Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf

вателыю, в них имеются сильные локальные нарушения зонной структуры. Что, пожалуй, удивительпо, так это изменение поляр­ ности фото-э. д. с. на некотором участке кривой спектральной чувствительности [45].

Времена установления фото-э. д. с. меняются в пределах от ІО− 1 с [39] до 40 с [49].

2. Условия наблюдения аномального фотовольтаического эффекта

Условия, в которых должна изготовляться пленка, являются в той или иной степени критическими для различных веществ. Угол между направлением распростраиения паров испаряемого

Ф и г. 14.29. Температурная зависимость аномального фотовольтаического эффекта в высоком вакууме [51].

По оси ординат отложена разность потенциалов между толстым и тонким концами образца.

вещества и подложкой должен лежать в пределах от 30 до 60°. Температура подлонжи должна быть 50—100° С. Некоторая толщина пленки является оптимальной. Состав и давление оста­ точных газов в вакуумной камере имеют большое значение; часто после осаждения пленки па подложку требуется дополнительная обработка. Существенны также выбор материала подложки и ее чистота.

Адсорбция и десорбция кислорода влияют па величину фото­ вольтаического эффекта и могут привести к изменению его знака [50, 51]. Исследование влияния различных газов, адсорбирован­ ных на пленках CdTe, показывает, что ближайший к испарителю

350 Глава 14. Фотовольтаические эффекты

край пленки оказывается положительным, если измерения про­ водить вскоре после изготовления пленки, и остается положитель­ ным даже при малых давлениях аргона [51]. Однако полярность напряжения меняется, если пленку подвергнуть воздействию кис­ лорода. Прежняя полярность может быть восстановлена только после прогрева образца в вакууме (~ 1 0 −7 мм рт. ст.). Этот цикл с адсорбцией и десорбцией кислорода является воспроизводимым. На фиг. 14.29 представлены данные, полученные в высоком вакууме. В отсутствие кислорода наблюдается положительная фото-э. д. с. с воспроизводимой температурной зависимостью (кривая ас). После адсорбции кислорода полярность меияется и температурная зависимость представляется кривой Ъс. Отметим, что эта зависимость, приписываемая десорбции кислорода при прогреве, не является воспроизводимой. Кривая Ь’с’ (разность между кривыми Ьс и ас) представляет собой вклад адсорбирован­ ного кислорода. Следовательно, температурная зависимость обу­ словлена двумя конкурирующими процессами: одни из них, вос­ производимый и не связанный с присутствием кислорода, пропор­ ционален ехр (0,70!кТ)\ другой, связанный с наличием кислорода, меняется пропорционально множителю ехр ((>,85/кТ), содержа­ щему энергию активации процесса десорбции.

3. Модели аномального фотовольтаического эффекта

Все модели эффекта, выдержавшие критический анализ, осно­ ваны на представлении о суммировании элементарных фото-э.

д.с., генерируемых цепочкой малых фотоэлементов. Эти фото-э.

д.с. возникают либо в результате эффекта Дембера в микро­ ячейках, либо из-за фотовольтаического эффекта в р — п-пере-

ства • одна из них может оказаться пригодной. Для того чтобы разрешить имеющиеся в настоящее время противоречия, требуются дальнейшие исследования.

Общей чертой всех моделей является концепция цепочки асим­ метричных ячеек. Эта асимметрия может заключаться или в раз­ ной величине площади освещенной и затемненной поверхностей, или это может быть асимметрия между р — п- и п — p-перехо­ дами в последовательности р — п — р — п — р — п или асим­ метрия в аналогичной последовательности барьеров Шоттки; кроме того, напряжения [52] на'границах зерен могут создавать асимметричные потенциалы деформации (эти напряжения могут быть связаны с дефектами упаковки или с различием в коэффициен­ тах термического расширения полупроводниковой пленки и под­ ложки). Фотовольтаический эффект возникает, скорее всего, в ре­ зультате комбинации этих факторов.

В случае пленок СсІТе измерения оптического отражения и про­ пускания, так же как и данные по дифракции электронов, пока­ зывают, что пленка состоит из плоскостей (111), наклоненных под небольшим углом к подложке;, этот угол зависит от угла, под которым производилось нанесение слоя [53]. Измерения емко­ сти фотоэлементов указывают, что они состоят из большого числа тонких йзолированных микрослоев, площадь которых больше, чем поперечное сечение пленки [54]. Таким образом, из этих изме­ рений также следует, что микрослои должны образовывать малый угол с подложкой.

а. Модель с дефектами упаковки

Эта модель [36] была предложена для случая игол или пласти­ нок ZnS, в которых был обнаружен аномальный фотовольтаиче­ ский эффект. Микроскопическое исследование показало, что кри-

Кубический Гексагональный

Ф и г. 14.30. Предполагаемая зонная структура ZnS с чередующимися куби­ ческими и гексагональными слоями [36].

сталл состоит из чередования кубических и гексагональных слоев. Фото-э. д. с. возникает в направлении, перпендикулярном слоям.

Ширина запрещенной зоны кубического и гексагонального. ZnS примерно одинакова. Однако переход от одной структуры к другой осуществляется путем поворота тетраэдра ZnS на 60° вокруг одной из связей вдоль гексагональной оси. Возникающее при этом нарушение ближнего порядка вызывает искажение зонной структуры, показанное на фиг. 14.30. Это возмущение обладаетасимметрией, которая требуется для генерации дополнительных, потенциалов порядка 0,1 эВ на одной границе.

чески в преувеличенном виде. Напряжение, которое можно получить на т переходах, определяется выражением [55]

І=1

где J sc. — плотность тока короткого замыкания і-го перехода, а J Si — плотность тока насыщения і-го перехода.

в.Модель, основанная на эффекте Дембера

Вэтой модели [56] предполагается, что пленка состоит из элементарных микроячеек, разделенных изолирующими слоями (фиг. 14.31,6). Э. д. с. Дембера генерируется на освещенной сто­ роне каждой ячейки. Затененная сторона меньшей площади дает пренебрежимо малое напряжение противоположного знака. В этом случае напряжение холостого хода определяется формулой [55]

kT

VОС --- (14.13)

1

где сц. и сг2£ — значения полной проводимости (тепловой и тем­

новой фотопроводимости) для областей слева и справа от і-й гра­ ницы; b — отношение электронной и дырочной подвижностей.

Соотношения (14.12) и (14.13) показывают, что если неизвестны число ячеек m и различие во влиянии освещения на области по разные стороны от каждой границы, то, основываясь только на зависимости Ѵос от интенсивности света, нельзя сказать, какая из двух последних моделей реализуется.

к нормали к пленке в азимутальной плоскости, проходящей через два небольших электрода (фиг. 14.33), то возникает фото-э. д. с., величина которой возрастает по. мере увеличения угла наклона пучка. Прп наклоне пучка в другую сторону от нормали поляр­ ность фото-э. д. с. меняется. Иногда наблюдается разность потен­ циалов, большая чем ширина запрещенной зоны полупроводника.

Ф II г. 14.33. Зависимость напряжения холостого хода от угла падения светового пучка [57].

Напряжение холостого хода лпнейно зависит от угла наклона пучка (фиг. 14.33). При мощности светового пучка 9 мВт сигнал составляет 1 милливольт на угловую минуту.

Фотоугловой эффект поразительно напоминает эксперимент Дембера со специально ограненным кристаллом [28], за исключе­ нием того, что в нашем случае поверхность, возможно, состоит из ряда заостренных гребней.

Если освещение производится через подложку, то фото-э. д. с. не наблюдается. Фото-э. д. с. возникает только на естественной поверхности пленки и исчезает после травления илн шлифовки этой поверхности.

Величина эффекта резко уменьшается при энергиях фотона, меньших чем ширина запрещенной зоны, и остается неизменной вплоть до 4 эВ. Это подтверждает предположение о том, что фотоугловой эффект возникает на естественной поверхности поликристаллического слоя.

то большая часть дырок выходит из правой части перехода, при этом правая часть зштройства становится более положительной, чем левая. Электроны в ».-области немедленно перераспределяются таким образом, чтобы локальный объемный заряд был равен нулю. Это перераспределенпе заряда создает разность потенциалов между двумя о м и ч е с к и м п контактами. Если световое пятно падает на

правую часть перехода, то продольная фото-э. д. с. меняет знак.

2.Оптически индуцированные барьеры

Вэтом разделе мы рассмотрим образование под действием света электростатического барьера в однородном полупроводнике. Этот эффект резко отличается от нормального фотовольтаического

расположен между краем зоны проводимости и донорными уровня­ ми. Если половина кристалла освещена таким образом, что концен­ трация неравновесных пар больше, чем концентрация основных носителей nD в неосвещенной частп кристалла, то квазнуровень Ферми для электронов в освещенной части кристалла сдвигается ближе к зоне проводимости на величину

& Е = EFn —Ep — kT 1 п (^ - ) ,

где nL — концентрация электронов в освещенной области. Величины Е р п и F p относятся соответственно к освещенной и темной

частям и отсчитываются от валентной зоны. Положение уровня Ферми в неосвещенной области остается, фиксированным. Следо­ вательно, возникает барьер для электронов между освещенной и темной областями [61] (фиг. 14.35). В CdS можно получить барьер высотой в> несколько десятых электронвольта. Отметим, что большая часть обедненного слоя находится в темной области. Это имеет практическое значение для видиконов, где размеры обедненного слоя ( ~ ІО-3 см) ограничивают разрешающую спо­ собность..Можно ожидать, что на такомпереходе будет наблюдаться небольшое выпрямление, но на практике форма вольт-амперных характеристик определяется барьерным слоем на электродах.