Фотоэлектрические свойства тонких пленок сульфида свинца

Основные модели токопереноса и фоточувствительности поликристаллических пленок сульфида свинца. Технология получения и физические свойства тонких пленок PbS. Вольтамперные характеристики пленок сульфида свинца. Температурные зависимости образцов PbS31.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство образования и науки Украины

Одесский национальный университет им. Мечникова

Кафедра экспериментальной физики

Дипломная работа

Фотоэлектрические свойства тонких пленок сульфида свинца

Студента 5 курса

Физического факультета

Снигуренко Дмитрия Леонидовича

Научный руководитель

Старший преподаватель

Пастернак Валерий Александрович

Одесса 2008

Содержание

Введение

Глава 1. Основные модели токопереноса и фоточувствительности поликристаллических пленок сульфида свинца

1.1 Модель электростатического потенциального барьера

1.2 Модель Осипова - Неустроева

1.3 Модель Мотта

Глава 2. Технология получения и физические свойства тонких пленок PbS

2.1 Нанесение пленок сульфида свинца методом химического осаждения из раствора

2.2 Технология приготовления пленок сульфида свинца методом пульверизации раствора на нагретую подложку

2.3 Технология получения пленок PbS методом вакуумного испарения

2.4 Измерительная установка и методика измерений

Глава 3. Электрические и фотоэлектрические свойства пленок сульфида свинца

3.1 Вольтамперные характеристики плёнок сульфида свинца

3.2 Температурные зависимости образцов PbS31

3.3 Люксамперные характеристики тонких пленок сульфида свинца

3.4 Зависимость свойств от времени хранения на воздухе образцов PbS

Выводы

Литература

Введение

фотоэлектрический пленка сульфид свинец

Большой шаг навстречу электронным устройствам, который был сделан еще в прошлом столетии, коснулся абсолютно всех сфер жизнедеятельности человека. Бытовая техника, компьютеры, медицинское оборудование, системы безопасности, элементы интерьера со встроенными электронными устройствами, современные военные технологии сегодня обязаны удивительным свойствам полупроводниковых материалов.

Инфракрасная техника в последние годы стала мощным инструментом научных исследований и получила широкое распространение во многих практических приложениях. Своим прогрессом она обязана появлению новых материалов, чувствительных в ИК-области спектра, и технологий их изготовления. В первую очередь это относится к технологиям получения тонкопленочных полупроводниковыхx структур. Приборы инфракрасной техники, использующие эти материалы в качестве активных элементов,служат для регистрации и преобразования излучения ИК-диапазона в аналоговые или цифровые сигналы, легко поддающиеся компьютерной обработке. Реализованная в подобных устройствах обратная связь превращает их в удобные элементы управления различными техническими системами и механизмами.

Одно из достойных мест в ряду узкозонных полупроводников, используемых для создания на их основе тонкопленочных детекторов, занимает сульфид свинца. Детекторы на их основе работают в спектральном интервале 0.6-3 мкм и интервале температур 77-350 К. В список наиболее распространенных областей применения ИК-фотоприемников на основе халькогенидов свинца (PbS, PbSe, РbТе. и т.д.) входят звездные, спектрографические датчики, медицинские, исследовательские инструменты, сортирующие, счетные, контролирующие приборы, регистраторы пламени, системы определения положения тепловых источников.

Несмотря на появление в последние годы большого разнообразия фотоэлектрических приемников (ФП) из других полупроводниковых материалов, пленочные ФП из халькогенидов свинца не теряют своей актуальности благодаря высокому уровню фотоэлектрических параметров в спектральных диапазонах 1--3 и 3--5 мкм, отсутствию необходимости глубокого охлаждения и сравнительно низкой стоимости.

Начало развития техники изготовления фотоприемников из халькогенидов свинца следует отнести к первой половине 30-х годов XX столетия, когда немецким исследователем Кутцшером было открыто явление фотопроводимости в естественных кристаллах сульфида свинца (галенит). Обнаруженная им относительно высокая чувствительность этих кристаллов в ближней ИК--области спектра вызвала значительный интерес.

Интенсивное развитие методов изготовления тонких фоточувствительных слоев (ФЧС) РbS происходило в годы 2-ой мировой войны в Германии, а затем (с 1944 г) в Англии и США.

В США высокочувствительные фоторезисторы (ФР) были изготовлены Кэшменом путем перегонки слоя РbS в запаянной ампуле в среде разреженного кислорода. Аналогичные ФР, изготавливавшиеся в Англии, были описаны Сосновским, Старкевичем и Симпсоном в 1946 и 1947 г. [1].

Первые ФР из селенистого свинца были изготовлены методом испарения в вакууме на стеклянные подложки Симпсоном [2] и Моссом и Чесмером [3]. Эти ФР обладали относительно высокой чувствительностью при температуре ниже 195К.

Не останавливаясь далее на истории развития работ по ФП на основе РbS и РBSe (прекрасны обзор Л. Н. Курбатова [4], посвященный этому вопросу), следует отметить, что все последующие годы на многочисленных зарубежных фирмах велись интенсивные работы по созданию более совершенных технологий изготовления таких фотоприемников.

В Советском Союзе разработки ФР из халькогенидов свинца (PbS, PbSe и PbTe) были начаты в 1944--1946 г. в нескольких организациях. Работы проводились в ГОИ им. С. И. Вавилова в лаборатории С. П. Тибилова, в ФТИ АН СССР им. А. Ф. Иоффе в лаборатории Б. Т. Коломийца, в НИИ РЭ МСП в лаборатории А. С. Егорова-Кузьмина, в НИИПФ МОП в лаборатории Н. С. Хлебникова и в ВЭИ им. В. Ленина в лаборатории К. А. Юматова. [5]

Большинство вышеперечисленных практических приложений ИК-фотоприемников сопряжено с использованием для преобразования информационных сигналов сложных электрических схем. В связи с этим, дальнейшим шагом в развитии и усовершенствовании указанных ИК-фотоприемников является создание такой технологии, в процессе которой электрические схемы усиления, коммутации и обработки сигналов и ИК-фоточувствительная пленка были бы совмещены на единой подложке. Достоинствомтакихфотоприемниковявляетсявысокая фоточувствительность, хорошая технологичность, легкая совместимость с внешними электрическими цепями коммутации и обработки сигнала, дешевизна изготовления, а также способность работать при комнатных температурах без специального криостатного охлаждения.

Целью данной работы является исследование фотоэлектрических свойств тонких пленок сульфида свинца, а также возможная оценка свойств полученных образцов в зависимости от времени хранения их на воздухе.

Глава 1. Основные модели токопереноса и фоточувствительности поликристаллических пленок сульфида свинца

Известно, что характер поведения электропроводности и фотопроводимости поликристаллических полупроводниковых пленок может существенно отличаться от их поведения в монокристаллах. Во многом это объясняется структурными особенностями тонких слоев, важнейшей из которых является наличие межзеренных границ (МЗГ). В зависимости от типа этих границ и характера их взаимодействия с собственными дефектами и легирующими примесями свойства полупроводниковых материалов могут отличаться необычайно резко. Применительно к пленкам сульфида свинца за время изучения их электрических и фотоэлектрических свойств сложилось несколько подходов и моделей, описывающих поведение электропроводности и фотопроводимости этих пленок. Рассмотрим основные положения этих гипотез.

1.1 Модель электростатического потенциального барьера

В зависимости от соотношения ширины барьера lб и длины пробега свободного носителя l возможно развитие двух подходов к построению модели токопереноса через межзеренную границу, а именно диффузионный (l<<lб) и эмиссионный (l>>lб). Следует также учитывать, что в сильно легированных материалах необходимо рассматривать дополнительный вклад в ток, обусловленный туннелированием носителей через границу.

а) В диффузном приближении плотность тока J через поликристаллическую структуру может быть записана в виде:

(1.1)

где п - концентрация свободных носителей заряда в объеме кристаллитов, V1и V2 - высоты барьеров на отрицательно (х<0) и положительно (х>0) смещенных сторонах границы, соответственно, а Е1 и Е2 -напряженности электрического поля при х > 0? и х > 0+, соответственно.

Из формулы (1.1) можно вывести следующее выражение для проводимости G0 в условиях нулевого напряжения смещения:

(1.2)

Где - напряженность поля при х=0, V0 - равновесная высота барьера.

б) В соответствии с моделью термоэлектронной эмиссии, МЗГ пересекают лишь те носители, кинетическая энергия которых больше, чем высота барьера. Результирующий ток J сквозь границу пропорционален разности потоков электронов, пересекающих её слева направо и справа налево и обычно записывается в виде:

(1.3)

где Eg - ширина запрещённой зоны полупроводника, Ef - уровень Ферми в объёме зёрен, А - эффективная постоянная Ричардсона.