Введение к работе
Актуальность темы. Возможность достижения потёяциально высокой ёмкости и скорости записи (считывания) информации, характерной для оптических сред, обусловила интенсивное развитие преобразователей изображения (ПИ), способных мультиплицировать оптические сигналы в видимом диапазоне спектра и в реальном масштабе времени. Параллельная адресация и преобразование информации в них осуществляется в ввде картин: обычных изображений или збразов этих юображений.
Из перспективных оптических сред выделяются многокомпонентные оксидные ;оединения висмута со структурой силленита (ВіІ2СО20, где С - Si, Ge, Ті). Они )бладают комплексом фотоэлектрических и оптических свойств. Высокое юпротивление и широкий динамический диапазон изменения фотопроводимости юзволяет эффективно согласовать комплексные сопротивления активных слоев труктуры фотопроводник (силленит)-жидкий кристалл (ФП-ЖК) или МДП-ЖК. I другой стороны, высокоомность активных и всех пассивных диэлектрических омпонентов ПИ на основе указанных структур, обусловливает инерционность [ространствепного 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 іалоизученньг. 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 инообразие наблюдаемых явлений, происходящих как в многослойных груктурах, так и в изолированном кристалле, создать эквивалентную іектрическую схему замещения с учетом зонной модели.
Цель работы - исследовать кинетико-релаксационные процессы пространст-;нно-зарядового перераспределения в структурах на основе кристаллов ВіїгСОго. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи.
-
Провести комплексные исследования фотоэлектрических свойств (ФЭС) юлированных монокристаллов силленитов и многослойных структур на их ;нове; проанализировать и описать полученные результаты.
-
Методом электрических измерений и исследования комплексной переданной функции при переменном напряжении выявить основные закономерности іменешія параметров в зависимости от условий фотоактивации (ФА).
-
Методом фотоэмиссиоиной спектроскопии при импульсной активации в зтогальваническом режиме и режимах со смещением приповерхностных іластей пространственного заряда (ОГО) исследовать механизм и кинетику угогенерации и перераспределения носителей зарядов.
-
Построить модель и описать кинетико-релаксационные процессы перераспределения заряда с учётом зонной структуры кристаллов.
-
Разработать способы и устройства формирования оптического сигнала, ПИ на основе структур МОС-ЖК, обладающих новыми функциональными возможностями.
Научная новизна.
-
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 U0 и активационной асимметрией противоположных ОПЗ; динамического взаимовлияния противоположных ОПЗ 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 Ж, а также вследствие перезарядки поверхностных состояний (ПС).
-
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).
-
Доказаны закономерности проявления висмута на поверхности силленитов, обусловленные комплексным влиянием ПС, ОГО и тока через структуру вследствие различных условий активации контактов.
-
Установлены закономерности увеличения разрешающей способности (PC) и контраста (К) ЖК ПИ, обусловленные текстурированием поверхностей (ориентирующих покрытий) и их пространственной ориентацией с формированием мультиплексной матрицы и пространственным матрицированием напряженности электрического поля в ЖК-слое.
На защиту выносятся:
-
Экспериментальный спектросенситометрический комплекс для исследования стационарных и динамических ФЭС кристаллов силленитов;
-
При контакте металла с кристаллом на границе раздела формируются барьер типа Шотгки и окисиый 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-
-
Феноменология границы раздела металл - кристалл силленита. Зонная лодель и механизм кинетнко-релаксационных процессов зарядового -іерераспределения и проявления висмута;
-
Методы комплексной оценки параметров ПИ и средства оптической >бработки информации, обладающие новыми функциональными возможностями.
Практическая значимость:
-
Установлена эквивалентная электрическая схема замещения кристаллов илленитов, электрические параметры и закономерности их изменения при ФА, оказано существование резонансных частот, на которых чувствительность ПИ максимальна. Предложены методы оптимизации параметров активных н ассивных слоев ПИ и их режимов управления;
-
Предложены методики и устройства:
формирования световых потоков газоразрядных и накальных источников злучения, использования катодного пучка газоразрядной плазмы ксеноновой імпьі в качестве сенситометрического источника излучения; модуляции интенсивности спектра излучения апертурним диафрагмированием «фракционной решётки и повышения точности спектральных измерений; комплексной оценки и спектрального анализа статических и динамических юбражений путём аналитического синтеза тест-изображения, его когерентно-тгического преобразования, спектрального фурье анализа и аналитического однения с исходным тест-изображением;
повышения параметров ПИ (чувствительности, разрешающей способности и .істродействия) 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 U0; 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 «сталла BiuCO20, 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 Центрально-Черноземного 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-электронные 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.
