Книги по разным темам Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 11 Экстракция носителей заряда в полупроводниках с монополярной компонентой фотопроводимости й А.И. Власенко, З.К. Власенко, А.В. Любченко Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина (Получена 13 августа 1996 г. Принята к печати 5 марта 1997 г.) Теоретически и экспериментально исследован эффект экстракции неосновных носителей заряда в полупроводниках с монополярной компонентной фотопроводимости при различных температурах на примере CdxHg1-xTe (x 0.2).

Введение ванных узкозонных полупроводниках (CdxHg1-xTe, InS, PbxSn1-xTe и др.) в области высоких температур, коПовышение чувствительности полупроводниковых фо- гда реализуется собственная проводимость, преобладают торезистивных приемников излучения путем увеличения межзонные механизмы рекомбинации (механизм А). В напряжения смещения принципиально ограничивается материалах с высокой степенью компенсации, в области экстракцией неосновных неравновесных носителей заря- низких температур преобладают механизм ШоклиЦРида да (ННЗ) из объема полупроводника при увеличении (механизм Б) [6Ц8]. В ФклассическихФ широкозонных напряженности электрического поля (E) выше опре- фотопроводниках (CdS, CdSe) ФП в высокой степени моделенного значения E = E. Теоретический анализ нополярна, так как отношение времен жизни достигает и экспериментальные исследования этого эффекта про- n/p 104-106 [9].

= ведены в основном в связи с разработкой пороговых В произвольном случае удельная фотопроводимость инфракрасных (ИК) приемников излучения. Так, в част- () и фототок ( jpc) в однородном полупроводнике ности, в [1Ц3] анализируется работа фотоприемников на основе CdxHg1-xTe (КРТ) (x 0.2) в режиме = e(nn + pp) e(nn + pp)G, вытягивания, получены соответствующие выражения для сигнала фотоответа, обнаружительной способности и jpc = eE (1) др. В [4,5] исследованы электрополевые зависимости при однородном механизме возбуждения (со скоростью фотопроводимости (ФП) в КРТ n-, p- и смешанного G) будут состоять из двух компонент Ч монополярной типа проводимости. Следует в то же время отметить, m и биполярной b, зависящей от E:

что теоретический анализ эффекта вытягивания ННЗ проводился лишь для случая биполярной ФП, когда =m +b(E) концентрации неравновесных электронов и дырок и их времена жизни равны (n =p, n =p). В противном =enn[(1 - ) +(1+b-1)], (2) случае (n = p) должна учитываться компонента про водимости, не зависящая от поля и пропорциональная где b = n/p, n, p Ч подвижности электронов и разности концентраций |n - p|, где меньшая из велидырок. Здесь введен параметр, определяющий степень чин определяет концентрацию вытягиваемых из объема биполярности ФП:

неравновесных пар. Анализу эффекта вытягивания ННЗ в полупроводниках с учетом монополярной компоненты p p = = 1. (3) фотопроводимости посвящена настоящая работа.

n n В (3) предполагается, что p n; при p n параметр 1. Вольт-амперная характеристика = n/p 1.

(фотокомпонента) В случае механизмов типа А ФП биполярна и = 1.

В области экстрации все ННЗ вытягиваются из объема, Соотношение между величинами n и p определяется что ведет к спаду с ростом E и насыщенного фотореализуемым в кристалле механизмом рекомбинации:

тока (1).

межзонным (тип А) или примесным (тип Б). В первом В случае участия (конкуренции) нескольких каналов случае ФП биполярна (n = p). Она может иметь место рекомбинации Ч типов А и Б n = p и = 1. Рас в полупроводниках с низкой концентрацией рекомбина- считать величину (3) можно, используя вероятности ционных уровней, когда количеством связанных на них захвата ННЗ на уровни рекомбинации (Arn, Arp) и их ННЗ можно пренебречь. Во втором случае, когда этими межзонной аннигиляции (Anp):

концентрациями пренебречь нельзя, ФП, как правило, монополярна (n = p). В не сильно компенсиро- An = 1/n = Arn + Anp, Ap = 1/p = Arp + Anp. (4) 1324 А.И. Власенко, З.К. Власенко, А.В. Любченко Величина параметра (3) равна Монополярная часть ФП (2), независящая от поля, фактически определяется разностью времен жизни ННЗ, p p An n + np с учетом (7) при E < E:

= = =, n Ap n p + np Nr m = enG(n - p) =enn. (9) an0 + Nr 1 1 n =, p =, np =. (5) Arn Arp Anp При E < E сохранившемуся темпу генерации ННЗ (G) будет соответствовать монополярная часть концентраВ (5) учтено, что вероятности захвата обратно пропорции nm < n, эффективное время жизни электронов циональны соответствующим электронным и дырочным будет определяться из выражения временам (n, p). Легко видеть, что в отсутствие мономолекулярного примесного канала рекомбинации (Arn, nm =

запрещенной зоны, величина может быть записана l следующим образом:

= 0 (1 - ) +, l +a0E a(n0 + Ncr) +Nvr = 1, (6) l a(n0 + Ncr) +Nvr + Nr jpc (1 - ) + E, (11) l +a0E где n0 Ч равновесная концентрация электронов, Nr Ч где 0 Ч время релаксации ФП при малом напряжении концентрации рекомбинационных r-уровней дефектов, смещения, a Ч амбиполярная подвижность, l Чрасa = cn/cp (cn, cp Ч коэффициенты захвата электронов и стояние между контактами. Их анализ показывает, что дырок соответственно), Ncr, Nvr Ч концентрации свободэффективность экстракции ННЗ из объема в области ных носителей в зонах за счет термической ионизации больших E сильно зависит от параметра и даже при r-уровней.

больших его значениях ( 0.9) резко уменьшается.

Когда концентрация r-уровней мала, 1 при любых = температурах, что отмечалось ранее. Из объема парами вытягиваются все ННЗ.

2. Экстракция ННЗ при различных При больших Nr степень биполярности зависит от температурах температуры. В области низких температур (ловушки полностью заполнены электронами) величинами Ncr, Nvr В качестве примера рассмотрим узкозонный полув (6) можно пренебречь проводник КРТ с x = 0.2 (ширина запрещенной зоны Eg = 0.1эВ при 77K) и оценим степень биполярности an0 cpNr -1 cnn0 в различных температурных диапазонах. Как известно = = 1 + < 1. (7) (см., например, [6]), в высокочувствительных кристаллах an0 + Nr cnn0 cpNr КРТ n-типа, в области собственной и примесной провоЕсли при этом n0 велика (по крайней мере an0 Nr), димости (при T > 77 K) в рекомбинации доминирует = 1 и ФП биполярна. При an0, сопоставимом с межзонный ударный механизм (тип А). В то же время Nr < 1, экстрагируется лишь часть неравновесных в сильно компенсированных кристаллах, в области приэдлектронов, равная концентрации пар, определяемой месной проводимости время жизни ННЗ ограничивается величиной p = pG. механизмом рекомбинации ШоклиЦРида.

С нагреванием растет тепловой обмен между уровня- На рис. 1 представлены температурные зависимости времени релаксации ФП для двух кристаллов КРТ nми и зонами (Ncr, Nvr становятся сопоставимыми с Nr), типа проводимости с различными доминирующими мевремена жизни ННЗ n и p увеличиваются и становятся ханизмами рекомбинации (измерение проводилось равными. Появляется характерная для рекомбинации методом релаксации ФП при освещении импульсами ШоклиЦРида энергия термической рекомбинации Er, CO3-лазера ( = 10.6мкм)). Ход (T ) для кристалопределяемая глубиной залегания r-уровней:

а 1 хорошо описывается расчетом для межзонной ударной рекомбинации в области собственной и примесной n = p exp(-Er/kT ). (8) (n0 3 1014 см-3) проводимости (сплошная кривая).

= При этом, как следует из (6),растет и при высоких T В этом случае n = p и ФП биполярна во всем стремится к 1. температурном диапазоне 77Ц300 K. Это подтверждает Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Экстракция носителей заряда в полупроводниках с монополярной компонентой фотопроводимости 2 10-2 и при низких температурах остается = достаточно малой даже при a 1. Эффективность вы= тягивания должна увеличиваться с ростом температуры и величины n0. В низкоомных кристаллах (an0 > Nr) 1, потому что возрастает также вклад биполярной оже-компоненты. В кристаллах с n0 > 1015 см-3 и Рис. 1. Температурные зависимости для образцов КРТ 1, (кривые 1, 2). Штрихпунктир Ч расчет (T ) для ожерекомбинации в материале с собственной проводимостью.

характер представленных на рис. 2 для этого кристалла электрополевых зависимостей фотосигнала (Uc) и.

Насыщение Uc и падение в области больших полей при температурах из области примесной проводимости (T1, T2, T3) свидетельствует о наступлении режима выРис. 2. Электрополевые зависимости Uc (черные точки) и тягивания и биполярном характере ФП. Естественно, в (светлые точки) для образца 1 для температур T1, T2, T3, температурной области собственной проводимости (T4) T4, указанных на рис. 1; сплошные линии Ч расчет.

ННЗ полем не управляются, n = 0, режим вытягивания не реализуется и насыщения Uc не происходит.

Сложнее ситуация обстоит с образцом 2 (рис. 1).

Здесь, как и в образце 1, при T > 120 K в области собственной проводимости в рекомбинации доминирует механизм типа А. Для температурного диапазона примесной проводимости ход кривой (T) может быть описан теорией рекомбинации ШоклиЦРида Ч механизм типа Б. Анализ литературных данных позволяет предположить, что в компенсированных кристаллах рекомбинация ШоклиЦРида идет через центры акцепторного 2типа [7Ц9] Ч двухзарядные вакансии ртути VHg [11,12].

Их концентрация в фоточувствительных кристаллах не превышает Nr 1015 см-3 [7,8]. Определенные по зависимости (103/T ) для образца 2 параметры r-уровней:

Er = 50 мэВ, cn = 3 10-9 см3/c находятся в хорошем соответствии с литературными данными (Er = 45-50 мэВ, cn =(1-3)10-9 см3/c [7,8]). Величина Nvr 41014 см-= сравнима с концентрацией n0, Ncr Nvr. Разброс приводимых в литературе значений cp достигает нескольких порядков, можно, однако, утверждать, что из соображений зарядности r-центра (захват дырки происходит в Рис. 3. Электрополевые зависимости Uc (черные точки) и кулоновском притягивающем поле) cn < cp, даже не (светлые точки) для образца 2 для температур T1, T2, T3, смотря на различие тепловых скоростей неравновесных указанных на рис. 1; сплошные линии Ч расчет для 0.5, электронов и дырок. При отношении a = 10-1 величина 0.9, 1 соответственно.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1326 А.И. Власенко, З.К. Власенко, А.В. Любченко T > 100 K в области примесной проводимости следует Extraction of charge carriers in ожидать полной экстракции пар ННЗ.

semiconductors with a monopolar Экспериментальным подтверждением этому может component of photoconductivity являться сопоставление температурных и электрополеA.I. Vlasenko, Z.K. Vlasenko, A.V. Liubchenko вых зависимостей и Uc (рис. 1, кривая 2; рис.3).

Действительно, в области низких температур T < TC, Institute of Semiconductor Physics, когда интенсивностью теплового обмена между уровняNational Academy of Sciences of Ukraine, ми и зонами можно пренебречь (n0 Ncr, Nvr), время 252650 Kiev, the Ukraine релаксации ФП от температуры не зависит (рис. 1, участок a на кривой 2), <1 и определяется выражением

Abstract

Theoretically and experimentally is investigated (7). Фотопроводимость имеет две составляющие Ч effect of extraction of extrinsic carriers in semiconductors with a monopolar component of photoconductivity at different монополярную и биполярную, и при 77 K насыщения temperatures, for example CdxHg1-xTe (x 0.2).

электрополевой зависимости jpc, связанного с экстракцией ННЗ из объема, не наблюдается (рис. 3, T1).

Fax: (044)-2658342 (A.I. Vlasenko) Следует отметить, что по зависимости (103/T ) (рис. 1, E-mail: mickle@semicond.kiev.ua (A.I. Vlasenko) участок b) при T < T0 из соотношения значений, экстраполированного до точки (103/T ), и на участке a может быть определена величина. Ее значение для кристалла 2 при T 77 K составляет 0.5.

С увеличением T > T0 (рис. 1, участок b на кривой 2) вклад монополярной компоненты в ФП падает, 1, электрополевая зависимость ФП насыщается (рис. 3, T2, T3), ННЗ вытягиваются из объема. В области собственной проводимости канал рекомбинации Шокли - Рида заменяется на межзонный (рис. 1, участок c на кривой 2), однако экстракция ННЗ не идет (a = 0), электрополевые зависимости jpc не насыщаются (аналогично кривым для T4 на рис. 2).

Список литературы [1] R.L. Williams. Infr. Phys., 8, 337 (1968).

[2] M.R. Johnson. J. Appl. Phys., 43, 3090 (1972).

[3] S.P. Emmons, K.L. Ashley. Appl. Phys. Lett., 20, 162 (1972).

[4] В.И. Иванов-Омский, В.К. Огородников, Т.Ц. Тотиева.

ФТП, 14, 699 (1980).

[5] А.И. Власенко, А.В. Любченко. ФТП, 28, 1219 (1994).

[6] А.И. Власенко, Ю.Н. Гаврилюк, А.В. Любченко, Е.А. Сальков. ФТП, 13, 2180 (1979).

[7] Л.А. Карачевцева, А.В. Любченко, В.Д. Соболев. УФЖ, 38, 1071 (1993).

[8] D.L. Polla, C.E. Jones. J. Appl. Phys., 52, 5119 (1981).

[9] В.Е. Лашкарев, А.В. Любченко, М.К. Шейнкман. Неравновесные процессы в фотопроводниках (Киев, 1981) с. 263.

[10] Дж. Блекмор. Статистика электронов в полупроводниках (М., 1964) с. 392.

[11] K. Lischka. Phys. St. Sol., 133, 17 (1986).

[12] H.R. Vydynath. Electr. Soc. Sol. St. Sci. Technol., 128, (1981).

   Книги по разным темам