Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. 7 Влияние подсветки инфракрасным светом на спектры фототока кристаллов CdS й А.С. Батырев, Э.Д. Батырев, Р.А. Бисенгалиев, Б.В. Новиков, В.С. Анбушинов Калмыцкий государственный университет, 358000 Элиста, Россия Научно-исследовательский институт физики при Санкт-Петербургском государственном университете, 198904 Санкт-Петербург, Россия E-mail: erdny@mailexcite.com (Поступила в Редакцию 27 октября 1998 г.) Исследованы низкотемпературные спектры фотопроводимости (ФП) кристаллов CdS в области края собственного поглощения в зависимости от уровня подсветки кристалла инфракрасным (ИК) светом из области гашения ФП. Выявлены закономерности ИК гашения фототока по контуру спектральной кривой ФП. Анализ этих закономерностей позволил установить непосредственную связь между r-центрами фоточувствительности и структурой спектра вблизи края собственного поглощения. Обнаружен и объяснен эффект ФзакрепленияФ на поверхности полупроводника времени жизни основных носителей. Предполагается, что в кристаллах CdS поверхностные акцепторные состояния играют роль поверхностных центров фоточувствительности.

В работах [1Ц6] сообщалось о радикальном влиянии при наличии (кривые 2, 3) дополнительной подсветки ИК дополнительной подсветки ИК светом из области га- светом разной интенсивности. Из рисунка можно видеть, шения ФП на спектральное распределение фототока что влияние ИК подсветки на спектры ФП исследованв кристаллах CdS при низких температурах. Однако ных кристаллов CdS заключается в следующем.

экспериментальные данные и их интерпретации в [1Ц5] в 1) ИК подсветка приводит к гашению фототока во ряде пунктов существенно расходятся. Это побудило нас всем исследованном спектральном диапазоне фоточувпредпринять исследования изменений низкотемпературствительности. С увеличением интенсивности подсветки ных (T = 77 K) спектров стационарного возбуждения ИК гашение фототока возрастает.

ФП кристаллов CdS в области края собственного погло2) Эффект ИК гашения носит селективный по спектру щения под действием гасящей ФП ИК подсветки светом характер: особенно сильное гашение наблюдается в обларазной интенсивности.

сти так называемых дополнительных максимумов AM1 и Измерения спектров ФП были выполнены на эксAM2 [5] (в обозначениях [2] I1(AM1) и Ix(AM2)).

периментальной установке, собранной на базе свето3) В кристаллах с ФпиковымФ типом (тип I) ТС (a) сильного монохроматора МДР-2. Регистрация спектров ИК гашение фототока сопровождается заметными отосуществлялась автоматически на ленте самописца типа носительными изменениями в спектре: усилением экКСП-4. Образцы представляли собой монокристалличеситонных и ослаблением дополнительных максимумов ские пластинки ФчистогоФ (специально нелегированного) фототока. При достаточно больших интенсивностях ИК CdS c гексагональной осью C в плоскости поверхности света наблюдался спектр с очень резкой ФпиковойФ ТС, образца. Охлаждение образцов до температуры T = 77 K при этом дополнительные максимумы практически не достигалось путем погружения образца в оптический проявляются (кривая 3).

криостат с жидким азотом. В качестве гасящего ФП ИК света использовалось излучение, выделяемое из сплош- 4) В кристаллах с ФпровальнымФ типом (тип II) TC (b) ного спектра галогенной лампы накаливания светофиль- по мере увеличения интенсивности ИК подсветки на фотром ИКС-1. Интенсивность ИК подсветки изменя- не превалирующего гашения фототока в области дополлась либо путем изменения напряжения питания лампы нительных максимумов происходит трансформация ТС в накаливания, либо путем диафрагмирования объектива, ФпиковыйФ тип. При этом изменяется также общий вид фокусирующего ИК излучение на образец в случае фикспектра: под влиянием ИК подсветки спектр приобретает сированного напряжения на лампе. Спектры измерялись черты, свойственные кристаллам с ФпиковымФ типом ТС в поляризации падающего (зондирующего) света E C (кривая 3).

(E Ч электрический вектор световой волны). Во всех 5) Величина ИК гашения фототока существенно (на опытах спектральное разрешение было не хуже 8.

порядки) различается в кристаллах с разным типом ТС.

В кристаллах с ФпровальнымФ типом ТС под действием ИК света достаточно большой интенсивности фототок на 1. Экспериментальные результаты фиксированной длине волны в области края поглощения может уменьшаться на 3Ц4 порядка величины, а в криНа рис. 1 приведены спектры ФП кристаллов CdS с типом I (a) и типом II (b) тонкой (экситонной) сталлах с ФпиковымФ типом ТС при тех же условиях Ч структуры (ТС), согласно [6], в отсутствие (кривые 1) и на 1Ц1.5 порядка величины.

1182 А.С. Батырев, Э.Д. Батырев, Р.А. Бисенгалиев, Б.В. Новиков, В.С. Анбушинов Рис. 1. Спектры ФП кристаллов CdS c типом I (a) и типом II (b) ТС в отсутствие (кривые 1) и при наличии (кривые 2, 3) дополнительной подсветки ИК светом разной интенсивности I (T = 77 K, E C). a, b: 1 Ч I = I0; 2 Ч I = 9I0; 3 Ч I = 90I0;

I0 Ч интенсивность ИК света.

Для полноты картины наблюдаемого эффекта ИК га- 2. Обсуждение экспериментальных шения фототока в CdS и в дополнение к п. п. 3, 4 необрезультатов ходимо сказать следующее. а) большинство кристаллов с типом I TC с ростом интенсивности ИК подсветки Явление ИК гашения фототока в кристаллах CdS обнаруживает четко выраженную тенденцию к насыщехорошо изучено (см., например, [6]). Оно связано с нию эффекта ИК гашения фототока; б) в кристаллах наличием в CdS центров медленной рекомбинации, так с типом II TC наблюдается прямая корреляция между называемых r-центров (в обозначениях [8] центров II), относительной интенсивностью в спектре дополнительобеспечивающих высокую фоточувствительность полуных максимумов и интенсивностью ИК света, требуемой проводника. Такими центрами в CdS являются глубодля изменения типа ТС; при этом среди ФпровальныхФ кие компенсированные акцепторы, обладающие большим кристаллов имелись такие, которые изменяли тип ТС сечением захвата дырок ( 10-2-10-13 cm2) и малым только при экстремально больших интенсивностях ИК сечением захвата электронов ( 10-19-10-20 cm2). В подсветки.

ФчистыхФ кристаллах CdS роль r-центров могут играть Рис. 2 демонстрирует типичные спектры ФпиковогоФ и собственные дефекты решетки [9,10].

ФпровальногоФ типов, обычно наблюдаемые при низких Механизм ИК гашения фототока в кристаллах CdS (T 77 K) температурах в большинстве из = хорошо известен [6]. Он связан с индуцированной исследованных кристаллов CdS (см. также рис. 1 и [2,7]).

ИК светом перелокализацией фотодырок с r-центров на s-центры. Последние представляют собой центры быЗаметим, что установленные в наших экспериментах закономерности индуцированных ИК подсветкой изме- строй рекомбинации, сокращающие время жизни основнений спектров ФП CdS (см. также [4,5]) при на- ных носителей и, следовательно, приводящие к уменьшению ФП. Таким образом, механизм ИК гашения ФП личии существенных расхождений в ряде пунктов в в CdS сводится фактически к возрастанию рекомбинабольшинстве своем согласуются с данными аналогичных ционного потока через s-центры за счет подавления ИК исследований [1Ц3]. Необходимо также отметить, что светом канала рекомбинации через r-центры.

ряд важных моментов в явлении ИК гашения фототока в CdS не нашел отражения ни в одной из известных нам В исследованных кристаллах CdS ИК гашения фоторабот, включая наиболее полную в этом плане работу тока наблюдается во всем анализируемом спектральном Б с сотрудниками [2]. диапазоне, охватывающем как собственную область, так ера Физика твердого тела, 1999, том 41, вып. Влияние подсветки инфракрасным светом на спектры фототока кристаллов CdS ТС относительно фона означает увеличение отношения s/v. В условиях одновременного уменьшения s и v такое возможно только в случае превалирующего уменьшения v.

Наиболее ярко эффект превалирующего уменьшения v при ИК подсветке проявляется в ФпровальныхФ кристаллах CdS. В этих кристаллах он проявляется в исчезновении структуры спектральной кривой ФП при небольших интенсивностях ИК подсветки и инверсии у этих кристаллов типа ТС при достаточно больших, а в ряде случаев экстремально больших интенсивностях ИК подсветки (кривые 2, 3 на рис. 1, b). В самом деле, процесс трансформации ТС типа II в тип I соответствует регулярным изменениям s и v, приводящим к обращению неравенства s

Наблюдаемый характер изменений времени жизни носителей в приповерхностном слое и в объеме CdS под влиянием ИК подсветки, во-первых, указывает на то, что время жизни носителей в объеме v контролируется объемными r-центрами и, во-вторых, свидетельствует в пользу действия вблизи поверхности фактора, способствующего стабилизации s и, таким образом, обеспечивающего его существовенно меньшие вариации под действием ИК излучения по сравнению с v. Вполне возможно, что роль стабилизирующего s фактора в условиях ИК подсветки играют заполненные поверхностные состояния акцепторного типа. Существование таких состояний установлено в большом числе работ Рис. 2. Спектры ФП кристалла CdS при T = 77 K, E C.

(см., например, [12Ц14]). Они играют ключевую роль 1 Ч в отсутствие ИК подсветки; 2 Ч при наличии подсветки в формировании экситонной структуры в спектрах поИК светом интенсивности I = 60I0.

верхностной фотоэдс CdS, обеспечивая электроактивный распад экситона на электрон и дырку с последующей локализацией дырки на поверхностном состоянии [15].

и область дополнительных максимумов AM1 и AM2, Существенную роль эти состояния могут играть также лежащую существенно ниже экситонного резонанса An=1 в формировании спектров в области межзонных пере(см. рис. 1). Это указывает на уменьшение времеходов, захватывая фотодырки и тем самым увеличивая ни жизни носителей как в объеме (v), так и вблизи время жизни фотоэлектронов вблизи поверхности.

поверхности (s) полупроводника под действием ИК Таким образом, обсуждаемая стабилизация s в припоподсветки. При этом и в ФпиковыхФ кристаллах, и в верхностном слое может быть связана со своего рода эфФпровальныхФ наблюдается превалирующее уменьшение фектом ФзакрепленияФ времени жизни основных носитепри ИК подсветке v по сравнению с s.

ей на поверхности CdS поверхностными акцепторными В ФпиковыхФ кристаллах это проявляется в относи- состояниями. В условиях действия ИК подсветки, когда тельном усилении в спектре экситонных максимумов по v резко уменьшается за счет ФвыключенияФ ИК светом мере увеличения интенсивности ИК подсветки (рис. 1, a).

объемных центров фоточувствительности, поверхностДействительно, согласно [11], условием возникновения ные акцепторные состояния, играя роль поверхностных ТС является отличие s и v, причем случаю s >v от- центров фоточувствительности, могут обеспечить более вечает ФпиковаяФ ТС, а случаю s

на котором они проявляются, определяется величиной Следует отметить, что представление о возможном приотношения (s-v)/v. Поэтому усиление ФпиковойФ сутствии в СdS приповерхностных центров фоточувствиФизика твердого тела, 1999, том 41, вып. 1184 А.С. Батырев, Э.Д. Батырев, Р.А. Бисенгалиев, Б.В. Новиков, В.С. Анбушинов тельности, по своим свойствам отличных от объемных Исходя из изложенного можно сделать важное заклюr-центров, не является новым (см. [3]). чение, что в ФчистыхФ кристаллах CdS с ФестественнойФ Особого внимания с точки зрения интерпретации поверхностью провальный тип ТС и соответствующий природы дополнительных максимумов фототока AM1 ему ход спектральной кривой фототока в коротковоли AM2 заслуживает селективное по спектру ИК га- новой (собственной) области спектра связаны, скорее, шение фототока (рис. 1). Поскольку действие ИК не с высокой скоростью поверхностной рекомбинации, света сводится в основном к ФвыключениюФ объемных как это обычно принято считать, а с относительно r-центров фоточувствительности, наибольшее гашение высокой концентрацией собственно-дефектных r-центров при ИК подсветке будут испытывать те спектральные в объеме кристалла, обеспечивающей высокую по сравособенности, которые обусловлены состояниями, непо- нению с поверхностной объемную фоточувствительность средственно взаимодействующими с r-центрами. Поэто- полупроводника.

му селективное ИК гашение максимумов фототока AM1 Таким образом, результаты эксперимента прямо укаи AM2, подтверждая их объемное происхождение, прямо зывают на важную роль в кристаллах CdS основного указывает на непосредственную связь соответствующих объема полупроводника в формировании спектральных им состояний с r-центрами. Следовательно, максимумы кривых низкотемпературной ФП в области края собAM1 и AM2 можно рассматривать как индикаторы объем- ственного поглощения. Это прежде всего относится к ной фоточувствительности CdS, определяемой объемной ФпровальнымФ кристаллам, в которых тип ТС, структура концентрацией r-центров. С другой стороны, AM1 и AM2 спектра и высокая фоточувствительность в Фпримесможно использовать как естественный зонд для исследо- нойФ области AM1 и AM2, формирующая характерный вания объемных r-центров фоточувствительности в CdS, этим кристаллам общий вид спектральной кривой ФП, считая их опосредованным спектральным проявлением обусловлены объемными r-центрами. В ФпиковыхФ криэтих центров. сталлах CdS последние при достаточной их конценВ связи с этим заключением необходимо отметить, что трации могут создавать фон, на котором проявляются в спектрах ФП CdS полосы фототока AM1 и AM2 часто экситонные максимумы фототока, а также давать ососпектрально не разрешаются в виде изолированных мак- бенности в виде четко выраженных длинноволновых симумов, налагаясь друг на друга и на экситонную струк- максимумов AM1 и/или AM2.

туру и формируя таким образом широкую доминирующую длинноволновую полосу фототока в кристаллах с Список литературы ФпровальнымФ типом ТС или затянутый длинноволновый спад экситонного максимума A в кристаллах с ФпиковымФ [1] V.E. Lashkarev, E.A. SalТkov, V.A. Khvostov. Proc. 3rd Int.

типом ТС. В этом случае разрешению различных состоConf. Photoconductivity. Stanford (1969). P. 111.

яний в спектре ФП, в том числе состояний, дающих AM[2] J.A. Bragagnolo, G.M. Storti, K.W. Boer. Phys. Stat. Sol. 22, и AM2, способствует умеренная ИК подсветка кристалла. 639 (1974).

[3] А.В. Ильинский, Б.В. Новиков, С.И. Сутулова. ФТТ 16, 10, Это демонстрирует рис. 2. Как видно из этого рисунка, 3029 (1974).

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам