Влияние концентрации электроактивных атомов марганца на фотоэлектрические свойства кремния в условиях сильной компенсации

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

Влияние концентрации электроактивных атомов марганца на фотоэлектрические свойства кремния в условиях сильной компенсации Саъдуллаев А. Б.1, Норбоев А. Э.2

'Саъдуллаев Аловиддин Бобакулович /Ба^иНаву Актййт БоЬаки1оугсН - кандидат физико-математических

наук, доцент;

2Норбоев Анвар Эшмуминович /Norboev Ат>аг Eshmuminovich - старший преподаватель, кафедра электроэнергетики, энергетический факультет, Каршинский инженерно-экономический институт, г. Карши, Республика Узбекистан

Аннотация: в статье рассматривается исследование особенности фотоэлектрического свойства кремния легированным марганцем в условиях сильной компенсации, и установлены возможности управления чувствительности образцов на инфракрасный свет при наличии фонового освещения, управляя концентрацией электроактивных атомов марганца, и определено оптимальное удельное сопротивление, а также предложена нанокластерная модель, позволяющая объяснить наблюдаемый эффект в сильнокомпенсированном кремнии. Ключевые слова: сильнокомпенсированный кремний, кратность гашения фотопроводимости, метастабильные нанокластеры.

В условиях сильной компенсации в полупроводниках концентрация равновесных носителей тока становится в сотни, тысячи или миллионы раз меньше, чем концентрации ионизованных примесных атомов в кристаллической решётке, что имеет место при температуре Т = 3 О О К, а с понижением температуры эта разница ещё более увеличивается. В этом случае, т. е. в условиях сильной компенсации система находится в крайне неравновесном состоянии. Воздействие малейших внешних факторов (температуры, освещённости, электрического и магнитного поля) приводит к существенному изменению условия взаимодействия дефектов и носителей тока [1-6].

В связи с этим целью данной работы являлось исследование влияния концентрации электроактивных атомов марганца на фотоэлектрические свойства кремния в условиях сильной компенсации, а также определить взаимосвязи между электрофизическими параметрами и фотоэлектрическими свойствами кремния и выяснить физику наблюдаемых эффектов в таких материалах.

В качестве объекта исследования был выбран 5 £ < В >, компенсированный марганцем. Такой выбор материала и компенсирующих примесей продиктован тем, что технология получения компенсированного кремния, легированного марганцем, достаточно хорошо отработана, что и позволило получить материал с различной степенью компенсации и воспроизводимыми, стабильными параметрами, а также обеспечило получение достоверных результатов.

Для исследования в качестве исходного материала был использован промышленный монокристаллический кремний р-типа проводимости с удельным сопротивлением р=1; 5; 10; 100; 200 Ом-см, при этом концентрация атомов легирующей примеси бора в этих образцах составляло Ыв = 2- 1 О 1 6; 4  1 О 1 5; 2  1 О 1 5 ; 2  1 О 1 4; 1 О 1 4 см ~ 3 соответственно. Из каждого исходного материала было изготовлено по 10 образцов с одинаковыми геометрическими размерами. Диффузия марганца проводилась из газовой фазы с таким расчетом, чтобы независимо от исходной концентрации бора в кремнии были получены компенсированный кремний с удельным сопротивлением р = 1 О 2 — 1 О 5 Ом  см. В итоге для исследования были подобраны сильно компенсированные образцы р-8КБ,Мп> кристаллическим направлением [111] с одинаковыми геометрическими размерами и удельным сопротивлением, только отличающейся концентрацией компенсирующей примеси марганца. При этом концентрация электрически активных атомов марганца в образцах р-Б1<Б,Мп> изменялась в интервале см

Исследование спектральной зависимости фотопроводимости в температуре Т=77 К при наличии фонового освещения образцов р-Б1<Б,Мп> с различными концентрациями электроактивных атомов проводилась на установке ИКС-21, снабженное специальным криостатом, дающим возможность изучения спектральной зависимости фотопроводимости в широком интервале температур, электрического поля с различной интенсивности фонового и инфракрасного освещения. Фоновое освещение создавалось обычным интегральным

освещением различной интенсивности. После установления стационарного значения фонового фототока снималась спектральная примесная фотопроводимость в области энергии фотонов инфракрасного света /V = 0 . 2 — 1 . 1 эВ.

Результаты исследование спектральной зависимости фотопроводимости при различной концентрации электроактивных атомов марганца показало, что в образцах р-БКВ, Мп> с удельным сопротивлением р = 2  1 0 5 Ом  см и максимальной концентрации электроактивных примесей КМп=1016 см-3, освещение образцов слабым интегральным светом приводит к существенному увеличению фотопроводимости материала, и фототок при этом увеличивается на 6-7 порядков (Рис. 1, крив. 1). После установления стационарного значения фототока образец р-8КВ,Мп> дополнительно освещался инфракрасным светом в интервале энергии фотонов /V = 0 .2 — 1 . 1 эВ с мощностью Р=10-5 Вт/см2с.

Как видно из рисунка (крив. 1), в образцах р-БКВ, Мп> с максимальной концентрации электроактивных примесей в интервале энергии падающих фотонов монохроматического света /V = 0 .4 — 0 . 4 5 эВ наблюдается аномально глубокое инфракрасное гашение фотопроводимости, где кратность гашения, т. е. уменьшение фототока относительно значения

фонового тока (к =-—— , где /ф - значение фонового фототока, /ф+ик - значение

1—+ИК

фототока при дополнительном освещении инфракрасным светом) достигает 5-6 порядков. Дальнейший рост энергии падающих фотонов в интервале /V = 0 . 4 5 — 0 . 7 эВ приводит к непрерывному увеличению значения фототока в 109 -1010 раз, а в интервале /V = 0 . 7 — 1 . 1 эВ значение фототока существенно не изменяется (Рис. 1, крив. 1).

1ФАД

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

Рис. 1. Спектральная зависимость фотопроводимости образцов р-5,1<В,Мп> с р = 2  1 0 5 Ом  см, при различной концентрации электроактивных атомов марганца Ммп=1016 см-3; 2. Мш=1015 см-3; 3. Ммп=1014 см'

Показано, что с увеличением концентрации электроактивных атомов марганца глубина гашения увеличивается, а энергия, соответствующая максимуму гашения, смещается в сторону меньших энергий падающих фотонов инфракрасного света при этом, а также сужается область гашения.

Установлено, что в области с энергией монохроматического света /V = 0 .4 — 0.45 эВ образцы р-БКВ,Мп> работают как счётчик, регистрирующий каждый фотон инфракрасного света. Эти результаты показывают возможность создания нового класса высокочувствительных фотоприёмников инфракрасного излучения в интервале энергии фотонов / V = 0 . 4 — 0 . 7 эВ, регистрирующих слабые потоки инфракрасного света при наличии достаточно сильного фонового интегрального света.

Результаты исследования спектральной зависимости фотопроводимости показали, что в сильнокомпенсированных образцах р-Б1<В,Мп> с удельным сопротивлением р = 2  1 05 Ом

см, где концентрация электро-активных компенсирующих примесей марганца составляет КМп=1014 см-3, кратность гашения при одновременно освещении образцов инфракрасным и фоновым светом на 3-4 порядка меньше, чем в образцах с удельным сопротивлением р = 2 • 1 0 5 Ом • см и концентрации электроактивных компенсирующих примесей марганца КМп=1016 см-3 (Рис. 1, крив. 1 и 3). Из рисунке видно, что начало инфракрасного гашения фотопроводимости хотя и не зависит от концентрации электроактивных атомов марганца, скорость и глубина гашения фотопроводимости резко увеличивается с ростом концентрации электроактивных компенсирующих примесей.

1фАд

Рис. 2. Спектральная зависимость фотопроводимости образцов р-5,1<В,Мп> с р = 2 • 1 0 5 Ом • см и ММп=1016 см'3 при различной интенсивности (мощности) инфракрасного света Р = 1 о - 5 2. Р = б . 2 • 1 0 - 3. Р = 10 "" .

СЛ1 "С с/.'- -с с/.'- -с

На рисунке 2 представлена спектральная зависимость фотопроводимости образцов р-8КВ,Мп> с удельным сопротивлением р = 2 • 1 0 5 Ом • см и максимальное концентрации электроактивных компенсирующих примесей марганца ЫМп=1016 см-3 при постоянном значении фонового и различной интенсивности (мощности) инфракрасного света. Интенсивность инфракрасного света управлялась с помощью эталонного фильтра в интервале Р = 1 0 - 5 — 1 0 - 9 Вт/см2 • с. Результаты исследования показали, что с уменьшением интенсивности инфракрасного света начало и положение максимума гашения не изменяется, а кратность гашения фотопроводимости уменьшается.

Установлено, что в зависимости от значения фонового фототока минимальная пороговая мощность падающего инфракрасного света составляет Р Вт см с. Результаты

исследований показали, что когда концентрация электроактивных компенсирующих примесей марганца составляла КМп=2 -1014 см-3, независимо от концентрации исходного бора и удельного сопротивления, в сильнокомпенсированных образцах р-8КВ,Мп> наблюдается инфракрасное гашение фотопроводимости, но кратность гашения при этом изменяется всего к = 1 — 1 .8 порядок. Верхняя граница концентрации электроактивных атомов марганца ограничивается с ЫМп=2 • 1016 см-3, что соответствует максимальной предельной растворимости марганца в кремнии.

Таким образом, установлены граничные концентрации электроактивных атомов марганца, при которых наблюдается аномально глубокое инфракрасное гашение фотопроводимости, в образцах р-8КВ,Мп> должны находится в интервале КМп=2 •1014—2 -1016 см-3. На основе полученных результатов показана возможность управления фоточувствительности образцов р-8КВ,Мп> на инфракрасный свет при наличии фонового освещения, управляя концентрациями электроактивных атомов марганца. Определены оптимальное удельное сопротивление и концентрации электроактивных компенсирующих примесей марганца в кремнии.

Из полученных результатов следует, что существующая модель инфракрасного гашения фотопроводимости в полупроводниках не в состоянии объяснить наблюдаемые эффекты в

образцах p-Si<B,Mn> с максимальной концентрацией электроактивных примесей марганца. Поэтому на основе результатов исследований влияние концентрации электроактивных атомов марганца на фотоэлектрические свойства кремния в условиях сильной компенсации предлагаем нанокластерную модель, учитывая особенности поведения компенсирующих примесей в сильнокомпенсированном кремнии. На основе этой модели примесные атомы марганца в кремнии создают энергетическую полосу, лежащую в интервале ДЕ=(Еу+0,42)^(ЕС-04) эВ и существенно отличающихся с сечениями захвата носителей заряда и могут находиться в кристаллической решетке Mn0; Mn+; Mn++ состояниях. В образцах р^КВ,Мп> в условиях сильной компенсации положение зарядового состояния, окружение примесных атомов в кристаллической решётке и их взаимодействие постоянно меняются с изменением внешних воздействий на материалы. Это означает, что в таких материалах постоянно генерируются и исчезают различные метастабильные нанокластеры: примес-примес, примес-дефект, примес-носителей тока соответственно в зависимости от неравновесного состояния материала.

Расчёты полученных результатов показывают, что наблюдаемое аномально глубокое гашение фотопроводимости в образцах р-Si<B,Mn> связано с наличием центров с маленькими сечениями захвата дырок многозарядными метастабильными нанокластерами.

Литература

1. Бахадырханов М. К., Мавлянов Г. Х., Аюпов К. С., Исамов С. Б. Отрицательное магнитосопротивление в кремнии с комплексами атомов марганца. Физизика и техника полупроводников. 2010 г., т. 44, в. 9, с. 1181-1184.

2. Аюпов К. С., Бахадырханов М. К., Зикриллаев Н. Ф., Мавлянов Г. Х. Активации нанокластеров атомов марганца в кремнии. Доклады АНРУз. Ташкент, 2009 г., № 3, с. 56-58.

3. Бахадирханов М. К., Зикриллаев Н. Ф., Хамидов А. О концентрации электроактивных атомов элементов переходных групп в полупроводниках. Uzbek journal of physiks. Volume 2, Namber 3, 2000, p. 221-225.

4. Zikrillaev N. F., Sadullaev A. B. Power spectra of impurity in semiconductors in the condition of strong compensation. SSP-2004. 8-th International Conference Soled state physics, August 23-26, 2004, Almaty, Kazakhstan Abstracts Almaty-2004, pp. 254-255.

5. Бахадырханов М. К., Валиев С. А., Насриддинов С. С., Эгамов У. Особенности термических свойств сильнокомпенсированного Si<B,Mn>. РАН, Неорганические материалы, 2009, т. 45, №. 11, с. 1291-1293.

6. Бараночников М. Л. Приемники и детекторы излучений. Справочник. Москва: Издательство «ДМК Пресс», 2012.

Расчёт теплоёмкости Земли Акопов В. В.

Акопов Вачакан Ваграмович / Akopov Vachakan Vagramovich - учитель физики, Муниципальное образовательное учреждение Средняя школа № 6, село Полтавское, Курский район, Ставропольский край

Аннотация: численное значение теплоёмкости Земли и её частей, полученное расчётным путём в данной статье, можно использовать при теоретических геофизических исследованиях Земли.

Ключевые слова: удельная теплоёмкость, теплоёмкость, масса, температура, Земля.

Теплоёмкостью тела С называют количество теплоты, которое необходимо сообщить данному телу массой ш для его нагревания на 1К, т. е.

С = с - т,

где с - удельная теплоёмкость тела, ш - масса тела.

Теплоёмкость тела в СИ выражают в джоулях на кельвин: [с 1 = Дж .

1 J К