МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. И.И. МЕЧНИКОВА
Кафедра экспериментальной физики
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ СИГНАЛОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДА CdS-Cu2S.
Дипломная работа
студента 5-го курса
физического факультета
Барды Алексея Валерьевича
Научные руководители –
канд. ф.-м. наук,
доцент Виктор П.А.
ст.н.с. Борщак В.А.
О Д Е С С А - 2000 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ. 3
ГЛАВА I. ГЕТЕРОПЕРЕХОД CdS-Cu2S, ЕГО СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. 5
§ 1. Общие свойства гетеропереходов. 5
§ 2. Модели токопереноса в гетеропереходе CdS – Cu2S. 9
§ 3. Фотоэлектрические свойства гетероперехода CdS-Cu2S. 12
§ 4. Механизмы выброса захваченного заряда в ОПЗ гетероперехода CdS-Cu2S. 15
§ 5. Технология изготовления гетеропары CdS-Cu2S. 19
ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОПЕРЕХОДА CdS-Cu2S И ИХ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. 25
§ 6. Общие понятия о сенситометрии. 25
§ 7. Описание экспериментальной установки. 27
§ 8. Исследование сенситометрических характеристик преобразователя изображения на основе гетероперехода CdS-Cu2S. 29
§ 9. Моделирование и компьютерный расчет характеристических кривых. 33
ВЫВОДЫ 37
ЛИТЕРАТУРА. 38
ВВЕДЕНИЕ.
Исследование гетеропереходов представляет собой важный раздел физики полупроводниковых приборов, который сформировался в последние четыре десятилетия на основе изучения эпитаксиального выращивания полупроводников.
Барьеры на диаграмме энергетических зон, связанные с различием в ширине запрещенной зоны двух полупроводников открывают новые возможности для конструкторов.
Гетеропереходы используются в лазерах, вычислительной технике, интегральных схемах. Электрооптические свойства гетеропереходов нашли практическое применение в фототранзисторах и в солнечных элементах.
Однако в этой области имеется еще много нерешенных проблем, многие классы гетеропереходов еще ожидают своего тщательного изучения и применения.
Основная часть достижений в исследованиях гетеропереходов связана с использованием гетеропары GaAs-AlGaAs, в которой осуществлен так называемый идеальный гетеропереход. При этом использованы полупроводники с однотипной кристаллической решеткой, которые имеют настолько близкие значения постоянных своих решеток, что на границе не возникает электрически активных дефектов.
Однако физика и техника гетеропереходов имеют и другой важный аспект - создание, исследование и практическое применение неидеальных гетеропереходов. Такие структуры образованы поликристаллическими полупроводниками с несовпадающими константами кристаллических решеток, зачастую и различных решеточных симметрии. В неидеальных гетеропереходах наблюдается большой набор различных эффектов и явлений, связанных с различными свойствами полупроводников по обе стороны границы, а также с появлением большого количества электрически активных дефектов на гетерогранице, принимающих участие в токопереносе, поглощении и излучении световых квантов.
Перспективность практического применения неидеальных гетеропереходов связана в первую очередь с более экономичной технологией создания поликристаллических гетероструктур в сравнении с монокристаллическими.
Одним из направлений в изучении неидеальных гетеропереходов является возможность применения критериев, разработанных в классической фотографической сенситометрии, к преобразователям оптического изображения в электрический сигнал на основе гетероперехода CdS-Cu2S.
Целью данной работы является создание математической модели характеристической кривой и расчет основных сенситометрических характеристик (г-коэфициент контрастности и S-фоточувствительность) формирователя сигнала изображения (ФСИ) на основе гетероперехода CdS-Cu2S, используя в качестве исходных данных характеристики локальных центров в гетеропереходе.
ГЛАВА I. ГЕТЕРОПЕРЕХОД CdS-Cu2S, ЕГО СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.
§ 1. Общие свойства гетеропереходов.
Гетеропереходом называется контакт двух различных по химическому составу полупроводников. Если полупроводники имеют одинаковый тип проводимости, то они образуют изотипный гетеропереход. Если тип их проводимости различен, то получается анизотипный гетеропереход.
Для получения идеальных монокристаллических гетеропереходов без дефектов решетки и поверхностных состояний на границе раздела необходимо, чтобы у полупроводников совпадали типы кристаллических решеток, их периоды и коэффициент термического расширения. Для их получения периоды решеток должны совпадать с точностью ~0,1%. Пример идеального гетероперехода: GaAS -AIGaAS [1].
Модель зоны структуры идеального резкого гетероперехода без ловушек на границе раздела была предложена Андерсеном, который использовал результаты работы Шокли [2].
На рис.1 приведена зонная диаграмма двух изолированных полупроводников, у которых различные значения ширины запрещенной зоны Еg , диэлектрической проницаемости e, работы выхода jm и электронного сродства c.
Работа выхода и электронное сродство определяются как энергия, необходимая для удаления электрона с уровня Ферми Еf и со дна зоны проводимости Еc в вакуум соответственно. Различие в положении дна зоны проводимости полупроводников обозначено DЕc; а различие в положении потолка валентной зоны ДEv. На рисунке 1 показан случай, когда ДЕc=(ч1-ч2).
Рис. 1. Зонная диаграмма двух изолированных полупроводников при условии электронейтральности
Зонная диаграмма анизотипного p-n - гетероперехода в равновесии, образованного этими полупроводниками приведена на рис.2.
Рис.2. Зонная диаграмма идеального анизотипного p-n гетероперехода при тепловом равновесии.
Положение уровня Ферми в равновесном состоянии должно быть одинаково по обе стороны перехода, а уровень энергии, соответствующий вакууму, должен быть параллелен краям зон и непрерывен. Поэтому разрыв в положении краев зоны проводимости и краев валентной зоны не связан с уровнем легирования.
Полный контактный потенциал Vbi. равен сумме потенциалов Vb1+Vb2, где Vb1 и Vb2 - электростатические потенциалы равновесия состояния первого и второго полупроводников соответственно.
Ширину обедненного слоя (W) в каждом полупроводнике и барьерную емкость (С) можно найти решив уравнение Пуассона для резкого перехода с каждой стороны границы раздела. Одним из граничных условий является непрерывность электрической индукции на границе раздела, т.е. е1E1= е2E2. В результате имеем:
(1)
(2)
(3)
где Nd1 - концентрация доноров в 1-м полупроводнике;
Na2 - концентрация акцепторов во 2-м полупроводнике.
Отношение напряжений в каждом полупроводнике составляет:
(4)
где V=V1+V2 - полное приложенное напряжение.
Вольт - амперная характеристика принимает вид:
(5)
где I - плотность тока.
(6)
Приведенное выражение отличается от вольт - амперной характеристики контакта металл-полупроводник
множителем I0, а также характером зависимости от температуры. Обратный ток не имеет насыщения, а при больших V линейно возрастает с
напряжением. В прямом направлении зависимость I от допускает аппроксимацию экспоненциальной
функцией, т.е. 
.
Механизмы протекания тока.
В резком гетеропереходе благодаря разрывам ДEc и ДEv высоты потенциальных барьеров для электронов и дырок разные. Поэтому при прямом смещении в гетеропереходе обычно происходит односторонняя инжекция носителей из широкозонного полупроводника в узкозонный.
Инжектированные носители (в данном случае дырки) должны преодолеть потенциальные барьеры (“пики”), возникающие из-за разрывов зон. Механизмы протекания тока через эти барьеры, дополнительные по сравнению с p-n - переходом (туннельный и термоинжекционный) зависят от величины смещения на гетеропереходе, температуры, а также от степени легирования полупроводников.
В плавном гетеропереходе заряда на неосновные носители заряда действует внутреннее электрическое поле еi, возникающее вследствие изменения Eg. При прямом смещении в этом случае также происходит односторонняя инжекция дырок в более узкозонную часть.
Фотоэффект.
Как и в p-n переходе фотоэффект в гетеропереходе возникает за счет пространственного разделения в поле объемного заряда носителей, возбужденных светом. При освещении полупроводника со стороны широкозонного полупроводника в узкозонном поглощаются фотоны с энергией:
Eg1