Диссертация (1105343), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В то же время при большем количества введеннойпримеси рост сопротивления продолжается вплоть до пределов возможностиизмерительной установки. Как правило, такой характер температурной зависимостисопротивления связывают с тем, что стабилизация уровня Ферми предполагаетналичие, переменной валентности примеси с, как минимум, двумя различнымизарядовыми состояниями. Баланс между числом примесных атомов, находящихся в томили ином зарядовом состоянии, обеспечивает возможность стабилизации уровняФерми в определенной позиции в энергетическом спектре полупроводника. В то жевремя ясно, что при небольшой концентрации примеси ее количества может не хватитьдля обеспечения стабилизации, и тогда наблюдается выход из режима стабилизации,когда уровень Ферми уже не может поддерживаться в положении, заданном составомсплава и химическим составом примесных атомов.68Энергия активации проводимости составляет Ea = 20 мэВ.
То же значениеполучается при анализе температурной зависимости концентрации носителей заряда.Таким образом, есть основания считать, что в PbTe(V) уровень Ферми оказываетсястабилизированным внутри запрещенной зоны на 20 мэВ ниже ее дна, что обеспечиваетпоявление полуизолирующего состояния материала при низких температурах.Совокупность полученных экспериментальных данных показывает, что характертранспорта носителей заряда в исследованных образцах существенно изменяется приувеличении содержания примеси ванадия выше 0,21 ат.%.
При этом само значение0,21 ат.% относится к интегральному содержанию ванадия в образцах и не можетрасцениваться как некий критический параметр, поскольку во всех исследованныхкристаллах эта величина почти на два порядка выше, чем концентрация электронов.Подобное несоответствие может быть обусловлено рядом причин. Несомненно,несмотря на то, что визуально обнаружить включения ванадия не удалось, образованиесравнительно небольших сегрегаций вполне вероятно.
В виде точечных дефектовванадий также может занимать разные позиции в кристаллической решетке. Зарядовыесостояния ванадия, а, следственно, и его электрическая активность в разных позицияхможет отличаться. Наконец, как указывалось выше аналогично другому переходномуметаллу Cr [105, 74, 47], ванадий может проявлять в PbTe переменную валентность, итолько в позициях замещающих свинец в зарядовом состоянии V3+ являться донором.Следует обратить особое внимание на высокие значения подвижности носителейзаряда в PbTe(V). Это также является достаточно характерным эффектом дляматериалов, в которых уровень Ферми стабилизирован [38]. Интересно, что в образцахс разным содержанием ванадия до Т = 30 К подвижности практически совпадают.
Повсей вероятности, возрастание подвижности в образце с NV = 0,26 ат.% при T < 30 К69Рисунок4.2.9.Температурнаязависимостьобратнойприведенноймагнитнойвосприимчивости 1/(χ − χ0) для образцов с различным содержанием ванадия.Пунктирные линии – расчетные кривые, соответствующие указанным у кривыхзначениям эффективного магнитного момента p.70аналогично эффекту, ранее обнаруженному в Hg1 − xFexSe [108]. В этом соединениирезкое увеличение подвижности при низких температурах наблюдалось лишь привведении Fe в количествах выше некоторого установленного предела и связывалось супорядочением зарядовых состояний в примесной подрешетке.
К сожалению, провестиболее подробное исследование для образцов PbTe(V) с более высоким содержаниемпримеси не удается из-за низкой растворимости ванадия в PbTe.Исследование проводимости в переменных электрических полях показывает, чтотранспорт носителей заряда в образце с максимальным содержанием ванадияхарактеризуетсярядомотличительныхособенностей.Частотнаязависимостьдействительной части проводимости характеризуется степенным законом σ' ~ f α свесьма высоким значением показателя степени α = 1.35.
В случае прыжковойпроводимости по примесному уровню α в соответствии с теорией [109] не превышает 1.Теоретический аспект проблемы, связанной с особенностями явлений переноса всистемах с упорядочением в примесной подрешетке в переменных электрическихполях, до настоящего времени не изучался. Прежде всего, это было связано сотсутствием экспериментальных данных, которые можно было бы положить в основумодели. На качественном уровне, данным полученным на основе измерений импеданса,можно предложить следующее объяснение. В образце с низким содержанием ванадияприведенная емкость не зависит от частоты, причем значение ее находится всоответствии с литературными данными для диэлектрической проницаемостителлурида свинца.
Однако при увеличении количества ванадия, проявляется ростприведенной емкости при низких частотах. Это возрастание может быть связано спроцессами перезарядки примесных центров, например соответствующих переходу V2+– V3+.71В целом следует отметить, что упорядочение в примесной подрешетке влегированныхполупроводникахможетнаблюдатьсяпривведениипримесей,проявляющих переменную валентность. По сути, единственной системой, где эффектупорядочения убедительно экспериментально доказан, является Hg1 − xFexSe. В PbTe(Cr)с уровнем Ферми, стабилизированным на ~ 100 мэВ выше дна зоны проводимости, и сконцентрацией электронов n ~ 1,3·1019 см−3 были зарегистрированы чрезвычайновысокие подвижности носителей заряда µ > 105 см2В−1с−1 [47]. Однако появлениеучастка низкотемпературного возрастания подвижности в образцах PbTe(Cr) приувеличении содержания Cr обнаружено не было.
Тем не менее, авторы [47]предположили,чтовысокиеподвижностивэтомсоединенииобусловленыподавлением резонансного рассеяния. Эффект был рассмотрен как косвенноесвидетельство наличия пространственной межпримесной корреляции, а отсутствиенизкотемпературного роста подвижности объяснено подавлением рассеяния назаряженной примеси в PbTe из-за высокого значения диэлектрической проницаемости.В отличие от сильно вырожденного полупроводника PbTe(Cr), образцы PbTe(V) принизких температурах находятся в полуизолирующем состоянии.
При T = 30 Кконцентрации электронов в этих полупроводниках отличаются более чем на семьпорядков величины. Условия экранирования заряженных примесных центров в PbTe(V)и PbTe(Cr) существенно отличаются. В полуизолирующих кристаллах температуры,при которых рассеяние на заряженной примеси оказывается эффективным, могутоказаться существенно выше.4.5. Выводы к главе 4Ванадий в PbTe проявляет донорные свойства и формирует примесный уровеньв запрещенной зоне, расположенный на ~ 20 мэВ ниже дна зоны проводимости. При72низких температурах концентрация электронов уменьшается до 108 см−3, образцыпереходят в полуизолирующее состояние.
В образцах с содержанием ванадияNV ≤ 0,21 ат.% температурные зависимости удельного сопротивления, концентрацииэлектронов и подвижности практически совпадают. В образце с NV = 0,26 ат.% приT < 30 К наблюдается резкое возрастание подвижности. В этом же образце впеременном электрическом поле обнаружена частотная зависимость действительнойчасти проводимости. Особенности транспорта носителей заряда в образце смаксимальным содержанием ванадия как в постоянном, так и в переменномэлектрическом поле, могут быть обусловлены эффектом межпримесной корреляции.Эффективный магнитный момент, рассчитанный на атом ванадия, уменьшается сувеличением концентрации V в PbTe. Значение p не соответствует ни одномуизвестному зарядовому состоянию атома ванадия.
Это можно рассматривать какподтверждение проявления переменной валентности примеси ванадия в теллуридесвинца.73Глава V. Энергетический спектр и транспортные свойства твердыхрастворов Pb1-xMnxTe, легированных ванадием5.1. Исследованные образцыОбразцы Pb1 − xMnxTe(V) были получены из слитка, выращенного методомБриджмена. При росте кристаллов этим методом, примесь не входит равномерно вкристалл, но имеется градиент концентрации примеси вдоль оси роста.
В случае ростакристаллов с двумя примесями, как в нашем случае, часто бывает, что концентрацииэтих примесей меняются «навстречу друг другу» – концентрация одной примесимаксимальна в начале слитка и убывает к его концу, а концентрация другой примеси вначале слитка минимальна и к концу возрастает. Исследованные образцы быливырезаны из слитка перпендикулярно оси роста. Таким образом, они представляютсобой серию образцов с различным содержанием обеих примесей. Образцы былипронумерованы от конца слитка к началу.
Таким образом, номер образца соответствуетего положению в слитке. Для дальнейшего изложения будет удобно пользоватьсяномером в качестве идентификатора образца.Концентрация марганца была определена методом рентгеновской дифракции.Известно (см. п. 1.2.3), что параметр ячейки в твердых растворах Pb1 − xMnxTe меняетсялинейно с изменением содержания марганца (закон Вегарда). Изменение концентрациимарганца вдоль оси исходного слитка показано на рисунке 5.1. В то же время известно,что примесь марганца меняет ширину запрещенной зоны теллурида свинца.Зависимость Eg от содержания марганца линейна, поэтому на том же графике можноувидеть зависимость и ширины запрещенной зоны от номера образца (дополнительнаяось справа).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
