Введение к работе
Актуальность темы:Одним, из накоолее широко изучаемых типов активних сред является полупроводниковые -материалы. Открытие рекомбина-ционнс- її эксктсню-стимулировазшых явления, обнаружение новых видов перестраиваксихся метастаоильных примесных центров привело к открытию нового класса "СИКЕРГЕПІЧЕСКИХ" по своей природе фотоэлектрических' явлении в полупроводниках с рекомбинациошо-стиму-лкрсЕзккыми перестройками метастаоильных примесных центров.
Вместе с тем до настояная работы оставались практически незатронутыми вопросы сиеергетических фотоэлектрических явления в полупроводниках с зкситанным механизмом фстоЕОЗбуждения в условиях экситонно-стимулировЕнных перестроек метзстабильных примесных центров (когда энергия, выделяемая в оезызлучательном акте аннигиляции экситсва расходуется на перестройки центров),актуальность которых обусловлена необходимостью развития теоретических основ функционирования суцествупцих и выявления путей создания новых типов перспективных полупроводниковых приборов.
Цель настоящая работы - исследование синергетических фотоэлектрических явленна при экситоЕВсм механизме возоувдения фотопроводимости в полупроводниках со стабильными центрами (з условиях разогрева) и метастаоильныш рекомоинационными центрами, прв-терпеващимя экситоннс—стимулированные перестройки.
Основные методы исследований.
Линейный анализ стационарного состояния система на устоячн-
гпсть (по .Ляпунову);получение приближенных аналитических решения
для статических пространственно-неодноро.ПЕНх распределении (мето
дом Ван-дер-Поля ); моделирование на ЭВМ исследуемых процессов
(с использованием метода Рунге-Кутта-мерссна с автоматическим вы
бором шага) с последущим сравнением с имеющимися гксперименталъ-
кы?и результатами. N
Научная новизна диссертации состоит в том, что в неп:
I.Определены механизмы,ответственные за возникновение временных автоколебании и статических пространственно—неоднородных распределений концентрации неравновесных косителеи и гксктонов е полупроводниках со стабильными центрами в условиях ударной еоеизв-
-2-ции экситонов.а также кпнпяндрации эксатснов к температуры оораз-
ца в условиях темпэратурно-стимулированной аннигиляции экситонов.
2. Впервые разработана статистика рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниках с метастабилышми примесными центрами, претерпевающими экситонно-стимулированныэ перестройки.
3..Впервые показано, что зкситонна-стимулировзнкые перестройки метастабильных примесных центров однородно фотовозоуздаемого полупроводника могут обусловливать самовозбуждение временных автоколебания, статического пространственно-периодического распределения концентраций неравновесных носителей, метэстаоильнкх примесных центров и зкситсков.
і. Теоретически показана возможность возникновения синергети-чэского фотовольтаичэского эфек?а е гкситонных полупроводниках, заключавшегося в том, что при однородном экситонном фотсвсзбузде-нии исходно однородного образца с экситошо-стимулированными перестройками мэтастабильных центров,б нем спонтанно образуется динамические пространственные неоднородности распределениа концентрати нерзвновзсных носителей, зкситояов, метастабильных центров а внутреннего электрического поля, что приводит к образованию ди-намического'потенциального оарьера (сикергетического), разделякь аего носители тока и. соответственно, к появлению фототока (или сротонапрякения).
Практическая ценность работы определяется тем, что:
I. Разработанная статистика рекомбинации неравновесных носителей в подупроводниках с экситонно-стимулированными перестрояка-.ми метастаоильных центров, обусловливающих спад скорости рекомбинации, позволила определить новый механизм сверхлинейного роста времени жизни носителей тока, экспериментально обнаруженный во многих полупроводниковых материалах и структурах (который не моют быть объяснен в рамках моделей, постулируадих неизменность концентрации рекомбинационных центров в процессе релаксации экси-гсшюго возбуждения полупроводника).
і. Подученные теоретические результаты (синергетичзския фототек, фотонапряхэние и время аазни неравновесных носителей тока; псво.^ют.предлозить для полупроводников с экситонным механизмом \.:тсБсз0у»деняя нс=ув экспериментальную методику спределензя ряда
насмотрев, характеризующих взаимодействие неравновесных носителе:» тс---::- с мотастагильнымк примесными центрами и выяснить характер их оксцтошо-стамулярс22ннкх перестроек. Основные положения, выносимые на завиту.:
1. Статистика рекомбинации з полупроьодниках с зкситсннш ме
ханизмом фотовозоуадекЕЯ з условиях зкситсЕно-стимулироЕгнкых пе^
рестроек метастаекльных примесных центров.
Z. Процесса спонтанного образования временных, автоколебании, статических пространственно-неоднородных распределений концентрация неравновесных носитг-.леи в полупроводниках со стабильными к метастзоильнша примесними центрами в условиях эксктсвного механизма ЕО30УЭД9НИЯ ФОТОПРОВОДИМОСТИ.
2. Теория синергетического внутреннего фотоэффекта в'полупро
водниках с экситонно-стимулирозанньми перестройками метастабиль-
ных примесных центров.
Апробация работы.
По материалам диссертации опубликовано 18 работ,из них 13 научных стател и 5 тезисов докладов. Результаты работ, воиедпшх в диссертацию,докладывались на Первой. Национальной конференции "Дефекты е полупроводниках" (Саакт-Петероург,1992), Етсрса научной конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (дшха-бад.1991), восьмом координационном.совещании по исследованию к применению твердых растворов кремний-германий (Ташкент,1Э31),Все-' С0ЮЗН02 нзучноа конференции "Фотоэлектрические явления в полупроводниках" (Ташкент,1989),третьез республиканской еколэ молоди* 'Физиков (Ташкент,1990),б таете на семинарах, а конкурса;: молодит ученых ФШ НПО "СИЗИКБ-ССЛНиЯ" АН ri;C. Структура и ооъек диссертации.
Диссертация состоит из введеник, содержала га общую характеристику работы.четырех глаз, заключения, содержащего основные виводи, списка цитируемой литературы, зключгшего 192 наименование . содержат НО страницы мааинсписногс те::стс. 2<; ргсункв.
Первая глава посвящена оозору раост по исследование снкергвтЕ- чесних процессов з полупроводниках со стаоилывпщ и метаствешге-шки ппимесньми центрами в условиях фото-, инке::иаонпцх и других видев воз"уждйнгя.Приведены примерз кетастаонльных пга<епкцт
-и -
центров в различных полупроводниковых материалах (Sl,a-Sl:H,GaAs, GaAlAs, соединениях типа А2Вб,халькогенидных стеклообразных полупроводниках и др.). Рассмотрена статистика рекомбинации и протесы самоорганизации в условиях рекомоинационно-стимулированных перестроек метастабильных примесных центров. Приводятся результаты работ по статистике рекомбинации электронов и дырок с участием экситонов для полупроводников,содержащих, стабильные центры, концентрация которых не меняется в процессе релаксации экситонного возбуждения И*-3*Ь
Во второй главе изложены результаты исследования свойств ав-товоли в полупроводниках с развитой ударной иониззшшл экситонов электронами, разогретыми СВЧ полем.Методами качественной теории дифференциальных уравнения исследована система уравнения сохранения числа носителей тока и экситонов.Определены пороговые условия самовозбуждения автоволн концентрация электроноЕ и экситонов. С помощью математического моделирования на ЭВМ *) изучены евсястза статичэскоа пространственно-неоднородной <. 2.2) к временной (2.3) структур с последующим сравнением с результатами эксперимент а,,выполненного Б.М.Ажинадзе и А.й.Субашиев на Si [4*1,
Исследованы молекулярные кристаллы в условиях экситонного механизма фотоЕсзОуждения.В случае.когда кристалл содержит стабильные ловушки ^концентрация которых не меняется в процессе релаксации экситонного возбуждения, 2.4),в линейном приближении исследована система уравнения сохранения для концентрации свободных экситонов,экситонов,захваченных ловушками и энергии.Опре де лены условия спонтанного образования автоволн концентрации свободных я захваченных экситонов,а также температуры кристалла.В случае,когда молекулярный кристалл не содержит ловушек для экситонов,исследована на устойчивость (по Ляпунову) система уравнения для концентрации свободных экситонов и температуры кристалла. Получены необходимые условия самовозбуждения автоволн концентрации свободных экситонов а температуры кристалла.Подобные автоколебания.по--Еидимсму, нзблвдзлись на кристаллах дзятерооензофенсна [5*1.
"і во всея работе расчеты проводились на :-ЪИ типа IBM PC/а? с ис-по.\ьз<.. манием ст чдартных программ на языке Бейсик.
і третьей главе рассмотрены различные модели возможных механизмов экситснно-стимулированных перестроек метас-аокльных рекомбн-нациснних-центров-ассоциатов типа мелкий донор-вакансия -(63.1).
Анализируется феноменологическая система кинетических уравнена: і J 6.2; .которая,используя обычные приближения,сведена к одному уравнению,списывающему статическое пространственно-несднород-:.'.'.; в^сиоелеление козгпектпации неравновесных носителей
гд* Kr; 0nCpwp-nl2)
У = KpR = —^ : (2)
и -- - LVn + V + С«<Р + Рі>
g(n) ' '
- скорость рекомбинации электронов (п) и дырок (р) через метаста-
оильныи рекомбикационкыя ассоциат типа мелкий донор-вакансия (Np), Кг, - полная концентрация мелких доноров,%=%-NR - концентрация не ассоциированных в комплекс мелких доноров; г(п) и g(n) -- коэффициенты экситояно-стимулированного распада и генерации ме-тастзСилънкх ссоцизтсв,состветственно;е-концентрация экситонов.
Подробно анализируются следупцие случаи:
I.Когда ассоциаты не претерпевают экситонно-стимулированных перестроек, так что r(n)-oonst,g(n)-.const-и Nr~const.Следовательно, как покззано в [I*,2*], U « п (Рис.1, кривая а).
2.Если г(п) » an,g(n) ~ const иди г(п) ~ const,g(n) « р7п,то Нд = N„/(1 + 7п)-Роотаетс,гвенно»скоРость рекомбинации при высоких уровнях возбуждения выходит на насыщение (рис.1,кривая б)
которое, в отличие от рассмотренного в і І*..-;*], являет с;-; результатом зкситсннс—стшлу-герсвянных перестроек метастзоклькнх примесных цоіігро;::
2. Когд:' гііл;-'д(п; - rr, то ї:-_ - !ц/(1-тп~. к скорботі pj-
КОМОПНЗШ-2:
П ^ 1-І, .. pj 1 + ^г_ с ростом уровня возбуждения падает (рис.1.кривая б),что не моке
быть получено в рамках моделей статистики рекомбинации, рассмотренных в [1*-3*1, постулирующее неизменность концентрации реком-бинашюнных центров и игнорирующих воздействие энергии, выделяв- мой в актах безызлучательного распада экситона, на инфраструктуру метастабильного ассоциата.
Получено аналитическое выражение для времени кизни неравновесных носителей тока в случав 14):
1 -П"{ГТ. '
которое с растем уровня возбуждения аверхлшеино растет, что экспериментально наблюдалось во многих полупроводниковых материалах л еттгух'-турах <см. например 6*1).
, Ркс.1. Показано (3.4), что экситонно-стимулированные перестройки катзетаоильных примесных центров-ассоциатов типа мелкий донор-ва-кгасая' и вызванный им спад скорости рекомоинашт может обусловливать неустойчивость стационарного состояния исследуемого полупроводника и привести к развитию процессов самоорганизации.Определены уелсвия самовозбуждения пространственно-однородных автоколебаний к егч-таческих ,п>эстракстве"ко-несднородных распределении концентрации неравновесных носителей к метас^аои^ькиг цектсов.
четвертая глава пссвяаена исследованию в падуггровпяіглка'; z річ'ВиткігА гкоигошо-еттаудировакнымя петзестрсшотсї метпс:'Е"иг^:;і:::. псжєок;:: центров амплітудно- к зассзо-частотхпіх дарактетдісткі; времешшх аЕТОкодесаниа, а также статических ігрсстпзнственис-да-однородних рзспредедеімя концентрация нерашювескнх носителей,w— тэстасильных примесі-мх центров ;: зкситоаой.ііосдедававі&я прснсад-..тиоь f* условия.1:, когдэ гоадиенты концентрации HepasKOcecHUi rfuc:'--те .чей на границах оорззіїа раиаы нулю как для одна>«.2рнога ;:".", 4.2. 4.4, 4.5;, сак и для, двумешсгс ',;; л.о) случая.
Получено (методом Ь::":-дчр-Поля) пркиликеакое зналитггчоскс.е ps-Et.'inis уравнений (1 і для случая слабого взакмодейстскя акскточев -. метастзсильнимя асссциатамк т:ша мелкий дсиэр-вшакс;».
ЩХ) » Пдцр + П^ Л «5з[-- l) , (6;
представляющее собой распределение концентрации неравновесных электронов (^ и Ojnp-точки максимума и перегиба).Здесь w-длина сосазиа,
[ : '
7D" \( w )f » Г1 8
Л "\i lLch J I Lc>i >! 3 ^
= 'Jbl
Lcft ='-j8 1^ = 180^ - характеристическая длина распределения концентрации электронов.Соответственно, яаадено ешзээйкиэ для концентрации штастзпшкыд ассоциатор
:*х>- - кВ[ло.А,=о8|4я^соЕ(~- z\\" -і - "~ад ~ео - ''.' '
Прз. этом s силу црэнебрекимо малого взаимодействия окситонов с мвтастаоильЕнмк ассоциатами сами экситоны в структуру ке сгладываются (е(2)~соп,5х),дотя играет главную роль в спонтанном ойразо-закиа пространственней неоднородности распределения :цх) іі ічч(Д;. Формироваш'.е пространственно-неоднородного распре деления концентрации кл(д: сопровождается возникновением внутреннего ьлеь-чтаг-гасхого поят.
"8 "
Ы b - 1 * 3Ц-Г *)
% = ~ q ь + 1 * Afr + AcoS(4-*)''" (b'
и связанного с ним динамического потенвдадьного барьера,разделяющего неравновесные носители тока.Этот барьер,в отличие от встроенных (технологических), барьеров (р-п,п-п+и т.п. переходов; связан с синергетическими процессами самоорганизации.Соответственно возможно возникновение тока коютксго замыкания:
или азяолавния холостого ісда:
::Г d - ; _ і із - л і
* |7" + а -»' т.е. может иметь место своеобразный синергетическиз фотоволътаи-ческиа эффект .Данный эффектов отличие от впервые полученного в С71 для электронного механизма фотовозбуздэния в условиях реком-Оинационно-стимулированных перестроек метастаоильных центров,имеет место в условиях экситонного механизма фотовозбувдения и зкси-тонно-стимулированных перестроек метастаоильных центров.
Точное решение уравнения (1) получено численным методом (Рунге-Кутта-Мерсона с автоматическим выбором шага) с использованием ЭВМ. Найдены амплітудно- и фазово- частотные характеристики пространственно-неоднородных распределения концентрация неравновесных электронов, метастаоильных ассоциатов и внутреннего электрического поля.
Рассматривается также случай взаимодействия экситонов с ме-тастабильными ассоциатами NR (4.2),что вносит существенные изменения в форму, амплитуду и пространственный период распределения концентрация неравновесных носителей,метастабилышх ассоциатов, экситонов и внутреннего электрического поля.При этом акситоны не только играют глаанув роль в перестройке Nq.ho и сами складываются в структуру.
Рассматривается также.'двумерная задача ( 4.3). Для случая
сильного взаимодеястЕля экситонов с Мп аналитически получено ви-
раулние.представляющее собой статическое простраиственнс—неодш-
рсдкое распределение концентрации неравновесных электронов,метас-
табильяых примесных центров и экситонов- для образцов прямоуголь
ной и ііилиндрическса фермы. ;
используя идеи Street R.A. Г8*] об зкеитонно-стимулированяом рождения дефектов в хальксгенидных стеклообразных полупроводниках, математически описана кинетика релаксации экситонного возбуждения такого полупроводника < 4.4).Определено условие возникно-зпп:ія времешшх концентрационных автоколебания,закдюиащаеся в у?!нйршш суммарная скорости U,j рождения и гибели концентрации МЭ-~а;:т.эбильных дефектов Яп.Математическим моделированием на ЗВМ полутени емплитудно- и фазсЕО-частотшэ характеристики колебаний концентрация электронов,матзетабильных центров а экситонов.
Обсуждается абстрактная модель полупроводника с метастасильш-' ми примасними центрами, претерпэваищми как рекомбинацканно-сти-мулированные, так и экситонно-стимулпрованныа перестройки (4.5). G помощью линейного анализа на устойчивость определены условия образования пространственно-временных автоколебания концентрацій неравновесных носителей, метастабильных центров и экситонов.
основіш вывода
1. Показано, что в полупроводниках с экситонным механизмов
! возбуждения фотопроводимости и со стабильными центрами в условиях ударной ионизации экситонов самоорганизация временных автоколебания, статического пространственно—неоднородного распределения, а такжо бегущих волн концентрации неравновесных носителей и экситонов возможна при самоторможении суммарной скорости рождения и гибели концентрация электронов,что подтверждается с експериментальними результатами, полученными Б.М.Атлкивадзв z А.В.Субашиевнм на SI а СВЧ полях 14*].
2. Показано, что в молекулярных кристаллах в условиях темпе—
ратурно-стимулированша аннигиляции экситонов самовозбуждение ав-
токолн концентрации экситонов и температуры кристалла возможно в
условиях самоторможения теплопередачи от кристалла термостату,что подтверждается экспериментальными результатами, полученными е 5*] на кристаллах двитеробензофенона.
-
Разработана статистика рекомбинации неравновесных носителей в полупроводниках с экситонным механизмом фотовозбуждения в условиях экситонно-стимулированных перестроек метастабильных ре-комбинационных ассоциатов типа мелкий донор-вакансия.Показано,что в результате экситонно-стимулированных перестроек таких метастабильных ассоциатов зависимость скорости рекомбинации от концентрации неравновесных носителей при высоких уровнях фотовозбуздения содержит падающий участок, а время жизни нерашошеных носителей сверхлинеяно нарастает (что не может быть получено в рамках моделей рекомбинации, игнорирующих воздействие энергии, выделяемся Е актах безызлучательного распада экситонов на инфраструктуру ме-тастабильного примесного центра и постулирующих неизменность концентрации рекомбинационных центров).
-
Показано, (приближенными аналитическими методами и математическим моделированием с использованием ЭВМ), что в экситонных полупроводниках с метастабилышми рекомбинациокными центрами типа мелкий донор-вакансия при высоких уровнях фотовозбуждения, когда экситонно-стимулированше перестройки метастабильных ассоциатов обусловливают убывание скорости рекомбинации с ростом уровня возбуждения, возможно возникновение пространственно-неоднородных распределения концентрация неравновесных носителей,метастабильных примесных центров и внутреннего электрического ПОЛЯ.
-
Предсказана возможность возникновения сикергетического фотовольтаического эффекта в экситонных полупроводниках, который' в отличие от вдерзые предсказанного в C7*i, возникает а условиях экситонно-стимулированных перестроек метастабильных примесных центров. При этом полупроводник становится активной средой с пространственно-неоднородным характером распределения концентрация, электронов, метастабильных ассоциатов и внутреннего электрического поля, в результате чего возникает наведенная динамически; потенциальный барьер, разделявдиа неравновесных носителей тока к однородный полупроводник становится генератором фототока.
-
Показано, что при сильном взаимодействии экситоаа с м?- '
тастаоильным центром, приводящем к увеличению интенсивности без-ызлучателъноя аннигиляции экситонов,однородное экситонное фото-возоувдение однородного полупроводника- может привадить к самоорганизации пространствеїшо-неоднородннх распрэделэний концентраций неравновесных носителей, метастабильных центров и экситонов (как в одномерном, так и в двумерном случаях).
' 7.С использованием модели Street R.A. 18),для моделей халько-генидных стеклообразных полупроводников показано,что при однородном экситонном фотовозбуадении в условиях убывания суммарной скорости роздения и гибели концентрации метастабильных болтающихся связей возможна самоорганизация временных автоколебании концентрация электронов.метастабильных болтающихся связей и экситонов.
