Введение к работе
Актуальность теш. Фотоиндуцированная пространственная перестройка электрического поля за счет зарядов свободных фотоносителей - фундаментальный эффект, универсальный для различного типа полупроводниковых кристаллов. Он достаточно хорошо теоретически и экспериментально изучен в структурах типа ШШ и МДП, однако в структурах, содержащих слои, туннельно-тонкого диэлектрика (ТД), он практически не исследован, несмотря на то, что к этому классу относятся почти все полуизолирующие широкозонные кристаллы (GdLTe, CdS, Hgl2, ZnSe и т.д.) с напыленными или нанесенными химическим путем контактами. К М(ТД)ЩТД)М структурам относятся полупроводниковые детекторы ядерных излучений, Оольшинство фотосопротивлений и др. В настоящее время отсутствует теория, описывающая пространственное распределение напряженности электрического поля в таких структурах и его динамику при воздействии освещения, их зависимость от величины протекающего тока и толщины диэлектрического слоя. Экспериментальное изучение фотоиндуцированяой перестройки поля, обусловленной свободными носителями, долгое время сдерживалось отсутствием чистых выоокоомннх кристаллов, т.к. проявления этого эффекта обычно маскируются перезарядкой глубоких примесных уровней}
Помимо большого научного интереса, который представляет данный эффект сам по себе, его изучение должно внести вклад в теорию фотоэлектрических явлений в высокоомных полупроводниках, которая сформировалась па основании экспериментальных результатов, полученных, как правило, на высокоомных структурах типа М(ТД)ЩТД)М, однако интерпретация результатов проводилась в предположении неизменного распределения поля в кристалле.
D ьысокоомных полупроводниковых кристаллах экспериментально наблюдается широкое многообразие необычных фотоэлектрических яв лений: суб- и супер-линейный характер люкс-амперных зависимостей, необычный вид релаксации фототока при включении (выключении) ос-вещения, влияние дополнительных подсветок на люкс-амнеріше зави симости (ИК гашение фотопроводимости), оспиллишт фототонов и др. Для объяснения этих зафектов до настоящего времени привлекаются исключительно представления о процессах, припоиячт к ітодоліліию
времени жизни носителей, обусловленных наличием в кристалле разнообразных гипотетических центров рекомбинации со специфическими параметрами. Такой подход приводит к ряду трудностей, связанных с необходимостью привлечения противоречивых представлений о природе и параметрах этих центров для объяснения различных явлений, экспериментально наблюдаемых в одном и том же образце. Он не объясняет невоспроизводимость эффектов при переделке электродов и т.д. Таким образом, существующие модели описания фотоэлектрических явлений в высокоомных полупроводниках нуждаются в коррекции, учитывающей влияние перестройки электрического поля; причем для некоторых типов структур этот механизм может оказаться определяющим, Вазшо отметить, что изучение стационарного распределения поля в высокоомных полупроводниковых структурах и его эволюции при воздействии света представляется актуальным и с точки зрения оптимизаций-параметров существующих полупроводниковых приборов, а также, для разработки принципиально новых светоуправляемых опто-электронных приборов', предназначенных для модуляции, коммутации и регистрации оптических сигналов.
Цели работы заключались в следующем:
- Исследование эффекта фотоиндуцированной пространственной пере
стройки электрического поля в высокоомных полупроводниковых стру^
турах, содержащих границу раздела полупроводник-туннельно-тонкий диэлектрик, включающее экспериментальное определение пространст~ венного распределения поля и его динамики после включения (выключения) освещения в объеме структур различных типов:
а) с варьируемой толщиной ТД слоя;
б) на ,:чистых" и компенсированных кристаллах CdTe;
в) на однородных кристаллах и на кристаллах, содержащих
р-п-переход.
- Изучение воздействия перестройки поля на фотоэлектрические ха
рактеристики структур путем численного расчета фотоэлектрических
зависимостей по измерзшим профилям электрического поля и сравне
ния расчетных данных с экспериментально измеренными. Оценка вкла
ла ппкекционных процессов в токовые характеристики структур.
Анализ возможностей использования эффекта фотоиндуцированной перестройки поля для создания нових оптоэлектронных приборов. Ой-
роделение оптимальных параметров структур и разработка на их основе оптически управляемых оптоэлектронных приборов.
Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов заключается в том, что в ней впервые: --. Проведено всестороннее экспериментальное исследование воздействия освещения на распределение электрического поля в различных типах высокоомных структур,.содержащих границу раздела полупроводник - туннельно-тонкий диэлектрик, включающее определение динамики и степени локализации деформации распределения поля. - На основании полученных результатов и сопоставления расчетных к Экспериментальных фотоэлектрических зависимостей сформулирована концепция, которая непротиворечиво объясняет ряд особенностей фотоэлектрических явлений в высокоомных полупроводниках с единых позиций воздействия перестройїш поля на токовые характеристики структур.
, - Практическая значение исследований состоит в том, что,на основании результатов изучения фотоиндуцированной перестройки электрического поля в различных типах ' туннельных МДД структур, были реализованы структуры с резко изменяющимся при освещении, обрзти-шы распределением поля. На их основе были разработаны новые оп-гоэлектронные приборы, управляемые оптическим способом, предназначенные для модуляции, коммутации и регистрации светового излучения. Это светоуправляемый оптический затвор (модулятор), коммутатор оптических каналов, фотоприемник с оптически управляемой площадкой фоточувствительности. Данные приборы по ряду параметров превосходят известные аналоги и имеют более широкий спектр функциональных возможностей.
Дс. товерность и надежность результатов работы обеспечены тщательностью разработки экспериментальных методик и воспроизводимостью результатов измерений. Данные, полученные различными не зависимыми методами, хорошо согласуются друг с другом, а т;іта? с результатами численних расчетов и теоретически оценок.
Апробация работа. основные результаты, вошедшие п лисосргя-цию, докладывались на ИИ и XJV Международных конфег.отс.ія?: по когерентной и нелинейной оптико шинок,1У0В. Ль'шшграк ,ь; и і; Ко
ординациошюм совещании соц. стран по проблемам оптоэлектроники (Баку,1989); международной конференции по электронным материалам (Страсбург,1992) и Всесоюзных конференциях: "Физика и применение контакта металл - полупроводник" {Киев,1987); XI конференция по физике.полупроводников (Кишинев,1988); I и II конференция "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ташкент,1989, Ашхабад, 1991); I и II конференции по оптической обработке информации (Ленинград ,1988, Фрунзе,1990) и других. Приоритет предложенных технических решений защищен 7-ю авторскими свидетельствами на изобретение .
Публикации. Основные результаты работы содержатся в десяти научных статьях, список которых приведен в конце автореферата.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
В структурах М(ТД)П(ТД)М типа на широкозонных высокоомных кристаллах с низкими концентрациями примесных уровней воздействие освещения приводит к обратимому перераспределению электрического поля, обусловленному пространственным зарядом свободных фотоносителей. Напряженность поля возрастает у электрода, противоположного освещаемому и, в приэлектродной области структуры, описывается координатным законом Е — 1/х.
-
В туннельных МДІІ структурах на кристаллах, содержащих р-п-пе-реход, фотоиЕдуцировавлая перестройка поля приводит к уменьшению напряженности поля в 0113 перехода, пропорциональному интенсивности освещения, причем диапазон изменения напряженности поля достигает 20 дБ.
-
Изменение распределения поля под действием света модифицирует фотоэлектрические характеристики М(ТД)ЩТД)М структур: обуславливает сублинейный вид шес-ампзрной зависимости, спадающую форму импульса фототокз, гашение фототока при дополнительной подсветке со стороны одного электрода и возрастание при подсветке с проти-вополозшого.
-
При значительных інтенсивностях освешения М(ТД)Ш'ГД)М структур на компенсированных кристаллах возрастание напряженности электрического поля на границе с ТД слоем приводит к изменению режима Тйкспротекзния - появлению итак кипи носителей с темпового элект-ра-аа, что изменяет характер люкс-амперной зависимости с сублиней-
кого на суперлинейный и обуславливает сложную форму релаксации фо-тотока.
5. Предложен принцип записи оптической информации в виде профиля электрического поля в структурах со сквозным фототекой. Разработаны и реализованы новые оптоэлектронные приборы: светоуправл'-э-мый оптический затвор (модулятор), коммутатор оптических каналов, фотопрйемник с оптически-управляемой площадкой фоточувствительности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка датируемой литературы. Общий объем составляет U5 страниц, включая 108 страниц машинописного текста и 45 рисунков на 37 страницах. Список литературы содержит 101 наименование.
