Диссертация (1105343), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Характерные значения эффективной массы носителей зарядамалы – порядка 10−2me [12, 13]. При росте температуры запрещенная зонаувеличивается со скоростью 0,4 мэВ/К, а степень непараболичности уменьшается [20,21, 22]. Приложение гидростатического сжатия приводит к обратному эффекту: шириназапрещенной зоны уменьшается, а непараболичность растет [23, 24, 25].

Сообщается об20отклоненииотлинейнойзависимостизапрещеннойзоныоттемпературы.Нелинейность объясняется взаимодействием оптических фононов с электронами [26].Твердые растворы на основе теллурида свинца, как и других полупроводниковAIVBVI, растут с большим отклонением от стехиометрии. Собственные дефекты –преимущественно вакансии – электрически активны [27].

Двукратно вырожденныеуровни энергии, соответствующие вакансиям свинца, являются резонансными и лежатна фоне зоны проводимости. Соответственно, каждая вакансия свинца создают двасвободных электрона в зоне проводимости, то есть является донором. Аналогично, вбольшинствеработсчитается,чтовакансиителлураявляютсядвукратновырожденными акцепторами, хотя имеются мнения, что уровни вакансий теллурамогут располагаться внутри запрещенной зоны.

Теоретический расчет локализованныхсостояний дефекта проведен в работе [28]. Равновесные значения концентрацийвакансий в подрешетке свинца и в подрешетке теллура достигают 1018–1019 см−3.Соответственно, и концентрация свободных носителей заряда достигает тех жезначений. Только специальными технологическими приемами удается снизить ее до1016–1017 см−3 [29].Кристаллическая решетка теллурида свинца – кубическая, типа NaCl.

Химическаясвязь–смешанная,ионно-ковалентно-металлическая[30].Теллуридсвинцахарактеризуется необычно высокой поляризуемостью решетки (значения статическойдиэлектрической проницаемости достигают 103 и даже более) и существенной разницеймежду статической и высокочастотной диэлектрическими проницаемостями [32, 33].Это обусловлено существенно отличающимися частотами продольных и поперечныхоптических фононов и наличием мягкой поперечной моды.Благодаря высокой поляризуемости решетки заряженный дефект или примесьэффективно экранируется ионами окружения, что в совокупности с малой эффективной21массойносителейзарядаприводитктому,чтоэнергиясвязимелкихводородоподобных уровней должна быть ничтожно мала [31].

Действительно, втеллуриде свинца не наблюдаются такие уровни, а все примесные уровни и уровнисобственных дефектов являются глубокими. Другим важным следствием высокойполяризуемостирешеткиявляетсявысокаяэлектрофизическаяоднородностькристаллов PbTe – решетка реагирует на процесс перезарядки примесных центров,поляризуясь и экранируя возможные зарядовые флуктуации.Основным недостатком чистого теллурида свинца с точки зрения приложений ивозможностей изучения зонных спектров следует считать высокие концентрациисвободных носителей заряда, обусловленные собственными дефектами.

Концентрациюсвободных носителей заряда можно менять путем легирования исходного материалаэлементами различных групп таблицы Менделеева (I, V, VII). С другой стороны,легирование теллурида свинца и других узкощелевых полупроводников типа AIVBVIнекоторыми другими примесями – в первую очередь элементами III группы, а такженекоторыми переходными металлами и редкоземельными элементами – приводит кпоявлению ряда необычных эффектов (таких как стабилизация уровня Ферми изадержанная фотопроводимость), нехарактерных для исходного материала [15, 16, 34–38].1.2 Характерные проявления примесей в сплавах PbTe1.2.1Эффекты легирования PbTe и твердых растворов на его основепримесями III группы.В отличие от примесей I, VII групп являющимися соответственно акцепторамиили донорами, примеси III группы, встраиваясь в подрешетку свинца, оказывают болеесложное воздействие.

Так, было обнаружено, что примесь индия, оказывая определеннодонорное действие в p-PbTe, проявляет также и акцепторные свойства. Это приводит к22так называемой химической стабилизации – концентрация свободных электроноврастет при увеличении концентрации индия до 6×1018 см−3, а потом выходит нанасыщение. Более того, при легировании этих материалов дополнительно донорами (I)или акцепторами (Na), концентрация свободных носителей заряда не меняется, покаконцентрация дополнительной примеси остается меньше концентрации индия. Этосвязано с наличием глубокого уровня In большой емкости, лежащего на 70 мэВ вышедна зоны проводимости.

Благодаря этому происходит компенсация носителей заряда, иуровень Ферми стабилизируется на примесном уровне индия. Исследованияэлектрофизических свойств этих материалов в сильных магнитных полях и привысоких давлениях показали, что имеется не только химическая стабилизация, ауровень Ферми стабилизирован на примесном уровне и не меняет своего положенияотносительно середины запрещенной зоны при изменении внешних условий [44, 45].Так, при приложении давления концентрация свободных носителей увеличивается.Этот эффект авторы объясняют таким образом: ширина запрещенной зоныуменьшается с ростом давления, поэтому расстояние между уровнем Ферми,стабилизированном в зоне проводимости, и краем зоны проводимости растет, и,соответственно, растет и концентрация свободных носителей заряда [46].При этом было обнаружено, что данные сплавы, в отличие от чистого ислаболегированноготеллуридасвинца,обладаютвысокойэлектрическойоднородностью, значение холловской подвижности в этих материалах достигают105 см2В−1с−1 при температуре жидкого гелия [40, 47–49].

Так, сопротивление PbTe(In) вмагнитном поле стремится к насыщению, при достижении сильного магнитного поля[44]. Еще более яркое свидетельство однородности этих материалов – наблюдениебольшого количества пиков осцилляций Шубникова-деГааза [45].23Однако анализ энергетического спектра PbTe(In) затрудняется наличием большогоколичества носителей заряда. Этого недостатка можно избежать при изученииизовалентных твердых растворов на основе теллурида свинца.

При изменении составаматрицы плавно меняется как ширина запрещенной зоны, так и положение примесногоуровня.Такимобразом,становитсявозможнымсместитьуровеньФерми,стабилизированный на примесном уровне, в запрещенную зону. В частности вPb1 − xSnxTe(In) уровень индия пересекает запрещенную зону при x = 0,22–0,28 [36]. Приэтом возникает полуизолирующее состояние с малым количеством свободныхносителей заряда и эффекты, связанные со стабилизацией уровня Ферми проявляютсяособенно ярко. Среди них – долговременные релаксационные процессы. При низкихтемпературах процессы перетекания электронов из состояний разрешенной зоны впримесныеоказалисьдолговременнымисхарактернымивременамипорядканескольких часов и более.

Причем долговременная релаксация носителей наблюдаласьпри различных способах возбуждения – с помощью излучения [50, 51], квантующегомагнитного поля [45, 52], сильного электрического поля [53], быстрого изменениятемпературы [54].В частности, в PbTe, легированном In, Ga, в Pb1 − xSnxTe(In) и некоторых другихсплавах наблюдалась задержанная фотопроводимость [49, 50, 55 – 69]. При низкихтемпературах сопротивления образца меняется на несколько порядков при воздействииИК-подсветки, при выключении подсветки, сопротивление не возвращается ктемновому значению в течение долгого времени.

Задержанная фотопроводимость вполупроводниках IV-VI, легированных элементами III группы, отличается от ранеенаблюдавшейся фотопроводимости неоднородных материалов и структур квантовыхям. Температура возникновения эффекта не зависит ни от состава матрицы, ни отконцентрации примеси и практически воспроизводится для определенной примеси. Так24для примеси индия Tc составляет порядка 25 К как для PbTe, так и для растворовPb1 − xSnxTe. Стоит отметить, что в PbTe(In) и в Pb1 − xSnxTe(In) при x < 0,22 и x > 0,28фотопроводимость отрицательная, а в Pb1 − xSnxTe(In) при 0,22 < x < 0,28 и в PbTe(Ga)(то есть там, где УФ стабилизирован в запрещенной зоне) – положительная.Для объяснения задержанной фотопроводимости и других долговременныхрелаксационных процессов в IV-VI была предложена теория, согласно которой приизменении зарядового состояния примесного центра кристаллическое окружениеперестраивается, причем существует потенциальный барьер в конфигурационномпространстве между этими состояниями окружения.

Поэтому для возвращенияэлектрона из зоны на центр требуется либо активационная энергия, либо туннельныйпроцесс [70].Альтернативная теория, объясняющая данный эффект, – теория переменнойвалентности – предполагает наличие примесных ионов индия с состояниями In+, In2+ иIn3+. Нейтральное по отношению к матрице состояние In2+ оказывается нестабильным ираспадается на донорно-акцепторную пару: 2In2+ → In+ + In3+.

Переход In3+ → In+является двухчастичным и поэтому имеет низкую вероятность, а состояние In2+ лежитвыше по энергии и поэтому переход в него энергетически невыгоден [39].Примесь Cr и Yb в PbTe1.2.2Кроме примесей III группы примесями с переменной валентностью оказалисьионы переходных металлов и редкоземельных элементов, в частности такимипримесями оказались примеси хрома и иттербия.В работе [71] был обнаружен эффект стабилизации уровня Ферми в теллуридесвинца, легированном хромом. Уровень Ферми стабилизируется примерно на 100 мэВвыше дна зоны проводимости. Концентрация носителей заряда при этом составляетn ~ 1,2×1019см−3.Вэтойработебылипостроеныдиаграммыперестройки25энергетического спектра с изменением температуры и давления. При повышениитемпературы ширина запрещенной зоны растет, в то время как при росте давленияуменьшается вплоть до бесщелевого состояния при P ~ 30 кбар.

Выяснилось, что и втом и в другом случае положение уровня Ферми относительно середины запрещеннойзоны не меняется.В работе [72] изучались транспортные, гальваномагнитные, оптические имагнитооптические свойства PbTe, легированного хромом. Авторы выяснили, что Crобладает донорным действием. Причем свойства образца, а также температурныезависимости его параметров существенно зависят от уровня легирования. Кроме того, вэтой же работе были проведены эксперименты по определению электронногопарамагнитного резонанса.

Характеристики

Список файлов диссертации