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Modeling of QE, I-V characteristics of MSM (Metal-Semiconductor-Metal) mercuric iodide thin films with MEDICI ™

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Material Information

Title:
Modeling of QE, I-V characteristics of MSM (Metal-Semiconductor-Metal) mercuric iodide thin films with MEDICI ™
Physical Description:
Book
Language:
English
Creator:
Rupavatharam, Vikram
Publisher:
University of South Florida
Place of Publication:
Tampa, Fla.
Publication Date:

Subjects

Subjects / Keywords:
parameter extraction
bulk recombination
surface recombination
photoconductors
HgI₂
Dissertations, Academic -- Electrical Engineering -- Masters -- USF
Genre:
government publication (state, provincial, terriorial, dependent)   ( marcgt )
bibliography   ( marcgt )
theses   ( marcgt )
non-fiction   ( marcgt )

Notes

Summary:
ABSTRACT: Mercuric Iodide is the most promising of all semiconductor materials currently under investigation for use as radiation detectors at room temperature. While substantial studies have been conducted on single crystal HgI₂, polycrystalline HgI₂ remains a comparatively less studied form. The HgI₂ films are deposited on TEC-15 LOF glass with a Tin Oxide (SnO₂) coating which acts as the growth surface and front contact. The back contact, Palladium (Pd), is deposited by sputtering through a shadow mask. The films are circular in shape with an approximate diameter of 2.5 cm and thicknesses ranging from 50-600 micro m. The film has seven contact points defined by Pd electrodes for spectral response(SR) and I-V measurements. Measurements were done on the film with a visible light source. Numerical modeling helps us understand device properties and processes that take place in operation of the device.The focus of this work was to identify loss mechanisms in photoresponse, reveal fundamental device properties, and develop a quantitative device model for MSM HgI₂ thin films using the DC Device modeling simulation tool MEDICI ™. The values for input parameters were chosen from literatutheory and reasonable estimates. Comprehensive studies were performed to investigate the sensitivity of SR and light I-V characteristics to each input parameter. Surface&Bulk recombinations have been investigated in this thesis. A Single, homogeneous region with all possible combinations of carrier mobilities, surface and bulk recombination parameters was not able to explain completely the measured SR. A Two-region model with the first region (0-0.5) μ m being surface&bulk recombination dominated, and the second (0.5-300) μ m bulk recombination dominated, was able to match the complete measured SR of current devices.The key parameters determined from the simulations are the mobilities, bulk lifetimes and surface-recombination velocities at the front contact for both carriers. These are consistent with expectations based upon known single crystal properties
Thesis:
Thesis (M.S.E.E.)--University of South Florida, 2004.
Bibliography:
Includes bibliographical references.
System Details:
System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.
System Details:
Mode of access: World Wide Web.
General Note:
Title from PDF of title page.
General Note:
Document formatted into pages; contains 78 pages.

Record Information

Source Institution:
University of South Florida Library
Holding Location:
University of South Florida
Rights Management:
All applicable rights reserved by the source institution and holding location.
Resource Identifier:
notis - AJU6719
usfldc doi - E14-SFE0000519
usfldc handle - e14.519
System ID:
SFS0025210:00001


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Full Text

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Modeling of QE, I-V Characteristics of MSM (Metal-Semiconductor-Metal ) Mercuric Iodide Thin Films with MEDICI TM by Vikram Rupavatharam A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical Engineering Department of Electrical Engineering College of Engineering University of South Florida Major Professor: Don L. Morel, Ph.D. Christos S. Ferekides, Ph.D. Yun. L. Chiou, Ph.D. Date of Approval: November 8, 2004 Keywords: HgI 2 Photoconductors, Surface Recombination, Bulk Recombination, Parameter Extraction Copyright 2004, Vikram Rupavatharam

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ACKNOWLEDGMENTS I have a deep feeling of gratitude to Dr.Don Morel, my Major Professor for so many things that this could already easily fill this page of acknow ledgements. He is the best professor I could have hoped for, full of optimism, ideas, understanding, and human warmth. I would like to offer my deep gratefulness to Dr. Chris Fer ekides for his guidance and extremely helpful insights and also for accepting to be one of my committee members. My next appreciations are due, to Dr. Y.L. Chi ou, who is also one of my committee members. I wish to acknowledge Prashanth Chegoor, Pri nce J.Simon who were part of Mercuric Iodide team at USF. They have been very helpful and cooperative in every way through out this work. Cheers to all my friends he re in USA and in India, for not only making these years a very pleasant period to remember but also for being there whenever it matters. Finally, my parents, who always let me make my own decisions and stood by me in the past and the present.

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i T A B L E O F C O N T E N T S L I S T O F T A B L E S i v L I S T O F F I G U R E S v A B S T R A C T v i i C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N 1 1 1 D i r e c t & I n d i r e c t B a n d G a p S e m i c o n d u c t o r s 1 1 2 F e r m i D i r a c S t a t i s t i c s 3 1 3 C a r r i e r T r a n s p o r t 4 1 4 C a r r i e r R e c o m b i n a t i o n 5 1 4 1 B u l k R e c o m b i n a t i o n 7 1 4 2 S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n 1 0 C H A P T E R 2 S E M I C O N D U C T O R S – O P T I C A L R E S P O N S E 1 3 2 1 O p t i c a l A b s o r p t i o n i n S e m i c o n d u c t o r s 1 3 2 2 S e m i c o n d u c t o r P h o t o n D e t e c t o r s 1 5 2 3 P h o t o c o n d u c t i v i t y 1 5 2 4 P h o t o c o n d u c t o r s 1 7 2 5 S p e c t r a l R e s p o n s e 1 9 C H A P T E R 3 M E R C U R I C I O D I D E 2 1 3 1 L i t e r a t u r e R e v i e w 2 2 3 2 C r y s t a l S t r u c t u r e 2 4

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i i C H A P T E R 4 I N T R O D U C T I O N T O M E D I C I T M 4 1 P r e v i o u s W o r k o n M o d e l i n g 2 6 4 2 A n a l y z i n g D e v i c e s 2 7 4 3 M E D I C I T M G r i d 2 7 4 4 P h y s i c a l M o d e l s 2 8 4 5 M o d u l e s i n M E D I C I T M 2 8 4 6 C o o r d i n a t e S y s t e m s 2 9 4 7 E x e c u t i o n o f M E D I C I T M 2 9 C H A P T E R 5 S I M U L A T I O N R E S U L T S 3 0 5 1 I n p u t D a t a 3 0 5 2 S p e c t r a l R e s p o n s e a n d I V M e a s u r e m e n t s 3 2 5 3 S i m u l a t i o n o f S p e c t r a l R e s p o n s e 3 3 5 4 S i m u l a t i o n o f L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s 3 5 5 5 M i s m a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e 4 0 5 6 M a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e 4 3 5 7 M a t c h o f C o m p l e t e S p e c t r a l R e s p o n s e 4 6 5 8 D r a w b a c k s o f T w o r e g i o n M o d e l 5 0 5 8 1 I n c o m p l e t e M a t c h i n B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e 5 0 5 8 2 I n c o m p l e t e M a t c h o f L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s 5 1 C H A P T E R 6 C O N C L U S I O N S 5 6 6 1 C o n c l u s i o n s 5 6 6 2 F u t u r e W o r k 5 7 R E F E R E N C E S 5 9

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i i i A P P E N D I C E S 6 3 A p p e n d i x I M E D I C I T M 6 4

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i v L I S T O F T A B L E S T a b l e 2 1 : I n t r i n s i c P h o t o c o n d u c t o r s V s O p e r a t i n g T e m p e r a t u r e s a n d E n e r g y G a p s 1 8 T a b l e 3 1 : C r y s t a l l o g r a p h i c D a t a o f H g I 2 2 4 T a b l e 5 1 : B a s i c M a t e r i a l P r o p e r t i e s o f H g I 2 3 0 T a b l e 5 2 : A b s o r p t i o n C o e f f i c i e n t s U s e d i n S i m u l a t i o n 3 1 T a b l e 5 3 : C a l c u l a t e d R e f l e c t a n c e f r o m S i m u l a t i o n 3 5 T a b l e 5 4 : S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M i s m a t c h e d B l u e R e s p o n s e 4 1 T a b l e 5 5 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M i s m a t c h e d B l u e R e s p o n s e 4 1 T a b l e 5 6 : S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M a t c h e d B l u e R e s p o n s e 4 3 T a b l e 5 7 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M a t c h e d B l u e R e s p o n s e 4 4 T a b l e 5 8 : S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r C o m p l e t e M a t c h o f S p e c t r a l R e s p o n s e 4 7 T a b l e 5 9 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r t h e F i r s t R e g i o n ( 0 0 5 ) m 4 7 T a b l e 5 1 0 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r t h e S e c o n d R e g i o n ( 0 5 3 0 0 ) m 4 7 T a b l e 5 1 1 : W a v e l e n g t h s V s I n c i d e n t P h o t o n F l u x L e v e l s 5 2

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v L I S T O F F I G U R E S F i g u r e 1 1 : B a n d S t r u c t u r e s o f D i r e c t a n d I n d i r e c t B a n d G a p S e m i c o n d u c t o r s 3 F i g u r e 2 1 : G e o m e t r y o f B u l k P h o t o c o n d u c t o r 1 9 F i g u r e 3 1 : E l e m e n t a l C e l l o f T e t r a g o n a l – H g I 2 2 5 F i g u r e 5 1 : L a y o u t o f C u r r e n t T y p i c a l P o l y c r y s t a l l i n e M e r c u r i c I o d i d e T h i n F i l m S a m p l e s 3 3 F i g u r e 5 2 : M E D I C I G r i d f o r t h e M e r c u r i c I o d i d e T h i n F i l m 3 4 F i g u r e 5 3 : T y p i c a l M e a s u r e d S p e c t r a l R e s p o n s e ( a ) V e r y H i g h B l u e R e s p o n s e ( b ) Z e r o B l u e R e s p o n s e ( c ) H i g h B l u e R e s p o n s e 3 7 F i g u r e 5 4 : T y p i c a l S p e c t r a l R e s p o n s e P l o t s f r o m S i m u l a t i o n t o i l l u s t r a t e I Q E Q E 3 9 F i g u r e 5 5 : M i s m a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e 4 1 F i g u r e 5 6 : S i m u l a t e d S p e c t r a l R e s p o n s e V s S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y 4 2 F i g u r e 5 7 : S i m u l a t e d S p e c t r a l R e s p o n s e a s a F u n c t i o n o f n n 4 3 F i g u r e 5 8 : M a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e 4 4 F i g u r e 5 9 : B l u e R e s p o n s e a s a f u n c t i o n o f S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f H o l e s f r o m 1 t o 1 e 4 c m s 1 4 5 F i g u r e 5 1 0 : B l u e r e s p o n s e a s a f u n c t i o n o f S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f E l e c t r o n s o f 1 e 2 a n d 1 e 5 c m s 1 4 6 F i g u r e 5 1 1 : C o m p l e t e M a t c h o f S p e c t r a l R e s p o n s e 4 8 F i g u r e 5 1 2 : S p e c t r a l R e s p o n s e P l o t s V s W i d t h s o f t h e F i r s t R e g i o n 4 8 F i g u r e 5 1 3 : Q E V s f o r E l e c t r o n S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f 1 e 7 a n d 1 e 2 C m s 1 4 9 F i g u r e 5 1 4 : Q E V s f o r H o l e S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f 1 a n d 1 e 2 c m s 1 4 9

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v i F i g u r e 5 1 5 : Q E p l o t s f o r S i m u l a t i o n V s M e a s u r e m e n t S h o w i n g L i m i t a t i o n s i n B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e 5 1 F i g u r e 5 1 6 : L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s a t 5 7 0 n m 5 2 F i g u r e 5 1 7 : L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s a t 4 0 0 n m f o r N o n z e r o B l u e S R 5 3 F i g u r e 5 1 8 : L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s a t 4 0 0 n m f o r Z e r o B l u e S R 5 3 F i g u r e 5 1 9 : L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s a t 5 0 0 n m f o r N o n Z e r o B l u e S R 5 4 F i g u r e 5 2 0 : L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s a t 5 0 0 n m f o r Z e r o B l u e S R 5 4

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v i i M O D E L I N G O F Q E I V C H A R A C T E R I S T I C S O F M S M ( M E T A L S E M I C O N D U C T O R M E T A L ) M E R C U R I C I O D I D E T H I N F I L M S W I T H M E D I C I T M V i k r a m R u p a v a t h a r a m A B S T R A C T M e r c u r i c I o d i d e i s t h e m o s t p r o m i s i n g o f a l l s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s c u r r e n t l y u n d e r i n v e s t i g a t i o n f o r u s e a s r a d i a t i o n d e t e c t o r s a t r o o m t e m p e r a t u r e W h i l e s u b s t a n t i a l s t u d i e s h a v e b e e n c o n d u c t e d o n s i n g l e c r y s t a l H g I 2 p o l y c r y s t a l l i n e H g I 2 r e m a i n s a c o m p a r a t i v e l y l e s s s t u d i e d f o r m T h e H g I 2 f i l m s a r e d e p o s i t e d o n T E C 1 5 L O F g l a s s w i t h a T i n O x i d e ( S n O 2 ) c o a t i n g w h i c h a c t s a s t h e g r o w t h s u r f a c e a n d f r o n t c o n t a c t T h e b a c k c o n t a c t P a l l a d i u m ( P d ) i s d e p o s i t e d b y s p u t t e r i n g t h r o u g h a s h a d o w m a s k T h e f i l m s a r e c i r c u l a r i n s h a p e w i t h a n a p p r o x i m a t e d i a m e t e r o f 2 5 c m a n d t h i c k n e s s e s r a n g i n g f r o m 5 0 6 0 0 m T h e f i l m h a s s e v e n c o n t a c t p o i n t s d e f i n e d b y P d e l e c t r o d e s f o r s p e c t r a l r e s p o n s e ( S R ) a n d I V m e a s u r e m e n t s M e a s u r e m e n t s w e r e d o n e o n t h e f i l m w i t h a v i s i b l e l i g h t s o u r c e N u m e r i c a l m o d e l i n g h e l p s u s u n d e r s t a n d d e v i c e p r o p e r t i e s a n d p r o c e s s e s t h a t t a k e p l a c e i n o p e r a t i o n o f t h e d e v i c e T h e f o c u s o f t h i s w o r k w a s t o i d e n t i f y l o s s m e c h a n i s m s i n p h o t o r e s p o n s e r e v e a l f u n d a m e n t a l d e v i c e p r o p e r t i e s a n d d e v e l o p a q u a n t i t a t i v e d e v i c e m o d e l f o r M S M H g I 2 t h i n f i l m s u s i n g t h e D C D e v i c e m o d e l i n g s i m u l a t i o n t o o l M E D I C I T M T h e v a l u e s f o r i n p u t p a r a m e t e r s w e r e c h o s e n f r o m l i t e r a t u r e t h e o r y a n d

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v i i i r e a s o n a b l e e s t i m a t e s C o m p r e h e n s i v e s t u d i e s w e r e p e r f o r m e d t o i n v e s t i g a t e t h e s e n s i t i v i t y o f S R a n d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s t o e a c h i n p u t p a r a m e t e r S u r f a c e & B u l k r e c o m b i n a t i o n s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d i n t h i s t h e s i s A S i n g l e h o m o g e n e o u s r e g i o n w i t h a l l p o s s i b l e c o m b i n a t i o n s o f c a r r i e r m o b i l i t i e s s u r f a c e a n d b u l k r e c o m b i n a t i o n p a r a m e t e r s w a s n o t a b l e t o e x p l a i n c o m p l e t e l y t h e m e a s u r e d S R A T w o r e g i o n m o d e l w i t h t h e f i r s t r e g i o n ( 0 0 5 ) m b e i n g s u r f a c e & b u l k r e c o m b i n a t i o n d o m i n a t e d a n d t h e s e c o n d ( 0 5 3 0 0 ) m b u l k r e c o m b i n a t i o n d o m i n a t e d w a s a b l e t o m a t c h t h e c o m p l e t e m e a s u r e d S R o f c u r r e n t d e v i c e s T h e k e y p a r a m e t e r s d e t e r m i n e d f r o m t h e s i m u l a t i o n s a r e t h e m o b i l i t i e s b u l k l i f e t i m e s a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s a t t h e f r o n t c o n t a c t f o r b o t h c a r r i e r s T h e s e a r e c o n s i s t e n t w i t h e x p e c t a t i o n s b a s e d u p o n k n o w n s i n g l e c r y s t a l p r o p e r t i e s

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1 C H A P T E R 1 I N T R O D U C T I O N S e m i c o n d u c t o r s a r e a g r o u p o f m a t e r i a l s h a v i n g e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t i e s b e t w e e n m e t a l s a n d i n s u l a t o r s T h e c o n d u c t i v i t y o f t h e s e m a t e r i a l s c a n b e v a r i e d o v e r o r d e r s o f m a g n i t u d e b y c h a n g e s i n t e m p e r a t u r e o p t i c a l e x c i t a t i o n a n d i m p u r i t y c o n t e n t T h e c o l u m n I V s e m i c o n d u c t o r s s i l i c o n a n d g e r m a n i u m a r e c a l l e d e l e m e n t a l s e m i c o n d u c t o r s b e c a u s e t h e y a r e c o m p o s e d o f s i n g l e s p e c i e s o f a t o m s C o m p o u n d s o f c o l u m n I I I a n d V a t o m s a s w e l l a s c e r t a i n c o m b i n a t i o n s f r o m I I a n d V I a n d f r o m I V m a k e u p t h e c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s E v e r y s o l i d h a s i t s o w n c h a r a c t e r i s t i c e n e r g y b a n d s t r u c t u r e T h i s v a r i a t i o n i n b a n d s t r u c t u r e i s r e s p o n s i b l e f o r t h e w i d e r a n g e o f e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o b s e r v e d i n v a r i o u s m a t e r i a l s S e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s a t 0 K h a v e b a s i c a l l y t h e s a m e s t r u c t u r e a s i n s u l a t o r s I n m e t a l s t h e b a n d s e i t h e r o v e r l a p o r a r e o n l y p a r t i a l l y f i l l e d T h u s i n m e t a l s h i g h e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y i s d u e t o t h e f a c t t h a t e l e c t r o n s a n d e m p t y e n e r g y s t a t e s a r e i n t e r m i x e d w i t h i n b a n d s s o t h a t e l e c t r o n s c a n m o v e f r e e l y u n d e r t h e i n f l u e n c e o f a n e l e c t r i c f i e l d 1 1 D i r e c t & I n d i r e c t B a n d G a p S e m i c o n d u c t o r s M a t t e r i n g e n e r a l i s c o m p o s e d o f a t o m s w h i c h a r e m a d e u p o f p o s i t i v e l y c h a r g e d n u c l e i s u r r o u n d e d b y j u s t e n o u g h e l e c t r o n s t o m a k e t h e c o m p l e t e a t o m s e l e c t r i c a l l y n e u t r a l D i s t i n c t i o n s b e t w e e n c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f d i f f e r e n t m a t e r i a l s a r i s e b e c a u s e t h e y a r e c o m p o s e d o f d i f f e r e n t a t o m s D i s t i n c t i o n s b e t w e e n v a r i o u s p h a s e s ( s o l i d l i q u i d

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2 g a s e o u s ) o f a g i v e n s u b s t a n c e a r i s e f r o m d i f f e r e n c e s i n t h e s t r e n g t h w i t h w h i c h i t s a t o m s a r e b o u n d t o g e t h e r A t o m s o f s o l i d s t a t e m a t e r i a l s h a v e a s u f f i c i e n t l y s t r o n g i n t e r a c t i o n t h a t t h e y c a n n o t b e t r e a t e d a s i n d i v i d u a l e n t i t i e s V a l e n c e e l e c t r o n s a r e n o t a t t a c h e d ( b o u n d ) t o i n d i v i d u a l a t o m s ; r a t h e r t h e y b e l o n g t o t h e s y s t e m s o f a t o m s a s a w h o l e T h e e n e r g y b a n d s c a n b e t h o u g h t o f a s t h e c o l l e c t i o n o f t h e i n d i v i d u a l e n e r g y l e v e l s o f e l e c t r o n s s u r r o u n d i n g e a c h a t o m T h e w a v e f u n c t i o n s o f t h e i n d i v i d u a l e l e c t r o n s h o w e v e r o v e r l a p w i t h t h o s e o f e l e c t r o n s c o n f i n e d t o n e i g h b o r i n g a t o m s T h e P a u l i E x c l u s i o n p r i n c i p l e d o e s n o t a l l o w t h e e l e c t r o n e n e r g y l e v e l s t o b e t h e s a m e s o t h a t o n e o b t a i n s a s e t o f c l o s e l y s p a c e d e n e r g y l e v e l s f o r m i n g a n e n e r g y b a n d T h e e n e r g y b a n d m o d e l i s c r u c i a l t o a n y d e t a i l e d t r e a t m e n t o f s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s C o n s i d e r a v a l e n c e b a n d i n g r o u n d s t a t e T h e t o t a l c r y s t a l M o m e n t u m f o r t h i s b a n d i s z e r o a s f o r e v e r y o c c u p i e d k s t a t e t h e r e e x i s t s a c o r r e s p o n d i n g f i l l e d s t a t e w i t h o p p o s i t e m o m e n t u m T h e t o p o f v a l e n c e b a n d f o r m o s t s e m i c o n d u c t o r s o c c u r s a t k = 0 T h e b o t t o m o f t h e c o n d u c t i o n b a n d i n d i r e c t s e m i c o n d u c t o r s o c c u r s a t k = 0 S u c h s e m i c o n d u c t o r s r e s p o n d t o e x t e r n a l l i g h t a s t h e v a l e n c e a n d c o n d u c t i o n b a n d e d g e s a r e a l i g n e d i n d i r e c t s e m i c o n d u c t o r s F o r i n d i r e c t s e m i c o n d u c t o r s t h e b o t t o m o f t h e c o n d u c t i o n b a n d d o e s n o t o c c u r a t k = 0 A n I n d i r e c t t r a n s i t i o n i n v o l v i n g a c h a n g e i n k r e q u i r e s a c h a n g e i n m o m e n t u m f o r t h e e l e c t r o n F i g 1 1 [ 1 ] s h o w s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n d i r e c t a n d i n d i r e c t s e m i c o n d u c t o r s

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3 F i g u r e 1 1 B a n d S t r u c t u r e s o f D i r e c t a n d I n d i r e c t B a n d G a p S e m i c o n d u c t o r s 1 2 F e r m i D i r a c S t a t i s t i c s F e r m i D i r a c s t a t i s t i c s d e t e r m i n e s t h e s t a t i s t i c a l d i s t r i b u t i o n o f f e r m i o n s o v e r t h e e n e r g y s t a t e s f o r a s y s t e m i n t h e r m a l e q u i l i b r i u m F e r m i o n s a r e p a r t i c l e s w h i c h a r e i n d i s t i n g u i s h a b l e a n d o b e y t h e P a u l i E x c l u s i o n P r i n c i p l e i e t h a t n o t w o p a r t i c l e s m a y o c c u p y t h e s a m e s t a t e a t t h e s a m e t i m e E l e c t r o n s p r o t o n s a n d n e u t r o n s a r e a l l f e r m i o n s T h i s t h e o r y e x p l a i n s t h e a r r a n g e m e n t o f e l e c t r o n s i n o r b i t a l s a r o u n d t h e n u c l e u s o f a n a t o m a n d n o t c o l l a p s i n g i n t o a c o m m o n s t a t e E n e r g y b a n d s c o n s i s t i n g o f a l a r g e n u m b e r o f c l o s e l y s p a c e d e n e r g y l e v e l s e x i s t i n c r y s t a l l i n e m a t e r i a l s A t a g i v e n t e m p e r a t u r e

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4 c o n t i n u o u s t h e r m a l a g i t a t i o n r e s u l t s i n e x c i t a t i o n o f e l e c t r o n s f r o m v a l e n c e b a n d t o c o n d u c t i o n b a n d a n d l e a v e s b e h i n d a n e q u a l n u m b e r o f h o l e s i n v a l e n c e b a n d T h e p r o b a b i l i t y t h a t a n e l e c t r o n o c c u p i e s a n e l e c t r o n i c s t a t e w i t h e n e r g y E i s g i v e n b y F e r m i D i r a c d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n g i v e n b y + = k T E f E E F e x p ( 1 1 ) ( ( 1 1 ) W h e r e E F i s t h e e n e r g y o f F e r m i l e v e l T h e F e r m i e n e r g y i s t h e e n e r g y a t w h i c h t h e p r o b a b i l i t y o f o c c u p a t i o n b y a n e l e c t r o n i s e x a c t l y o n e h a l f T h e e n e r g y b a n d d i a g r a m i s r e f e r r e d t o a v a l u e k n o w n a s t h e v a c u u m p o t e n t i a l T h e e l e c t r o n a f f i n i t y q i s t h e e n e r g y r e q u i r e d t o r e m o v e a n e l e c t r o n f r o m t h e c o n d u c t i o n b a n d t o t h e v a c u u m p o t e n t i a l 1 3 C a r r i e r T r a n s p o r t A t t e m p e r a t u r e s a b o v e 0 K e l e c t r o n s w i t h i n a p i e c e o f s e m i c o n d u c t o r h a v e f i n i t e t h e r m a l e n e r g y ( k T ) a n d t h e r e f o r e p o s s e s s f i n i t e v e l o c i t y T h i s v e l o c i t y i s k n o w n a s t h e t h e r m a l v e l o c i t y o f t h e e l e c t r o n V t h B e c a u s e t h e m o t i o n o f e l e c t r o n s u n d e r t h e r m a l e x c i t a t i o n i s a r a n d o m p r o c e s s t h e a v e r a g e v e l o c i t y o f t h e e l e c t r o n s i s z e r o a n d t h e r e i s n o n e t d i s p l a c e m e n t o f e l e c t r o n s o v e r t i m e A m o t i o n o f f r e e c a r r i e r s i n a s e m i c o n d u c t o r l e a d s t o a c u r r e n t T h i s m o t i o n c a n b e c a u s e d b y a n e l e c t r i c f i e l d ( D r i f t ) I n a d d i t i o n c a r r i e r s a l s o m o v e f r o m r e g i o n s w h e r e t h e c a r r i e r d e n s i t y i s h i g h t o r e g i o n s w h e r e t h e c a r r i e r d e n s i t y i s l o w ( D i f f u s i o n ) w h i c h i s d u e t o t h e t h e r m a l e n e r g y a n d t h e a s s o c i a t e d r a n d o m m o t i o n o f c a r r i e r s T h e t o t a l c u r r e n t i n a s e m i c o n d u c t o r e q u a l s t h e s u m o f d r i f t a n d d i f f u s i o n c u r r e n t s A s o n e a p p l i e s a n e l e c t r i c f i e l d t o a s e m i c o n d u c t o r t h e e l e c t r o s t a t i c f o r c e c a u s e s t h e c a r r i e r s t o f i r s t a c c e l e r a t e a n d t h e n r e a c h a c o n s t a n t a v e r a g e v e l o c i t y a s t h e c a r r i e r s s c a t t e r d u e t o i m p u r i t i e s a n d l a t t i c e v i b r a t i o n s T h e r a t i o o f v e l o c i t y

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5 t o t h e a p p l i e d f i e l d i s c a l l e d t h e m o b i l i t y C a r r i e r s w i t h i n a s e m i c o n d u c t o r c r y s t a l m o v e a s i f t h e y a r e f r e e p a r t i c l e s w h i c h a r e n o t a f f e c t e d b y p r e s e n c e o f t h e a t o m s i n t h e m a t e r i a l e x c e p t f o r t h e f a c t t h a t i t e f f e c t i v e l y c h a n g e s t h e m a s s o f p a r t i c l e T h e c a r r i e r s e v e n m o v e w h e n n o e l e c t r i c f i e l d i s a p p l i e d b e c a u s e o f t h e t h e r m a l e n e r g y a s s o c i a t e d w i t h t h e p a r t i c l e s A t r o o m t e m p e r a t u r e t h e t h e r m a l v e l o c i t y o f e l e c t r o n s i n b u l k s e m i c o n d u c t o r s i s a b o u t 1 0 7 c m s 1 T h e c a r r i e r s m o v e t h r o u g h t h e s e m i c o n d u c t o r u n t i l a c o l l i s i o n o c c u r s T h e s e c o l l i s i o n s c a u s e a n a b r u p t c h a n g e i n t h e c a r r i e r v e l o c i t y a n d e n e r g y a t t h e t i m e o f c o l l i s i o n T h e r e s u l t i n g c a r r i e r m o t i o n i s s e m i r a n d o m d u e t o f r e q u e n t c h a n g e s i n d i r e c t i o n a n d v e l o c i t y C a r r i e r t r a n s p o r t i n a s e m i c o n d u c t o r i n t h e p r e s e n c e o f a n a p p l i e d f i e l d c a n a l s o b e v i s u a l i z e d a s b e i n g s e m i r a n d o m e x c e p t t h a t i n a d d i t i o n t h e i n d i v i d u a l c a r r i e r s a l s o a c c e l e r a t e b e t w e e n c o l l i s i o n s T h e c a r r i e r a c c e l e r a t i o n f o l l o w s N e w t o n ’ s l a w T h e n e t e f f e c t o f t h e c o l l i s i o n s i s t h a t t h e c a r r i e r s o n a v e r a g e d o n o t a c c e l e r a t e b u t r a t h e r q u i c k l y r e a c h a c o n s t a n t v e l o c i t y M o b i l i t y i s a p h y s i c a l c o n s t a n t t h a t d e s c r i b e s t h e e a s e w i t h w h i c h a n e l e c t r o n o r h o l e c a n m o v e t h r o u g h a m a t e r i a l T h e m o b i l i t y i s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e a s w e l l a s t h e e l e c t r i c f i e l d T h e m o b i l i t y o f e l e c t r o n s a n d h o l e s i s d e t e r m i n e d b y t h e c h a r g e e f f e c t i v e m a s s a n d f i n a l l y t h e r e l a x a t i o n t i m e o f c u r r e n t o r a v e r a g e t i m e b e t w e e n t h e s c a t t e r i n g s o f t h e c a r r i e r s S c a t t e r i n g b y i o n i z e d i m p u r i t i e s a n d S c a t t e r i n g b y m e c h a n i c a l v i b r a t i o n s o f t h e c r y s t a l a r e t h e t w o m o s t s i g n i f i c a n t m o d e s 1 4 C a r r i e r R e c o m b i n a t i o n T h e b e h a v i o r o f c a r r i e r s i n s e m i c o n d u c t o r s h a s b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y d u e t o i t s i m p o r t a n c e i n d e t e r m i n i n g t h e o p e r a t i o n o f s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s H o w e v e r t h e r e a r e

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6 t h r e e d i s t i n c t p r o c e s s e s w h i c h a r e c o n s i d e r e d f u n d a m e n t a l a n d f r o m w h i c h t h e o p e r a t i o n o f a l l s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s c a n b e d e s c r i b e d T h e y a r e t h a t o f c a r r i e r d r i f t d i f f u s i o n a n d r e c o m b i n a t i o n / g e n e r a t i o n R e c o m b i n a t i o n w i t h i n s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s u s u a l l y o c c u r s t h r o u g h a n u m b e r o f s i m u l t a n e o u s p r o c e s s e s T h e s e p r o c e s s e s c a n b e b r o a d l y c l a s s i f i e d a s i n t r i n s i c o r e x t r i n s i c i n n a t u r e [ 2 8 ] I n t r i n s i c p r o c e s s e s a r e u n a v o i d a b l e p r o p e r t i e s o f t h e s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l a n d i n c l u d e r a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n [ 2 9 ] a n d C o u l o m b e n h a n c e d A u g e r r e c o m b i n a t i o n [ 3 0 ] E x t r i n s i c p r o c e s s e s r e l a t e t o d e f e c t s ( i m p u r i t i e s c r y s t a l l o g r a p h i c i m p e r f e c t i o n s e t c ) w i t h i n t h e m a t e r i a l o r a t i t s s u r f a c e a n d i n c l u d e S h o c k l e y R e a d H a l l b u l k [ 3 1 ] a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n [ 3 2 ] T h r e e f u n d a m e n t a l r e c o m b i n a t i o n m e c h a n i s m s t h a t o c c u r i n s e m i c o n d u c t o r s a r e R a d i a t i v e r e c o m b i n a t i o n A u g e r r e c o m b i n a t i o n a n d R e c o m b i n a t i o n t h r o u g h d e f e c t s i n t h e b a n d g a p O t h e r r e c o m b i n a t i o n p r o c e s s e s w i t h i n d e v i c e s c a n g e n e r a l l y b e v i e w e d a s a m a n i f e s t a t i o n o f t h e s e t h r e e f u n d a m e n t a l m e c h a n i s m s T h e s u r f a c e o f a s e m i c o n d u c t o r r e p r e s e n t s a n a b r u p t d i s c o n t i n u i t y i n i t s o t h e r w i s e u n i f o r m c r y s t a l s t r u c t u r e T h e h i g h n u m b e r o f d a n g l i n g b o n d s c r e a t e s a l a r g e d e n s i t y o f d e f e c t s t h r o u g h o u t t h e b a n d g a p T h e r e f o r e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n i s a p a r t i c u l a r c a s e o f “ R e c o m b i n a t i o n t h r o u g h d e f e c t s i n b a n d g a p ” [ 2 5 ] T h e m o s t r e l e v a n t p a r a m e t e r f o r c h a r a c t e r i z i n g c a r r i e r r e c o m b i n a t i o n i n a s e m i c o n d u c t o r i s t h e r e c o m b i n a t i o n l i f e t i m e S c h r o d e r [ 2 5 ] h a s p o i n t e d o u t t h a t t h e “ R e c o m b i n a t i o n l i f e t i m e i s a p r o p e r t y o f t h e c a r r i e r s w i t h i n t h e s e m i c o n d u c t o r r a t h e r t h a n a p r o p e r t y o f t h e s e m i c o n d u c t o r i t s e l f A s s u c h i t i s a w e i g h t e d a v e r a g e a c r o s s a l l t h e c a r r i e r s w h o s e i n d i v i d u a l b e h a v i o r s m a y b e i n f l u e n c e d b y d i f f e r e n t f a c t o r s i n c l u d i n g

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7 s u r f a c e s b u l k d e f e c t s a n d t h e d e n s i t y o f c a r r i e r s b e s i d e s t h e f u n d a m e n t a l p r o p e r t i e s o f t h e s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l ” [ 2 5 ] R e c o m b i n a t i o n l i f e t i m e r e p r e s e n t s a n u m b e r o f s p e c i f i c r e c o m b i n a t i o n m e c h a n i s m s o c c u r r i n g s i m u l t a n e o u s l y w i t h i n t h e b u l k a n d a t t h e s u r f a c e s S R H r e c o m b i n a t i o n c a n o c c u r e i t h e r a t s u r f a c e a s a r e s u l t o f s u r f a c e s t a t e s o r t h r o u g h b u l k d e f e c t s o r i m p u r i t i e s 1 4 1 B u l k R e c o m b i n a t i o n T h e b a n d d i a g r a m o f a p e r f e c t s i n g l e c r y s t a l s e m i c o n d u c t o r c o n s i s t s o f a v a l e n c e b a n d a n d a c o n d u c t i o n b a n d s e p a r a t e d b y a b a n d g a p W h e n t h e p e r i o d i c i t y o f t h e s i n g l e c r y s t a l i s p e r t u r b e d b y f o r e i g n a t o m s o r c r y s t a l d e f e c t s d i s c r e t e e n e r g y l e v e l s a r e i n t r o d u c e d i n t o t h e b a n d g a p s h o w n b y E T l i n e s E a c h l i n e r e p r e s e n t s o n e s u c h d e f e c t w i t h e n e r g y E T S u c h d e f e c t s a r e c o m m o n l y c a l l e d G e n e r a t i o n R e c o m b i n a t i o n ( G R ) c e n t e r s o r t r a p s T h e p r e s e n c e o f d e f e c t s w i t h i n a s e m i c o n d u c t o r c r y s t a l b e t h e y f r o m i m p u r i t i e s o r c r y s t a l l o g r a p h i c i m p e r f e c t i o n s s u c h a s d i s l o c a t i o n s p r o d u c e s d i s c r e t e e n e r g y l e v e l s w i t h i n t h e b a n d g a p T h e s e d e f e c t l e v e l s a l s o k n o w n a s t r a p s c a n i n v o l v e i n r e c o m b i n a t i o n t h r o u g h a t w o s t e p p r o c e s s w h e r e b y a f r e e e l e c t r o n f r o m t h e c o n d u c t i o n b a n d f i r s t g o e s t o t h e d e f e c t l e v e l a n d t h e n j u m p s t o t h e v a l e n c e b a n d w h e r e i t r e c o m b i n e s w i t h a h o l e T h e d y n a m i c s o f t h i s r e c o m b i n a t i o n p r o c e s s w e r e f i r s t a n a l y z e d b y S h o c k l e y a n d R e a d [ 2 6 ] a n d H a l l [ 2 7 ] I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e s e r e c o m b i n a t i o n c e n t e r s c a n a c t a l s o a s t r a p s ( o r e v e n s o l e l y a s t r a p s ) i n w h i c h a c a r r i e r i s c a p t u r e d a n d s u b s e q u e n t l y i n j e c t e d b a c k i n t o t h e b a n d f r o m w h i c h i t c a m e A l t h o u g h n o t c o n t r i b u t i n g d i r e c t l y t o r e c o m b i n a t i o n t r a p p i n g b y c h a n g i n g t h e f r e e c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s c a n n e v e r t h e l e s s i m p a c t h e a v i l y o n t h e o v e r a l l c a r r i e r d y n a m i c s T h e r e s u l t i s a p a i r o f c o u p l e d ( m e a n i n g t h e v a r i a b l e s o f i n t e r e s t a r e d e f i n e d i n t e r m s o f o n e a n o t h e r ) f i r s t o r d e r d i f f e r e n t i a l

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8 e q u a t i o n s i n n a n d p f o r t h e e l e c t r o n a n d h o l e l i f e t i m e s ( ) ( ) n + + + + = = -1 0 1 1 0 0) 1 n n n n N p n n n n n d t n d gn n et t d ( ) ( ) n + + + + = = -1 0 1 1 0 0) 1 p p p p N n p p p p p p d t p d gp et t d H e r e g e i s t h e g e n e r a t i o n r a t e a r i s i n g f r o m e x t e r n a l i l l u m i n a t i o n a n d n 0 a n d p 0 a r e t h e e l e c t r o n a n d h o l e c o n c e n t r a t i o n s i n t h e r m a l e q u i l i b r i u m n 0 a n d 0 a r e s o m e t i m e s k n o w n a s t h e f u n d a m e n t a l e l e c t r o n a n d h o l e l i f e t i m e s a n d a r e r e l a t e d t o t h e c a r r i e r t h e r m a l v e l o c i t y V t h t h e r e c o m b i n a t i o n c e n t r e d e n s i t y N a n d t h e c a p t u r e c r o s s s e c t i o n s n a n d p o f t h e s p e c i f i c c e n t r e i n q u e s t i o n : p t h p N vs t1 0 = ( 1 4 ) n t h n N v s t1 0 = ( 1 5 ) T h e s t a t i s t i c a l f a c t o r s n 1 a n d p 1 i n E q u a t i o n s 1 2 & 1 3 a r e t h e e l e c t r o n a n d h o l e d e n s i t i e s w h e n t h e F e r m i l e v e l c o i n c i d e s w i t h t h e r e c o m b i n a t i o n c e n t r e e n e r g y E T = k T E E N n C T c e x p 1 ( 1 6 ) = k T E E E N p T G C V e x p 1 ( 1 7 ) W h e r e N C a n d N v a r e t h e e f f e c t i v e d e n s i t i e s o f s t a t e s a t t h e c o n d u c t i o n a n d v a l e n c e b a n d e d g e s a n d E C a n d E G t h e c o n d u c t i o n b a n d a n d b a n d g a p e n e r g i e s ( 1 2 ) ( 1 3 )

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9 T h e S R H l i f e t i m e d e p e n d s i n v e r s e l y o n t h e d e n s i t y o f r e c o m b i n a t i o n c e n t e r s a n d c a p t u r e c r o s s s e c t i o n s b u t d o e s n o t d e p e n d d i r e c t l y o n t h e e n e r g y l e v e l o f t h e i m p u r i t y I t d o e s d e p e n d i n d i r e c t l y o n t h e e n e r g y l e v e l b e c a u s e t h e c a p t u r e c r o s s s e c t i o n t e n d s t o b e h i g h e s t f o r i m p u r i t i e s w i t h n e a r t h e c e n t e r o f t h e b a n d g a p a n d l o w e s t f o r n e a r t h e c o n d u c t i o n o r v a l e n c e b a n d “ W e k n o w t h a t e l e c t r o n s m o v e r a n d o m l y a t t h e i r t h e r m a l v e l o c i t y V t h a n d t h a t G R c e n t e r s r e m a i n i m m o b i l e i n t h e l a t t i c e N e v e r t h e l e s s i t i s h e l p f u l f o r t h e d i s c u s s i o n t o c h a n g e t h e f r a m e o f r e f e r e n c e b y l e t t i n g t h e e l e c t r o n s b e i m m o b i l e a n d t h e G R c e n t e r s m o v e a t v e l o c i t y V t h T h e c e n t e r s t h e n s w e e p o u t a v o l u m e p e r u n i t t i m e o f V t h a n d t h o s e e l e c t r o n s t h a t f i n d t h e m s e l v e s i n t h a t v o l u m e h a v e a v e r y h i g h p r o b a b i l i t y o f b e i n g c a p t u r e d ” [ 2 5 ] C a p t u r e c r o s s s e c t i o n s v a r y w i d e l y d e p e n d i n g o n w h e t h e r t h e c e n t e r i s n e u t r a l o r n e g a t i v e l y o r p o s i t i v e l y c h a r g e d I n g e n e r a l a c e n t e r w i t h a n e g a t i v e o r r e p u l s i v e c h a r g e h a s a s m a l l e r e l e c t r o n c a p t u r e c r o s s s e c t i o n t h a n t h e o n e t h a t i s n e u t r a l o r a t t r a c t i v e l y c h a r g e d N e u t r a l c a p t u r e c r o s s s e c t i o n s a r e o n t h e o r d e r o f 1 0 1 5 c m 2 T h e c a p t u r e c r o s s s e c t i o n i s a m e a s u r e o f h o w c l o s e t o a t r a p c e n t e r a c a r r i e r h a s t o c o m e t o g e t c a p t u r e d F o r E l e c t r o n t r a p n > > p f o r h o l e t r a p n < < p T r a p s b e h a v e a s r e c o m b i n a t i o n c e n t e r s w h e n n = p w h e r e n i s t h e c a p t u r e c r o s s s e c t i o n f o r a f r e e e l e c t r o n b y a c e n t e r o c c u p i e d b y a h o l e p i s t h e c a p t u r e c r o s s s e c t i o n f o r a f r e e h o l e b y a c e n t e r o c c u p i e d b y a n e l e c t r o n F o r t h e s t a t e t o b e c o n s i d e r e d a s a t r a p p i n g c e n t e r o r a s a r e c o m b i n a t i o n c e n t e r d e p e n d s o n t h e r e l a t i v e m a g n i t u d e s o f : 1 T h e p r o b a b i l i t y o f t h e r m a l f r e e i n g o f t h e t r a p p e d c a r r i e r 2 T h e p r o b a b i l i t y o f r e c o m b i n a t i o n w i t h t h e c a r r i e r o f o p p o s i t e s i g n o c c u r r i n g a t t h e c e n t e r b e f o r e t h e t h e r m a l f r e e i n g o f t h e c a r r i e r t r a p p e d f i r s t

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1 0 T h e r e c o m b i n a t i o n c e n t e r d e n s i t y v a r i e s f r o m 1 0 1 2 c m 3 ( f o r h i g h p u r i t y a n d g o o d q u a l i t y m a t e r i a l s ) t o 1 0 1 8 c m 3 S i m i l a r l y c a p t u r e c r o s s s e c t i o n a l s o v a r i e s f r o m 1 0 1 2 c m 2 t o 1 0 2 0 c m 2 1 4 2 S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n T h e m a j o r c a u s e f o r c h a n g e i n s e m i c o n d u c t o r d e v i c e p a r a m e t e r s a s a f u n c t i o n o f t i m e i s t h e c h a n g e s t h a t o c c u r a t t h e s u r f a c e s T h e t e r m i n a t i o n o f t h e c r y s t a l a t a s u r f a c e r e p r e s e n t s a d i s c o n t i n u i t y i n p e r i o d i c p o t e n t i a l a n d S h o c k l e y h a s s u g g e s t e d t h a t t h i s “ I n t e r r u p t i o n r e s u l t s i n e x t r a a l l o w e d s t a t e s f o r e l e c t r o n s w i t h i n t h e f o r b i d d e n b a n d ” [ 2 ] I t i s s u p p o s e d t h a t t h e e n e r g y g a p i s c o n s t a n t a l l t h e w a y t o t h e s u r f a c e a n d s u r f a c e e f f e c t s a r e r e p r e s e n t e d a s e l e c t r o n i c s t a t e s i n t h e f o r b i d d e n b a n d T h e s u r f a c e s t a t e s m a y b e e i t h e r d o n o r s o r a c c e p t o r s ; t h e a c t u a l t y p e o f s t a t e i n m a n y c a s e s c a n b e i n f e r r e d o n l y i n d i r e c t l y O n e o f t h e f u n d a m e n t a l p h e n o m e n a a s s o c i a t e d w i t h s u r f a c e s t a t e s i s t h e b e n d i n g o f b a n d s n e a r t h e s e m i c o n d u c t o r s u r f a c e I f t h e s u r f a c e s t a t e s a r e p r e d o m i n a n t l y a c c e p t o r s t h e s u r f a c e t e n d s t o b e c o m e n e g a t i v e t h e r e b y a t t r a c t i n g h o l e s o r r e p e l l i n g e l e c t r o n s T h e s u r f a c e s t a t e s t h a t h o l d c h a r g e a n d a c t a s d o n o r s a n d a c c e p t o r s c a n a l s o a c t a s r e c o m b i n a t i o n c e n t e r s S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n i s a s p e c i a l c a s e o f S R H r e c o m b i n a t i o n i n w h i c h t h e l o c a l i z e d s t a t e s o c c u r a t t h e s u r f a c e U n l i k e b u l k S R H c e n t e r s t h e s e s t a t e s d o n o t u s u a l l y o c c u p y a s i n g l e e n e r g y l e v e l b u t r a t h e r f o r m a s e t o f s t a t e s d i s t r i b u t e d a c r o s s t h e b a n d g a p I t h a s t o b e r e f o r m u l a t e d i n t e r m s o f r e c o m b i n a t i o n e v e n t s p e r u n i t s u r f a c e a r e a r a t h e r t h a n p e r u n i t v o l u m e S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n a n a l y s i s i s p e r f o r m e d i n t e r m s o f s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s ( S R V ) i n s t e a d o f l i f e t i m e s h o w e v e r t h e p r i n c i p l e s a r e i d e n t i c a l t o b u l k S R H r e c o m b i n a t i o n

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11 The model is changed slightly to allow for the possibility that the Fermi level at the surface is not at the same energy relative to the band edges as in the bulk, net charge at the surface can cause the energy of the band edges at the surface to be shifted from the bulk, an effect known as band-bending [32]. For a single defect at the surface, the rate of surface recombination, U s is given by 0 1 0 1 n s p s iiss S S pp S nn nnpn U + + + = (1.8) Where n s and p s are the concentrations of electrons and holes at the surface, and S n0 and S p0 are related to the density of surface states per unit area, N ts and the capture crosssections, p and n for the specific defect. tsthnn NvS s = 0 (1.9) tsthpp NvS s = 0 (1.10) It is the surface recombination velocity, S, that is typically used for quantifying surface recombination processes. If the energy levels of the band edges are shifted so that the energy of the conduction band edge is higher at the surface than in the bulk by energy y, the carrier concentrations at the surface can be approximated by, Y= kT nn s exp (1.11) Y = kT pp s exp (1.12) For a given excess carrier concentration, a higher surface recombination velocity, V s results in a higher rate of recombination.

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1 2 ) e x p ( k T v N v t h t s s s Y =s ( 1 1 3 ) T h e e f f e c t o f t h e e l e c t r i c f i e l d s i n t h e s u r f a c e s p a c e c h a r g e l a y e r i s i n c l u d e d i n t h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y v i a ( 1 9 ) [ 3 4 ] T h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y d e p e n d s b o t h o n c r o s s s e c t i o n s f o r e l e c t r o n a n d h o l e c a p t u r e b y d e f e c t s a n d o n t h e p o t e n t i a l d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s u r f a c e a n d t h e b u l k o f t h e s a m p l e [ 3 5 ] T r a p p i n g i s t h e m e c h a n i s m b y w h i c h s o m e o f t h e e x c e s s e h + p a i r s o r i g i n a l l y c r e a t e d i n e q u a l d e n s i t i e s a r e t r a p p e d t e m p o r a r i l y o n i m p u r i t i e s T h o s e e l e c t r o n s c a p t u r e d i n t r a p s c a n b e s u b s e q u e n t l y e m i t t e d b a c k t o t h e c o n d u c t i o n b a n d b y t h e r m a l e m i s s i o n S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n i s a m o r e c o m p l i c a t e d p r o c e s s t h a n b u l k r e c o m b i n a t i o n b e c a u s e i t d e p e n d s n o t o n l y o n t h e d e n s i t y o f s u r f a c e s t a t e s o r i n t e r f a c e t r a p s b u t a l s o o n t h e s t a t e o f t h e s u r f a c e [ 3 6 ] T h e p r e s e n c e o f c h a r g e d t r a p s a t t h e s u r f a c e r e s u l t s i n f o r m a t i o n o f a n e l e c t r i c f i e l d w h i c h r e p e l s ( o r a t t r a c t s ) t h e c a r r i e r s c a r r y i n g t h e s a m e ( o p p o s i t e ) c h a r g e s a s t h e s u r f a c e D o n o r t r a p s a r e p o s i t i v e l y c h a r g e d w h e n e m p t y n e u t r a l w h e n f i l l e d A c c e p t o r t r a p s a r e n e g a t i v e l y c h a r g e d w h e n f i l l e d a n d n e u t r a l w h e n e m p t y F o r c a s e s w h e r e h o l e a n d e l e c t r o n d e n s i t i e s a t t h e s u r f a c e a r e c o m p a r a b l e t w o d i f f e r e n t s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s a r e u s e d o n e f o r e l e c t r o n s a n d t h e o t h e r f o r h o l e s T h e u s u a l a s s u m p t i o n i s t h a t s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y i s p r o p o r t i o n a l t o t h e t r a p d e n s i t y I n f a c t “ s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r e l e c t r o n s i s p r o p o r t i o n a l t o t h e d e n s i t y o f e m p t y t r a p s w h e r e a s f o r h o l e s p r o p o r t i o n a l t o t h e d e n s i t y o f f i l l e d t r a p s ” [ 3 7 ]

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1 3 C H A P T E R 2 S E M I C O N D U C T O R S O P T I C A L R E S P O N S E 2 1 O p t i c a l A b s o r p t i o n i n S e m i c o n d u c t o r s “ R a d i a t i o n p r i m a r i l y i n t e r a c t s w i t h b o u n d e l e c t r o n s ” [ 1 9 ] F o r e x a m p l e a s i l i c o n a t o m c o n t a i n s 1 4 e l e c t r o n s i n a s p h e r e w i t h a r a d i u s o f 0 1 2 n m t h a t p r e s e n t s a g e o m e t r i c a l c r o s s s e c t i o n o f 4 5 1 0 2 0 m 2 T h e n u c l e u s a t t h e c e n t e r o f t h e s p h e r e h a s a r a d i u s o f 3 6 f m w i t h a g e o m e t r i c a l c r o s s s e c t i o n o f 4 1 1 0 2 9 m 2 T h e g e o m e t r i c a l p r o b a b i l i t y t o s t r i k e t h e e l e c t r o n s i n a n a t o m i s s o m e t h i n g l i k e 9 o r d e r s o f m a g n i t u d e h i g h e r t h a n t o s t r i k e t h e n u c l e u s T h e r e a r e b a s i c a l l y t h r e e p r o c e s s e s f o r i n t e r a c t i o n b e t w e e n a p h o t o n a n d a n e l e c t r o n i n a s o l i d : a b s o r p t i o n s p o n t a n e o u s e m i s s i o n a n d s t i m u l a t e d e m i s s i o n A b s o r p t i o n o f a p h o t o n o c c u r s w h e n t h e r a d i a t i o n i n c i d e n t o n s e m i c o n d u c t o r i m p a r t s e n e r g y t o a n e l e c t r o n I f t h e p h o t o n e n e r g y i s g r e a t e r t h a n o r e q u a l t o t h e b a n d g a p a n e l e c t r o n h o l e p a i r i s g e n e r a t e d a n d t h e e x c e s s e n e r g y i s d i s s i p a t e d a s h e a t T h u s a s a b e a m o f p h o t o n s p r o p a g a t e s t h r o u g h a n y m a t e r i a l t h e i n t e n s i t y o f t h e b e a m w i l l d e c r e a s e a s t h e p h o t o n s t h a t i n t e r a c t a r e r e m o v e d b u t t h e e n e r g y o f a l l t h e n o n i n t e r a c t i n g p h o t o n s w i l l r e m a i n c o n s t a n t L o w e n e r g y p h o t o n s w i l l i n t e r a c t o n l y o n c e a n d g i v e r i s e t o a s i n g l e e l e c t r o n h o l e p a i r e n e r g e t i c p h o t o n s c a n i n t e r a c t s e v e r a l t i m e s a n d g i v e r i s e t o a f e w e l e c t r o n h o l e p a i r s [ 1 9 ] T h e e n e r g y o f t h e n o n i n t e r a c t i n g p h o t o n s r e m a i n s c o n s t a n t s o t h a t t h e “ P r o b a b i l i t y t h a t a p h o t o n w i l l i n t e r a c t i n a f i x e d t h i c k n e s s o f

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1 4 m a t e r i a l w i l l a l s o r e m a i n c o n s t a n t r e g a r d l e s s o f t h e p h o t o n e n e r g y ” [ 1 9 ] T h i s l e a d s t o a n e x p o n e n t i a l a t t e n u a t i o n o f e l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n w h i c h i s c a l l e d T h e B e e r L a m b e r t L a w E a c h o f t h e p h o t o n s t h a t i n t e r a c t s w i t h a n a t o m v i a a n y o n e o f t h e m e c h a n i s m s w i l l b e l o s t f r o m t h e b e a m W h e n t h e p h o t o n i n t e r a c t s w i t h a b o u n d e l e c t r o n t h e p h o t o n c a n b e c o m p l e t e l y a b s o r b e d a n d t h e e l e c t r o n e m e r g e s w i t h a k i n e t i c e n e r g y t h a t c o r r e s p o n d s t o a p h o t o n e n e r g y h m i n u s t h e e l e c t r o n b i n d i n g e n e r g y K E = h B E T h e c r o s s s e c t i o n o r p r o b a b i l i t y o f t h e p h o t o e l e c t r i c e f f e c t i s o n t h e o r d e r o f a s q u a r e o f a t o m i c s i z e f o r p h o t o n s i n t h e K e V r e g i o n a n d d e c r e a s e s r a p i d l y w i t h i n c r e a s i n g p h o t o n e n e r g y T h e c r o s s s e c t i o n h a s a s t r o n g d e p e n d e n c e o n t h e a t o m i c n u m b e r o f t h e a b s o r b i n g m a t e r i a l A s a n e x a m p l e t h e h e a v y e l e m e n t l e a d ( Z = 8 2 ) h a s K L M ( p r i n c i p a l q u a n t u m n u m b e r s n = 1 2 3 ) b i n d i n g e n e r g i e s o f a p p r o x i m a t e l y 8 8 1 5 a n d 3 K e V r e s p e c t i v e l y w h i c h p r o v i d e s t r o n g p h o t o e l e c t r i c a b s o r p t i o n f o r p h o t o n s i n t h i s e n e r g y r e g i o n T h e p h o t o n a b s o r p t i o n f o r a p a r t i c u l a r w a v e l e n g t h i s d e p e n d a n t o n a p a r a m e t e r c a l l e d t h e a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ( ) T h i s p a r a m e t e r s e r v e s a s a q u a n t i t a t i v e m e a s u r e i n i d e n t i f y i n g s t r o n g u n i f o r m a b s o r p t i o n o f i n c i d e n t r a d i a t i o n i n a s e m i c o n d u c t o r T h e p h o t o n d e n s i t y d i m i n i s h e s f r o m t h e i n c i d e n t s u r f a c e i n t o t h e b u l k o f s e m i c o n d u c t o r a s : N ( x ) = N 0 e x p ( x ) N o i n c i d e n t p h o t o n f l u x T h e p h o t o n d e n s i t y d i s t r i b u t i o n i n t h e s p e c i m e n d e p e n d s o n a n d o n t h e t h i c k n e s s o f t h e s p e c i m e n T h e p h o t o n d e n s i t y a t t h e b a c k s i d e o f t h e s p e c i m e n o f t h i c k n e s s d i s e q u a l t o N 1 = N 0 e x p ( d ) F r o m e q u a t i o n ( 2 1 ) T h e n u m b e r o f p h o t o n s a b s o r b e d i n t h e s p e c i m e n ( p e r u n i t a r e a ) i s t h e f o l l o w i n g : N 2 = N 0 N 1 = N 0 ( 1 e x p ( d ) ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 )

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1 5 W h e n d < < 1 i e i f e i t h e r i s s m a l l o r t h e s p e c i m e n i s t h i n t h e n N 1 = N 0 T h e d i s t r i b u t i o n o f p h o t o n f l u x i s p r a c t i c a l l y u n i f o r m A l m o s t a l l t h e p h o t o n s w h i c h g o t i n t o t h e s p e c i m e n f l y o u t o f i t u n a b s o r b e d W h e n d = 1 a n a p p r e c i a b l e p a r t o f i n c i d e n t f l u x ( 6 3 % ) i s a b s o r b e d i n t h e s p e c i m e n W h e n d > > 1 t h e i n c i d e n t f l u x i s a b s o r b e d i n a n a r r o w r e g i o n n e x t t o s u r f a c e 2 2 S e m i c o n d u c t o r P h o t o n D e t e c t o r s A p h o t o d e t e c t o r i s a d e v i c e t h a t m e a s u r e s p h o t o n f l u x o r o p t i c a l p o w e r b y c o n v e r t i n g t h e e n e r g y o f t h e a b s o r b e d p h o t o n s i n t o a m e a s u r a b l e f o r m P h o t o g r a p h i c f i l m i s p r o b a b l y t h e m o s t u b i q u i t o u s o f p h o t o d e t e c t o r s T w o p r i n c i p a l c l a s s e s o f p h o t o d e t e c t o r s i n c o m m o n u s e a r e : t h e r m a l d e t e c t o r s a n d p h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r s T h e o p e r a t i o n o f p h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r s i s b a s e d o n t h e p h o t o e f f e c t i n w h i c h t h e a b s o r p t i o n o f p h o t o n s b y s o m e m a t e r i a l s r e s u l t s d i r e c t l y i n a n e l e c t r o n i c t r a n s i t i o n t o a h i g h e r l e v e l a n d t h e g e n e r a t i o n o f m o b i l e c h a r g e c a r r i e r s U n d e r t h e e f f e c t o f a n e l e c t r i c f i e l d t h e s e c a r r i e r s m o v e a n d p r o d u c e a m e a s u r a b l e c u r r e n t T h e p h o t o e f f e c t t a k e s t w o f o r m s : e x t e r n a l a n d i n t e r n a l T h e f o r m e r p r o c e s s i n v o l v e s p h o t o e l e c t r i c e m i s s i o n i n w h i c h t h e p h o t o g e n e r a t e d e l e c t r o n s e s c a p e f r o m t h e m a t e r i a l a s f r e e e l e c t r o n s I n t h e l a t t e r p r o c e s s p h o t o c o n d u c t i v i t y t h e e x c i t e d c a r r i e r s r e m a i n w i t h i n t h e m a t e r i a l a n d s e r v e t o i n c r e a s e i t s c o n d u c t i v i t y 2 3 P h o t o c o n d u c t i v i t y P h o t o c o n d u c t i v i t y i s a n i m p o r t a n t p r o p e r t y o f s e m i c o n d u c t o r s b y m e a n s o f w h i c h t h e b u l k c o n d u c t i v i t y o f t h e s a m p l e c h a n g e s d u e t o i n c i d e n t r a d i a t i o n P h o t o c o n d u c t i o n a s t h e n a m e s u g g e s t s i n c l u d e s t h e g e n e r a t i o n a n d r e c o m b i n a t i o n o f c h a r g e c a r r i e r s a n d t h e i r t r a n s p o r t t o t h e e l e c t r o d e s “ O b v i o u s l y c h a r g e c a r r i e r s t a t i s t i c s e f f e c t s o f e l e c t r o d e s

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1 6 a n d s e v e r a l m e c h a n i s m s o f r e c o m b i n a t i o n a r e i n v o l v e d i n c o n d u c t i o n ” [ 5 ] E v e r y m e c h a n i s m i s a c o m p l i c a t e d o n e a n d t h e r e f o r e p h o t o c o n d u c t i v i t y i n g e n e r a l i s a v e r y c o m p l e x p r o c e s s T o m a k e a n a d e q u a t e o r p r o p e r c o n t a c t t o p h o t o c o n d u c t o r s i s n o t a s i m p l e p r o b l e m a n d t h e r e i s n o t a n e a s y s o l u t i o n T h i s i s b e c a u s e t h e c o n t a c t m a t e r i a l a n d c o n t a c t t e c h n i q u e s d e p e n d o n t h e s e m i c o n d u c t o r i t s e l f S u r f a c e p r e p a r a t i o n i s i m p o r t a n t n o t o n l y f o r a c h i e v i n g g o o d m e t a l s e m i c o n d u c t o r c o n t a c t s b u t a l s o f o r a v o i d i n g o r r e d u c i n g t h e e f f e c t s o f s u r f a c e s t a t e s T h e c h o i c e o f c o n t a c t m a t e r i a l a n d m e t h o d o f m a k i n g t h e c o n t a c t d e p e n d u p o n t h e s p e c i f i c r e q u i r e m e n t s S o m e t y p e s o f c o n t a c t s a r e d e s i r a b l e f o r o n e p u r p o s e b u t s e r i o u s l y h a r m f u l f o r o t h e r p u r p o s e s T h i s i s a l s o t r u e o f t h e g e o m e t r y o f c o n t a c t s F o r h i g h s p e e d p h o t o c o n d u c t i n g s e n s o r s S c h o t t k y b a r r i e r t y p e c o n t a c t s a r e d e s i r a b l e t o i n c r e a s e t h e c o l l e c t i o n e f f i c i e n c y o f t h e e l e c t r o n s a n d t o i m p r o v e t h e s p e e d o f d e v i c e s [ 4 ] C r i t e r i a f o r e l i m i n a t i n g t h e e f f e c t s o f n e u t r a l c o n t a c t s a n d t h e i r p e r t i n e n t d e t a i l s h a v e b e e n d i s c u s s e d e x t e n s i v e l y [ 5 ] “ P h o t o c o n d u c t i v i t y i s o n e o f a f e w t o p i c s w h e r e e x p e r i m e n t a l s e t u p c o n t a c t c o n f i g u r a t i o n p r e p a r a t i o n o f t h e s a m p l e a n d s a m p l e t h i c k n e s s p l a y a c r u c i a l r o l e i n t h e o u t p u t a n d i n t h e a n a l y s i s o f t h e r e s u l t s T h e o v e r a l l s h a p e o f t h e s p e c t r a l r e s p o n s e c u r v e m a y b e c o n s i d e r e d t o t r a c e f a i t h f u l l y t h e p h y s i c a l m e c h a n i s m s ( o p t i c a l a b s o r p t i o n a n d c a r r i e r t r a n s p o r t ) o f t h e d e t e c t o r b u t t h e m a g n i t u d e o f t h e p h o t o r e s p o n s e a n d t h e t r a n s i e n t p r o p e r t i e s s u c h a s s p e e d a n d l i f e t i m e o f t h e c h a r g e c a r r i e r s m a y b e s t r o n g l y i n f l u e n c e d b y e x p e r i m e n t a l d e t a i l s t h a t m a y a p p e a r t o b e u n i m p o r t a n t ” [ 5 ] T h e r o l e o f c o n t a c t s ( e v e n u n i l l u m i n a t e d ) i n d e p e n d e n t o f t h e i r n a t u r e ( b l o c k i n g i n j e c t i n g o r n e u t r a l ) i s a l s o a c o m p l e x i s s u e W h i l e t h e c o n t a c t s a r e m a d e b e t w e e n m e t a l s a n d s e m i c o n d u c t o r s d e p e n d i n g u p o n t h e w o r k f u n c t i o n t h e r e i s a f l o w o f c h a r g e c a r r i e r s f r o m t h e h i g h e r t o

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1 7 l o w e r F e r m i l e v e l t o e q u a l i z e t h e F e r m i l e v e l a t t h e c o n t a c t I n t h i s p r o c e s s e l e c t r o n s c a n t r a n s f e r f r o m t h e s e m i c o n d u c t o r t o m e t a l r e s u l t i n g i n a d e p l e t i o n r e g i o n i n t h e s e m i c o n d u c t o r T h i s g i v e s r i s e t o p e r t u r b a t i o n o f t h e b a n d a t t h e m e t a l s e m i c o n d u c t o r i n t e r f a c e T h e f l o w o f c h a r g e c a r r i e r s i s i n f l u e n c e d b y t h e l e n g t h o f t h e d e p l e t i o n r e g i o n a n d t h e a m o u n t o f p e r t u r b a t i o n a t t h e i n t e r f a c e W h e n t h e r e g i o n s n e a r t h e c o n t a c t s a r e i l l u m i n a t e d q u a s i f e r m i l e v e l s f o r e l e c t r o n s a n d h o l e s m o v e r e l a t i v e t o t h e F e r m i l e v e l o f t h e m e t a l I f t h e i l l u m i n a t i o n i s i n t e n s e t h e m o v e m e n t o f t h e F e r m i l e v e l m a y b e l a r g e e n o u g h t o c h a n g e t h e n a t u r e o f c o n t a c t a n d h e n c e c h a n g e i t s o v e r a l l p r o p e r t i e s 2 4 P h o t o c o n d u c t o r s S e m i c o n d u c t o r l i g h t d e t e c t o r s c a n b e d i v i d e d i n t o 2 m a j o r c a t e g o r i e s : j u n c t i o n a n d b u l k e f f e c t d e v i c e s J u n c t i o n d e v i c e s w h e n o p e r a t e d i n t h e p h o t o c o n d u c t i v e m o d e u t i l i z e t h e r e v e r s e c h a r a c t e r i s t i c s o f a p n j u n c t i o n U n d e r r e v e r s e b i a s a p n j u n c t i o n a c t s a s a l i g h t c o n t r o l l e d s o u r c e O u t p u t i s p r o p o r t i o n a l t o i n c i d e n t i l l u m i n a t i o n a n d i s r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t o f a p p l i e d v o l t a g e I n c o n t r a s t b u l k e f f e c t p h o t o c o n d u c t o r s h a v e n o j u n c t i o n T h e b u l k r e s i s t i v i t y d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g i l l u m i n a t i o n a l l o w i n g m o r e p h o t o c u r r e n t t o f l o w T h i s r e s i s t i v e c h a r a c t e r i s t i c g i v e s t h e b u l k e f f e c t p h o t o c o n d u c t o r s t h e u n i q u e q u a l i t y t h a t s i g n a l c u r r e n t f r o m t h e d e t e c t o r c a n b e v a r i e d o v e r a w i d e r a n g e b y a d j u s t i n g t h e a p p l i e d v o l t a g e P h o t o c o n d u c t i v e d e t e c t o r s c a n o p e r a t e t h r o u g h e i t h e r i n t r i n s i c o r e x t r i n s i c p h o t o c o n d u c t i v i t y P h o t o n s w i t h e n e r g y h > E g e x c i t e e l e c t r o n s a c r o s s t h e b a n d g a p T h e e l e c t r o n h o l e p a i r t h a t i s t h e r e b y c r e a t e d f o r e a c h p h o t o n a b s o r b e d l e a d s t o a n i n c r e a s e i n c o n d u c t i v i t y S e m i c o n d u c t o r s w i t h s m a l l b a n d g a p s r e s p o n d t o l o n g w a v e l e n g t h r a d i a t i o n b u t

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1 8 m u s t b e c o o l e d a c c o r d i n g l y o t h e r w i s e t h e r m a l l y e x c i t e d e l e c t r o n s s w a m p a n y s m a l l p h o t o c o n d u c t i v i t y e f f e c t s T h e f o l l o w i n g t a b l e l i s t s c o m m o n l y a v a i l a b l e i n t r i n s i c p h o t o c o n d u c t o r s w i t h t h e i r u s u a l o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e s [ 1 6 ] T a b l e 2 1 : I n t r i n s i c P h o t o c o n d u c t o r s V s O p e r a t i n g T e m p e r a t u r e s a n d E n e r g y G a p s S e m i c o n d u c t o r T ( K ) E g C d s 2 9 5 2 4 C d S e 2 9 5 1 8 S i 2 9 5 1 1 2 G e 2 9 5 0 6 7 P b S 2 9 5 0 4 2 P b S 1 9 5 0 3 5 P b S 7 7 0 3 2 P b S e 2 9 5 0 2 5 I n S b 7 7 0 2 2 T h e s i m p l e s t b u l k e f f e c t p h o t o d e t e c t o r i s a n i n t r i n s i c s e m i c o n d u c t o r w i t h c o n t a c t s a t t w o e n d s T h i s c o n f i g u r a t i o n w a s u s e d f o r o u r r e s e a r c h G e n e r a l l y m o s t r e s e a r c h o n p h o t o c o n d u c t o r s h a s a s s u m e d t h a t l i g h t i s i n c i d e n t o n t h e b u l k o f t h e s e m i c o n d u c t o r p e r p e n d i c u l a r t o t h e a p p l i e d e l e c t r i c f i e l d T h i s c o n f i g u r a t i o n i s s h o w n i n f i g u r e 2 1

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1 9 F i g u r e 2 1 : G e o m e t r y o f B u l k P h o t o c o n d u c t o r [ 3 8 ] A n o t h e r p o s s i b l e c o n f i g u r a t i o n i s t o m a k e o n e o f t h e c o n t a c t e l e c t r o d e s t r a n s p a r e n t T h e d e t e c t o r i s t h e n i l l u m i n a t e d t h r o u g h t h e t r a n s p a r e n t e l e c t r o d e T h e p h o t o g e n e r a t i o n n o w t a k e s p l a c e a l o n g t h e a p p l i e d f i e l d T h i s k i n d o f s e t u p i s v e r y u s e f u l i n s t u d y i n g t h i n f i l m p h o t o c o n d u c t o r s w h i c h w e u s e d f o r o u r r e s e a r c h 2 5 S p e c t r a l R e s p o n s e T h e p h o t o c u r r e n t p r o d u c e d b y a g i v e n l e v e l o f i n c i d e n t l i g h t v a r i e s w i t h t h e w a v e l e n g t h T h i s r e l a t i o n b e t w e e n t h e p h o t o e l e c t r i c s e n s i t i v i t y a n d w a v e l e n g t h i s r e f e r r e d t o a s t h e s p e c t r a l r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c a n d i s e x p r e s s e d i n t e r m s o f p h o t o s e n s i t i v i t y q u a n t u m e f f i c i e n c y ( Q E ) e t c T h e r e a r e t w o k i n d s o f Q E i n t e r n a l a n d e x t e r n a l E x t e r n a l Q E a t e a c h w a v e l e n g t h i s a d i m e n s i o n l e s s p a r a m e t e r g i v e n b y t h e r a t i o o f n u m b e r o f e l e c t r o n h o l e p a i r s w h i c h e x i t t h e d e v i c e a n d n u m b e r o f i n c i d e n t p h o t o n s a t e a c h w a v e l e n g t h I n t e r n a l Q E a t e a c h

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2 0 w a v e l e n g t h i s a d i m e n s i o n l e s s p a r a m e t e r g i v e n b y t h e r a t i o o f n u m b e r o f e l e c t r o n h o l e p a i r s w h i c h e x i t t h e d e v i c e a n d n u m b e r o f a b s o r b e d p h o t o n s a t e a c h w a v e l e n g t h D e v i c e l o s s e s m e a s u r e d b y e x t e r n a l Q E c a n b e o p t i c a l d u e t o r e f l e c t i o n t r a n s m i s s i o n a n d a b s o r p t i o n o r e l e c t r o n i c d u e t o r e c o m b i n a t i o n l o s s e s Q u a n t u m e f f i c i e n c y ( Q E ) m e a s u r e m e n t s a r e v a l u a b l e t o c h a r a c t e r i z e t h e p h o t o c u r r e n t a n d a r e c o m m o n l y u s e d t o d e t e r m i n e t h e l o s s e s r e s p o n s i b l e f o r r e d u c i n g t h e m e a s u r e d p h o t o c u r r e n t f r o m t h e m a x i m u m a c h i e v a b l e p h o t o c u r r e n t B e c a u s e v a r i e s s t r o n g l y w i t h u s e o f d i f f e r e n t f r o m 4 0 0 5 7 0 n m p r o d u c e s a b s o r p t i o n d e p t h s 1 / w h i c h v a r y f r o m 0 0 3 m t o 1 5 m i n H g I 2 “ T h i s a l l o w s t h e d i s t r i b u t i o n o f p h o t o g e n e r a t e d c a r r i e r s t o e i t h e r e x t e n d w e l l i n t o t h e b u l k o r t o b e h i g h l y l o c a l i z e d a t t h e S u r f a c e ” [ 2 0 ] T h e f r a c t i o n o f c a r r i e r s w h i c h w i l l b e c o l l e c t e d b y t h e f i e l d a t t h e f r o n t d e p e n d s s t r o n g l y u p o n t h e b u l k l i f e t i m e a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y “ T h i s f u n c t i o n a l d e p e n d e n c e a l l o w s r e c o m b i n a t i v e p a r a m e t e r s t o b e e x t r a c t e d f r o m t h e s p e c t r a l d e p e n d e n c e o f t h e p h o t o c u r r e n t ” [ 2 0 ]

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2 1 C H A P T E R 3 M E R C U R I C I O D I D E S e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s c a n f u r t h e r b e c l a s s i f i e d b y c a t e g o r i e s s u c h a s s i z e c o n t e n t a n d c o m p l e x i t y F o r i n s t a n c e s i z e d i s t i n g u i s h e s t h i n f i l m s e m i c o n d u c t o r s f r o m b u l k s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s D u e t o s u r f a c e a n d q u a n t u m c o n f i n e m e n t e f f e c t s t h e c h a r a c t e r i s t i c s c a n b e m o d i f i e d s i g n i f i c a n t l y [ 2 0 ] I n a d d i t i o n a m a t e r i a l c a n b e d e s i g n a t e d a s e i t h e r m o n a t o m i c o r c o m p o u n d b a s e d o n a t o m i c c o m p o s i t i o n C o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s c a n b e f u r t h e r c a t e g o r i z e d a s b i n a r y t e r n a r y o r q u a t e r n a r y a c c o r d i n g t o t h e n u m b e r o f c o m p o s i t e e l e m e n t s i n c o r p o r a t e d T h e s e m a y b e f o r m e d f r o m s e m i c o n d u c t i n g o r n o n s e m i c o n d u c t i n g e l e m e n t s T h e p a r t i c u l a r a d v a n t a g e o f t h e s e c o m p o u n d s i s t h a t t h e y p r o v i d e t h e d e v i c e e n g i n e e r w i t h a w i d e r a n g e o f e n e r g y g a p s a n d m o b i l i t i e s s o t h a t m a t e r i a l s a r e a v a i l a b l e w i t h p r o p e r t i e s w h i c h e x a c t l y m a t c h s p e c i f i c r e q u i r e m e n t s M e r c u r i c i o d i d e i s a I I V I c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r h a v i n g a p h a s e t r a n s i t i o n f r o m l o w t e m p e r a t u r e t e t r a g o n a l f o r m t o t h e h i g h t e m p e r a t u r e o r t h o r h o m b i c f o r m T h i s t r a n s f o r m a t i o n o c c u r s a t 4 0 0 0 K c h a n g i n g t h e c o l o r o f t h e m a t e r i a l f r o m r e d t o y e l l o w I t s o p t i c a l p r o p e r t i e s e s p e c i a l l y t h e r e d f o r m h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d f o r s e v e r a l y e a r s T h e i n c r e a s i n g i n t e r e s t f o r t h e d e v e l o p m e n t o f g a m m a r a y d e t e c t o r s h a s n e c e s s i t a t e d t h e e s t a b l i s h m e n t o f t h e e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f t h i s m a t e r i a l

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2 2 3 1 L i t e r a t u r e R e v i e w A n i n t e n s e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t e f f o r t i n w i d e b a n d g a p s e m i c o n d u c t o r s h a s b e e n m o t i v a t e d b y t h e n e e d f o r l i g h t w e i g h t h a n d h e l d p o r t a b l e n u c l e a r r a d i a t i o n s p e c t r o m e t e r s c a p a b l e o f o p e r a t i n g a t r o o m t e m p e r a t u r e s T h e o n l y s i n g l e c h e m i c a l e l e m e n t s e m i c o n d u c t o r w i t h w i d e b a n d g a p i s D i a m o n d T h e b a n d g a p o f d i a m o n d i s 5 5 e V U n f o r t u n a t e l y c a r b o n i s a l i g h t e l e m e n t a n d a l o t o f i t i s n e e d e d t o s t o p t y p i c a l x r a y s T h i s l e a v e s u s w i t h c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s A w i d e r a n g e o f c o m p o u n d s e m i c o n d u c t o r s a r e a t v a r i o u s s t a g e s o f d e v e l o p m e n t f o r t h i s a p p l i c a t i o n A m o n g t h e s e m a t e r i a l s M e r c u r i c i o d i d e ( H g I 2 ) a n d C d T e a r e i n t h e m o s t a d v a n c e d s t a t e o f d e v e l o p m e n t T h e m o s t i m p o r t a n t c r i t e r i a u p o n w h i c h o n e b a s e s t h e s e l e c t i o n o f s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l t o s e r v e a s a s p e c t r o m e t e r i n c l u d e “ E n e r g y g a p ( E g ) a v e r a g e a t o m i c n u m b e r Z c h a r g e t r a n s p o r t p r o p e r t i e s ( m o b i l i t y l i f e t i m e ) e l e c t r i c a l r e s i s t i v i t y a n d h o m o g e n e i t y o f m a t e r i a l i n t e r m s o f p u r i t y s t o i c h i o m e t r y a n d a b s e n c e o f s t r u c t u r a l d e f e c t s ” [ 6 ] A l a r g e E g ( > 1 4 e V ) w i l l p r e v e n t t h e r m a l g e n e r a t i o n o f c a r r i e r s a n d t h u s e n s u r e a l o w d a r k c u r r e n t H o w e v e r i f E g i s ( > 3 0 e V ) t h e e n e r g y r e q u i r e d f o r e l e c t r o n h o l e f o r m a t i o n w i l l b e i n c r e a s e d t o t h e p o i n t o f d e c r e a s i n g t h e d e t e c t o r e f f i c i e n c y [ 6 ] H i g h l y u n i f o r m m a t e r i a l i s c r i t i c a l s i n c e t h i s a l l o w s f o r f a b r i c a t i o n o f l a r g e v o l u m e d e t e c t o r s t h a t p r o v i d e l a r g e i n t e r a c t i o n v o l u m e a n d h i g h e f f i c i e n c y H i g h r e s i s t i v i t y i s g e n e r a l l y r e q u i r e d ( > 1 0 7 c m ) s o t h a t m a t e r i a l c a n s u s t a i n l a r g e e l e c t r i c f i e l d s ( > 1 0 4 V / c m ) a n d m a i n t a i n l o w d a r k c u r r e n t F i n a l l y m o b i l i t y l i f e t i m e p r o d u c t s s h o u l d b e h i g h t o a l l o w f o r c h a r g e t r a n s p o r t a c r o s s t h e d e t e c t o r M e r c u r i c I o d i d e h a s b e e n a s u b j e c t o f i n t e r e s t f o r m o r e t h a n 3 0 y e a r s o w i n g t o i t s e f f i c i e n c y a s a r o o m t e m p e r a t u r e d e t e c t o r f o r h i g h e n e r g y r a d i a t i o n ( X a n d r a y s ) T h i s

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2 3 p r o p e r t y w a s d i s c o v e r e d b y C h e p u r i n 1 9 5 6 [ 7 ] h o w e v e r i t w a s t h e w o r k o f W i l i g i n 1 9 7 1 [ 8 ] w h i c h a c t u a l l y t r i g g e r e d f u r t h e r i n v e s t i g a t i o n s o n t h i s d i f f i c u l t m a t e r i a l E l e m e n t a l s e m i c o n d u c t o r s ( S i a n d G e ) h a v e t o b e c o o l e d d o w n t o l i q u i d n i t r o g e n t e m p e r a t u r e w h e n u s e d a s n u c l e a r d e t e c t o r s R o o m t e m p e r a t u r e o p e r a t i o n c o m b i n e d w i t h a h i g h a t t e n u a t i o n a n d g o o d e n e r g y r e s o l u t i o n o f M e r c u r i c I o d i d e o p e n t h e w a y t o m i n i a t u r i z a t i o n a n d p o r t a b i l i t y o f d e t e c t o r s a n d s p e c t r o m e t e r s I t s w i d e b a n d g a p ( 2 1 3 e v ) i n c o n j u n c t i o n w i t h h i g h a t o m i c n u m b e r s o f i t s c o n s t i t u e n t a t o m s ( Z = 8 0 a n d 5 3 f o r H g a n d I r e s p e c t i v e l y ) m a k e s i t a n a t t r a c t i v e m a t e r i a l I n f a c t c o m m e r c i a l b a t t e r y o p e r a t e d f i e l d p o r t a b l e x r a y f l u o r e s c e n c e ( X R F ) s y s t e m s h a v e b e e n a v a i l a b l e f o r m a n y y e a r s [ 9 ] T h e p e r f o r m a n c e o f t h e s e t r u l y p o r t a b l e X R F s y s t e m s i s t h e f i r s t t o r i v a l t h a t o f l a b o r a t o r y X R F s y s t e m s b a s e d o n S i ( L i ) d e t e c t o r s S i n c e p h o t o e l e c t r i c a b s o r p t i o n v a r i e s a s Z 5 t h e s p e c i f i c s e n s i t i v i t y o f H g I 2 i s a b o u t 1 0 0 t i m e s g r e a t e r t h a n G e f o r e n e r g i e s < 2 0 0 K e V H g I 2 h a s a h i g h p h o t o n a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t w i d e b a n d g a p o f 2 1 3 e V a n d a l o w h o l e e l e c t r o n p a i r c r e a t i o n e n e r g y o f 4 2 e V a t 3 0 0 K [ 1 0 ] H o w e v e r t h e “ D e v e l o p m e n t o f H g I 2 d e t e c t o r s h a s b e e n s o m e w h a t h a m p e r e d b y t h e p r o b l e m s e n c o u n t e r e d i n c o n t r o l l i n g r e s i d u a l i m p u r i t i e s s t o i c h i o m e t r y a n d p h y s i c a l d e f e c t s i n c r y s t a l s ” [ 1 8 ] T h e p r e s e n c e o f b u l k i m p e r f e c t i o n s a s w e l l a s t h e h i g h s u r f a c e r e a c t i v i t y o f H g I 2 h a v e d e t r i m e n t a l e f f e c t s o n d e v i c e s t a b i l i t y b o t h d u r i n g d e t e c t o r o p e r a t i o n ( s h o r t t e r m a n d s t o r a g e ( l o n g t e r m ) “ A b e t t e r c o n t r o l o f t h e s u r f a c e p r o p e r t i e s a n d t h e u s e o f c o n v e n i e n t c o a t i n g p r o c e d u r e s h a v e g r e a t l y i m p r o v e d t h e l o n g t e r m s t a b i l i t y ” [ 3 7 ] I n c o n t r a s t t h e s h o r t t e r m i n s t a b i l i t y w h i c h i s m a i n l y r e l a t e d t o b u l k p r o p e r t i e s s t i l l r e m a i n s a g r e a t c o n c e r n A c t u a l l y m e a s u r e m e n t s o f t h e I V c h a r a c t e r i s t i c s o f H g I 2 – b a s e d d e v i c e s a p p e a r o f t e n n o t t o b e r e p r o d u c i b l e a s t h e r e s u l t s d e p e n d s t r o n g l y o n t h e e x p e r i m e n t a l

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2 4 p r o c e d u r e N o t o n l y t h e v o l t a g e i n c r e m e n t a n d t i m e l e f t b e f o r e i n c r e a s i n g t h e v o l t a g e b u t a l s o t h e t i m e d u r i n g w h i c h t h e s a m p l e h a s b e e n l e f t u n b i a s e d b e f o r e t h e a c t u a l m e a s u r e m e n t p l a y a n i m p o r t a n t r o l e [ 1 1 ] “ T h e r e a r e a t l e a s t t w o w e l l d e f i n e d f r o n t s t o i n v e s t i g a t e m e r c u r i c i o d i d e : f u n d a m e n t a l i s s u e s s u c h a s t h e e l e c t r o n i c a n d o p t i c a l p r o p e r t i e s a n d t h e g r o w t h i s s u e s s u c h a s d e f e c t a n d i m p u r i t y d e f e c t s ” [ 3 9 ] A p p l i c a t i o n s h a v e b e e n f o u n d i n g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n s m a r i n e m i n e r a l a n a l y s i s e n v i r o n m e n t p o l l u t i o n m o n i t o r i n g i n d u s t r i a l m a t e r i a l q u a l i t y a s s u r a n c e a n d s p a c e e x p l o r a t i o n s [ 1 2 ] 3 2 C r y s t a l S t r u c t u r e T h e k n o w n p o l y m o r p h i c f o r m s o f m e r c u r i c i o d i d e a r e : r e d y e l l o w a n d a m e t a s t a b l e o r a n g e p h a s e [ 1 3 ] H g I 2 i s t e t r a g o n a l F i g u r e 3 1 s h o w s t h e u n i t c e l l o f H g I 2 T w o H g a t o m s a r e l o c a t e d a t p o s i t i o n s ( 0 0 0 ) a n d ( 1 / 2 1 / 2 1 / 2 ) a n d f o u r I a t o m s a t ( 0 1 / 2 u ) ( 1 / 2 0 u ) ( 0 1 / 2 1 / 2 + u ) a n d ( 1 / 2 0 1 / 2 u ) w i t h u = 1 7 8 A 0 O n e m e r c u r y a t o m s u r r o u n d e d b y f o u r i o d i n e a t o m s f o r m t h e c o o r d i n a t i o n u n i t o f c r y s t a l T h e s l i g h t l y d i s t o r t e d t e t r a h e d r a a r e l i n k e d b y t h e c o r n e r s t o f o r m s h e e t s p a r a l l e l t o t h e ( 0 0 1 ) p l a n e E a c h s h e e t c o n s i s t s o f 3 l a y e r s o f a t o m s ( I o d i n e M e r c u r y I o d i n e ) M e r c u r y a t o m s o c c u p y o f t h e t e t r a h e d r a l l y c o o r d i n a t e d v o i d s o f t h e i o d i n e s u b l a t t i c e i n e a c h s h e e t V a n d e r w a a l s b o n d i n g f o r c e s k e e p t h e a d j a c e n t s h e e t s t o g e t h e r T h e H g I d i s t a n c e w i t h i n t h e t e t r a h e d r a i s 2 7 8 3 A 0 w h e r e a s t h e s h o r t e s t I I d i s t a n c e o f 4 1 4 2 A 0 i s f o u n d b e t w e e n n e i g h b o r i n g l a y e r s o f t h e t e t r a h e d r a N o o t h e r c o m p o u n d c r y s t a l l i z e s i n t h e m a n n e r a s H g I 2 d o e s [ 1 4 ] T h e s t r u c t u r e i s u n i q u e t o H g I 2 T a b l e 3 1 : C r y s t a l l o g r a p h i c D a t a o f H g I 2 [ 3 8 ] P a r a m e t e r H g I 2 L a t t i c e c o n s t a n t a ( A 0 ) 4 3 6 1

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2 5 T a b l e 3 1 ( C o n t i n u e d ) L a t t i c e c o n s t a n t b ( A 0 ) L a t t i c e c o n s t a n t c ( A 0 ) 1 2 4 5 0 F i g u r e 3 1 : E l e m e n t a l C e l l o f T e t r a g o n a l – H g I 2 [ 3 8 ] T h e t e t r a g o n a l l a t t i c e s h o w n i n F i g u r e 3 1 e x i s t s b e l o w 1 3 0 0 C O n h e a t i n g a b o v e t h i s t e m p e r a t u r e i t t r a n s f o r m s t o t h e p h a s e w h i c h h a s a n o r t h o r h o m b i c l a t t i c e a n d h a s a b a n d g a p o f 2 5 e V W h e n t h e p h a s e i s c o o l e d i t t r a n s f o r m s b a c k i n t o p h a s e T h i s t r a n s f o r m a t i o n i s d e s t r u c t i v e i n n a t u r e w h i c h r e q u i r e s H g I 2 t o b e u s u a l l y o p e r a t e d b e l o w 1 3 0 0 C

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2 6 C H A P T E R 4 I N T R O D U C T I O N T O M E D I C I T M 4 1 P r e v i o u s W o r k o n M o d e l i n g T h e f i r s t a t t e m p t t o m o d e l t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e o f H g I 2 f i l m s w a s d o n e w i t h A M P S a f i r s t p r i n c i p l e s s i m u l a t i o n c o d e f r o m P e n n S t a t e U n i v e r s i t y [ 4 1 ] “ W h e n r e p r e s e n t a t i v e v a l u e s w e r e u s e d f o r f u n d a m e n t a l p a r a m e t e r s t o p e r f o r m s i m u l a t i o n u s i n g A M P S g e n e r a t e d c u r r e n t v o l t a g e a n d q u a n t u m e f f i c i e n c y s p e c t r a l r e s p o n s e p l o t s f r o m s i m u l a t i o n w e r e i n a g r e e m e n t w i t h t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s f r o m s i n g l e c r y s t a l r e f e r e n c e d e v i c e s ” [ 1 5 ] “ F u r t h e r i n s i g h t s t h r o u g h s i m u l a t i o n s u g g e s t e d t h a t e l e c t r o n t r a n s p o r t p r o p e r t i e s s u f f e r e d r e l a t i v e t o t h e h o l e p r o p e r t i e s i n t h i n f i l m s ” [ 1 5 ] S i m u l a t i o n s w i t h 5 0 V b i a s t h e b i a s a p p l i e d f o r m e a s u r e m e n t s o n H g I 2 t h i n f i l m s c a n ’ t b e d o n e w i t h A M P S a s A M P S i s l i m i t e d b y l o w a p p l i e d v o l t a g e a n d l o w w a v e l e n g t h r e s o l u t i o n M E D I C I T M a c o m m e r c i a l s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s i m u l a t o r d e v e l o p e d b y T M A [ 4 0 ] d o e s n o t h a v e s u c h l i m i t a t i o n s o n t h e b i a s t h a t c a n b e a p p l i e d o n t h e d e v i c e T h i s w a s t h e m a i n r e a s o n M E D I C I T M w a s c h o s e n f o r m o d e l i n g o f H g I 2 t h i n f i l m s T h e e a r l i e r w o r k d o n e w i t h M E D I C I T M i n m o d e l i n g H g I 2 t h i n f i l m s w a s t o o b t a i n c a r r i e r t r a n s p o r t p a r a m e t e r s a n d l i g h t a b s o r p t i o n p r o f i l e s f o r p o l y c r y s t a l l i n e H g I 2 t h i n f i l m s [ 3 8 ] T h i s w a s d o n e b y c o m p a r i n g t h e s i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e a n d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g m e a s u r e m e n t s d o n e o n t h i n f i l m s T h i s t h e s i s a t t e m p t s t o g o i n t o m o r e d e t a i l s o f m o d e l i n g o f t h i n f i l m s w i t h M E D I C I T M

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2 7 M E D I C I T M i s a n i n d u s t r y s t a n d a r d d e v i c e s i m u l a t i o n t o o l t h a t p r e d i c t s e l e c t r i c a l t h e r m a l a n d o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f a r b i t r a r y t w o d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s u n d e r u s e r s p e c i f i e d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s A w i d e v a r i e t y o f d e v i c e s c a n b e m o d e l e d i n 1 a n d 2 D i n c l u d i n g M O S F E T s B J T s H B T s p o w e r d e v i c e s p h o t o d e t e c t o r s a n d L E D s W i t h t h e m o s t a d v a n c e d p h y s i c a l m o d e l s a v a i l a b l e M E D I C I a l l o w s d e v i c e d e s i g n t o b e o p t i m i z e d f o r b e s t p e r f o r m a n c e w i t h o u t f a b r i c a t i o n e l i m i n a t i n g t h e n e e d f o r c o s t l y e x p e r i m e n t s 4 2 A n a l y z i n g D e v i c e s M E D I C I T M d o e s n o t r e q u i r e t h e u s e r t o s p e c i f y e q u a t i o n s i n t h e p r o g r a m t o d e s c r i b e t h e s e m i c o n d u c t o r d e v i c e p h y s i c s I n s t e a d i t a s k s t h e u s e r t o s p e c i f y t h e s i z e a n d s t r u c t u r e o f t h e d e v i c e t h e d e s i r e d m o d e l t h e l o c a t i o n s o f t h e c o n t a c t s w i t h i n t h e d e v i c e s t r u c t u r e a n d a l s o a n y s p e c i a l b o u n d a r y c o n d i t i o n s o r p h y s i c a l m o d e l s t o b e u s e d i n t h e s i m u l a t i o n I t m o d e l s t h e t w o d i m e n s i o n a l d i s t r i b u t i o n s o f p o t e n t i a l a n d c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s i n a d e v i c e T h e p r i m a r y f u n c t i o n o f M e d i c i i s t o s o l v e t h r e e p a r t i a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s : P o i s s o n ’ s E q u a t i o n C o n t i n u i t y E q u a t i o n s a n d t h e B o l t z m a n n t r a n s p o r t e q u a t i o n s e l f c o n s i s t e n t l y f o r t h e e l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a l y a n d f o r t h e e l e c t r o n a n d h o l e c o n c e n t r a t i o n s n a n d p r e s p e c t i v e l y M E D I C I c a n b e u s e d t o s t u d y d e v i c e s u n d e r t r a n s i e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a s w e l l 4 3 M E D I C I G r i d M E D I C I u s e s a n o n u n i f o r m t r i a n g u l a r s i m u l a t i o n g r i d a n d c a n m o d e l a r b i t r a r y d e v i c e g e o m e t r i e s T h e s i m u l a t i o n g r i d c a n a l s o b e r e f i n e d a u t o m a t i c a l l y d u r i n g t h e s o l u t i o n p r o c e s s T h e c o r r e c t a l l o c a t i o n o f t h e g r i d i s a c r u c i a l i s s u e i n d e v i c e s i m u l a t i o n A s d i f f e r e n t p a r t s o f a d e v i c e h a v e v e r y d i f f e r e n t e l e c t r i c a l a n d o p t i c a l b e h a v i o r i t i s u s u a l l y n e c e s s a r y t o a l l o c a t e a f i n e g r i d i n s o m e r e g i o n s a n d a c o a r s e g r i d i n o t h e r s T h e

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2 8 d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s t o b e s o l v e d f o r e a c h s i m u l a t i o n a r e d i s c r e t i z e d i n a s i m u l a t i o n g r i d a s d e s c r i b e d i n [ 4 0 ] T h e r e s u l t i n g s e t o f a l g e b r a i c e q u a t i o n s i s c o u p l e d a n d n o n l i n e a r t h a t m u s t b e s o l v e d b y a n o n l i n e a r i t e r a t i o n m e t h o d f r o m a n i n i t i a l g u e s s T w o m e t h o d s a r e w i d e l y u s e d f o r t h i s G u m m e l ’ s a n d N e w t o n ’ s [ 4 0 ] 4 4 P h y s i c a l M o d e l s i n M E D I C I A n u m b e r o f p h y s i c a l m o d e l s f o r r e c o m b i n a t i o n p h o t o g e n e r a t i o n m o b i l i t y a n d l i f e t i m e a r e i n c o r p o r a t e d i n t o t h e p r o g r a m f o r a c c u r a t e s i m u l a t i o n s M E D I C I a l s o i n c o r p o r a t e s b o t h B o l t z m a n n a n d F e r m i D i r a c s t a t i s t i c s 4 5 M o d u l e s i n M E D I C I T h e M E D I C I O p t i c a l D e v i c e A d v a n c e d A p p l i c a t i o n M o d u l e ( O D A A M ) i s u s e d t o m o d e l p r o p a g a t i o n o f l i g h t i n s i d e a n d o u t s i d e a d e v i c e I t a l l o w s c a l c u l a t i o n o f s p e c t r a l r e s p o n s e o f t h e o p t i c a l d e v i c e s i n s t e a d y s t a t e o r i n t r a n s i e n t m o d e s O n e o f t h e m a j o r c a p a b i l i t i e s o f O D A A M i s t h e t r e a t m e n t o f t h e s t a c k o f m u l t i p l e l a y e r s a s a s i n g l e f i l m t o c o n s i d e r i n t e r f e r e n c e e f f e c t s T h e T r a p p e d c h a r g e A d v a n c e d A p p l i c a t i o n M o d u l e ( T C A A M ) a l l o w s d e t a i l e d a n a l y s i s o f s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s c o n t a i n i n g t r a p s I t a l l o w s s i m u l a t i o n o f c a r r i e r t r a p p i n g a n d d e t r a p p i n g m e c h a n i s m s w i t h i n s e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l s w h i c h a r e i m p o r t a n t i n d e e p t r a p l e v e l s F o r t h e a n a l y s i s o f t r a p s t h e e n e r g y g a p i s d i v i d e d i n u p t o 5 0 d i s c r e t e l e v e l s T h e r e c o m b i n a t i o n a n d t r a p p i n g p r o c e s s e s a r e t h e n a n a l y z e d a t e a c h l e v e l M E D I C I h e l p s u s e r t o e x t r a c t t h e f o l l o w i n g i n f o r m a t i o n f r o m d e v i c e s t r u c t u r e s 1 D e t e r m i n e I V c h a r a c t e r i s t i c s a n d c u r r e n t d e n s i t y d i s t r i b u t i o n s 2 U n d e r s t a n d i n t e r n a l d e v i c e o p e r a t i o n t h r o u g h s i m u l a t i o n o f t h e e l e c t r o s t a t i c f i e l d c a r r i e r c o n c e n t r a t i o n s c u r r e n t d e n s i t y

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2 9 3 D e t e r m i n e S p e c t r a l r e s p o n s e a n d p h o t o c u r r e n t s u n d e r a n y v o l t a g e b i a s 4 6 C o o r d i n a t e S y s t e m s T h e p r o g r a m g i v e s a c h o i c e o f C a r t e s i a n o r C y l i n d r i c a l c o o r d i n a t e s y s t e m s M E D I C I i s a t w o d i m e n s i o n a l s i m u l a t o r s o r e g a r d l e s s o f t h e c o o r d i n a t e s y s t e m u s e d ; s i m u l a t i o n s a r e p e r f o r m e d i n o n l y t w o o f t h e t h r e e s p a c e d i m e n s i o n s W h e n u s i n g t h e C a r t e s i a n s y s t e m s i m u l a t i o n s a r e p e r f o r m e d i n t h e x y p l a n e T h e d e v i c e b e h a v i o r i s a s s u m e d t o b e i d e n t i c a l f o r a l l v a l u e s o f z F o r t h i s r e a s o n t e r m i n a l c u r r e n t s a r e e x p r e s s e d i n u n i t s o f A m p s / m i c r o n 4 7 E x e c u t i o n o f M E D I C I T h e p r o g r a m i s d i r e c t e d v i a i n p u t s t a t e m e n t s T h e s e s t a t e m e n t s m a y a p p e a r i n a c o m m a n d i n p u t f i l e o r m a y b e e n t e r e d i n t e r a c t i v e l y f r o m t h e t e r m i n a l E a c h s t a t e m e n t c o n s i s t s o f a s t a t e m e n t n a m e f o l l o w e d b y a l i s t o f p a r a m e t e r n a m e s a n d v a l u e s A M E S H s t a t e m e n t i s u s e d t o i n i t i a t e t h e g e n e r a t i o n o f a d e v i c e s t r u c t u r e A r e c t a n g u l a r m e s h c a n b e a v e r y e f f e c t i v e s o l u t i o n m e s h A f t e r g i v i n g a p r o p e r g r i d s t r u c t u r e i n t h e X & Y d i r e c t i o n s t h e c o n t a c t s h a v e t o b e p l a c e d a n d n a m e d w h i c h i s d o n e b y t h e E L E C T R O D E s t a t e m e n t A s t h e r e i s n o m a t e r i a l l i b r a r y f o r H g I 2 i n M E D I C I t h e u s e r h a s t o g i v e t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s a c c o r d i n g l y F o r t h e o p t i c a l a n a l y s i s t h e s o u r c e o f r a d i a t i o n h a s t o b e g i v e n w h i c h i s a s p e c t r a l s o u r c e f o r S p e c t r a l r e s p o n s e a n d m o n o c h r o m a t i c f o r I V c h a r a c t e r i s t i c s a t a s i n g l e w a v e l e n g t h T h e a d v a n t a g e o f M E D I C I T M o v e r o t h e r s i m u l a t i o n t o o l s i s u s e r c o n t r o l o v e r t h e p h y s i c s u s e d i n t h e c a l c u l a t i o n s I t i s e a s i e r t o c h e c k t h e e q u a t i o n s u s e d b y t h e p r o g r a m w h e n s i m u l a t i n g t h e d e v i c e I t i s a l s o e a s y t o c h a n g e t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s i n a n e a s y a n d c o n s i s t e n t w a y

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3 0 C H A P T E R 5 S I M U L A T I O N R E S U L T S 5 1 I n p u t D a t a I n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e s i m u l a t i o n a r e s e l e c t e d b a s e d o n l i t e r a t u r e v a l u e s t h e o r y a n d i n s o m e c a s e s r e a s o n a b l e e s t i m a t e s T y p e s o f p a r a m e t e r s r e q u i r e d b e f o r e a n y M E D I C I T M s i m u l a t i o n c a n b e s t a r t e d : 1 M e s h w h i c h r e p r e s e n t s t h e d e v i c e s t r u c t u r e 2 D C a r t e s i a n c o o r d i n a t e s y s t e m w a s u s e d f o r t h i s t h e s i s 2 M a t e r i a l p r o p e r t i e s i e e l e c t r i c a l a n d o p t i c a l p r o p e r t i e s o f e a c h l a y e r i n c l u d i n g f r o n t a n d b a c k c o n t a c t 3 S e l e c t i o n o f m o d e l s i e m o d e l t y p e f o r c a r r i e r s t a t i s t i c s r e c o m b i n a t i o n s t a t i s t i c s F e r m i D i r a c s t a t i s t i c s w a s u s e d f o r t h i s t h e s i s 4 N u m e r i c a l s o l u t i o n m e t h o d : T h e N e w t o n R a p h s o n m e t h o d w a s u s e d f o r t h i s t h e s i s M a t e r i a l p r o p e r t i e s ( u s e d i n s i m u l a t i o n ) : T a b l e 5 1 : B a s i c M a t e r i a l P r o p e r t i e s o f H g I 2 W i d t h 3 0 0 m P e r m i t t i v i t y 1 1 B a n d g a p 2 1 3 e V E f f e c t i v e d e n s i t y o f s t a t e s N C 2 0 e 1 9 c m 3

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3 1 T a b l e 5 1 ( C o n t i n u e d ) E f f e c t i v e d e n s i t y o f s t a t e s N V 2 0 e 1 9 c m 3 E l e c t r o n a f f i n i t y 4 e V R e f r a c t i v e i n d e x 2 8 A s t h e r e i s n o d a t a a v a i l a b l e f o r a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t s , f o r p o l y c r y s t a l l i n e m e r c u r i c i o d i d e t h i n f i l m s d a t a w a s t a k e n f r o m s i n g l e c r y s t a l f i l m s s h o w n b e l o w [ 3 9 ] : T a b l e 5 2 : A b s o r p t i o n C o e f f i c i e n t s U s e d i n S i m u l a t i o n W a v e l e n g t h ( n m ) A b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t ( c m 1 ) 4 0 0 3 2 e 5 4 1 0 2 9 7 e 5 4 2 0 2 5 5 e 5 4 3 0 2 1 5 e 5 4 4 0 1 9 e 5 4 5 0 1 5 5 e 5 4 6 0 1 5 e 5 4 7 0 1 3 e 5 4 8 0 1 2 5 e 5 4 9 0 1 2 e 5 5 0 0 1 1 e 5 5 1 0 1 e 5 5 2 0 9 e 4 5 3 0 7 e 4

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3 2 T a b l e 5 2 ( C o n t i n u e d ) 5 4 0 6 5 e 4 5 5 0 6 e 4 5 6 0 2 e 4 5 7 0 7 0 0 5 8 0 3 0 0 5 9 0 7 0 6 0 0 1 1 6 1 0 5 6 2 0 3 5 6 3 0 0 8 5 2 S p e c t r a l R e s p o n s e a n d I V M e a s u r e m e n t s F o r t h e o p t i c a l m e a s u r e m e n t s o n M e r c u r i c I o d i d e t h i n f i l m s a n O r i e l m m o n o c h r o m a t o r w a s u s e d A f o c u s i n g l e n s w a s u s e d t o c o n c e n t r a t e t h e i n c i d e n t l i g h t o n t o a s i n g l e s p o t o f t h e t h i n f i l m A L a b V i e w T M d a t a l o g g i n g p r o g r a m w a s u s e d t o r e c o r d t h e m e a s u r e m e n t s T h e i n c i d e n t f l u x i s o b t a i n e d f r o m t h e s t a n d a r d r e f e r e n c e S i S o l a r c e l l B i a s o r i e n t a t i o n i s w i t h r e s p e c t t o p o l a r i t y o f t h e i l l u m i n a t e d e l e c t r o d e i e t h e f r o n t c o n t a c t D a r k I V L i g h t I V a n d S p e c t r a l r e s p o n s e a t n e g a t i v e b i a s o f 5 0 V w e r e m e a s u r e d f o r e a c h s a m p l e T h e s e m e a s u r e m e n t s w e r e t h e n c o r r e l a t e d w i t h t h e s i m u l a t i o n s t o b e t t e r u n d e r s t a n d t h e p h o t o e x c i t e d c h a r g e c a r r i e r k i n e t i c s u n d e r b i a s T h e l a y o u t o f c u r r e n t M e r c u r i c i o d i d e t h i n f i l m s a m p l e s i s s h o w n i n f i g u r e 5 1

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3 3 F i g u r e 5 1 : L a y o u t o f C u r r e n t T y p i c a l P o l y c r y s t a l l i n e M e r c u r i c I o d i d e T h i n F i l m S a m p l e s T h e f i l m i s 2 5 c m i n d i a m e t e r P a l l a d i u m ( P d ) c o n t a c t s a r e t h e n s p u t t e r e d o n t o t h e f i l m t h r o u g h a m a s k T h e c o n t a c t s i z e i s 0 1 c m 2 T h e s e v e n c o n t a c t p o i n t s s h o w n i n F i g u r e 5 1 a r e d e f i n e d b y t h e P d e l e c t r o d e s T h e l o n g t e r m o b j e c t i v e o f t h i s p r o j e c t i s t o g r o w f i l m s f o r l a r g e s u r f a c e a r e a m e d i c a l i m a g i n g a p p l i c a t i o n s F o r s u c h a p p l i c a t i o n s i t i s v e r y i m p o r t a n t t h a t p h o t o r e s p o n s e a t e v e r y p o i n t o n t h e f i l m b e u n i f o r m a s t h e o u t p u t f r o m a n u m b e r o f p o i n t s o n t h e f i l m i s c o l l a t e d t o f o r m t h e f i n a l i m a g e [ 3 8 ] 5 3 S i m u l a t i o n o f S p e c t r a l R e s p o n s e E a c h c o n t a c t p o i n t o n t h e t h i n f i l m i s s i m u l a t e d i n M E D I C I T M T h e g r i d i m p l e m e n t e d i n s i m u l a t i o n i s s h o w n i n f i g u r e 5 2

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3 4 F i g u r e 5 2 : M E D I C I G r i d f o r t h e M e r c u r i c I o d i d e T h i n F i l m T h e o p t i c a l a n d o t h e r d a t a r e q u i r e d f o r t h e H g I 2 i n t h e s i m u l a t i o n a r e s h o w n i n t a b l e s 5 1 a n d 5 2 T h e d e s c r i p t i o n o f t h e l i g h t s o u r c e a n d t h e r a y t r a c i n g p a r a m e t e r s t o s i m u l a t e t h e s p e c t r a l r e s p o n s e a r e g i v e n i n t h e P H O T O G E N s t a t e m e n t s h o w n i n t h e A p p e n d i x T h e s o l a r l i g h t s p e c t r u m i s a p p r o x i m a t e d b y t h e b l a c k b o d y r a d i a t i o n s p e c t r u m a t 5 8 0 0 K T h e n u m b e r o f s a m p l e d w a v e l e n g t h s W L i s s e t t o 2 5 S i m u l a t i o n i s d o n e f o r 2 5 w a v e l e n g t h s f r o m 4 0 0 n m t o 6 4 0 n m E a c h w a v e l e n g t h h a s i t s m o n o c h r o m e c o m p o n e n t o f l i g h t i n t e n s i t y c a l c u l a t e d i n t e r n a l l y b y M E D I C I T h e s o l u t i o n f i l e s o b t a i n e d a f t e r t h e s i m u l a t i o n i s f i n i s h e d a r e c a l l e d l o g f i l e s T h e l o g f i l e s c r e a t e d a f t e r t h e s i m u l a t i o n o f s p e c t r a l r e s p o n s e i s f i n i s h e d c o n t a i n t h e f o l l o w i n g d a t a : 1 T r a n s m i t t a n c e 2 R e f l e c t a n c e Y X I n c i d e n t l i g h t 3 0 0 m 3 0 0 m

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3 5 3 T e r m i n a l c u r r e n t s 4 N u m b e r o f p h o t o g e n e r a t e d c a r r i e r s 5 I n c i d e n t a b s o r b e d f l u x 6 S p e c t r a l r e s p o n s e 5 4 S i m u l a t i o n o f L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s L i g h t I V s i m u l a t i o n s a r e d o n e a t a s i n g l e w a v e l e n g t h T h e f l u x o r i n t e n s i t y a n d w a v e l e n g t h a t w h i c h l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s t o b e o b t a i n e d h a v e t o b e m e n t i o n e d i n t h e c o d e I V c h a r a c t e r i s t i c s c a n b e o b t a i n e d f o r b r o a d r a n g e o f v o l t a g e s I n t h i s p a r t o f t h e e f f o r t I V c h a r a c t e r i s t i c s w e r e d o n e f r o m 5 0 V t o + 5 0 V P a r t o f t h e i n c i d e n t l i g h t i s a b s o r b e d s o m e o f i t i s t r a n s m i t t e d a n d t h e r e s t i s r e f l e c t e d T h e a b s o r p t i o n p r o f i l e d e p e n d s o n t h e a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t T h e r e f l e c t a n c e f o r e a c h i s c a l c u l a t e d f r o m t h e r e f r a c t i v e i n d e x ( n ) a n d k e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t A b a n d g a p o f 2 1 3 e V c o r r e s p o n d s t o a c u t o f f w a v e l e n g t h o f 5 8 2 5 n m T h e w a v e l e n g t h s b e y o n d 5 8 2 5 n m a r e w e a k l y a b s o r b e d t h e r e f o r e t h e y j u s t p a s s t h r o u g h t h e m a t e r i a l w i t h o u t g e n e r a t i n g m a n y e l e c t r o n h o l e p a i r s i n t h e m a t e r i a l T h e r e f l e c t a n c e i s c a l c u l a t e d f r o m t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : R = ( ( n 1 n 2 ) 2 + k 2 ) / ( ( n 1 + n 2 ) 2 + k 2 ) ( 5 1 ) k = ( ) / ( 4 n ) ( 5 2 ) W h e r e k i s t h e e x t i n c t i o n c o e f f i c i e n t n 1 a n d n 2 a r e t h e r e f r a c t i v e i n d i c e s o f t h e t w o m e d i u m s T h e C a l c u l a t e d R e f l e c t a n c e d a t a i s g i v e n i n t h e f o l l o w i n g t a b l e 5 3 :

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3 6 T a b l e 5 3 : C a l c u l a t e d R e f l e c t a n c e f r o m S i m u l a t i o n W a v e l e n g t h ( n m ) R e f l e c t a n c e ( % ) 4 0 0 2 7 6 4 4 1 0 2 7 1 7 4 2 0 2 6 1 5 4 3 0 2 5 2 4 4 4 0 2 4 7 4 4 5 0 2 4 0 6 4 6 0 2 4 0 2 4 7 0 2 3 6 9 4 8 0 2 3 6 4 4 9 0 2 3 6 5 0 0 2 3 4 5 5 1 0 2 3 3 1 5 2 0 2 3 1 8 5 3 0 2 2 9 5 4 0 2 2 8 5 5 5 0 2 2 8 1 5 6 0 2 2 4 8 5 7 0 2 2 4 4 5 8 0 2 2 4 4 5 9 0 2 2 4 4 6 0 0 2 2 4 4

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3 7 T a b l e 5 3 ( C o n t i n u e d ) 6 1 0 2 2 4 4 6 2 0 2 2 4 4 6 3 0 2 2 4 4 6 4 0 2 2 4 4 T h e b e h a v i o r o f p o l y c r y s t a l l i n e m e r c u r i c i o d i d e t h i n f i l m s u s i n g M E D I C I T M h a s b e e n s i m u l a t e d a n d t h e r e s u l t s h a v e b e e n i n t e r p r e t e d T h i s c h a p t e r d o c u m e n t s t h e s i m u l a t e d r e s u l t s o f s p e c t r a l r e s p o n s e u n d e r 5 0 V b i a s a n d L i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s T h e o b j e c t i v e o f t h e s i m u l a t i o n i s t o d e t e r m i n e t h e m o b i l i t e s b u l k l i f e t i m e s a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s o f e l e c t r o n s a n d h o l e s t h a t w o u l d m a t c h t h e m e a s u r e d r e s u l t s w i t h s i m u l a t e d r e s u l t s T y p i c a l s p e c t r a l r e s p o n s e s o b t a i n e d f r o m m e a s u r e m e n t o f c u r r e n t m e r c u r i c i o d i d e t h i n f i l m s a r e s h o w n i n f i g u r e 5 3 ( a ) F i g u r e 5 3 : T y p i c a l M e a s u r e d S p e c t r a l R e s p o n s e ( a ) V e r y h i g h B l u e R e s p o n s e ( b ) Z e r o B l u e R e s p o n s e ( c ) H i g h B l u e R e s p o n s e

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3 8 ( b ) ( c ) F i g u r e 5 3 ( C o n t i n u e d ) T h e k e y o b s e r v a t i o n s t h a t c a n b e m a d e f r o m t h e a b o v e s p e c t r a l r e s p o n s e p l o t s a r e : 1 T h e p e a k o f r e s p o n s e l i e s a t 5 7 0 m m 2 F o r s o m e o f t h e p l o t s t h e S R d r o p s f r o m 4 0 0 n m t o 5 4 0 n m a n d t h e n r e a c h e s t h e p e a k a t 5 7 0 n m F o r s o m e o t h e r p l o t s t h e S R i s a l m o s t z e r o a n d f l a t f r o m 4 0 0 n m t o 5 4 0 n m a n d t h e n r e a c h e s t h e p e a k a t 5 7 0 n m T h e b l u e S R w a s n o t o b v i o u s a n d w a s t h e m o s t i m p o r t a n t c h a l l e n g i n g p a r t o f t h e c u r v e t o b e f i t t e d

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3 9 I n 1 9 8 3 L e v i e t a l [ 1 7 ] p o i n t e d o u t t h a t w h e n e v e r c a r r i e r s a r e g e n e r a t e d s u f f i c i e n t l y c l o s e t o t h e s u r f a c e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n o f c h a r g e c a r r i e r s s e t s i n i n a d d i t i o n t o b u l k t r a p p i n g I n H g I 2 t h i n f i l m s t h e w a v e l e n g t h s ( 4 0 0 5 5 0 ) n m a r e v e r y s t r o n g l y a b s o r b e d d u e t o t h e l a r g e a b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t T h e c a r r i e r s a r e g e n e r a t e d c l o s e t o t h e s u r f a c e t h e r e f o r e t h e s h a p e o f t h e s p e c t r a l r e s p o n s e c u r v e f o r t h i s s e t o f ’ s i s s e n s i t i v e t o s u r f a c e a s w e l l a s b u l k r e c o m b i n a t i o n T r a d i t i o n a l l y t h e i n f l u e n c e o f t h e s u r f a c e o n e x c e s s c h a r g e c a r r i e r k i n e t i c s i s t a k e n i n t o a c c o u n t b y b o u n d a r y c o n d i t i o n s a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n i s d e s c r i b e d b y t h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y W h e n a l l t h e e l e c t r o n h o l e p a i r s t h a t a r e c r e a t e d d u e t o a b s o r p t i o n o f p h o t o n s a r e c o l l e c t e d w e g e t u n i t y I n t e r n a l Q u a n t u m E f f i c i e n c y ( I Q E ) T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n i n t e r n a l a n d e x t e r n a l Q E ( E Q E ) g e n e r a l l y r e f e r r e d t o a s Q E i n t h i s c a s e i s d u e t o t h e o p t i c a l l o s s e s w h i c h a r e t r a n s m i s s i o n a n d r e f l e c t a n c e l o s s e s R e f l e c t a n c e l o s s i s d o m i n a n t f o r s t r o n g l y a b s o r b e d l i g h t B o t h t h e l o s s e s a f f e c t t h e r e s p o n s e f o r w e a k l y a b s o r b e d l i g h t F i g u r e 5 4 : T y p i c a l S p e c t r a l R e s p o n s e P l o t f r o m S i m u l a t i o n t o I l l u s t r a t e I Q E Q E I n t e r n a l Q E E x t e r n a l Q E

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4 0 F r o m f i g u r e 5 4 f o r w a v e l e n g t h s ( 4 0 0 5 9 0 ) n m r e f l e c t i o n l o s s i s v e r y c l e a r f r o m t h e e x t e r n a l a n d i n t e r n a l s p e c t r a l r e s p o n s e s F o r t h e w a v e l e n g t h s ( 5 9 0 6 4 0 ) n m t r a n s m i s s i o n a n d r e f l e c t i o n l o s s e s m a k e t h e e x t e r n a l s p e c t r a l r e s p o n s e d r o p d o w n s i g n i f i c a n t l y C a r r i e r r e c o m b i n a t i o n i s t h e o n l y e l e c t r i c a l l o s s m e c h a n i s m i n o u r d e v i c e s w h i c h m a k e s i n t e r n a l Q E l e s s t h a n u n i t y A s l o n g a s a n a p p r e c i a b l e e l e c t r i c f i e l d i s p r e s e n t t h e e x c e s s c h a r g e c a r r i e r s a r e s e p a r a t e d b y t h e f i e l d a n d c a n n o t p a r t i c i p a t e i n b u l k o r i n s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n S R H B u l k a n d S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n m o d e l s t h e m o s t p r o b a b l e r e c o m b i n a t i o n m e c h a n i s m s t h a t c a n o c c u r i n m e r c u r i c i o d i d e t h i n f i l m s a r e u s e d i n t h e s i m u l a t i o n s T h e e f f e c t o f b u l k a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n s o n t h e s p e c t r a l r e s p o n s e h a s t o b e c l e a r l y u n d e r s t o o d b e f o r e t h e c u r v e f i t t i n g o f s p e c t r a l r e s p o n s e T h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s o f e l e c t r o n s a n d h o l e s f o r t h e b a c k c o n t a c t d i d n o t a f f e c t t h e s p e c t r a l r e s p o n s e H e n c e i n t h e f o l l o w i n g r e s u l t s t h e d o c u m e n t e d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s a r e u n d e r s t o o d a s t h a t f o r t h e f r o n t c o n t a c t T h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e s a r e e x t e r n a l Q E h e n c e i n t h e f o l l o w i n g r e s u l t s m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e s a r e u n d e r s t o o d a s e x t e r n a l Q E ’ s 5 5 M i s m a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e T h e s i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e w i t h p a r a m e t e r s f r o m t a b l e s 5 4 a n d 5 5 m a t c h e d a p a r t o f t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e i e f o r w a v e l e n g t h s ( 5 7 0 6 4 0 ) n m b u t f a i l e d t o m a t c h t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e f o r w a v e l e n g t h s ( 4 0 0 5 7 0 ) n m f o r d e v i c e s w i t h b l u e r e s p o n s e T h e s i m u l a t e d a n d m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e p l o t s a r e s h o w n i n f i g u r e 5 5

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4 1 T a b l e 5 4 : S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M i s m a t c h e d B l u e R e s p o n s e C a r r i e r S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y ( c m s 1 ) E l e c t r o n 1 e 1 0 H o l e 1 e 1 0 T a b l e 5 5 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M i s m a t c h e d B l u e R e s p o n s e C a r r i e r M o b i l i t y ( c m 2 / V s ) L i f e t i m e ( s e c ) E l e c t r o n 3 5 4 e 7 H o l e 0 1 6 e 8 F i g u r e 5 5 : M i s m a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e T h o u g h v e r y h i g h v a l u e s o f 1 e 1 0 c m s 1 f o r s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s w h i c h a r e e x p e c t e d t o m a k e t h e c a r r i e r s g e n e r a t e d o n t h e s u r f a c e r e c o m b i n e w e r e u s e d t h e s i m u l a t e d b l u e r e s p o n s e d i d n o t g o d o w n a s w a s r e q u i r e d b y t h e m e a s u r e d r e s p o n s e S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s l e s s t h a n 1 e 1 0 c m s 1 m a k e t h e b l u e r e s p o n s e s t i l l h i g h e r S i m u l a t e d r e s p o n s e M e a s u r e d r e s p o n s e S p e c t r a l r e s p o n s e d i d n o t m a t c h f o r t h i s p a r t o f s p e c t r u m

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4 2 a s s h o w n i n f i g u r e 5 6 T h e m i s m a t c h o f m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d b l u e r e s p o n s e i s c l e a r f r o m f i g u r e 5 5 F i g u r e 5 6 : S i m u l a t e d S p e c t r a l R e s p o n s e V s S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y T h e v a l u e s o f i n t a b l e 5 5 w e r e l a r g e e n o u g h t o m a k e t h e b l u e r e s p o n s e h i g h e r b u t w e r e n e e d e d t o m a k e t h e l o n g w a v e l e n g t h r e g i o n m a t c h t h e m e a s u r e d r e s p o n s e T h e o v e r a l l s p e c t r a l r e s p o n s e w a s s e n s i t i v e t o t h e b u l k r e c o m b i n a t i o n H i g h e r ( s m a l l e r ) v a l u e s o f i n c r e a s e s ( d e c r e a s e s ) t h e o v e r a l l S p e c t r a l r e s p o n s e t h e p l o t s o f w h i c h a r e s h o w n i n f i g u r e 5 7 W i t h v a r i o u s v a l u e s o f s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s ( c m s 1 ) 1 e 4 1 e 1 0

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4 3 F i g u r e 5 7 : S i m u l a t e d S p e c t r a l R e s p o n s e a s a F u n c t i o n o f n n F r o m t h e a b o v e f i g u r e s 5 5 5 6 a n d 5 7 i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t t h e m o b i l i t e s o f 3 f o r e l e c t r o n a n d 0 1 f o r h o l e b u l k l i f e t i m e o f 4 e 7 s f o r e l e c t r o n a n d 6 e 8 s f o r h o l e a r e n e e d e d t o m a k e t h e l o n g w a v e l e n g t h r e g i o n m a t c h t h e m e a s u r e d r e s p o n s e T h e s i m u l a t e d b l u e r e s p o n s e d i d n o t m a t c h t h e m e a s u r e d b l u e r e s p o n s e f o r a n y c o m b i n a t i o n s o f b u l k a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n p a r a m e t e r s 5 6 M a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e T h e s i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e w i t h p a r a m e t e r s f r o m t a b l e s 5 6 a n d 5 7 m a t c h e d a p a r t o f t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e i e f o r w a v e l e n g t h s ( 4 0 0 5 7 0 ) n m b u t f a i l e d t o m a t c h t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e f o r w a v e l e n g t h s ( 5 7 0 6 4 0 ) n m T h e s i m u l a t e d a n d m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e p l o t s a r e s h o w n i n f i g u r e 5 8 T a b l e 5 6 : S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M a t c h e d B l u e R e s p o n s e C a r r i e r S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y ( c m s 1 ) E l e c t r o n 1 e 2 H o l e 1 e 2 W i t h v a r i o u s v a l u e s o f n n ( c m 2 / V ) 1 4 e 7 2 8 e 7 8 e 7

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4 4 T a b l e 5 7 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r M a t c h e d B l u e R e s p o n s e C a r r i e r M o b i l i t y ( c m 2 / V s ) L i f e t i m e ( s e c ) E l e c t r o n 1 5 e 1 0 H o l e 0 0 1 5 e 1 0 F i g u r e 5 8 : M a t c h o f B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e W i t h t h e p a r a m e t e r s f r o m t a b l e s 5 6 a n d 5 7 w h e n t h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r h o l e s w a s i n c r e a s e d ( r e d u c e d ) t h i s i n c r e a s e d ( r e d u c e d ) t h e s i m u l a t e d b l u e r e s p o n s e F r o m f i g u r e 5 9 f o r a g i v e n s e t o f i e f o r t h e s e t o f i n t a b l e 5 7 a s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y o f 1 e 4 c m s 1 f o r h o l e s i n c r e a s e d t h e b l u e r e s p o n s e w h e r e a s v a l u e s o f 1 0 a n d 1 c m s 1 r e d u c e d t h e b l u e r e s p o n s e T h e r e f o r e i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t i t i s t h e c o m p e t i t i o n b e t w e e n t h e t w o o p p o s i n g m e c h a n i s m s s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n a n d b u l k r e c o m b i n a t i o n t h a t d e t e r m i n e s t h e b l u e r e s p o n s e T h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n m e c h a n i s m p r o d u c e s a n e f f e c t i v e s u r f a c e f i e l d p r o p o r t i o n a l t o s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y o f h o l e s t h a t p u l l s t h e h o l e s t h a t a r e g e n e r a t e d a w a y f r o m t h e S i m u l a t e d r e s p o n s e M e a s u r e d r e s p o n s e S p e c t r a l r e s p o n s e d i d n o t m a t c h f o r t h i s p a r t o f s p e c t r u m

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4 5 s u r f a c e t o w a r d s t h e s u r f a c e t h e r e b y h e l p i n g t h e h o l e s e s c a p e f r o m b u l k r e c o m b i n a t i o n w i t h e l e c t r o n s P h o t o g e n e r a t e d h o l e s a r e l o s t t h r o u g h b u l k r e c o m b i n a t i o n w i t h e l e c t r o n s w h e n b u l k r e c o m b i n a t i o n d o m i n a t e s l o w e r s u r f a c e f i e l d s W i t h t h e p a r a m e t e r s f r o m t a b l e s 5 6 a n d 5 7 w h e n t h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r e l e c t r o n s w a s i n c r e a s e d t h e s i m u l a t e d b l u e r e s p o n s e w a s r e d u c e d A s s e e n i n f i g u r e 5 1 0 f o r a g i v e n v a l u e o f s u c h a s t h a t i n t a b l e 5 7 a h i g h e r s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y o f 1 e 5 c m s 1 f o r e l e c t r o n s r e d u c e d t h e b l u e r e s p o n s e F i g u r e 5 9 : B l u e R e s p o n s e a s a F u n c t i o n o f S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f H o l e s F r o m 1 t o 1 e 4 c m s 1 1 e 4 1 1 0 1 e 2 S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y o f h o l e s i n c m s 1

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4 6 F i g u r e 5 1 0 : B l u e R e s p o n s e a s a F u n c t i o n o f S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f E l e c t r o n s o f 1 e 2 a n d 1 e 5 c m s 1 F r o m f i g u r e s 5 8 5 9 a n d 5 1 0 t h e s i m u l a t e d l o n g w a v e l e n g t h r e s p o n s e d i d n o t m a t c h t h e m e a s u r e d r e s p o n s e T h e v a l u e s o f f r o m t a b l e 5 7 w e r e n e e d e d t o m a k e t h e b l u e r e s p o n s e m a t c h t h e m e a s u r e d r e s p o n s e b u t w e r e t o o s m a l l t o m a t c h t h e l o n g w a v e l e n g t h r e g i o n r e s p o n s e F r o m t h e t w o s e t s o f p a r a m e t e r s i n t h e a b o v e s e c t i o n s 5 5 & 5 6 i e f r o m t a b l e s 5 4 5 5 & t a b l e s 5 6 5 7 o n e t h a t m a t c h e s t h e m e a s u r e d l o n g w a v e l e n g t h r e s p o n s e f i g u r e 5 5 a n d o n e t h a t m a t c h e s t h e m e a s u r e d b l u e r e s p o n s e f i g u r e 5 8 r e s p e c t i v e l y w e c a n c o n c l u d e t h a t t h e r e h a v e t o b e t w o s e t s o f b u l k r e c o m b i n a t i o n p a r a m e t e r s t o g e t c o m p l e t e m a t c h o f m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e s T h e r e c a n t b e t w o s e t s o f b u l k r e c o m b i n a t i o n p a r a m e t e r s f o r a s i n g l e h o m o g e n e o u s r e g i o n o f 3 0 0 m 5 7 M a t c h o f C o m p l e t e S p e c t r a l R e s p o n s e T h e o t h e r p o s s i b i l i t y t o t w o d i f f e r e n t s e t s o f b u l k r e c o m b i n a t i o n p a r a m e t e r s i s t o h a v e 2 d i f f e r e n t r e g i o n s a n d h a v e d i f f e r e n t s e t s o f m o b i l i t i e s a n d b u l k l i f e t i m e s f o r e a c h r e g i o n 1 e 2 1 e 5 S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y o f e l e c t r o n s i n c m s 1

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4 7 T h e n e x t s t e p w a s t o i d e n t i f y t h e w i d t h s o f t h e s e t w o d i f f e r e n t r e g i o n s B y a t r i a l a n d e r r o r m e t h o d t h e s i m u l a t e d r e s p o n s e m a t c h e d t h e c o m p l e t e m e a s u r e d r e s p o n s e o f f i g u r e 5 1 1 w h e n t h e f i r s t r e g i o n o f 0 5 m w i d t h w a s c h o s e n H e n c e t h e H g I 2 t h i c k n e s s o f 3 0 0 m i s d i v i d e d i n t o t w o r e g i o n s T h e f i r s t r e g i o n i s 0 5 m t h i c k f r o m t h e s u r f a c e o f S n O 2 a n d t h e r e m a i n d e r i s 2 9 9 5 m t h i c k T h e r e s p o n s e i n t h e f i r s t r e g i o n i s d e t e r m i n e d b y t h e c o m p e t i t i o n b e t w e e n t h e s u r f a c e a n d b u l k r e c o m b i n a t i o n T h e r e s p o n s e i n t h e s e c o n d r e g i o n i s b u l k r e c o m b i n a t i o n d o m i n a t e d T h e p a r a m e t e r s d e t e r m i n e d f r o m s i m u l a t i o n f o r b o t h t h e f i r s t a n d s e c o n d r e g i o n s t h a t m a t c h e d t h e c o m p l e t e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e a r e g i v e n i n t a b l e s 5 8 5 9 a n d 5 1 0 T a b l e 5 8 : S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r C o m p l e t e M a t c h o f S R C a r r i e r S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y ( c m s 1 ) E l e c t r o n 1 e 2 H o l e 1 e 2 T a b l e 5 9 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r t h e F i r s t R e g i o n ( 0 0 5 ) m C a r r i e r M o b i l i t y ( c m 2 / V s ) L i f e t i m e ( s e c ) E l e c t r o n 1 5 e 1 0 H o l e 0 0 1 5 e 1 0 T a b l e 5 1 0 : B u l k R e c o m b i n a t i o n P a r a m e t e r s f o r t h e S e c o n d R e g i o n ( 0 5 3 0 0 ) m C a r r i e r M o b i l i t y ( c m 2 / V s ) L i f e t i m e ( s e c ) E l e c t r o n 3 5 4 e 7 H o l e 0 1 6 e 8

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4 8 F i g u r e 5 1 1 : C o m p l e t e M a t c h o f S p e c t r a l R e s p o n s e T h e s p e c t r a l r e s p o n s e p l o t s w i t h t h e s e t o f p a r a m e t e r s g i v e n i n t a b l e s 5 8 5 9 a n d 5 1 0 f o r v a r i o u s w i d t h s o f t h e f i r s t r e g i o n a r e s h o w n i n f i g u r e 5 1 2 F i g u r e 5 1 2 : S p e c t r a l R e s p o n s e P l o t s V s W i d t h s o f t h e F i r s t R e g i o n F i g u r e 5 1 2 s h o w s t h e s i m u l a t e d S R s f o r v a r i o u s w i d t h s o f t h e f i r s t r e g i o n 0 1 m 0 3 m 0 5 m a n d 0 7 m I t i s e v i d e n t f r o m f i g u r e 5 1 2 t h a t t h e f i r s t r e g i o n o f 0 5 m i n t h e t w o r e g i o n m o d e l e x a c t l y m a t c h e s t h e c o m p l e t e m e a s u r e d r e s p o n s e V a r i o u s w i d t h s o f f i r s t r e g i o n i n m 0 1 0 3 0 5 0 7 S i m u l a t e d m e a s u r e d r e s p o n s e

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4 9 I n s o m e o f t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e s f r o m f i g u r e 5 3 ( b ) t h e b l u e s p e c t r a l r e s p o n s e w a s f l a t a n d z e r o S i m u l a t e d r e s p o n s e s m a t c h e d t h o s e m e a s u r e d r e s p o n s e s w h e n s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s o f e l e c t r o n s a n d h o l e s w e r e v a r i e d i n t h e t w o r e g i o n m o d e l F i g u r e 5 1 3 : Q E V s f o r E l e c t r o n S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f 1 e 7 a n d 1 e 2 C m s 1 F i g u r e 5 1 4 : Q E V s f o r H o l e S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n V e l o c i t y o f 1 a n d 1 e 2 C m s 1 1 e 2 1 e 7 1 e 2 1

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5 0 F r o m f i g u r e 5 1 3 a h i g h e r s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r e l e c t r o n s o f 1 e 7 c m s 1 m a k e s t h e b l u e r e s p o n s e f l a t a n d a l m o s t z e r o F r o m f i g u r e 5 1 4 a l o w e r s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r h o l e s o f 1 c m s 1 m a k e s t h e b l u e r e s p o n s e f l a t a n d a l m o s t z e r o T h e p h y s i c s b e h i n d t h e s e b l u e r e s p o n s e s w a s e x p l a i n e d e a r l i e r i n s e c t i o n 5 6 H e n c e t h e t w o r e g i o n m o d e l d e v e l o p e d i n M E D I C I T M w a s a b l e t o e x p l a i n m o s t o f t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e s o f c u r r e n t H g I 2 t h i n f i l m s H o w e v e r t h e r e w e r e a f e w d r a w b a c k s o f t h i s m o d e l T h e d r a w b a c k s a r e e x p l a i n e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n 5 8 D r a w b a c k s o f t h e T w o r e g i o n M o d e l T h e r e w e r e t w o m a i n d r a w b a c k s o f t h e t w o r e g i o n m o d e l 1 I n c o m p l e t e m a t c h i n b l u e s p e c t r a l r e s p o n s e 2 I n c o m p l e t e m a t c h o f l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s 5 8 1 I n c o m p l e t e M a t c h i n B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e S o m e o f t h e m e a s u r e d b l u e s p e c t r a l r e s p o n s e s o f m e r c u r i c i o d i d e t h i n f i l m s w e r e v e r y h i g h a s s h o w n i n f i g u r e 5 3 ( a ) S i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e s w i t h t h e t w o r e g i o n m o d e l f a i l e d t o m a t c h s u c h h i g h e r b l u e r e s p o n s e s T h o u g h t h e h i g h e s t r e a s o n a b l e v a l u e s o f s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r h o l e s o f 1 e 6 c m s 1 a n d t h e l o w e s t r e a s o n a b l e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r e l e c t r o n s o f 0 1 c m s 1 w e r e p i c k e d t h e s i m u l a t e d b l u e r e s p o n s e d i d i n c r e a s e a s w a s e x p e c t e d b u t w a s n o t h i g h e n o u g h t o m a t c h t h e m e a s u r e d r e s p o n s e o f f i g u r e 5 3 ( a ) T h e p l o t s a r e s h o w n i n f i g u r e 5 1 5

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5 1 F i g u r e 5 1 5 : Q E P l o t s f o r S i m u l a t i o n V s M e a s u r e m e n t S h o w i n g L i m i t a t i o n s i n B l u e S p e c t r a l R e s p o n s e A s t h e r e w a s c o n s i d e r a b l e i n s t a b i l i t y i n t h e m e a s u r e d p h o t o c u r r e n t s t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e m a y n o t b e a c c u r a t e o r t h e m o d e l d e v e l o p e d i n t h i s e f f o r t m i g h t b e i n c o m p l e t e t o e x p l a i n s u c h h i g h e r b l u e r e s p o n s e s 5 8 2 I n c o m p l e t e M a t c h o f L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s T h e p e a k o f t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e s f o r m o s t o f t h e c u r r e n t M e r c u r i c I o d i d e t h i n f i l m s a m p l e s i s a t 5 7 0 n m W h e n t h e t w o r e g i o n m o d e l w a s u s e d t o s i m u l a t e l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s a t 5 7 0 n m t h e s i m u l a t e d l i g h t I V c u r v e d i d n o t m a t c h c o m p l e t e l y t h e m e a s u r e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s T h e m i s m a t c h e s o b s e r v e d i n t h e m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d c u r v e s a r e s h o w n i n f i g u r e 5 1 6 T h e i n c i d e n t p h o t o n f l u x l e v e l s f o r 4 0 0 5 0 0 & 5 7 0 n m a r e g i v e n i n t a b l e 5 1 1 T h e r e w a s c o n s i d e r a b l e s a t u r a t i o n o f p h o t o c u r r e n t f o r p o s i t i v e a p p l i e d b i a s e s i n m e a s u r e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s S i m u l a t i o n s f a i l e d t o o b t a i n s u c h s a t u r a t i o n i n p h o t o c u r r e n t s M e a s u r e d r e s p o n s e S i m u l a t e d r e s p o n s e

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5 2 T a b l e 5 1 1 : W a v e l e n g t h s V s I n c i d e n t P h o t o n F l u x L e v e l s W a v e l e n g t h ( n m ) I n c i d e n t P h o t o n F l u x ( p h o t o n s / s e c ) 4 0 0 2 7 6 e 1 2 5 0 0 2 3 9 e 1 3 5 7 0 4 4 5 e 1 3 5 0 0 E 0 7 0 0 0 E + 0 0 5 0 0 E 0 7 1 0 0 E 0 6 1 5 0 E 0 6 2 0 0 E 0 6 2 5 0 E 0 6 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 6 0 m e a s u r e d s i m u l a t e d F i g u r e 5 1 6 : L i g h t I V C h a r a c t e r i s t i c s a t 5 7 0 n m T h e s i m u l a t e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s i n f i g u r e 5 1 6 w e r e o b t a i n e d w i t h i n p u t p a r a m e t e r s f r o m t a b l e s 5 8 5 9 & 5 1 0 F r o m f i g u r e s 5 1 3 & 5 1 4 r e s p o n s e a t 5 7 0 n m i s i n d e p e n d e n t o f t h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n p a r a m e t e r s H e n c e t h e s i m u l a t e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s i n f i g u r e 5 1 6 r e m a i n u n a l t e r e d w h e n s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s w e r e v a r i e d H o w e v e r f r o m f i g u r e s 5 1 3 & 5 1 4 b l u e r e s p o n s e w a s s e e n a s a f u n c t i o n o f s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s S i m u l a t e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s a t 4 0 0 a n d 5 0 0 n m a s a f u n c t i o n o f s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s a r e s h o w n i n f i g u r e s 5 1 7 5 1 8 5 1 9 & 5 2 0

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53 -2.00E-08 0.00E+00 2.00E-08 4.00E08 6.00E-08 8.00E08 1.00E07 1.20E07 1.40E07 1.60E07 1.80E07 -50-30-10103050 Measured Simulated Figure 5.17: Light I-V Characteristics at 400 nm for Non-Zero Blue SR -5.00E-10 0.00E+00 5.00E10 1.00E09 1.50E09 2.00E-09 2.50E09 3.00E-09 -60-40-200204060 Measured Simulated Figure 5.18: Light I-V Characteristics at 400 nm for Zero Blue SR

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54 -5.00E-08 000E+00 5.00E08 1.00E-07 1.50E07 2.00E07 2.50E-07 -60-40-200204060 Measured Simulated Figure 5.19: Light I-V Characteristics at 500 nm for Non-Zero Blue SR -1.00E-10 000E+00 1.00E10 2.00E-10 3.00E10 4.00E10 5.00E10 6.00E-10 -60-40-200204060 Measured Simulated Figure 5.20: Light I-V Characteristics at 500 nm for Zero Blue SR The simulated light I-V characteristics in figures 5.17, 5.18, 5.19 & 5.20 were obtained with input parameters from tables 5.8, 5.9& 5.10. Surface recombination velocity for holes of 1 cm/s was used to get zero blue SR, from figure 5.14. Simulated photocurrents for positive polarities in figures 5.17, 5.18, 5.19 & 5.20 were negligible

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5 5 a n d e x p e r i m e n t a l l y w e r e u n m e a s u r a b l e T h e r e w a s n o c o m p l e t e m a t c h o f m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s f o r n e g a t i v e p o l a r i t i e s i n t h e s e f i g u r e s T h e m o d e l d e v e l o p e d i n t h i s p a r t o f t h e w o r k m i g h t b e i n c o m p l e t e a s m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s d i d n o t m a t c h c o m p l e t e l y t h o u g h m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e s m a t c h e d A s t h e r e w a s c o n s i d e r a b l e i n s t a b i l i t y i n m e a s u r e d p h o t o c u r r e n t s e s p e c i a l l y i n t h e b l u e s p e c t r a l r e g i o n t h e m e a s u r e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s m a y n o t b e a c c u r a t e

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5 6 C H A P T E R 6 C O N C L U S I O N S 6 1 C o n c l u s i o n s T h i s r e s e a r c h h a s u s e d t h e c a p a b i l i t i e s o f c o m p u t e r s i m u l a t i o n t o p e r f o r m t h e m o d e l i n g o f Q E a n d I V c h a r a c t e r i s t i c s o f M e r c u r i c I o d i d e t h i n f i l m s w i t h t h e D C d e v i c e m o d e l i n g t o o l M E D I C I T M S e v e r a l p o l y c r y s t a l l i n e H g I 2 t h i n f i l m s w e r e s t u d i e d a s p a r t o f t h i s e f f o r t M o b i l i t i e s l i f e t i m e s f o r c a r r i e r s a r e k n o w n f o r s i n g l e c r y s t a l s a n d c a n b e o b t a i n e d f r o m t h e l i t e r a t u r e I n t h e c a s e o f p o l y c r y s t a l l i n e f i l m s t h e s e p a r a m e t e r s a r e s t r o n g l y d e p e n d e n t o n t h e p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s a n d t h u s a r e y e t u n k n o w n B y c o m p a r i n g t h e s i m u l a t e d a n d m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e s w e h a v e o b t a i n e d t h e s e p a r a m e t e r s T h e v a l u e s f o r i n p u t p a r a m e t e r s u s e d i n s i m u l a t i o n w e r e c h o s e n f r o m t h e l i t e r a t u r e t h e o r y a n d r e a s o n a b l e e s t i m a t e s C o m p r e h e n s i v e s t u d i e s w e r e p e r f o r m e d t o i n v e s t i g a t e t h e s e n s i t i v i t y o f S p e c t r a l R e s p o n s e a n d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s t o e a c h i n p u t p a r a m e t e r R e c o m b i n a t i o n w i t h i n t h e b u l k a n d a t t h e s u r f a c e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d i n t h i s t h e s i s B l u e s p e c t r a l r e s p o n s e w a s o f m a i n c o n c e r n i n t h i s p a r t o f t h e r e s e a r c h A S i n g l e h o m o g e n e o u s r e g i o n w i t h a l l p o s s i b l e c o m b i n a t i o n s o f c a r r i e r m o b i l i t i e s s u r f a c e a n d b u l k r e c o m b i n a t i o n p a r a m e t e r s d i d n o t m a t c h c o m p l e t e l y t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e T o h a v e c o m p l e t e m a t c h o f m e a s u r e d a n d s i m u l a t e d s p e c t r a l r e s p o n s e s s i m u l a t i o n s s u g g e s t e d a t w o r e g i o n m o d e l f o r M e r c u r i c I o d i d e t h i n f i l m s o f 3 0 0 m t h i c k n e s s T h e

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5 7 f i r s t r e g i o n e x t e n d s 0 5 m f r o m S n O 2 a n d t h e s e c o n d r e g i o n i s 2 9 9 5 m t h i c k E a c h r e g i o n h a s d i f f e r e n t s e t s o f m o b i l i t i e s a n d b u l k l i f e t i m e s f o r b o t h c a r r i e r s F o r c o m p l e t e m a t c h o f s o m e o f t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e s t h e d e t e r m i n e d v a l u e s f o r t h e f i r s t r e g i o n a r e b u l k l i f e t i m e s o f 5 e 1 0 s f o r b o t h c a r r i e r s m o b i l i t y o f 1 c m 2 / V s f o r e l e c t r o n s a n d 0 0 1 c m 2 / V s f o r h o l e s F o r t h e s e c o n d r e g i o n t h e v a l u e s a r e b u l k l i f e t i m e o f 4 e 7 s f o r e l e c t r o n s a n d 6 e 8 s f o r h o l e s m o b i l i t y o f 3 c m 2 / V s f o r e l e c t r o n s a n d 0 1 c m 2 / V s f o r h o l e s T h e r e w e r e t w o e x t r e m e s o f m e a s u r e d b l u e r e s p o n s e a c o n s i d e r a b l e b l u e r e s p o n s e ( f i g u r e 5 3 ( c ) ) a n d a z e r o b l u e r e s p o n s e ( f i g u r e 5 3 ( b ) ) T h e t w o r e g i o n m o d e l e x p l a i n e d b o t h t h e s e k i n d s o f b l u e r e s p o n s e s T h e b l u e r e s p o n s e w a s f o u n d t o b e a f u n c t i o n o f s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s o f e l e c t r o n s a n d h o l e s f o r a g i v e n s e t o f m o b i l i t i e s a n d b u l k l i f e t i m e s o f t h e c a r r i e r s A S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y a t t h e f r o n t c o n t a c t o f 1 0 0 c m s 1 f o r b o t h e l e c t r o n s a n d h o l e s w a s d e t e r m i n e d f r o m s i m u l a t i o n t o b e n e e d e d f o r c o n s i d e r a b l e b l u e s p e c t r a l r e s p o n s e A S u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y o f 1 c m s 1 f o r h o l e s o r 1 e 7 c m s 1 f o r e l e c t r o n s w a s d e t e r m i n e d f r o m s i m u l a t i o n t o o b t a i n z e r o b l u e s p e c t r a l r e s p o n s e S i m u l a t i o n s f a i l e d t o m a t c h s o m e o f t h e v e r y h i g h m e a s u r e d b l u e r e s p o n s e s a s i l l u s t r a t e d i n s e c t i o n 5 8 S i m u l a t e d l i g h t I V c h a r a c t e r i s t i c s d i d n o t m a t c h c o m p l e t e l y t h e m e a s u r e d o n e s T h e m o d e l d e v e l o p e d t o t h e l e v e l a t t a i n e d h e r e m a y r e q u i r e a d d i t i o n a l f e a t u r e s f o r M e r c u r i c I o d i d e t h i n f i l m s M o r e c a r e f u l m e a s u r e m e n t o f I V c u r v e s i s a l s o w a r r a n t e d t o a c c o u n t f o r t i m e v a r i a t i o n s 6 2 F u t u r e W o r k T h i s r e s e a r c h s e r v e s a s a m a j o r s t e p t o w a r d s d e v i c e m o d e l i n g o f s p e c t r a l r e s p o n s e a n d I V c h a r a c t e r i s t i c s o f M e r c u r i c I o d i d e t h i n f i l m s W e h a v e b e e n s u c c e s s f u l i n

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5 8 d e t e r m i n i n g a s e t o f m o b i l i t i e s l i f e t i m e s a n d s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n v e l o c i t i e s o f c a r r i e r s t h a t c a n m a t c h s o m e o f t h e m e a s u r e d s p e c t r a l r e s p o n s e s o f c u r r e n t M e r c u r i c I o d i d e t h i n f i l m s A s t h e r e i s i n s t a b i l i t y i n t h e p h o t o r e s p o n s e t h e f o l l o w i n g s u g g e s t i o n s a r e m a d e t o i m p r o v e t h e i n t e g r i t y o f t h e e x p e r i m e n t a l d a t a S p e c t r a l r e s p o n s e c a n b e d o n e a s a f u n c t i o n o f t h e t i m e e l a p s e d b e t w e e n t w o i n c i d e n t w a v e l e n g t h s d u r i n g m e a s u r e m e n t T h e y c a n a l s o b e d o n e a s f u n c t i o n o f i n c i d e n t p h o t o n f l u x l e v e l s T h e s e m e a s u r e m e n t s m i g h t h e l p g a i n i n s i g h t s i n t o t h e s h o r t c o m i n g s o b s e r v e d i n s i m u l a t i o n I f b e t t e r f i t t o e x p e r i m e n t i s n o t a t t a i n e d o n c e t h e e x p e r i m e n t a l d a t a i s i m p r o v e d t h e n a m o r e c o m p l e x m o d e l o f t h e m a t e r i a l w i l l b e n e e d e d f o r s i m u l a t i o n

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5 9 R E F E R E N C E S 1 w w w p u b l i c a s u e d u / ~ n t a o 1 / E C E 3 5 2 / E C E 0 4 1 1 p p t 2 W S h o c k l e y P h y s R e v V o l 5 6 p p 3 1 7 3 2 5 A u g 1 9 3 5 3 R H K i n g s t o n ( e d ) ” S e m i c o n d u c t o r s u r f a c e p h y s i c s ” U n i v e r s i t y o f P e n n s y l v a n i a p r e s s 1 9 5 6 4 M I t o O W a d a I E E E J o u r n a l o f Q u a n t u m e l e c t r o n V o l 2 2 p p 1 0 7 3 1 9 8 6 5 S M R y v k i n p h o t o e l e c t r i c e f f e c t s i n s e m i c o n d u c t o r s c o n s u l t a n t s B u r e a u N e w Y o r k 1 9 6 4 6 S e m i c o n d u c t o r s f o r r o o m t e m p e r a t u r e n u c l e a r d e t e c t o r a p p l i c a t i o n s V o l 4 3 7 D V C h e p u r N a u k P o v i d o m l e n i j a u n i v e r s i t y 1 ( 1 9 5 6 ) 3 0 8 W R W i l i g N u c l I n s t r u m e n t s m e t h o d s i n p h y s R e s 9 6 ( 1 9 7 1 ) 6 1 5 9 P F B e r r y a n d G R V o o t s o n s i t e v e r i f i c a t i o n o f a l l o y m a t e r i a l s w i t h a n e w f i e l d p o r t a b l e X R F a n a l y z e r b a s e d o n a h i g h r e s o l u t i o n H G I 2 s e m i c o n d u c t o r x r a y d e t e c t o r i n t h e p r o c e e d i n g s o f t h e 1 2 t h w o r l d c o n f e r e n c e o n N o n D e s t r u c t i v e t e s t i n g A m s t e r d a m T h e N e t h e r l a n d s A p r i l 1 9 8 9 p p 7 3 7 7 4 2 1 0 C h a r a c t e r i z a t i o n o f s i n g l e c r y s t a l m e r c u r i c i o d i d e N u c l e a r I n s t r u m e n t s a n d M e t h o d s i n P h y s i c s R e s e a r c h S e c t i o n A : A c c e l e r a t o r s S p e c t r o m e t e r s D e t e c t o r s a n d A s s o c i a t e d E q u i p m e n t V o l u m e 5 1 7 I s s u e s 1 3 2 1 J a n u a r y 2 0 0 4 P a g e s 2 2 6 2 2 9 D A l e x i e v N D y t l e w s k i M I R e i n h a r d 1 1 C u r r e n t i n s t a b i l i t y i n m e r c u r i c i o d i d e d e v i c e s S o l i d S t a t e E l e c t r o n i c s V o l u m e 4 4 I s s u e 1 J a n u a r y 2 0 0 0 P a g e s 2 9 3 5 J P P o n p o n R S t u c k a n d M A m a n n 1 2 M S c h i e b e r W F S c h n e p p l e a n d L v a n D e n B e r g J c r y s t a l g r o w t h 3 3 ( 1 9 7 6 ) 1 2 5 1 3 D S M c G r e g o r e t a l ” R o o m t e m p e r a t u r e s e m i c o n d u c t o r r a d i a t i o n d e t e c t o r s ”

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6 0 1 4 M P i e c h o t k a “ M e r c u r i c I o d i d e f o r r o o m t e m p e r a t u r e r a d i a t i o n d e t e c t o r s S y n t h e s i s p u r i f i c a t i o n c r y s t a l g r o w t h a n d d e f e c t f o r m a t i o n ” M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g 1 8 I 9 8 E l s e v i e r S c i e n c e S A 1 9 9 7 1 5 C h a r a c t e r i z a t i o n o f c a r r i e r g e n e r a t i o n a n d t r a n s p o r t m e c h a n i s m s i n s i n g l e c r y s t a l a n d t h i n f i l m H g I 2 U K h a d i l k a r R M a m a z z a a C S F e r e k i d e s D L M o r e l R D e V i t o J S a n d o v a l a n d L v a n d e n B e r g T h i n S o l i d F i l m s V o l 4 2 7 I s s u e s 1 2 3 M a r c h 2 0 0 3 P a g e s 3 8 1 3 8 5 1 6 w w w e c e u m d e d u / ~ d a v i s / c h a p t e r 2 2 p d f 1 7 A L e v i M S c h i e b e r Z B u r s h t e i n “ C a r r i e r s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n i n H g I 2 p h o t o n d e t e c t o r s ” J A p p l P h y s v o l 5 4 p p 2 4 7 2 2 4 7 6 1 9 8 3 1 8 “ N e a r s i n g l e c r y s t a l e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f p o l y c r y s t a l l i n e H g I 2 p r o d u c e d b y p h y s i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ” A Z u c k M S c h i e b e r O K h a k h a n a n d Z B u r s h t e i n P r o c o f t h e I E E E N u c l e a r S c i e n c e S y m p o s i u m C o n f e r e n c e I 5 0 5 ( 2 0 0 2 ) 1 9 h t t p : / / o r e g o n s t a t e e d u / d e p t / n c h e m / t e x t b o o k / c h a p t e r 1 7 p d f 2 0 h t t p : / / u s e r p a g e s u m b c e d u / ~ r c z e b o 1 / r e s e a r c h / c h 1 p d f 2 1 A R o s e P h y s R e v 9 7 ( 1 9 5 5 ) 1 5 3 8 2 2 M A L a m p e r t P h y s R e v 1 0 3 ( 1 9 5 6 ) 1 6 4 8 2 3 N E l K a d r y A A s h o u r S A M a h m o u d “ S t r u c t u r a l d e p e n d e n c e o f D C e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f p h y s i c a l l y d e p o s i t e d C d T e t h i n f i l m s ” T h i n S o l i d F i l m s 2 6 9 ( 1 9 9 5 ) 1 1 2 1 1 6 2 4 J S B l a k e m o r e S e m i c o n d u c t o r S t a t i s t i c s I n t e r n a t i o n a l S e r i e s o f M o n o g r a p h s o n S e m i c o n d u c t o r s V o l 3 P e r g a m o n P r e s s O x f o r d ( 1 9 6 2 ) 2 5 D K S c h r o d e r S e m i c o n d u c t o r M a t e r i a l a n d D e v i c e C h a r a c t e r i z a t i o n 2 n d e d i t i o n : J o h n W i l e y a n d S o n s ( 1 9 9 8 ) 2 6 W S h o c k l e y a n d W T R e a d “ S t a t i s t i c s o f t h e R e c o m b i n a t i o n s o f H o l e s a n d E l e c t r o n s ” P h y s R e v 8 7 p p 8 3 5 8 4 2 ( 1 9 5 2 ) 2 7 R N H a l l “ E l e c t r o n H o l e R e c o m b i n a t i o n i n G e r m a n i u m ” P h y s R e v 8 7 p p 3 8 7 ( 1 9 5 2 )

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6 1 2 8 R H a c k e r a n d A H a n g l e i t e r “ I n t r i n s i c u p p e r l i m i t s o f t h e c a r r i e r l i f e t i m e i n s i l i c o n ” J A p p l i e d P h y s 7 5 ( 1 1 ) p p 7 5 7 0 7 5 7 2 ( 1 9 9 4 ) 2 9 H S c h l a n g e n o t t o H M a e d e r a n d W G e r l a c h “ T e m p e r a t u r e D e p e n d e n c e o f t h e r a d i a t i v e R e c o m b i n a t i o n C o e f f i c i e n t i n S i l i c o n ” P h y s i c a S t a t u s S o l i d i 2 1 a p p 3 5 7 3 6 7 ( 1 9 7 4 ) 3 0 H a n g l e i t e r a n d R H a c k e r “ E n h a n c e m e n t o f B a n d t o B a n d A u g e r R e c o m b i n a t i o n b y e l e c t r o n H o l e C o r r e l a t i o n s ” P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s 6 5 ( 2 ) p p 2 1 5 2 1 8 ( 1 9 9 0 ) 3 1 R F P i e r r e t A d v a n c e d S e m i c o n d u c t o r F u n d a m e n t a l s v o l V I : A d d i s o n W e s l e y ( 1 9 8 9 ) 3 2 G A b e r l e S W G l u n z a n d W W a r t a “ I m p a c t o f i l l u m i n a t i o n l e v e l a n d o x i d e p a r a m e t e r s o n S h o c k l e y R e a d H a l l r e c o m b i n a t i o n a t t h e S i S i O 2 i n t e r f a c e ” J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s 7 1 ( 9 ) p p 4 4 2 2 4 4 3 1 ( 1 9 9 2 ) 3 3 E R i m i n i J H a s k e l l a n d J W M a y e r A p p l P h y s L e t t 2 0 2 3 7 ( 1 9 7 2 ) 3 4 G M a s e t t i M S e v e r i a n d S S o l m i I E E E T r a n s E l e c t r o n D e v i c e s E D 3 0 7 6 4 ( 1 9 8 3 ) 3 5 E Y a b l o n o v i t c h R M S w a n s o n W D E a d e s a n d B R W e i n b e r g e r A p p l P h y s L e t t 4 8 2 4 5 ( 1 9 8 5 ) 3 6 T O t a r e d i a n “ T h e i n f l u e n c e o f t h e s u r f a c e a n d o x i d e c h a r g e o n t h e s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n p r o c e s s ” S o l i d S t a t e E l e c t r o n v o l 3 6 p p 9 0 5 – 9 1 5 J u n e 1 9 9 3 3 7 D a v i d S L M u i L A C o l d r e n ” E f f e c t s o f s u r f a c e r e c o m b i n a t i o n o n c a r r i e r d i s t r i b u t i o n s a n d d e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s “ J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s 7 8 p p 3 2 0 8 3 2 1 5 ( 1 9 9 5 ) 3 8 U n m e s h K h a d i l k a r ” M o d e l i n g a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f p o l y c r y s t a l l i n e m e r c u r i c I o d i d e R a d i a t i o n d e t e c t o r s ” M a s t e r ’ s T h e s i s U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a 2 0 0 3 3 9 Y a o H J o h s B a n d J a m e s R B 1 9 9 4 “ s e m i c o n d u c t o r s f o r r o o m t e m p e r a t u r e n u c l e a r d e t e c t o r a p p l i c a t i o n s ” s e m i c o n d u c t o r a n d s e m i m e t a l s V o l 4 3

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6 2 4 0 M E D I C I 2 D S e m i c o n d u c t o r d e v i c e s i m u l a t o r v e r 4 3 A v a n t C o r p P a l o A l t o C A 1 9 9 9 4 1 h t t p : / / w w w p s u e d u / d e p t / A M P S /

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6 3 A P P E N D I C E S

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6 4 A p p e n d i x I M E D I C I T M A s a m p l e p r o g r a m w i t h c o m m e n t s i s g i v e n b e l o w : $ A p r o g r a m t o s i m u l a t e s p e c t r a l r e s p o n s e p l o t t h e r e s u l t s T I T L E H g I 2 $ M E S H M E S H $ M e s h i n X d i r e c t i o n X M E S H W I D T H = 3 0 0 H 1 = 1 5 $ M e s h i n Y d i r e c t i o n $ f i n e g r i d f o r ( 0 3 0 ) m a s m o s t o f t h e l i g h t i s a b s o r b e d w i t h i n 3 0 m Y M E S H Y M I N = 0 Y M A X = 0 1 H 1 = 0 0 0 1 Y M E S H Y M I N = 0 1 Y M A X = 1 H 1 = 0 0 0 3 Y M E S H Y M I N = 1 Y M A X = 3 0 H 1 = 0 5 $ F i n e g r i d a s t h e r e i s n o a b s o r p t i o n b e y o n d 3 0 m Y M E S H Y M I N = 3 0 Y M A X = 2 9 9 H 1 = 5 0 $ F i n e g r i d t o t a k e i n t o a c c o u n t o f b a c k s u r f a c e e f f e c t s Y M E S H Y M I N = 2 9 9 Y M A X = 3 0 0 H 1 = 0 1 $ D e f i n i t i o n o f r e g i o n a s s e m i c o n d u c t o r R E G I O N N A M E = H G I 2 1 Y M I N = 0 Y M A X = 0 5 S E M I C O N D R E G I O N N A M E = H G I 2 2 Y M I N = 0 5 Y M A X = 3 0 0 S E M I C O N D $ L o c a t i o n o f e l e c t r o d e s E L E C T R O D E N A M E = F R O N T C O N T A C T T O P E L E C T R O D E N A M E = B A C K C O N T A C T B O T T O M

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6 5 A p p e n d i x I ( C o n t i n u e d ) $ C o n t a c t p r o p e r t i e s C O N T A C T N A M E = F R O N T C O N T A C T W O R K F U N C = 4 8 $ S u r f a c e R e c o m b i n a t i o n v e l o c i t y f o r e l e c t r o n a n d h o l e + S U R F R E C V S U R F N = 1 E 3 V S U R F P = 5 0 $ F r o n t c o n t a c t i s m a d e 1 0 0 % t r a n s p a r e n t + T R A N S E L E C O N T A C T N A M E = B A C K C O N T A C T W O R K F U N C = 4 8 S U R F R E C $ L o w e r v a l u e s w e r e p i c k e d a s t h e r e w e r e c o n v e r g e n c e p r o b l e m s f o r v a l u e o f z e r o $ B a c k c o n t a c t i s m a d e 1 0 0 % o p a q u e + V S U R F N = 1 E 2 V S U R F P = 1 E 2 $ S e m i c o n d u c t o r M a t e r i a l p r o p e r t i e s M A T E R I A L R E G I O N = ( H G I 2 1 H G I 2 2 ) P E R M I T T I = 1 1 A F F I N I T Y = 4 E G 3 0 0 = 2 1 3 + N C 3 0 0 = 2 0 E 1 9 N V 3 0 0 = 2 0 E 1 9 $ O p t i c a l p r o p e r t i e s l i k e R e f r a c t i v e I n d e x A b s o r p t i o n c o n s t a n t s M A T E R I A L R E G I O N = ( H G I 2 1 H G I 2 2 ) W A V E R E = ( 0 4 0 7 ) I N D E X R E = ( 2 8 2 8 ) M A T E R I A L R E G I O N = ( H G I 2 1 H G I 2 2 ) A B S F I L E = a b 8 F I R S T L A S T $ M o b i l i t y v a l u e s f o r d i f f e r e n t r e g i o n s M O B I L I T Y R E G I O N = H G I 2 1 M U N 0 = 1 M U P 0 = 0 0 1 M O B I L I T Y R E G I O N = H G I 2 2 M U N 0 = 3 5 M U P 0 = 0 1 $ ’ S p a t i a l l y a n d e n e r g e t i c a l l y u n i f o r m t r a p s a c t i n g a s R e c o m b i n a t i o n c e n t e r s p l a c e d i n $ m i d e n e r g y g a p ’ l i f e t i m e f o r b o t h c a r r i e r s i s g i v e n a s i n p u t T R A P S T A U N = 5 e 1 0 T A U P = 5 E 1 0 C O N D = ” ( @ Y > 0 0 ) & ( Y < 0 5 ) ”

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6 6 A p p e n d i x I ( C o n t i n u e d ) $ ’ S p a t i a l l y a n d e n e r g e t i c a l l y u n i f o r m t r a p s a c t i n g a s R e c o m b i n a t i o n c e n t e r s p l a c e d i n m i d e n e r g y g a p ’ l i f e t i m e f o r b o t h c a r r i e r s i s g i v e n a s i n p u t T R A P S T A U N = 4 e 7 T A U P = 6 E 8 C O N D = ” ( @ Y > 0 5 ) & ( Y < 3 0 0 ) ” $ F e r m i d i r a c S t a t i s t i c s M O D E L S F E R M I D I R R E G I O N = ( H G I 2 1 H G I 2 2 ) $ S p e c t r a l R e s p o n s e a t b i a s S O L V E V ( B A C K C O N T A C T ) = 0 E L E C = B A C K C O N T A C T S O L V E V ( F R O N T C O N T A C T ) = 5 0 E L E C = F R O N T C O N T A C T $ R a y T r a c i n g i s d o n e f o r w a v e l e n g t h s f r o m 4 0 0 t o 6 4 0 n m w i t h a r e s o l u t i o n o f 1 0 n m o p t i c a l s o u r c e i s B l a c k B o d y r a d i a t i o n a t 5 8 0 0 K P H O T O G E N R A Y T R A C E B B R A D I B B T E M P = 5 8 0 0 W A V E S T = 0 3 9 5 + W A V E E N D = 0 6 4 5 W A V E N U M = 2 5 X O R G = 1 5 0 Y O R G = 5 $ S t o r e t h e s o l u t i o n i n a l o g f i l e w h i c h c a n b e r e a d l a t e r + L O G O U T F I L E = S U R F I V L $ S o l v e a t e a c h w a v e l e n g t h L O O P S T E P S = 2 5 S O L V E W A V E = 1 : 1 L E N D $ E n d o f t h e P r o g r a m E N D $ T o s o l v e a t o n e w a v e l e n g t h S O L V E W A V E = 1

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6 7 A p p e n d i x I ( C o n t i n u e d ) $ s o l u t i o n i s s a v e d a s T I F F i l e a n d c a n b e r e a d t o p l o t e l e c t r i c f i e l d b a n d d i a g r a m $ e l e c t r o n a n d H o l e c o n c e n t r a t i o n S A V E O U T F I L E = 5 8 0 0 S O L 1 T I F $ c o d e t o r e a d t h e s o l u t i o n f i l e s t o p l o t s e v e r a l d a t a i n s i n g l e g r a p h L O A D I N F I L E = 5 8 0 0 S O L 1 T I F $ 1 D p l o t o f E l e c t r i c F i e l d a l o n g Y d i r e c t i o n P L O T 1 D E F I E L D X S T = 0 X E N D = 0 Y S T = 0 Y E N D = 3 0 0 $ C o d e t o p l o t S p e c t r a l R e s p o n s e f r o m d i f f e r e n t L O G f i l e s i n s i n g l e g r a p h P L O T 1 D I N F I L E = F I L E N A M E 1 X A X I S = W A Y A X I S = C E ( B A C K C O N T A C T ) P L O T 1 D I N F I L E = F I L E N A M E 2 X A X I S = W A Y A X I S = C E ( B A C K C O N T A C T ) $ T o p l o t o n t h e s a m e g r a p h + U N C H $ C o d e t o p l o t I V f r o m L O G F i l e P L O T 1 D I N F I L E = F I L E N A M E 1 X A X I S = V ( F R O N T C O N T A C T ) Y A X I S = I ( B A C K C O N T A C T ) $ T o p l o t p o s i t i v e a n d n e g a t i v e c u r r e n t s f o r b o t h b i a s e s i n o n e g r a p h a b s o l u t e s c a l e f o r c u r r e n t s i s u s e d + A B S $ I n i t i a l b i a s p o i n t a t 5 0 V S O L V E V ( B A C K C O N T A C T ) = 0 E L E C = B A C K C O N T A C T S O L V E V ( F R O N T C O N T A C T ) = 5 0 E L E C = F R O N T C O N T A C T $ C o d e t o s i m u l a t e I V f r o m 5 0 t o + 5 0 V i n s t e p s o f 1 V

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6 8 A p p e n d i x I ( C o n t i n u e d ) P H O T O G E N R A Y T R A C E X O R G = 1 5 0 Y O R G = 5 W A V E L E N G = 0 5 7 F L U X = 1 E 1 5 S O L V E E L E C = F R O N T C O N T A C T V S T E P = 1 N S T E P = 1 0 0


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1 100
Rupavatharam, Vikram.
0 245
Modeling of QE, I-V characteristics of MSM (Metal-Semiconductor-Metal) mercuric iodide thin films with MEDICI ™
h [electronic resource] / by Vikram Rupavatharam.
260
[Tampa, Fla.] :
University of South Florida,
2004.
502
Thesis (M.S.E.E.)--University of South Florida, 2004.
504
Includes bibliographical references.
516
Text (Electronic thesis) in PDF format.
538
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500
Title from PDF of title page.
Document formatted into pages; contains 78 pages.
520
ABSTRACT: Mercuric Iodide is the most promising of all semiconductor materials currently under investigation for use as radiation detectors at room temperature. While substantial studies have been conducted on single crystal HgI, polycrystalline HgI remains a comparatively less studied form. The HgI films are deposited on TEC-15 LOF glass with a Tin Oxide (SnO) coating which acts as the growth surface and front contact. The back contact, Palladium (Pd), is deposited by sputtering through a shadow mask. The films are circular in shape with an approximate diameter of 2.5 cm and thicknesses ranging from 50-600 micro m. The film has seven contact points defined by Pd electrodes for spectral response(SR) and I-V measurements. Measurements were done on the film with a visible light source. Numerical modeling helps us understand device properties and processes that take place in operation of the device.The focus of this work was to identify loss mechanisms in photoresponse, reveal fundamental device properties, and develop a quantitative device model for MSM HgI thin films using the DC Device modeling simulation tool MEDICI ™. The values for input parameters were chosen from literatutheory and reasonable estimates. Comprehensive studies were performed to investigate the sensitivity of SR and light I-V characteristics to each input parameter. Surface&Bulk recombinations have been investigated in this thesis. A Single, homogeneous region with all possible combinations of carrier mobilities, surface and bulk recombination parameters was not able to explain completely the measured SR. A Two-region model with the first region (0-0.5) μ m being surface&bulk recombination dominated, and the second (0.5-300) μ m bulk recombination dominated, was able to match the complete measured SR of current devices.The key parameters determined from the simulations are the mobilities, bulk lifetimes and surface-recombination velocities at the front contact for both carriers. These are consistent with expectations based upon known single crystal properties
590
Adviser: Morel, Don L.
653
parameter extraction.
bulk recombination.
surface recombination.
photoconductors.
HgI.
690
Dissertations, Academic
z USF
x Electrical Engineering
Masters.
773
t USF Electronic Theses and Dissertations.
949
FTS
SFERS
ETD
TK145 (ONLINE)
nkt 1/14/05
4 856
u http://digital.lib.usf.edu/?e14.519