на компьютере математическая модель характеристической кривой довольно точно повторяет экспериментальные данные, что говорит о пригодности ее для описания подобных характеристик любых ФСИ на основе гетероперехода СdS–Cu₂S, если известны параметры гетероперехода S_f, m _{n ,} e , d, N_d, I кз⁰ и W ₀.

ЛИТЕРАТУРА.

Шарма Б.Л., Пурохит Р.К., Полупроводниковые гетеропереходы. //М.: Мир, 1979.

Зи С., Физика полупроводниковых приборов. //М.:Мир,1984.

Виноградов М.С., Туннельно-рекомбинационные процессы в гетеропереходе сульфид кадмия - сульфид меди. //Дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Одесса, 1986.

Чопра К., Дас С.,Тонкопленочные солнечные элементы. //М.- Мир, 1986.

Борщак В.А., Влияние дефектов области пространственного заряда на явления переноса в CdS-Cu₂S фотопреобразователях. //Дис. ... канд. физ.-мат. наук, Одесса,1991.

Борщак В.А., Василевский Д.Л., Токоперенос по локализованным состояниям в неидеальных гетероструктурах. //Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1990. Вып. 17.

Василевский Д.Л., Борщак В.А., Сердюк В. В., Влияние туннельно-рекомбинационного токопереноса на ЭДС холостого хода гетерофотоэлементов. // Фотоэлектроника.-1991. Вып.4.

Виноградов М.С, Борщак В.А., Василевский Д.Л., Туннельный механизм потерь в гетерофотоэлементах. //Электронная техника.-Сер.2: Полупроводниковые приборы.-1987.-Вып. 1(186).

Василевский Д.Л., Фотоэлектрические свойства неидеальных гетеропереходов. //Фотоэлектроника.-1988. Вып.2.

Савелли М., Бугнот Дж. Проблемы создания фотоэлементов на основе CdS-Cu₂S. //Преобразование солнечной энергии. - М.: Энергоиздат, 1982.

Чибисов К.В. Общая фотография. //М.: Искусство, 1984.

Баранский П.И., Клочков В.П., Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника: свойства материалов. //Киев: Наукова думка, 1975.

Василевский Д.Л., Вайтош Р., Нанаи Л., Перспективность CdS-Cu₂S фотопреобразователей при больших уровнях возбуждения. //Фотоэлектроника.-1990. Вып.3.

Сердюк В.В., Чемересюк ГГ., Терек М. Фотоэлектрические процессы в полупроводниках. // Киев-Одесса: Вища школа, 1982.

Фаренбрух А., Аранович Дж., Гетеропереходы и поверхностные явления в фотоэлектрических преобразователях. //Преобразование солнечной энергии.- М.: Энергоиздат, 1982.

Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент. //М.: Энергоиздат, 1987.

Фонаш С., Ротворф А. Солнечные элементы с гетеропереходом. //Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики. М.:Мир, 1988.

Хилл Р., Микан Дж. Солнечные элементы на основе сульфида кадмия и меди. //Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики. - М.: Мир, 1988.

Шик А.Я., Шмарцев Ю.В., Фотоэлектрические свойства неидеальных гетеропереходов. //Физика и техника полупроводников. - 1981.-Т.15, Вып.7.