WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 5 Влияние диффузионной длины и поверхностной рекомбинации на фотоплеохроизм анизотропных кристаллов © Г.А. Медведкин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 13 октября 1999 г. Принята к печати 22 ноября 1999 г.) Получены формулы и проведен численный анализ зависимостей коэффициента фотоплеохроизма Pi однородного анизотропного кристалла от диффузионной длины L и скорости поверхностной рекомбинации.

Поляризационная фотопроводимость рассмотрена в области слабого и сильного оптического поглощения.

Показано, что спектральный контур фотоплеохроизма следует кривой оптического дихроизма при слабом поглощении, но отклоняется от него или даже инвертирует знак в случае заметной рекомбинации носителей заряда на поверхности кристалла при сильном поглощении. Рассмотрены предельные случаи нулевой и высокой скорости поверхностной рекомбинации для зависимости коэффициента фотоплеохроизма от диффузионной длины. Зависимости проанализированы на основе типичных параметров тройных алмазоподобных полупроводников II–IV–V2.

1. Введение 1) на освещаемой и теневой сторонаях (объемная продольная ФП), 2) на торцах (объемная поперечная ФП), Анизотропные кристаллы, обладающие высокой фо- 3) на освещаемой или на теневой поверхности (поточувствительностью, служат основой оптических дат- верхностная поперечная ФП). Для геометрии 1 при чиков поляризованного излучения и представляют ин- нулевом внешнем смещении работает эффект Дембетерес одновременно как поляризационно-оптические, ра [1], когда неоднородное освещение и диффузия неравновесных носителей заряда приводят к появлению так и фотоэлектрические полупроводниковые объекты с индивидуальными, но взаимосвязанными особенностя- градиентов электрических зарядов, различающихся в двух поляризациях. Разность эдс Дембера для E c и ми. При разработке приборов поляризационной оптики E c при условии монополярной проводимости (или и поляризационной оптоэлектроники в общем случае при соотношении подвижностей электронов и дырок важны высокая поляризационная фоточувствительность µn >µp) запишется как [2] i = PiSi (Pi — коэффициент фотоплеохроизма, Si — токовая чувствительность), а также фундаментальный kT n2 nпараметр — поляризационная квантовая эффективность UD = ln, (1) e n1 nQp = |n - n|/Nph, где Nph — число фотонов, n, — концентрации фотоносителей. (Здесь и далее где n1 и n2 — концентрации фотоносителей в освеиндексы, относятся соответственно к поляризации щенной и теневой областях. В геометрии 2 может E c и E c, E — вектор электрического поля волны, c — оптическая ось кристалла). Электрические и фотоэлектрические свойства анизотропных полупроводниковых кристаллов подвержены сильному влиянию всех характеристических электронных параметров материала, и в первую очередь таких как диффузионная длина неосновных носителей заряда L, скорость поверхностной рекомбинации s и время жизни электронно-дырочных пар. В настоящей работе исследуются зависимости коэффициента фотоплеохроизма от параметров L и s, типичных для тройных алмазоподобных полупроводников — аналогов соединений III–V и II–VI.

2. Феноменологический подход Рассмотрим фотоэффект, возникающий в анизотропном ориентированном вдоль оптической оси c кристалле Рис. 1. Расположение контактов и направление луча поляпри нормальном падении излучения на его поверхность.

ризованного света для наблюдения поляризационной фотопроВ общем случае возможны три геометрии расположения водимости. 1 — объемная продольная ФП, 2 — объемная электрических контактов на образце для наблюдения поперечная ФП, 3 — поверхностная поперечная ФП: контакты поляризационной фотопроводимости (ФП) (см. рис. 1): на освещаемой ( 1) и на теневой ( 2) сторонах образца.

534 Г.А. Медведкин быть обнаружена поперечная эдс Дембера, если обра- интегрирования (2) отдельно для двух поляризаций E c зец вырезан под углом к кристаллографическим осям и E c разность фототоков запишется как и начинают работать тензоры коэффициентов диффу- e i = (1 - R)0 e-d - e- d. (3) зии [3]. Величина развиваемого фотонапряжения ма ла, поэтому в настоящее время эффект Дембера пракДля того чтобы учесть поверхностную рекомбинацию и тического использования не имеет, в том числе и в диффузию носителей заряда, необходимо генерационную поляризационной оптоэлектронике. При внешнем смекомпоненту фототока (2) дополнить в соответствии с щении, отличном от нуля, поляризационную фотопроуравнением непрерывности для неосновных носителей водимость можно наблюдать в геометриях 1 и 3 на заряда, например, дырок:

кристаллах различной толщины, в то время как в гео(1 - R) p d2p метрии 2 — только на тонких прозрачных криста 0e-x - + D = 0, (4) dxлах, толщиной d < 1/, (, — коэффициенты поглощения).

где D — коэффициент диффузии носителей заряда.

Второе слагаемое учитывает рекомбинацию, третье — диффузию носителей заряда, которая возникает как ре3. Поляризационная зультат неоднородной фотогенерации и поверхностной фотопроводимость рекомбинации. Используя общее решение (4) аналогично [5], запишем поляризационную разность фототоков в Рассмотрим подробнее объемную фотопроводимость, виде [6] возникающую в однородном ориентированном кристалле A A при нормальном падении излучения на его поверхность i =1 (1-e-d) - (1-e- d) (геомерии 1 и 2). Предположим, что в объеме кристалла (L)2 ( L)выполняется условие линейной рекомбинации, а поверхA LB s A ностная рекомбинация отсутствует: s = 0. Если глубина + A - A + -, (5) L + s Lпоглощения света 1/, будет меньше толщины образца d, то независимо от поляризации излучения в объгде еме полупроводника будут генерироваться эквивалентe (L)ные концентрации свободных неравновесных носителей 1 = (1-R)0, A =, B =(1-e-d/L).

(L)2 - заряда. Различное пространственное распределение этих концентраций и темпа рекомбинации носителей не будет Диффузионная длина в тройных алмазоподобных полув этих условиях вызывать поляризационной фотопрово- проводниках обычно мала, L 1 мкм, поэтому в вырадимости. Однако для тонких кристаллов при условии жении (5) слагаемое в квадратных скобках отрицательно, d < (1/ + L) и положительном дихроизме, >, оно уменьшает поляризационную разность фототоков объемная фотопроводимость может стать анизотропной. или даже может изменить ее знак. Этот диффузионноВ последнем случае скажется различие в простран- рекомбинационный член играет важнейшую роль во всех ственном распределении носителей заряда. Выражение анизотропных фотоэлектрических явлениях, поскольку для фототока i можно записать в виде, предложенном отвечает за знак и амплитуду основных поляризационв [4]. Однако отметим, что по сравнению с [4] здесь ных коэффициентов, таких как Pi и Qp. Рассмотрим приводится более точное выражение, поскольку задается теперь предельные случаи.

явная зависимость потока излучения в кристалле от состояния поляризации:

3.1. Фотоплеохроизм при слабом оптическом поглощении d e В области малого коэффициента поглощения d < i, =,,(x)dx, (2) и L 1. В этом случае 1-e-d d, а e-d/L 0, так как d L, и фототок для каждой из поляризаций (E c где,,, — коэффициенты оптического погло- и E c) будет иметь следующий вид:

щения, квантового выхода фотоответа и разделения e(1 - R)0 s1L электронно-дырочных пар соответственно, d —толщи- i = d -, (6) 1 + sна кристалла,,(x) = (1 - R)0 exp(-,x) — мощность излучения в кристалле, 0 — мощность где s1 = s/L — безразмерная скорость поверхностной падающего излучения, R — коэффициент оптического рекомбинации. С учетом стандартного выражения для отражения. Предполагается, что и не зависят от коэффициента фотоплеохроизма получаем поляризации падающего излучения. Для многих тройных [d - s1L/(1 + s1)]( - ) алмазоподобных полупроводников R слабо зависит (либо Pi = = P. (7) [d - s1L/(1 + s1)]( + ) значительно слабее, чем ) от поляризации излучения в области фундаментального края поглощения, поэтому При слабом оптическом поглощении Pi не зависит от поляризационная зависимость R не учитывается. После толщины анизотропного кристалла, диффузионной длиФизика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. Влияние диффузионной длины и поверхностной рекомбинации на фотоплеохроизм... Eg, получаемых из фотоэлектрических измерений кристаллов. Сделаем важное замечание, что такой учет необходим не только в случае естественной анизотропии (в анизотропных полупроводниках), но также в случае ”брюстеровской анизотропии” в изотропных проводниках, т. е. при наклонном падении луча света [8].3.2. Фотоплеохроизм при сильном оптическом поглощении В области средних и больших значений коэффициента оптического поглощения, когда d > 1 и L < 1, фототок принимает вид (1 - R)0 L + si = 1 - L. (8) 1 + sПри отсутствии поверхностной рекомбинации, s1 = 0, выражение для коэффициента фотоплеохроизма записывается следующим образом:

P Pi =. (9а) 1 - 2( + 1/L2)/( + )Если скорость поверхностной рекомбинациии будет равРис. 2. Влияние поверхностной рекомбинации на естественна или выше скорости рекомбинации в объеме, тогда ный фотоплеохроизм кристаллов CdSnP2 Cu : s1 0 (без = s1 >L и формулу (8) можно упростить. С учетом исинверсии знака), s1 0 (с инверсией). Стрелками показаны ходного выражения для коэффициента фотоплеохроизма примесный и межзонные переходы A, B, C.

имеем P Pi =. (9б) 1 - 2(1 + s1)/s1L( + ) ны, поверхностной рекомбинации и равен коэффициенту Видно, что фотоплеохроизм прямо пропорционален оптического дихроизма P. Другими словами, фотоплео- оптическому дихроизму, но за счет отрицательного хроизм в этой спектральной области полностью опре- члена в знаменателе выражений (9а) и (9б) он стаделяется оптическими характеристиками кристалла и не новится противоположного знака, а амплитуда Pi при зависит от электронных полупроводниковых параметров малых скоростях поверхностной рекомбинации оказыматериала.

вается меньше, чем P. При значениях L, сравнимых с глубиной оптического поглощения, фотоплеохроизм Таким образом, в области слабого поглощения спекначинает достаточно быстро расти в сторону отрицатральный ход Pi следует спектру коэффициента оптительных значений. Графический вид зависимостей Pi(L) ческого дихроизма P. Этот теоретический результат и Pi(s1) показан на рис. 3 и 4. Диффузионная длина, так согласуется с экспериментальными данными, в частноже как и скорость поверхностной рекомбинации, могут сти со спектрами коэффициента фотоплеохроизма крипривести к значительному возрастанию отрицательносталла CdSnP2 (рис. 2). Здесь приведены два спектра го фотоплеохроизма, вплоть до 100% при некотором Pi( ), полученные из фотопроводимости кристаллов соотношении величин полупроводниковых параметров с малой и очень большой скоростью поверхностной анизотропных кристаллов. Например, это может быть рекомбинации. Видно, что в области слабого оптическореализовано при высокой скорости поверхностной рего поглощения спектры не отличаются друг от друга, комбинации s1 1, или при большой диффузионной они также повторяют спектральный контур P (см., длине (но не более 1/, что в настоящем примере например, [7]). При переходе в область больших энерсоставляет L 1мкм). Аналогичное рассуждение могий спектры расходятся и в некоторой спектральной жет быть приложено к изотропным полупроводникам, области имеют даже противоположный знак. Скорость если рассматривается так называемая брюстеровская поверхностной рекомбинации в некоторых спектральных анизотропия. Анализ поляризационных свойств изотропобластях, где d > 1, может оказать решающее влияние ных полупроводников будет сделан в другом месте.

на амплитуду Pi, поэтому в эксперименте необходимо знать уровень реальной величины s для правильОтметим здесь, что в [8] приведены неправильные выражения, ной оценки силы поляризационно-оптических перехонапример (9) и (10), для основной обсуждаемой зависимости Pi(0).

дов при энергиях больше ширины запрещенной зоны, Правильные выражения можно найти в исходной работе [9].

Физика и техника полупроводников, 2000, том 34, вып. 536 Г.А. Медведкин пределах — от -100% до +100% в зависимости от знака оптического дихроизма анизотропного кристалла и спектрального диапазона возбуждения. Кроме этого, геометрия освещения и расположение электрических контактов на освещаемой и теневой поверхностях кристаллической пластины может приводить к дополнительному пространственному перераспреределению генерированных фотоносителей для поляризаций E c и E c, что также существенно влияет на знак и амплитуду коэффициента фотоплеохроизма.

Список литературы [1] С.М. Рывкин. Фотоэлектрические явления в полупроводниках (М., Физматгиз, 1963).

Рис. 3. Зависимость коэффициента фотоплеохроизма от [2] Г.А. Медведкин, Ю.В. Рудь, М.А. Таиров. Полупроводнидиффузионной длины в области средних и больших значений ковые кристаллы фотоприемников линейно-поляризокоэффициента оптического поглощения.

ванного излучения (Ташкент, Изд-во ”ФАН” АН Узбекистана, 1992).

[3] И.П. Жадько и др. ФТТ, 7, 1778 (1965).

[4] G.A. Medvedkin, Yu.V. Rud, M.A. Tairov. Phys. St. Sol. (a), 115, 11 (1989).

[5] К.В. Шалимова. Физика полупроводников (М., Энергия, 1976).

[6] Г.А. Медведкин. Автореф. докт. дис. (СПб., ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 1993).

[7] Г.А. Медведкин, Ю.В. Рудь, М.А. Таиров. ФТТ, 31, (1989).

[8] Ф.П. Кесаманлы, В.Ю. Рудь, Ю.В. Рудь. ФТП, 33, 483 (1999).

[9] G.A. Medvedkin, Yu.V. Rud. Phys. St. Sol. (a), 67, 333 (1981).

Редактор Л.В. Шаронова Effect of the diffusion length and the surface recombination rate on photopleochroism of anisotropic crystals Рис. 4. Зависимость коэффициента фотоплеохроизма от скороG.A. Medvedkin сти поверхностной рекомбинации в области средних и больших значений коэффициента оптического поглощения.

Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences, 194021 St.Petersburg, Russia Здесь отметим только, что в случае изотропного по

Abstract

Formulas have been derived and a numerical analysis лупроводника, такого как монокристаллический кремof a photopleochroism coefficient Pi as a function of the diffusion ний, диффузионные длины неосновных носителей заряда length L and surface recombination rate was performed for a hoмогут составлять 100 мкм и более, поэтому условие mogeneous anisotropic crystal. The polarization photoconductivity L < 1/ в области собственного поглощения будет was considered in the range of both the weak and strong optical нарушаться.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.