Введение к работе
'"
.'.'.. ,' Актуальность. В Последние годы внимание исследователей привлекают эффекты в примесных фотопроводниках, связанные с нарушением объёмной нейтральности при нестационарных, в том числе и фотоэлектрических, процессах. Эти эффекты являются следствием возбуждения волн перезарядки ловушек (ВШІ) и особенностей нестационарной инжекции носителей из контактов и проявляются при слабой ионизации примесей в полупроводниках, когда лишь относительно малая часть носителей с примесных уровней возбуждается в разрешённую зону
Особый интерес к исследованиям фотоэлектрических процессов в полупроводниках со слабо ионизованными примесями связан с разработками высокочувствительных детекторов инфракрасного (ИК) излучения среднего и дальнего диапазонов спектра, где традиционно применяется примесные фотопроводники, прежде всего на основе Si и Ge [1]. В настоящее время такие приборы получили широкое распространение в связи с их использованием для астрономических целей на телєсі; пах орбитального базирования. Проводимые в связи с этими задачами детальные исследования примесных фотопроводников выявили некоторые физические проблемы кинетики примесной фотопроводимости [1,2!.
Очень часто на образцах примесного Si, легированного элементами Ш и V групп, в условиях низкой освещенности и гелиевых температур при быстром и относительно большом увеличении интенсивности примесной подсветки наблюдался эффект немонотонного или "крючкообразного" (response hook anomaly) фотоотклика. При этом релаксация фотоотклика оказывалась исключительно затянутой во времени и существенно зависела от напряженности электрического поля в образце, освещенности и температуры кристалла. Этот .эффект долгое время не имел удовлетворительного физического объяснения.
Фотоэлектрические процессы в примесных фотопроводниках, вследствие возбуждения объёмного заряда и особенностей нестационарной инжекции носителей из контактов, протекают очень .своеобразно и принципиально отличаются от фотоэлектрических процессов как в собственных полупроводниках, так и в примесных с сильно ионизованными примесями. Вместе с тем они достаточно хорошо были изучены только б линейном и одномерном приближениях [3]. При больших Бозмущениях, как это имеет место в случае с эффектом немонотонной релаксации фотоотклика, в объёме образца возбуждается значительный заряд, и связь между вариациями электрического поля и концентрации носителей оказывается уже сугубо нелинейной.
Возникновение этой нелинейности существенным образом сказывается на протекании фотоэлектрических процессов и, соответственно, должно приводить к особенностям в кинетике фотопроводимости. Поэтому исследования нелинейных эффектов, обусловленных возбуждением нелинейных ВШІ при экранировании заряда в образцах конечних размеров, представлялись актуальными.
Необычность экранирования заряда в примесных фотопроводниках, прежде всего из-за частотной дисперсии длины экранирования [4] и её исключительно большой величины, создаёт другую проблему. Она связана с рассеянием в пространстве электрического поля, создаваемого объёмным зарядом, и с влиянием полей рассеяния на нестационарную инжекцию носителей из контактов. По этой причине одномерная теория [3] применима лишь для образцов, поперечный размер которых значительно больше расстояния между контактами. На практике, например, для примесных ИК детекторов это условие не выполняется [1].
Кроме того, интерес к изучению эффектов, обусловленных полями рассеяния, связан с разработками многоэлементных фотоприёмников. Дело в том, что из-за большой длины нестационарного экранирования,
электрическое поле объёмного заряда одного фоточувствительного элемента может проникать в соседние элементы и вызывать в них токи нестационарной инжекции. Это приводит к существенному взаимному влиянию близко расположенных примесных фотопроводников и может быть источником сильной межэлементной связи в фотоприёмнике.
Перечисленные проблемы определили направление исследований настоящей работы.
Цель исследований состояла в изучении особенностей кинетики примесной фотопроводимости, обусловленных нелинейностью фотоэлектрических процессов и неодномерностью условий реальных экспериментов, в дальнейшем развитии теории нестационарной примесной фотопроводимости и объяснении на её основе ряда закономерностей, экспериментально наблюдаемых в высокоомных примесных фотопроводниках.
Научная новизна полученных результатов со'стоит в предсказании ряда новых физических эффектов в примесных фотопроводниках. Среди них очень сильная немонотонность релаксации фотоотклика - эффект "ослепления" фотопроводника, эффект электроинжекционного растекания фототока, а также эффекты, обусловленные растеканием тока смещения.
В диссертации впервые показано, что:
причиной немонотонности и длительной релаксации примесного фотоотклика является образование в объёме образца во время переходного процесса значительной неоднородности электрического поля, нелинейно влияющей на фототок во внешней цепи через управление уровнем инжекции носителей'из, контактов и эффективностью их вытягивания из образца;
растекание нестационарного фототока в примесных фотопроводниках определяется не диффузией свободных носителей, а электро-инжекционным механизмом, обусловленным влиянием полей рассеяния заряженных примесей на нестационарную инжекцию из контактов. Этот не-
ханизм не только увеличивает растекание фототока, но и значительно повышает инерционность фототклика, а также определяет его зависимость от поперечного размера образца и направления протекания стационарного фототока в нём (полярности"напряжения на образце).
Впервые продемонстрирована важность эффектов возбуждения объём^ ного заряда не только для коротких, но и для длинных образцов.
Практическая значимость. Результаты диссертационной работы уже находят применение при разработке высокочувствительных примесных . фоторезисторов. Развитая в работе теория фотоэлектрических процессов составляет теоретическую основу для оптимизации и 'инженерных расчетов (ампер-ваттной чувствительности, быстродействия , величины межэлементной фотоэлектрической связи и т.п.) основных параметров многоэлементных фотоприёмников.
Зместе с тем, полученные в диссертации результаты, могут представлять практический интерес для исследователей фоторефрактивных кристаллов [5], а также для разработчиков видиконоз и других опто-электронных приборов, использующих примесные фотопроводники.
Основные положения выносимые на защиту:
-
Теория нелинейного фотоотклика в примесных фотопроводниках при сильном увеличении примесной подсветки.
-
Теория нестационарной примесной фотопроводимости фоточувствительной среды при её нестационарном пространственно неоднородном освещении и использование этой теории для определения свойств примесных фотопроводников конечных размеров.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XIII Всесоюзном совещании по теории полупроводников (Ереван, 1987), I Всесоюзной конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (Ташкент, 1989), XIV Всесоюзном совеща-
ний по теории полупроводников (Донецк. 1989), а также на научных семинарах НИИ "Прикладная физика", НИИ "Пульсар", ИРЭ РАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы - 103 стр. Диссертация содержит 84 стр. текста и 19 рисунков. Список литературы содержит 10G наименований.
