Кадмий сульфиди ва кремний орасидаги гетероўтишлар асосидаги инжекцион фотодиодлардаги электрон жараёнлар

1

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ, САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ИЛМИЙ ДАРАЖАЛАР БЕРУВЧИ

DSc.27.06.2017. FM./T.34.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ

САПАЕВ ИБРОХИМ БАЙРАМДУРДИЕВИЧ

КАДМИЙ СУЛЬФИДИ ВА КРЕМНИЙ ОРАСИДАГИ

ГЕТЕРОЎТИШЛАР АСОСИДАГИ ИНЖЕКЦИОН

ФОТОДИОДЛАРДАГИ ЭЛЕКТРОН ЖАРАЁНЛАР

01.04.10 –Яримўтказгичлар физикаси

ФИЗИКА-МАТЕМАТИКА ФАНЛАРИ БЎЙИЧА ФАЛСАФА ДОКТОРИ (PhD)

ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2018

2

УДК

53.043;53.023;539.234

Физика-математика фанлари бўйича фалсафа доктори (PhD)

диссертацияси автореферати мундарижаси

Оглавление автореферата диссертации доктора философии (PhD)

по физико-математическим наукам

Contents of dissertation abstract of doctor of philosophy (PhD)

on physical-mathematical sciences

Сапаев Иброхим Байрамдурдиевич

Кадмий сульфиди ва кремний орасидаги гетероўтишлар асосидаги
инжек-цион фотодиодлардаги электрон жараёнлар

































3

Сапаев Иброхим Байрамдурдыевич

Электронные процессы в инжекционных фотодиодах на основе
гетеро-переходов между сульфидом кадмия и кремнием





















23

Sapaev Ibrohim Bayramdurdievich

The electron processes in the injection diodes between cadmium sulfide
and silicon







































































































43

Эълон қилинган ишлар рўйхати

Список опубликованных работ
List of published works



















































































47

3

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ, ИОН ПЛАЗМА ВА ЛАЗЕР

ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ ИНСТИТУТИ, САМАРҚАНД ДАВЛАТ

УНИВЕРСИТЕТИ ҲУЗУРИДАГИ ИЛМИЙ ДАРАЖАЛАР БЕРУВЧИ

DSc.27.06.2017. FM./T.34.01 РАҚАМЛИ ИЛМИЙ КЕНГАШ

ФИЗИКА-ТЕХНИКА ИНСТИТУТИ

САПАЕВ ИБРОХИМ БАЙРАМДУРДИЕВИЧ

КАДМИЙ СУЛЬФИДИ ВА КРЕМНИЙ ОРАСИДАГИ

ГЕТЕРОЎТИШЛАР АСОСИДАГИ ИНЖЕКЦИОН

ФОТОДИОДЛАРДАГИ ЭЛЕКТРОН ЖАРАЁНЛАР

01.04.10 –Яримўтказгичлар физикаси

ФИЗИКА-МАТЕМАТИКА ФАНЛАРИ БЎЙИЧА ФАЛСАФА ДОКТОРИ (PhD)

ДИССЕРТАЦИЯСИ АВТОРЕФЕРАТИ

Тошкент – 2018

4

Физика-математика фанлари бўйича фалсафа доктори (PhD) диссертацияси мавзуси

Ўзбекистон Республикаси Вазирлар Маҳкамаси ҳузуридаги Олий аттестация комиссиясида
B2017.1.PhD/FM38

рақам билан рўйхатга олинган

Диссертация Физика-техника институтида бажарилган.

Диссертация автореферати икки тилда (ўзбек, рус) веб-саҳифанинг fti-kengash.uz ҳамда

«Ziyo Net» ахборот-таълим портали www.ziyonet.uz манзилларига жойлаштирилган.

Илмий раҳбар:

Мирсагатов Шавкат Акрамович

физика-математика фанлари доктори, профессор

Расмий оппонентлар

:

Абдурахманов Каххар Паттахович

физика-математика фанлари доктори, профессор

Камалов Амангелди Базарбаевич

физика-математика фанлари доктори, профессор

Етакчи ташкилот:

Намангон давлат университети

Диссертация ҳимояси Физика-техника институти, Ион-плазма ва лазер технология-лари

институти, Самарқанд давлат университети ҳузуридаги 27.06.2017. FM./T.34.01 рақамли Илмий
кенгашнинг 2018 йил «____» __________ соат ____ даги мажлисида бўлиб ўтади. (Манзил: 100084,
Тошкент

шаҳри,

Бодомзор

йўли

кўчаси,

2Б-уй.

Тел./факс:

(99871)

235-42-91;

e-mail: info.fti@uzsci.net, Физика-техника институти мажлислар зали.).

Диссертация билан Физика-техника институтининг Ахборот-ресурс марказида танишиш

мумкин. ( ___ рақам билан рўйхатга олинган.). Манзил: 100084, Тошкент шаҳри, Бодомзор йўли
кўчаси, 2б-уй. Физика-техника институти. Тел./факс: (99871) 235-30-41.

Диссертация автореферати 2018 йил «____»____________да тарқатилди.
(2018 йил «____» _____________ даги ____ рақамли реестр баённомаси.)

C.А. Бахрамов

Илмий даражалар берувчи Илмий
кенгаш раиси ф.-м.ф.д., ЎзР ФА
академики

А.В. Каримов

Илмий даражалар берувчи Илмий
кенгаш илмий котиби ф.-м.ф.д.,
профессор

И.Г. Атабаев

Илмий даражалар берувчи Илмий
кенгаш қошидаги илмий семинар
раиси ф.-м.ф.д., профессор

5

КИРИШ (фалсафа доктори (PhD) диссертациясининг аннотацияси)

Диссертация мавзусининг долзарблиги ва зарурати.

Жаҳонда бугун-

ги кунда интенсив ривожланаётган яримўтказгичлар соҳасида истиқболли
йўналишлардан бири бўлган оптикэлектрон асбобларнинг янги турларини
барпо қилишга, шунингдек инжекцияли фотодиодларни такомиллаштириш
муаммоларига алоҳида эътибор қаратилмоқда. Бу борада инжекцияли фото-
диодларнинг ишлаш принципи, уларга қўйилган кучланишнинг электрон-ко-
вак жуфтликларининг генерацияланиши ва электромагнит нурланиши таъ-
сирида база қаршилигининг модуляцияланиш жараёнларини тадқиқ қилиш
фотодиодларнинг янги турини яратишдаги муҳим вазифалардан бири бўлиб
ҳисобланади.

Ҳозирги кунда дунёда ярим ўтказгичлар физикаси соҳасида инжекцияли

фотодиодларнинг физик ҳусусиятларининг шаклланишида база параметлари-
нинг ролини аниқлашга катта аҳамият берилмоқда. Бу борада мақсадли ил-
мий тадқиқотларни, жумладан, қуйидаги йўналишлардаги илмий изланиш-
ларни амалга ошириш муҳим вазифалардан ҳисобланади ва буларга: тадқиқ
қилинадиган тузилмаларда содир бўлаётган физик жараёнларни мукаммал
ўрганиш ва фотоэлектрик характеристикаларининг шаклланиш механизм-
ларини аниқлаш; инжекцияли фотодиодларни тайёрлаш технологик усулари-
ни мукаммаллаштириш; кадмий сулфиди ва кремний асосидаги гетеротузил-
мали фотодиодларнинг спектрал характеристикаларининг гетерочегарадаги
жараёнлар билан боғлиқлигини аниқлаш; уларнинг функционал параметр-
ларини оптималлаштириш усулларини излаш; ҳамда уларни тайёрлаш техно-
логиясини мукаммаллаштириш киради.

Ўзбекистон Республикасини янада ривожлантиришнинг Ҳаракатлар

стратегиясига кўра, илмий ва инновация ютуқларини амалиётга жорий
этишнинг самарали механизмларини яратиш масалаларига алоҳида эътибор
қаратилмоқда. Жумладан микроэлектроника ва яримўтказгичли гетеротузил-
маларда кечадиган электрон жараёнларни ва спекрал характеристикаларини
бошқариш имкониятларини аниқлаш амалиётга тадбиқ қилиш муҳим
вазифалардан бири ҳисобланади. Фаол тадбиркорлик, инновацион ғоялар ва
технологияларни қўллаб-қувватлаш йилида олинган илмий натижаларни
ҳозирги замон талабларига жавоб берадиган даражага олиб чиқишга алоҳида
эътибор қаратиш зарур. Бунда ҳар хил спектрал диапазонга мўлжалланган
гетеротузилмали фотодиодларнинг функционал характеристикаларини опти-
маллаштириш орқали уларнинг самадорлигини ошириш муҳим аҳамият касб
этади. Бу борада турли ташқи таъсирлар орқали сирқиш токларини камай-
тириш усуллари ишлаб чиқилган. Шулар қаторида кадмий сулфиди ва
кремний асосидаги гетеротузилмали фотодиодларнинг спектрал характерис-
тикаларининг шаклланишини, динамик ва статик характеристикаларини
изоҳлайдиган электрон жараёнларни аниқлаш, фотоэлектрик параметр-
ларининг самарадорлигини ошириш ҳамда уларни яратишнинг янги
технологияларини ишлаб чиқиш муҳим аҳамиятга эга.

6

Ушбу диссертация тадқиқоти маълум даражада Ўзбекистон Республика-

си Президентининг 2017 йил 7 февралдаги ПФ-4947-сонли «Ўзбекистон Рес-
публикасини янада ривожланиши бўйича ҳаракатлар стратегияси тўғриси-
да»ги Фармони, 2017 йил 13 февралдаги ПҚ-№2772-сонли «2017-2021 йил-
ларда электроника саноатини ривожлантиришнинг устувор йўналишлари тўғ-
рисида»ги ва 2017 йил 17 февралдаги ПҚ-№2789-сонли «Фанлар академия-
сининг фаолиятини, илмий тадқиқот ишларини ташкил этиш, бошқариш ва
молиялаштиришни янада такомиллаштириш чора-тадбирлари тўғрисида»ги
Қарорлари ҳамда мазкур фаолиятга тегишли бошқа меъёрий-ҳуқуқий ҳуж-
жатларда белгиланган вазифаларни амалга оширишга хизмат қилади.

Тадқиқотнинг республиканинг фан ва технологияларни ривожлан-

тириш устувор йўналишларига мослиги.

Мазкур тадқиқот республика фан

ва технологиялар ривожланишининг III. «Энергетика, энергия ва ресурс
тежамкорлиги, транспорт, машина ва асбобсозлик, замонавий электроника,
микроэлектроника, фотоника ва электрон асбобсозликни ривожлантириш»
устувор йўналишига мувофиқ бажарилган.

Муаммонинг ўрганилганлик даражаси.

Шу кунга қадар олимлар ва

ишлаб чиқарувчиларнинг эътибори гетеротузилмаларда кечувчи электрон
жараёнларни ўрганишга ва уларнинг фотоэлектрик параметрларини оптимал-
лаштириш усулларини ишлаб чиқишга қаратилган. Шундай гетеротузил-
малардан бири инжекцияли фотодиодлар бўлиб, улар яримўтказгичли фото-
диодлар ичида фотоқабулқилгичларнинг янги синфини ташкил қилади ва
узун базали диодлар туркумига киради.

Инжекцияли фотодиодларнинг илк намуналари бу соҳада етакчи бўлган

етук олим В.И. Стафеев ва унинг шогирдлари томонидан яратилган. Янги
турдаги фотоқабулгич тузилмаларини ишлаб чиқиш, уларнинг спектрал
диапазонини база материалининг параметрларига боғлиқ ҳолда бошқариш
бўйича маълум натижалар кремний ва галлий арсениди асосида
М.К. Бахадирханов, А.Т. Мамадалимов ва А.В. Каримов

1

каби олимлар

раҳбарлигида амалга оширилган.

Ўз навбатида инжекцияли фотодиодларнинг янги турларини яратиш

яхши ўрганилган материалларга, яъни адабиётларда физикавий, физик-кимё-
вий ва технологик хусусиятлари ҳақида етарлича аниқ маълумотлар келти-
рилган яримўтказгич материалларга мурожаат қилишни талаб қилади. Бироқ,
А

4

В

4

ва А

2

В

6

бирикмали яримўтказгичлар яхши ўрганилганлигига қарамас-

дан, улар асосида инжекцияли фотодиодлар ишлаб чиқишга кам эътибор
қаратилган. Бундан ташқари шу пайтгача кремний тагликлар юзасига CdS
яримўтказгич бирикмаларини ўтқазиш ва улар асосида фотодиодларни тайёр-
лаш технологиялари хам ишлаб чиқилмаган.

Тадқиқотнинг диссертация бажарилган илмий-тадқиқот муассаса-

сининг илмий-тадқиқот ишлари режалари билан боғлиқлиги.

Диссерта-

1

Диссертациянинг мавзуси бўйича муаммони ўрганилганлик даражиси Karimov A.V., Karimova D.A.Three-

junction Au/AlGaAs(n)/GaAs(p)/Ag photodiode. ScienceinSemiconductorProcessing. Volume 6, Issues 1-3, 2003,
Pages. 137-142, Инжекционно-полевойфотодиодПатентРУз № IAP 03974 от 09.06.20.09.Расмий ахборотнома.
– 2009. - № 7ва бошқа манбалар асосида бажарилган.

7

ция иши ЎзР ФА «Физика – Қуёш» ИИЧБ ФТИ илмий тадқиқотлари доира-
сидаги қуйидаги лойиҳалар бўйича: А3-ФА-011242 «Саноатда металл
қотишмалар таркибидаги элементларни тезкор аниқлаш учун кўчма спетро-
анализаторни ишлаб чиқиш» (2012-2014 й.й.); ФА-А3-Ф024 «Газ алангали
қозонлар учун аланга ёнганлигини назорат қилишнинг компакт тизимини
ишлаб чиқиш» (2015-2017 й.й.) деган мавзуларда бажарилган.

Тадқиқотнинг мақсади

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гете-

ротузилмалари асосидаги инжекцияли фотодиодларнинг ток ташиш меха-
низмларини ҳамда уларнинг динамик ва статик характеристикаларини
изохлайдиган электрон жараёнларни аниқлашдан иборат.

Тадқиқотнинг вазифалари:

тадқиқ қилинадиган тузилмани ва уни яратиш учун зарур бўлган ярим

ўтказгич материални танлаш критерийларини аниқлаш;

инжекцияли фотодиодларнинг экспериментал намуналарини тайёрлаш-

нинг технологик усулини ишлаб чиқиш, технологик қурилмани тайёрлаш ва
материалларга ишлов бериш;

тадқиқ қилинадиган инжекцияли фотодиолар тузилмасининг экспери-

ментал намуналарини тайёрлаш;

тайёрланган инжекцияли фотодиодлар намуналарини морфологик

тадқиқ қилиш;

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмаларининг вольт-

фарада, қоронғулик ва ёруғлик вольтампер характеристикаларини тадқиқ
қилиш;

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмаларида ток ўтиш

механизмини таҳлил қилиш.

Тадқиқотнинг объекти

вакуумда CdS кукунини термик пуркаш йўли

билан кремний тагликда олинган CdS юпқа қатламлари, улар асосида яра-
тилган

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмалардан

иборат.

Тадқиқот предмети

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеро-

тузилмалардаги ток ўтиш механизмлари ва уларнинг спектрал сезгирлик-
ларининг шаклланиш жараёнларидан иборат.

Тадқиқот усуллари.

Тадқиқотларни амалга оширишда вольтампер,

вольтфарада ва спектрал характеристикаларни олишнинг синалган усул-
ларидан, солиштирма қаршиликни ўлчашнинг стандарт бир зондли ва тўрт
зондли усулларидан, LINK ISIS (Япония) энергодисперс спектрометри
(ЭДС)ни қўллаб Jeol–JXA-8900 микроаналитик комплексида бажариладиган
морфологик тадқиқот услубларидан фойдаланилган.

Ишнинг илмий янгилиги

қуйидагилардан иборат:

квазиёпиқ вакуум тизимида CdS кукунини термик пуркаш йўли билан

илк бор кремний тагликда CdS юпқа қатламлари олиниб, улар асосида ички
кучайтиришга ва созланувчи спектрал сезгирлик диапазонига эга бўлган
инжекцияли фотоқабуллагич сифатида ишлайдиган

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмаларни тайёрлаш технологияси ишлаб

чиқилган;

8

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-гетеротузилма 389 – 1238 nm тўлқин узунликлар ора-

лиғида жойлашган кенг қамровли спектрал сезгирлик диапазонида «чўққиси»
475 nm тўлқин узунликда ётган битта катта ва мос равишда 618 nm, 740 nm
ва 821,8 nm тўлқин узунликларда ётган учта кичик «чўққи»лар ҳар хил
сатҳларга эга бўлган киришмалар мавжудлигини тасдиқлаган;

термодинамик мувозанат ҳолатида

n

CdS –

p

Si-гетероўтиш чегарасида

сирт потенциалининг қиймати

ψ

s

= 0,04 eV га тенг бўлган акцептор типидаги

манфий зарядланган сирт ҳолатлари ҳосил бўлиши, сирт потенциали

ψ

S

манфий қутбли бўлганда, сирт ҳолатлари зичлиги (

N

SS

) катта қийматларга,

ψ

SS

мусбат бўлганда эса кичик қийматлар қабул қилиши асосланган;

тўғри йўналишдаги кучланишнинг ортиши билан

p

Si-тагликдан база

соҳасига электронлар инжекциясининг ортиши фототокнинг ортишига ва
спектрал диапазоннинг қисқа тўлқин томонига кенгайиши ток ташувчи-
ларнинг йиғилиш коэффициенти ортиши билан боғлиқлиги исботланган;

373 Кга қиздирилган

n

CdS –

p

Si- ва

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмалар юзаси-

га индийни вакуумда термик пуркаш ва кейинчалик 673 К ҳароратда 30 сек,
давомида термик ишлов бериш йўли билан

n

CdS юпқа қатлами устида кучли

легирланган юпқа

n

+

CdS қатламни шакллантириш ва контакт олишнинг

режимлари оптималлаштирилган.

Тадқиқотнинг амалий натижалари

қуйидагилардан иборат

:

CdS кукунини 10

-5

Torr вакуумда Si-тагликка термик пуркаш йўли билан

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмалар олинган. Улар

асосида ички кучайтиришга эга ва созланувчи спектрал сезгирлик диапазо-
нига эга бўлган инжекцияли фотодиодлар тайёрланган.

Тадқиқот натижаларининг ишончлилиги

солиштирма қаршилик,

вольтампер, вольтфарада ва спектрал характеристикаларни ўлчашнинг синал-
ган анъанавий усулларидан фойдаланиш билан таъминланган.

Тадқиқот натижаларининг илмий ва амалий аҳамияти

.

Тадқиқот натижаларининг илмий аҳамияти шундан иборатки, олиб

борилган тадқиқотлар инжекцияли фотодиодлар тўғрисидаги тушунчалар
соҳасини янада кенгайтирди.

Тадқиқот натижаларининг амалий ахамияти, созланувчи фотосезгирлик

диапазонига ва фототокнинг инверсиясига эга бўлган инжекцияли фото-
диодларни яратишда улардан фойдаланиш мумкинлигидадир.

Тадқиқот натижаларининг амалиётга жорий қилиниши.

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмалари асосидаги инжекцияли

фотодиодлардаги ток ташиш механизмлари хамда уларнинг динамик ва
статик характеристикаларини изоҳлайдиган электрон жараёнларни аниқлаш
натижалари

асосида

:

юпқа қатлам юзасига контакт олишнинг технологик режимлари Т15МН-

001 рақамли «Қопланган тиббиёт асбобларига металлоценлар ва фуллерид
металларнинг физик ва антибактериал ҳусусиятларини тадқиқ қилиш ва
медицина асбобларида қўллаш имкониятларини аниқлаш» (2015-2017 й.й.)
халқаро лойихасида юпқа қатламли намуналарга омик контакт олишда
қўлланилган (Беларусь Миллий академияси Иссиқлик ва масса алмашинуви

9

институтининг 2017 йил 11 октябрдаги маълумотномаси). Илмий натижа-
лардан фойдаланиш нанотузилмали намуналарга контакт олиш ва намуналар
ток характеристикаларининг физик хусусиятларини тадқиқ қилиш имконини
берган;

кадмий сульфидига вакуумда магнетронли пуркаш йўли билан контакт

олиш усули Ф2-ФА-Ф161-рақамли (2012-2016 й.й) «Эркин юпқа қатламлар
(Al, Cu, Ag, ва Cu-Si) ва хажмий кристаллар (W, WOn, TiN, CdTe и SiO

2

)

юзасида ион имплантацияси усули билан наноўлчамли гетеротузилма-
ларнинг шаклланиш механизмларини ва физик-кимёвий хусусиятларини
ўрганиш» деган мавзудаги грант лойиҳасида наноқатламлар устида омик қар-
шилиги кичик бўлган контактлар олишда қўлланилган (Фан ва техноло-
гиялар агентлигининг 2017 йил 21 ноябрдаги ФТА-02-11/1150-рақамли
маълумотномаси). Илмий натижалардан фойдаланиш эркин юпқа қатламлар-
дан қайтган ва улар орқали ўтган электронлар энергия йўқотиш характе-
ристик спектрларининг дисперсиясини аниқлаш имконини берган.

Тадқиқот натижаларининг апробацияси

. Диссертация ишининг асо-

сий натижалари 3 та халқаро ва 2 та республика илмий-амалий конференция-
ларида баён этилган ва муҳокамадан ўтказилган.

Тадқиқот натижаларининг эълон қилинганлиги

.

Диссертация мавзу-

си бўйича жами 9 та илмий иш чоп қилинган бўлиб, шулардан 4 таси
Ўзбекистон Республикаси Олий аттестация комиссиясининг диссертация
ишларининг илмий натижаларини чоп этиш тавсия қилинган илмий нашр-
ларда чоп этилган.

Диссертациянинг тузилиши ва ҳажми

.

Диссертациянинг таркиби

кириш, тўртта боб, хулоса, чоп этилган адабиётлар рўйхатидан иборат бўлиб,
20 та расм, 4 та жадвал ва 78 номдаги фойдаланилган адабиётлар рўйхатини
ўз ичига олган ва унинг хажми 116 бетни ташкил этади.

ДИССЕРТАЦИЯНИНГ АСОСИЙ МАЗМУНИ

Кириш қисмида

ўтказилган тадқиқотларнинг долзарблиги ва зарурияти

асослаб берилган. Тадқиқотларнинг республикадаги фан ва технологияларни
ривожлантиришнинг устувор йўналишлари билан боғлиқлиги кўрсатилган.
Муаммонинг ўрганилганлик даражаси келтирилган, мақсад ва вазифалар
шакллантирилган, тадқиқотнинг объектлари, предметлари ва усуллари аниқ-
ланган. Илмий янгилик баён қилинган, олинган натижаларнинг ишончлилиги
асослаб берилган. Натижаларнинг илмий ва амалий аҳамияти очиб берилган.
Ишнинг апробацияси, диссертациянинг ҳажми ва тузилиши ҳақида қисқача
маълумотлар келтирилган.

Диссертациянинг

«Инжекцияли фотоқабуллагичларнинг олиниши,

хусусиятлари, асосий характеристикалари ва ривожланиш тамойил-
лари»

деб номланган биринчи бобида, турли тадқиқотчилар томонидан

яратилган ИФҚларнинг турлари, уларнинг олиниши, хусусиятлари, асосий
характеристикалари ва ривожланиш тамойиллари қараб чиқилган. Турли
ярим ўтказгич материаллар асосида олинган инжекцияли диодлар, улардаги

10

ток ўтиш ва фототокнинг кучайиш механизмлари, шунингдек улар фотосез-
гирликларининг спектрал боғлиқликлари баён қилинган.

«

n

+

CdS –

n

CdS –

р

Si ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмалар асо-

сида инжекцияли фотоқабуллагичларнинг намуналарини тайёрлаш ва
уларнинг асосий параметрлари»

деб номланган иккинчи бобда юпқа

қатламларни олишнинг турли усуллари баён қилинган. Диссертация ишида
тадқиқ қилинган ФҚларни яратиш учун қўлланилган

n

+

CdS –

n

CdS –

р

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмаларни шакллантиришда CdS қатламларини

олишда вакуумли термик пуркаш усулининг афзалликлари кўрсатиб берил-
ган. Кремний тагликлар сиртига ишлов беришнинг улар юзасида олинган
CdS қатламларининг ҳамда улар асосида яратилган тузилмаларнинг электро-
физикавий хусусиятларига таъсири кўрсатиб берилган. Шунингдек, CdS
юпқа қатламларни олишнинг ва улар асосида

n

+

CdS –

n

CdS –

р

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si- гетеротузилма намуналарини яратишнинг технологик режим-

лари, ҳамда олинган CdS қатламларнинг парамтерлари келтирилган.

Олинган юпқа қатламларни морфологик тадқиқ қилиш орқали, крис-

таллитларнинг ўлчамлари технологик режимларга, энг аввало тагликнинг
ҳарорати

T

S

га кучли боғлиқ эканлиги кўрсатилган. Масалан,

T

S

= 300



С

бўлганда тайёрланган CdS қатламлари кристаллитларининг ўлчамлари ~ 3 ÷
4 μm га тенг бўлиб,

w

≈ 2 μm қалинликка эга бўлган юпқа қатламни бутунлай

қоплаб олган бўлиб, уларнинг солиштирма қаршиликлари

ρ

≥ (2-3)·10

6

Ω·сm

га тенг бўлган

n

-ўтказувчанликка эга бўлган. Шундай тарзда олинган CdS

юпқа қатламлари намуналарининг сиртини МИИ-4 микроскопи ёрдамида
олиб борилган тадқиқотлар, юпқа қатламларнинг ўсиш йўналиши бўйича
ориентацияланган ва азимут бўйича ориентацияланмаган зич тахланган
устунсимон кристаллитлардан иборатлигини кўрсатган (1-расм).

LINK ISIS ЭДС (энергодисперсион спектрометр) ёрдамида Jeol – JXA-

8900 микроаналитик комплексида CdS қатламининг қалинлиги бўйича
кимёвий элементларнинг тақсимоти аниқланган (2-расм). Ўлчаш шартлари:

U

= 20 kV,

I

= 10 nA. Эталонлар: табиий соф ҳолда топилган Cd ва Si, S учун

эса – синтетик яратилган FeS; бунда ўлчаш хатолиги ±2.0% ни ташкил этади.
ИФД тузилмалари намуналарини тайёрлашда тузилмаларга контактлар, орқа
томондан Si-тагликка яхлит, юза томондан эса

n

+

CdS қатлам юзасига «П»

кўринишда индий (In) ни вакуумда пуркаш йўли билан олинган. 50 Å қалин-
ликка эга бўлган кучли легирланган

n

+

CdS қатлам сиртига тагликнинг ҳаро-

рати 373 К бўлган ҳолда қолдиқ босим 10

-5

Torr га тенг бўлган вакуумда

25



30 s давомида In нинг юпқа қатламини пуркаш ва кейин 300 s давомида

673 К да термик ишлов бериш йўли билан олинган. Сўнгра ушбу кучли
легирланган

n

+

CdS-қатлам сиртида юзаси 3 mm

2

га тенг бўлган «П»

кўринишдаги омик контакт худди шундай In ни вакуумда пуркаш йўли билан
олинган.

Бўлиниш чегарасидаги ҳолат ҳақидаги маълумотларни олиш учун час-

тотали вольтфарада характеристика (ВФХ) усули қўлланилган. Тузилма-
ларнинг ВФХ тўғри ва тескари силжиш кучланишларида

f

= (0,4-50) кГц

частоталарда ўлчанди. Бундай частоталардаги

C(U)

-характеристикалар бир

11

хил шаклга эга бўлганлиги учун фақатгина

f

=10 кГц частота учун битта

характеристика келтирилди.

1-расм. CdS эпитаксиал юпқа қатлам

сиртининг микросурати

2-расм.

р

Si-тагликка ўтқазилган

n

CdS қатламнинг қалинлиги бўйича

кимёвий элементларнинг тақсимоти

Гетеротузилмалардаги сирт ҳолатлари зичлиги экспериментал

C(U)

-

характеристиканинг сиғимнинг айнан бир хил қийматларида

N

SS

= ∆

U·C/q

бўйича ҳисобланган характеристикага нисбатан силжишидан аниқланган.
3-расмда

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузилманинг экспериментал ва (1-эгри

чизиқ) ва ҳисобланган (2-эгри чизиқ)

C(U)

-характеристикалари келтирилган.

Экспериментал

C(U)

-характеристика (3-расм, 1-эгри чизиқ) хона ҳароратида

тест частотасининг

f =

10 kHz қийматида олинган, чунки шу частотада

М(металл) – Д(диэлектрик) – Я(ярим ўтказгич) тузилмасининг

C(U)

-характе-

ристикаси анча яққол намоён бўлади. Бу эса гетероўтишда мавжуд бўлган
сирт ҳолатларининг зичлиги

N

SS

суст кечадиган сирт ҳолатлари эканлигини

англатади. (

ψ

S

) нинг экспериментал аниқланган кучланиш

U

га боғлиқлиги

4-расмда,

N

SS

нинг

ψ

S

га боғлиқлиги эса 5-расмда келтирилган.

-30 -20 -10 0 10 20 30

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

C

, nF

2

1

U

, V

-5 0 5 10 15 20 25 30
-0,2

0,0

0,2

0,4

U

, V



S

, eV

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6

6,0x10

11

4,0x10

11

2,0x10

11

0,0

N

SS

, cm

-2



S

, eV

3-расм.

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-

гетеротузилманинг

C(U)

-

характеристикаси

4-расм. Сирт потен-

циалининг қўйилган

кучланишга боғлиқлиги

5- расм. Сирт ҳолатлари

эффектив зичлигининг

сирт потенциалига

боғлиқлиги

«

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS ва

n

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузилмаларнинг

спектрал характеристикалари»

деб номланган учинчи бобда

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузилманинг қоронғилик ва ёруғликдаги, шунингдек силжитиш

кучланишининг тўғри ва тескари йўналишларидаги фототокларнинг спектрал
боғлиқлик тадқиқотларидан олинган натижалар келтирилган.

12

Тузилмалар фотосезгирлигининг спектрал боғлиқлиги хона ҳароратида

(300 К) 3МР-3 монохроматорида ўлчанди. Бунда нурланиш манбаи сифатида
йўл қўйиладиган энг кам қувват режимида ишлайдиган ва ёруғлик доираси-
нинг марказида 53000 lm ёруғлик оқимини ва 120 Mcd/m

2

гача бўлган ёрқин-

ликни таъминлайдиган ДКСШ-1000 типдаги ксенон лампа хизмат қилди.
Лампанинг нурланиши кварц дарчали РТЭ-9 термоэлементи ёрдамида абсо-
лют бирликларда градуировка қилинган. ДКСШ-1000 лампаси ультрабинаф-
ша ва кўзга кўринадиган тўлқин узунликлар соҳасида яхлит спектрга эга.

6-расмда

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-гетеротузилмали типик фотодиод учун ток-

нинг тўғри йўналишида силжиш кучланиши бўлмаган ҳолатда фотосезгир-
ликнинг спектрал боғлиқлиги (

S

λ

) келтирилган. Бунда токнинг мусбат йўна-

лиш деб

p

Si тагликка «

+

»потенциал, аксинча «

–

»потенциал қўйилган ҳолат

қабул қилинган. 6-расмдан кўринадики, спектрал сезгирлик эгри чизиғида

λ

= 389 – 1238,46 nm тўлқин узунликлар оралиғида бир қатор хусусиятлар
мавжуд. Яъни тузилманинг спектрал сезгирлиги

λ

= 389 nm дан бошланади ва

кескин ортиб бориб,

λ

= 475 nm да ўзининг максимумига («чўққи»сига)

эришади ва бунда спектрал сезгирлик

S

λ

= 5,49 A/W қийматга эга бўлади.

Шундан кейин

S

λ

аста-секин камайиб бориб,

λ

= 872,7 nm тўлқин узунликда

нолгача тушади.

400 600 800 1000 1200 1400

-1

0

1

2

3

4

5

6



, nm

S



,

A/W

400 600 800 1000 1200 1400

-5

0

5

10

15

20

25



nm

U

, mV

6-расм.

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузил-

ма фотосезгирлиги (

S

λ

) нинг силжитиш

кучланиши бўлмаган ҳолатдаги

спектрал боғлиқлиги

7-расм.

p

Si –

n

CdS

–n

+

CdS-гетеро-

тузилма фото-ЭЮК (

U

Ph

) нинг

спектрал боғлиқлиги

Бундан ташқари яна, фотосезгирликнинг пасайиш тарафида

λ

= 541,84 –

578,56 nm оралиқда поғоналар ва мос равишда

λ

= 618 nm,

λ

= 740 nm ва

λ

=

821,8 nm тўлқин узунликларида учта «чўққи» мавжуд бўлиб, улар CdS қат-
ламларида шу тўлқин узунликларга мос энергетик сатҳларга эга бўлган
киришмаларнинг мавжудлиги билан тушунтирилади. Шундан сўнг

S

λ

нол

қийматдан бошлаб, ишорасини ўзгартирган ҳолда тескари йўналишда ўса
бошлайди ва

λ

= 961,8 nm да манфий максимумга эришиб,

S

λ

= 0,4 A/W га

тенг бўлади. Ундан кейин

S

λ

нинг силлиқ пасайиши ва

λ

= 1042,8 nm да нолга

эришиб яна

λ

= 1200,3 nm да ишорасини ўзгартириб, ўсиши ва кейинчалик

арзимаган камайиши кузатилади.

13

Аввалги бўлимда баён қилинган спектрал сезгирликнинг ҳолатини ту-

шунтириш мақсадида тузилмадаги фото-ЭЮК(

U

Ph

) нинг спектрал боғлиқли-

ги 7-расмда келтирилган ва тўлқин узунликка боғлиқлиги

U

(

λ

) ўрганилган.

Натижада

S

λ

(

λ

) ва

U

(

λ

) ларни ўзаро таққослаш уларнинг бир бирига мос

кўринишга эга эканлигини кўрсатди. Уларда

λ

нинг бир хил қийматларига

мос келган максимум ва минимумларда умумий экстремал нуқталар мавжуд
бўлиб, бу ҳолат

S

λ

(

λ

) нинг кўриниши

U

(

λ

) га боғлиқ дейишга асос бўла олади.

λ

= 475 nm тўлқин узунликда катта чўққининг пайдо бўлиши изотип

n

+

CdS –

n

CdS-ўтиш соҳасида номувозанатланган ток ташувчиларнинг юзага келиши

ва йўқотишларсиз бўлиниши билан боғлиқдир.

Фотосезгирликнинг ишора ўзгаргандан кейинги ортиши фототашувчи-

ларнинг бўлинишида

p

Si –

n

CdS-гетероўтишнинг ҳиссаси билан боғлиқ

ҳолда, бундан кейинги камайишда ишоранинг ўзгариши ва

λ

= 1200,3 nm (

S

λ

= 0,96 A/W бўлганда) да максимумнинг пайдо бўлиши, ток ташувчиларнинг
диффузияси ва дрейфи жараёнига

p

Si –

n

CdS-гетероўтиш улушининг устун

келиши билан тушунтирилади.

λ

= 1200,3 nm даги фотосезгирлик катталиги

p

Si –

n

CdS-гетероўтиш нурланиши натижасида генерацияланган электрон-

ковак жуфтликларни самарали ажратишини кўрсатади. Бироқ бунда

λ

=

1200,3 nm даги спектрал сезгирлик

λ

= 475 nm дагидан сезиларли даражада

кичик бўлган. Бу ҳолат

p

Si –

n

CdS-гетероўтишнинг эффективлиги изотип

n

+

CdS –

n

CdS-ўтишдагига қараганда ёмонроқ эканлигини кўрсатади.

Изотип

n

+

CdS –

n

CdS-ўтишдан инжекцияланган ток ташувчилар фото-

ЭЮК таъсирида, электронейтралликни таъминлаш учун пайдо бўладиган
ковакларнинг диффузион оқимини ҳосил қиладилар. Спектрал сезгирликнинг
максимум (

λ

= 475 nm) даги катталиги электромагнит нурланишнинг ушбу

тўлқин узунликдаги идеал ФҚнинг спектрал сезгирлигидан (

S

λ

= 0,6 A/W)

анчагина ортиқ экани аниқланган (8-расм). Бу ерда идеал фотоқабуллагич
деб, тушадиган барча фотонлар ютилиб, электрон-ковак жуфтлиги ҳосил
бўлиб, йўқотишларсиз ҳажмий заряд майдони ҳисобига бўлинадиган фото-
қабуллагичга айтилади.

S

λ

нинг кузатилган ортиши, бундай тузилмада бир-

ламчи фототокнинг кучайиши рўй беради, деб тасдиқлашга имкон беради.
Бундай кучайтиришнинг механизми икки хил сабабга кўра, яъни параметрик
ёки мусбат тескари алоқа туфайли бўлиши мумкин.

Бундан ташқари, учинчи бобда

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузилмага сил-

житиш кучланиши берилмаганда ва токнинг тескари йўналишида турлича
катталикдаги силжитиш кучланиши берилгандаги спектрал сезгирлиги қараб
чиқилган (9-расм). Ушбу расмдан кўриниб турибдики, силжитиш кучланиши
бўлмаганида спектрал сезгирлик диапазони

λ

= 350-1350 nm тўлқин

узунликлар соҳасида ётади ҳамда фототок манфий қийматларга эга бўла-
диган

λ

1

≈ 480 nm ва

λ

2

≈ 1248 nm да энг юқори қийматларга эришади.

Фототокнинг спектрал боғлиқликдаги инверсия нуқталари тузилманинг

базасида бир-бирига қарама-қарши йўналган дрейф ва фототоклар базанинг
маълум бир

d

λ

чуқурлигида бир-бирини тўлиқ мувозанатлайди, деб тасдиқ-

лашга асос бўлади. Базанинг бу қалинлиги

λ

тўлқин узунликка эга бўлган

электромагнит нурланишнинг ютилиш чуқурлигига мос келади.

14

Фотосезгирлик инверсия нуқталарининг қисқа тўлқин узунликлари

томонига силжиши биполяр дрейф токининг катталиги билан аниқланади ва
бу ток асосан электронларнинг

n

CdS –

p

Si-гетероўтишдан базага инжекцияси

билан боғлиқ бўлади. Инверсия нуқталарини тескари йўналишда кичик
силжитиш кучланишларни бериш билан амалга оширилади. Тажрибалар
кўрсатадики,

U

≥ 8,5 mV га тенг ва ундан юқори кучланиш берилганда

тузилмадаги биполяр дрейф токи асосий ҳал қилувчи бўлиб қолади ва,
шунинг учун ҳам, фотосезгирлик спектрида фототок ишорасининг инверсия-
си пайдо бўлмайди.

1– силжиш кучланиши бўлмагандаги спектрал

сезгирлик, 2– 0,5 мВ, 3– 2 мВ, 4– идеал

фотоқабуллагич учун

1– силжиш кучланиши бўлмагандаги спект-
рал сезгирлик, 2– 4 мВ, 3– 6 мВ, 4– 8.5 мВ,

5– идеал фотоқабуллагич учун

8-расм.

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-гете-

ротузилма фотосезгирлигининг тўғри

йўналишдаги турли қийматлардаги

силжиш кучланиши берилгандаги ва у

бўлмагандаги спектрал боғлиқлиги

9-расм.

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-гете-

ротузилма фотосезгирлигининг

тескари йўналишдаги турли

қийматлардаги силжиш кучланиши

берилгандаги ва у бўлмагандаги

спектрал боғлиқлиги

«

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмаларнинг

вольтампер характеристикалари ва ток ўтказиш механизмлари»

деб

номланган тўртинчи бобда

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гете-

ротузилмаларнинг қоронғилик ва ёруғликдаги ВАХлари ва бирламчи ток
ўтказиш механизмлари тадқиқ қилинган.

Биз тайёрлаган

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузилмаларнинг ВАХлари

қоронғуликда, ҳамда

E

= 0,1 – 50 lux ёритилганликда хона ҳароратида (300К),

токнинг тўғри ва тескари йўналишларида ўлчанди.Тузилмаларни ёритиш
икки усулда: (0,01 – 0,75) mW/cm

2

қувват интервалида



= 0,625 µm тўлқин

узунликли лазер (ЛГ-75 типидаги газ лазери) нури билан, шунингдек кўрсат-
кичлари оқ нур эталон лампасига деярли мос келадиган чўғлинма лампа ор-
қали амалга оширилди. Бунда электромагнит нурланиш спектрининг кўзга
кўринадиган соҳасида бир люмен 9,1∙10

-3

W қувватга тенглигини эслатиб

ўтиш лозим.

15

10-расмда

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузилма ВАХларининг тўғри ва

тескари тармоқлари ярим логарифм масштабларда келтирилган. Юқорида
таъкидлаб ўтилганидек, тузилмага тўғри йўналишда кучланиш берилганда

p

Si-контактига «

+

» қутбли потенциал, тескари йўналишда «

–

» потенциал

берилади. ВАХ нинг таҳлили тузилма тўғрилаш хусусиятига эга эканлигини,
унинг (

U

= 20 В бўлган белгиланган силжитиш кучланишида тўғри ва

тескари токларнинг нисбатидан аниқланадиган) тўғрилаш коэффициенти

K

≈ 10

5

қийматга эга эканлигини кўрсатади.

а

)

I – тўғри тармоқ, II – тескари тармоқ.
Жойланмада ВАХ тескари тармоғининг
биринчи (1) ва иккинчи (2) худудлари
кўрсатилган

б

)

тўғри тармоқ қоронғуликда (1),

E

= 10 lux оқ нур билан ёритилганда (2)

ва тўлқин узунлиги

λ

= 0,625 nm ва

қуввати

P

= 100 μW/cm

2

бўлган лазер

нури билан ёритилганда (3)

10-расм.

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетеротузилманинг вольтампер характеристикаси

Таҳлилни қулайлаштириш мақсадида 10

а

-расмда тузилма ВАХининг

тескари тармоғи токнинг мусбат қийматлари учун келтирилган. ВАХ тескари
тармоғининг таҳлили ток зичлигининг

I

≈ (1,3



10

-9



1,1



10

-8

) A/сm

2

қиймат-

лари оралиғида тузилмада термоэлектрон токлар оқишини кўрсатади. Бунда
термоэлектрон ток қуйидаги формула билан тавсифланади:

)

1

(

D

2







kT

eU

kT

V

e

e

АT

I

,

(1)

бу ерда А – Ричардсон доимийси A = 12·10

5

A/(m

2

·K

2

);

V

D

– потенциал тўсиқ

баландлиги;

U

– силжиш кучланиши;

T

– Кельвин шкаласи бўйича ҳарорат;

k

– Больцман доимийси.

Ток зичлигининг

I

≈ (1,3·10

-8



2, 2·10

-7

) A/cm

2

оралиғида ВАХ

I

=

I

02



exp(

qU

/c

kT

) кўринишдаги экспоненциал боғлиқлик билан тавсифланиб,

ундаги экспонента кўрсаткичи c

2

= 8,2 га, экспонента олди кўпайтгичи эса

I

02

= 1,8·10

-8

A/cm

2

га тенг бўлиб, Cтафеев В.И. назариясига кўра, базанинг

қаршилиги анчагина катта бўлган тузилмаларда диффузион ток оқиб ўтади ва
у қуйидаги аналитик ифода билан тавсифланади:

16

I

=

I

02



exp(

qU

/c

2

kT

),

(2)

бу ерда

с

2

= (2

b

+

chw

/

L

+1)/(

b

+ 1),

(3)

бу ерда

b

=

μ

n

/

μ

p

– электрон ва коваклар ҳаракатчанлигининг нисбати,

w

– ба-

за қалинлиги.

ВАХ нинг иккинчи соҳасидан аниқланадиган с

2

= 8.2 экспериментал

қийматини (3) формулага қўйиб,

b

= 38,

w

= 2 µm,

μ

n

= 285 сm

2

/V·с и

μ

p

= 7 ÷

8 cm

2

/V·с қийматларида ковакларнинг диффузия узунлиги

L

p

= 0,45 µm,

μ

p

τ

p

= 7,8·10

-8

cm

2

/V (коваклар яшаш вақтининг ҳаракатчанликка кўпайтмаси)

ни топамиз.

I

02

катталик тахминан токка тенг бўлганлиги учун база соҳаси-

нинг ўтказувчанлиги инжекция туфайли икки мартага ортади, яъни база
қалинлигининг мувозанатдаги ва номувозанатдаги қалинликлари тенглашиб,
инжекциянинг юқори даражаларига ўтиш бошланади.

Бунда

I

02

= 1,8·10

-8

A/cm

2

қиймат ВАХнинг иккинчи соҳаси бошланғич

(0,1 V) кучланишига мос келади деб ҳисоблаб, базанинг солиштирма қарши-
лиги

ρ

= 2,6·10

10

Ω·cm га тенглигини топамиз, бу эса

n

CdS қатламнинг

3·10

10

Ω·cm га тенг қиймати билан яхшигина мос келади. Электронлар

инжекциясининг мавжудлигини

μ

p

τ

p

= 7,8·10

-8

cm

2

/V кўпайтмани ҳисоблаш

орқали аниқланадиган бошқа қийматлар ҳам тасдиқлайди. Бунинг учун сил-
житиш кучланиши бўлмаган ҳолат учун релаксация эгри чизиқлари олинган.
Бундай эгри чизиқларнинг кўтарилиши ва пасайиши бўйича релаксациянинг

τ

=7·10

-8

с ва

τ

=1,2·10

-7

с га тенг вақт доимийлари аниқланган. Ундан кейин

бу катталиклар ковакларнинг яшаш вақтига тенг деб фараз қилиниб,

μ

p

τ

p

кўпайтма бўйича

μ

p

= 1,1 cm

2

/V·с ва

μ

p

= 0,78 cm

2

/V·с қийматларни топамиз.

Силжитиш кучланиши (

U

) нинг кейинги ортиши билан

p

Si –

n

CdS –

гетероўтишнинг хусусиятлари ўзгариб боради – у ноидеалга айланиб,

p

Si

томонга ковакларни ўтказиб юбора бошлайди. Бунда

n

+

CdS –

n

CdS-изотип

ўтиш деярли идеаллигича қолади ва унда тескари силжиш кучланишининг
ортиши билан ковааклар учун потенциал тўсиқ

V

b

ортади. Шунинг учун

n

+

CdS –

n

CdS-изотип ўтиш атрофида номувозанат коваклар концентрацияси

ошиб боради, коваклар концентрациясининг градиенти эса,

p

Si –

n

CdS-гете-

роўтиш яқинидагидан юқори бўлади. Бу ковакларнинг

p

Si –

n

CdS томонга

йўналган диффузион оқимини пайдо қилади. Бу диффузион ва дрейф оқим-
лари гетероўтиш томондан келаётган диффузион оқимларга қарши йўналган
бўлади.

Бирламчи фототокнинг кучайишини исботлаш мақсадида

n

CdS –

p

Si-

гетероўтишнинг қоронғилик ва ёруғлик ВАХ лари тадқиқ қилинди (10

б

-

расм). Ёруғлик ВАХлари ёритилганлик (

E

) нинг турли даражаларида оқ

ёруғлик билан ва

λ

= 625 nm тўлқин узунликли лазер нурланишининг турлича

қувват (

Р

) ларида ўлчанди. Масалан, қуввати

P

= 10 μW/cm

2

бўлган лазер

нурлари билан ёритилганда

S

λ

= 2,3·10

4

A/W га, хона ҳароратида

E

= 0,1 lux

ёритилганликка эга бўлган оқ ёруғлик билан нурлантирилганида интеграл
сезгирлик

S

int

= 2,75·10

4

A/lm (3·10

6

A/W) га тенг бўлган (1-жадвалга қаранг).

17

Юқорида таъкидлаб ўтилганидек, тадқиқ қилинаётган тузилма ёритил-

ганликнинг кичик даражаларига ҳам ўта сезгир бўлиб, у спектрал ва интеграл
сезгирликнинг ёруғлик ютилишининг хусусий соҳасида ҳам, аралашмали
(киришмали) соҳасида ҳам жуда катта қийматларига эга бўлади (1-жадвалга
қаранг). Бундан ташқари, оқ ёруғликнинг ёритилганлик даражаси ва лазер
нурланиши қуввати даражасининг ортиши билан силжитиш кучланишининг
бир хил катталигида ҳам

S

int

нинг, ҳам

S

λ

нинг камайиши рўй беради. Тўғри

йўналишдаги силжитиш кучланишининг ортиши билан эса спектрал ва
интеграл сезгирликнинг қиймати ортиб боради.

1-жадвал

Фототок (

I

Ph

), интеграл сезгирлик (

S

int

), спектрал сезгирлик (

S

λ

) ларнинг

ёритилганликка (

E

lux

), лазер нурланиши қувватига (

Р

) ва силжитиш

кучланишига (

U

) боғлиқлиги

Оқ нур

Лазер нурланиши

Е

(lux)

U

, V

2

,

сm

A

I

Ph



lm

A

S

,

int

W

A

S

,

int

2

,

cm

W

P



2

,

сm

A

I

Ph



W

A

S

,



0.1

5

10
14
20

148.6
2354.4
17000
274500

14.8
235.44
1700
27450

0.2·10

4

2.6·10

4

1.87·10

5

3·10

6

10

133
2000
11200
233560

13.3
200
1120
23356

1

5

10
14
20

178
3020
18000
310220

1,78
30,2
180
3102

0.2·10

3

3.32·10

3

1.98·10

4

3.4·10

5

50

369.2
6075.6
38937.1
416333

7.4
121.5
778.7
8326

10

5

10
14
20

184
3600
21000
410500

0.184
3.6
21
410

0.2·10

2

4·10

2

2.31·10

3

4.5·10

4

100

456
7524
44025
448320

4.56
75.24
440.25
4483.2

Ёруғлик ВАХларининг оқ ёруғлик ёритилганлигининг турли даражалари

ва турлича қувватдаги лазер нурланишида ўтказилган таҳлили шуни кўр-
сатдики, улар шакл бўйича ўхшаш ва силжиш токига нисбатан бир хил
қонуниятга эга бўлиб (10

а

-расмга қаралсин), интеграл ва спектрал сезгир-

ликнинг максимал қиймати ВАХ тўғри тармоғининг тўртинчи соҳасига тўғри
келар экан.

ВАХнинг тўртинчи соҳасида ток силжитиш кучланишига даражали боғ-

ланиш билан тавсифланиб, номувозанат ташувчиларнинг рекомбинацияси,
асосан, ичида электрон алмашинуви рўй берадиган мураккаб комплексларда
содир бўлиб, бунда дрейф токи асосий аниқловчи ток бўлиб ҳисобланади. Бу
эса бирламчи фототок кучайишининг асосий омили амбиполяр ҳаракат-
чанликдир, деб тасдиқлашимизга асос бўлади.

Амбиполяр ҳаракатчанликнинг модуляцияси чуқур ёпишқоқлик сатҳ-

ларининг бўшаб қолиши натижасида содир бўлади. Баҳолашлар қоронғилик-

18

да тўртинчи соҳада дрейфнинг биполяр тезлиги



a

≈ 5,6·10

6

cm/s эканлигини

кўрсатди. Биполяр дрейф қийматининг бундай катталиги

τ

≈ 10

-8

s (электрон-

ковак плазмасининг яшаш вақти) биполяр дрейфнинг

L

dr

≈ 5,6·10

-2

cm

узунлигини таъминлайди, бу эса биполяр диффузия узунлиги (

L

= 0.24 μm)

дан уч тартибдан ортиқроқ каттадир. Бу баҳолаш, биринчидан, ВАХнинг
тўртинчи соҳасида дрейф механизми устунликка эгалигини тўлиқ тасдиқ-
лайди, иккинчидан, ёруғлик берилганда, айниқса киришма соҳасида, биполяр
дрейф тезлигининг модуляцияланишини, яъни унинг камайишини кўрсатади.

Хулоса қилиб айтганда, ток зичлигининг ортиши билан

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-тузилмали ИФД базаси хоссаларининг ўзгариши содир бўлади, бу эса

тадқиқ қилинаётган тузилмада ток оқимининг, силжитиш кучланиши ва ток
ташиш механизмларига боғлиқ ҳолда, ўзгаришига олиб келади.

Бундай жараёнлар натижасида биполяр диффузия

µ

α

ва дрейф

µ

l

ҳара-

катчанликлари, биполяр диффузия

L

α

ва дрейф

L

dr

узунликлари, шунингдек

электрон-ковак плазмасининг яшаш вақти каби фундаментал катталиклар
чуқур ўзгаришларга учрайди. Ярим ўтказгич материаллар микропараметр-
ларининг бундай тубдан ўзгаришлари тузилма базасида кучли нобиржинс-
лилик бўлганида ва идеал контакт яқинида асосий бўлмаган ташувчилар –
ковакларнинг кучли нобиржинслилиги пайдо бўлганида рўй беради, улар
электрон-ковак плазмаси ғалаёнлари релаксациясига генерация-рекомбина-
ция жараёнлари улушини диффузия-дрейф оқимларининг релаксациясига
нисбатан ҳисобга олмаса ҳам бўлишига имкон беради.

Бундай жараён коваклар биполяр дрейфининг узунлиги катта қиймат-

ларга эга бўлганида (

L

dr

>>

L

α

да) мумкин бўлади. Биполяр дрейфнинг бундай

қийматида ёруғлик билан озгина нурлантириш ҳам бирламчи фототокнинг
кучайиш жараёни ҳисобига дрейф токининг кескин ортишига олиб келади, бу
эса интеграл ва спектрал сезгирлик қийматлари катталигини таъминлайди.

Ток зичлиги

I

= 10

-2



5·10

-4

A/cm

2

бўлганида тузилмада «узун» диодлар

режими амалга ошиши ва бунда

S

int

билан

S

λ

катталиклар энг катта қий-

матларга эришиши аниқланган. Масалан, ёритилганликнинг

Е

= 0,1 lux

қийматида

S

int

= 2,8·10

4

A/lm (3·10

6

A/W) га ва

λ

= 625 nm ли лазер

нурланиши билан ёритилганда

S

λ

= 2,3·10

4

A/W бўлади. Интеграл ва спектрал

сезгир-ликнинг бу катталиклари хона ҳарорати учун энг юқори натижа
ҳисобланади.

Оқ ёруғлик билан ёритилганда ҳамда тўлқин узунлиги

λ

= 0,625 μm ва

қуввати

P

= 10 μW/cm

2

бўлган лазер нурлари билан ёритилганда 11- расмда

келтирилган ВАХнинг чизиқлига яқин кўринишдаги участкасининг ҳолати
катта қизиқиш уйғотади. Расмдан келиб чиқадики, ёруғлик ва қоронғилик
ВАХлари бир хил қонуниятга эга бўлиб, фақатгина токнинг катталиги бўйи-
ча фарқ қилар экан. Улар орасидаги фарқ лазер билан ёритилганда ~1,5
тартибга тенг бўлиб, оқ нур билан ёритилганда эса, ток қиймати тўрт марта
катта бўлади. Мисол учун, лазер нури билан ёритилганда силжитиш куч-
ланиши

U

= 60 V бўлганда

S

λ

≈ 3,28 A/W га тенг бўлиб, шу

U

= 60 V

кучланишда

E

= 0,1 lux бўлган оқ ёруғлик билан ёритилганда эса интеграл

сезгирлик

S

int

≈ 0.69 A/lm ( ~76A/W) қийматга эга бўлади. Бу натижалар

19

(2-жадвалга қаралсин) шу нарсани кўрсатадики, лазер ва оқ ёруғлик билан
ёритилганда ВАХнинг чизиқлига яқин бўлган соҳасида бирламчи фототок-
нинг кучайиши содир бўлади, бу эса идеал ФҚнинг тўлқин узунлиги

λ

=

0,625 μm ва қуввати

P

= 10μW/cm

2

бўлган лазер нури билан ёритилгандаги

фотосезгирлигидан (

S

λ

≈ 0,5 A/W) 6 марта катта, ёритилганлиги

E

= 0,1 lux

бўлган оқ ёруғлик билан ёритилганда эса, идеал ФҚнинг

λ

= 0,625 μm даги

спектрал фотосезгирлигига қараганда деярли 20 марта катта фотосезгирликка
эга бўлади.

0 10 20 30 40 50 60

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

3

2

1

U

, V

J

,



A/cm

2

тескари тармоқ қоронғиликда (1); тес-

кари тармоқ

E

= 0,1 lux оқ нур билан

ёритилганда (2); тескари тармоқ

λ

=

625 nm, қуввати

P

= 10 μW/cm

2

бўл-

ган лазер нури билан ёритилганда (3)

0,1

1

10

10

-2

10

0

10

2

10

4

10

6

III

II

I

1

b

3

2

1

a

U

, V

J

,



А/сm

2

қоронғиликда (I

a

эгри чизиқ – тўғри тармоқ,

1

b

эгри чизиқ – тескари тармоқ);

Е

= 4·10

-1

lux оқ нур билан ёритилганда (II эгри чизиқ,

тўғри тармоқ) ва

λ

= 625 nm ва қуввати

P

=

10 μW/cm

2

бўлган лазер нури билан ёри-

тилганда (III эгри чизиқ, тескари тармоқ)

11-расм.

n

+

CdS-

n

CdS-

n

Si-гетеро-

тузилманинг қоронғилик ва

ёруғлик ВАХлари ярим

логарифмик масштабда

12-расм.

n

+

CdS-

n

CdS-

n

Si-гетеро-

тузилманинг қоронғилик ва ёруғлик

ВАХлари иккиланма логарифмик

масштабда

2-жадвал

Фототок (

I

Ph

) нинг, интеграл сезгирлик (

S

int

) нинг, спектрал сезгирлик (

S

λ

)

нинг силжитиш кучланиши (

U

) га боғлиқлиги

Оқ ёруғликда

Лазер нурида

Е

(lux)

U

, V

2

,

сm

A

I

f



lm

A

S

,

int

W

A

S

,

int

2

,

cm

W

P



2

,

сm

A

I

f



W

A

S

,



0.1

5

10
60

3.65
4.3
6.9

0.365
0.43
0.6916

40.1
47.36
76

10

13.1
18.83
32.8

1.31
1.883
3.28

12-расмда

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилманинг қоронғилик ва ёруғ-

лик ВАХлари иккиланма логарифмик масштабда келтирилган. Бунда 1

a

-эгри

чизиқ силжишнинг тўғри йўналишига, 1

b

-эгри чизиқ эса, тескари йўнали-

шига мос келади.

Е

= 4



10

-1

lux ёритилганликка эга бўлган оқ нур билан

ёритгандаги тўғри тармоққа 2-эгри чизиқ ва тўлқин узунлиги

λ

≈ 625 nm,

20

қуввати 0,75 mW/сm

2

бўлган лазер нури билан ёритгандаги тўғри тармоққа

эса 3-эгри чизиқ тўғри келади. Келтирилганлардан кўриниб турибдики,

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилманинг ёруғлик ВАХлари силжиш кучла-

нишининг бир хил қийматларида токнинг катталиги бўйича қоронғилик
ВАХларидан жуда катта фарқ қилади. Бундан ташқари,

U

силжиш кучла-

нишининг қиймати қанча катта бўлса, улар орасидаги фарқ шунчалик катта
бўлади. Масалан,

U

= 10 V бўлганда қоронғиликдаги ток 184·10

-6

A/cm

2

бўлса, қуввати 0,75 mW/сm

2

бўлган лазер нури таъсирида, ҳамда

Е

= 4·10

-1

lux

ёритилганликка эга бўлган оқ нур таъсирида ўлчанган токлар силжитиш куч-
ланишининг айнан бир хил қийматларида, мос равишда, 7700·10

-6

A/cm

2

ва

1430·10

-6

A/cm

2

га тенг бўлади.

Бундан тадқиқ қилинаётган тузилмада бирламчи фототокнинг ички

кучайиши содир бўлиши келиб чиқади. Фототок (

I

Ph

) учун бажарилган ҳисоб-

китоблар ҳам бу тахминнинг тўғрилигини исботлайди. Ҳисоблашларда
фотонлар кўринишида тушаётган ёруғлик энергиясининг барчаси номуво-
занат ток ташувчиларни ҳосил қилади ва улар потенциал тўсиқлар орқали
йўқотишларсиз ажралиб, фототокка ўз ҳиссасини қўшади деб қабул қили-
нади. Бунда

λ

≈ 625 nm тўлқин узунликка ва 0,75 mВт/сm

2

қувватга эга бўл-

ган лазер нурлари идеал ФҚ нинг фототокига тенг бўлган

I

Ph

= 3·10

-4

A/cm

-2

токни келтириб чиқаради. Юқорида кўрсатилганидек бундай ФҚ мавжуд
эмас ва уни амалда яратиш ҳам мумкин эмас. Шунга қарамасдан, фототок-
нинг бу катталиги берилган қувватдаги лазер нурлари билан ёритилганда
ўлчанган

I

Ph

нинг катталигидан 25 мартадан ортиқроқ кичик эканлиги аниқ-

ланган.

Бу ерда кадмий сульфиди учун (

λ

= 0.625 μm) лазерли ёритиш кирит-

мали нурланиш эканини таъкидлаб ўтиш лозим бўлади. Ўтказилган тажриба-
лар кўрсатадики, лазер нурланиши қувватининг камайиши билан спектрал
сезгирликнинг (

S

λ

) қиймати ортиб боради. Масалан, энергия

P

= 10 μW/cm

2

бўлганда ва

U

= 10 V кучланишда спектрал сезгирлик ≈ 1080 A/W қийматга

эга бўлса, кучланишнинг шу қийматида

Р

= 0,75 mW/cm

2

бўлганида 6,7 A/W

га тенг бўлади.

Сезгирликнинг кичик ёруғлик сигналларида юқори бўлиши намунани оқ

нур билан ёритилганда яққол намоён бўлади. Масалан, юзаси

S

≈ 4·10

-2

cm

2

бўлган намуна ёритилганлиги

Е

= 1 lux бўлган оқ ёруғлик билан ёритилганда,

унга электромагнит нурланишининг кўзга кўринадиган қисмида 3.6·10

-8

W га

тенг бўлган ёруғлик қуввати тушади ва бунда тушаётган квантлар сони N =
1,2·10

11

cm

-2

·s га, фототок эса 2·10

-8

A·cm

-2

га тенг бўлади. Квантларнинг

бундай сони қуйидаги фаразлардан олинган, яъни ҳамма энергия фотонлар-
нинг энергиясидан иборат бўлиб, у 490 nm – 1300 nm спектрал оралиқда
тушаётган квантларнинг ўртача эенргиясига тенгдир, яъни

ηυ

.

= {2,53 eV (

λ

=

490 nm) + 0,95 eV (

λ

= 1300 nm)}/2 = 1,75 eV (

λ

ўр

= 895 nm). Бундай йўл билан

ҳисобланган

I

Ph

катталик

U

= 10 V кучланишда тажрибада олинган фото-

токнинг катталигидан 7·10

5

марта кам. Эслатиб ўтамизки, ҳисоблаб чиқарил-

ган фототок

λ

= 895 nm (

ηυ

= 1,75eV) да идеал ФҚ нинг фототокига мос

21

келади, шунинг учун бу катталик оширилган бўлиб, унинг реал катталиги
эса, анчагина кичикдир.

Тажрибалар шу нарсани кўрсатадики,

S

int

катталик лазер нурининг ҳам,

оқ нурнинг ҳам энергияси ортиши билан камаяди. Масалан, оқ нурнинг
ёритилганлиги 2,5·10

-2

lux дан 25·10

-2

lux гача 10 марта орттирилганда,

интеграл сезгирликнинг катталиги ўша

U

= 10 V кучланишда уч мартага

камаяди. Ўтказилган таҳлилнинг кўрсатишича, қоронғиликда ўлчанган ВАХ-
нинг тўғри тармоғи иккита соҳадан иборат бўлиб, улар токнинг кучланишга

I

~

U

2

ва

I

~

U

3

кўринишдаги даражали боғлиқликлар билан тавсифланади

(12-расмга қаранг).

Шундай қилиб, солиштирма қаршилиги ρ ≈ 10

8

Om·сm га эга бўлган

кучли компенсацияланган CdS поликристал юпқа қатлами асосида

w/L

≥ 10

га тенг бўлган, ривожланган аккумуляцияли

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si диод

тузилмаси яратилган. Қоронғилик ва ёруғликдаги ВАХларнинг

I

~

U

2

ва

I

~

U

3

кўринишдаги кетма-кетликлари тадқиқ қилинаётган тузилма равож-

ланган аккумуляцияли тузилма эканини ишонарли тасдиқлайди. Чунки,
фақат шундай тузилмалардагина бир-бирига қарама-қарши йўналган диф-
фузион ва дрейф оқимлари мавжуд бўлгандагина «инжекцияли камбағал-
лашув» соҳаси пайдо бўлади. Токнинг кичик қийматларида кичик қарши-
ликка эга бўлган «инжекцияли камбағаллашув» соҳаси пайдо бўлади. Шу
ҳолат билан ВАХнинг тўғри тармоғидаги

I

~

U

2

,

I

~

U

3

боғлиқликларнинг

кетма-кетлиги тушунтирилади. Эслатиб ўтамизки,

I

~

U

2

боғланиш ярим

ўтказгичга инжекцияланган плазма орқали ток ташиш механизми билан
боғлиқ,

I

~

U

3

боғланиш эса, изоляторга инжекцияланган плазма билан

боғлиқдир.

ХУЛОСА

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетеротузилмалари асосидаги

инжекцияли фотодиодларнинг ток ташиш механизмларини, ҳамда уларнинг
динамик ва статик характеристикаларини изоҳлайдиган электрон жараён-
ларни аниқлаш асосида қуйидаги ҳулосалар қилинди:

1

.

Кремний пластинкаларига квазиёпиқ вакуум тизимида CdS кукунини

термик пуркаш йўли билан

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- ва

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-

гетеротузилмаларни олиш технологияси ишлаб чиқилган.

2. Силжитиш кучланишининг тўғри йўналишида

n

+

CdS –

n

CdS-ўтиш

хона ҳароратида аккумуляцияловчи режимда бўлиб,

E

= 0.1 lux бўлган оқ

нур билан ёритилганда у

S

int

= 2,8



104 A/lm (3



106 A/W) интеграл сезгирлик-

ка, тўлқин узунлиги

λ

= 0,625 nm, қуввати P = 10 μW/cm

2

бўлган лазер нури

билан ёритилганда эса

S

λ

≃

2.3



10

4

A/W спектрал сезгирликка эга бўлиши

тасдиқланган.

3. Тўғри йўналишда уланган

p

Si –

n

CdS-гетероўтишнинг бўлиниш чега-

расида мавжуд бўлган, кремнийнинг тақиқланган зонасининг пастки ярмида
жойлашган сирт ҳолатлари орқали кремнийдан (

p

Si-таглик) база (

n

CdS)га

ковакларнинг туннелланиши аниқланган.

22

4. Силжитиш кучланишининг тескари йўналишида

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-

гетеротузилманинг

p

Si –

n

CdS-гетероўтиши ноидеал инжекцияловчи (элект-

ронлар учун) контактга айланиб, шу вақтнинг ўзида у

n

CdS-база томонидан

эффектив аккумуляцияловчи контакт ва коваклар учун ношаффоф бўлиши
ВАХда нимчизиқли соҳа пайдо бўлишига олиб келиши кўрсатилган.

5. Электромагнит нурланишининг қисқа тўлқин узунликлар (

λ

= 350 ÷

865 nm) соҳасида ҳам, узун тўлқин узунликлар (

λ

= 865 ÷ 1300 nm) соҳасида

ҳам

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-гетеротузилмалар фотосезгирлиги ишорасининг

инверсия нуқталари диод тузилмалар базасида бир-бирига қарама-қарши
йўналган ёруғлик ва қоронғилик токларининг тўлиқ компенсацияланиши
ҳисобига пайдо бўлиши ўрнатилган.

6. Хона ҳароратида

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-гетеротузилма тескари йўна-

лишда уланганда унинг ВАХи ток ўтказиш механизмлари бир биридан фарқ
қиладиган тўртта соҳадан иборатлиги, яъни биринчи соҳада ток ташишнинг
асосий механизми термоэлектрон эмиссия, иккинчи соҳада диффузион,
учинчи соҳада дрейф токига қарама-қарши йўналган диффузион, тўртинчи
соҳада эса диффузион-дрейф механизмлари ўринли эканлиги топилган.

7. Термодинамик мувозанат ҳолатида

n

CdS –

p

Si-гетероўтиш чегарасида

сирт потенциалининг қиймати

ψ

s

= 0,04 eV га тенг бўлган акцептор типидаги

манфий зарядланган сирт ҳолатлари ҳосил бўлиши ва сирт потенциали

ψ

S

манфий қутбли бўлганда, сирт ҳолатлари зичлиги (

N

SS

) юқори қийматларга,

ψ

S

нинг мусбат қийматларида эса паст қийматлар қабул қилиши асосланган.

23

НАУЧНЫЙ СОВЕТ DSc.27.06.2017.FM./T.34.01 ПО ПРИСУЖДЕНИЮ

УЧЕНЫХ СТЕПЕНЕЙ ПРИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ,

ИНСТИТУТЕ ИОННО

-

ПЛАЗМЕННЫХ И ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ,

САМАРКАНДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

САПАЕВ ИБРОХИМ БАЙРАМДУРДЫЕВИЧ

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ИНЖЕКЦИОННЫХ

ФОТОДИОДАХ НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОПЕРЕХОДОВ МЕЖДУ

СУЛЬФИДОМ КАДМИЯ И КРЕМНИЕМ

01.04.10 – Физика полупроводников

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ ДОКТОРА ФИЛОСОФИИ (PhD)

ПО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИМ НАУКАМ

Ташкент – 2018

24

Тема

диссертации доктора философии (PhD)по физико-математическим наукам

зарегистрирована в Высшей аттестационной комиссии при Кабинете Министров
Республики Узбекистан за номером B2017.1.PhD/FM38

Диссертация выполнена в Физико-техническом институте АН РУз.

Автореферат диссертации на трех языках (узбекский, русский, английский (резюме)) разме-

щен на веб-странице по адресу fti-kengash.uz и на Информационно-образовательном портале
«ZiyoNet» по адресу www.ziyonet.uz.

Научный руководитель:

Мирсагатов Шавкат Акрамович

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Абдурахманов Каххар Паттахович

доктор физико-математических наук, профессор

Камалов Амангелди Базарбаевич

доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация

:

Наманганский государственный университет

Защита диссертации состоится «____» _________ 2018 года в ____ часов на заседании

Научного совета 27.06.2017. FM./T.34.01при Физико-техническом институте, Институте ионно-
плазменных и лазерных технологий, Самаркандском государственном университете.
(Адрес: 100084, г. Ташкент, ул. Бодомзор йули, дом 2б. Административное здание Физико-
технического института, зал конференций. Тел./Факс: (99871) 235-30-41; e-mail: lutp@uzsci.net.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-ресурсном центре Физико-

технического института (зарегистрирована за № ___). Адрес: 100084, г. Ташкент, ул. Бодомзор
йули, дом 2б. Административное здание Физико-технического института, зал конференций.
Тел./Факс: (99871) 235-30-41.

Автореферат диссертации разослан «___» _________ 2018 г.
(протокол рассылки №______ от «___» _________ 2018 г.)

С.А. Бахрамов

Председатель научного совета по
присуждению

ученых

степеней,

д.ф.-м.н., академик АН РУз

А.В. Каримов

Ученый секретарь научного совета по
присуждению

ученых

степеней,

д.ф.-м.н., профессор

И.Г. Атабаев

Председатель научного семинара при
научном совете по присуждению
ученых степеней, д.ф.-м.н., профессор

25

ВВЕДЕНИЕ (аннотация диссертации доктора философии (PhD))

Актуальность и востребованность темы диссертации.

В настоящее

время во всем мире уделяется особое внимание проблемам создания новых
видов оптоэлектронных приборов, а также усовершенствованию инжекцион-
ных фотодиодов, как одному из перспективных направлений в области раз-
вивающейся физики полупроводников. При этом исследование принципов
работы инжекционных фотодиодов, влияния напряжения смещения на гене-
рацию электронно-дырочных пар и процессов модуляции сопротивления
базы под воздействием электромагнитного излучения считаются основными
задачами создания нового вида фотодиодов.

В настоящее время в мире в области физики полупроводников уделяется

большое внимание определение роли параметров базы в формировании
физических свойств инжекционных фотодиодов. При этом проведение целе-
вых исследований, в том числе выполнение нучных изыскательских работ в
следующих направлениях считается важными задачами: глубокое изучение
физических процессов, происходящих в исследуемых системах и опреде-
ление механизмов формирования фотоэлектрических характеристик, усовер-
шенствование технологических способов изготовления инжекционных фото-
диодов, определение зависимости спектральных характеристик фотодиодов с
гетероструктурой на основе сульфида кадмия и кремния от процессов, проис-
ходящих на гетерогранице, нахождение путей оптимизации их функциональ-
ных параметров, а также решение проблемы усовершенствования технологии
их получения.

По Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбек-

истан обращается особое внимание вопросам создания механизмов при-
менения в практику достижений науки и инновации. В том числе опре-
деление возможностей управления электронными процессами, происходя-
щими в микроэлектронных и полупроводниковых гетероструктурах и управ-
ление спектральными характеристиками считается одим из важных задач. В
год поддержки иновационных идей и технологий, активного предприни-
мателя, поднятие полученных научных результатов на современный уровень
достоин особого внимания. При этом повышение эффективности путем опти-
мизации функциональных характеристик фотодиодных гетероструктур, пред-
назначенных на различный спектральный диапазон, имеет важное значение.
В этом аспекте разработаны способы уменьшения токов утечек различными
внешними воздействиями. На ряду с этими, выяснение причин, влияющих на
формообразование спектральных характеристик гетероструктур на основе
сульфида кадмия и кремния, определение электронных процессов, характе-
ризующих статических и динамических характеристик и повышения эффек-
тивности фотоэлектрических параметров, а также разработка технологии
создания гетероструктурных фотодиодов на основе сульфида кадмия и
кремния имеет важное значение.

Данное диссертационное исследование в определенной степени служит

выполнению задач, указанных в Указе Президента Республики Узбекистан

26

ПФ-4947 от 7 февраля 2017 года «О стратегии действий по дальнейшему
развитию Республики Узбекистан», Постановлении Президента Республики
Узбекистан ПК-№2772 от 13 февраля 2017 года «О приоритетных направле-
ниях развития электронной промышленности 2017-2021 годах»и №ПП-2789
«О мерах по дальнейшему совершенствованию деятельности Академии наук,
организации, управления и финансирования научно-исследовательской дея-
тельности» от 17 февраля 2017 года, а также других нормативно-правовых
документах, принятых в данной сфере.

Соответствие исследования приоритетным направлениям развития

науки и технологий республики.

Диссертация выполнена в рамках приори-

тетных направлений развития науки и технологий Республики Узбекистан
III. «Энергетика, энерго- и ресурсосбережение, транспорт, машино- и
приборостроение; развитие современной электроники, микроэлектроники,
фотоники, электронного приборостроения».

Степень изученности проблемы.

До настоящего времени ученые и

производители оптоэлектронных приборов обращали внимание на изучение
электронных процессов, происходящих в гетероструктурах и разработке спо-
собов оптимизации их фотоэлектрических параметров. Одними из таких
гетероструктур являются инжекционные фотодиоды, которые образуют
новый класс фотоприемников и относятся к типу диодов с длинной базой.

Первые образцы инжекционных фотодиодов были созданы ведущим

ученым в этой области В.И. Стафеевым и его учениками. Известные
результаты по разработке новых структур фотоприемников, управлению их
спектральным диапазоном в зависимости от параметров материала базы
были осуществлены под руководством таких ученых, как М.К. Бахадирханов,
А.Т. Мамадалимов и А.В. Каримов

1

на основе кремния и арсенида галлия.

В свою очередь создание инжекционных фотодиодов нового типа тре-

бует обращения к уже достаточно хорошо изученным материалам, о физиче-
ских, физико-химических и технологических свойствах которых имеются
достаточно надежные и конкретные данные в литературе. Однако, несмотря
на хорошую изученность полупроводниковых соединений А

4

В

4

и А

2

В

6

, обра-

щено незначительное внимание разработке инжекционных диодов на их
основе. Кроме того, не разработаны технологии получения полупроводнико-
вых соединений CdS на кремниевых подложках и фотодиодов на их основе.

Связь диссертационного исследования с планами научно-исследо-

вательских работ научно-исследовательского учреждения, где выполне-
на диссертация.

Диссертационная работа выполнена в рамках проектов

научных исследований ФТИ НПО «Физика – Солнце» АН РУз по темам:
А3-ФА-011242 «Разработка мобильного спектроанализатора для экспрессной
оценки элементного состава металлических сплавов на производстве»
(2012-2014г.г.); ФА-А3-Ф024 «Разработка компактной системы контроля

1

Диссертациянинг мавзуси бўйича муаммони ўрганилганлик даражиси Karimov A.V., Karimova D.A.Three-

junction Au/AlGaAs(n)/GaAs(p)/Ag photodiode. ScienceinSemiconductorProcessing.Volume 6, Issues 1-3, 2003,
Pages. 137-142, Инжекционно-полевойфотодиодПатентРУз № IAP 03974 от 09.06.20.09.Расмий ахборотнома.
– 2009. - № 7ва бошқа манбалар асосида бажарилган.

27

пламени горения для котлов с газовыми горелками» (2015-2017г.г.).

Целью диссертационной работы

является определение электронных

процессов, характеризующих динамических и статических характеристик, а
также механизмов переноса тока в инжекционных фотоприемниках на основе

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктур.

Задачи исследования:

определение критериев выбора исследуемой структуры и полупроводни-

кового материала, необходимого для его создания;

разработка технологического способа изготовления экспериментальных

образцов инжекционных фотодиодов, подготовка технологического обору-
дования и материалов;

изготовление экспериментальных образцов структур, исследуемых

инжекционных фотодиодов;

морфологические исследования изготовленных образцов инжекционных

фотодиодов;

исследование вольтфарадных, темновых и световых вольтамперных

характеристик

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктур;

анализ механизмов переноса тока в

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS

–

n

Si-гетероструктурах.

Объектами исследования

являются пленки CdS, полученные на крем-

ниевых подложках термическим напылением порошков CdS в вакууме,
гетероструктуры

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si, созданные на их

основе.

Предметами исследования

являются механизмы переноса тока в

n

+

CdS

–

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктурах и формирования их

спектральной чувствительности.

Методы исследований

.

В работе использованы апробированные мето-

ды измерения вольтамперных, вольтемкостных и спектральных характерис-
тик, стандартные однозондовый и четырехзондовый методы измерения
удельного сопротивления, морфологические исследования на микроанали-
тическом комплексе Jeol-JXA-8900 с применением энергодисперсионного
спектрометра (ЭДС) LINK ISIS (Япония).

Научная новизна диссертационной работы

заключается в следующем:

впервые разработана технология получения тонких пленок CdS на

кремниевых подложках путем напыления порошков CdS в квазизамкнутой
вакуумной системе и на их основе созданы гетероструктуры

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si, работающие в качестве инжекционных фото-

приемников с внутренним усилением и перестраиваемым диапазоном спект-
ральной чувствительности;

расположенные в широком спектральном диапазоне длин волн 389 –

1238 nm в гетероструктуре

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si один высокий «пик» при

длине волны 475 nm и три небольших «пик»а при длинах волн 618 nm,
740 nm и 821.8 nm подтверждает наличие различных примесных уровней;

экспериментально установлено, что в состоянии термодинамического

равновесия на границе раздела

n

CdS –

p

Si-гетероперехода при значениях

28

поверхностного потенциала

ψ

S

= 0,04 eV образуются отрицательно заряжен-

ные поверхностные состояния акцепторного типа, при отрицательных
значениях

ψ

S

плотность поверхностных состояний (

N

SS

)

имеет высокие, а при

положительных значениях

ψ

S

низкие значения;

показано, что рост инжекции электронов из

p

Si-подложки в базу с уве-

личением напряжения прямого смещения, приводит к росту фототока и рас-
ширению диапазона спектральной чувствительности в сторону коротких
длин волн;

найдены оптимальные технологические режимы формирования сильно-

легированного тонкого

n

+

CdS-слоя и получения контакта на поверхности

пленки

n

CdS-пленки путем вакуумного напыления индия на поверхности

нагретых до 373 К

n

CdS –

p

Si- и

n

CdS –

n

Si-гетероструктур с последующей

термической обработкой при 673 К в течение 30 сек.

Практические результаты исследования

заключаются в следующем:

путем термического напыления порошков CdS на Si-подложки в вакууме

10

-5

Torr получены гетероструктуры

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si.

На их основе изготовлены инжекционные фотодиоды с внутренним уси-
лением и перестраиваемым диапазоном спектральной чувствительности.

Достоверность результатов исследований

обеспечиваетсяприменени-

ем апробированных традиционных методик измерения удельного сопро-
тивления, вольтамперных, вольт-фарадных и спектральных характеристик.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

Научная значимость результатов исследований заключается в том, что в

результате проведенных исследований еще больше расширились представ-
ления об инжекционных фотодиодах.

Практическая значимость результатов исследований заключается в воз-

можности использовании их при изготовлении инжекционных фотодиодов с
управляемым диапазоном фоточувствительности и инверсией фототока.

Внедрение результатов исследования.

По результатам определения электронных процессов характеризующих

динамические и статические характеристики, а также механизмы переноса
тока в инжекционных фотоприемниках на основе

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктур:

технологические режимы получения контакта на поверхности тонких

пленок применены при выполнении международного проекта № Т15МН-001
(2015-2017 г.г.) на тему «Исследование физических и антибактериальных
свойств фуллеридов металлов и металлоценов, выявление возможностей их
применения в покрытиях медицинских инструментов» для получения омиче-
ских контактов к тонким слоям образцов (Справка Института тепло- и массо-
обмена НАН Беларуси от 2017 года 11 октября). Применение научных
результатов позволило получить контакты к наноструктурным образцам и
провести исследований физических особенностей токовых характеристик;

способ получения контакта путем магнетронного напыления в вакууме

применен в проекте № Ф2-ФА-Ф161 (2012-2016 г.г.) на тему «Изучение
механизмов формирования наноразмерных гетероструктур, созданных

29

способом ионной имплантации на поверхности свободных тонких пленок
(Al, Cu, Ag, и Cu-Si) и массивных кристаллов (W, WO

n

, TiN, CdTe и SiO

2

) и

их физико-химических свойств» для получения контактов с малым
омическим сопротивлением на поверхности нанопленок. (Справка Агентства
науки и технологий Республики Узбекистан за № ФТА-02-11/1150 от
21 ноября 2017 г.). Применение научных результатов позволило определить
дисперсию характеристикческих спектров потери энергии электронами,
отраженных и прошедших сквозь свободных тонких пленок.

Апробация результатов исследования

. Основные результаты диссер-

тационной работы доложены и обсуждены на 3 международных и 2 респуб-
ликанских научно-практических конференциях.

Публикации результатов исследования

.

По теме диссертации опуб-

ликовано всего 9 научных трудов, из них 4 статьи в журналах, рекомен-
дованных Высшей аттестационной комиссией Республики Узбекистан для
публикации основных научных результатов диссертационных работ.

Структура и объём диссертации

.

Диссертационная работа состоит из

введения, четырех глав, заключения, списка опубликованных работ,
содержит 20 рисунков, 4 таблиц, список использованной литературы из
78 наименований и она изложена на 116 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении

обоснована актуальность и востребованность проведённых

исследований. Показана связь исследований с основными приоритетными
направлениями развития науки и технологий в республике. Приведены
степень изученности проблемы, сформулированы цель и задачи, выявлены
объекты, предметы и методы исследования. Изложена научная новизна,
обоснована достоверность полученных результатов. Выявленанаучная и
практическая значимость результатов исследования. Приведены краткие
сведения об апробации работы, а также об объеме и структуре диссертации.

В первой главе

«Получение, свойства, основные характеристики и

тенденция развития инжекционных фотоприемников»

рассмотрены раз-

личные виды ИФП, созданных различными исследователями, их получение,
свойства, основные характеристики и тенденция развития. Анализированы
особенности параметров и свойств ИФД, созданных на основе различных
полупроводниковых материалов. Описаны механизмы токопрохождения,
усиления в них, и их спектральные зависимости фоточувствительности.

Во второй главе

«Изготовление образцов инжекционных фото-

приемников на основе

n

+

CdS –

n

CdS –

р

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-

гетероструктур и их основные параметры»

изложены различные методы

получения тонких пленок. Показаны преимущества метода вакуумного тер-
мического напыления слоев CdS для получения

n

+

CdS –

n

CdS –

р

Si- и

n

+

CdS

–

n

CdS –

n

Si-гетероструктур, на основе которых были созданы образцы

исследованных в диссертационной работе ФП. Показано влияние обработки
поверхности кремниевых подложек на электрофизические свойства получен-

30

ных на них слоев CdS, а также структур, созданных на их основе. Также
приведены технологические режимы получения пленок CdS и создания
образцов

n

+

CdS –

n

CdS –

р

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктур на их

основе, а также параметры полученных слоев CdS.

Морфологическими исследованиями полученных пленок, показано, что

размеры кристаллитов сильно зависят от технологических режимов, прежде
всего от температуры подложки

T

S

. Например, изготовленные при

T

S

= 300



С

пленки CdS имели размеры кристаллитов ~ 3 ÷ 4 μm, полностью пронизы-
вающих пленку толщиной

w

≈ 2 μm, которые имели проводимость

n

-типа с

удельным сопротивлением

ρ

≥ (2-3)·10

6

Ω·сm. Исследования поверхности

образцов полученных таким образом пленок CdS при помощи микроскопа
MИИ-4 показали, что пленки CdS состоят из плотно упакованных столб-
чатых кристаллитов (зерен) (рис.1), ориентированных в направлении роста
пленок и разориентированных по азимуту.

Определено распределение химических элементов по толщине слоя CdS

(рис.2) на микроаналитическом комплексе Jeol – JXA-8900 с помощью ЭДС
(энергодисперсионный спектрометр) LINK ISIS. Условия измерений:

U

= 20

kV,

I

= 10 nA. Эталоны: самородные Cd и Si, а для S-синтетический FeS; при

этом погрешность измерения составляла ±2.0%. Приведено, что при
изготовлении образцов структур ИФД, контакты к структурам получались
напылением индия (In) в вакууме, с тыльной стороны на Si-подложку
сплошными, а с фронтальной стороны «П»-образными. Сильнолегированный

n

+

CdS слой толщиной порядка 50 Å был создан путем напыления тонкого

слоя индия (In) в течение 25÷30 s на поверхность пленки CdS в вакууме с
остаточным давлением 10

-5

Torr при температуре подложки 373К с

последующим отжигом при 673 К в течение 300 s. Затем на поверхности
этого сильнолегированного

n

+

CdS-слоя был получен токосъемный «П»-

образный омический контакт с площадью 3 mm

2

также методом вакуумного

испарения In.

Рис.1. Микроснимок поверхности

пленки CdS

Рис.2. Распределение химических

элементов по толщине слоя nCdS,

осажденной на

р

Si-подложке

Для получения информации о состоянии границы раздела был применен

метод частотной вольтфарадной характеристики (ВФХ). ВФХ структур
измерялись при прямом и обратном напряжении смещения и частотах

f

= (0,4-

31

50) кГц. Поскольку

C(U)

-характеристики при этих частотах имеют

одинаковые формы, приводится только одна характеристика для

f

=10 кГц.

-30 -20 -10 0 10 20 30

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

C

, nF

2

1

U

, V

-5 0 5 10 15 20 25 30
-0,2

0,0

0,2

0,4

U

, V



S

, eV

-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6

6,0x10

11

4,0x10

11

2,0x10

11

0,0

N

SS

, cm

-2



S

, eV

Рис.3.

C(U)

-характерис-

тика

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-

гетероструктуры.

Рис.4. Зависимость по-

верхностного потенци-

ала от приложенного

напряжения

Рис.5. Зависимость эффек-

тивной плотности поверх-

ностных состояний от по-

верхностного потенциала

Плотность поверхностных состояний в гетероструктуре определялся по

сдвигу экспериментальной

C(U)

-характеристики по отношению рассчитан-

ной по

N

SS

= ∆

U·C /q

кривой при одном и том же значении емкости

.

На рис.3

представлены экспериментальная (кривая 1) и расчетная (кривая 2)

C(U)

-

характеристики

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетероструктуры. Экспериментальная

C(U)

-характеристика (рис.3, кривая 1) была получена при комнатной темпе-

ратуре на частоте тестового сигнала

f =

10 kHz, так как при данной частоте

C(U)

-характеристика структуры М(металл) – Д(диэлектрк) – П(полупровод-

ник) проявляется более четко. Это означает, что плотности поверхностных
состояний

N

SS

, имеющиеся в гетеропереходе являются медленными поверх-

ностными состояниями. Экспериментально определенная зависимость (

ψ

S

) от

напряжения

U

приведена рис.4, а зависимость

N

SS

от

ψ

S

– на рис.5.

В третьей главе

«Спектральные характеристики

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-

и

n

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетероструктур»

приведены результаты исследований

спектральной зависимости фототока

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетероструктуры в

темноте и на свету, а также в прямом и обратном направлениях смещения.

Спектральные зависимости фоточувствительности структур измерялись

на монохроматоре 3МР-3 при комнатной температуре (300 К). При этом в
качестве источника излучения служила ксеноновая лампа типа ДКСШ-1000,
работающая в режиме минимально допустимой мощности и обеспечивающая
световой поток 53000 lm и яркость до 120 Mcd/m

2

в центре светового пятна.

Излучение лампы отградуировано в абсолютных единицах при помощи
термоэлемента РТЭ-9 с кварцевым окошком. Лампа ДКСШ-1000 имеет
сплошной спектр в ультрафиолетовой и видимой области длин волн.

На рис.6 приведена спектральная зависимость фоточувствительности

(

S

λ

) в отсутствие напряжения смещения в прямом направлении тока для

типичного фотодиода с гетероструктурой

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si. При этом

прямым направлением тока считается, когда к подложке

p

Si прикладывается

«+» потенциал, а обратным «–» потенциал. Из рис.6 видно, что на кривой

32

спектральной чувствительности имеется ряд особенностей в спектральном
диапазоне

λ

= 389÷ 1238,46 nm. То есть, спектральная чувствительность

структуры начинается с

λ

= 389 nm и стремительно растет, достигая своего

максимума (пика) при

λ

= 475 nm и при этом спектральная чувствительность

имеет значение

S

λ

= 5,49 A/W. Далее фототок, постепенно уменьшаясь, при

длине волны

λ

= 872,7 nm падает до нуля.

400 600 800 1000 1200 1400

-1

0

1

2

3

4

5

6



, nm

S



,

A/W

400 600 800 1000 1200 1400

-5

0

5

10

15

20

25



nm

U

, mV

Рис.6. Спектральная зависимость

фоточувствительности

(

S

λ

)

p

Si-

n

CdS-

n

+

CdS-гетероструктуры

без смещения

Рис.7. Спектральная зависимость

фото-ЭДС (

U

Ph

)

p

Si-

n

CdS-

n

+

CdS-

гетероструктуры

Кроме того еще, на стороне спада фоточувствительности имеются сту-

пеньки в интервале

λ

= 541,84 ÷ 578,56 nm и три малых пика при длинах

волн

λ

= 618 nm,

λ

= 740 nm и

λ

= 821,8 nm, соответственно, объясняющие-

ся наличием примесей в слоях CdS. Далее, после своего нулевого значения

S

λ

, меняя знак, начинает расти в противоположную сторону и достигает

отрицательного максимума при

λ

= 961,8 nm и спектральная чувствитель-

ность имеет значение

S

λ

= 0,4 A/W. Затем наблюдается плавный спад

S

λ

и

достижение до нуля при

λ

= 1042,8 nm и дальше вновь происходит ее рост со

сменой знака до

λ

= 1200,3 nm с последующим незначительным уменьше-

нием.

Для объяснения поведения зависимости спектральной чувствительности,

описанного в предыдущем разделе, была изучена спектральная зависимость
фото-ЭДС (

U

Ph

) структуры, которая приведена на рис.7. Сопоставление

зависимостей

S

λ

(

λ

) и

U

(

λ

) показывает, что они имеют соответствующий друг-

другу вид. В них имеются общие экстремальные точки, соответствующие
максимумам и минимумам, находящиеся при одних и тех значениях

λ

. Это

обстоятельство дает основание утверждать, что зависимость

U

(

λ

) определяет

вид

S

λ

(

λ

). Появление большого пика при

λ

= 475 nm обусловлено генера-

цией и разделением неравновесных носителей (фотоносителей) без потерь в
области изотипного

n

+

CdS –

n

CdS-перехода.

Дальнейшее увеличение фоточувствительности после смены знака

связано с вкладом

p

Si –

n

CdS-гетероперехода в разделение фотоносителей.

Последующая смена знака и появление максимума при

λ

= 1200,3 nm (

S

λ

=

0,96 A/W) с дальнейшим уменьшением объясняется превалирующим вкладом

33

гетероперехода

p

Si –

n

CdS в процессы диффузии и дрейфа носителей. Вели-

чина фоточувствительности при

λ

= 1200,3 nm показывает, что гетеро-

переход

p

Si –

n

CdS эффективно разделяет генерированные излучением элект-

ронно-дырочные пары. Однако, при этом спектральная чувствительность при

λ

= 1200,3 nm значительно меньше, чем при

λ

= 475 nm. Это свидетельствует

о том, что эффективность гетероперехода хуже, чем у изотипного

n

+

CdS –

n

CdS-перехода.

Носители тока, инжектированные изотопным

n

+

CdS –

n

CdS-переходом

под воздействием фото-ЭДС, образуют диффузионные потоки дырок, кото-
рые появляются для обеспечения электронейтральности. Величина спект-
ральной чувствительности в максимуме (

λ

= 475 nm) значительно превышает

спектральную чувствительность идеального фотоприемника (

S

λ

= 0,6 A/W)

при данной длине волны электромагнитного излучения (рис.8). Идеальным
фотоприемником считается фотоприемник, в котором все падающие фотоны
поглощаются и генерируют электронно-дырочные пары, которые без потерь
разделяются объемным зарядом перехода. Наблюдаемое превышение

S

λ

позволяет утверждать, что в такой структуре происходит усиление первич-
ного фототока. Механизм такого усиления может быть двояким: парамет-
рическим или положительная обратная связь.

1– спектральная чувствительность в отсутствии напряжения смещения, 2- 0,5 мВ,

3- 2 мВ, 4-для идеального фотоприемника

Рис.8. Спектральная зависимость фоточувствительности

n

+

CdS-

n

CdS-

p

Si-гетеро-

структуры в отсутствие и при подаче напряжения смещения различного значения в

прямом направлении

Кроме того, в третьей главе рассмотрена спектральная чувствительность

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетероструктуры в обратном направлении тока в отсут-

ствие и при наличии напряжения смещения различной величины (рис.9). Как
видно из данного рисунка в отсутствие напряжения смещения диапазон
спектральной чувствительности лежит в области длин волн

λ

= 350÷1350 nm

и имеет наиболее высокие значения при

λ

1

≈ 480 nm и

λ

2

≈ 1248 nm, где

фототоки имеют отрицательные значения.

Имеющиеся на спектральной зависимости фототока точки инверсии дает

основание утверждать, что противоположено направленные дрейфовый и
фототок в базе структуры, полностью компенсируют друг друга в опре-

34

деленной толщине базы

d

λ

. Эта толщина базы соответствует глубине погло-

щения электромагнитного излучения с длиной волны

λ

.

1- спектральная чувствительность в отсутствии напряжения смещения, 2-4 мВ, 3-6 мВ,

4- 8.5 мВ, 5-для идеального фотоприемника

Рис.9 Спектральная зависимость фоточувствительности

n

+

CdS-

n

CdS-

p

Si-

гетероструктуры в отсутствие и при подаче напряжении смещения различного

значения в обратном направлении тока

Сдвиг точки инверсии фоточувствительности в сторону коротких длин

волн определяется величиной биполярного дрейфового тока, который связан
в основном с инжекцией электронов из

n

CdS –

p

Si-гетероперехода в базу.

Сдвиг точки инверсии осуществляется путем подачи малых обратных напря-
жений смещения. Эксперимент показывает, что после подачи напряжения
смещения

U

≥ 8,5 mV биполярный дрейфовый ток в структуре становится

определяющим и поэтому в спектре распределения фоточувствительности не
появляется инверсия знака фототока.

В четвертой главе

«Вольтамперные характеристики

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктур и механизмы переноса тока»

исследованы темновые и световые вольтамперные характеристики (ВАХ)

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктур и механизмы

переноса тока.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) изготовленных нами

p

Si –

n

CdS

–

n

+

CdS-гетероструктур измерялись в прямом и обратном направлении тока в

темноте, а также на свету при освещенностях

E

= 0,1÷ 50 lux при комнатной

температуре (300 К). Освещение структур производилось двумя способами:
лазерным излучением (газовый лазер типа ЛГ-75) с длиной волны



= 0,625

µm в интервале мощностей (0,01÷ 0,75) mW/cm

2

, а также от лампы накали-

вания, параметры которой практически соответствует эталонной лампе
белого света. Следует напомнить, что один люмен электромагнитного излу-
чения в видимой области спектра содержит мощность 9,1∙10

-3

W.

На рис.10 представлены прямая и обратная ветви ВАХ

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS-гетероструктуры в полулогарифмическом масштабе. Как было упомя-

нуто выше, прямым направлением тока в структуре считается, когда к

p

Si-

контакту прикладывается потенциал полярностью «

+

», а обратным поляр-

35

ностью «

–

». Анализ ВАХ показывает, что структура обладают выпрямляю-

щими свойствами и его коэффициент выпрямления (определяемый как отно-
шение прямого и обратного токов при фиксированном напряжении смещения

U

= 20 В), имеет значение

K

≈ 10

5

.

а

)

I – прямая ветвь, II – обратная ветвь. На
вставке рисунка приведены первый (1) и
второй (2) участки обратной ветви ВАХ

б

)

прямая ветвь в темноте (1), при облучении
белым светом с

E

= 10 lux (2) и при лазер-

ном облучении с

λ

= 0,625 nm и мощ-

ностью

P

= 100 μW/cm

2

(3)

Рис.10. Вольтамперная характеристика гетероструктуры

p

Si –

n

CdS –

n

+

CdS

Для удобства анализа обратная ветвь ВАХ структуры на рис.10

а

(вставка) представлена для положительных значений тока. Анализ обратной
ВАХ показывает, что в интервале плотности тока

I

≈ (1,3



10

-9

÷1,1



10

-8

) A/сm

2

в структуре протекают термоэлектронные токи. При этом термоэлектронный
ток описывается формулой:

)

1

(

D

2







kT

eU

kT

V

e

e

АT

I

,

(1)

где А – постоянная Ричардсона A = 12·10

5

A/(m

2

·K

2

);

V

D-

– высота потенциаль-

ного барьера;

U

– напряжение смещения;

T –

температура по шкале Кель-

вина;

k

– постоянная Больцмана.

В диапазоне плотностей тока

I

≈ (1,3·10

-8

– 2, 2·10

-7

) A/cm

2

ВАХ описы-

вается экспоненциальной зависимостью типа

I

=

I

02



exp(

qU

/c

kT

), у которой

показатель экспоненты c

2

= 8,2, а предэкспоненциальный множитель

I

02

=

1,8·10

-8

A/cm

2

. Согласно теории Cтафеев В.И. в структурах со значительным

сопротивлением базы, протекает диффузионный ток, и он описывается
следующим аналитическим выражением

I

=

I

02



exp(

qU

/c

2

kT

),

(2)

где

с

2

= (2

b

+

chw

/

L

+1)/(

b

+1),

(3)

здесь

b

=

μ

n

/

μ

p

– отношение подвижностей электронов и дырок,

w

– толщина

базы. Подставляя в формулу (3) экспериментальное значение с

2

= 8.2, опре-

36

деленное из второго участка ВАХ, находим, что диффузионная длина дырок

L

p

= 0,45 µm,

μ

p

τ

p

= 7,8·10

-8

cm

2

/V (произведение подвижности на время жизни

дырок) при значениях:

b

= 38,

w

= 2 µm,

μ

n

= 285 сm

2

/V·с и

μ

p

= 7 ÷ 8 cm

2

/V·с.

Поскольку величина

I

02

примерно равна току, при котором проводимость

базовой области увеличивается инжекцией в два раза, т.е. равновесная и
неравновесная проводимости толщи базы сравниваются, и наступает переход
к высоким уровням инжекции.

При этом, допуская, что значение

I

02

=1,8·10

-8

A/cm

2

соответствует к

начальному напряжению (0,1 V) второго участка ВАХ, находим, что удель-
ное сопротивление базы

ρ

= 2,6·10

10

Ω·cm, что хорошо согласуется с

удельным сопротивлением пленки

n

CdS, равным 3·10

10

Ω·cm. Еще о наличии

инжекции электронов свидетельствует и другая оценка, проведенная по
произведению

μ

p

τ

p

= 7,8·10

-8

cm

2

/V. Для этого были сняты кривые релаксации

в отсутствии напряжении смещения. По нарастанию и по спаду этих кривых
были определены постоянные времени релаксации, которые оказались,
соответственно, равны

τ

= 7·10

-8

с и

τ

= 1,2·10

-7

с. Далее, предполагая, что эти

величины являются временами жизни дырок, из произведения

μ

p

τ

p

, находим

значения для

μ

p

= 1,1 cm

2

/V·с и

μ

p

= 0,78 cm

2

/V·с.

С дальнейшим увеличением напряжения смещения (

U

) происходит

изменение свойств гетероперехода

p

Si –

n

CdS, он становится неидеальным и

начинает пропускать дырок в сторону

p

Si. При этом изотипный

n

+

CdS –

n

CdS-переход остается почти идеальным и у него повышается потен-

циальный барьер

V

b

для дырок с повышением обратного напряжения сме-

шения. Поэтому концентрация неравновесных дырок около этого изотипного

n

+

CdS –

n

CdS-перехода становится больше, а градиент концентрации дырок

выше, чем возле

p

Si –

n

CdS-гетероперехода. Это создает диффузионные

потоки дырок, направленных к гетеропереходу

p

Si –

n

CdS. Эти дрейфовые и

диффузионные потоки направлены навстречу диффузионным потокам,
идущим от гетероперехода.

Для доказательства усиления первичного фототока были исследованы

темновые и световые ВАХ

n

CdS –

p

Si-гетероперехода (рис.10

б

). Световые

ВАХ были измерены при различных уровнях освещенности (

E

) белым светом

и лазерного излучения с длиной волны

λ

= 625 nm для различных мощностей

(

Р

). Например, при облучении лазерным излучением мощностью

P

= 10

μW/cm

2

,

S

λ

= 2,3·10

4

A/W, а при облучении белым светом с освещенностью

E

= 0,1 lux интегральная чувствительность

S

int

= 2,75·10

4

A/lm (3·10

6

A/W) при

комнатной температуре (см. табл.1).

Как указывалось выше, исследуемая структура очень чувствительна к

малым уровням освещенностей, при котором она приобретает очень высокие
значения интегральной и спектральной чувствительностей как в собственной,
так и в примесной областях поглощения света (см.табл.1). Кроме того,
установлено, что с повышением величины уровня освещенности белого света
и мощности лазерного облучения происходит уменьшение как

S

int

, так и

S

λ

,

при той же величине напряжении смещения, а с увеличением прямого напря-
жения смещения величины спектральной и интегральной чувствительностей

37

возрастают. Исследования световых ВАХ, проведенные для различных уров-
ней освещенностей белого света и лазерного облучения при различных
мощностях показали идентичность их по форме и подчинение одинаковым
закономерностям зависимости тока от напряжения смещения, а самые
максимальные значения интегральной и спектральной чувствительностей
приходятся на четвертый участок прямой ветви ВАХ.

Таблица 1

Зависимости фототока (

I

Ph

), интегральной чувствительности (

S

int

),

спектральной чувствительности (

S

λ

) от освещенности (

E

lux

), мощности

лазерного облучения (

Р

) и напряжении смещения (

U

)

Белый свет

Лазерное облучение

Е

(lux)

U

, V

2

,

сm

A

I

Ph



lm

A

S

,

int

W

A

S

,

int

2

,

cm

W

P



2

,

сm

A

I

Ph



W

A

S

,



0.1

5

10
14
20

148.6
2354.4
17000
274500

14.8
235.44
1700
27450

0.2·10

4

2.6·10

4

1.87·10

5

3·10

6

10

133
2000
11200
233560

13.3
200
1120
23356

1

5

10
14
20

178
3020
18000
310220

1,78
30,2
180
3102

0.2·10

3

3.32·10

3

1.98·10

4

3.4·10

5

50

369.2
6075.6
38937.1
416333

7.4
121.5
778.7
8326

10

5

10
14
20

184
3600
21000
410500

0.184
3.6
21
410

0.2·10

2

4·10

2

2.31·10

3

4.5·10

4

100

456
7524
44025
448320

4.56
75.24
440.25
4483.2

На четвертом участке ВАХ зависимость тока от напряжения смещения

описывается степенной зависимостью, и рекомбинация неравновесных носи-
телей происходит преимущественно через сложные комплексы, внутри кото-
рых происходит электронный обмен и, в нем определяющим является дрей-
фовый ток. Это дает основание утверждать, что в процессе усиления первич-
ного фототока основным фактором является модуляция амбиполярной под-
вижности.

Модуляция величины амбиполярной подвижности происходит в резуль-

тате опустошения глубоких уровней прилипания. Оценка показывает, что на
четвертом участке в темноте биполярная скорость дрейфа имеет значение



a

≈ 5,6·10

6

cm/s

.

Такая величина скорости биполярного дрейфа обеспечивает

длину биполярного дрейфа

L

dr

≈ 5,6·10

-2

cm при значении

τ

≈ 10

-8

s (времена

жизни электронно-дырочной плазмы), которая более в три порядка превыша-
ет длину биполярной диффузии (

L

= 0.24 μm). Эта оценка, во-первых, пол-

ностью подтверждает, что на четвертом участке ВАХ дрейфовый механизм
является преобладающим; во-вторых, она указывает, что при освещении
светом, особенно в примесной области, модулируется скорость биполярного
дрейфа, т.е. она уменьшается.

38

В резюме можно сказать, что с ростом плотности тока происходит

изменение свойств базы ИФД со структурой

p

Si-

n

CdS-

n

+

CdS, приводящее к

изменению закономерности протекания тока в зависимости от напряжения
смещения и механизма переноса тока в исследуемой структуре.

В результате этих процессов подвергаются к глубокому изменению

такие фундаментальные величины как подвижности биполярной диффузии

µ

α

и дрейфа

µ

l

, длины биполярной диффузии

L

α

и дрейфа

L

dr

, а также время

жизни электронно-дырочной плазмы. Такие кардинальные изменения
микропараметров полупроводниковых материалов происходит тогда, когда в
базе структуры имеется сильная неоднородность и возле идеального контакта
создается высокий градиент неосновных носителей – дырок, которые позво-
ляют пренебрегать вкладом генерационно-рекомбинационных процессов в
релаксацию возмущений электронно-дырочной плазмы по сравнению с
релаксацией диффузионно-дрейфовых потоков.

Такой процесс допустимо тогда, когда длина биполярного дрейфа ды-

рок приобретает большие значения (т.е. когда

L

dr

>>

L

α

). При таком значе-

ния длины биполярного дрейфа даже малое излучение светом приводит к
резкому возрастанию дрейфового тока из-за процесса усиления первичного
фототока, что обеспечивает больших величин интегральной и спектральной
чувствительности.

Обнаружено, что при плотностях тока

I

= 10

-2

- 5·10

-4

A/cm

2

в структуре

реализуется режим «длинных» диодов и при этом величины

S

int

и

S

λ

становятся самыми высокими. Например,

S

int

= 2,8·10

4

A/lm (3·10

6

A/W ) при

значении освещенности

Е

= 0,1 лк и

S

λ

= 2,3·10

4

A/W при облучении лазер-

ным излучением с

λ

= 625 nm. Эти величины для интегральной и спект-

ральной чувствительностей являются рекордными для комнатной темпера-
туры. Таким образом, можно сделать вывод о том, что механизм усиления
первичного фототока при больших плотностях тока, в основном, опреде-
ляется модуляцией амбиполярной подвижности носителей тока.

Представляет большой интерес поведение сублинейного участка ВАХ

при освещении белым светом и примесного освещения лазерным излучением
с длиной волны

λ

= 0,625 μm и мощностью

P

= 10 μW/cm

2

, которые приве-

дены на рис.11. Из этого рисунка следует, что световые и темновые ВАХ
имеют одинаковую закономерность, и они отличаются только лишь по вели-
чине тока. Разница между ними при освещении лазером более ~1,5 порядка, а
при освещении белым светом в четыре раза больше по величине тока.

При облучении лазером спектральная чувствительность

S

λ

≈ 3,3 A/W при

напряжении смещения

U

= 60 V, а при освещении белым светом освещен-

ностью

E

= 0,1 lux и

U

= 60 V интегральная чувствительность имеет значение

S

int

≈ 0.69 A/lm (~76A/W). Эти результаты показывают (см.табл.2), что при

облучении лазером и белым светом на сублинейном участке происходит
усиление первичного фототока, которое в более 6 раз превышает фоточувст-
вительность идеального фотоприемника (

S

λ

≈ 0,5 A/W) при освещении лазе-

ром с длиной волны

λ

= 0,625 μm и мощностью

P

= 10 μW/cm

2

, апри освеще-

нии белым светом с интенсивностью

E

= 0,1 lux значение

S

int

почти в двад-

39

цать раз больше, по сравнению со спектральной чувствительностью идеаль-
ного фотоприемника при

λ

= 0,625 μm.

0 10 20 30 40 50 60

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

3

2

1

U

, V

J

,



A/cm

2

обратная ветвь в темноте (1), обратная

ветвь при облучении белым светом с

E

=

0,1 lux (2), обратная ветвь при лазерном

облучении с

λ

= 625 nm мощностью

P

=

10 μW/cm

2

(3)

0,1

1

10

10

-2

10

0

10

2

10

4

10

6

III

II

I

1

b

3

2

1

a

U

, V

J

,



А/сm

2

в темноте (кривая 1

a

, прямая ветвь, кривая

1

b

, обратная ветвь); при освещении белым

светом с

Е

= 4·10

-1

lux (кривая II, прямая

ветвь) и при лазерном облучении с

λ

≈ 625

nm и мощностью 0,75 mW/сm

2

(кривая III,

обратная ветвь)

Рис.11. Темновые и световые ВАХ

n

+

CdS-

n

CdS-

n

Si-гетероструктуры в

полулогарифмическом масштабе

Рис.12. Темновые и световые ВАХ

n

+

CdS-

n

CdS-

n

Si-гетероструктуры в

логарифмическом масштабе

Таблица 2

Зависимости фототока (

I

Ph

), интегральной чувствительности (

S

int

),

спектральной чувствительности (

S

λ

) от напряжения смещения (

U

)

Белый свет

Лазерное облучение

Е

(lux)

U

, V

2

,

сm

A

I

f



lm

A

S

,

int

W

A

S

,

int

2

,

cm

W

P



2

,

сm

A

I

f



W

A

S

,



0.1

5

10
60

3.65
4.3
6.9

0.365
0.43
0.6916

40.1
47.36
76

10

13.1
18.83
32.8

1.31
1.883
3.28

На рис.12 представлены темновые и световые ВАХ типичного образца

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктуры в двойном логарифмическом масштабе.

При этом кривая 1

a

соответствует прямому, а кривая 1

b

обратному направ-

лению смещения. Прямая ветвь при освещении белым светом освещен-
ностью

Е

= 4



10

-1

lux (кривая 2) и прямая ветвь при освещении лазерным

лучом с

λ

≈ 625 nm мощностью 0,75 mW/сm

2

(кривая 3). Из этого видно, что

световые ВАХ

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктуры сильно отличаются от

темновых ВАХ по величине тока при одном и том же значении напряжения
смещения. Кроме того отличие между ними тем больше, чем больше
величина напряжения смещения –

U

. Например, когда ток при

U

= 10 V в

темноте имеет значение

I

т

= 184·10

-6

A/cm

2

, то токи, измеренные под

действием лазерного излучения мощностью 0,75 mW/сm

2

и белого света с

40

освещенностью

Е

= 4·10

-1

lux, соответственно, равны 7700·10

-6

A/cm

2

и

1430·10

-6

A/cm

2

, при том же напряжении смещения.

Отсюда следует, что в исследуемой структуре происходит внутреннее

усиление первичного фототока. Проведенный расчет для фототока (

I

Ph

) также

подтверждает данное предположение. При расчете допускалось, что вся
падающая световая энергия в виде фотонов, генерирует неравновесных носи-
телей, которые без потерь разделяются потенциальными барьерами и вносят
вклад в фототок. В этом случае лазерное облучение с λ ≈ 625 nm и
мощностью 0,75 mВт/сm

2

будет генерировать

I

Ph

= 3·10

-4

A/cm

-2

, который

является фототоком идеального фотоприемника. Такого фотоприемника, как
указывалось выше, не существует и его невозможно создать в принципе. Тем
не менее, эта величина фототока более 25 раз меньше величины

I

Ph

, изме-

ренного при лазерном облучении с данной мощностью.

Отметим, что лазерное излучение (

λ

= 0.625 μm) для сульфида кадмия

является примесным освещением. Приведенный эксперимент показывает,
что с уменьшением мощности лазерного излучения возрастает величина
спектральной чувствительности (

S

λ

). Например, при энергии

P

= 10 μW/cm

2

спектральная чувствительность имеет значение ≈1080 A/W при

U

= 10 V,

тогда как при

Р

= 0,75 mW/cm

2

она равна 6,7 A/W при том же напряжении

смещения.

Возрастание чувствительности к малым световым сигналам наглядно

проявляется при облучении образца белым светом. При освещенности

Е

=

1 lux на образец с активной площадью

S

≈ 4·10

-2

cm

2

падает 3.6·10

-8

W

световая мощность в видимой части электромагнитного излучения. При этом
число квантов, падающих на образец, составляет N = 1,2·10

11

cm

-2

·s, а

фототок равен 2·10

-8

A·cm

-2

. Такое число квантов получено при следующих

предположениях, вся энергия состоит из энергии фотонов, которая равна
средней энергии квантов, падающих на образец в спектральном диапазоне
490 ÷ 1300 nm, т.е.

ηυ

.

= {2,53 eV (

λ

= 490 nm) + 0,95 eV (

λ

= 1300 nm)}/2 =

1,75 eV (

λ

ср

= 895 nm). Вычисленная таким путем величина

I

Ph

в 7·10

5

раза

меньше, чем величина фототока измеренного на эксперименте при напря-
жении смещения

U

= 10 V. Напомним, что вычисленный фототок соответ-

ствует величине фототока идеального ФП, работающего при

λ

ср

= 895 nm (

ηυ

= 1,75 eV), поэтому эта величина завышена, а реальная его величина, намного
меньше.

Эксперименты показали, что величина

S

int

уменьшается, с увеличением

энергии как белого света, так и при лазерном облучении. Например, при
увеличении освещенности белого света в 10 раз от 2,5·10

-2

лк до 25·10

-2

lux

величина интегральной чувствительности уменьшается в три раза притом же
напряжении смещения

U

= 10 V. Проведенный анализ показывает, что пря-

мая ветвь ВАХ, измеренная в темноте имеет два участка, которые описы-
ваются степенными зависимостями тока от напряжения в виде

I

~

U

2

и

I

~

U

3

.

Таким образом, на основе сильно компенсированной поликристалличе-

ской пленки CdS c ρ ≈ 10

8

Om·сm создана диодная структура

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si с развитой аккумуляцией, у которой

w/L

≥ 10. Последовательность ВАХ

41

I

~

U

2

и

I

~

U

3

в темноте и на свету (рис.12) также убедительно подтверждает,

что исследуемая структура является структурой с развитой аккумуляцией,
ибо только в такой структуре из-за наличия диффузионных и дрейфовых
потоков, направленных навстречу друг другу, образуются области «инжек-
ционного обеднения». При малых величинах тока образуется область
«инжекционного обеднения» сравнительно с малым сопротивлением. Этим
обстоятельством объясняется последовательность зависимости

I

~

U

2

,

I

~

U

3

в

прямой ветви ВАХ. Напомним, что зависимость

I

~

U

2

обусловлен с

механизмом переноса тока плазмой, инжектированной в полупроводник, а
зависимость

I

~

U

3

плазмой, инжектированной в изолятор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе определения электронных процессов, характеризующих дина-

мических и статических характеристик, а также механизмов переноса тока в
инжекционных фотоприемниках на основе

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-гетероструктур

сделаны следующее выводы:

1. Определены технологические условия получения

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-

и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si- гетероструктур путем напыления порошков CdS на

кремниевые пластины в квазизамкнутой вакуумной системе.

2. Показано, что в условиях комнатной температуры

n

+

CdS –

n

CdS-

переход, в прямом направлении смещения находится в режиме аккумуляции.
При освещении белым светом с освещенностью

E

= 0.1 lux, он имеет интег-

ральную чувствительность

S

int

= 2,8·10

4

A/lm (3·10

6

A/W), а при освещении

лазерным лучом с длиной волны λ = 0,625 нм и мощностью P = 10 μW/cm

2

,

спектральную чувствительность

S

λ

≃

2.3



104 A/W.

3. Выявлено туннелирование дырок из кремния

p

-типа (

p

Si-подложка) в

базу (

n

CdS) через поверхностные состояния, имеющиеся на границе раздела

и расположенные в нижней половине запрещенной зоны кремния в условиях
прямого смещения гетероперехода

p

Si –

n

CdS.

4. Показано, что

p

Si –

n

CdS-гетеропереход при обратном смещении

гетероструктуры

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si является неидеальным инжектирующим

контактом (для электронов), в то же время со стороны

n

CdS-базы он является

эффективным аккумулирующим контактом и не прозрачным для дырок, что
обуславливает появление сублинейного участка ВАХ.

5. Установлено, что имеющаяся точка инверсии знака фоточувстви-

тельности

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si-гетероструктуры как в коротковолновой (

λ

=

350 ÷ 865 nm), так и в длинноволновой (

λ

= 865 ÷ 1300 nm) областях спектра

электромагнитного излучения, происходит за счет полной компенсации све-
тового и темнового токов, направленных навстречу друг другу.

6. Показано, что при комнатной температуре обратная ветвь ВАХ

n

+

CdS

–

n

CdS –

p

Si-гетероструктуры состоит из четырех участков и основным

механизмом переноса тока на первом участке является термоэлектронная
эмиссия, на втором участке диффузионный, на третьем участке направлен-
ный противоположно к дрейфовому току диффузионный, на четвертом
участке диффузионно-дрейфовый механизмы.

42

7. Экспериментально выявлено, что при термодинамическом равнове-

сии, на границе раздела

n

CdS –

p

Si-гетероперехода при значениях поверх-

ностного потенциала

ψ

S

= 0,04 eV образуются отрицательно заряженные

поверхностные состояния акцепторного типа; при отрицательных значениях

ψ

S

плотность поверхностных состояний (

N

SS

) имеет высокие, а при поло-

жительных значениях

ψ

S

низкие значения.

43

SCIENTIFIC COUNCIL AWARDING OF THE SCIENTIFIC DEGREES

DSc.27.06.2017.FM/T.34.01 AT PHYSICO-TECHNICAL INSTITUTE,

INSTITUTE OF ION-PLASMA AND LASER TECHNOLOGIES,

SAMARKAND STATE UNIVERSITY

PHYSICO-TECHNICAL INSTITUTE

SAPAYEV IBROHIM BAYRAMDURDIEVICH

THE ELECTRON PROCESSES IN THE INJECTION DIODES BETWEEN

CADMIUM SULFIDE AND SILICON

01.04.10 – Physics of semiconductors

ABSTRACT OF DISSERTATION OF DOCTOR OF PHILOSPHY (PhD)

ON THE PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES

TASHKENT–2018

44

The theme of dissertation of doctor of philosophy (PhD) on physical and mathematical

sciences was registered at the Supreme Attestation Commission at the Cabinet of Ministers of the
Republic of Uzbekistan under number B2017.1.PhD/FM38

Dissertation has been prepared at physical-technical institute.

The abstract of the dissertation is posted in three languages (uzbek, russian, english (resume)) on

the website (fti-kengash.uz ) and the «Ziyonet» Information and educational portal (www.ziyonet.uz).

Scientific supervisor:

Mirsagatov Shavkat Akramovich

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

Official opponents:

Abdurakhmanov Kakhkhar Pattakhovich

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

Kamalov Amangeldi Bazarbaevich

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor

Leading organization:

Namangan State University

Defense will take place «____» _____________2018 at _____ at the meeting of Scientific Council

number DSc.27.06.2017.FM/T.34.01 Physical-technical institute, institute of ion-plasma and laser
technologies, Samarkand state university. (Address: 100084,Uzbekistan, Tashkent, 2B Bodomzor yuli
street. Phone/fax: (+99871) 235-42-91, e-mail: lutp@uzsci.net.).

Dissertation is possible to review in Information-resource centre at Physical-technical institute

(is registered №_______) (Address: 100084, Uzbekistan, Tashkent,2B Bodomzor yuli street.
Phone/fax: (+99871) 235-42-91, e-mail: lutp@uzsci.net).

Abstract of dissertation sent out on «____» _______________2018 year
(Mailing report № ___________on «____» _______________2018 year)

S. A. Bakhramov

Chairman of scientific council on award
of

scientific

degrees,

D.F.-M.S.,

academician AS UzR

A. V. Karimov

Scientific secretary of scientific council
on

award

of

scientific

degrees,

D.F.-M.S., professor

I. G. Atabaev

Chairman of scientific Seminar under
Scientific Council on award of scientific
degrees, D.F.-M.S., professor

45

INTRODUCTION (abstract of PhD thesis)

The aim of research work

is to establish the mechanisms of current transfer

in

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si- и

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si- heterostructures that act as

injection photodetectors with internal amplification and tunable range of spectral
sensitivity and patterns of formation of their volt-farad, dark and light current
characteristics.

The objects of the research work

are CdS films obtained on silicon

substrates by thermal spraying of CdS powders in a vacuum,

n

+

CdS–

n

CdS–

p

Si-

and

n

+

CdS–

n

CdS–

n

Si heterostructures based on them, as well as their volt-ampere,

volt-farad and spectral characteristics.

Scientific novelty of the research work:

for the first time developed the technology of the obtaining thin CdS films on

silicon substrates by sputtering CdS powders in a quasi-closed vacuum system, and

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si and

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Siheterostructures using them as

injection photodetectors with internal amplification and tunable range of the
spectral sensitivity;

it has been experimentally established that

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Siheterostructures have a wide range of spectral sensitivity located in the

wavelength range 389-1238 nm, with one high «peak» at 475 nm and three small
"peaks" have different levels at wavelengths of 618 nm, 740 nm and 821.8 nm,
respectively;

it has been prooved experimentally that thermodynamic equilibrium at the

interface of the

n

CdS–

p

Si- heterojunction creates surface states of an acceptor type

with a surface potential

ψ

S

= 0,04 eV, which acquire high values (

N

SS

) for negative

polarities of the surface potential

ψ

S,

and when

ψ

SS

is positive it acquires small

values;

it was prooved that with increasing bias voltage, the injection of electrons

from the

p

Si substrate into the base region leads to an increase in the photocurrent

and an expansion of the spectral range toward short wavelengths is due to increase
of the coefficient of accumulation of the charge carriers;

optimized

technological regimesfor obtaining the contact region were found,

to thin films of cadmium sulphide consisting of spraying indium in a vacuum to a
heterostructure heated to 373 K followed by thermal annealing at 673 K for 30
seconds.

Implementation of the research results.

The results of investigations of

electronic processes in injection photodiodes based on

n

+

CdS –

n

CdS –

p

Si and

n

+

CdS –

n

CdS –

n

Si-heterostructures were applied:

technological regimes for obtaining contact to the surface of thin ones were

used in the international project Т15МН-001 «Investigation of physical and
antibacterial properties of metal and metallocene fuscillerides, identification of
their application in medical instrument coatings» for obtaining ohmic contacts to
thin layers of samples. (Reference of the Institute of Heat and Mass Transfer of the
NAS of Belarus from 2017 on October 11). Application of scientific results

46

allowed to get contacts to nanostructured samples and to conduct research of
physical features of current characteristics.

to obtain contacts with a small ohmic resistance on the surface of nanofilms in

the implementation of the project Ф2-ФА-Ф161 «Study of the mechanisms of
formation of nanosized heterostructures created by the method of ion implantation
on the surface of free thin films (Al, Cu, Ag, and Cu-Si) and massive crystals (W,
WO

n

, TiN, CdTe and SiO

2

) and their physicochemical properties» (Reference №

ФТА-02-11/1150 of 21 November 2017 of the Agency of Science and
Technology of the Republic of Uzbekistan). Application of scientific results
allowed to determine the dispersion of the characteristic spectra of energy loss by
electrons reflected and passed through free thin films;

Structure and scope of the dissertation

. The thesis consists of an

introduction, four chapters, a conclusion and a list of used literature. It is set out on
116 pages of text, contains 20 figures, 4 tables and a list of used literature consists
of 78 titles.

47

ЭЪЛОН ҚИЛИНГАН ИШЛАР РЎЙҲАТИ

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

LIST OF PUBLISHED WORKS

I бўлим (I часть; part I)

1. Сапаев И.Б. Инжекционный фотодиод на основе nSi-nCdS-n

+

CdS-

структуры // Физическая инженерия поверхности. – Харьков, 2013, № 3 –
vol.11. – С. 260–262. (01.00.00.№91)

2. Mirsagatov Sh.A., Sapaev I.B. Injection photodiodes based on a p-Si-n-

CdS-n

+

CdS // Semiconductors, 2014, vol. 48, № 10, pp. 1363-1369.

(№11.

Springer, IF: 0.602).

3. Mirsagatov Sh.A., Sapaev I.B. Photoelectric and electrical properties of a

reverse – biased p-Si/-n-CdS/-n

+

CdS heterostructure // Inorganic Materials may

2014, vol. 50, Issue 5, pp. 437-442. (№11. Springer, IF: 0.602).

4. Сапаев И.Б. Технология получения инжекционного фотодиода на

основе n

+

CdS-nCdS-nSi и n

+

CdS-nCdS-pSi структуры // Доклады Академии

Наук РУз. – Ташкент, 2016. – Вып. 3. – С. 28-30. (01.00.00.№7)

II бўлим (II часть; part II)

5.

Sapaev I.B., Sapaev B., Aitbaev B. Получение пленок CdS на Si

подложках методом вакуумного испарения // International conference
«Crystal materials 2010» ICCM 2010. Program and Abstracts Book. Kharkov,
Ukraine. – С. 42.

6. Сапаев И.Б., Мирсагатов Ш.А. Спектральная характеристика pSi-

nCdS- n

+

CdS структуры // Яримўтказгичлар физикаси ва қурилмалари хамда

уларни ўқитишнинг муоммалари худудий илмий анжуман, Наманган,
26 апрель 2013. – С. 96-98

7. Сапаев И.Б., Мирсагатов Ш.А. Инжекционный фотодиод на основе

фоточувствительной поликристаллической пленки CdS // IV Международная
конференция по актуальным проблемам молекулярной спектроскопии
конденсированных сред. 29-31 май 2013, Самарканд – С. 157-158

8.

Сапаев И.Б., Мирсагатов Ш.А. Распределение плотности

поверхностных состояний по ширине запрещенной зоны кремния //
Материалы международной конференции посвященной 70-летию физико-
технического института «Физика-Солнце». – 14-15 ноября 2013, Ташкент –
С. 181-183.

9. Сапаев И.Б., Мирсагатов Ш.А. Инжекционный фотодиод на основе

фоточувствительной поликристаллической пленки CdS // Фундаментальные
и прикладные вопросы физики. Сборник тезисов докладов республиканской
конференции, посвященной 100-летию академика С.А.Азимова. 6-7 ноября
2014, Ташкент – С. 120-121.

48

Авторефератнинг ўзбек, рус ва инглиз тилларидаги нусхалари

«Тил ва адабиёт таълими» журнали таҳририятида таҳрирдан ўтказилди

(10.12.2017 йил).

Босишга рухсат этилди: 30.01.2018 йил.

Бичими 60х44

1

/

16

, «Times New Roman»

гарнитурада рақамли босма усулида босилди.

Шартли босма табоғи 3. Адади: 100. Буюртма: № 19.

Ўзбекистон Республикаси ИИВ Академияси,

100197, Тошкент, Интизор кўчаси, 68.

«АКАДЕМИЯ НОШИРЛИК МАРКАЗИ»

Давлат унитар корхонасида чоп этилди.