In this thesis the steady-state photoconductivity have been studied for undoped, phosphorus-and boron-doped hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) as functions of the temperature and the illumination intensity. The investigation is focused on the following three points: (1) Are the observed photoconductivity activation energy and power exponent in respective doping ratio or temperature range or illumination intensity range given by what recombination process? (2) What are the changes of steady-state photoconductivity properties by light-soaking? And are these changes led by what changes in recombination process? (3) What is the mechanism about the appearance and disappearance of thermal quenching and supralinearity in a-Si:H with the variation of dark Fermi level position?
It is revealed that the general feature of steady-state photoconductivity in a-Si:H is controlled by the two types of recombination center located at or below midgap.
One of these is a fast center (presumably the dangling bond) and the other is a sensitizing slow center in thermal contact with valence band and have small capture cross section for electron.
When the dark Fermi level ($E_f$) is close to $E_A$ as in phosphorus-doped sample, the predominant recombination center is slow center, resulting in high photosensitivity, bimolecular-type recombination and the activation energy of photoconductivity ($E_{ph}$) to be $E_{ph} = E_c-E_A 0.20$ eV. In the mean-time, when $E_f$ is located near midgap, now predominant recombination center is fast center, resulting in low photosensitivity, monomolecular-type recombination and $E_{ph}$ to be nearly zero.
And in this study we find that there are some correlation between $E_{ph}$ and $\gamma$, the power exponent in intensity dependence of photoconductivity such that the sample with a large $E_{ph}$ have a small $\gamma$, and vice versa.
As $E_f$ shift toward midgap by introduction of metastable defects near midgap by light-soaking, the effectiveness of singly occupied dangling bonds as a rapid recombination center are increased, resulting in the decrease in magnitude of photoconductivity and $E_{ph}$ but increase in $\gamma$.
Thermal quenching and supralinearity do not appear for doped samples because they depend on the transfer of holes between two partially filled sets of states whose electron capture cross section differ by a factor greater than some powers of ten. If these states are completely filled or completely empty the effects are not observed.
Also, $Co_{0.2}Ga_2S_{3.2}$ single crystal were prepared by a chemical transport method. The optical energy gap of this single crystal was 2.578 eV at 150 K, the optical absorption peaks due to the transition $^4A_2(^4F)→^4T_1(^4P)$, $^4A_2(^4F)→^4T_1(^4F)$, and $^4A_2(^4F)→^4T_2(^4F)$ of $Co^{2+}$ ion which has entered the substitutional tetrahedral site appeared at $13333 cm^{-1}$, $6557 cm^{-1}$, and $4395 cm^{-1}$ at room temperature, and crystal field parameter was given by $Dq = 439 cm^{-1}$ together with Racah parameter $B=447 cm^{-1}$.
The impurity photoconductivity peaks at 150 K were observed at 2.032 eV, 1.758 eV, and 1.653 eV and these are attributed to the transitions between the band edge of $Co_{0.2}Ga_2S_{3.2}$ single crystal and the $^4T_2(^4F)$,$^4T_1(^4F)$, and $^4T_1(^4P)$ electronic energy levels of $Co^{2+}$ ion.
본 학위논문에서는 수소화된 비정질 실리콘에 대해 온도와 여기광의 세기에 따른 정상상태 광전도도를 측정하여 이 물질에서 전자와 양공의 재결합 과정을 고찰하고 또한 장시간 광 노출이 광전도도에 미치는 영향을 논의하였으며 아울러 온도증가에 따른 광전류 감소현상 (thermal quenching)을 논의하였다. 아울러 화학적 수송법에 의해 $Co_{0.2}Ga_2S_{3.2}$ 단결정을 성장시키고, 이 단결정의 광흡수 특성 및 파장에 따른 정상상태 광전도도 특성을 측정하였다. 천이금속인 cobalt 가 이 단결정 내에서 갖는 에너지 준위를 밝히고 이를 이용하여 측정된 광흡수와 광전도도 spectrum 을 설명하였다. 본 논문에서 논의된 사항들은 다음으로 요약된다.
(1) 수소화된 비정질 규소에서의 전자와 양공의 재결합 과정은 전자에 대한 포획단면적의 크기가 매우 큰 중심 (fast center) 과 매우 작은 중심 (slow center) 에 의해 지배된다.
(2) 암 페르미 준위가 전도도에 접근해 있는 시료의 재결합은 slow center에 의해 지배되고, 이 때 활성화 에너지는 $E_C-E_A$에 대응하며, 재결합은 bimolecular 형태이다. 반면, 암 페르미 준위가 에너지 갭의 중간 근처에 위치할 때 재결합은 fast center에 의해 지배되고, 이 때 활성화 에너지는 거의 없고, 재결합은 monomolecular 형태이다.
(3) 활성화 에너지 $E_{ph}$와 여기광의 세기에 따른 광전류의 변화에 있어서의 멱수 $\gamma$는 서로 반비례하는 상관관계를 갖는다.
(4) $\gamma<0.5$는 전하중성조건에 이온화된 dopant의 효과를 고려함 으로써 설명된다.
(5) 장시간 광노출에 따른 광전도도 변화는 재결합 과정에 fast center 역할의 증대에 의해서 설명된다.
(6) termal quenching 효과의 발생은 암 페르미 준위의 위치에 의해 지배된다.
(7) $Co_{0.2}Ga_2S_{3.2}$ 단결정의 광흡수 spectrum 에 나타난 세개의 peak는 $T_d$ 대칭하에서 $Co^{2+}$ 이온의 가저상태에서 최초의 여기상태들로의 천이에 대응된다.
(8) $Co_{0.2}Ga_2S_{3.2}$ 단결정의 광전도도 spectrum에 나타난 세개의 peak 는 $Co^{2+}$ 이온의 에너지 준위와 전도대 및 가전대간의 천이에 의해 설명된다.
