WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. 5 Теплопроводность и соотношение Видемана–Франца в расплавах антимонидов индия и галлия © Я.Б. Магомедов¶, А.Р. Билалов Институт физики Дагестанского научного центра Российской академии наук, 367003 Махачкала, Россия (Получена 17 августа 2000 г. Принята к печати 26 октября 2000 г.) Исследованы теплопроводность и электропроводность антимонидов индия и галлия в твердом и жидком состояниях. Показано, что вычисленные значения числа Лоренца (L) в расплавах InSb и GaSb, в отличие от металлов, после плавления увеличиваются с температурой. Аномальный температурный рост L согласуется с аномальными для металлических расплавов температурными зависимостями плотности, вязкости и координационного числа этих расплавов при тех же температурах.

В последнее время много внимания уделяется про- ми носителями тепла и заряда являются свободные блеме влияния структурного разупорядочения на кине- электроны. Согласно модели почти свободных электротические свойства полупроводников и металлов. Для нов, развитой Займаном с сотрудниками [5], электронтеоретического объяснения влияния плавления на ме- ная теплопроводность (e) определяется соотношением ханизм переноса заряда в полупроводниках предложе- Видемана–Франца e = LT, где — электропроводны несколько моделей, наиболее удачной из которых ность, L — число Лоренца, зависящее от механизма расоказалась теоретическая модель Мотта [1]. Соглас- сеяния и степени вырождения электронного газа. Если но этой модели, в зависимости от степени изменения допустить, что в расплавах полупроводников и металлов ближнего порядка при плавлении возможны три вариан- носители тока в основном упруго рассеиваются на мота трансформации плотности энергетических состояний лекулярных или атомных колебаниях структурных эленосителей заряда в полупроводниках, в соответствии с ментов, то для полностью вырожденного электронного которыми полупроводники после плавления переходят газа в металлах число Лоренца L0 = 2.44 · 10-8 Вт2/K2, в металлическое, полуметаллическое состояние или со- а для случая невырожденного электронного газа в полухраняют полупроводниковые свойства. Одним из суще- проводниках LMB = 1.55 · 10-8 Вт2/K2.

ственных критериев, определяющих полупроводниковую В металлических расплавах закон Видемана–Франца или металлическую природу расплавов, Мотт считает выполняетя, и вблизи температуры плавления значения величину электропроводности.

числа Лоренца оказываются близкими к значению L0 [6].

Расположив исследованные к тому времени расплавы Однако по мере роста температуры происходит постес электронной проводимостью по убывающей величине пенное уменьшение значения числа Лоренца в жидких электропроводности, Оллгайер [2] выделил три груп- металлах. Одной из причин такого отклонения от соотпы расплавов (A, B, C), которые соответствуют трем ношения Видемана–Франца для металлических расплавариантам трансформации энергетической зависимости вов считают влияние неупругого рассеяния электронов плотности состояний электронов по Мотту. относительно уединенными ионами в газоподобном состоянии [6].

В первую группу A наряду с расплавами обычных металлов входят расплавы полупроводников (германий, В металлоподобных полупроводниковых расплавах, кремний, соединения AIIIBV), электропроводность ко- которые вошли по Мотту в группу A, соотношение торых превышает 5 · 105 Ом-1 · м-1. Плавление этих Видемана–Франца не изучено из-за отсутствия надежных полупроводников сопровождается коренным изменением экспериментальных данных по теплопроводности. Имеближнего порядка [3,4]: разрушается жесткая система ющиеся в литературе данные по теплопроводности этих ковалентных связей между атомами, существенно из- расплавов [7–9] охватывают узкий интервал температуменяется энергетический спектр электронов (зона про- ры после плавления и сильно отличаются по величине и водимости сливается с валентной зоной), скачком из- температурной зависимости.

меняются плотность, координационное число, электро- Для выяснения механизма теплопроводности и пропроводность, термоэдс, вязкость, коэффициент Холла, верки соотношения Видемана–Франца нами исследована принимая значения, близкие к величине этих параметров теплопроводность и электропроводность расплавов андля металлических расплавов. Плавление этих полупро- тимонидов индия и галлия в широком температурном водников, принято считать, приводит к их металлизации.

интервале.

Одной из характерных особенностей металлического Теплопроводность измерялась абсолютным сферичесостояния вещества как в твердом, так и в распла- ским методом в стационарном тепловом режиме [10], вленном состояниях является тот факт, что основны- а исследование электропроводности проводилось четырехзондовым компенсационным методом [11]. Относи¶ E-mail: kamilov@datacom.ru тельная погрешность измерений не превышала 4-5% 522 Я.Б. Магомедов, А.Р. Билалов для теплопроводности и 3-4% для электропроводности.

Исследования проводились на одних и тех же поликристаллических образцах InSb и GaSb, полученных сплавлением исходных чистых компонентов, взятых в стехиометрическом соотношении, в кварцевых ампулах.

Температурные зависимости теплопроводности и электропроводности InSb и GaSb представлены на рис. 1 и 2.

Там же представлены и имеющиеся в литературе данные по теплопроводности расплавов InSb и GaSb.

Полученные нами экспериментальные значения по электропроводности хорошо согласуются с литературными данным [3,4] в твердом и жидком состояниях.

Экспериментальные данные по теплопроводности расплавов сразу после плавления согласуются с данными из работ [7,9] для InSb и из работы [7] для GaSb. Резкое уменьшение теплопроводности расплавов при дальнейшем нагревании после плавления, обнаруженное в работе [7], связано с погрешностями экспериментальной Рис. 1. Температурные зависимости теплопроводности (1) и установки (часть расплава при дальнейшем нагревании электропроводности (2) расплава InSb; штриховая линия — после плавления, вероятно, вытекала из рабочего объе- расчет теплопроводности для вырожденного электронного газа;

ма) и в данном эксперименте не наблюдается. Величины обозначениями 3–5 представлены данные из работ: 3 — [7], 4 — [9], 5 — [8].

и температурные зависимости теплопроводности во всем исследованном интервале температур согласуются для расплавов InSb и расходятся значительно для расплавов GaSb с данными работы [9]. Имеющиеся в литературе данные по теплопроводности и электропроводности получены разными авторами на образцах разной технологии приготовления и с различной концентрацией носителей тока. Сопоставить эти данные между собой и проверить соотношение Видемана–Франца не представляется возможным.

В твердом состоянии представленные на рис. 1 и данные по теплопроводности антимонидов индия и галлия хорошо согласуются с данными [7], и основными механизмами теплопроводности являются фононный и электронный (при температурах, близких к температуре плавления). Наблюдаемое при высоких температурах отклонение температурной зависимости фононной -теплопроводности InSb и GaSb от закона T можно объяснить, используя данные по влиянию всестороннего давления на теплопроводность этих соединений [12], Рис. 2. Температурные зависимости теплопроводности (1) и тепловым расширением кристаллической решетки [13].

электропроводности (2) расплава GaSb; штриховая линия — Электронная теплопроводность в расплавах InSb и расчет теплопроводности для вырожденного электронного газа;

GaSb, вычисленная из соотношения Видемана–Франца обозначениями 3, 4 представлены данные из работ: 3 — [7], по данным электропроводности для вырожденного элек4 — [9].

тронного газа, как видно из рис. 1 и 2 (штриховые кривые), не согласуется с экспериментальными данными.

Экспериментальные данные e для расплавов не согласуются с вычисленными и для случая невырожденного По экспериментальным данным теплопроводности электронного газа.

расплавов InSb и GaSb с учетом величины m из соИспользуя данные по температурной зависимости отношения Видемана–Франца были вычислены значения плотности [4], была вычислена молекулярная тепло- чисел Лоренца для различных температур. В отличие проводность (m) исследуемых расплавов по формуле от металлических расплавов полученные значения чисел Рао [14]. Рассчитанные таким образом значения m во Лоренца в расплавах InSb и GaSb в интервале 200-300 K всем температурном интервале не превышают 0.46 и после плавления с температурой растут (от 1.7 · 10-0.65 Вт/(м · K) для InSb и GaSb соответственно. до 2.1 · 10-8 Вт2/K2 для InSb и от 1.8 · 10-8 до Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып. Теплопроводность и соотношение Видемана–Франца в расплавах антимонидов индия и галлия 2.2 · 10-8 Вт2/К2 для GaSb). Значения чисел Лорен- [10] Я.Б. Магомедов. ТВТ, 28, 396 (1990).

[11] Х.И. Амирханов. Я.Б. Магомедов, С.А. Алиев, Г.Б. Багдуев, ца, равные (2.1-2.2) · 10-8 Вт2/K2 при температурах З.А. Исаев. А.В. Щеголькова. Сб.: Физические свойства Tm +(200-300) K (Tm — температура плавления), характеллура (Махачкала, Дагучледгиз, 1969).

терны для металлических расплавов [6] и свидетельству[12] G.A. Slack. Sol. St. Phys., 34, 1 (1979).

ют о металлической природе этих расплавов при этих [13] Ja.B. Magomedov, Sh.M. Ismailov, N.L. Kramynina. High температурах.

Temperatures. High pressures, 26, 657 (1994).

Аномальная температурная зависимость числа Ло[14] M.R. Rao. Phys. Rev., 59, 212 (1971).

ренца при температурах, близких к точке плавления, [15] А.Р. Регель, В.М. Глазов. Закономерности формирования согласуется с аномальными для металлических распластруктуры электронных расплавов (М., Наука, 1982).

вов температурными зависимостями плотности, вязкоРедактор Т.А. Полянская сти, свободной энергии и энтропии активации вязкого течения расплавов этих соединений в том же интервале Thermal conductivity and температур [15]. Аномальный ход этих параметров в Viedemann–Franz correlation in the melts расплавах соединений AIIIBV объясняется сохранением наследственных черт структуры твердого состояния в неof antimonidies of indium and gallium котором температурном интервале после их плавления.

Ya.B. Magomedov, A.R. Bilalov Рост чисел Лоренца и аномалии в температурных зависимостях других параметров при дальнейшем нагре- Institute of Physics of Daghectan Scientific center, вании расплавов InSb и GaSb после плавления позволяют Russian Academy of sciences утверждать, что процесс структурной перестройки и 367003 Makhachkala, Russia металлизация в этих соединениях при плавлении не проходят до конца и завершаются при перегреве расплавов

Abstract

The thermal conductivity and electrical conductivity of на 200-300 K.

antimonidies of indium and gallium have been investigated both При плавлении InSb и GaSb не происходит полного in solid and liquid states. It is shown that calculated values of the слияния валентной зоны и зоны проводимости. В энерLorenz number (L) in the melts of InSb and GaSb in contrast to that гетической зависимости плотности состояний в интерin metals increases with temperature after melting. An anomalous вале энергий, соответствующих запрещенной зоне для temperature rise of L agrees with the anomalous for metallic твердого состояния, по-видимому, сохраняется некотоmelts temperature dependences of density, viscosity, coordination рый минимум, который сглаживаетcя при дальнейшем number of these melts at the same temperatures.

нагревании расплавов. Расплавы этих соединений сразу после плавления, как нам представляется, занимают промежуточное положение между расплавами металлов и расплавами группы B по классификации Мотта.

В заключение авторы выражают благодарность Р.И. Баширову за предоставление образцов для исследования и В.М. Гусейнову за помощь при проведении эксперимента и изготовлении деталей экспериментальной установки.

Список литературы [1] Н. Мотт, Э. Девис. Электронные процессы в некристаллических веществах (М., Мир, 1974).

[2] R.S. Allgaier. Phys. Rev., 185, 227 (1969).

[3] A.F. Joffe, A.R. Regel. Progr. Semicond. London, 4, (1960).

[4] В.М. Глазов, С.Н. Чижевская, Н.Н. Глаголева. Жидкие полупроводники (М., Наука, 1967).

[5] Дж. Займан. Электроны и фононы (М., ИЛ, 1962).

[6] Л.П. Филлипов. Исследование теплопроводности жидкостей (М., МГУ, 1970).

[7] Х.И. Амирханов, Я.Б. Магомедов. УФЖ, 12 (2), (1967).

[8] Б.М. Могилевский, А.Ф. Чудновский. Тр. IX Межд. конф.

по физике полупроводников (М., Наука, 1969) т. 2, р. 1313.

[9] В.И. Федоров, В.И. Мачуев. ТВТ, 8, 447 (1970).

Физика и техника полупроводников, 2001, том 35, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.