WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 7 Температурная зависимость радиационно-индуцированной проводимости кристаллов СsI при возбуждении пикосекундными пучками электронов © Б.П. Адуев, Э.Д. Алукер, В.М. Фомченко, В.Н. Швайко Кемеровский государственный университет, 650043 Кемерово, Россия E-mail: lira@kemsu.ru (Поступила в Редакцию 17 октября 2000 г.) Исследована температурная зависимость импульсной проводимости кристалла CsI при возбуждении электронным пучком (0.2 MeV, 50 ps, 400 A/cm2) с временным разрешением 150 ps. В интервале температур 100– 300 K в условиях эксперимента осуществляется прямое измерение времени бимолекулярной рекомбинации электронов и дырок (Vk-центров), что дает возможность рассчитывать зависимость эффективного сечения 2 рекомбинации S(T ) = 7.9 · 10-8T cm2. Зависимость амплитуды проводимости (T ) интерпретируется в рамках модели разделения генетически связанных электронно-дырочных пар. Определена энергия активации этого процесса EG = 0.07 eV.

Работа выполнена при поддержке гранта МО РФ.

Исследование радиационно-индуцированной проводи- 1. Эксперимент мости неметаллических материалов является прямым методом, дающим информацию о процессах энергетиче- В качестве источника возбуждения использовался ской релаксации зонных носителей заряда и взаимодей- ускоритель электронов с разрядником-обострителем [1].

ствии их со структурными и радиационными дефектами Параметры импульса возбуждения следующие: максидо рекомбинации и глубокого захвата. В щелочно-гало- мальная энергия электронов 0.2 MeV, плотность тока идных кристаллах время жизни зонных носителей заряда пучка 103 A/cm2, длительность импульса 50 ps. Методика мало. Для дырок оно ограничено временем автолокали- измерения импульсов тока проводимости описана в [2].

зации ( 10-12 s), для электронов — временем рекомби- Прямое временное разрешение методики 150 ps. Исполь нации или глубокого захвата ( 10-9-10-12 s). В связи зовались номинально чистые кристаллы CsI. Эксперис этим в экспериментах по измерению радиационно- мент проводился в интервале температур 100–300 K.

индуцированной проводимости с использованием как Осциллограммы импульсов тока проводимости предстационарных, так и импульсных источников возбу- ставлены на рис. 1. При исследовании образцов номиждения осуществляется, как правило, режим квази- нально чистых кристаллов, взятых из различных парстационарного возбуждения. В этом случае измеряет- тий, выяснилось, что в некоторых образцах наблюдается ся некая эффективная величина µd — произведение увеличение спада импульса либо плато на вершине дрейфовой подвижности µd на время жизни носите- импульса (см., например, осциллограмму 1 на рис. 1 для лей заряда. Обе эти величины могут быть свя- образца CsI (1)). Такая форма импульса свидетельствузаны с многократными захватами на уровни прили- ет о наличии неконтролируемых центров прилипания пания различного сорта. Поэтому извлечь информа- для зонных электронов [3], что ведет к уменьшению цию о механизме релаксации зонных носителей заряда и фундаментальных характеристик, таких, например, как микроскопичесая (холловская) подвижность µh или сечение рекомбинации S, из таких экспериментов затруднительно.

В этом отношении перспективным направлением является уменьшение длительности импульса возбуждения p и увеличение временного разрешения регистрирующей аппаратуры. При выполнении условия p < ситуация качественно изменяется. В этом случае осуществляется режим ”мгновенного” возбуждения, и появляется возможность прямого экспериментального измерения времени жизни и других микроскопических характеристик носителей заряда.

Рис. 1. Осциллограммы импульсов тока проводимости криВ настоящей работе осуществлена именно такая систалла CsI. 1 —CsI (1), 2–4 —CsI (2). T, K: 1,2 — 300, туация. 3 — 150, 4 —3 1186 Б.П. Адуев, Э.Д. Алукер, В.М. Фомченко, В.Н. Швайко дрейфовой подвижности µd относительно холловской µh.

На образцах второй группы (CsI (2)) фронт импульса тока проводимости соответствует интегралу импульса возбуждения, после которого следует гиперболический спад. По-видимому, в этих образцах центры прилипания отсутствуют, поэтому эксперименты выполнялись именно на них, и в дальнейших расчетах принималось µd = µh. Отметим, что при температурах T 100 K длительность спада импульса тока проводимости становится меньше временного разрешения аппаратуры, т. е. режим ”мгновенного” возбуждения осуществлялся только при T > 100 K. Поэтому дальнейшая обработка результатов Рис. 3. Зависимость отношения эффективного сечения рекомкинетических измерений проводилась именно в этом бинации S к дрейфовой подвижности µd от температуры.

интервале температур.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ), измеренные в момент окончания импульса возбуждения, линейны во всем исследованном температурном интервале.

2. Обработка и обсуждение результатов По наклону ВАХ определялось сопротивление образца и рассчитывалась удельная проводимость. Зависимость от температуры представлена на рис. 2.

Ранее в экспериментах при комнатной температуре Рис. 4. Зависимость эффективного сечения рекомбинанами было показано, что в чистых кристаллах СsI гиперции от температуры. Точки — расчет по экспериментальболический спад импульсов тока проводимости связан ным данным, кривая — аппроксимация формулой (3) при с бимолекулярной рекомбинацией когерентных электро- C = 7.9 · 10-8 cm2 · K-2, = 2.

нов зоны проводимости и автолокализованных дырок (Vk-центров) [4,5].

В связи с этим дальнейшая обработка осциллограмм дрейфовой подвижностью µd выражением производилась по гиперболическому спаду, для которого справедливо выражение S eE =, (2) µd v jj(t) =, (1) 1 + j0t где e — заряд электрона, E — напряженность внешнего приложенного поля, v = (3kT /m)1/2 — тепловая где j0 — плотность тока проводимости в момент оконскорость электронов, m 0.5m0 — эффективная масчания импульса возбуждения. В [4,5] показано, что паса электрона. Обработка осциллограмм при различных раметр связан с сечением e-Vk-рекомбинации S и температурах позволила рассчитать параметры и, следовательно, зависимость S/µd. Результат для S/µd представлен на рис. 3.

Для дальнейшего анализа мы воспользовались литературными данными работы [6] для µh и рассчитали экспериментальные значения S, исходя из того, что в данных образцах µd = µh. К сожалению, в литературе имеются данные для µh только в интервале температур 150-350 K, поэтому обработка наших результатов проведена в интервале 150–300 K. Соответствующая кривая представлена на рис. 4.

Сечение захвата электронов на кулоновский центр, Рис. 2. Зависимость амплитуды проводимости от температуры для кристалла CsI при плотности возбуждения 400 A/cm2. как правило, аппроксимируется степенным законом [7,8].

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. Температурная зависимость радиационно-индуцированной проводимости кристаллов СsI... нами использована ранее для интерпретации результатов измерения температурной зависимости проводимости кристаллов с решеткой типа NaCl [10]. Cуть ее состоит в следующем. При большой длине свободного пробега генетически связанные электрон и дырка разлетаются на большие расстояния, что приводит к ”перепутыванию” частиц, образованных в результате различных актов ионизации. В этом случае генетическая связь между партнерами теряется и процесс рекомбинации описывается бимолекулярной схемой. Такие ”перепутанные” частицы будем называть статистическими. При малой длине свободного пробега компоненты электронноРис. 5. Зависимость холловской подвижности µh от температудырочной пары в процессе релаксации разлетаются на ры. 1 — данные работы [3], 2 — расчет по экспериментальным малые расстояния, что значительно уменьшает вероятданным рис. 3.

ность ”перепутывания” частиц, созданных в разных актах ионизации. В этом случае вероятность рекомбинации генетически связанных электронов и дырки (генетической пары) довольно велика, что может обусловить значительный вклад мономолекулярной составляющей в рекомбинационный процесс. Применительно к нашему случаю можно сделать вывод, что в проводимости могут участвовать только статистические пары. Однако существует некоторая вероятность ухода электрона от своего генетического партнера (дырки) в результате тепловых флуктуаций. Обозначим энергия активации процесса разделения генетических пар EG.

В этом случае для концентрации электронов в зоне проводимости на момент окончания импульса возбуждеРис. 6. Зависимость концентрации электронов зоны прония можно записать водимости от температуры на момент окончания импульса возбуждения. Точки — расчет по формуле (4) с использова- n = nS + nGe-EG/kT, (5) нием экспериментальных данных для (рис. 2) и значением где nS и nG — концентрация электронно-дырочных пар, µh (рис. 5), кривая — аппроксимация формулой (5) при создающихся в решетке статистически и генетически соnGnS = 180, EG = 0.07 eV.

ответственно. Сплошная кривая на рис. 6 построена при следующих значениях параметров: nS = 0.36 · 1014 cm-3, nG/nS = 180, EG = 0.07 eV. Следовательно, в рамках Поэтому для S приняли выражение рассматриваемой модели подавляющая часть носителей заряда термализуется в генетических парах. Из рас S = CT, (3) считанного значения EG можно оценить эффективное расстояние, на котором происходит термализация генегде C и — постоянные. Сплошная кривая на тически связанных электрона и дырки, рис. 4 построена по формуле (3) при значениях C = 7.9 · 10-8 cm2 · K-2, = 2. Далее, используя r =. (6) полученные значения C и, по экспериментальным 40EG результатам рис. 3 мы рассчитали значения µh в температурном интервале 100–150 K (рис. 5) и с помощью Расчет дает величину R 17.

значений µh по данным рис. 2 получили зависимость В температурном интервале T < 100 K, где режим концентрации электронов зоны проводимости от темпе- измерения переходит из ”мгновенного” в квазистациоратуры по формуле нарный, наблюдается независимость амплитуды проводимости от температуры (рис. 2). Этот результат можно интерпретировать на качественном уровне следующим n =. (4) eµh образом. В квазистационарном приближении выражение для проводимости можно записать в виде [11] Результат расчета представлен на рис. 6; как видно, n монотонно спадает с уменьшением температуры, = G eµ, (7) стремясь к постоянному значению. Этот результат мы интерпретируем в рамках модели рекомбинации в кор- где G — скорость генерации электронно-дырочных пар, релированных (генетических) парах [9], которая была — время жизни носителей заряда.

3 Физика твердого тела, 2001, том 43, вып. 1188 Б.П. Адуев, Э.Д. Алукер, В.М. Фомченко, В.Н. Швайко Согласно работе [12], при захвате электронов на кулоновский центр время жизни определяется выражением =, (8) Neµ где N — концентрация центров захвата (рекомбинации).

В этом случае, согласно (7), при постоянном значении G проводимость не зависит от температуры, что и наблюдается в эксперименте.

Список литературы [1] Б.П. Адуев, В.Г. Шпак. ПТЭ 2, 49 (1990).

[2] Б.П. Адуев, Э.Д. Алукер, Г.М. Белокуров, В.М. Фомченко, В.Н. Швайко. Тр. I Всерос. симп. ”Твердотельные детекторы ионизирующих излучений ТТД-97”. Екатеринбург (1998). С. 126.

[3] K. Weaver, J.K. Shltis, R.E. Faw. J. Appl. Phys. 48, (1977).

[4] Б.П. Адуев, А.В. Иголинский, В.Н. Швайко. ФТТ 38, 3, (1996).

[5] B.P. Aduev, E.D. Aluker, G.M. Belokurov, V.N. Shvayko. Phys.

Stat. Sol. (b) 208, 137 (1998).

[6] C.H. Scager, D. Emin. Phys. Rev. B2, 3421 (1970).

[7] П.В. Мейкляр. Физические процессы при образовании скрытого фотографического изображения. Наука, М.

(1972). 399 с.

[8] V.L. Bonch-Bruevich, E.G. Landsberg. Phys. Stat. Sol. (b) 29, 9 (1968).

[9] Э.Д. Алукер, Д.Ю. Люсис, С.А. Чернов. Электронные возбуждения и радиолюминесценция щелочно-галоидных кристаллов. Зинатне, Рига (1979). 182 с.

[10] Б.П. Адуев, В.М. Фомченко, В.Н. Швайко. ФТТ 41, 3, (1999).

[11] С.М. Рывкин. Фотографические явления в полупроводниках. Физматиздат, М. (1963). 357 с.

[12] С.И. Пекар. Исследования по электронной теории кристаллов. Гостехиздат, М. (1951). 353 с.

Физика твердого тела, 2001, том 43, вып.




© 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.