Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Функциональные возможности фоторезисторных структур и их использование в оптоэлектронике 9
1.2. Особенности прохождения переменного тока в фоторезисторных структурах 14
1.3. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в фоторезисторных структурах 19
1.4. Электрические свойства электролюминесцентного конденсатора. Оптическая память в МДПДМ структурах 26
1.5. Методы исследования параметров кинетики рекомбинации носителей заряда в фоторезисторных структурах 32
2. Методика исследований
2.1. Установка для исследования оптических и электрических свойств фоторезисторных структур 36
2.2. Особенности изготовления электролюминесцентных структур 39
2.3. Методика исследования порошковых люминофоров методом термостимулированной емкости 42
2.4 Технология изготовления устройств оптической памяти. Методики исследований явлений оптической памяти. 44
2.5 Описание устройств на основе функциональных свойств резисторных оптопар и методика их исследования. 46
3. Исследование функциональных, оптических, электрических свойств фоторезистивных структур
3.1. Функциональные возможности идеального фото резистора питаемого переменным напряжением 53
3.2. Влияние кинетики межзонной рекомбинации на нелинейные искажения, вносимые фоторезистивной структурой, в регистрируемый нестационарный оптический сигнал 62
3.3. Фурье - анализ оптических сигналов модулированных по интенсивности фоторезистивной структурой, питаемой переменным напряжением 73
3.4. Определение параметров кинетики фоторезистора при нестационарном оптическом возбуждении 81
4. Исследование нелинейных искажений, вносимых фоторезистором с глубокими уровнями, в регистрируемый нестационарный оптический сигнал
4.1 Исследование фоторезистивных структур с глубокими уровнями при нестационарном освещении 93
4.2 Исследование явления оптической памяти 112
Заключение 119
- Особенности прохождения переменного тока в фоторезисторных структурах
- Методы исследования параметров кинетики рекомбинации носителей заряда в фоторезисторных структурах
- Влияние кинетики межзонной рекомбинации на нелинейные искажения, вносимые фоторезистивной структурой, в регистрируемый нестационарный оптический сигнал
- Исследование явления оптической памяти
Введение к работе
Фоторезисторные структуры - один из основных элементов оптоэлектроники, находят широкое применение в современных системах обработки оптической информации. В таких системах полупроводниковый фотоприемник в основном выполняет функции, связанные с преобразованием оптического сигнала в электрический, обеспечивая идеальную гальваническую развязку [1]. Дальнейшие операции, связанные с обработкой сигнала, выполняет электроника. В конце семидесятых годов возникла идея использовать динамические неоднородности, в частности неравновесные фотовозбужденные носители заряда, в процессах обработки и хранения информации, а также физические принципы интеграции не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором [2, 11]. Пионерские работы в этой области принадлежат Гуляеву Ю.В., Валиеву К.А., Стафееву В.И., Федотову Я.А., Сретенскому В.Н., Пустовойту В.И., Носову Ю.Р. и другим отечественным ученым и их школам. Изучение свойств и характеристик динамических неоднородностей как носителей информационного сигнала, основных физических процессов и принципов обработки и хранения информационных массивов с помощью динамических неоднородностей, разработка приборов и устройств являются основополагающими в процессе формирования нового направления в микроэлектронике - функциональной электроники [11]. Совмещение в фоторезисторных структурах функций регистрации, обработки и хранения оптической информации приведет к резкому упрощению конструкции и расширению функциональных возможностей оптоэлектронных систем.
Основные операции, которые совершают с электрическим сигналом электронные устройства, связаны с процессом умножения (различные виды модуляции, детектирование и др.). Эти операцию может выполнять фоторезистор, перемножая оптический сигнал, преобразованный в изменение
проводимости, и электрический сигнал в виде напряжения [67]. Поэтому изучение возможных функций фоторезистора, связанных с операциями умножения, позволит расширить функциональные возможности оптоэлектронных систем. Качество обработки информации различными системами определяет коэффициент нелинейных искажений. Нелинейные искажения, вносимые фоторезистором в преобразованный оптический сигнал, в основном обусловлены нелинейной кинетикой. Несмотря на большое количество работ, посвященных фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках, этот важный вопрос остается не изученным [2-4]. Конкретные механизмы генерационно-рекомбинационных процессов разнообразны и сложны. К сожалению, в работах, посвященных этим вопросам, имеют место некорректности, а зачастую прямые ошибки, связанные с тем, что сама рекомбинация зачастую описывается некорректными выражениями [7].
Исследования кинетики неравновесных процессов в полупроводниковой плазме при оптическом возбуждении широко используется для определения параметров кинетики. Внешние поля влияют не только на коллективные эффекты в этих средах, но могут изменять характер взаимодействия частиц [8], что при нестационарном напряжении и освещении значительно расширяет возможности определения параметров кинетики фотопроводимости.
Дополнительные возможности оптической обработки сигналов появляются при использовании фотоприемников с зарядовой связью в режиме временной задержки и накопления [12]. Поэтому изучение явления оптической памяти, которые можно реализовать на планарных фоточувствительных МДПДМ структурах на основе мелкодисперсных люминофоров А2В6 представляет интерес как в научном так и в практическом плане.
Из вышеизложенного вытекает актуальность темы, связанной с изучением функциональных оптических и электрических свойств фоторезисторных структур. Исследования влияния нелинейных искажений
обусловленных кинетикой рекомбинации неравновесных носителей на качество обработки оптической информации такими структурами. Создание и исследование элементов оптической памяти на основе фоточувствительных порошковых МДПДМ структур.
Цель работы. Расширение функциональных возможностей фоторезисторных структур, связанных с совмещением приема и обработки оптической информации в фотоприемном устройстве. Исследование влияния кинетики межзонной, примесной рекомбинации на коэффициент нелинейных искажений регистрируемого сигнала. Исследование эффектов памяти фоточувствительных МДПДМ структур. Разработка устройств, которые реализуют перечисленные функциональные свойства.
В первой главе проведен анализ литературных данных по функциональным свойствам фоторезисторных структур. Рассмотрены различные виды кинетических процессов, протекающих в полупроводниках под действием оптического возбуждения, методы определения параметров кинетики. Дан краткий обзор основных работ, в которых описаны процессы прохождения переменного тока через полупроводник. Приведены теоретические описания и экспериментальные данные процессов рекомбинации в полупроводниках при нестационарном возбуждении.
Во второй главе даны описание и блок схема экспериментальной
установки, методы изготовления образцов для исследований, методики
измерения кинетических параметров процессов рекомбинации. Представлены
конструкции, которые реализуют ряд функциональных свойств
фоторезисторов, связанных с операцией умножения (амплитудный модулятор, анализатор спектра), проведен анализ их достоинств и недостатков. Рассмотрены методы определения коэффициента нелинейных искажений.
Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям функциональных свойств фоторезистора, связанных с операцией умножения в случае межзонной рекомбинации. Рассмотрена задача
определения вида кинетики по исследованию среднего значения фототока в случае динамического освещения фоторезистора. Модель квадратичной рекомбинации проверялась на фоторезисторах на основе кремния марки БНЛ-1 с графитовыми контактами. Для случая линейной аппроксимации кинетики нарастания и затухания фотопроводимости с различной скоростью рекомбинации - на основе CdS легированного бором путем ионной бомбардировки (Е=100кэВ).
В четвертой главе предлагаются математические модели, позволяющие рассчитать коэффициент нелинейных искажений, фазу и переменную составляющую фотопроводимости при нестационаром возбуждении фоторезистора с глубокими примесными центрами. Учтена перезарядка донорных и акцепторных центров и рекомбинация на них. За основу анализа влияния рекомбинационных каналов на нелинейные искажения в фоторезистивных структурах выбрано численное моделирование. Исследован фоторезисторный эффект ряда электролюминофоров. Обнаружено явление оптической памяти, которая реализуется в щелевых планарных структурах на основе широкозонных люминофоров ZnS. Показано, что создание оптической ячейки памяти возможно на основе порошковых люминофоров люминесценция которых сопровождается изменением проводимости.
В заключении по результатам исследований сформулированы краткие выводы по результатам исследований, проделанных в работе. В конце диссертации приведен список цитируемой литературы.
Особенности прохождения переменного тока в фоторезисторных структурах
Прохождению переменного тока в фоторезистивных структурах посвящено большое количество монографий и статей [21-25,30]. Вопросы инжекции неравновесных носителей заряда в полупроводник в контактах так же подробно описаны в литературе [28-30]. При рассмотрении фоторезистивных структур при переменном смещении необходимо учесть влияние контактных явлений на особенности импеданса. В работе [29] показано, что переход, образованный сильно легированным полупроводником с компенсированным полупроводником того же типа при переменном смещении эффективно инжектирует неравновесные основные носители. В условиях дрейфа это приводит к гигантским осцилляциям реактивной части импеданса, что связано с возбуждением волн пространственной перезарядки ловушек. Как показано в [30], возбуждаться могут как низкочастотные, так и высокочастотные волны. Согласно [29], концентрация инжектированных носителей вблизи плоскости п+ - v контакта определяется переменным полем SE в той же плоскости и в то же время t: образце однородна, так как флуктуация слабо экранирует заряды в п+-области. Для плотности тока в полупроводнике при переменном поле смещения: Рекомбинация неравновесных носителей заряда определяет особенности многих оптических эффектов в полупроводниках. Ее необходимо учитывать в фоторефрактивных кристаллах, при записи голографических решеток в полупроводниках, люминесценции и отражении полупроводниковых структур, фотоплеохроизме и т.д. [31-35]. Исследователям приходится часто сталкиваться с таким явлением, как неравновесные носители тока при изучении транспортных явлений в полупроводниковых структурах. Их появление может быть обусловлено различными факторами - инжекцией носителей, освещением с энергией фотонов большей ширины запрещенной зоны (фотоэффект) и др. [7]. Во всех этих задачах принципиальную роль играет рекомбинация неравновесных носителей в образце. Концентрации последних определяются хорошо известными уравнениями непрерывности. Для применения системы кинетических уравнений необходимо конкретизировать зависимости парциальных токов, плотности объемного заряда и темпов рекомбинации от концентрации неравновесных носителей. К сожалению, в огромном числе работ, посвященных этим вопросам, имеют место некорректности, а зачастую прямые ошибки, связанные с тем, что сама рекомбинация зачастую описывается некорректными выражениями [7].
Почти все полупроводниковые приборы, за редким исключением, работают в условиях отклонения электронной «подсистемы» от термодинамического равновесия. После прекращения возбуждения концентрация носителей заряда возвращается к равновесному значению за определенное характеристическое время, часто называемое временем жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ). Время жизни ННЗ является важнейшей характеристикой материала и имеет определяющее значение для работы большинства полупроводниковых приборов [31]. Исчезновение неравновесных электронов и дырок - рекомбинация определяется различными процессами: как непосредственно междузонными электронными переходами, так и переходами через промежуточные состояния, как, например, через локальные энергетические уровни, образуемые в запрещенной зоне полупроводника примесями и дефектами структуры; возможны также процессы рекомбинации через связанные состояния электронов и дырок — экситоны [28, 31]. Междузонные процессы рекомбинации в полупроводниках при малых уровнях возбуждения часто не играют существенной роли. Так, например, в германии и кремнии времена жизни при слабом возбуждении, связанные с междузонными излучательными переходами, в собственном материале при комнатной температуре достигают секунд. В узкозонных полупроводниках с прямыми междузонными переходами (как, например, в антимониде индия) время жизни для излучательных междузонных переходов при комнатной температуре, когда собственная концентрация электронов и дырок достаточно велика, снижается до микросекунд и менее [36, 37]. При больших концентрациях носителей заряда, созданных возбуждением или легированием, междузонные рекомбинационные процессы могут играть существенную роль и даже полностью определять процесс рекомбинации. Такими процессами являются междузонная излучательная рекомбинация, когда энергия рекомбинирующей электронно-дырочной пары излучается в виде кванта света, и оже-рекомбинация (или ударная), когда сталкиваются три частицы и энергия рекомбинирующей пары передается третьему носителю заряда — электрону или дырке. При высоких уровнях возбуждения в достаточно чистом полупроводнике будет наблюдаться либо квадратичный закон рекомбинации, связанный с междузонными излучательными переходами, либо кубичный закон, связанный с междузонной оже-рекомбинацией [31, 82]. Коэффициенты рекомбинации являются важными параметрами полупроводника. Они не зависят от наличия примесей и определяют максимальные значения времени жизни неравновесных носителей заряда, что имеет важное значение при разработке новых полупроводниковых приборов и определении условий их применимости. Теория междузонной излучательной рекомбинации в настоящее время достаточно развита. Имеются расчеты коэффициентов излучательной рекомбинации для многих полупроводников [31,39-41].
Однако в зависимости от значений используемых параметров, таких, как коэффициент поглощения, эффективные массы, ширина запрещенной зоны, собственная концентрация носителей заряда, которые часто известны с недостаточной точностью, разные авторы получают различные величины коэффициентов междузонной излучательной рекомбинации. Эти значения для ряда полупроводников различаются на порядок величины [31]. Междузонная оже-рекомбинация впервые теоретически была рассмотрена Битти и Ландсбергом еще в 1959 г. Эта теория построена для простых параболических изотропных зон. Однако, простая зонная структура, рассматриваемая в данной теории, на практике реализуется редко. Учет уже только легких и тяжелых дырок приводит к тому, что мы будем иметь десять каналов рекомбинации (т. е. различные сочетания электронов, легких и тяжелых дырок в оже-процессе) [31]. Из качественного рассмотрения на зонной схеме возможных электронных переходов при оже-процессе становится ясно, что эффективность отдельных каналов рекомбинации будет низкой, тем не менее выбрать наиболее эффективные каналы рекомбинации без соответствующих расчетов не всегда представляется возможным. Дальнейшее развитие теории связано с расчетами вероятности оже-рекомбинации для различных каналов и для различных полупроводников с непрямыми междузоннными переходами. Это связано с недостаточным развитием теории междузонной оже-рекомбинации, которая, в частности, рассматривает зоны лишь с квадратичным законом дисперсии, а также с отсутствием надежных данных о структурах энергетических зон вдали от экстремумов. Весьма ограниченное число экспериментальных работ по междузонной оже-рекомбинации связано в значительной степени с трудностью однозначной идентификации оже-процесса в рамках использовавшихся методов исследования. Для идентификации оже-процесса различные авторы используют зависимости времени жизни носителей заряда при малом уровне возбуждения, вытекающие из теории Битти и Ландсберга. Идентификация междузонной оже-рекомбинации по температурной зависимости времени жизни в собственном полупроводнике применима лишь для узкозонных и относительно чистых полупроводников, чтобы иметь температурный интервал, достаточный для выявления характера зависимости времени жизни от температуры. Кроме того, необходим определенный уровень развития теории, поскольку помимо изменения концентрации носителей заряда с изменением температуры необходимо учитывать изменение с температурой коэффициента оже-рекомбинации, а для этого надо иметь оценки энергии активации оже - процесса для ряда рекомбинационных каналов, которая определяется конкретной зонной структурой полупроводника.
Методы исследования параметров кинетики рекомбинации носителей заряда в фоторезисторных структурах
Установление схемы электронных переходов в данном типе веществ или конкретном образце, выяснение роли различных локальных центров в процессах прилипания и рекомбинации, качественное и количественное описание деталей этих процессов, наконец, определение основных параметров различных центров в значительной степени исчерпывают феноменологическое описание неравновесных процессов в однородном полупроводнике [31]. Подобные исследования позволяют объяснить многие свойства полупроводника, например его поведение при взаимодействии со светом или неравновесные процессы при инжекции носителей и создать основу для разработки различных приборов [28]. Феноменологическое описание неравновесных процессов позволяет изучить физические механизмы захвата носителей на различные рекомбинационные центры. Теоретическая важность этой проблемы вытекает из весьма ценной информации о свойствах (структуре и энергетических состояниях) рекомбинационных центров, их взаимодействии с носителями тока и колебаниями решетки, взаимодействии центров друг с другом, которая может быть получена при таких исследованиях [31,40-42]. Описанию методов исследования параметров кинетики рекомбинации носителей заряда в полупроводниках посвящено большое количество монографий и статей [55-59]. Поэтому, коротко перечислим некоторые из них, которые позволяют определять вид и параметры кинетического уравнения релаксации неравновесных носителей заряда в фоторезисторных структурах. Методы совместного исследования фотопроводимости и люминесценции позволяют выяснить механизмы захвата носителей на различные рекомбинационные центры полупроводниках, установить полную схему излучательных рекомбинационных переходов, найти параметры центров свечения [28, 31] и выяснить их роль в процессах рекомбинации. Такие возможности возникают и при анализе люкс-амперных характеристик фототока и его температурных зависимостей [21]. При анализе кинетики фототока импульсы возбуждения следует классифицировать как по их интенсивности, так и по их длительности в сравнении с характеристическими временами релаксации основных и не основных носителей. Такое деление основывается на различных условиях рекомбинации носителей после окончания импульсов разной длительности, что при теоретическом анализе находит свое отражение в формулировке начальных условий [28] при решении соответствующих кинетических уравнений.
Одной из особенностей кинетики собственной и примесной проводимости при импульсном возбуждении является сложный вид кривых релаксаций, которые обычно состоят из нескольких разных по скорости спадания участков [28]. Их количество зависит от различных фотоэлектрически активных и рекомбинационных центров в образце и вида возбуждения. На кривых спадания фототока будут наблюдаться в принципе все характеристические времена электронов и дырок, однако их амплитуды могут сильно различаться. В таком режиме, например, было исследовано прилипание неосновных носителей в германии [31]. Рекомбинация свободных электронов (дырок) происходит параллельно с возбуждением. В течение импульса возбуждения достигается стационарное состояние связанных и свободных носителей в полупроводнике, вследствие чего во многих случаях нарастание и спад сигнала определяются наиболее длинными из времен релаксации в схеме. Поэтому даже при наличии весьма короткого фронта импульса [28] теряется информация о быстровременных процессах релаксации. С этой точки зрения более предпочтительным выглядит использование коротких импульсов возбуждения. По интенсивности импульсы возбуждения целесообразно разделить на короткие импульсы большой интенсивности (световой удар) и короткие и длинные П-импульсы малой интенсивности [28], последнем случае кинетика изучается на фоне либо стационарного, либо примесного возбуждения. Перечисленные методики широко применяются для изучения процессов рекомбинации и прилипания в монополярных фотополупроводниках различного типа. В общем случае анализ фототока в многоцентровой модели проведен в работах где получены полные выражения для характеристических времен релаксации и их зависимость от типа центра [31]. При исследовании порошковых люминофоров в основном используется метод ТВ, который в ряде случаев не позволяет выявить существующие центры захвата. Использование метода ТСЕ на порошковых материалах расширяет возможности контроля примесей в люминофорах. Для реализации метода ТСЕ можно использовать явление самоэкранирования внешнего поля свободными носителями в структурах типа МДПДМ [46, 48]. Резкое возрастание емкости при освещении таких структур, изготовленных на основе кристаллов кремния, исследовано в ряде работ [46, 97]. Метод ТСЕ может быть использован для люминофоров с рекомбинационным типом свечения, так как в таких люминофорах ионизация центров свечения и центров захвата сопровождается переходом свободных носителей в зону проводимости. Если возбужденные уровни центров свечения и захвата лежат в запрещенной зоне, то изменения емкости не происходит. Анализ зависимости емкости структур от температуры позволяет определять глубину центров захвата [49]. В [48] были проведены исследования кривых ТСЕ люминофоров типа А2В6, свечение которых и освобождение носителей с центров захвата происходит с участием зоны проводимости. Процессы возбуждения люминофора и измерение кривых проводились в условиях, принятых для измерения кривых ТСП. Для исключения полевой ионизации центров свечения величина приложенного напряжения должна быть значительно ниже порогового. Частота приложенного напряжения выбиралась из условия 1/(соСэкв) « Raice- Здесь R3KBJ Сэкв - эквивалентные омическое сопротивление и емкость структуры. В этом случае сопротивление структуры будет носить емкостной характер и изменение R3KB не будет сказываться при измерениях емкости. Смещение носителей по примесной зоне вклад в изменение емкости не дает. Многочисленные методики исследования параметров кинетики базируются на конкретных моделях процесса рекомбинации.
В связи с этим, необходимы дополнительные методы исследования вида кинетического уравнения, позволяющие определять его параметры без учета конкретного механизма рекомбинации. Блок схема установки для исследований приведена на рисунке 2.1.1. Образцы для исследований располагались в металлическом криостате (2). Фоточувствительные структуры (1) помещались непосредственно на стакане криостата, в который заливался жидкий азот. Криостат позволял проводить измерения в области температур от -196С до +200С. Конструкция _ криостата была аналогична той, которая применялась в работе [93]. В качестве источника света использовалась лампа накаливания (6) и различные виды светодиодов (3). Облучение структуры осуществлялось через кварцевое окно криостата с светодиодом либо излучением, которое выделялось из спектра свечения лампы накаливания кварцевым монохроматором ЗМР - 3 (5). Фототок регистрировался усилителем постоянного тока У5-9 (8) либо осциллографом С1-102 (16). Вход осциллографа в зависимости от сопротивления образцов шунтировался. Сопротивление шунтов изменялось в пределах от 1 кОм до 100 кОм. Анализ гармоник фототока проводился с помощью анализатора спектра СК4-56 (20) либо с помощью разработанной методики, которая будет изложена в параграфе 2.2. Вращающееся зеркало (17) служило для коммутации световых потоков излучения монохроматора и светодиодов. Питание светодиодов осуществлялось от источника постоянного тока (23) или генератора (24). В качестве генератора использовался многофункциональный прибор Г6-34, который позволял подавать на светодиод импульсы различной формы и постоянное напряжение одновременно. Постоянное смещение необходимо для выбора рабочий точки светодиода на линейном участке люксамперной характеристики. Для регистрации среднего значения фототока использовался гальванометр магнитоэлектрической системы М-95 (14). При этих измерениях фоторезисторные структуры питались постоянным напряжением, а освещались импульсами света, частота следования которых изменялась. Свето диоды при таких измерениях питались от генератора Г6-34 (4). Для проверки независимости среднего значения излучения светодиода от частоты проводились предварительные измерения с помощью фотоумножителя (ФЭУ). ФЭУ-100 (9) служил для регистрации вспышек свечения структур оптической памяти.
Влияние кинетики межзонной рекомбинации на нелинейные искажения, вносимые фоторезистивной структурой, в регистрируемый нестационарный оптический сигнал
В случае собственного полупроводника при межзонной рекомбинации линейная рекомбинация неравновесных носителей возможна при низком уровне освещения An « щ. Пусть фоточувствительная структура на основе собственного полупроводника освещается светом, изменение интенсивности которого можно представить в виде ряда . интенсивность -гармоники, kQ — частота -гармоники, рк— фаза к- гармоники. Изменение концентрации свободных носителей определим в рамках приближений, изложенных в (3.3.1). При низком уровне освещения n = aj30r«no, дифференциальное уравнение изменения концентрации неравновесных носителей запишется в виде: а Уравнение (3.2.2) является линейным дифференциальным уравнением, для которого выполняется принцип суперпозиции, поэтому решение можно записать в виде: Выражение (3.2.7) в случае o)»ND является амплитудно-модулированным сигналом. Следовательно, фоторезистор может выполнить одновременно не только функцию регистрации оптического сигнала, но и осуществлять операцию модуляции электрического сигнала по закону изменения по интенсивности оптического сигнала. Согласно принятой современной терминологии [80], динамическое освещение создает динамическую неоднородность по поверхности полупроводника - динамическое изменение проводимости. Функциональная электроника представляет собой область электроники, в которой изучаются взаимодействия динамических неоднородностей в объеме полупроводника с физическими полями с целью создания устройств [80] для обработки информации. В данном случае при подаче переменного напряжения на полупроводник у фоторезистора возникает новая функция, связанная с перемножением двух сигналов, а это одна из основных операций электроники. Сигнал может быть переведен из оптического в электромагнитный канал (радиоволны) непосредственно в устройстве приема оптического сигнала - фоторезисторе. Это приводит к резкому уменьшению числа элементов в электронном устройстве, а, следовательно, и повышению надежности и уменьшению объема. Искажения, вносимые в сигнал, в данном случае будут связаны с уменьшением амплитуды переменной составляющей сигнала при увеличении частоты модуляции оптического излучения.
Это явление может быть использовано для детектирования частотно-модулированных оптических сигналов. На рис. 3.2.1 приведена осциллограмма эффекта частотного детектирования, полученная с помощью фоторезистора на основе CdS. Частотно-модулированный сигнал с генератора подавался на светодиод. Излучение светодиода являлось частотно-модулированным. Несущая частота такого сигнала выбиралась из условия со да 2;г/г, где т -постоянная времени фоторезистора. Модулирующий сигнал составлял 0,lct). Как видно из осциллограммы, сигнал на выходе фоторезистора является амплитудно-модулированным, который можно детектировать обычным способом. Для высокого уровня инжекции процесс межзонной рекомбинации является нелинейным, и он подробно рассмотрен в многочисленных монографиях по физике полупроводников для постоянного возбуждения [66, 76-82]. В случае переменного возбуждения до настоящего времени этот вопрос остается открытым. Это связано с тем, что дифференциальное уравнение кинетики (уравнение Риккати с правой частью) не имеет решение в элементарных функциях. Решение этого уравнения в случае периодического возбуждения имеет важное значение для создания систем оптической обработки информации на основе фоторезистивных структур. Оно позволяет оценить коэффициент нелинейных искажений, вносимых фоторезистивной структурой в процесс преобразования оптического сигнала в электрический. Теоретическое исследование этого вопроса позволит создавать оптопары обеспечивающие высокий уровень линейности преобразования ток светодиода - ток фоторезистора. Такие системы необходимы в линиях гальванической развязки [60, 61]. В случае периодического возбуждения типа меандра решение в аналитическом виде при высоком уровне инжекции (квадратичный закон рекомбинации) рассмотрен в работе [79].
Рассмотрим кинетику изменения концентрации свободных носителей в собственном полупроводнике при произвольном уровне возбуждения светом, интенсивность которого изменяется по гармоническому закону. Рассмотрение проведем в рамках изложенного в параграфе 3.1. Скорость рекомбинации неравновесных носителей в этом случае запишется в виде [75, 76, 82]: где п, р — концентрация неравновесных электронов и дырок; щ, р0 -равновесные концентрации электронов и дырок; у — коэффициент рекомбинации. Скорость генерации неравновесных носителей при гармоническом возбуждении запишется как: где А = а J3 -Ф0, а - коэффициент поглощения, /? - квантовый выход, Дифференциальное уравнение изменения концентрации неравновесных носителей (электронов в зоне проводимости) в этом случае будет иметь вид: избыточной концентрации свободных носителей. Рассмотрим высокий уровень инжекции Ап п0. В этом случае уравнение (3.2.11) запишется в виде Дифференциальное уравнение вида (3.2.12) не имеет решения в элементарных функциях. В случае постоянного возбуждения Ф0 (3.2.12) имеет решение Величина 1/-J/4 имеет размерность времени и численно равна времени жизни неравновесных носителей при их концентрации Ап = Ancm- Aj/. Решение (3.2.17) может быть найдено в квазистационарном приближении. Пусть возбуждение осуществляется светом, модулированным частотой а «2л Jp4 . В этом случае изменение неравновесной концентрации практически повторяет изменение интенсивности света.
Исследование явления оптической памяти
В качестве устройств оптической памяти нами были использованы электролюминесцентные конденсаторы на основе планарных щелевых структур. Устройство таких структур подробно описано в параграфе 2.4. При приложении к структуре напряжения меньше порогового и освещения светом возникает явление запоминания освещенных участков структуры. Если после прекращения освещения отключить напряжение и замкнуть контакты возникает вспышка свечения областей структуры, которые были освещены светом. Рассмотрим механизм явления оптической памяти. Исследуемые структуры являются структурами типа МДПДМ. В роли диэлектрика выступает пленка окиси алюминия, образующая на поверхности металла -алюминия за счет окисления на воздухе. На рис. 4.2.1 приведена исследуемая структура в увеличенном масштабе. К клеммам 1, 2 подводится напряжение. Величина напряжения выбирается меньше порогового. качестве люминофора используется полупроводник, обладающий фоторезистивным эффектом. При освещении такого полупроводника светом происходит переход электронов в зону проводимости, а под действием приложенного напряжения часть электронов выходит из области кристалла на границу с диэлектриком. После отключения света и внешнего поля свободные носители удерживаются на границе кристаллов полем заряда металлических дорожек. Эти дорожки образуют плоский конденсатор. Разряду такого конденсатора препятствует слой диэлектрика (А1203) на поверхности дорожек. После снятия заряда с дорожек за счет замыкания контактов 1 и 2, свободные носители возвращаются в объем кристалла и рекомбинируют с свободными центрами свечения. Нами была проверена зависимость интенсивности вспышки от времени хранения запасенной оптической энергии.
Для исследований использовались электролюминофоры типа ЭЛ-515, ЭЛ-525, ЭЛ-670. На рис. 4.2.2 приведены осциллограмма вспышки свечения, которые наблюдалась на структуре с люминофором ЭЛ-515. Кривая получены спустя 30 с после отключения света. Длительность возбуждения составляла 3 минуты (Л = 365 нм). На рис. 4.2.3 приведена зависимость интенсивности вспышки в максимуме от времени хранения. Возбуждение образца с люминофором ЭЛ-515 осуществлялось светом с длиной волны Л = 365 нм. Линия 365 нм выделялась из спектра свечения кварцевой лампы накаливания. Интенсивность облучения составляла 10 Вт/см . Измерения интенсивности вспышек проводились через различные промежутки времени после снятия возбуждения. Длительность облучения составляла 3 мин. Напряжение, прикладываемое к образцу, равнялось 120 В. Температура образца 22 С. На рис. 4.2.4 приведена зависимость интенсивности вспышки от времени хранения для этого люминофора при температуре -196 С. Использование другого люминофора марки ЭЛ-525 позволило значительно увеличить срок хранения оптической информации. На рис. 4.2.5 приведена кривая спада яркости вспышек от времени хранения для люминофора ЭЛ-525 при тех же условиях измерения, что и для люминофора ЭЛ-515. Как видно из рисунка 4.2.5, время хранения оптической информации достигает одного часа. Мы предполагаем, что разница во времени хранения информации связана с тем, что омическое сопротивление структуры с ЭЛ-525 было в 3-5 больше раз, чем у структуры на основе ЭЛ-515. Согласно проведенным измерениям сопротивление структур составляло 1011 -:-1012 Ом в темноте и 1010 ч-Ю11 Ом при освещении. Следовательно, сопротивление слоя люминофора было на порядок выше, чем сопротивление диэлектрического слоя на поверхности дорожек. Емкость структур была равна 50 пФ в отсутствии освещения и 400 п Ф при освещении. Исходя из этих измерений, можно сделать вывод, что за счет токов утечки происходит разряд конденсатора. За время t = RC«40 с накопленный заряд уменьшится в е раз. Поэтому, если сопротивление люминофора меньше, то и время хранения меньше. Для резкого увеличения времени хранения необходимо увеличить толщину диэлектрического слоя на поверхности алюминиевых дорожек.
Сопротивление диэлектрика должно быть сравнимо или на порядок больше, чем сопротивление освещенного образца {Яд =10-5-10 Ом). Это позволит довести время хранения оптической информации при комнатной температуре до величины 60 минут, а при азотной - до -12 часов. Рассмотрим математическую модель явления оптической памяти на основе предложенного механизма. В случае полной экранировки величина объемного заряда на границе зерен может быть найдена с помощью соотношения [97]: где Еэ - напряженность электрического поля, создаваемая объемным зарядом, п — концентрация носителей в области объема, S - площадь контактов. Воспользуемся более простым соотношением где С - емкость конденсатора, U - приложенное напряжение. Из (4.2.2) где у - квантовый выход. Выражение (4.2.4) верно для случая полной экранировки. Получим выражение математической модели вспышки свечения. При расчетах будем полагать, что время возвращения свободных носителей с границ зерен кристаллов определяется временем стекания зарядов с металлических дорожек конденсатора. Закон изменения числа носителей зарядов на обкладках конденсатора запишется в виде: где N0 - начальное число зарядов на обкладках конденсатора. Дифференциальное уравнение изменения числа ионизованных центров при возвращении свободных носителей с границ зерен кристаллов в объем будет иметь вид: Уравнение (4.2.6) не имеет решения в элементарных функциях, поэтому оно было решено нами численным методом в системе Mathcad. На рис. 4.2.6 представлен теоретический график зависимости интенсивности вспышки свечения от времени при следующих значениях параметров в уравнении (4.2.6): /?С=10"6с, /?=5-10"8 с"1, N0=l отн.ед. Хорошее соответствие кривых, представленных на рис. 4.2.2 и рис. 4.2.6, говорит о правильности выбранной для расчета модели. В результате проведенных исследований показано, что планарная структура типа МДПДМ на основе порошковых люминофоров может быть использована как устройство хранения оптической информации. Длительность хранения зависит от сопротивления диэлектрической прослойки и температуры. С понижением температуры длительность хранения информации значительно возрастает. В качестве люминофоров должны использоваться полупроводники, в которых возбуждение сопровождается переходом электронов в зону проводимости. К таким люминофорам относятся соединения А В . Для получения цветных изображений необходимо использовать смеси порошков, которые излучают в синей, зеленой и красной областях спектра.
