A study on the transport and recombination processes of electrons in hydrogenated amorphous silicon has been done employing the time-of-flight (TOF) technique.
At room temperature TOF transient photocurrent(TPC) shows the normal non-dispersive behavior and the drift mobility of the electron is about $0.3cm^2$/V·sec. As the temperature is lowered TOF TPC exhibits the dispersive decay showing the famous power-law decay. The temperature dependence of the drift mobility is approximately an activated one with the activation energy of 0.13 eV. This results are well interpreted by the multiple trapping with the exponential tail and demarcation level approximation. The characteristic temperature of the exponential tail is about 300K. The temperature dependence of the drift mobility is well fitted with the attempt-to-escape frequency of $2.4\times10^{11}sec^{-1}$ and the band mobility of $7.5cm^2$/V·sec.
At low temperatures and in the early stage of the transient photocurrent, the decay faster than $t^{-(1-\alpha)}$ was observed as was in other's. The Transition time from the initial fast decay to the normal power-law decay shows the activated behavior with the activation energy of 0.13 eV which is the same as that of the drift mobility. In order to interpret this initial fast decay, a tail state distribution which is linearly decreasing and followed by an exponential tail (DLE) was assumed with the transition from the linear to the exponential tail at 0.13eV. It is assumed that the initial fast decay is a result of the thermalization of carriers through the linear part of tail states. With this assumption and demarcation level approximation, the transition time obtained experimentally is well interpreted with the attempt-to-escape frequency of $2.6\times 10^{11}sec^{-1}$. Moreover, an analytical expression of the pre-transit TOF TPC is developed for the DLE using the multiple trapping and demarcation level approximation. This expression well describes the TPC decay at various temperatures with the parameters obtained experimentally.
At very low temperatures, a new result of the TOF TPC was obtained with varying electric field applied. At 5.7K, a sudden increases of the TPC signal and hence of the charge collection were observed at the biasing electric field of $\sim 1.8\times 10^5$V/cm, and this feature as well as magnitude of the charge collection did not significantly change with varying temperatures between 5.7 to 25.5K. These phenomena is attributed to the dissociation of the geminate electron-hole pairs created near the illuminating top electrode. Field enhanced tunneling through the barrier of the mutual Coulomb attraction between the geminate pair is proposed as a possible model for the dissociation mechanism of the geminate pair. Moreover, the transient photocurrent above this electric field followed the power-law decay, $I\propto{t^{-\beta}}$, similar to the case at moderate temperatures. The exponent, β was a constant around 0.64 below $2.2\times 10^5$V/cm but became so strongly electric field dependent that it increased to 1.26 as the electric field increased to $2.7\times 10^5$V/cm. The electric field assisted enhancement in the electronic conduction is discussed as a tentative explanation.
비행 시간 (Time-of-Flight:TOF) 방법을 사용해 수소화된 비정질 규소의 전자에 대한 수송 및 재결합 미케니즘(mechanism)에 관해 연구했다.
상온에서 TOF 과도 광전류(transient photocurrent:TPC)는 일반적인 비분산(non-dispersive) 행태를 보이며 전자의 표류 이동도(drift mobility)는 약 $0.3\times10^2/V·sec$였다. 온도가 낮아짐에 따라 TOF TPC는 멱함수 (power-law)꼴의 분산(dispersive) 감쇠(decay)를 나타낸다. 표류 이동도의 온도 의존성은 근사적으로 활성화(activated) 형태를 보이며 이때의 활성화 (activation) 에너지(energy)는 0.13 eV였다. 이러한 결과는 경계 (demarcation) 레벨(level) 근사를 취했을 때 지수(exponential) 형태의 띠끝 (tail)에서의 중복 포획(multiple trapping:MT)에 의해 잘 설명된다. 이때 지수 띠끝의 특성(characteristic) 온도는 약 300 K였으며 표류 이동도의 온도 의존성은 탈출 시도 진동수(attempt-to-escape frequency)를 $2.4\times 10^{11}\sec^{-1}$, 밴드(band) 이동도를 $7.5\times 10^2cm^2$/V·sec로 취했을 때 잘 맞았다.
낮은 온도에서는 다른 연구자들과 같이 초기 단계에서 TPC가 -(1-α)의 지수를 갖는 멱함수보다 빠르게 감쇠하는 것이 관측됐다. 초기 급감쇠 (initial fast decay)에서 일반적인 멱함수 감쇠로 변이(transition)하는 시간은 표류 이동도의 경우와 같은 0.13 eV의 활성화 에너지를 갖는 활성화 꼴을 보였다. 1차 함수꼴로 감소하다 전도대에서 0.13 eV 떨어진 곳에서 부터 지수적으로 감소하게 되는 띠끝 상태 분포(DLE)를 가정하여, 이러한 초기 급감쇠를 전하 운반자가 1차 함수 영역에서 열평형화(thermalization)하는 과정으로 해석했다. 이러한 가정과 함께 경계 레벨 근사를 가정하면 실험적으로 얻어진 변이 시간은 탈출 시도 진동수를 $2.6\times 10^{11}\sec^{-1}$로 취하여 잘 설명될 수 있었다. 한편, DLE를 가정했을 때의 도착 이전의 (pre-transit) TOF TPC를 기술하는 해석적인 식을 MT와 경계 레벨 근사를 가정하여 구했다. 이 식은 실험적으로 얻어진 매개 변수(parameter)들을 사용했을 때 여러 온도에서의 TPC 감쇠를 잘 기술했다.
극히 낮은 온도에서, 부가한 전기장(electric field)의 세기를 변화 시키며 TOF TPC를 측정했다. 5.7 K에서 TPC 신호와 전하 수집(charge collection)이 전기장의 세기가 $1.8\times 10^5$ V/cm일 때 갑자기 증가하는 것을 관측했으며 이러한 양상과 전하 수집량은 온도를 5.7에서 25.5 K까지 변화 시켜도 크게 변하지 않았다. 이러한 현상은 빛이 조사되는 전극 근처에서 생성된 쌍생의 (저미네이트, geminate) 전자-양자 쌍이 분해되는 탓이라 생각된다. 저미네이트 쌍이 분해되는 미케니즘에 대한 가능한 모델(model)로서 저미네이트 쌍간의 상호 쿨롱(Coulomb) 인력에 의해 생긴 장벽에 대한 전기장 보강 (filed enhanced) 터넬링(tunneling)을 제시했다. 한편, 이 전기장 이상에서의 TPC는 멱함수 감쇠를 따랐으며 이때의 지수는, $2.2\times 10^5$ V/cm 이하에서는 0.64의 일정한 값을 갖았으나 전기장이 증가하면서 전기장에 크게 종속되어 전기장의 세기가 $2.7\times 10$ V/cm일 때는 1.26이 되었다.
