2.3. Термостимульоване розрядження конденсатора

Квазірівноважний стан напівпровідника, зумовлений нерівноважним заповненням носіями заряду рівнів прилипання, можна створювати не лише оптичним перезаряджанням домішкових центрів, але й іншими способами. Наприклад, надлишкові носії заряду можна вводити в напівпровідник від зовнішнього джерела електричного струму. З цією метою виготовляють плаский конденсатор, однією з обкладинок якого є напівпровідниковий зразок, виготовлений у вигляді тонкої

- 34 -

платівки (або плитки). Інша обкладинка конденсатора – металева. Між обкладинками розташовують діелектрик з великою діелектричною проникністю, що забезпечує велику ємність конденсатора. Для заряджання конденсатора до його обкладинок прикладають напругу від зовнішнього джерела постійного струму (наприклад, батареї) (рис.2.7).

Рис.2.7. Схема методу ТРК.

При цьому в напівпровідник уводяться надлишкові носії заряду. Їх знак визначається полярністю з’єднаного з напів-провідником електрода, яку можна змінювати за допомогою комутатора К.

Процес заряджання конденсатора проводять при кімнатній або при низькій температурі Т₀, при якій виконується умова kT₀ << E_t. Якщо конденсатор заряджають при кімнатній температурі (рис.2.7, перемикач П у позиції 1), то після закінчення процесу заряджання, коли напруга між обкладинками конденсатора дорівнює напрузі U*, прикладеній до нього від зовнішнього джерела, конденсатор повільно охолоджують до температури Т₀. При цьому відбувається захоплення надлишкових носіїв заряду, введених у напівпровідник від зовнішнього джерела, наявними у ньому центрами захоплення (пастками). У випадку заряджання конденсатора при низькій температурі Т₀ захоплення надлишкових носіїв пастками відбувається під час заряджання. Тривалість процесу заряджання конденсатора у цьому випадку повинна бути достатньою для

- 35 -

забезпечення рівномірного заповнення пасток носіями заряду по всьому об’єму напівпровідникової обкладинки.

Після закінчення процесу заповнення пасток носіями заряду у напівпровіднику може залишитися деяка кількість вільних надлишкових носіїв. Для забезпечення умови їх зникнення (“рекомбінації”) проводять часткове розрядження конденсатора закорочуванням його через деякий опір R_н (рис.2.7, перемикач у позиції 2). При цьому надлишкові вільні носії заряду перейдуть з напівпровідникової обкладинки на металеву, що імітуватиме рекомбінацію. Цей процес можна контролювати за допомогою гальванометра Г, увімкненого в коло конденсатора послідовно з опором R_н. Після часткового розрядження конденсатора у напівпровіднику залишаться лише надлишкові носії заряду, локалізовані на центрах захоплення. Напівпровідник при цьому перебуватиме у квазірівноважному стані. Цей стан з напругою на конденсаторі U₀  U* при температурі Т₀ будемо вважати початковим.

Заряджений таким способом конденсатор використовують для дослідження термостимульованої релаксації електро-провідності, що зводиться до вимірювання температурної залежності розрядного струму конденсатора при нагріванні його від температури Т₀ з деякою сталою швидкістю b. Як і у випадку вимірювання ТСП, температура конденсатора збільшується за лінійним законом (2.6). При цьому зі збільшенням температури концентрація вільних носіїв заряду у напівпровіднику буде змінюватися внаслідок термічного спустошення пасток та відтоку носіїв на металеву обкладинку, що призведе до протікання електричного струму в зовнішньому колі конденсатора.

Дослідження термостимульованої релаксації електро-провідності напівпровідників за допомогою описаного методу називають методом термостимульованого розрядження конденсатора (ТРК).

Метод ТРК запропонований і теоретично обгрунтований в роботах А.Г.Ждана, В.Б.Сандомірського та А.Д.Ожередова в 1968 р. для дослідження параметрів центрів захоплення носіїв заряду в тонких напівпровідникових плівках. У цей же час (1969 - 1970 р.р.) вчені кафедри напівпровідникових матеріалів

- 36 -

Чернівецького держуніверситету (В.П.Заячківський, П.П.Бейсюк, А.В.Савицький) розробили методику дослідження методом ТРК центрів захоплення в об’ємних кристалах. При цьому був запропонований новий комбінований спосіб нерівноважного заповнення домішкових центрів носіями заряду за допомогою ефекту поля та оптичного збудження (див. п.2.5).

Залежність розрядного струму конденсатора І_ТРК від температури, як і у випадку ТСП, характеризується наявністю максимумів. Якщо швидкість нагрівання не дуже велика, тобто така, що при кожній температурі між рівнями прилипання і відповідною енергетичною зоною існує стан рівноваги, то можна припустити, що максимуми на кривих ТРК спостерігаються тоді, коли квазірівень Фермі носіїв, що термічно звільняються з пасток, збігається з відповідним рівнем прилипання.

Важливою особливістю методу ТРК є відсутність необхідності проведення додаткових досліджень для визначення знаку надлишкових носіїв, що захоплюються пастками. При з’єднанні напівпровідникової обкладинки конденсатора з неґативним полюсом батареї у напівпровідник уводяться надлишкові вільні електрони, які захоплюються рівнями прилипання для електронів. Визначені з аналізу спектрів ТРК параметри (E_t, S_t, N_t) характеризують у цьому випадку рівні прилипання для електронів, які розташовані у верхній частині забороненої зони поблизу зони провідності. Якщо напів-провідникова обкладинка з’єднана з позитивним полюсом батареї, то у напівпровідник уводяться надлишкові вільні дірки, що дозволяє визначити параметри рівнів прилипання для дірок.

Інша особливість методу ТРК полягає у тому, що він характеризується дуже малою ймовірністю повторного захоплення пастками термічно збуджених носіїв. Це дозволяє з аналізу кривих ТРК визначити як розташування рівнів прилипання у забороненій зоні напівпровідника, так і переріз захоплення S_t носіїв заряду. При наявності у напівпровіднику швидких рівнів прилипання із досліджень спектрів ТСП можна визначити величини Е_t і N_t, а дослідження ТРК на цих же зразках дозволяють визначити, окрім Е_t, ще й величину S_t.

- 37 -

Отже, спільні дослідження ТСП і ТРК дозволяють визначити всі три параметри (E_t, S_t, N_t), що характеризують наявні у напівпровіднику центри захоплення.