Компьютерное моделирование сенситометрических характеристик формирователей сигналов изображения

Осаждение из паровой фазы.

Чаще всего термическое испарение в вакууме проводится в открытых системах, в которых тигель и подложка устанавливаются в одном и том же объеме, ограниченном вакуумной камерой. Температура подложки, в процессе испарения, оказывает определяющее влияние на свойства осажденного материала. Оптимальное значение температуры составляет 180-200o
С.

Тигель для испаряемого вещества обычно изготовляют из кварца. Испарение чистого CdS проводят при температуре тигля, приблизительно равной 1000o
С; испаряемый материал можно загружать в тигель в виде порошка или гранул.

Несовершенство метода испарения в открытом вакууме заключается в загрязнении пленки, что связано с наличием примесей в системе для испарения, а также в необходимости проведения дополнительной рекристаллизации.

Катодное распыление.

В данном случае слои образуются катодным распылением в атмосфере инертного газа. Для этого можно использовать кадмиевый катод и такие газы как H2
S/Ar или S/Ar. Ионы меди, образующиеся в результате диссоциации во время разряда, взаимодействуют с атомами кадмия на поверхности подложки.

Преимущество этого метода состоит в том, что химический состав получаемой пленки аналогичен составу катода.

Химическое осаждение методом пульверизации.

Метод пульверизации состоит в том, что на нагретую подложку разбрызгивается раствор, содержащий химические элементы, необходимые для получения CdS. Этот метод хорошо подходит для промышленного производства пленок CdS , благодаря его простоте и низкой стоимости. Метод пульверизации позволяет избежать значительных потерь порошка CdS , характерных для термического испарения. Подробное описание этого технологического процесса рассмотрен ниже, поскольку этот метод использовался для получения гетероперехода формирователя сигналов изображения.

Метод спекания.

Пленки CdS тонкого типа обычно изготовляют из смеси порошка CdS и CdCI2
. Смесь наносят на подложку и затем нагревают до температуры 500-600o
С. В процессе нагрева при температуре 568o
С CdS начинает растворяется в расплаве CdCl2
, который начинает испаряться при 400o
С; таким образом наблюдается рекристаллизация. В процессе спекания, сплавление частиц и рекристаллизация происходят при относительно низкой температуре, и образующиеся пленки имеют структуру, близкую к монокристаллической.

Получение слоя сульфида меди.

Известно несколько способов получения слоев: взрывное и квазистанционарное термическое напыление, химическое осаждение из простых многокомпонентных растворов, реакции в твердой фазе, а также электролитическое нанесение.

Перед созданием слоя Cu2
S полезна предварительная обработка поверхности CdS . При травлении в кислотах (например, в НСl) удаляются поверхностные примеси и увеличивается площадь границ зерен.

В настоящее время очень широко используется процесс окунания при получении слоя Cu2
S . При окунаний происходит топотаксиальная реакция замещения одного иона кадмия двумя ионами меди в соответствии с формулой:

CdS + 2СuX → Cu2
S + CdX2

где символом Х обозначен химический элемент который может быть например С1, Вr или I.

Эта реакция обычно осуществляется в водном растворе при температуре 90-100o
С, некоторые же исследователи предпочитают использовать органический раствор. Недостатком метода является получение пленки Cu2
S, неоднородной по толщине, что происходит из-за высокой подвижности ионов меди.

Вместо окунания, называемого "мокрым" методом иногда применяют "сухой" метод - испарение CuCI . При проведении термообработки после нанесения тонкого слоя CuCI на CdS происходит обмен ионов Cd+
↔2Сu+
.

Этот метод применялся при создании исследуемых образцов ФСИ. Его преимущество - устранение глубокой миграции Сu2
S по границам зерен в слой CdS .

Метод непосредственного испарения Cu2
S или Cu с последующим сульфинированием в бензольном растворе оказался малоэффективным, поскольку при пульверизации происходит значительное окисление Cu2
S, что снижает КПД.

Формирование гетероперехода.

После получения слоя Сu2
S следующим этапом является создание перехода. Обычно его формируют с помощью термообработки в течении нескольких минут при температуре 150-200o
С. Условия проведения термообработки влияют на параметры гетероперехода. Происходят уменьшение шунтирующего сопротивления и увеличение напряжения холостого хода [4].

Однако слишком продолжительная термообработка приводит к снижению тока короткого замыкания Iкз
. Нанесение слоя меди поверх Сu2
S улучшает стехиометрию последнего и повышает стабильность элемента.

На основе CdS-Cu2
S существует два типа фотоэлементов. В "тыльно-барьерных" элементах свет первоначально проникает в слой CdS, который имеет большую ширину запрещенной зоны. Во "фронтально-барьерных" элементах свет поглощается непосредственно в слое Сu2
S [3].

Технология получения образцов ФСИ.

Для исследований использовались образцы, которые согласно классификации солнечных элементов можно отнести к тыльно-барьерному типу.

На стеклянную подложку с фабрично нанесенным прозрачным проводящим слоем двуокиси олова наносился слой CdS методом пульверизации водного раствора тиокарбамида и хлорида кадмия (ЭГДРЖ). При нагреве до 700o
К образуется поликристаллическая пленка в результате пиролитической реакции:

ClS+CS(NH2
)2
+2H2
O→CdS↓+2NH4
Cl+CO2
↑

Тонкий слой СdS формировался методом эндотермической реакции замещения в твердой фазе. Вакуумным испарением поверх наносился слой хлорида меди. При температуре более 360o
К происходила диффузия компонентов, сопровождавшаяся химической реакцией замещения ионов Cd+
ионами Сu+
в твердой фазе:

CdS+2СuСl→CdCl2
+CuS

после чего хлорид кадмия был удален промыванием образца в дистиллированной воде.

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЕНСИТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОПЕРЕХОДА CdS-Cu2
S И ИХ КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.

§ 6. Общие понятия о сенситометрии.

Разнообразные фотографические методы, используемые для регистрации многих видов информации, характеризуются типичным физико-химическим единством. Все фотографические процессы основаны на применении веществ или приборов, прежде всего, обладающих светочувствительностью.

Сенситометрия - это раздел фотографической науки, связанный с измерением фотографических свойств фотоматериалов, обладающих чувствительностью к излучениям видимой и прилегающих к ней областей спектра, а также свойств получаемых на них фотографических изображений [11].

Для количественного определения характеристик фотоматериалов широко используется метод построения характеристических кривых, предложенный более ста лет назад Хертером и Дриффилдом.

Фотографическое почернение сильно реагирует на изменение условий освещения, и в первую очередь на количество освещения:

где Е
- освещенность в плоскости эмульсионного слоя.

Если облучить слой светом любого спектрального состава серией возрастающих экспозиций и по данным измерения проявленных почернений построить зависимость оптической плотности D
от логарифма количества освещения lgH
, то полученная кривая, называемая характеристической, будет иметь S - образную форму, где различают следующие области (Рис. 9):

I- область недодержек;

II- область пропорциональной передачи или область нормальных экспозиций;

III- область передержек;

IV- область соляризации или область обращения.

В случаях исследования разных слоев при различных условиях экспонирования и проявления характеристические кривые, как правило, имеют подобную форму.

Если в области пропорциональной передачи взять две точки D1
и D2
, то будет существовать зависимость:

где γ
- коэффициент контрастности.

Отсюда следует:

где g
- градиент плотности и gmax
=γ
.

На характеристической кривой выделяют следующие точки и параметры, которые могут быть использованы в роли критериев фотоматериалов (см. рис.9):

т.1 - порог почернения;

т.2 - точек инерции;

D0
- плотность вуали;

L
- фотографическая широта (интервал экспозиций в пределах области пропорциональной передачи).

Величина фоточувствительности зависит от сенситометрической системы, в которой она определяется. Существует несколько систем ГОСТ, немецкая система ДИН, американская ASA.

В системе ГОСТ фотографическая чувствительность обратно пропорциональна величине экспозиции соответствующей уровню оптической плотности, превышающему плотность вуали в 100.2
раза:

§ 7. Описание экспериментальной установки.

В настоящей работе рассматривается попытка охарактеризовать ФСИ на основе ГП CdS-Cu2
S обладающего, как и фотоматериалы, способностью накопления, с помощью классических сенситометрических характеристик, разработанных для фотографических слоев и рассмотренных в предыдущей главе.

Процессы стирания изображения при облучении ИК-светом изучались на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис.10.

Образец устанавливался в камере, позволяющей изолировать его от попадания постороннего света. Освещение производилось двумя монохроматорами ИКС-12 и УМ-2. Монохроматор ИКС-12 использовался для возбуждения ФСИ в ИК - области спектра, а также для стирания информации. Свет через зеркало З поступал на образец.

Монохроматор УМ-2 использовался, в основном, для измерения спектральных зависимостей тока короткого замыкания и сенситометрических характеристик образцов. Свет от лампы S, яркость которой регулировалась через линзу Л1
, направлялся на входную щель монохроматора. С входной щели свет фокусировался линзой Л2
и направлялся на исследуемый образец. Зеркало З установлено таким образом, чтобы свет от ИК - монохроматора попадал на ту же часть образца, что и свет от монохроматора УМ-2.

Для формирования коротких импульсов ИК-света использовался светодиод АЛ-107 с длиной волны излучаемого света 930 нм. Светодиод через транзисторный ключ (ТК) подключен к генератору Г5-60. Питание ключа осуществлялось от регулируемого источника напряжения ТЕС-13. Отклики на импульсы ИК - света от светодиодов регистрировались осциллографом C1-76, работающим в ждущем режиме и синхронизированном генератором импульсов Г5-60. Смещение на образец подавалось от источника питания Б5-48.

Измерение освещенности образца производилось с помощью люксметра Ю116.

Гетеропереход был включен в вентильном режиме, т.е. напряжение на него не подавалось. Сигнал тока короткого замыкания усиливался микросхемой К140УД8 и преобразовывался в сигнал напряжения.

§ 8. Исследование сенситометрических характеристик преобразователя изображения на основе гетероперехода CdS-Cu2
S.

Структура преобразователя оптического изображения в электрический сигнал была показана на рис.8.

Рассмотрим возможности такой системы применительно к регистрации оптического изображения различного спектрального состава. На рис.11 представлена зависимость величины модуляции тока, генерированного светом с λ=950 нм от длины волны коротковолновой подсветки.

Видно, что максимальный эффект достигается при λ=520 нм (край собственного поглощения сульфида кадмия). Более коротковолновый свет сильно поглощается в базовом слое сульфида кадмия, поэтому концентрация фотовозбужденных дырок в окрестностях ОПЗ определяется толщиной слоя сульфида кадмия (W
) и диффузионной длиной дырок в этом материале Lp
. Если W
³
Lp
,
то ОПЗ достигают не все фотогенерированные дырки, что приводит к уменьшению величины коротковолновой стимуляции.

Резкий спад чувствительности образца в коротковолновой области спектра обусловлен тем, что генерированные носители заряда рекомбинируют в объеме слоя сульфида кадмия, не успевая достигнуть области пространственного заряда, т.е. происходит поглощение света в поверхностном слое сульфида кадмия.

Спад чувствительности в длинноволновой области говорит об уменьшении коэффициента поглощения световых квантов в слое сульфида кадмия, а более плавный наклон кривой спектральной зависимости чувствительности ФСИ на основе гетероперехода CdS-Cu2
S о наличии примесных центров в сульфиде кадмия, участвующих в процессах генерации носителей тока.

Для увеличения чувствительности следует либо уменьшить толщину базового слоя (что на практике приводит к резкому ухудшению свойств гетероперехода), либо создавать оптическое изображение со стороны тонкого слоя сульфида меди.

Таким образом, прибор может работать во всей области видимого спектра, хотя и с разной чувствительностью. Это позволяет получить три цветоотделенных изображения в основных цветах и тем самым сформировать цветной видеосигнал.

Так как в данном устройстве считывание изображения производится не электронным лучом, а ИК - светом, то для него не требуется вакуум и высокое напряжение, применяемые для формирования электронного луча. Максимальная разрешающая способность устройства определяется дифракционным пределом фокусировки светового пятна, при помощи которого происходит считывание изображения, и составляет приблизительно 1 мкм.

Спектральное распределение тока короткого замыкания позволяет охарактеризовать формирователь сигналов изображения на основе гетероперехода CdS-Cu2
S как зеленочувствительный по общепринятой классификации для фотографических слоев. Следовательно, запись оптической информации наиболее эффективна при длинах волн около 520 нм.

Для исследования сенситометрических характеристик ФСИ была измерена и построена характеристическая кривая (рис.12). Аналогом оптической плотности Д в данном случае служил десятичный логарифм тока короткого замыкания, генерированного преобразователем.

Обычно для построения характеристической кривой фотографических слоев, их облучают серией возрастающих экспозиций и затем по данным измерения проявленных почернении строят зависимость D
от Н
.

Для измерения характеристической кривой образца CdS-Cu2
S был применен несколько другой способ, заключающийся в следующем. ФСИ непрерывно освещался светом с длиной волны l
=520 нм. В процессе засветки в слое сульфида кадмия накапливаются неравновесные дырки, которые захватываются на некоторые локальные центры, что приводит к увеличению тока короткого замыкания. Возрастание Iкз
со временем при определенной величине интенсивности света с l
=520 нм, регистрировалось на экране осциллографа. При этом в качестве считывающего света использовался ИК - светодиод, работающий в импульсном режиме. Импульсы частотой 5 мс позволяли измерять изменение тока в образце без заметного эффекта стирания. При измерениях использовался закрытый вход осциллографа, что позволяло наблюдать реакцию ФСИ непосредственно на импульс без постоянной составляющей.

Для подтверждения применимости данного метода были измерены характеристические кривые при интенсивностях возбуждающего света: 0,05 лк, 0,1 лк, 0,5 лк. Как видно из рис.12, семейство кривых достаточно хорошо повторяет один и тот же профиль. Это говорит о том, что образец обладает свойством интегральности и по отношению к нему применимо понятие экспозиции. Из усредненной характеристической кривой (рис.12) были определены основные сенситометрические характеристики ФСИ на основе гетероперехода CdS-Cu2
S. К ним относятся: коэффициент контрастности g
, равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка, который оказался равным g=0.55, фоточувствительность S, определяемая в единицах ГОСТа и оказавшаяся равной примерно 16 ед. ГОСТа.

§ 9. Моделирование и компьютерный расчет характеристических кривых.

Для определения числа фотонов, поглощенных в пределах ОПЗ и давших вклад в ток короткого замыкания, воспользуемся законом Бугера-Ламберта. Пусть L0
-количество световых квантов попадающих на единицу поверхности слоя CdS в единицу времени; L1
-доля квантов дошедших до начала ОПЗ; L2
-доля квантов достигших металлургической границы:

где k
- коэффициент поглощения CdS;

d
- толщина слоя CdS;

W0
- темновое значение протяженности ОПЗ.

Вклад в Iкз
дадут поглощенные в ОПЗ фотоны:

Определяя напряженность электрического поля на гетерогранице, воспользуемся тем, что она зависит лишь от суммарного заряда в приконтактной области. По теореме Остроградского-Гаусса:

где e
- диэлектрическая проницаемость CdS;

Nd
- объемная плотность ионизированных доноров в CdS.

Поскольку фоточувствительность в системе ГОСТ определяется в области недодержек, вполне справедливым будет предположение о том, что за достаточно малое время t
протяженность ОПЗ не успевает существенно измениться и остается приблизительно равным W
0
. Это облегчает определение зависимости напряженности электрического поля от времени при экспонировании:

где b
- квантовый выход.

В данном случае можно ввести понятие приведенной экспозиции:

С учетом (26), напряженность электрического поля (25), на любом этапе экспонирования, перепишется следующим образом:

В представленных экспериментальных данных фигурирует освещенность Е,
выраженная в люксах. Следовательно, L0
можно записать следующим образом:

где x
- световая эффективность, используемая для перевода в систему единиц ГОСТ;

- энергия фотона длинноволновой подсветки.

Учитывая все вышеизложенное, (8) запишется в виде:

или в развернутом виде с учетом (26), (27) и (28):

Выражение (30), просчитанное и представленное в координатах Lg(Iкз
) от Lg(Et
), является теоретической моделью характеристической кривой ФСИ на основе гетероперехода CdS-Cu2
S. Расчет был произведен программой MathCAD, а полученная в результате кривая представлена на рисунке 13. Также для сравнения дана усредненная экспериментальная кривая, которая была уже представлена на рис.12.

Совпадение расчетной кривой, с кривой полученной экспериментально, было достигнуто при следующих значениях:

Sf
=1.6·106
; m
n
=1; e
=10; d
=1·10-3
см
; Nd
=1·1015
;

I
кз
0
=1·10-6
A
; W0
=105.131 нм
.

Значение коэффициента k
были взяты из [12].

По теоретической кривой также были рассчитаны сенситометрические характеристики и оказались равным: коэффициент контрастности g=0.53 и фоточувствительность S=15 ед. ГОСТа, что довольно близко к экспериментальным данным.

ВЫВОДЫ

Преобразователь оптического изображения в электричес­кие сигналы на основе гетероперехода СdS–Cu2
S может быть использован для регистрации слабых оптических изображе­ний с последующей записью их элементов в память ЭВМ с возмож­ной коррекцией фоточувствительности. Так как в данном уст­ройстве считывание изображения производится ИК - светом, то для него не требуется вакуум и высокое напряжение. Благодаря возможности изготовления преобразователя большой площади и его высокой чувствительности - вероятной областью применения такого устройства может быть регистрация изображений, созда­ваемых крупными телескопами при астрономических наблюдениях.

ФСИ на основе гетероперехода СdS–Cu2
S можно охарактеризовать с помощью классических сенситометрических характеристик, разработанных для фотографических слоев.

Спектральное распределение светочувствительности по­зволяет охарактеризовать формирователь сигналов изображения на основе ГП СdS–Cu2
S как зеленочувствительный по обще­принятой классификации для фотографических слоев с коэффици­ентом контрастности g= 0,55 и фоточувствительностью 16 единиц ГОСТа.

Рассчитанная на компьютере математическая модель характеристической кривой довольно точно повторяет экспериментальные данные, что говорит о пригодности ее для описания подобных характеристик любых ФСИ на основе гетероперехода СdS–Cu2
S, если известны параметры гетероперехода Sf,
m
n ,
e
, d,
Nd
,
I
кз
0
и W
0
.

ЛИТЕРАТУРА.

Шарма Б.Л., Пурохит Р.К., Полупроводниковые гетеропереходы. //М.: Мир, 1979.

Зи С., Физика полупроводниковых приборов. //М.:Мир,1984.

Виноградов М.С., Туннельно-рекомбинационные процессы в гетеропереходе сульфид кадмия - сульфид меди. //Дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Одесса, 1986.

Чопра К., Дас С.,Тонкопленочные солнечные элементы. //М.- Мир, 1986.

Борщак В.А., Влияние дефектов области пространственного заряда на явления переноса в CdS-Cu2
S фотопреобразователях. //Дис. ... канд. физ.-мат. наук, Одесса,1991.

Борщак В.А., Василевский Д.Л., Токоперенос по локализованным состояниям в неидеальных гетероструктурах. //Оптоэлектроника и полупроводниковая техника.-1990. Вып. 17.

Василевский Д.Л., Борщак В.А., Сердюк В. В., Влияние туннельно-рекомбинационного токопереноса на ЭДС холостого хода гетерофотоэлементов. // Фотоэлектроника.-1991. Вып.4.

Виноградов М.С, Борщак В.А., Василевский Д.Л., Туннельный механизм потерь в гетерофотоэлементах. //Электронная техника.-Сер.2: Полупроводниковые приборы.-1987.-Вып. 1(186).

Василевский Д.Л., Фотоэлектрические свойства неидеальных гетеропереходов. //Фотоэлектроника.-1988. Вып.2.

Савелли М., Бугнот Дж. Проблемы создания фотоэлементов на основе CdS-Cu2
S. //Преобразование солнечной энергии. - М.: Энергоиздат, 1982.

Чибисов К.В. Общая фотография. //М.: Искусство, 1984.

Баранский П.И., Клочков В.П., Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника: свойства материалов. //Киев: Наукова думка, 1975.

Василевский Д.Л., Вайтош Р., Нанаи Л., Перспективность CdS-Cu2
S фотопреобразователей при больших уровнях возбуждения. //Фотоэлектроника.-1990. Вып.3.

Сердюк В.В., Чемересюк ГГ., Терек М. Фотоэлектрические процессы в полупроводниках. // Киев-Одесса: Вища школа, 1982.

Фаренбрух А., Аранович Дж., Гетеропереходы и поверхностные явления в фотоэлектрических преобразователях. //Преобразование солнечной энергии.- М.: Энергоиздат, 1982.

Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент. //М.: Энергоиздат, 1987.

Фонаш С., Ротворф А. Солнечные элементы с гетеропереходом. //Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики. М.:Мир, 1988.

Хилл Р., Микан Дж. Солнечные элементы на основе сульфида кадмия и меди. //Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики. - М.: Мир, 1988.

Шик А.Я., Шмарцев Ю.В., Фотоэлектрические свойства неидеальных гетеропереходов. //Физика и техника полупроводников. - 1981.-Т.15, Вып.7.