Кинетико-релаксационные процессы зарядового перераспределения в структурах на основе кристаллов силленитов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГБ ОД

/ лчг 700Я

СПИРИН ЕВГЕНИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

КИНЕТИКО-РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ЗАРЯДОВОГО ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ СИЛЛЕНИТОВ

01.04.10 - Физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Курск-2000

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники,

доктор физико-математических наук, профессор Захаров И.С.

Официальные оппоненты: - доктор химических наук Каргин Ю.Ф.,

Защита диссертации состоится 30 июня 2000 г. в 1600 ч. на заседании диссертационного совета К 064.50.04 по адресу г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

- кандидат физико-математических наук, доцент Князев А.Ф,

Ведущая организация Томский государственный университет

Автореферат разослан 29 мая 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук

Рослякова Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возможность достижения потенциально высокой ёмкости и скорости записи (считывания) информации, характерной для оптических сред, обусловила интенсивное развитие преобразователей изображения (ПИ), :пособных мультиплицировать оптические сигналы в видимом диапазоне спектра и в реальном масштабе времени. Параллельная адресация и преобразование информации в них осуществляется в виде картин: обычных изображений или эбразов этих изображений.

Из перспективных оптических сред выделяются многокомпонентные оксидные »единения висмута со структурой силленита (Вт12СО20, где С - Б!, ве, Т1). Они )бладают комплексом фотоэлектрических и оптических свойств. Высокое юпротавление и широкий динамический диапазон изменения фотопроводимости юзволяет эффективно согласовать комплексные сопротивления активных слоев :труктуры фотопроводник (силленит)-жидкий кристалл (ФП-ЖК) или МДП-ЖК. Г другой стороны, высокоомность активных и всех пассивных диэлектрических омпонентов ПИ на основе указанных структур, обусловливает инерционность [ространственного перераспределения зарядового рельефа в структуре ФП и лектрического поля в объёме ЖК. Обычно предполагается, что релаксационность Ж ограничивает как быстродействие, так и, связанную с этим, чувствительность, азрешающую способность и контраст преобразуемых изображений. Природа инамики переноса зарядов и механизмов их накопления в кристаллах силленитов ¡алоизученны. Анализ и интерпретация, как исходных теоретических положений, ак и экспериментальных данных, осуществляется в большинстве случаев с рименением идеализированных зонных моделей, что не даёт адекватного гражения реально наблюдаемых физических явлений.

Таким образом, для направленного совершенствования параметров ПИ на снове кристаллов силленитов необходимо установить механизм и природу отогенерации и перераспределения носителей зарядов, обобщить всё азнообразие наблюдаемых явлений, происходящих как в многослойных груктурах, так и в изолированном кристалле, создать эквивалентную кктрическую схему замещения с учетом зонной модели.

Цель работы - исследовать кинетико-релаксационные процессы пространст-;нно-зарядового перераспределения в структурах на основе кристаллов В^СОго-Для достижения цели необходимо решить следующие задачи.

1. Провести комплексные исследования фотоэлектрических свойств (ФЭС) юлированных монокристаллов силленитов и многослойных структур на их ;нове; проанализировать и описать полученные результаты.

2. Методом электрических измерений и исследования комплексной переданной функции при переменном напряжении выявить основные закономерности ;менения параметров в зависимости от условий фотоакгивации (ФА).

3. Методом фотоэмиссионной спектроскопии при импульсной активации в угогальваническом режиме и режимах со смещением приповерхностных ¡ластей пространственного заряда (ОГО) исследовать механизм и кинетику угогенерации и перераспределения носителей зарядов.

4. Построить модель и описать кинетико-релаксационные процессы перераспределения заряда с учётом зонной структуры кристаллов.

5. Разработать способы и устройства формирования оптического сигнала, ПИ на основе структур МОС-ЖК, обладающих новыми функциональными возможностями.

Научная новизна.

1. На основе установленных закономерностей и механизма процессов перераспределения зарядов в кристаллах силленитов впервые дано обобщенное описание наблюдаемых физических явлений. Оно построено с учетом: связанного электрически и оптически состояния потенциальных барьеров противоположных поверхностей кристалла, включенных встречно-последовательно через его квазинейтральную толщу; влиянием полярности приложенного напряжения и0 и акгивационной асимметрией противоположных ОПЗ; динамического взаимовлияния противоположных ОГО при перераспределении напряженности электрического поля в структуре. Показано, что наиболее эффективная генерация носителей осуществляется в области пространственного заряда с широкого спектра уровней в запрещенной зоне АЕ, а также вследствие перезарядки поверхностных состояний (ПС).

2. Впервые показано, что в кристаллах силленитов металл и барьер Шотгки разделены окисным слоем: прозрачным - для электронов и изолирующим - для дырок. Вследствие стабилизации ПС уровня Ферми ЕР на границах раздела окисел - барьер Шотгки формируются потенциальные ямы с образованием инверсного слоя, в которых накапливаются неосновные носители. С применением зонной модели Бардина даны объяснения процессов переноса, формирования и разрушения пространственного заряда (ПЗ).

3. Доказаны закономерности проявления висмута на поверхности силленитов, обусловленные комплексным влиянием ПС, ОГО и тока через структуру вследствие различных условий активации контактов.

4. Установлены закономерности увеличения разрешающей способности (РС) и контраста (К) ЖК ПИ, обусловленные текстур ированием поверхностей (ориентирующих покрытий) и их пространственной ориентацией с формированием мультиплексной матрицы и пространственным матрицированием напряженности электрического поля в ЖК-слое.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальный спектросенситометрический комплекс для исследования стационарных и динамических ФЭС кристаллов силленитов;

2. При контакте металла с кристаллом на границе раздела формируются барьер типа Шоттки и окисный слой, отделяющий барьер от металла: прозрачный - для электронов и изолирующий - для дырок. Доминирующая роль в определении высоты барьера Шотгки отводится ПС акцепторного типа и их распределению на поверхности кристалла. Вследствие стабилизации ПС уровня Ферми Ер на границах раздела окисел - барьер Шотгки формируются потенциальные ямы, в которых накапливаются неосновные носители-

3. Феноменология границы раздела металл - кристалл силленита. Зонная лодель и механизм кинетнко-релаксационных процессов зарядового герераспределения и проявления висмута;

4. Методы комплексной оценки параметров ПИ и средства оптической »бработки информации, обладающие новыми функциональными возможностями.

Практическая значимость:

1. Установлена эквивалентная электрическая схема замещения кристаллов илленитов, электрические параметры и закономерности их изменения при ФА, оказано существование резонансных частот, на которых чувствительность ГШ максимальна. Предложены методы оптимизации параметров активных н ассивных слоёв ПИ и их режимов управления;

2. Предложены методики и устройства:

формирования световых потоков газоразрядных и накальных источников злучения, использования катодного пучка газоразрядной плазмы ксеноновой 1мпы в качестве сенситометрического источника излучения; модуляции интенсивности спектра излучения апертурным диафрагмированием «фракционной решётки и повышения точности спектральных измерений; комплексной оценки и спектрального анализа статических и динамических юбраженнй путём аналитического синтеза тест-изображения, его когерентно-ггического преобразования, спектрального фурье анализа и аналитического однения с исходным тест-изображением;

повышения параметров ПИ (чувствительности, разрешающей способности и .¡стродействия) матрицированием пространственно-зарядового рельефа; бистабилыюго режима работы введением оптико-электронной отрицательной »ратной связи между фототоком (ФТ), интегрированным по кадровому окну, и тематически регулируемой величиной напряжения питания и0; пространственно - спектрального кодирования - декодирования путём шамической бистабильности в оптическом канале с оптической обратной связью дискретного разложения спектра мозаичной матрицей.

Достоверность. Результаты экспериментальных исследований статических и шамических ФЭС согласуются с известными результатами экспериментов, »лученных большинством авторов. Предложенные единый механизм и его зонная эдель пространственно-зарядового перераспределения, обусловленного язанным состоянием потенциальных барьеров противоположных поверхностей металла В1иС02о, объясняют как быстропротекающие кинетико-релаксационные юцессы, так и долговременные, обусловленные реструктуризацией оксидов юмута в приповерхностных областях кристаллов, а также объединяют всё знообразие фотоэлектрических явлений и эффектов.

Предложенный механизм проявления висмута с образованием пгаллоподобной пленки на поверхности силленитов хорошо коррелирует

классической теорией образования скрытого изображения и его проявления в ребросодержащих нереверсивных фоточувствительных средах, разработанной рни и Моттом, и с современными представлениями фотографических процессов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (НОЦ ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Санкт-Петербург, 1999); II и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» (МГИЭТ, Москва, 1997, 2000); региональной научно-технической конференции «Реализация региональных научно-технических программ Центральночерноземного региона» (Воронеж, 1997); V Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Проблемы совершенствования устройств и методов приёма передачи и обработки информации» (МИРЭА, Москва, 1988); III Всесоюзной конференции по физико-химическим основам технологии сегнетоэлектрических и родственных материалов (ИОНХ РАН, Звенигород, 1988); IV Всесоюзном совещании «Координатно-чувствительные фотоприёмники и оптико-элекгронные устройства на их основе» (Барнаул, 1987); IV Всесоюзном совещании «Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе» (Барнаул, 1988); Российской научно-технической конференции «Новые материалы и технология машиностроения» (МГАТУ, Москва, 1993); III Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 1997); Научно-технической конференции «Радиотехнические методы и средства измерений» (Томск, 1985).

Диссертационная работа является результатом исследований в области оптико-электронных средств обработки информации, вошедших в планы фундаментальных НИР Минобразования и АН.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 35 работ, в том числе: 5 статей, 15 тезисов докладов на Международных, Всесоюзных, Всероссийских научно-технических симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах, 15 патентов и авторских свидетельств.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 120 стр. машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, заключения и выводов; включает список цитируемой литературы из 170 наименований; содержит 57 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, рассмотрена концепция проблемы и пути её решения, приведена краткая аннотация работы.

В первой главе проведён анализ литературных данных по физическим свойствам соединений со структурой силленита и эффектам в многослойных системах на их основе. Рассмотрены особенности зарядовой адресации в биактивных ПИ с распределёнными параметрами. Исследованы классические модели МДП-ЖК и МДС-ЖК структур, их технические параметры и режимы работы. Сформулирована концепция проблемы, определены цель и задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены особенности и методические вопросы приготовления экспериментальных образцов (три группы), измерения и обработкиэкспериментальных данных."Описаны установки и разработанные методики эксперимента.

Первая группа образцов - для фотоэлектрических исследований кинетико-релаксационных процессов зарядового перераспределения в многослойных МСМ- МДСДМ-, МДСМ-структурах при планарном или типа «сэндвич» расположении электродов. Вторая - для электрооптических модуляционных исследований (кинетики реакции и релаксации, вольт-контрастной и вольт-частотной характеристики) твист-нематических ЖК ячеек. Третья - для исследования градационных (чувствительность и динамический диапазон передаваемых градаций яркости), шумовых (квантовая эффективность детектирования и отношение сигнал/шум), пространственно-частотных (разрешающая способность и дифракционная эффективность) и временных (кинетика и релаксация фотоотклика и электрооптического отклика) параметров преобразователей изображения МОС-ЖК и МДС-ЖК типа.

Основное внимание при разработке методик уделено комплексному исследованию фотоэлектрических и электрооптических процессов в единых -условиях эксперимента, что упрощает сравнение результатов и повышает достоверность данных, полученных разными методами. Для этой цели разработан спектросенситометрический комплекс для исследования трёх групп образцов при пространственно-однородном оптико-электронном возбуждении, позволяющий формировать непрерывные и импульсные световые потоки интенсивностью Е и Е* в единой оптической системе. Регистрация фотоэлектрических сигналов осуществлялась также в единой электрической измерительной цепи, рис.1,а.

ИПНС

Ом

С„.=С„,=4(Н0 Ф

-Йг^*

С,

Т.

Рис. 1. Электрические эквивалентные схемы: упрощенной измерительной цепи (а) и ПИ типа МОС-ЖК на основе кристаллов силленитов (б)

Использование высокостабильного по температуре и пространственном положению катодного острия газоразрядной плазмы ксеноновой лампы высокоп давления позволило получить сенситометрический источник излучения, н уступающий по стабильности и превосходящий по интенсивности и ширин спектра нахальные источники излучения. Более того, высокоэнергетическо светящееся острие позволило эффективно сконцентрировать энергию н входную щель полихроматора (на основе спектрографа ДФС-452) и получить н его выходе высокое спектральное разрешение с большой мощностью излучения спектральной линии.

Апертурным диафрагмированием дифракционной решетки спектрограф достигнута модуляция интенсивности излучения в широком временно! интервале по любому, определённо заданному в аналитическом виде закону. Пр этом повышенная точность спектральных измерений достигнута пути разложения в пространстве по спектральным линиям Ь градуировочног излучения источника линейчатого спектра и сканированием 2, по плоскост многоэлементного фотоприёмника с формированием кодовой комбинации.

Для измерения падения напряжения на высокоомном кристалле в МДПДМ структуре разработан метод, основанный на интегрировании на ёмкост диэлектрика протекающего через структуру тока.

Для комплексной оценки параметров ПИ и их спектрального анализ разработаны когерентно-оптические спектроанализаторы изображен^ основанные на аналитическом синтезе тест-изображения, его формировании проецировании на ПИ, когерентно-оптическом преобразовании, спектрально] Фурье анализе и аналитическом сравнении с исходным тест-изображением.

Для изучения процессов пространственно-зарядового перераспределени использован метод электрических измерений при переменном напряжении и^ео При этом анализ исследованных комплексных передаточных функци Ща))=Н(со)ехрОф(со)) {Щсо^и^соуи^со), фн(со)=фин(а>уфио((и)) для МСМ образцов устанавливает коррелирующий характер закономерностей изменени амплитуд и фаз в зависимости от частоты а>=2т$ для разных образцов. Эт позволило определить как структуру электрической цепи, так и её эквивалентны электрические параметры: активное сопротивление 7?(» и ёмкость С(ео), а такж «собственные» параметры кристаллов силленитов: удельное сопротивление р (/ и диэлектрическую проницаемость £ (Сг), рис. 1,6.

Экспериментально полученные в третьей главе для МСМ-структур] семейства амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) 1/=Р(/,Е) и фазе частотных характеристик (ФЧХ) ф=Р(/,Е) в области приборной чувствительност (от ~2 Гц и выше) для разных интенсивностей света Е свидетельствуют наличие как синфазных, так и антифазных токов в структуре, что характерно дл всех кристаллов ЕИ^СОго (рис.2).

АЧХ и ФЧХ имеют две явно выраженные границы с частотами среза: верхне -/вср=сопзЫ100 Гц при Е-0 (для кристалла В112ОеО20^гпО, толщиной <1=90 мкм) и нижней - /Иср=уаг при Е*0. При этом крутизна обеих границ пр изменении Е постоянна.

В интервале частот ^fHcp~fHcp ЛЧХ имеет экстремумы, амплитуды которых с юстом Е возрастают. При изменении Е=0.1-1.5-103 мкВт/см2 динамический шапазон изменения амплитуд отклика не превышает одного порядка. При Е<100 4кВт/см: амплитуды отклика не превышают уровня электрических шумов.

В отличие от амплитудного фазовый отклик начинает трансформироваться три изменении интенсивности от долей единиц микроватт/см2. С ростом Е фаза ,1ежду током / и напряжением U0, равная я/2 вблизи границы /ц(Е=0), уменьшается. При смещении в низкочастотную область ФЧХ проходит через разный минимум и далее начинает возрастать до исходного значения л/2 с {юрмированием нижней грашгцы fy. С ростом Е граница f¡¡ смещается к fB, юстигая насыщения (при Е>1400 мкВт/см2) и полного исчезновения фазного максимума

Наличие фазных экстремумов в диапазоне интенсивностей от Е=0 до 5тах~1400 мкВт/см2 свидетельствует об определяющем вкладе в фотоотклик шергии поляризации зарядов, обусловливающих динамическую фоточувстви-гельность структуры. При этом фотопроводимость и связанная с ней этнамическая фоточувствительность начинают проявляться при отклонении разовой зависимости от л/2 и распространяются в область инфранизких частот ИНЧ) за пределы приборной чувствительности при неизменной верхней границе, за которой фотопроводимость исчезает. В области ИНЧ имеет место :татическая фотопроводимость, и, по-видимому, связанные с ней, все фотоэлектрические явления и эффекты в постоянных электрических полях.

Исследование передаточной функции Hijeo) МСМ-структуры устанавливает характер аналитической зависимости ФЧХ от интенсивности Е на границах вырождения динамической фоточувствительности. Для <fi=F(f,E^0~) и

<f>=F(f,E^Emax*1400 мкВт/см2): = , где к - коэффициент

частотного смещения, h- характеристический коэффициент кривой (в случае вырождения фоточувствительности характеризует коэффициент крутизны дф/Sco и SU/So) и частоту среза верхней и нижней границ). При вырождении характеристический коэффициент кривой h^o^E-Emax-S/ó - является величиной постоянной и характеризует макроструктуру исследуемого образца (т.е. наличие в схеме замещения МСМ-структуры, как минимум, двух реактивностей -емкостей). В диапазоне от Е=0 до Е=Етах коэффициент h является многофакторной функцией, зависящей как от параметров излучения и режимов питания, так и от параметров монокристалла и конструкции в целом.

Коэффициент к частотного смещения определяет границы фотопроводимости структуры и, соответственно, границы её динамической фоточувствительности: при <fi=F(f,E-0) - к-300, а при 0=F(f,E=Emax) - к=2. При Е>Етеа отношение коэффициентов является постоянной величиной: kErQ/kP->xrl50. Следовательно, структура электрической цепи не изменяется.

МО"4 НО"2 1

Рис.2. Передаточные характеристики , - „ - ■ -(а,б,в,г) и электрические параметры (д,е,ж) ^кисеЩин^спьш спои МСМ-структуры (а,б) и МОС-ЖК структуры (в,г) на основе В112ОеО20 - гпО ((¿~900мкм) и нематического ЖК при /гм=2.8-3.4 эВ

Рис.3. Зонная модель контакта металл - силленит и механизм проявления висмута

Графоаналитический анализ <p¡:/(pE-n=F{f,E) выявил закономерность частотного смещения. Из люкс-частотной характеристики при фиксированных значениях фаз (для <р-30°, бО°п 45° - частоты среза) определен закон изменения отношения (рис.2,д).

Используя равенства баланса мощностей P"Km^lUHcos(?>*l2R и рпткт=iП0ЛуЧена система уравнений с активной R и реактивной X составляющими комплексного сопротивления Z МСМ-структуры. Решением системы уравнений с двумя неизвестными R иХ в области экспериментальных значений UH и <p¡ (рис.2,а,б) для каждого значения Е, установлены законы изменения люкс-омической и люкс-фарадной характеристик (рис.2,е), на основании которых синтезированы <p^F(f,E) и U„=F(f,E) в ИНЧ области (затемнённая часть рис.2,а,б,в,г).

Из передаточных функций видно, что с ростом Е: крутизна обеих границ равна и не изменяется - структура цепи постоянна; уменьшение фазового максимума и его частотное смещение с ростом со обусловливает изменение R{a>) и Х{со)\ геометрическая ёмкость Сг определяется верхней границей среза fñcp^const, которая не зависит от £ и не включает в себя ёмкости ОПЗ и окисного слоя (изменяемые при ФА), и при £=0 перекрывает их влияние; зарождение нижней границы ф(ЕЛ) и её смещение с ростом Е в сторону «нулевой» 0¡ как раз и свидетельствует об изменении параметров ОПЗ. При этом динамика частотного изменения положения нижней границы определяется как спектральной составляющей интенсивности света, так и условиями ФА ОПЗ противоположных сторон кристалла. Частота среза flkp^F(E) нижней границы характеризует параметры контактов металл-кристалл-металл при их ФА. При этом разность энергий поляризации зарядов на поверхностях и в объёме кристалла определяет глубину поверхностного уровня £„=2.1-2.7 эВ.

Параметры R-F(E), C~F(E) и Cr=const эквивалентной схемы замещения МСМ-структуры (рис. 1,6) определены из системы уравнений {UH=U0KÍ„; 9н^<рЖп\ R(ö>)-X(ra)=0} в экспериментальных областях/=2-7-Iff Гц и Е^О. 1-1400 мкВт/см2 (рис.2,д,е) и экстраполированы в области: интенсивности излучения Е<1 мкВт/см2 и приборной нечувствительности по частоте/<0.1 Гц.

При Е~0 из геометрических ёмкостей Сг МСМ-структур для образцов B12GeO20+ZnO, Bi2Ge02o, Bi!2SiO20 и Bi12Ti02<> диэлектрические проницаемости составили значения, соответственно, 44, 45, 50 и 52. Удельные темновые сопротивления, установленные на частоте fei-Iff6 Гц в точке пересечении R(E=0) и частотной зависимости Х(/,Е=0) (рис.2,ж), для всех образцов находятся в пределах 10,4-1016 Ом мм. При высоких концентрациях примесей в кристаллах такие высокие значения сопротивления обусловливаются существованием на границе раздела кристалл - электрод ОПЗ и оксидной прослойки.

При импульсной ФА амплитудно-временные спектры (ABC) и импульсы фотоотклика (ФО) для МСМ-сэндвич структур так же характерны для всех кристаллов Bii2CO20 (рис.4 и 5).

6. юг

замыкания

Рис.4. Амплитудно-временные спектры фотооткликов МСМ-структуры (С - В^ОеОвд-^пО) при освещении анода или катода интенсивностью Е=50 мкВт/см2 сине-зелёной области спектра

работы

замыкания

работа

замыкания

Рис.5. Амплитудно-временные спектры фотооткликов МСМ-структуры (С - В^ОеО^пО) при освещении анода или катода интенсивностью £=50 мкВт/смг сине-зелёной области спектра

При стационарной ФА процесс установления ФТ подобен характеру огибающих ABC. Установлено, что при одинаковой суммарной экспозиции H~Et процесс фотогальванической реакции различен: при непрерывном освещении в течение времени t и при периодическом — в виде ряда импульсов 4, разделённых темновыми паузами tm, причём t-Stu. В обоих случаях при одинаковой экс-позиции (для первого случая H-Et, для второго случая H=2£tu) классическая кинетика релаксации ФТ существенно отличается от огибающей амплитуд ФО в ABC по величине и времени достижения осциллирующих экстремумов. Исследо-вание эффекта импульсной ФА выявило наличие нескольких обстоятельств: с изменением частоты прерываний ИТ размах осцилляций носит экстремальный характер и зависит от скважности T/tu\ существует критическая частота, выше которой размах осцилляций ФО минимален и при дальнейшем росте 1/Т не изменяется; при импульсной ФА величина огибающей ФО всегда больше, а времена спада и нарастания огибающей всегда меньше соответствующих величин при непрерывной ФА; с ростом длительности í»10mc и периода прерываний Т»1 с огибающая пачки ФО начинает коррелировать и в пределе устремляется к амплитуде и форме классической кривой кинетики релаксации ФТ; параметры ФО: амплитудные, временные, а также осциллирующий характер реакции ФО с изменением знака £ течение действия tu и релаксационный экстремум на задний фронт /„ исчезают при смещении ОПЗ в прямом или обратном направлении (вставки на рис.4,5) v всегда возвращаются к своим исходным параметрам при фотодеполяризации i установившемся режиме зарядового перераспределения.

Исследование квазистационарных вольт-амперных характеристш экстремумов ФО устанавливает механизм переноса заряда, описываемы? эмиссией Шоттки, но с учетом наличия окисного слоя между металлом * поверхностью кристалла: изолирующего - для дырок и прозрачного - дш электронов. При этом эволюция кинетико-релаксационного перераспределенш зарядов при ФА последовательно проходит следующие стадии: разделенш фотогенерированных носителей освещенной ОПЗ, сопровождаемое уменьшением потенциальных барьеров как для дырок <рр, так и для электронов срп термоэлектронная эмиссия и перезарядка ПС с одновременной диффузией дыро! вглубь кристалла; установление диффузионно-дрейфового равновесия (вследствие перераспределения полей, в электрически связанных через объем кристалл; ОПЗ), сопровождаемого ростом % и % (активированной ОПЗ) и обратно! диффузией дырок. По окончании действия света барьеры <рр и <рп возрастают д< начального состояния, при этом обратный ток неосновных носителе! проявляется в релаксационном максимуме. Выравнивание диффузионны? потенциалов барьеров противоположных сторон кристалла при наличш окисного слоя и потенциальных ям для неосновных носителей носит затяжно! характер, и при определённых условиях (около равновесного состояния) могу наблюдаться инфранизкочастотные колебания амплитуд ФО в ABC (рис.4,в) При этом ИНЧ колебания проявляются при фотодеполяризации в режим( короткого замыкания.

При раздельной импульсной ФА (Е и £*, рис.1,а) широким спектром Ьу=1.9-4 эВ противоположных сторон кристалла ФО и его осцилляции уменьшаются и >и Е=Е* осцилляции исчезают полностью. Минимальная амплитуда ФО феделяется фотоионизацией мелких ловушек. При смещении спектра в [инноволновую область ФО наблюдается при больших напряжениях смещения.

Плотность потемнения (фотохромный эффект), полученная при импульсной А, также всегда больше плотности, полученной при непрерывной ФА. Данный нет объясняется тем, что высокая освещенность в импульсе генерирует ¡равновесные концентрации как электронов, так и дырок. В паузах между ¿пульсами фотогенерации не происходит, рекомбинация и перераспределение ¡равновесных концентраций обусловливается как разными временами жизни и щвижностью для электронов и дырок, так и разными % и <рт и приконтактными шовиями протекания процесса (рис.3,6).

Одним из условий восстановления атомов висмута является наличие свободных [ектронов. Наличие свободных электронов и их захват ловушками катализирует »сстаиовление скрытого центра проявления висмута, т.е. осуществляется шический процесс передачи электронов от восстановителя к »останавливаемому висмуту. Об этом свидетельствует восстановление висмута, имулированное электрическим полем. Поставляемые в данном случае внешним ночником (проявителем) электроны действуют аналогично «собственным» этоэлектронам. Однако, если для фотоэлектронов характерны равновероятные хваты на объёмных и приповерхностных дефектах кристаллической решетки, то [ектроны из проявителя захватываются более глубокими уровнями, >разованными восстановленными атомами висмута.

3 -Г.

ф- У

Ч- Е„

Ь"0

Проявление висмута

Перенос заряла висмута осуществляется по механизму последовательного взаимного замещения

д

Рис.6. Зонная модель МСМ «сэндвич» структуры в состоянии равновесия в сутсвие активационных факторов (а) и при при ФА: при разомкнутых (б) или »ротко замкнутых (в) электродах, при освещении анода (г) или катода (д)

Разная энергия квантов йу обусловливает конкуренцию сил кулоновского взаимодействия Е, или Рг как на ионы висмута, так и на электрически связанное состояние барьеров <р!„, <р2т (р1р, и <р2„ (рис.3,6). Возможно, что данный механизм участвует в появлении на спектральной зависимости поглощения т.н. «плеча» примесного поглощения, соответствующего полосе фундаментального поглощения кластеров окиси висмута с глубиной £=2.6-2.7 эВ. Его действие так же должно проявляться и на спектральной зависимости термостимулированных ФТ в виде отдельных пиков.

В четвёртой главе рассматриваются направления улучшения параметров ПИ и совершенствование средств оптической обработки информации:

1. Матрицирование пространственно-зарядового рельефа и напряженности электрического поля посредством пространственно-спектральной дискретизации оптического сигнала с одно- или двухсторонним выполнением матриц в виде мозаики - периодически расположенных светофильтров и (или) периодически содержащей дихроические красители в слое ЖК. Фильтрация оптического сигнала в пределах каждого элемента отображения с формированием суммарного «аддитивного» зарядового рельефа с соответствующим распределением плотности зарядов в сечении.

Микродискретизация зарядового рельефа в пределах диффузионной длины 1*4*3-5 мкм, локализация размерной неустойчивости модулирующих областей ЖК, а так же эффект «перфорирования» света увеличивают РС, К и энергетическую чувствительность ПИ. Фотогенерированные под отверстиями матрицы заряды, распространяясь вдоль границ раздела под действием зарядового градиента, захватываются ловушками, концентрация которых в объеме и на поверхности силленитов велика: Ы=10п-10 см3. При шаге дискретизации, равном 21диф, и размере отверстия 1диф взаимное влияние компонентов изображения друг на друга исключается.

2. Формирование оптико-электронной отрицательной обратной связи между управляющим ФТ, интегрированным по кадровому окну, и автоматически регулируемой величиной напряжения 1/0 позволяет эффективно управлять работой ПИ, а также исключает влияние нестационарности кинетико-релаксационных процессов фотоотклика МДС-и МОС-структур.

3. Управление временем хранения оптической информации достигается бистабильным режимом работы за счёт формирования фотоэлектрической обратной связи в цепи МОС-ЭОК.

4. Пространственно - спектральное кодирование - декодирование уровней яркости осуществляется путём динамической бистабильности в оптическом канале с оптической ОС и дискретного разложения спектра оптического сигнала мозаичной матрицей.

Предложены и обоснованы так же способы преобразования оптического сигнала и ряд других конструкций ПИ на основе кристаллов типа силленита.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны спектросенситометрический комплекс для исследования ционарвых и динамических ФЭС кристаллов силлешггов и когерентно-гический спектроанализагор сигналов для исследования параметров ПИ.

2. Установлены закономерности и механизмы перераспределения ГО в «пандах при воздействии оптических и электрических сигналов. Их природа ^словлена электрически и оптически связанным состоянием потенциальных эьеров на противоположных контактах кристалл-металл и взаимным влиянием })фузиош1ых потенциалов барьеров при перераспределении напряженности метрического поля в структуре. При контакте металла с поверхностью металла доминирующая роль в определении высоты барьера Шотгки отводится ' и их распределением на поверхности кристалла, характеризуемым уровнем =2.7-2.7 эВ. При этом металл и барьер Шоттки разделены окисным >лирующим слоем для дырок и прозрачным для электронов. Вследствие |билизации уровня Ер высота потенциальных барьеров не зависит от материала ^актируемого электрода.

3. Объяснены процессы формирования, переноса и разрушения ПЗ на основе шой модели Бардина. Механизм переноса: электронов, для которых окисные ж прозрачны, характеризуется эмиссией Шотгки; дырок, для которых окисные штрующие слои под влиянием ПС формируют потенциальные ямы с эазованием инверсного слоя и накоплением неосновных носителей, эеделяется их инжекцией при понижении <рр активированной ОПЗ в толщу ясталла и экстракцией инжектированных носителей в потенциальную яму зтивоположной ОПЗ. При этом на дырочный ток существенное влияние оывает прыжковая проводимость с участием примесных центров. Таким разом, процессы накопления неосновных носителей в потенциальных ямах и :ледукнцего их рассасывания - инерционные.

4. Проявление висмута на поверхности кристаллов осуществляется за счёт >бодных ионов висмута, образующихся в результате дефекта Френкеля и ханизма последовательного взаимного замещения их в решетке кристалла, юцесс определяется комплексным влиянием ПС и током, обусловленным тогальваническим эффектом и несимметричными условиями у контактов, гепечиваюищх равновесное состояние и условия электронейтральности.

5. Установлена эквивалентная электрическая схема замещения структур на гове кристаллов силленитов, состоящая из параллельно включенных двух костных ветвей: одна содержит реактивное сопротивление Ц(оСг)'\ условленное геометрической ёмкостью, другая состоит из последовательно точенных активного Я и реактивного (]ссС)'х сопротивлений, проводимости горых обусловлены изменяющимися от внешних воздействий параметрами пакта металл-силленит. Показано, что существуют частоты воздействия гических и электрических сигналов, при которых чувствительность структур к ¡ту максимальна. Предложены методы оптимизации и режимы работы МОС-{ структур, обладающих максимальными параметрами.

6. Разработаны и изготовлены: варианты ПИ, работающих в режимах «н отражение» и «на просвет», и оптико-электронные устройства для регистраци изображений. Для ЖК с низкочастотной инверсией знака диэлектрическо анизотропии, с использованием супертвист-эффекта, при контрасте 300: получены: время переключения от 1-Ю"4 с, динамический диапазон управлени длительностью отклика 0.004-1.5 с. Для созданного ПИ на основе кристалл BinGeO20*ZnO и ЖК достигнуты: частота смены кадров - более 20 Гь экспозиционная чувствительность - 1-10 мкДж/см2 при выдержке 1/100 с.

7. Предложены и обоснованы методы комплексной оценки параметров ПИ i средств обработки оптической информации и направления улучшения и: характеристик. Такими путями являются микродискретизация зарядовой рельефа изображения на поверхности кристаллов, формировали фотоэлектрической обратной связи за счёт конструктивных изменений ПИ i введения элементов управления процессами, протекающими в структурах динамическая бистабильность в оптическом канале и дискретное разложен» спектра оптического сигнала и др.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ:

1. Захаров И.С., Спирин Е.А., Умрихин В.В. Сенсибилизацш фоторефрактивных регистрирующих сред для обработки оптической информации// Известия КГТУ, Курск. 1997. J\fel. С. 115-125.

2. Захаров И.С., Спирин Е.А., Умрихин В.В. Некоторые оптические свойстве кристаллов типа сияленига// В сб. «Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного района». Воронеж, ВГТУ. 1997. С. 131-134.

3. Зюкин В.М., Щекин A.B., Спирин Е.А., Захаров И.С. Приповерхностная фотопроводимость сштенитов//«Микроэлектроника и информатика -2000». VII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. - М.: МИЭТ, 2000. С.6.

4. Зюкин В.М., Спирин Е.А., Захаров И.С. Особенности восстановления висмута в силленитах// Тез. докл. Всерос. научн.-техн, конф. по физике полупроводников и полупроводниковой охгго- и наноэлектронике, НОЦ ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. С-Пб. 1999. С. 58.

5. Захаров И.С., Спирин Е.А., Умрихин В.В. О температурной зависимости фототока в кристаллах типа силленита// Сб. тез. докл. II Всероссийской научн.-техн. конф. «Электроника и информатика-97», Зеленоград, МГИЭТ. 1997, ч.1. С. 86.

6. Захаров И.С., Спирин Е.А., Умрихин В.В. Моделирование температурной зависимости фототока в кристаллах типа силленита// Сб. материалов III Международной конф. «Оптико-электронные приборы и устройства распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Распознавание-97», Курск, КГТУ. 1997. С.136-138.

7. Захаров И.С., Спирин Е.А., Умрихин В.В. Фотоэлектрические свойства кристаллов силленита, легированного цинком// Сборник «Ультразвук и термодинамические свойства вещества». Курск, КГТТУ. 1994. С. 90-99.

Спирин Е.А., Захаров И.С. Кинетика фототоков в кристаллах типа силленита// Тез. докл. II науч. конф. «Фотоэлектрические явления в полупроводниках».

Ашхабад, Ылым. 1991: С. 116.----------------------------------------------------------------------------

Захаров И.С., Спирин Е.А., Умрихин В.В. Оптико-электронные системы регистрации динамических изображений на ПВМС// Тезисы и материалы докладов республ. науч.-техн. конф. «Материалы и упрочняющие технологии-94». Курск, КГТУ, 1994, с.152-154.

Спирин Е.А., Захаров И.С., Умрихин В.В. Фотоэлектрические процессы в кристаллах типа силленита при приложенном синусоидальном напряжении// Тез. докл. II науч. конф. «Фотоэлектрические явления в полупроводниках». Ашхабад, Ылым. 1991. С, 115.

Захаров И.С., Спирин Е.А. Динамика пространственного перераспределения зарядов в фоторефрактивных высокоомных кристаллах силленит-типа// Тез. докл. юбилейной конф. ученых КПИ, Курск. 1994. С.53-58. Спирин Е.А., Захаров И.С., Кичуткин К.М. Исследование жидкокристаллических транспарантов в динамическом режиме работы// Тез. докл. науч.-техн. конф. «Радиотехнические методы и средства измерения». Томск, ТГУ. 1985,4.1. С. 100-101.

Захаров И.С., Кичуткин К.М., Кистенёва М.Г., Спирин Е.А., Кравзе В.О.

Оптико-электронные процессы в кристаллах типа силленита// Тез. докл. IV Всесоюз. совещание «Координатно-чувствительные фотоприёмники и оптико-электронные устройства на их основе». Барнаул, НИИ АП, АПИ. 1987, ч.1. С. 166-167.

Захаров И.С., Кичуткин К.М., Спирин Е.А. Пространственно-временные модуляторы света в структуре МДП-ЖК на основе термически обработанных кристаллов силленитов// Тез. докл. IV Всесоюз. совещание «Координатно-чувствительные фотоприёмники и оптико-электронные устройства на их основе». Барнаул, НИИ АП, АПИ. 1987, 4.1. С. 168-169.

, Спирин Е.А., Кичуткин К.М., Захаров И.С., Мокрушин Ю.М. Особенности записи телевизионных изображений на ПВМС типа МДП-ЖК// Тез. докл. IV Всесоюз. совещание «Оптические сканирующие устройства и измеритель-ные приборы на их основе». Барнаул, НИИ АП, АПИ. 1988, ч.2. С. 26-27. . Спирин Е.А., Кичуткин К.М., Захаров И.С. ПВМС типа МДП-ЖК на основе кристаллов силленитов// В сб. Межотраслевых науч.-техн. конференций, совещаний, семинаров «Проблемы совершенствования устройств приёма, передачи и обработки информации». Москва, ВНИИ МИ. 1988. С. 14-16. . I.S.Zakharov, E.A.Spirin. Photoelectronic process kinetics in the sillenite crystals//Proceedings, International symposium "Luminescent detectors and transformers of ionizing radiation" LUMDETR'91. Riga, Latvia. 1991. c.20. . Мокроусов Г.М., Гавриленко H.A., Спирин E.A. Электропроводность гомогенных композиций на основе полиметилметакрилат - солеобразные формы s,p,d,f - металлов// Тез. докл. Российская науч.-техн. конф. «Новые материалы и технология машиностроения», Москва, МГАТУ, 1993. с. 39.

9 ,

.г . I ^ j

19. Захаров U.C., Спирин E.A., Кузнецов Ю.Н. Идентификация N-мерно матрицы экспериментальных значений методом синтеза высши производных// Тез. докл. конф. ученых КПИ, Курск. 1994. С.59-61.

20.Захаров И.С., Барбин С.И., Спирин Е.А., Умрихин В.В. Особенност вакуумной технологии изготовления твердотельных модуляторов света s основе кристаллов типа силленита// Сборник «Ультразвук термодинамические свйства вещества». Курск, КГИУ, 1994, с. 100-104.

21. Захаров И.С., Спирин Е.А.- Преобразователь изображения. Авторско свидетельство №1672431 от 22.04.1991 г.

22. Спирин Е.А., Захаров И.С., Мокроусов Г.М. Преобразователь изображена) Авторское свидетельство №1693580 от 22.07.1991 г.

23. Захаров И.С., Спирин Е.А. Преобразователь изображений. Авторско свидетельство №1770939 от 22.06.1992 г.

24. Спирин Е.А., Захаров И.С., Мокроусов Г.М. Оптический процессор Авторское свидетельство №1795440 от 08.10.1992 г.

25. Захаров И.С., Спирин Е.А., Мокроусов Г.М. Носитель оптическо; информации. Патент №2018957 от 30.08.1994 г.

26. Спирин Е.А., Захаров И.С. Преобразователь изображения. Патент №209288! от 10.10.1997 г.

27. Спирин Е.А., Захаров И.С. Спектральное устройство. Патент №2094758 о 27.10.1997 г.

28. Захаров И.С, Спирин Е.А. Источник излучения. Патент №2094899 о'

27.10.1997 г.

29. Захаров И.С., Спирин Е.А., Минайлов P.C. Когерентно-оптически! спектроанализатор изображений. Патент №2098857 от 10.12.1997 г.

30.Захаров И.С., Спирин Е;А., Умрихин В.В. Способ измерения падениз напряжения на полупроводнике в МДПДМ-структуре и устройство для ег< осуществления. Патент №2101720 от 10.01.1998 г.

31. Спирин Е.А., Захаров И.С. Конденсорный излучатель. Патент №2108606 от

10.04.1998 г.

32. Спирин Е.А., Захаров И.С. Конденсорный излучатель. Патент №2112259 от 27.05.1998 г.

33. Спирин Е.А., Захаров И.С. Способ градуировки спектра оптического излучения и устройство для его реализации. Патент №2119649 от 27.09.1998 г.

34. Захаров И.С., Спирин Е.А., Умрихин В.В. Преобразователь изображения. Патент №2130631 от 20.05.1999 г.

35.Захаров И.С., Рыков Э.А., Спирин Е.А. Перемножитеди^ыЦкочастсугни-х сигналов. Патент №2149447 от 20.05.2000 г. ^

Подписано в печать 25.05.2000 г. Формат 60x84, 1/16. Объём 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 75. 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Типография КГТУ. Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №50-25 от 01.04.97.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР НА ОСНОВЕ

МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ СИЛЛЕНИТ-ТИПА

1.1. Морфология монокристаллов силленитов и их получение

1.2. Кристаллофизические свойства

1.3. Анизотропия, индуцированная электрическими полями и светом

1.4. Фотоэлектрические свойства

1.4.1. Контактные явления

1.4.2. Механизм формирования перехода металл-силленит

1.4.3. Фотоэлектрический эффект на переходах

1.4.4. Особенности модельных представлений поверхности силленитов

1.5. Переходные процессы при фотоактивации неравновесных носителей

1.5.1. Кинетика электрического поля

1.5.2. Кинетика релаксации фототока в силленитах

1.5.3. Электрические модели кристаллов силленитов

1.5.4. Крутизна фронта активации и её влияние на фотоотклик

1.6. Переходные процессы и электрические модели многослойных структур

1.6.1. Классическая модель МДП-ЭОК-структуры

1.6.2. МДП-структура со сквозным током неосновных носителей

1.6.3. МДП-структура со сквозным током основных носителей

1.6.4. Модели ФП(МДП)-ЭОК-структур с большим током утечки

1.6.5. МДП-структура с учётом сквозных токов

1.7. Обоснование цели и задач исследования

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ

2.1. Объекты исследования

2.1.1. Кристаллы типа силленита

2.1.2. Жидкие кристаллы

2.1.3. Электрооптические твист-модуляторы света

2.1.4. Изготовление проводящих и диэлектрических слоевых компонентов

2.1.5. Особенности изготовления многослойных структур

2.2. Методики и экспериментальные комплексы

2.2.1. Спектросенситометрический комплекс

2.2.2. Формирование световых потоков источников излучений

2.2.3. Модуляция интенсивности излучения

2.2.4. Повышение точности спектральных измерений

2.2.5. Измерение падений напряжений на МДПДМ-структуре

2.2.6. Когерентно-оптические комплексы и анализ изображений

ГЛАВА 3. КИНЕТИКО-РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ЗАРЯДОВОГО ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ В СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОВ

СИЛЛЕНИТОВ

3.1. Зарядовое перераспределение при стационарной фотоактивации и 60 воздействии гармоническим полем

3.1.1. Исследование передаточных функций

3.1.2. Определение электрических параметров структуры

3.1.3. Определение схемы замещения

3.1.4. Передаточные характеристики ПИ МОС-ЖК-типа

3.2. Кинетико-релаксационные процессы при импульсной фотоактивации

3.2.1. Амплитудно-временные спектры фотооткликов

3.2.2. Эффект прерывистого действия света

3.2.3. Влияние истории образца на релаксацию фотоотклика

3.2.6. Стимуляция фотоотклика электрическим полем

3.2.7. Квазистационарные вольт-амперные характеристики

3.3. Фотохромный эффект и восстановление висмута в силленитах

3.3.1. Особенности методики исследования оптической плотности

3.3.2. Фотохромный эффект, стимулированный освещением

3.3.3. Фотохромный эффект, индуцированный электрическим полем

3.3.4. Влияние времени экспонирования

3.3.5. Электронный катализ восстановления висмута

3.4. Зонная модель кристаллов со структурой силленита

3.4.1. Механизм восстановления висмута в силленитах

3.4.2. Природа нестационарности зарядового перераспределения

ГЛАВА 4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЯ И СРЕДСТВА

ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

4.1. Матрицирование оптических сигналов

4.2. Формирование оптико-электронной отрицательной обратной связи

4.3. Оптическая обратная связь и бистабильный режим работы

Возможность достижения потенциально высокой ёмкости и скорости записи (считывания) информации, характерной для оптических сред [1-4], обусловила интенсивное развитие преобразователей изображения (ПИ) [5-9], способных мультиплицировать оптические сигналы в видимом диапазоне спектра в реальном масштабе времени. Параллельная адресация и преобразование информации в них осуществляется в виде картин: обычных изображений или образов этих изображений.

Из перспективных оптических сред выделяются многокомпонентные оксидные соединения висмута со структурой силленита (В^СОго, где С - 81, ве, И) [10-12]. Они обладают комплексом фотоэлектрических и оптических свойств. Высокое сопротивление и широкий динамический диапазон изменения фотопроводимости (Фп) позволяет эффективно согласовать комплексные сопротивления активных слоев структуры фотопроводник (силленит)-жидкий кристалл (ФП-ЖК) [5,13-20] или МДП-ЖК [6-9,21-28]. С другой стороны, высокоомность активных и всех пассивных диэлектрических компонентов ПИ на основе указанных структур обусловливает инерционность пространственного перераспределения зарядового рельефа в ФП и электрического поля в объёме ЖК. Обычно предполагается, что релаксационность ЖК ограничивает как быстродействие, так и, связанные с этим, чувствительность, разрешающую способность (РС) и контраст (К) преобразуемых изображений. Природа динамики переноса зарядов и механизмов их накопления в кристаллах силленитов малоизучены. Анализ и интерпретация как исходных теоретических положений, так и экспериментальных данных осуществляется в большинстве случаев с применением идеализированных зонных моделей [29-31], что не даёт адекватного отражения реально наблюдаемых физических явлений.

Таким образом, для направленного совершенствования параметров ПИ на основе кристаллов силленитов необходимо установить механизм и природу фотогенерации и перераспределения носителей зарядов (НЗ), обобщить всё разнообразие наблюдаемых явлений, происходящих как в многослойных структурах, так и в изолированном кристалле, создать эквивалентную электрическую схему замещения с учетом зонной модели.

Цель работы - исследовать кинетико-релаксационные процессы пространственно-зарядового перераспределения в структурах на основе кристаллов В^СОго

Научная новизна выполненной работы состоит:

1. В установлении закономерностей и механизма процессов перераспределения зарядов в силленитах, который установлен с учетом: связанного электрически и оптически состояния потенциальных барьеров противоположных поверхностей кристалла, включенных встречно-последовательно через его квазинейтральную толщу; влияния полярности приложенного напряжения и активационной асимметрии противоположных ОПЗ; динамического взаимовлияния противоположных ОПЗ при перераспределении электрического поля в структуре;

2. В определении наличия на границе раздела металл - барьер Шоттки (БШ) окисного слоя: прозрачного - для электронов и изолирующего - для дырок. Вследствие стабилизации ПС уровня Ферми ЕР на границах окисел - БШ формируются потенциальные ямы с образованием инверсного слоя (ИС), в которых накапливаются неосновные носители (НН). С применением зонной модели Бардина даны объяснения процессов переноса, формирования и разрушения пространственного заряда (ПЗ) в силленитах;

3. В доказательстве закономерности проявления висмута на поверхности силленитов, обусловленной комплексным влиянием ПС, ОПЗ и тока через структуру вследствие различных условий активации контактов.

Достоверность экспериментальных исследований подтверждается тем, что полученные результаты согласуются с результатами известных экспериментов, полученных большинством авторов. Предложенные единый механизм и его зонная модель пространственно-зарядового перераспределения^, обусловленного связанным состоянием потенциальных барьеров противоположных поверхностей кристалла В112С02о, объясняют как быстропротекающие кинетико-релаксацион-ные процессы, так и долговременные, обусловленные реструктуризацией оксидов висмута в приповерхностных областях кристаллов, а также объединяют всё разнообразие фотоэлектрических явлений и эффектов в широком частотном диапазоне электрических полей: от постоянного до переменного ВЧ-поля (105-106 Гц), за пределами которого реактивная проводимость геометрической ёмкости кристаллов силленитов превалирует над его ФЭС.

Предложенный механизм проявления висмута с образованием металлоподобной пленки на поверхности силленитов хорошо коррелирует с классической теорией образования скрытого изображения и его проявления в серебросодержащих нереверсивных фоточувствительных средах, разработанной Герни и Моттом, и с современными представлениями фотографических процессов.

На основе полученных результатов на защиту выносятся следующие научные положения и разработки:

1. Экспериментальный спектросенситометрический комплекс для исследования стационарных и динамических ФЭС кристаллов силленитов;

2. При контакте металла с кристаллом на границе раздела формируются БШ и окисный слой, отделяющий БШ от металла: прозрачный - для электронов и изолирующий - для дырок. Доминирующая роль в определении высоты БШ отводится ПС акцепторного типа и их распределению на поверхности кристалла. Вследствие стабилизации ПС уровня Ферми ЕР на границах раздела окисел - БШ формируются потенциальные ямы, в которых накапливаются НН;

3. Феноменология границы раздела металл - кристалл силленита. Зонная модель и механизм кинетико-релаксационных процессов зарядового перераспределения и проявления висмута;

4. Методы комплексной оценки параметров ПИ и средства оптической обработки информации, обладающие новыми функциональными возможностями.

Практическая значимость состоит в следующем:

На основе предложенной зонной модели объяснена природа нестационарности, присущая всем фотоэлектрическим явлениям, наблюдаемым в силленитах; установлена эквивалентная электрическая схема замещения кристаллов, электрические параметры и закономерности их изменения при ФА; доказано существование резонансных частот, на которых чувствительность ПИ максимальна; предложены методы оптимизации параметров активных и пассивных слоев ПИ и их режимов управления. Предложены методики и устройства:

- формирования световых потоков газоразрядных и накальных источников излучения, использования катодного пучка газоразрядной плазмы ксеноновой лампы в качестве сенситометрического источника излучения;

- модуляции интенсивности спектра излучения апертурным диафрагмированием дифракционной решётки и повышения точности спектральных измерений;

- комплексной оценки и спектрального анализа статических и динамических изображений путём аналитического синтеза тест-изображения, его когерентно-оптического преобразования, спектрального фурье анализа и аналитического сравнения с исходным тест-изображением;

- повышения параметров ПИ (чувствительности, разрешающей способности и быстродействия) матрицированием пространственно-зарядового рельефа;

- бистабильного режима работы введением оптико-электронной отрицательной обратной связи между фототоком (ФТ), интегрированным по кадровому окну, и автоматически регулируемой величиной напряжения питания Uo,

- пространственно - спектрального кодирования - декодирования путём динамической бистабильности в оптическом канале с оптической обратной связью и дискретного разложения спектра мозаичной матрицей.

Работа является результатом исследований в области оптико-электронных средств обработки информации, вошедших в планы фундаментальных НИР Минобразования, РАН и АН СССР: «Разработка вакуумной технологии создания твердотельных элементов обработки оптической информации на основе фоторефрактивных кристаллов»; «Оптико-электронные преобразователи оптических изображений в реальном масштабе времени»; «Нестационарные процессы в фоторефрактивных кристаллах и построение оптико-электронных элементов и устройств для регистрации оптических и динамических изображений»; «Формирование оптических изображений в нелинейных фоторефрактивных средах и создание оптико-электронных систем их обработки»; «Нестационарные процессы в фоторефрактивных кристаллах типа силленита», региональной научно-технической программы «Вуз-Черноземье».

Созданные варианты оптико-электронных устройств обработки оптической информации и ПИ экспонировались на международной выставке в Великобритании «Physic light fantastic» в экспозиции «Голография в СССР», на выставках АН и Министерства образования. Одна из разработок была удостоена серебряной медали ВДНХ СССР.

По материалам диссертации опубликовано более 50 трудов, получено 15 патентов и авторских свидетельств, 7 положительных решений о выдаче патентов.

Работа изложена на 120 с. машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, заключения и выводов; включает список цитируемой литературы из 170 наименований; содержит 57 рисунков и 4 таблицы, а также приложение.