Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Функциональные оптические и электрические свойства фоторезисторнык структур

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Функциональные оптические и электрические свойства фоторезисторнык структур

Количество страниц	121

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	23257.doc

Содержание	Содержание ВВЕДЕНИЕ...5 ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Функциональные возможности фоторезисторных структур и их использование в оптоэлектронике...9 1.2. Особенности прохождения переменного тока в фоторези- сторных структурах...14 1.3. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в фоторезисторных структурах...19 1.4. Электрические свойства электролюминесцентного конденсатора. Оптическая память в МДПДМ структурах...26 1.5. Методы исследования параметров кинетики рекомбинации носителей заряда в фоторезисторных структурах...32 ГЛАВА II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Установка для исследования оптических и электри- ческих свойств фоторезисторных структур...36 2.2. Особенности изготовления электролюминес- центных структур...39 2.3. Методика исследования порошковых люминофоров методом термостимулированной емкости...42 2.4 Технология изготовления устройств оптической памяти. Методики исследований явлений оптической памяти. 44 2.5 Описание устройств на основе функциональных свойств резисторных оптопар и методика их исследования. 46 ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ, ОПТИЧЕСКИХ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФОТОРЕЗИСТИВНЫХ СТРУКТУР 3.1. Функциональные возможности идеального фоторезистора питаемого переменным напряжением...53 3.2. Влияние кинетики межзонной рекомбинации на нелинейные искажения, вносимые фоторезистивной структурой, в регистрируемый нестационарный оптический сигнал...62 3.3. Фурье - анализ оптических сигналов модулированных по интенсивности фоторезистивной структурой, питаемой переменным напряжением...73 3.4. Определение параметров кинетики фоторезистора при нестационарном оптическом возбуждении...81 ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ФОТОРЕЗИСТОРОМ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ, В РЕГИСТРИРУЕМЫЙ НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ 4.1 Исследование фоторезистивных структур с глубокими уровнями при нестационарном освещении...93 4.2 Исследование явления оптической памяти...112 ЗАКЛЮЧЕНИЕ...119 ЛИТЕРАТУРА...121 Введение Фоторезисторные структуры - один из основных элементов оптоэлектроники, находят широкое применение в современных системах обработки оптической информации. В таких системах полупроводниковый фотоприемник в основном выполняет функции, связанные с преобразованием оптического сигнала в электрический, обеспечивая идеальную гальваническую развязку [1]. Дальнейшие операции, связанные с обработкой сигнала, выполняет электроника. В конце семидесятых годов возникла идея использовать динамические неоднородности, в частности неравновесные фотовозбужденные носители заряда, в процессах обработки и хранения информации, а также физические принципы интеграции не только числа элементов, но и числа функций, выполняемых микроэлектронным прибором [2, 11]. Пионерские работы в этой области принадлежат Гуляеву Ю.В., Валиеву К.А., Стафееву В.И., Федотову Я.А., Сретенскому В.Н., Пустовойту В.И., Носову Ю.Р. и другим отечественным ученым и их школам. Изучение свойств и характеристик динамических неоднородностей как носителей информационного сигнала, основных физических процессов и принципов обработки и хранения информационных массивов с помощью динамических неоднородностей, разработка приборов и устройств являются основополагающими в процессе формирования нового направления в микроэлектронике - функциональной электроники [11]. Совмещение в фоторезисторных структурах функций регистрации, обработки и хранения оптической информации приведет к резкому упрощению конструкции и расширению функциональных возможностей оптоэлектронных систем. Основные операции, которые совершают с электрическим сигналом электронные устройства, связаны с процессом умножения (различные виды модуляции, детектирование и др.). Эти операцию может выполнять фоторезистор, перемножая оптический сигнал, преобразованный в изменение проводимости, и электрический сигнал в виде напряжения [67]. Поэтому изучение возможных функций фоторезистора, связанных с операциями умножения, позволит расширить функциональные возможности оптоэлектронных систем. Качество обработки информации различными системами определяет коэффициент нелинейных искажений. Нелинейные искажения, вносимые фоторезистором в преобразованный оптический сигнал, в основном обусловлены нелинейной кинетикой. Несмотря на большое количество работ, посвященных фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках, этот важный вопрос остается не изученным [2-4]. Конкретные механизмы генерационно-рекомбинационных процессов разнообразны и сложны. К сожалению, в работах, посвященных этим вопросам, имеют место некорректности, а зачастую прямые ошибки, связанные с тем, что сама рекомбинация зачастую описывается некорректными выражениями [7]. Исследования кинетики неравновесных процессов в полупроводниковой плазме при оптическом возбуждении широко используется для определения параметров кинетики. Внешние поля влияют не только на коллективные эффекты в этих средах, но могут изменять характер взаимодействия частиц [8], что при нестационарном напряжении и освещении значительно расширяет возможности определения параметров кинетики фотопроводимости. Дополнительные возможности оптической обработки сигналов появляются при использовании фотоприемников с зарядовой связью в режиме временной задержки и накопления [12]. Поэтому изучение явления оптической памяти, которые можно реализовать на планарных фоточувствительных МДПДМ структурах на основе мелкодисперсных люминофоров А2В6 представляет интерес как в научном так и в практическом плане. Из вышеизложенного вытекает актуальность темы, связанной с изучением функциональных оптических и электрических свойств фоторезисторных структур. Исследования влияния нелинейных искажений обусловленных кинетикой рекомбинации неравновесных носителей на качество обработки оптической информации такими структурами. Создание и исследование элементов оптической памяти на основе фоточувствительных порошковых МДПДМ структур. Цель работы. Расширение функциональных возможностей фоторезисторных структур, связанных с совмещением приема и обработки оптической информации в фотоприемном устройстве. Исследование влияния кинетики межзонной, примесной рекомбинации на коэффициент нелинейных искажений регистрируемого сигнала. Исследование эффектов памяти фоточувствительных МДПДМ структур. Разработка устройств, которые реализуют перечисленные функциональные свойства. В первой главе проведен анализ литературных данных по функциональным свойствам фоторезисторных структур. Рассмотрены различные виды кинетических процессов, протекающих в полупроводниках под действием оптического возбуждения, методы определения параметров кинетики. Дан краткий обзор основных работ, в которых описаны процессы прохождения переменного тока через полупроводник. Приведены теоретические описания и экспериментальные данные процессов рекомбинации в полупроводниках при нестационарном возбуждении. Во второй главе даны описание и блок схема экспериментальной установки, методы изготовления образцов для исследований, методики измерения кинетических параметров процессов рекомбинации. Представлены конструкции, которые реализуют ряд функциональных свойств фоторезисторов, связанных с операцией умножения (амплитудный модулятор, анализатор спектра), проведен анализ их достоинств и недостатков. Рассмотрены методы определения коэффициента нелинейных искажений. Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям функциональных свойств фоторезистора, связанных с операцией умножения в случае межзонной рекомбинации. Рассмотрена задача определения вида кинетики по исследованию среднего значения фототока в случае динамического освещения фоторезистора. Модель квадратичной рекомбинации проверялась на фоторезисторах на основе кремния марки БНЛ-1 с графитовыми контактами. Для случая линейной аппроксимации кинетики нарастания и затухания фотопроводимости с различной скоростью рекомбинации - на основе CdS легированного бором путем ионной бомбардировки (Е=100кэВ). В четвертой главе предлагаются математические модели, позволяющие рассчитать коэффициент нелинейных искажений, фазу и переменную составляющую фотопроводимости при нестационаром возбуждении фоторезистора с глубокими примесными центрами. Учтена перезарядка донорных и акцепторных центров и рекомбинация на них. За основу анализа влияния рекомбинационных каналов на нелинейные искажения в фоторезистивных структурах выбрано численное моделирование. Исследован фоторезисторный эффект ряда электролюминофоров. Обнаружено явление оптической памяти, которая реализуется в щелевых планарных структурах на основе широкозонных люминофоров ZnS. Показано, что создание оптической ячейки памяти возможно на основе порошковых люминофоров люминесценция которых сопровождается изменением проводимости. В заключении по результатам исследований сформулированы краткие выводы по результатам исследований, проделанных в работе. В конце диссертации приведен список цитируемой литературы. ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Функциональные возможности фоторезисторных структур и их использование в оптоэлектронике Физические пределы в развитии приборов и устройств схемотехнической микроэлектроники достигнут своих критических значений в первом десятилетии двадцать первого века [11]. К этому времени ожидается появление интегральных схем с топологическими нормами порядка 0,1 мкм, выполненных с помощью литографических установок неоптического экспонирования. Но проблема межсоединений, характерная для схемотехнической микроэлектроники, ограничит скорость внешнего обмена информацией величиной 3 ГГц, хотя транзисторы будут работать с частотой не менее 10 ГГц. В этом случае возникает альтернатива: или искать пути сохранения тенденции экспоненциального роста степени интеграции интегральных схем микроэлектроники, или искать принципиально новый подход. Разработчики ИС активно ищут способы преодоления "тирании межсоединений", пути обхода технологических и физических барьеров. С этой целью разрабатываются вертикальные структуры, в которых стараются разместить максимум элементов в минимальном пространстве и интегральная схема становится трёхмерной. Технология "кремний на диэлектрике" открывает определённые перспективы вертикальной интеграции и позволяет получать многоярусные транзисторные структуры [12]. Предполагается, что трёхмерные ИС будут иметь высокие быстродействие и плотность упаковки элементов, обладать возможностью параллельной обработки информации и станут многофункциональными [80]. Переход в трёхмерную электронику отнюдь не решит проблемы межсоединений, напротив, резко усложнит конструкции межуровневых соединений и сулит увеличение степени интеграции лишь вдвое, а не ^. экспоненциальный рост в соответствии с законом Мура. Проблема межсоединений в этих случаях принципиально не решается. Для этого нужно уйти от традиционного принципа обработки информации, отказаться от схемотехнической ячейки как основного преобразователя и хранителя информации. При интеграции на одном кристалле не только элементов, но и физических явлений и эффектов увеличиваются функциональные возможности приборов и устройств интегральной электроники. При этом используются уже не только схемотехнические решения для обработки и хранения информации, но и физические носители информационного сигнала — динамические неоднородности различной физической природы [11]. В приборах схемотехнической микроэлектроники — аналоговых или цифровых ИС — информация хранится или обрабатывается в ячейках в виде заряда, потенциала или тока определённого уровня на определённой статической неоднородности. Напротив, в ПЗС-матрицах, относящихся по своей физической природе к изделиям функциональной электроники, информация хранится и обрабатывается в виде динамической неоднородности -зарядового пакета, состоящего из электронов или дырок [2,11]. Замечательным свойством приборов функциональной электроники является использование в процессах обработки информации функций высшего порядка в качестве элементарных. Например, Фурье-преобразования, интегрального преобразования Лапласа, операции свертки, операции корреляции, управляемой задержки сигнала, хранения информации, фильтрации информационного сигнала, когерентного сложения сигналов, ответвления сигналов, комбинированной обработки информационных сигналов [2] и т. д. Поэтому изделие функциональной электроники может рассматриваться как процессор, выполняющий элементарные функции высшего порядка. Обработка информации в такого типа процессорах происходит в аналоговом виде, без перевода аналогового сигнала в цифровой и обратно [1-4]. При такой обработке передача информации может осуществляться без проводников или линий межсоединений. Одним из быстро развивающихся направлений функциональной электроники является оптоэлектронная обработка сигналов. Принципиальные достоинства оптоэлектронных приборов базируются на использовании электрически нейтральных фотонов для переноса информации [1]. Основные из них следующие: - возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону; - возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей; - возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;- широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот; Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления. В этом случае мы имеем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от "обычного" оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления [1, 66]. В фотоприемнике происходит "восстановление" информационного сигнала из оптического в электрический. Выходное устройство преобразовывает сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Общая структурная схема рис. 1.1.1 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники; оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда-фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС [1, 61-63]. В основном оптроны применяются в качестве элементов гальванической развязки [1]. Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое, бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями. Запуск мощных тиристоров, триаков, симисторов, управление электромеханическими релейными устройствами Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны, предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации, выполненных на электролюминесцентных (порошковых) индикаторах, мнемосхемах, экранах [1, 61-63]. Резисторные оптроны находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции, автоматической регулировки усиления и др. Воздействие по оптическому каналу используется здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим, для бесконтактной перестройки режима [1,61] и т. п. Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков: таковы датчики влажности и загазованности, датчика наличия в объеме той или иной жидкости, датчики чистоты обработки поверхности предмета, скорости его перемещения и т. п. Создание оптронов с фоторезисторами, свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону, позволяет моделировать математические функции и является шагом на пути создания функциональной оптоэлектроники [1,65,67]. В настоящее время большой интерес представляют оптические устройства обработки радиосигналов с применением фотоприемников с зарядовой связью, основным элементом которых являются фоторезисторные структуры [13]. При использовании фотоприемников с зарядовой связью в режиме временной задержки и накопления появляются дополнительные возможности оптических процессоров. В работе [14] описан полупроводниковый оптический коммутатор на фоторезисторных структурах с высоким быстродействием. На устройство воздействует импульс оптической накачки под действием которого создаются пары носителей заряда, наличие которых приводит к уменьшению поглощения и отражению импульса зондирующего сигнала, который следует через 20 пс. после импульса накачки. В дальнейшем происходит рекомбинация носителей заряда с возрастанием поглощения. Как пример практического воплощения вышеизложенной концепции в функциональной оптоэлектронике можно привести работу [15], где описаны фотопараметрические усилители для систем связи с мультиплексированной поднесущей. Предложено для осуществления светоусиления использовать фотодетектирование, предусиление и, возможно, преобразование частоты в одном устройстве. На возможность реализации функции перемножения сигналов в фоторезистивных структурах указывается в работах [5]. Реализации функциональных возможностей фоторезистивных МДП структур посвящены работы Муравского [16]. Интенсивно исследуются структуры на узкощелевых полупроводниках проявляющих способность к интегрированию оптического сигнала в ИК диапазоне [85]. В настоящее время интерес исследователей к функциональным фотоприемникам и их применению в медицине и технике быстро, растет о чем свидетельствуют материалы международной конференции [18]. Из изложенного обзора следует, что исследование функциональных возможностей фоторезистивных структур - это новая быстро развивающаяся ветвь функциональной электроники. Работы в данном направлении могут привести к созданию новых эффективных методов обработки информации. Однако до настоящего времени в литературе отсутствует подробный анализ нелинейных искажений возникающих в фотоприемнике при реализации операции умножения переменных оптического и электрического сигналов. 1.2. Особенности прохождения переменного тока в фоторезисторных структурах. Прохождению переменного тока в фоторезистивных структурах посвящено большое количество монографий и статей [21-25,30]. Вопросы инжекции неравновесных носителей заряда в полупроводник в контактах так же подробно описаны в литературе [28-30]. При рассмотрении фоторезистивных структур при переменном смещении необходимо учесть влияние контактных явлений на особенности импеданса. В работе [29] показано, что переход, образованный сильно легированным полупроводником с компенсированным полупроводником того же типа при переменном смещении эффективно инжектирует неравновесные основные носители. В условиях дрейфа это приводит к гигантским осцилляциям реактивной части импеданса, что связано с возбуждением волн пространственной перезарядки ловушек. Как показано в [30], возбуждаться могут как низкочастотные, так и высокочастотные волны. Согласно [29], концентрация инжектированных носителей вблизи плоскости п+ - v контакта определяется переменным полем SE в той же плоскости и в то же время t: d.2.1) к Т где п — стационарная концентрация электронов в v-области, Ej = —— - характерное поле, L, - длина п - v перехода. Эта избыточная плотность под действием постоянного поля Е сносится с дрейфовой скоростью vg = juE Aws к тыловому контакту. При высоких частотах о»--An флуктуация поля в х образце однородна, так как флуктуация слабо экранирует заряды в п+-области. Для плотности тока в полупроводнике при переменном поле смещения: jj(x,t)= ad8Et(x)+ ev5nt(x), (1.2.2) 15 где сd = em — - дифференциальная проводимость. КдЕ) Если SUt - приложенное к образцу напряжение, то enU х (1.2.3) Из (4.1.35) следует, что реальная часть адмитанса: Нахождение полного импеданса п+ — v — п+ структуры решения системы уравнений: ad5E + evdn + eD---ico—SE = Sj При малых гармонических изменениях во времени подсветки и тока: напряжения, ти =----время максвелловскои релаксации и Алст (1.2.12) то = ~ вРемя захвата носителя заряда на примесный уровень. Импеданс Z структуры равен коэффициенту при 81, а величина и частотная дисперсия фотоотклика образца равна коэффициенту при SA. Анализ показывает, что в длинных образцах возбуждение волн перезарядки не играет роли и при /» иото ,о0тм. ^^—1-----, (1.2.13) I где ZL - импеданс нагрузки, Ro = — - сопротивление полупроводника, Sc Со-----геометрическая емкость, ЗА - изменение полного числа квантов \ж I света, поглощаемых в единицу времени во всем объеме фотопроводника. Если / «min{u0T0,u0TM), то Я1»\ и вариация тока & в иото/1 раз больше вариации ЗА, происходит усиление сигнала с коэффициентом усиления к = -$-$-»1, а быстродействие упадет. Для коротких образцов на 17 поведение фотоотклика оказывает сильное влияние импеданс нагрузки. При Z (режим генератора напряжения) в условиях слабой инжекции «Фотоотклик осциллирует при частотах меньших Q и уменьшается при частотах выше тЮ. В случае сильной инжекции из контакта (E0»Ej) падение фоотклика с частотой происходит при частотах nQ « со « —, если — »1, то при частотах выше SI = Е0 ISA Фотоотклик выше, чем при низкой инжекции, т.к. в объеме полупроводника модулируются носители инжектированные из контакта. Частотые осцилляции фотоотклика появляются при co" " и UqTju >l характерная частота спада уменьшается обратно пропорционально нулю. В режиме генератора тока:

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	23257.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.