Doména s vysokým polem - High-field domain

A doména s vysokým polem je pás vyvýšeného pole kolmého k rovnoproudým čarám a je viditelný ve fotovodivé formě CdS a jednobarevné světlo na okraji pásu, protože tmavý pás objevil Böer,[1] za použití Franz-Keldyshův efekt. Takové domény se musí objevit[1] kdykoli vodivost klesá silněji než lineárně. To může být způsobeno závislostí pole na hustotě nosiče, jak je pozorováno u mědi dopovaného CdS způsobeno Frenkelovým Pooleovým buzením děr, což způsobuje rychlejší elektronovou rekombinaci, známou jako kalení pole.[2] Tyto domény s vysokým polem, nyní označované jako Böerovy domény, nebo polní závislostí mobility,[3] způsobeno excitací elektronů do vyšších vodivých pásem s nižší pohyblivostí, jak je pozorováno u GaAs, nazvaný Gunnův efekt.[4][5] Domény s vysokým polem lze identifikovat podle periodických kmitů pole mezi vysokou (doménou) a nízkou hodnotou, jak je znázorněno na obr.1.[6]

Obr. 1 Periodické kmitání proudu v Gunnově diodě.[6]

Mnoho dalších krystalů vykazuje takové domény typickými proudovými kmity. Domény s vysokým polem v mědi byly dotovány CdS lze snadno pozorovat pomocí Franz-Keldyshův efekt jako stacionární, přiléhající ke katodě[7][8] nebo se stěhuje.[9][10] Níže jsou analyzovány jako další příklad.

Teorie: Stacionární domény s vysokým polem lze analyzovat z transportních a Poissonových rovnic:

  a  

Projekce libovolného řešení křivek do libovolné nF rovinu lze vyplnit směrovými šipkami v kterémkoli bodě této roviny. Dvě pomocné křivky, pro které dn / dx = 0, volala n2(F) a dF / dx = 0 volala n1(F) rozdělit tuto rovinu do čtyř kvadrantů se stejným typem směrů. To je znázorněno na obr. 2 (vlevo) ve dvojitém logaritmickém zobrazení.[7]Jakékoli řešení npolovodič typu s blokovací katodou musí začínat hraniční hustotou nC to je pod hustotou ve velkém a blíží se singulárnímu bodu, ve kterém dn / dx = dF / dx = 0, to je hromadně, kde oba n(X) a F(X) jsou konstantní. Křivka řešení představuje a Schottkyho blokující kontakt jak je znázorněno na obr. 2 (B), křivka (a).[8]

(vlevo, odjet)
(B)
Obr. 2 (vlevo) Směrové pole (B) Schottkyho řešení, křivka (a). Se zvýšenou zaujatostí n2(F) se stabilně posouvá nahoru a doprava a může začít překračovat klesající větev n1(F)způsobené kalením v terénu; tím se vytvoří druhý singulární bod (II). Když se tento bod shoduje s hraniční hustotou nC, se vyvíjí řešení domény s vysokým polem (b).[8]

Když n(X) klesá ve vyšších polích kvůli příčině kalení pole o Poole-Frenkel excitace otvorů z Coulombových atraktivních lapačů otvorů, což následně zvyšuje rekombinaci elektronů prostřednictvím center rekombinace, a tím deformuje n1(X) křivka ve vyšších polích, jak je znázorněno na obr. 2 (B). Když se zkreslení zvýší, aktuální křivka n2(X) je posunut nahoru a doprava, a když se kříží n1(X) opět vytváří druhý singulární bod II. S dalším zvýšeným předpětím dosahuje tento singulární bod II hodnoty mezní hustoty nCa křivka řešení se změní z monotónního zvyšujícího se Schottkyho řešení na doménu vysokého pole, křivka (b): která zůstává konstantní poblíž katody a poté se během několika málo Debye délky přiblížit se ke konstantní hodnotě hromadně, poblíž singulárního bodu I. Šířka domény se zvyšuje s předpětím (obr. 3a), zatímco proud zůstává konstantní (obr. 3c).[8] Doména je viditelná jako tmavá část na přenosovém obrázku přes CdS destička, vyčnívající z katody, jak je znázorněno na obr. 3a. Pole v doméně lze získat ze sklonu domény, který se zvyšuje s předpětím (obr. 3b).[8]

Obr. 3 (a) High-Field Domain [tmavá oblast] zobrazená jako přenos blízko okraje pásma přes CdS platelett (b) Šířka domény vs. zkreslení (c) charakteristika proudového napětí[8] zobrazení konstantní větve, jakmile se objeví doména.

Když s dalším zvýšeným předpětím doména vyplní celý vzorek, pak se převrátí na anodu sousedící s doménou vysokého pole (obr. 4b). Pole na katodě je nyní mnohem vyšší než u domény sousedící s katodou (obr. 4b a c), zatímco proud stále zůstává v podstatě konstantní (obr. 4c).[7]

(c) šířka domény jako funkce předpětí (A) pro katodu - (B) pro doménu sousedící s anodou. d) charakteristika proudového napětí ukazující sytost v přechodovém bodě při předpětí 2 kV
(b) Přenosový obraz CdS krystalu se ztmavením Franz-Keldyshova efektu, sousední zkreslení katody 0 - 1700 V, doména sousedící s anodou 2 200 - 3 200 V
(C)
Obr. 4 (a) Přenosový obraz a CdS krystal s Franz-Keldyshův efekt ztmavnutí, které ukazuje od 0 do 1700 V vychýlení sousední domény katody a od 2200 do -3200 V sousední doménu anody; hranice domény je identifikována několika šipkami: (c) šířka domény jako funkce předpětí (A) pro katodu - (B) pro anodu sousedící doménu. a) charakteristika proudového napětí b) ukazující saturaci proudu přechodovým bodem v bodě 2 kV zaujatost.[7]

Domény s vysokým polem k určení pracovní funkce blokování kontaktů

Protože doména vysokého pole začíná na hustotě elektronů dané pracovní funkcí na katodě a táhne Schottkyho bariéra otevřené konstantnímu poli v doméně, toto pracovní funkce lze přesně určit a lze jej použít jako nástroj k určení změn pracovní funkce, protože se liší v závislosti na externích parametrech. Jako příklad lze uvést, že závisí na optickém buzení ve fotovodiči (viz obr. 5).[11]

Obr. 5 (a) Pracovní funkce jako funkce intenzity světla pro různé katodové kovy.[11]

Domény s vysokým polem jako nástroje pro měření hustoty elektronů v větvi ochlazené polem a pohyblivosti elektronů jako funkce teploty

Obr.6 Stínový pás uvnitř fotovodiče mění vodivost a pole uvnitř pásma a tím i hraniční hustotu na pravé straně pásu, tj. Působí jako pseudokatoda[8] s doménou vysokého pole začínající na anodové straně pseudokatody.

Doména s vysokým polem je určena hraniční hustotou na katodě a polem v doméně. Stínový pás před katodou funguje jako pseudokatoda, protože snižuje hustotu elektronů ve stínu (obr.6).[8] To lze použít jako experimentální nástroj ke změně mezní hustoty jako funkce intenzity světla ve stínu.

To umožňuje přímo měřit hustotu elektronů v rozsahu kaleném polem za použití různých hustot pseudoelektronů, což způsobuje posun singulárního bodu a měření pole domény.[8]

Elektron Pohyblivost haly lze měřit umístěním CdS destička v magnetu a použití předpětí dostatečného k vytvoření domény vysokého pole. Když je doména rozšířena o Hallovy elektrody, lze určit Pohyblivost haly v doméně. Různých polí v oblasti vysokého pole se dosahuje použitím různých vzorků nebo různých katodových kovů.[12]

Stacionární domény vysvětlující zvýšení efektivity CdTe solární články s tenkou CdS krycí vrstva

Aplikace vrstvy mědi dotované vrstvou 200Å silné CdS na vrcholu obvykle o tloušťce 2 μm CdTe solární článek, zvyšuje otevřený okruh napětí v podstatě tak, aby mohl dosáhnout teoretické hranice mezery pásma CdTe-emitter při extrapolaci na 0 K.Toto zlepšení lze vysvětlit omezením pole v CdS strana spojení, když dosáhne kritické hodnoty, aby se objevila doména s vysokým polem, a tím omezí maximální pole spojení na pole domény typického 50 kV / cm.[13] Toto pole je pod polem, ve kterém uniká elektron z CdS do CdTe dojde, což má za následek zvýšení napětí otevřeného obvodu a tím zvýšení napětí účinnost přeměny solárních článků.[14]

Stěhování domén s vysokým polem v mědi dopované CdS s malou kruhovou katodou

Domény začaly od katody, oddělovaly se a se zvyšujícím se předpětím zvětšovaly svůj poloměr. Když je dosaženo anody prstenec zmizel a z katody vyrostla nová doména. Proces se opakoval s periodou 10 sekund (obr.7).[1][15]

Obr.7: Kruh domény vysokého pole, zviditelněný pomocí Franz-Keldyshův efekt, krouží kolem katody a rozpíná se v čase 3 s mezi (a), (b) a (c).[15]

Takové nedeformované pohybující se domény v krystalech se štěrbinovými elektrodami jsou pásy rovnoběžné s elektrodami a viditelné oscilačním polem, když jsou zakresleny do x, F, t diagram dává optický dojem bifurkace (obr.8).[6]

Obr. 8 Vypočítané domény vysokého pole v Ge s polem jako funkce času v trojrozměrném vykreslování.[6]

Tyto pohybující se domény s vysokým polem se měří v p-Ge s (a) lokálním napětím (b) polem a (c) oscilací nosné hustoty (obr. 9).[16]

Obr. 9 Naměřená oblast vysokého pole v Ge (a) místní napětí (b) místní pole (c) Hustota elektronů, vše jako funkce vzdálenosti mezi dvěma elektrodami. Na všech obrázcích je čas parametr rodiny a měřítko každého grafu obrázku je identifikováno sloupcem vlevo dole.[16]

Nedeformované pohybující se domény s vysokým polem a domény s deformací (Chaos) jsou pozorovány u mnoha dalších krystalů,[17] a také v nanokrystalech[18] nebo superlatices.[19] Kvůli malé velikosti je však lze analyzovat pouze podle měnícího se tvaru charakteristik proudového napětí.

Böerovy domény

Domény s vysokým polem byly přejmenovány na Böerovy domény k 50. výročí jejich objevu.[20]

Výhody domén s vysokým polem

Měď dopovaný fotovodivý CdS ukazuje domény s vysokým polem, když při dostatečném zkreslení as blokujícími kontakty zůstávají tyto domény připojeny ke kontaktům. Pole v doméně je konstantní a proud je pouze driftový. Se zvýšeným předpětím se šířka domény zvětšuje. Když dosáhne obou elektrod, celý krystal se stane prostým nábojem (toto je další příklad, kdy interakce zmizí: pro interakci elektronů s fonony vzniká supravodivost; z interakce fotonů s fonony mohou být vyrobeny lasery). To dává příležitost měřit spektrální rozložení úrovní defektů bez interakce s rozšiřujícím se elektrickým polem obklopujícím defekty. První příklad ukazuje extrémně ostré zhášecí spektrum CdS krystalu, který byl invertován, aby se stal typem p s doménou vysokého pole (obr. 10)

Obr. 10 Signál pro zhášení elektronů a fotografií (zobrazený červeně) v ultračistém krystalu CdS typu p. Vložka ukazuje spektrální rozložení použitého monochromátoru, který nemá žádné anomálie v rozsahu signálu.[21]

Další výhodou domény s vysokým polem je přímé připojení jakéhokoli vysílače typu p prostřednictvím tenké vrstvy CdS dotované mědí přímo k elektrodě blokující elektrony, přes kterou jsou otvory extrahovány, a napětí otevřeného obvodu se zvyšuje, aby se přiblížilo teoretický limit odstupu pásma nebo emitoru při 0K. Protože v CdS je proud díry nyní nesen pouze driftem, můžeme konečně nakreslit pásmový model typického solárního článku. např. buňka CdS / CdTe, jak je uvedena na obr. 11. Poprvé můžeme odhadnout odhad pásma spojení náhlých hetero-spojů z rozdílu elektronových afinit výpočtem z kontinuity majoritního nosného proudu, s zbývá jen malá diskontinuita z rozdílu účinných hmot nosných v různých nosných pásmech.

Obr. 11 Pásmový model solárního článku CdS / CdTe v provozním stavu na AM1.[22]

Reference

  1. ^ A b C Karl W. Böer, Z. Physik 155, 184 (1959)
  2. ^ Karl W. Böer a G. A. Dussel Phys. Rev.154, 291 (1967)
  3. ^ Karl W. Böer Monatsber. d. Deutsch Akadem. d. Wissensch. 1 325 (1959)
  4. ^ J.B. Gunn Solid State Commun. 1, 88 (1963)
  5. ^ H. Kroemer, Proceedings IEEE 52, 1230 (1961)
  6. ^ A b C d Cantapediera, I.R. a kol. Phys. Rev. B48, 12278 (1993)
  7. ^ A b C d Karl W. Böer a P. Voss, Phys. Rev. 171, 899 (1968)
  8. ^ A b C d E F G h i Karl W. Böer a P. Voss, fyz. status solidi 28, 355 (1968)
  9. ^ E. Schoell, Nerovnovážné fázové přechody v polovodičích, Springer, Berlín (1978)
  10. ^ M.P. Shaw, V.V. Mitin a H.L. Grubin The Physics of Nestability in Solid State Electerronic Devices Plenum Press New York (1987)
  11. ^ A b R. J. Stirn, K. W. Böer a G. A. Dussel, Phys. Rev. B 7.4, 1443 (1973)
  12. ^ K. W. Böer a K. Bogus, Phys. Rev.186, 793 (1968)
  13. ^ K. W. Böer, H. J. Hänsch a U Kümmel, Z. für Physik 155, 170 (1959)
  14. ^ Karl W. Böer, J. Appl. Phys. 107 (2010), 023701
  15. ^ A b K.W. Böer, Vizualizace pole a současných nehomogenit, Springer Verlag (2011)
  16. ^ A b Kahn, A. M. a kol., Phys. Rev. B 43, 9742 (1991)
  17. ^ Eckehard Schoell, Nelineární prostorová časová dynamika a chaos v polovodičích, Cambridge University Press, (2001)
  18. ^ K.N. Akkeseev a kol. Phys. Rev. B 52 7849 (1995)
  19. ^ L.L. Bonilla et al. Solid State E 140 161 (1996).
  20. ^ Klaus Thiessen, fyz. stat. sol. (2011) doi:10.1002 / pssb.20146605
  21. ^ Böer, K.W. (2015), Význam stacionárních Böerových domén s vysokým polem sousedících se zlatou elektrodou pro fotovodivost CdS. Ann. Phys., 527: 378–395. doi:10.1002 / andp.201500115
  22. ^ Böer, K. W., domény vysokého pole v CdS sousedící se spojem solárních článků typu p. J. Appl. Phys. 119, 085703 (2016); https://dx.doi.org/10.1063/1.4942358

externí odkazy