ГЛАВА 2
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В данной главе дана характеристика используемых в работе токовых методов термоактивационной спектроскопии: термостимулированной поляризации; термостимулированной деполяризации в режиме линейного и фракционного нагрева; температурно-частотной зависимости диэлектрической проницаемости. Приведена общая структурно-методическая схема исследований. Описаны используемые измерительные установки, даны оценки разрешающей способности методов термоактивационной спектроскопии. Описаны методики проведения измерений и приготовления образцов.
2.1. Методы термоактивационной токовой спектроскопии
2.1.1. Общая характеристика методов
Среди методов исследования диэлектриков и полупроводников важное место занимают методы термоактивационной спектроскопии. Универсальность и информационная емкость этих методов обусловлены выбором в качестве стимулирующего фактора теплового движения молекул вещества, которое лежит в основе любого релаксационного процесса. Преимуществом методов термоактивационной спектроскопии является то, что процессы релаксации заряда исследуются в функции температуры, а не времени. Это имеет очевидное преимущество, т.к. природа различных процессов релаксации при таком способе выявляется весьма быстро.
Среди методов термоактивационной спектроскопии в свою очередь можно выделить токовые методы. Токовая спектроскопия, как правило, позволяет исследовать электрофизические процессы, обусловленные безизлучательными электронными переходами, а также объекты в оптически непрозрачном окружении. Кроме того, исследователей привлекает простота технической реализации, высокая чувствительность и отсутствие специальных требований к обработке поверхности образцов.
К настоящему моменту выделяют три основных вида термоактивационной токовой спектроскопии: термостимулированный ток проводимости (ТСТП), термостимулированная поляризация (ТСП) и термостимулированная деполяризация (ТСД). Несмотря на близость процедур измерения и математического описания, эти методы являются принципиально различающимися методами.
Сущность метода ТСТП заключается в следующем. Исследуемый диэлектрик (полупроводник) предварительно возбуждают светом или импульсами напряжения при низкой температуре, что обуславливает увеличение времени релаксации созданного неравновесного состояния. После окончания возбуждения и выдержки образца в темноте, необходимой для рекомбинации неравновесных электронов и дырок, образец нагревают со слабым приложенным постоянным электрическим полем (обычно применяется режим линейного нагрева). В процессе нагревания происходит освобождение неравновесных носителей заряда, захваченных на ловушки при возбуждении, что приводит к изменению проводимости образца и, следовательно, тока, протекающего во внешней цепи ?81?.
Использование метода ТСТП ограничивается исследованием процессов термического опустошения центров захвата. В рамках классической теории ТСТП предполагается, что носители заряда (свободные и локализованные) распределены в образце однородно. Это условие накладывает ограничения на тип контактов: они должны быть неблокирующими и неинжектирующими.
Для исследования поляризационных процессов (пространственно неоднородного распределения локализванных носителей заряда и упорядоченной ориентации диполей) используется метод ТСП. Его сущность заключается в нагреве с приложенным постоянным электрическим полем предварительно невозбужденного диэлектрика (полупроводника). Для реализации метода хотя бы один из контактов должен быть блокирующим. На практике, однако, трудно реализовать в чистом виде процессы термостимулированной проводимости и поляризации отдельно ?81?.
Метод ТСД состоит в следующем. Исследуемый образец предварительно поляризуется. Поляризация достигается путем приложения электрического поля при высокой температуре, в ряде случаев в сочетании с освещением. Под действием поля свободные носители заряда смещаются на макрорасстояние с последующим захватом на ловушках. Одновременно с этим диполи (квазидиполи) ориентируются по полю. Заполяризованный образец охлаждается с приложенным полем до более низкой температуры. Далее осуществляется деполяризация при нагревании образца с закороченными электродами. Ток ТСД обусловлен током проводимости и током смещения, он несет информацию не только о центрах захвата (ловушках), но и о процессах реориентации диполей (квазидиполей) в исследуемом образце ?81?. Эпюры методов ТСТП, ТСП, ТСД представлены на рис. 2.1 ?82?.
Различие в процедурах измерения ведет к тому, что в случае ТСД процесс миграции носителей происходит во внутреннем самосогласованно меняющемся при нагреве поле, в случае ТСТП ? в постоянном слабом внешнем поле, в случае ТСП ? в сильном поле, сложным образом изменяющемся при нагреве.
Отметим, что использование методов термоактивационной токовой спектроскопии ограничивается исследованием высокоомных полупроводников и диэлектриков, так как необходимо, чтобы концентрация неравновесных носителей заряда значительно превышала концентрацию равновесных носителей.
2.1.2. Разрешающая способность методов токовой спектроскопии
В высокоомных материалах спектр локальных состояний, как правило, является сложным, поэтому особое место занимает вопрос о разрешающей
способности (РС) методов термоактивационной спектроскопии. Литературные данные об РС немногочисленны ?83-87?. В ?83? рассмотрена РС термолюминисценции (ТЛ) при мономолекулярной рекомбинации. Кроме того, установлено, что при мономолекулярной рекомбинации неравновесных носителей кривые ТЛ, ТСТП имеют идентичную форму ?83, 86?, а соответствующие методы ? одинаковую разрешающую способность ?87?. Если в процессе термической стимуляции осуществляется кинетика релаксации заряда второго порядка, то РС метода ТСД оказывается выше, чем ТСТП ?82?
Качественно обоснован вывод о том, что метод ТСД обладает большей чувствительностью и разрешающей способностью, чем метод ТСП ?84?. Этот вывод находит экспериментальное подтверждени