Tartışma, Sonuç ve Öneriler

de ópticos de imagem, mas a caracterização destes só fica completa com uma análise do seu comportamento transiente. Nas secções seguintes avaliaremos as características capacitivas e transientes dos sensores de imagem baseados em a-Si:H, que se revestem de especial importância para aplicações em tempo real dos referidos sensores.

Desta forma são especialmente importantes duas situações. A primeira relativa ao regime transiente que se estabelece quando se alteram as condições de iluminação. Adicionalmente é também importante estudar o regime que se estabelece quando a tensão de polarização do sensor é alterada. Esta técnica tem especial interesse na resposta selectiva à cor, onde podem ser realizados vários varrimentos sob diferentes polarizações eléctricas, por forma a reconstruir a imagem de cor a partir de três imagens monocromáticas.

Antes de iniciarmos a análise dos dados relativos às estruturas em causa é importante identificar algumas características transientes fundamentais relacionadas com as estruturas p-

i-n, com base em numerosos resultados publicados.

Um dos processos mais importantes que influenciam as características transientes dos dispositivos baseados em a-Si:H prende-se com o facto de alguns dos portadores gerados por

absorção de fotões com energias superiores à energia do hiato serem aprisionados ou se recombinarem através de estados de energia localizados.

Um fenómeno observado nos fotodíodos de a-Si:H (ex. Schottky ou p-i-n) é o facto de após se iluminar o dispositivo a corrente não aumentar imediatamente para o seu valor estacionário, mas sim de uma forma gradual com uma taxa de subida finita que pode variar, de acordo com as condições de operação, de alguns µs até a alguns segundos. Este comportamento pode ser atribuído ao facto de os portadores fotogerados ocuparem primeiro os estados profundos e os estados do hiato e portanto não estão disponíveis para o transporte de corrente. Depois de se extinguir a iluminação, estes portadores voltam novamente para os estados extensos por emissão térmica, onde são acelerados pelo campo eléctrico existente e eventualmente colectados, pelo que a corrente se mantém durante mais algum tempo. Por integração do transiente que se estabelece quando se inicia e se interrompe o fluxo luminoso é possível demonstrar que a quantidade de carga envolvida em ambas as situações é igual e esta pode ser identificada com a carga armadilhada nos estados de cauda e nos defeitos profundos. O valor da corrente aumenta com o aumento da intensidade luminosa e com a sua duração, até atingir a saturação, que será certamente devida ao esgotamento dos estados localizados.

Este efeito pode ser descrito de acordo com o conceito de Multiple Trapping Model [68].

Assim a taxa de aprisionamento rt(Et) a um determinado nível de energia Et pode ser

relacionada com a densidade de estados livres correspondente a essa energia e a densidade de electrões livres n de acordo com a expressão [69]:

( )

( )

(

( )

)

onde NL representa a densidade de estados efectiva no limiar da banda de condução, Nt(Et)

representa a densidade de estados e f(Et) a função de ocupação dos estados localizados a uma

energia Et. O factor v0 é denominado de frequência de tentativa de fuga “Atempt to escape

frequency” [70] e varia entre 1011 e 1013 s-1. Desta forma ocorre um deslocamento dos quasi-

níveis de Fermi dos defeitos que é causado no caso do aumento da intensidade luminosa pela captura de portadores das bandas, que portanto não participam no transporte de corrente.

A taxa de emissão de electrões re(Et) a um determinado nível de energia Et do hiato é dada

pela seguinte equação [72]:

( )

( ) ( )

( )

Assim existe uma correlação entre a energia dos estados localizados e o tempo médio de emissão das cargas aí aprisionadas. Este processo é activado termicamente, pelo que os centros de aprisionamento mais próximos da banda de condução serão esvaziados primeiro, enquanto os mais profundos permanecem ocupados por mais tempo. A duração da emissão dos centros de aprisionamento profundos pode atingir a ordem de grandeza de 1000 s [71, 72]. Durante o processo de emissão o quasi-nível de Fermi dos defeitos para os electrões desloca- se em direcção ao centro do hiato. Os portadores emitidos para as bandas são acelerados pelo campo eléctrico interno em direcção às camadas dopadas onde são colectados, produzindo um fluxo de corrente que vai decrescendo depois de retirada a iluminação. A razão a que a corrente decresce depende consideravelmente do comprimento de difusão dos portadores, logo é influenciada pela magnitude da tensão inversa aplicada ao díodo. Para valores suficientemente elevados do campo eléctrico interno a fotocorrente decresce usualmente de forma rápida, enquanto na situação de curto-circuito ou polarização inversa ligeira é observado um prolongamento do transiente.

De acordo com as equações (2.34) e (2.35) o regime transiente é fortemente dependente da temperatura. Como está expresso nas equações (2.33) e (2.34) a densidade de estados disponíveis tem grande influência neste processo, pelo que se conclui que a densidade de defeitos e de estados de cauda afectam o regime transiente. É ainda de realçar que devido ao fenómeno de degradação induzida pela luz “Staebler Wronsky Effect”, segundo o qual a densidade de defeitos aumenta após exposição à luz, o tempo transiente tem tendência a aumentar após alguns ciclos com luz/sem luz [72]. Quando se liga a luz o preenchimento dos centros de aprisionamento com os portadores gerados pela luz processa-se de acordo com o desvio dos quasi-níveis de Fermi para os defeitos, cuja dispersão está relacionada com a intensidade da radiação absorvida. A posição dos quasi-níveis de Fermi para os defeitos indicam os níveis de energia até aos quais os portadores estão armadilhados. O transiente que se estabelece ao desligar a luz depende da distâncias dos níveis de quasi-Fermi às bandas (2.35), pelo que para altas intensidades luminosas é observado um decaimento mais abrupto do que nas situações de pequeno desvio dos mesmos.

Factores muito importantes para o comportamento transiente dos sensores são a sua estrutura e o modo de operação. Por exemplo a posição do nível de Fermi geralmente causa uma distribuição espacial não homogénea dos centros de aprisionamento ao longo da estrutura. A zona intrínseca na proximidade das camadas dopadas apresenta uma elevada densidade destes

centros, de forma que nas proximidade da camada n existem estados carregados negativamente abaixo do meio da banda, que funcionam como armadilhas interfaciais para as lacunas, enquanto na vizinhança da camada p existem estados carregados positivamente acima do meio da banda, resultando num aumento da probabilidade de aprisionamento dos electrões [73, 74]. Devido a este efeito os portadores aprisionados concentram-se maioritariamente nas vizinhanças das camadas dopadas. Este facto tem influência na distribuição interna do campo eléctrico devido à variação da densidade de carga, o que por sua vez afecta a taxa de aprisionamento e recombinação dos portadores nas zonas de baixo campo. Adicionalmente há ainda a ter em conta a direcção e a profundidade de penetração da luz, pelo que devido à distribuição espacial dos centros de aprisionamento não homogénea a contribuição para a corrente transiente que se estabelece após o desligar da luz pode ser maioritariamente dos electrões ou das lacunas. Devido aos perfis diferentes dos estados de cauda das bandas de valência (mais gradual) e de condução (mais abrupto) os regimes transientes controlados por lacunas são geralmente mais lentos que os devidos aos electrões. Deveremos de qualquer forma ter em consideração que no caso estacionário (iluminação constante) existe constantemente aprisionamento e emissão de portadores. As taxas de emissão e aprisionamento deverão estar obviamente balanceadas para que se estabeleça uma situação de equilíbrio quasi-estacionário.

A exposição anterior deixa antever que as características transientes dos dispositivos baseados em a-Si:H apresentam uma multiplicidade de dependências dos parâmetros do material ainda maior do que as estáticas, resultando num elevado grau de complexidade especialmente se aplicadas ao estudo de heteroestruturas ou dispositivos multicamada mais complexos (ex. p-i-

n-p-i-n). O contexto em que se desenvolve este trabalho impede o desenvolvimento detalhado

da teoria por detrás da resposta transiente dos sensores p-i-n, pelo que serão apenas apresentados e discutidos resultados considerados essenciais.