Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Правительство Российский Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

"Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики""

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Выпускная квалификационная работа - магистерская диссертация

Фотодиоды на основе гетероструктур из органических полупроводников

по направлению 11.04.04 "Электроника и наноэлектроника"

студента образовательной программы магистратуры "Прикладная физика"

Полянчиков Эдуард Владимирович

Научный руководитель д.ф.-м.н., проф. МИЭМ им. А.Н. Тихонова, департамент электронной инженерии А.Р. Тамеев

Москва 2018



Аннотация (англ)

фотодиод виртуальный программный монохроматор

Theme: "Photodiodes Based on Organic Semiconductor Heterostructures"

The purpose of the graduation qualification thesis (GQT) was to study the structure and principles of the operation of photodiodes based on organic semiconductors.

The GQT comprises the following sections: introduction, four chapters, conclusion and references. It consists of 50 pages including 24 figures. In the thesis, 6 sources were used as references.

The introduction reveals the relevance of the chosen topic and the purpose of the work.

The first chapter includes a description of photodiodes, the principle of operation and electrical characteristics of devices.

In the second chapter, photodiodes based on a heterojunction are considered.

The third chapter presents an experimental setup for measuring the characteristics of a photodiode together with a detailed description of the instruments and their characteristics, and a virtual instrument developed on the basis of the LabVIEW program.

In the fourth chapter, the preparation of a photodiode based on a polymeric semiconductor, a discussion of the choice of a photoactive material, and the results of measuring the characteristics of the photodiode are presented and discussed. The experimental data are shown as graphs plotted with the help of the developed virtual instrument in the LabVIEW program.

In final, the main results of the work and conclusions are formulated.



Аннотация

Тема: «Фотодиоды на основе гетероструктур из органических полупроводников»

Цель выпускной квалификационной работы (ВКР) состояла в изучении строения и принципов работы фотодиодов на основе органических полупроводников.

ВКР включает следующие разделы: введение, четыре главы, заключение и список литературы. Объем ВКР составляет 50 страниц, включая 24 рисунка. В работе были использованы 6 публикаций.

Во введении раскрывается актуальность выбранной темы и цель работы.

Первая глава включает описание фотодиодов, принцип работы и электрические характеристики устройства.

Во второй главе рассмотрены фотодиоды на основе гетероперехода.

В третьей главе приведена экспериментальная установка для измерений характеристик фотодиода вместе подробным описанием приборов, их характеристик, а также виртуального инструмента, разработанного на основе программы LabVIEW.

В четвертой главе представлены приготовление фотодиода на основе полимерного полупроводника, обсуждение выбора фотоактивного материала, полученные результаты измерений характеристик фотодиода. Экспериментальные данные показаны в виде графиков, построенных с помощью написанного виртуального инструмента в программе LabVIEW.

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.



Оглавление

• Введение
• 1. Фотодиод
• 1.1 Принцип работы фотодиода
• 1.2 Электрические характеристики фотодиода
• 1.2.1 Вольтамперная характеристика
• 1.2.2 Темновой ток
• 1.2.3 Эквивалентная схема
• 1.2.4 Линейный динамический диапазон
• 1.2.5 Частотная характеристика
• 1.2.6 Квантовая эффективность
• 1.2.7 Чувствительность
• 1.2.8 Эквивалентная мощность шума
• 2. Фотодиоды на основе гетероперехода
• 3. Экспериментальная установка для измерений характеристик фотодиода
• 3.1 Высоко светосильный малогабаритный монохроматор ML44
• 3.1.1 Область применения
• 3.1.2 Спецификация
• 3.1.3 Оптическая схема и конструкция монохроматора
• 3.2 Источник-измеритель тока и напряжения Keithley 2400
• 3.2.1 Краткие технические характеристики Keithley 2400
• 3.3 Виртуальный инструмент для управления экспериментальной установкой
• 3.3.1 Программное обеспечение LabVIEW
• 3.3.2 Keithley 2400 LabVIEW
• 3.3.3 Монохроматор ML 44 LabVIEW
• 3.3.4 Виртуальный инструмент, синхронизированный с обоими инструментами в LabVIEW
• 4. Приготовление фотодиода на основе полимерного полупроводника
• 4.1 Выбор материалов
• 4.1.1 Анодный материал. Оксид индия, легированный оловом (ITO)
• 4.1.2 Дырочный транспортный слой ПЭДОТ:ПСК
• 4.1.3 Фотоактивный полимерный композит PCDTBT: PC70BM
• 4.1.4 Катодные материалы
• 4.2 Экспериментальные результаты
• 4.2.1 Измерение ВАХ
• 4.2.2 Спектральная зависимость фоточувствительности фотодиода
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

В то время как в органической электронике преобладают светодиоды, фотоэлементы и транзисторы, свойства оптоэлектроники, представляют интерес к органическим полупроводникам для инновационных применений в области обнаружения светового сигнала.

Фотоактивные среды на основе органических веществ поглощают свет в спектре от ультрафиолета до инфракрасной области с хорошим выходом фотогенерации и низкотемпературной обрабатываемостью, которые в дальнейшем могут быть применены, например, в области оптической коммуникации связи или в биомедицинских технологиях.

Органические световые детекторы - это устройства с сильным потенциалом. Они предназначены для того, чтобы быть экономически эффективным в различных применениях таких как передача данных на малых расстояниях и цифровое изображение. Они характеризуются высоким квантовым выходом и чувствительностью, достигаемые благодаря донорно-акцепторному гетеропереходу.

Органические фотоэлектрические элементы позволяет легко достичь (при наименьшей абсорбции конкретного материала / смеси) EQE > 80%, при соответствующих откликах в диапазоне 0,1-0,5 А / Вт. В отличие от солнечных элементов, в детекторах внешнее электрическое поле может применяться для оптимизации генерации заряда и квантовой эффективности.

В связи с актуальностью проблемы цель выпускной квалификационной работы на тему «Фотодиоды на основе гетероструктур из органических полупроводников» состояла в исследовании строения и принципов работы фотодиодов на основе органических полупроводников.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. выполнен обзор литературы по органическим полупроводникам и измерению их фотопроводимости;

2. изучены методы изготовления фотодиодов на основе органических полупроводников;

3. создана лабораторная установка для измерений вольт-амперной характеристики и спектральной фоточувствительности фотодиода;

4. приготовлены лабораторные образцы фотодиода на основе полимерного фотопроводника PCDTBT;

5. измерены вольт-амперные характеристики и спектральная фоточувствительность лабораторных образцов фотодиода;

6. проанализированы и обобщены полученные результаты экспериментов;



1. Фотодиод

Свет - это электромагнитное излучение, имеющая свойства волн, но при взаимодействии с материалом она ведет себя как частица. Частицы, связанные со светом, или с любыми электромагнитными волнами, называются фотонами. Они характеризуется энергией, непосредственно связанной с длиной волны света (1).

(1)

Где h постоянная Планка, c скорость света в вакууме и л длина волны.

Большое количество фотонов создает луч света, который можно охарактеризовать его с помощью длины волны и интенсивности.

Рис 1. Энергия фотона с переменной длиной волны и спектры света

Фотодетектор (ФД) - это устройство, которое преобразует падающий луч фотонов в электрический ток, пропорционально интенсивности падающего луча. Фототок является результатом генерация электрон-дырочной пары после поглощения света полупроводниковым материалом. Поскольку фотодиод генерирует энергию из-за фотовольтаического эффекта, он может работать с или без необходимости внешнего источника питания (фотодиод может работать как в фотовольтаическом, так и в фотопроводящем режиме) [2].

В фотовольтаическом режиме на фотодиод смещение не приложено, в то время как в режиме фотопроводимости на фотодиод приложено внешнее обратное смещение. Две основные схемы фотодиода как показано на рис 2. В фотовольтаическом режиме фотодиод работает как солнечный элемент и преобразует свет в электрическую энергию.

Рис 2. Пример применения фотодиода a) фотогальванический режим. б) фотопроводящий режим.

Наиболее распространенными типами фотодиодов являются p-i-n-фотодиод, лавинный фотодиод, фотодиод Шоттки и фотодиод с гетероструктурой. Хотя существует несколько различных типов фотодиодов, принцип их работы одинаковый.

1.1 Принцип работы фотодиода

Каждый полупроводниковый материал характеризуется запрещенной зоной, определяемой как энергия между краями валентной зоной и зоной проводимости. При абсолютной нулевой температуре валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста.

При увеличении температуры электроны возбуждаются, частично заполняя зону проводимости. Когда свет падает на полупроводник, возбуждаются электроны материала и, если энергия фотона больше, чем ширина запрещенной зоны, электроны переходят в зону проводимости, оставляя в валентной зоне дырки.

Электрон-дырочные пары образуются под действием как теплового, так и светового возбуждения. Полученные электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне могут дрейфовать к электродам под действием электрического поля, создавая ток в цепи [2].

Глубина поглощения фотонов в слое зависит от их энергии. Как правило, фотоны с большой энергией, т.е. с короткой длиной волны (например, ультрафиолетовое излучение), поглощаются в тонком верхнем поверхностном слое. Фотоны с энергией меньшой, чем ширина запрещенной зоны, не поглощается.

1.2 Электрические характеристики фотодиода

1.2.1 Вольтамперная характеристика

Вольтамперная характеристика (ВАХ), наблюдаемая на фотодиоде в темновом состоянии, аналогичен к кривой обычного диода: когда фотодиод смещен вперед, наблюдается экспоненциальное увеличение тока, когда фотодиод обратный появляется небольшой обратный ток насыщения.



Рис 3. ВАХ фотодиода

В диоде ВАХ могут быть в трех различных областях:

· V = 0. В этом состоянии внешнее смещение не применяется, и фотодиод ведет себя как солнечная батарея;

· V> 0 В этом состоянии ток возрастает экспоненциально;

· V <0 В этом случае обратное смещение применяется к фотодиодам, а измеренный ток чрезвычайно низкий, в идеале - нуль;

В отличие от солнечных элементов, фотодиоды обычно работают с внешним смещением. Обратное смещение, применяемое к фотодиоду, приводит к внутреннему электрическому полю больше по величине, чем его поле. Это улучшает фоточувствительность.

Темновой ток дается выражением (2).

(2)



где - диодный тёмновой ток, - обратный ток, q - электронный заряд, V - напряжение, n - коэффициент, K - постоянная Больцмана, а T абсолютная температура.

Когда падающий свет падает на фотодиод, происходит сдвиг кривой на величину (3)

(3)

где является фототоком и зависит от интенсивности падающего света.

При обратном смещении видно, как увеличивается ток фотодиода. Отрицательное напряжение, при котором ток резко возрастает, называется замыканием. Для органических устройств это, как правило, необратимое явление.

Наконец, когда диодные контакты электрически изолированы и фотодиод загорается, напряжение разомкнутой цепи () генерируется с положительной полярностью на аноде. может быть выведенным из уравнения (4):

(4)

Величина обычно называется током короткого замыкания и представляет собой ток, который течет в устройстве, когда анод и катод закорочены.

1.2.2 Темновой ток

Темновой ток, иногда называют ток утечки, представляет собой ток, протекающий через фотодиод в отсутствие света из-за удельного сопротивления материала. Темновой ток включает фототок, генерируемый фоновым излучением (шумом) и насыщением тока устройства. Обычно увеличение обратного смещения по фотодиоду увеличивает темновой ток.

Темный ток для идеального диода определяется выражением (2).

1.2.3 Эквивалентная схема

Фотодиод может быть представлена эквивалентной электрической схемой, содержащей источник тока параллельно с идеальным диодом и некоторыми другими компонентами.

Рис 4. Эквивалентная схема фотодиода

На рис. 4 представлена схема эквивалентного фотодиода, где:

· представляет ток, генерируемый падающим светом (пропорциональный количеству света),

· C - емкость диода,

· - сопротивление шунта (также называемое параллельным сопротивлением),

· - является последовательным сопротивлением,

· - генератор шумового тока,

· - напряжение на диоде,

· - выходной ток,

· - нагрузочный резистор.

Сопротивление шунта - это наклон кривой напряжения фотодиода. Несмотря на то, что идеальный фотодиод должен иметь бесконечное сопротивление шунта, значения находятся в диапазоне Мега и Гига Ом. Шунтирующее сопротивление обычно определяется путем измерения темного тока под небольшим обратным смещением (более 10 мВ) (5).

(5)

Из-за своей плоской структуры фотодиод имеет емкость, определяемая (6):

(6)

где - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала, - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, A - площадь диода и d - толщина полупроводника. Емкость фотодиода влияет на пропускную способность устройства, идеальное устройство должно иметь емкость как можно ниже.

Плотность емкости определяется как емкость на единицу площади и является независимый от площади показатель емкости устройства. Поскольку плотность емкости обратно пропорциональна как к расстоянию электрода, так и к относительной диэлектрической проницаемости полупроводника, очевидное решение для уменьшения значения -- это увеличения толщины d, либо относительной диэлектрической проницаемости активного слоя.

Наконец, представляет внутренний шум диода. Основные общие источники шума в фотодиоде - это шум Джонсона (или тепловой шум), шумовой шум и шум мерцания.



1.2.4 Линейный динамический диапазон

Линейный динамический диапазон (LDR) представляет собой диапазон в дБ входной мощности света (облучение) над которыми чувствительность постоянна.

В органических полупроводниковых фотодиодах и солнечных элементов, верхний предел линейности (между входным излучением и фототоком) определяется бимолекулярным рекомбинациям фотогенерированных носителей заряда. Так называемый ток отклонения (при котором бимолекулярный рекомбинация доминирует при достаточно высоком носителе заряде концентрации) определяет предел линейности и, следовательно, верхний конец LDR.

LDR рассчитывается формулой (7):

(7)

1.2.5 Частотная характеристика

Время отклика фотодиода является критическим параметром. Фотодиодный ответ обычно характеризуется с точки зрения роста времени и частоты отсечки. Время нарастания и спада определяется как время для фототока. Он увеличивается или понижается с 10% до 90% или от 90% до 10% от конечного значения соответственно, когда применяется квадратный световой импульс. Время нарастания и спада зависит от длины волны падающего света. Обычное напряжение на фотодиоде изменяется экспоненциально со временем. Зависимость напряжения по времени обычно задается формулой (8):

(8)



где R - сопротивление диода, C - емкость, - конечное напряжение. T = 1 / RC - постоянная времени устройства.

Измерение постоянной времени выполняется путем измерения выходного сигнала фотодиода на входной световой импульс. Сигнал прямоугольной формы обычно применяется к фотодиоду, и соответствует фототоку. Постоянная времени определяется как время, в течение которого фототок должен принимать форму от 0 до 63% от ее конечного значения, как показано на рис. 5.

Частота среза (fc) определяется как частота, с которой амплитуда фотодиодного сигнала падает на 1/ (~ 70%) от выхода при низкой частоте. Это значение может быть легко определена путем освещения фотодиода синусоидальной или «квадратной» формой импульсного света фиксированной амплитуды с изменением частоты f.

Время нарастания tr коррелирует с частотой среза:

(9)

Значения частоты среза для кремниевых устройств ГГц, а для органических устройств в кГц.

Рис 5. Измерения времени нарастания и падения

Для больших фотодиодов частоту среза, в основном определяется емкостью фотодиода. Когда область устройства становится достаточно малой, время отклика отсутствует.

1.2.6 Квантовая эффективность

Внутренняя квантовая эффективность (IQE) определяется как отношение, в процентах, между числом электронно-дырочной пары, созданной светом и числом поглощенных фотонов.

Поскольку трудно вычислить непосредственно IQE, IQE фотодиода обычно оценивается по измерению внешней квантовой эффективности (EQE) (10):

(10)

где - спектральный коэффициент отражения, - коэффициент пропускания устройства, обычно он равен нулю. IQE составляет 100% на идеальном устройстве.

EQE определяется как число электронно-дырочных пар, которые вносят вклад в фототок на падающие фотоны. IQE и EQE обычно выражаются в процентах в зависимости от одного из параметра, такой как длина волны, коэффициент поглощения или частота света, в формуле (11):

(11)

где - фототок, P - мощность падающего света, h - постоянная Планка, c скорость света в вакууме, л - длина волны падающего света и e элементарная заряд.

Механизмы оптических отражений, рекомбинация носителя, дефекты материала и уровни легирования считаются важными параметры, которые приводят к уменьшению EQE (ниже 100%). Кремниевый фотодиод при работе в идеальном условии отражения при высоком качестве кристаллической структуры и внутреннего сопротивления способен достигать EQE ~ 80%. EQE 100% не достижимо. Квантовая эффективность для фотонов с энергией ниже запрещенной зоны равна 0, так как энергия поглощенных фотонов ниже энергии запрещенной зоны. Например, фотогальванический эффект не возникает. Предельная длина волны лh может быть выраженное через Eg следующим образом (12):

(12)

При комнатной температуре Eg составляет ~ 1,12 эВ для Si и ~ 1,8 эВ для GaAsP, причем при ограниченной длины волны ~ 1100 нм и ~ 700 нм соответственно.

Поверхностные покрытия, обычно используемые для защиты фотодиода, могут влиять на спектральные свойства устройства. Обычно используется слой с отражающим покрытием, но это покрытый слой может снизить эффективность на таких длинах волн, которые он отражает.

Наконец, важно отметить, что при нормальных условиях работы фотодиоды генерируют не более одной пары электрон-дырок для каждого поглощенного фотона, однако они могут быть сделаны для проявления внутреннего усиления, если они работают при достаточно высоких обратных смещениях. В этом случай, когда фотогенерированные электроны и дырки сталкиваются с атомами в полупроводнике кристалла, генерируются вторичные носители, которые усиливают ток. Такие устройства известных как лавинные фотодиоды, и характеризуются значением EQE выше, чем 100%.



1.2.7 Чувствительность

Чувствительность (R) фотодиода является мерой его чувствительности к свету, определяемой как отношение диодного фототока (в амперах) к мощности падающего света P (в Вт) при заданной длине волны л (нм) (13):

(13)

Это показатель эффективности преобразования световой энергии в электрическую. Чувствительность варьируется в зависимости от длины волны падающего света и температуры.

Чувствительность коррелирует с фототоком. Когда фотодиод освещается широкополосным источником света, результирующий фототок выражается интегралом (14):

(14)

Чувствительность коррелирует также с квантовой эффективностью по соотношению (15):

(15)

где - квантовый КПД, е - электрический заряд, h - постоянная планка, - частота излучения.

Обычно высокие значения чувствительности достигаются в фотогальваническом режиме (V = 0) из-за низкого темнового тока. Чувствительность и квантовая эффективность обычно определяются с помощью калиброванного фотоприемника.



1.2.8 Эквивалентная мощность шума

Шум, всегда представленный в любом реальном фотодиоде, является параметром, который определяет нижние пределы обнаружения света. Шум фотодиода является предельным параметром темнового тока.

Эквивалентная мощность шума (NEP) определяется как минимальная потребляемая мощность для генерации фототока, равного шумовому току фотоприемника, при указанной частоты и в пределах определенной полосы пропускания.

NEP для фотодиода вычисляется по следующей формуле (16):

(16)

где - ток шума в A / , а R - чувствительность для конкретной длины волны () [A / W].

NEP является зависимым от полосы пропускания измерительной системы; чтобы избавится от этого нужно поделить на квадратный корень полосы пропускания. Это дает NEP - единицу измерения Ватт / . Поскольку световая энергия фотодиода для преобразования тока зависит от длины волны излучения, мощность NEP рассчитывается для конкретной длины волны [2].



2. Фотодиоды на основе гетероперехода

Органические материалы и полимеры были широко изучены в последние годы для получения оптоэлектронных устройств. Эффективные органические фотоэлектрические устройства и были продемонстрированы, как фотодиоды, которые связаны с фотоиндуцированным переносом заряда через донорно/ акцепторный гетеропереход. Несмотря на то, что фотоиндуцированный перенос заряда может происходят с низкой вероятностью в первозданном полимере, для эффективной генерации заряда требуется добавление акцептора. Переходы формируются с помощью материалов с разными характеристиками, например, p- и n-типа, в которых экситон диссоциирует на границе раздела. Эти структуры могут быть сформированы путем смешивания различных материалов таких как полимер/полимер, полимер/молекула или молекула/молекула. В этих структурах один материал передает электроны другому материалу при легких возбуждениях. Фотогенерированные экситоны диссоциированы и генерируется в свободные носители, управляются внутреннем электрическим полем устройства, транспортируются к электродам, где, наконец, экстрагируют.

Гетеропереходы обычно основаны на простой плоской геометрии, со смесью донорного и акцепторного материала, обычно с полимером / фуллереном. По меньшей мере один из электродов должен быть прозрачным или полупрозрачным, в то время как другой обычно зеркальным. Поглощающий свет слой является частью гетероперехода.

Для того чтобы ток заряда протекал через устройство, электроны и дырки должны двигаться в разных направлениях. Для прямого тока, дырки и электроны должны перемещаться из внешней цепи через контакты в устройство, где они вскоре исчезают при рекомбинации. Для обратного тока электроны и дырки должны двигаться из устройства к внешней цепи. В случае обратного тока, фотогенерированные электроны собираются при более низкой рабочей функции.

Схема фотодиода на основе гетероперехода показан на рис. 6.

Рис 6. Фотодиод на основе гетероперехода

Полный процесс преобразования света в ток схематизирован на рис. 7.

Рис 7. Схема процесса преобразования света в ток в органическом фотодиоде



Где на рис. 7 акцептор (справа, оранжевый) и донор (слева, синий).

Преобразование света в ток требует шести последовательных процессов:

1. Поглощение фотона в органическом полупроводнике.

2. Формирование возбужденных состояний, электрон-дырочная пара.

3. Экситонная диффузия в области, где может происходить диссоциация.

4. Диссоциация электронной дырочной пары в свободных зарядах.

5. Транспорт дырок и электронов к электродам.

6. Выбивание заряда на электродах.

Подробно рассмотрим каждый из них.

1. Поглощение фотона в органическом полупроводнике.

Первым шагом является поглощение фотона, и обычно его выполняют донор. Из-за высокого коэффициента поглощения органических материалов (>) при слое> 200 нм обычно способен поглощать> 95% падающего видимого света. Падающий фотон поглощается органическим материалом, только если он имеет энергию, равную или превышающую ширину запрещенной зоны органического полупроводника. Поглощение света в органических материалах следует закону Ламберта-Беера (17):

(17)

с толщиной d и коэффициентом поглощения фотоактивного материала. I и - ток падающего и проходящего света, соответственно.

2. Формирование возбужденных состояний, электронно-дырочной пары.

Поглощение фотона приводит к генерации возбужденного состояния, известному как экситон. В этом состоянии, электронно-дырочные пары плотно связаны. Поскольку диэлектрическая проницаемость в органических полупроводниках довольно низкая (обычно между 3 и 4) энергия связи экситона довольно велика. Например, если предположить расстояние до электронно-дырочной пары 1 нм и диэлектрической проницаемости материала 3, кулоновское энергия равна 0,5 эВ, при комнатной температуры, которой недостаточно для отделения электрона и дырки. Время жизни экситона составляет около 100 пс, после этого электрон и отверстие рекомбинирует, что приводит к потере фотогенерированных носителей. Для эффективного диссоциация экситонов второй органический полупроводник должен быть акцептор, чтобы создать p-n-соединение.

3. Экситонная диффузия в область, где может происходить диссоциация.

Генерируемый экситон должен диффузировать в p-n-соединение. Длина диффузии экситона в полимерах обычно находится в порядке нескольких нм. Например, для P3HT длина диффузии экситона около 8 нм.

4. Диссоциация электронной дырочной пары в свободных зарядах.

Если экситон достигает границы донора / акцептора, перенос электронов на акцептор энергетически выгодна, что дает кулоновскую связанную электронно-дырочную пару. Диссоциация электронно-дырочной пары создает свободные носители заряда. Электрон переносится в акцепторный материал, в то время как дырка остается в доноре материала. Для диссоциации экситона на границе акцептора / донора энергия усиление переноса заряда должно быть больше, чем энергия связи электрон-дырок.

5. Транспорт дырок и электронов на электродах.

Сгенерированные заряды на границе акцептора / донора должны достигать электродов чтобы быть выбитыми. Электроны собираются на катоде, а дырки на аноде. Перенос заряда в неупорядоченных органических полупроводниках происходит путем перехода из одного состояние в другое. На транспорт в основном влияют наноморфология материала. Электроны должны достигать катода, движущегося только через акцептор материала, в то время как дырки должны достигнуть анода. В заключение важно отметить, что морфология материала и, следовательно, пути носителей могут быть изменены после обработки, например, с последующим процессом отжига.

6. Выбивание заряда на электродах.

Последним шагом является выбивание зарядов на электродах. Носители заряда, извлеченные неправильным путем из электродов, освобождаются и не способствует фототоку. Чтобы предотвратить освобождение, принимают разные стратегии решения задачи. Например, путем разумного выбора электродных материалов, подавление одного типа носителя, тем самым позволяя выборочно оценивать подвижность дырок или электронов. Для этого необходимо убедиться, что работа выхода одного электрода близка к энергии транспорта. Катодом обычно выбирают как материал с высокой функцией работы для эффективного извлечения дырок из донорных материалов (HOMO), в то время как в качестве анода обычно используется материал с низкой рабочей функцией - акцептор (LUMO). Разность рабочих функций между электродами, а также электрическое поле, генерируется на границах металл-полупроводник. Электрохимический потенциал, создаваемый на стыках между материалами, создают внутреннее электрическое поле, в которых заряды дрейфует на соответствующий электрод.



3. Экспериментальная установка для измерений характеристик фотодиода

Для выполнения ВКР были использованы два прибора. Более подробно о каждом устройстве сказано ниже в этой главе.

3.1 Высоко светосильный малогабаритный монохроматор ML44

Рис. 8. Монохроматор ML 44

Высоко светосильный малогабаритный монохроматор ML 44 предназначен для выделения монохроматического излучения, исследования источников и приемников излучения, решения аналитических задач и других работ в спектральном диапазоне 190-1200 нм.

Основные достоинства ML44 включают малые габариты и вес, чрезвычайно высокую светосилу (относительное отверстие 1:2.9), дружественный интерфейс, совместимый с Windows 7/98/ME/2000/XP и обеспечивающий удобство, и простоту управления прибором от персонального компьютера, а также из управляющей программы приборного комплекса.

Стандартный комплект поставки ML44 включает два конденсора, два адаптера для подсоединения оптического волокна (разъем SMA-905) и два кварцевых оптических волокна.

3.1.1 Область применения

Высоко светосильный малогабаритный монохроматор ML 44 может быть использован:

· в качестве устройства высокоэффективной спектральной селекции при исследовании источников и приемников излучения,

· в качестве перестраиваемого узкополосного фильтра для широкополосных источников возбуждения люминесценции,

· как составная часть другой исследовательской и аналитической аппаратуры, работающей в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра.

3.1.2 Спецификация

Рассмотрим основные характеристики данного устройства (табл. 1):

Таблица 1. Основные характеристики монохроматора

Общий спектральный диапазон работы, нм	190-1200
Фокусное расстояние коллиматорного и камерного объективов, мм	44,2
Относительное отверстие	1: 2,9
Дифракционные решетки
Размер, мм	25206
Количество штрихов на мм	1200	600
Длинна волны в блеске, нм	270	600
Спектральный диапазон работы, нм	190-600	600-1200
Обратная линейная дисперсия, нм/мм	18,7	34,7
Шаг перестройки по углу, град	0,01875
Шаг перестройки по спектру, нм	0,125	0,25
Точность установки длинны волны, нм	1,0	1,5
Повторяемость длинны волны, нм	0,25	0,5
Входная и выходная щель (сменные)
Ширина, мм	0.02; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0
Высота, мм	3,0
Время необходимое для перестройки длинны волны, сек минимальное, максимальное	0,001 38.4
Интерфейс	RS 232
Требования к компьютеру	Операционная система Windows 98/2000/NT, Windows XP Service pack 3, Windows 7
Габариты, мм монохроматора драйвера	154114147 9015540
Вес, кг монохроматора драйвера	2,1 0,6

3.1.3 Оптическая схема и конструкция монохроматора

Высоко светосильный монохроматор ML 44 с фокусным расстоянием 44.2 мм и относительным отверстием 1:2.9 выполнен по горизонтальной схеме с использованием двух линзовых объективов-ахроматов в качестве коллиматорного и камерного объективов. Сканирование спектра обеспечивается путем поворота блока из двух дифракционных решеток, установленных на одной оси вращения. Управление сканированием осуществляется от компьютера через последовательный порт RS 232.

Внешний вид монохроматора ML 44 представлен ниже (рис. 9, рис. 11).

Где основными элементами являются (рис. 9):

1. входная щель,

2. выходная щель,

3. основание,

4. крышка,

5. поддон,

6. винты крепления крышки,

7. винты крепления поддона.

Рис.9. Внешний вид монохроматора ML 44

Так же приведена оптическая схема монохроматора, где (рис. 10):

1 - входная щель,

2, 7 - поворотные зеркала,

3 - объектив коллиматора,

4 - блок сменных дифракционных решеток,

5 - ось вращения блока решеток,

6 - объектив камеры,

8 - выходная щель,

9 - конденсор,

10 - плоскость фотоприемника.



Рис. 10. Оптическая схема монохроматора ML 44

Оптическая схема монохроматора обеспечивает компенсацию астигматизма.

Излучение, прошедшее входную щель 1, направляется поворотным зеркалом 2 через коллиматорный объектив 3 на блок сменных дифракционных решеток 4. Дифракционная решетка раскладывает излучение на монохроматические составляющие; камерный объектив 6 создает в плоскости выходной щели 8 монохроматические изображения входной щели.

Конденсор 9 собирает излучение, прошедшее выходную щель 8, в плоскости фотоприемника 10. Плоскость наилучшей установки фотоприемника расположена на расстоянии 18мм от линзы конденсора (рис. 10).

Входная и выходная щели размещены на шестипозиционных дисках. Смена щелей осуществляется вручную поворотом переключателя входной/выходной щелей (поз. 1, 3, рис. 11) на 600. При этом индикаторы ширины щелей (поз. 2, 4) указывают ширину (в мм) входной и выходной щелей соответственно, а программное обеспечение позволяет оценить спектральную ширину линии, выделяемой монохроматором.

Рис. 11. Общий вид монохроматора ML 44

Основные обозначения общего вида монохроматора:

1 - переключатель входной щели,

2 - индикатор ширины входной щели,

3 - переключатель выходной щели,

4 - индикатор ширины выходной щели,

5 - адаптер SMA-905,

6 - конденсор.

ML44 снабжен двумя конденсорами и двумя адаптерами для подсоединения оптического волокна (разъем SMA-905). Таким образом, к входной/выходной щелям прибора может быть подсоединен либо конденсор, либо адаптер волокна, обеспечивая тем самым гибкость компоновки приборных комплексов.

Обе дифракционные решетки управляются шаговым двигателем и устанавливаются в рабочее положение попеременно. Механизмы сканирования по длине волны и смены дифракционных решеток совмещены (рис. 12).

Основная конструкция монохроматора, где (рис. 12):

1 - механизм сканирования и смены дифракционных решеток,

2 - привод дифракционных решеток,

3 - объективы камеры и коллиматора,

4 - поворотные зеркала,

5 - турель с набором дифракционных щелей,

6 - ленточный тормоз выбега дифракционной решетки,

7 - фиксатор турели,

8 - датчик положения дифракционной решетки,

9 - точный датчик положения дифракционной решетки,

10,11 - винты крепления и юстировки поворотных зеркал,

12 - винты крепления объективов,

13 - винты фокусировки объективов,

14 - винт регулировки наклона решетки,

15 - винт поворота решетки по длине волны,

16 - винт разворота штрихов решетки.



Рис. 12. Конструкция монохроматора ML 44

На днище ML44 имеется резьбовое отверстие, позволяющее закрепить прибор на оптическом столе в стандартном держателе с помощью установочного штыря.



3.2 Источник-измеритель тока и напряжения Keithley 2400

Рис 13. Источник-измеритель тока и напряжения Keithley 2400

· Исходное напряжение от 5 мкВ до 210 В; измеряемое напряжение от 1 мкВ до 211 В.

· Исходный ток от 50 до 1,05А; измеряемый ток от 10 пA до 1.055A.

· Измеряемое сопротивление от 100 мкОм до 211 МОм.

· Максимальная мощность источника составляет 22 Вт.

· Работа в четырех квадрантах диаграммы ток-напряжение.

· 1700 измерений в секунду с разрешением 4,5 разрядов и передачей данных через интерфейс GPIB.

· Интерфейсы GPIB, RS-232.

Инструменты Keithley Series 2400 Source Measure Unit (SMU) разработаны специально для тестовых приложений, которые требуют жесткого связанных источников и измерений. Все модели SourceMeter предоставляют прецизионное напряжение и ток.

Характеристики источника питания включают низкий уровень шума, точность и чтение. Возможности мультиметра включают высокую повторяемость и низкий уровень шума. В результате получается компактный, одноканальный, параметрический тестер постоянного тока. В процессе эксплуатации эти инструменты может выступать в качестве источника напряжения, источника тока, измеритель тока и напряжения, а также сопротивления. Инструменты SourceMeter SMU бесценны для широкого спектра характеристика и испытания продукции.

Схема работы устройства, при котором подается напряжение и измеряется сила ток представлена ниже (рис. 14).

Рис 14. Схема работы устройства при источнике напряжения с измерением силы тока

При этом устройство защищает тестируемое устройство от повреждения, перегрузок, перегрева, а также от других нежелательных эффектов. Если в процессе измерения достигается один из максимальных значений (например, по току, по напряжению, мощности и др.), источник-измеритель автоматически ограничивает ток или напряжение.

Ниже представлена 4-х квадрантная рабочая область прибора Keithley 2400 с указанными диапазонами по напряжению и току (рис. 15).



Рис 15. Область действия устройства

3.2.1 Краткие технические характеристики Keithley 2400

Рассмотрим основные погрешности прибора при заданном источнике напряжения и измерение силы тока (табл. 2):

Таблица 2.. Погрешность источника напряжения

Модель	Диапазон	Разрешение	Погрешность источника (в течение 1 года) 23? ? 5? С (% от показаний + вольт)
2400	200,000 мВ	5 мкВ	0,012% + 300 мкВ
	2,00000 В	50 мкВ	0,012% + 300 мкВ
	20,0000 В	500 мкВ	0,015% + 1,5 мВ
	200,000 В	5 мВ	0,015% + 10 мВ

Предельное значение в режиме источника составляет:

· 21 В при токе 1,05 А,

· 210 В при токе 105 мА.

Рассмотрим погрешность амперметра (табл. 3):



Таблица 3. Погрешность амперметра

Модель	Диапазон	Разрешение при измерении	Погрешность измерения (в течение 1 года) 23? ? 5? С (% от показаний + ампер)
2400	1,00000 мкА	10 пА	0,029% + 300 пА
	10,0000 мкА	100 пА	0,027% + 700 пА
	100,000 мкА	1 нА	0,025% + 6 нА
	1,00000 мА	10 нА	0,027% + 60 нА
	10,0000 мА	100 нА	0,035% + 600 нА
	100,000 мА	1 мкА	0,055% + 6 мкА
	1,00000 А	10 мкА	0,22% + 570 мкА

3.3 Виртуальный инструмент для управления экспериментальной установкой

Для того чтобы управлять установкой через компьютер в автоматическом режиме было принято решение использовать программное обеспечение LabVIEW. Источник-измеритель тока и напряжения Keithley 2400 и монохроматор ML 44 с легкостью программируется с этими устройствами. Более подробно как реализовалось это описана ниже в под главах в этой главе.

3.3.1 Программное обеспечение LabVIEW

LabVIEW - это язык графического программирования National Instrument. В основном, он используется в областях тестирования и автоматизации для управления прибором, сбора данных и т. д.

LabVIEW - это среда разработки графического программирования для решения проблем, ускорения производительности и непрерывных инноваций. Он объединяет все инструменты, которые инженеры и ученые должны создать для широкого круга приложений за короткий промежуток времени. Он предлагает беспрецедентную интеграцию с существующим устаревшим программным обеспечением, IP и аппаратным обеспечением, а также использует новейшие вычислительные технологии.

Рис. 16. Лицевая панель ПО LabView

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) - это графическое программирование окружающей среды, которая стала распространяться во всех исследовательских лабораториях, научных кругах и промышленности. Графический язык программирования LabVIEW, называемый G-программированием, выполняется с использованием графической блок-схемы, которая компилируется в машинный код и устраняет много синтаксических ошибок. LabVIEW предлагает большую гибкость, чем стандартные лабораторные инструменты. Используя LabVIEW, программисты могут легко просматривать и изменять данные или управлять программой.

Популярность программное обеспечение для графического потока данных National Instruments LabVIEW для начинающих и опытных программистов во многих различных инженерных приложениях, а также в отраслях промышленности.

Программы LabVIEW называются виртуальными инструментами (ВИ), поскольку их внешний вид и операции имитируют физические инструменты. LabVIEW предназначен для облегчения передачи данных сбор и анализ, а также предлагает множество вариантов отображения. LabVIEW содержит полный набор ВП и функций для сбора, анализа, отображения и хранения данных, а также инструментов, помогающих устранить неполадки программного кода.

Все приложения для тестирования, измерения и управления можно разделить на три основных компонента и ключом к виртуальной аппаратуре является способность приобретать, анализировать и представлять данные.

LabVIEW может получать данные с использованием таких портов, как GPIB, Serial, Ethernet, VXI, PXI Instruments, DAQ, PCI eXtensions (PXI), IMAQ, Real-Time (RT) PXI, PLC (через OPC-сервер), PDA и модульные инструменты.

LabVIEW включает функции анализа для дифференциальных уравнений, аппроксимации кривой, линейной алгебры, статистики и т. д. LabVIEW включает следующие инструменты, помогающие в представлении данных на компьютере: графики, диаграммы, таблицы, измерители, счетчики, 3D-элементы управления, контроль изображения, 3D-графики и создание отчетов.

LabVIEW также имеет встроенный возможности подключения вашего приложения к Интернету с помощью веб-сервера LabVIEW и таких как сеть TCP / IP и ActiveX. Используя LabVIEW, можно создать измерение, сбор данных, управление прибором, регистрацию данных, анализ измерений и отчет.

Также можете создавать автономные исполняемые файлы и разделяемые библиотеки, например, DLL, потому что LabVIEW является истинным 32-разрядным компилятором. Для новых программистов технология LabVIEW Express трансформирует общие измерения и задачи автоматизации на более высокоуровневые, интуитивные ВП. С помощью технологии Express тысячи непрограммисты воспользовались платформой LabVIEW для создания автоматизированных систем быстро и легко. Для опытных программистов LabVIEW обеспечивает производительность, гибкость и совместимость традиционного языка программирования, такого как C или BASIC. Фактически, полнофункциональный язык программирования LabVIEW имеет те же конструкции, что и традиционные языки такие как переменные, типы данных, объекты, структуры циклов и последовательности, а также ошибки обработки. И с LabVIEW программисты могут повторно использовать устаревший код, упакованный как DLL или общий библиотеки и интегрироваться с другим программным обеспечением с использованием ActiveX, TCP и других стандартных технологий.

Для создания приложения в программной среде есть три шага:

· разработка пользовательского интерфейса;

· нарисовать графический код;

· запустить программу.

Виртуальный инструмент (VI) имеет три основных компонента: переднюю панель, блок-схему и панель значок/соединитель. Двумя окнами LabVIEW являются:

· передняя панель (содержит элементы управления и индикаторы);

· блок-диаграмма (содержащие терминалы, соединения и графический код).

Передняя панель представляет собой пользовательский интерфейс виртуального инструмента. Код построен используя графические представления функций для управления объектами передней панели. Структурная схема содержит этот графический исходный код. В LabVIEW создается пользовательский интерфейс или передняя панель с контролерами и индикаторами. Элементы управления - это кнопки и другие устройства ввода. Индикаторы -- это графики, светодиоды. После создания пользовательского интерфейса можно добавить код, используя ВИ и структуры для управления объектами передней панели. Блок-схема содержит этот код.



3.3.2 Keithley 2400 LabVIEW

Рассмотрим виртуальный инструмент для Keithley 2400:

Рис 17. Виртуальный инструмент Keithley 2400

KE2400_Initialize - инициализирует данное устройство.

KE2400_MEAS - активизирует амперметр в данном устройстве.

KE2400_Output - задает значения напряжения на выходе.

KE2400_Enable_Output - включает на выходе напряжение на тестируемое оборудование.

KE2400_Single_point - выдает значение силы тока.

3.3.3 Монохроматор ML 44 LabVIEW

Вместе со стандартным ПО, входило также тестовая программа на LabVIEW и ее библиотека. Последующем она была видоизменена и модернизирована для выполнения ВКР.

Рассмотрим основные функции монохроматора в LabVIEW (рис. 18):



Рис. 18. Виртуальный инструмент монохроматора ML 44

Основные обозначения виртуального инструмента (рис. 18):

ML44_Init.vi - инициализирует устройство, возможны два варианта работы в режиме симуляции прибора без подключения и основной режим работы с управлением прибора через COM порт. Второй режим будет использован в последующем.

ML44_GetWaveLength.vi - отображает текущую длину волны в нм.

ML44_SetScanMinWL.vi - минимальная длина волны для монохроматора в нм.

ML44_SetScanMaxWL.vi - максимальная длина волны для монохроматора в нм.

ML44_SetScanStepWL.vi - шаг длины волн с которой будет идти монохроматор.

ML44_SetScanTimeOutWL.vi - время задержки между длинами волн в мс.

ML44_StartScan.vi - запуск цикла, который проходит ML44 от минимального значения к максимальному с определенным шагом и временем задержки.

3.3.4 Виртуальный инструмент, синхронизированный с обоими инструментами в LabVIEW

На рис. 19 изображена конечный результат виртуального инструмента в среде LabVIEW.

Рис 19. Виртуальный инструмент для управления приборами

Где в File name задается имя файла для записи данных в формате *.txt.

Min WL и Max WL задают минимальные и максимальные границы длины волны в нанометрах.

Step WL задает шаг длины волны в нанометрах.

Timeout обозначает пауза между промежутками длинными волн для освещения фотодиода светом.

Output Level задает потенциал на фотодиод.

Cur WL отображает текущую длину волны.

Start scan с помощью этой кнопки запускается установка.

Stop с помощью этой кнопки пользователь останавливает виртуальный инструмент принудительно.

Error это индикатор показывает если в ходе запуска виртуального инструмента произошла ошибка, если ошибок нет отображает No Error.



4. Приготовление фотодиода на основе полимерного полупроводника

4.1 Выбор материалов

В зависимости от уровня электрической проводимости материалы классифицируют как проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники обладают высокой удельной электропроводностью (между 10⁴ и 10⁶ См/см), в то время как удельная электропроводность диэлектриков очень низкая (между 10^-18 и 10^-8 См/см) [2].

Рис 20. Схематическое представление зон энергии в: а) диэлектрике, в) полупроводнике и с) проводнике

В природе лучшие проводники - металлы, которые состоят из большого количества атомов, образующих структуру, где зона проводимости частично заполнена (рис. 20c), поэтому уже малое внешнее электрическое поле достаточно для генерации и дрейфа носителей заряда и, следовательно, электрического тока. В изоляторах или диэлектриках валентные электроны сильно связаны с ионами решетки, поэтому они имеют очень большую ширину запрещенной зоны (обычно несколько эВ), и даже относительно большое электрическое поле не может генерировать в них ток (рис. 20a).

Промежуточное состояние между диэлектриками и металлами занимают полупроводники, в которых электроны полностью заполняют валентную зону, оставляя зону проводимости пустой (рис. 20в). Ширина запрещенной зоны в них относительно мала (несколько эВ), поэтому достаточно небольшого количества энергии (тепловой энергии при комнатной температуре), чтобы возбуждать электроны в зону проводимости. Таким образом, полупроводники способны проводить электрический ток за счет транспорта как электронов, так и дырок.

Представление об энергетических зонах, разработанное для неорганических материалов, может быть распространено на органические материалы. Поскольку в органических полупроводниках, как правило, отсутствует дальний порядок, способствующий формированию выраженных зон, то вместо валентной зоны и зоны проводимости рассматривают уровни энергий электронов, соответствующих верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО или HOMO) и нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО или LUMO). Органический фотодиод обычно получают с помощью многослойной структуры из материалов с различными значениями этих энергий.

4.1.1 Анодный материал. Оксид индия, легированный оловом (ITO)

Оксид индия, легированный оловом, представляет собой твердый раствор оксида индия (III) (In2O3) и оксид олова (IV), как правило, 90% In₂O₃, 10% SnO₂. Этот состав принято обозначать как ITO.

Слой ITO обычно наносят на основу методом импульсного магнетронного распыления веществ. Слой ITO обладает хорошей прозрачности в видимой части спектра и превосходной адгезией к основе (стекло, полимерная пленка). ITO широко используется в качестве электрода в органических светодиодах (OLED), в органических солнечных элементах и фотоприемниках из-за высокой проводимости и эффективной инжекции или сбору дырок. Однако слой ITO обычно имеет шероховатую морфологию поверхности, которая может привести к неравномерному и преждевременному износу устройства. Поэтому ITO слой покрывают слоем проводящего полимера, такого как комплекс поли-3,4-этилендиокситиофена с полистиролсульфокислотой (ПЭДОТ:ПСК или PEDOT:PSS), в результате чего существенно улучшает срок службы устройства. В связи с тем, что доступности индия становится ограниченной, проводится поиск альтернативных материалов, которые к тому же являются экологически чистыми и стабильными, обладают с высокой проводимостью и хорошей прозрачностью, а также способностью быть приготовлены в виде раствора [2].

4.1.2 Дырочный транспортный слой ПЭДОТ:ПСК

Комплекс поли-3,4-этилендиокситиофена с полистиролсульфокислотой (ПЭДОТ:ПСК или PEDOT:PSS) представляет собой смесь двух иономеров (Рис. 21). Сам поли-3,4-этилендиокситиофен нерастворим во многих обычных растворителях и нестабилен в нейтральном состоянии, поскольку он быстро окисляется на воздухе. Чтобы улучшить его технологические свойства, обычно добавляют полиэлектролит полистиролсульфокислоты (ПСК), в результате чего образуется водная дисперсия ПЭДОТ:ПСК, где ПЭДОТ является ее окисленным состоянием. Водная дисперсия ПЭДОТ:ПСК является стабильной на воздухе и позволяет приготовлять пленочные покрытия [2].

ПЭДОТ:ПСК (работа выхода электрона ~ 5.2 эВ) широко используется как дырочный транспортный слой или электрод в органических электронных устройствах из-за его хорошей пленкообразующих свойств и высокой прозрачности в видимой области спектра. Тонкие слои (толщиной несколько десятков нанометров) с ровной поверхностью можно получить с помощью таких методов, как, например, центрифугирование положки (spin coating/спин-коатинг), спрей. После удаления водного растворителя ПЭДОТ:ПСК образует пленочное покрытие, которое однородное, высокопроводящее (в пределах от 10^-3 до 10 См/см), прозрачное, механически прочное, нерастворимое в распространенных органических растворителях.

...