ТЕМПЕРАТУРНО-ЧАСТОТНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2006, том 49, №2
ФИЗИКА
УДК 539.21:537.31
Х.С.Каримов, член-корреспондент АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, И.Кази,
С.А.Моиз, Т.А.Хан, У. Шафик, И.Хомидов, Дж.Валиев
ТЕМПЕРАТУРНО-ЧАСТОТНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ ФТАЛОЦИАНИНА МЕДИ И
АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
Известно, что органические полупроводники потенциально могут быть использованы в разработке различных фотоэлектрических датчиков, солнечных элементов,
светодиодов, полевых транзисторов [1-3]. Сравнительная дешевизна материалов и технологии изготовления приборов делают органические полупроводники весьма привлекательными для практического использования [4-7].
Одним из наиболее важных направлений в технологии и применении органических полупроводников является разработка различного рода датчиков, в частности фотоэлектрических и фотоэлектрохимических. Наряду с органическими солнечными элементами, ряд разработок может найти применение в ближайшем будущем. Причѐм, как
известно, для одних и тех же структур, используемых в качестве солнечных элементов и
датчиков, практическая реализация их облегчается ввиду того, что для датчиков, в отличие от солнечных элементов, не требуется высокая эффективность преобразования
солнечной энергии в электрическую. Для датчиков важнейшими параметрами являются
спектральная чувствительность, частотная характеристика, линейность характеристик
данных тока и напряжения. Поэтому важным является создание и исследование гетероструктур типа «органический неорганический полупроводники».
В [8] нами исследовались фотоэлектрические датчики на основе фталоцианина
меди (CuPc) и арсенида галлия (GaAs). Было установлено, что датчики (Ag/p-CuPc/nGaAs/Ag) обладают высокой чувствительностью по току и напряжению в широком
спектре длин волн от 200 до 1000 нм, что, по-видимому, в первую очередь связано с уникальными свойствами CuPc. Технология изготовления датчика описана в [8,9]. Некоторые технологические параметры датчика и гетероперехода были следующие: коэффициент пропускания полупрозрачной плѐнки серебра, напылѐнной на плѐнку CuPc, был равен 6 – 10%, толщина плѐнки CuPc – 40 нм, толщина обеднѐнного слоя в р-CuPc и nGaAs составляла 16 и 34 нм [10]. При практическом использовании датчика важной является информация о зависимости его свойств от температуры и частоты модуляции
принимаемого света. Вследствие этого в данной работе приведены экспериментальные
и расчѐтные результаты по исследованию температурно-частотных зависимостей напряжения холостого хода и тока короткого замыкания фотоэлектрического датчика
Ag/p-CuPc/n-GaAs/Ag в интервале температур +23…+74°С и диапазоне частот 10 Гц –
100 кГц.
Датчик облучался полупроводниковым инжекционным лазером с длиной волны
650 нм и максимальной мощностью 1 мВт (входное напряжение изменялось в пределах
138
Физика
Х.С.Каримов, Х.М.Ахмедов, И.Кази, С.А.Моиз, Т.А.Хан, У. Шафик, И.Хомидов, Дж.Валиев
0-4,5 В), луч которого модулировался генератором переменного напряжения Побразной формы. Для измерения размаха напряжения холостого хода (Vхх) использовался осциллограф, а постоянная (Iкз =) и переменная (Iкз~) составляющие тока короткого замыкания измерялись цифровыми приборами.
На рис.1 (а) и 1 (б) приведены соответственно частотные и температурные зависимости Vхх: видно, что с ростом частоты Vхх практически не меняется, тогда как с температурой падает по экспоненте. На рис.2 (а) и 2(б) представлены I кз =, а на рис.3 (а) и 3
(б) – Iкз~ в зависимости от частоты и температуры соответственно. Видно, что I кз = почти не изменяется с температурой и частотой, Iкз ~ практически не зависит от температуры, но уменьшается с ростом частоты.
а
б
Рис.1. Частотные (а) и температурные (б) зависимости напряжения холостого хода (Vxx) датчика:
1 – эксперимент; 2 – расчѐт.
а
б
Рис. 2. Частотные (а) и температурные (б) зависимости постоянной составляющей (Iкз=)
тока короткого замыкания датчика: 1 – эксперимент; 2 – расчѐт.
139
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2006, том 49, №2
Рис. 3. Частотные (а) и температурные (б) зависимости переменной составляющей (Iкз~)
тока короткого замыкания датчика: 1 – эксперимент; 2 – расчѐт.
Эквивалентные схемы солнечных элементов [11] и полупроводниковых диодов
[12] были использованы в [9] для разработки эквивалентной схемы данного датчика с
источником пульсирующего тока П-образной формы (действительно, при облучении
датчика модулированным светом, ток в цепи датчика пульсирующий.). Для облегчения
расчетов нами в эквивалентной схеме данный источник тока был заменѐн источниками
постоянного (I =) и синусоидального (I~) токов (рис.4). Эта схема была использована
для получения расчетных данных Vхх, Iкз~ и Iкз = по методу суперпозиции [13]. На этой
схеме Rш и Rп – параллельное и последовательное сопротивления, которые определяются из темновых вольт-амперных характеристик датчика [9,14], как максимальное при
обратном и минимальное при прямом напряжении сопротивления соответственно.
Конденсатор С1 равен сумме ѐмкости n-р гетероперехода и диффузионной ѐмкости, С2 эквивалентная ѐмкость параллельная выводам датчика.
Рис.4. Эквивалентная схема датчика с источниками постоянного (I=) и
переменного синусоидального (I~) токов.
Исходные параметры для вычислений были следующие: Rш=5 кΩ и Rп=260 кΩ
при Т=28оС и f=10 Гц. Конденсатор С1=8,6 10-4 А Ф/м2 [10], где А – площадь поверхности датчика (7б1 см2). Было установлено, что при С1= 600 нФ и С2 = 300 нФ расчѐтные
данные близки к экспериментальным величинам: на рис.1-3 приведены расчетные данные в сравнении с экспериментальными результатами. Дальнейшая работа может быть
140
Физика
Х.С.Каримов, Х.М.Ахмедов, И.Кази, С.А.Моиз, Т.А.Хан, У. Шафик, И.Хомидов, Дж.Валиев
проделана по уточнению и дополнению эквивалентной схемы датчика с учѐтом того,
что в действительности параметры Rш , Rп, С1 и С2 зависимы не только от температуры и частоты соответственно, но и от электрического поля или приложенного напряжения. Эквивалентная электрическая схема может быть использована при применении
датчика в измерителях интенсивности света в диапазоне длин волн от 200 нм до 1000 нм.
При этом датчик следует использовать в режиме источника тока, т.е. сопротивление нагрузки должно быть значительно меньше внутреннего сопротивления датчика [13], что
на практике легко реализуемо.
Таким образом, проведѐнные исследования температурно-частотных зависимостей напряжения холостого хода и тока короткого замыкания фотоэлектрического датчика Ag/p-CuPc/n-GaAs/Ag в интервале температур +23…+74°С и диапазоне частот 10
Гц – 100 кГц показали, что Vхх и Iкз = практически не зависят от частоты, а Iкз~ и Iкз = от
температуры. В тоже время Vхх эспоненциально падает с температурой, а Iкз~ с частотой.
Расчеты, проведѐнные с использованием эквивалентной схемы датчика, дали данные,
согласующиеся с экспериментальными результатами. Учитывая, что постоянная составляющая тока короткого замыкания (Iкз =) не претерпевает существенных изменений, как
с температурой, так и с частотой, еѐ измерение должно быть принято во внимание при
разработке измерителей интенсивности света и люксметров с использованием данного
датчика.
Физико-технический институт им. С.У.Умарова
АН Республики Таджикистан,
Институт прикладных наук и технологий
им. Гулам Исхак Хана, Пакистан.
Поступило 04.06.2005 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Shirota Y. – J. of Material Chemistry, 2000, vol.10, pp.1-25.
2. Pientka M., Dyakonov V., Meissner D., Rogach A., Talapin D., Weller H., Vanderzande D. – Nanotechnolgy , 2004 , vol.15, pp.163-169.
3. M. Chikamatsu M., Taima T., Yoshida Y., Saito K., and Yase K. – App. Phys. Lett., 2004, vol.82,
pp. 127-132.
4. Sullivan P., Heutz S., Schultes S.M. and Jones T.S. – App. Phys. Lett. , 2004, vol.84, pp. 12101214.
5. Xie Z.Y. and Hung L.S. – App. Phys. Lett, 2004, vol.84, pp.1207-1209.
6. Gutman F., Lyons L.E. Organic semiconductors. Malabar, Florida, Part A: Robert E. Krieger
Publishing Company, 1980, 563 p.
7. Gutman F., Keyzer H., Lyons L.E., Somoano R.B. Organic semiconductors. Malabar, Florida
Part B: Robert E. Krieger Publishing Company, 1983, 491 p.
8. Karimov Kh.S., Akhmedov Kh.M., Dzhuraev A.A., Khan M.N., Abrarov S.M., Fiodorov M.I. –
Eurasian Chem. Tech. Journal, 2000, No.3-4, pp. 251-258.
9. Karimov Kh.S., Ahmed M.M., Moiz S.A., Fedorov M.I. – Solar Energy Materials & Solar Cells,
2005, vol.87, pp.61-75.
141
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2006, том 49, №2
10. Фѐдоров М.И. Исследование физической природы гетеропереходов органическийнеорганический полупроводник и их применение. Автореферат дисс. доктора физ.-мат. наук. Рязань, Россия, 2004, 34 с.
11. Twidell W., Weir A.D. Renewable energy resources. Cambridge: E & FN Spon, 1986, 439 p.
12. Епифанов Г.И., Мома Ю.М. Твердотельная электроника. М.: Высшая школа, 1986, 304 с.
13. Irwin J.D. Basic Engineering Circuit Analysis. Cambridge, 5th Edition: Macmillan publishing company, 1990, 506 p.
14. Loutfy R.C., Sharp J.H., Hsiao C.K., Ho R. – J. Appl. Phys., 1981, vol.52, рp.5218-5225.
Х.С.Каримов, Х.М.Ахмедов, И.Кази, С.А.Моиз, Т.А.Хан, У.Шафик, И.Хамидов,
Љ.Хамидов
МУШАХАССАЊОИ ЊАРОРАТИВУ БАСОМАДИИ ФОТОЭЛЕКТРИКИИ
ДАТЧИК ДАР АСОСИ ФТАЛОСИАНИ МИС ВА АРСЕНИДИ ГАЛЛИЙ
Дар маќола натиљањои таљрибавї ва њисобї доир ба тањќиќи вобастагии
њароративу басомадии шиддати ѓайрикорї ва љараѐни расиши кўтоњи датчики
фотоэлектрикї дар асоси фталосианини мис ва арсениди галлий оварда шуданд. Нишон
дода шудааст, ки дар фосилаи њароратњои +23…+74°С ва фосилаи басомадњои 10 Гс –
100 кГс шиддати ѓайрикорї ва љараѐни расиши кўтоњ амалан ба басомад вобастагї надоранд.
Kh.S.Karimov, Kh.M.Akhmedov, I.Qazi, S.A.Moiz, T.A.Khan, U.Shafique, I.Homidov,
J.Valiev
TEMPERATURE AND FREQUENCY PHOTO-ELECTRIC RESPONSE
OF THE SENSOR ON THE BASE OF COPPER PHTHALOCYANINE AND
GALLIUM ARSENIDE
An investigation was made on photoelectric properties of Ag/p-CuPc/n-GaAs/Ag sensor. It was measured dependences of open-circuit voltage and short-circuits current on temperature (+23…+74°С) and frequency (10 Hz-100 kHz) of modulation of the semiconductor
p-n junction laser. It was found that calculated by use of equivalent circuit of the sensor data,
and experimental results are matched reasonably.
142