WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

примесей NA = 3.5 · 1020 см-3 (x = 0.02) коэффициент Представленные на рис. 5 и 6 зависимости проЗеебека изменяет знак в исследуемом температурном водимости, коэффициента Зеебека и магнитной восприимчивости (для отпущенных образцов при 300 K) более рельефно отражают механизмы проводимости в исследуемых образцах n-ZrNiSn. На зависимостях S(x) и (x) появляются осцилляции, подобные тем, которые мы наблюдали в закаленных n-ZrNiSb образцах при легировании акцепторными примесями путем замены атомов Zr на Sc [8,9].

Подобно экстремумам на зависимостях S(1/T ), экстремумы на зависимостях S(x) также являются результатом нескольких конкурирующих процессов. Для отпущенных образцов рост S(x) (0.005 x < 0.02) свидетельствует об уменьшении вклада в проводимость полупроводника свободных электронов из-за появления и увеличения вклада в проводимость свободных дырок, а уменьшение S(x) (x 0.02) — на преимущественный вклад свободных дырок в общую проводимость полупроводника. Данное утверждение хорошо согласуется с выводами, которые следуют как из анализа зависимостей (x) для отпущенных образцов, так и результатов теоретических расчетов изменения плотности состояний на уровне Ферми от концентрации примесей (рис. 2).

Рис. 5. Зависимости коэффициента Зеебека S при 80 (1) и Действительно, поскольку проводимость полупроводни300 K (2), электропроводности при 80 (3) и 300 K (4), магка пропорциональна плотности состояний на уровне нитной восприимчивости (5) от концентрации акцепторных Ферми ( N(EF)), a S kBT /EF, становится понятной примесей для отпущенных образцов n-ZrNiSn; — масштаб по наблюдаемая синхронность в поведении S(x) и (x) при оси ординат увеличен в 4 раза.

0.005 x 0.02 и при x 0.02. Рост S(x) свидетельствует об уменьшении плотности состояний на уровне Ферми, что вызвано изменением степени компенсации полупроводника и, как результат, незначительным падением (x) (при T = 300 K). Сделанный вывод подтверждается также поведением магнитной восприимчивости (x). Исследуемые полупроводники являются парамагнетиками Паули, в которых N(EF). В области концентраций акцепторных примесей, когда x 0.01, наблюдается уменьшение (x) с ростом концентрации, в то же время S(x) — возрастает. При x 0.02 (x) монотонно растет, а S(x) — уменьшается.

Резюмируя изложенное выше для отпущенных образцов, отметим, что проводимости полупроводников nZrNiSn при меньших концентрациях акцепторных примесей (x < 0.01) и более высоких (x > 0.07) определяются соответственно свободными электронами и свободными дырками. В области промежуточных концентраций акцепторных примесей (0.01 x 0.07) проводимость определяется по крайней мере тремя механизмами: активацией электронов в зону проводимости, активацией дырок в валентную зону, прыжковой проводимостью по локализованным состояниям.

Для случая закаленных образцов поведение S(x) также согласуется с (x), как это имело место в отпущенных образцах. Из рис. 6 следует, что максимумы Рис. 6. Зависимость коэффициента Зеебека S при 80 (1) и зависимости (x) соответствуют минимумам S(x). Ос300 K (2), электропроводности при 80 (3) и 300 K (4) от концентрации акцепторных примесей для закаленных образцов циллирующий характер S(x) и (x) отображает дина n-ZrNiSn; — масштаб по оси ординат увеличен в 5 раз. мику изменения плотности состояний на уровне Ферми, Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Особенности механизмов проводимости сильно легированных интерметаллических полупроводников... что связано с процессами перестройки примесных до- выше механизму [16] уровень Ферми дрейфует от дна норной и акцепторной зон полупроводника в результате примесной донорной зоны к ее вершине. При этом энергия активации электронов в зону проводимости уменьизменения как степени компенсации полупроводника, шается. При концентрациях акцепторных примесей так и размеров и расположения зон по отношению к (x 0.02), которые превышают концентрацию неконвершинам зон непрерывных энергий.

тролируемой донорной примеси, имеет место перекомИспользуемые в [8–12] модели одной примесной зоны пенсация полупроводника из n- на p- тип проводимости, в легированных акцепторными примесями n-ZrNiSn или а уровень Ферми фиксируется примесной акцепторной донорными примесями p-TiCoSb не могут быть примезоной. Реализуется ситуация сильной компенсации понены в нашем случае из-за значительной концентрации лупроводника, а уровень Ферми располагается возле неконтролируемых донорных примесей, которые, как вершины примесной акцепторной зоны [16]. Дальнеймы считаем, образуют примесную зону. Свидетельством шее увеличение концентрации акцепторных примесей этого может служить приведенный далее качественный приводит к реализации ситуации слабой компенсации анализ механизмов активационных процессов в исследуполупроводника (ND/NA 1), уровень Ферми дрейфует емых сильно легируемых образцах. Другими словами, из вершины акцепторной зоны к ее дну. При x > 0.попытаемся дать ответ на триединый вопрос — что, уровень Ферми заходит в область непрерывных энергий откуда и куда.

валентной зоны [8,9,16,17]. Наблюдаемое уменьшение Из температурных зависимостей коэффициента Зеебеэнергии активации для образцов с x = 0.02 и x = 0.ка S имеет приведенное выше объяснение.

S =(kB/e)(/kB + A), (1) Приведенные рассуждения также объясняют резульгде коэффициент A зависит от природы рассеяния и взят таты немонотонного изменения энергии активации с нами за 1 [17], и проводимости увеличением концентрации акцепторных примесей для закаленных образцов, особенно, на первый взгляд, нело = 0 · exp(-/kBT )(2) гичный прыжок значений для x = 0.01 и x = 0.02.

Из рис. 6 следует, что максимум зависимости S(x) определены значения энергий активации с уровня Фернаблюдается при x 0.02 (основными носителями уже ми () для обоих типов образцов. Для отпущенявляются дырки). Иными словами, для закаленных обных образцов получены следующие значения энерразцов уменьшение энергии активации для x = 0.гии активации: x=0.005 = 252 мэВ, x=0.01 = 216 мэВ, и x = 0.01 осуществляется, по описанному выше меx=0.02 = 115 мэВ, x=0.04 = 75 мэВ; для закаленных:

ханизму, в результате дрейфа уровня Ферми от дна x=0.005 = 145 мэВ, x=0.01 = 91 мэВ, x=0.02 = 116 мэВ, примесной донорной зоны к ее вершине. Уменьшение x=0.04 = 45 мэВ. Видно, что для отпущенных образцов энергии активации для x = 0.02 и x = 0.04 имеет мес увеличением концентрации акцепторных примесей сто в результате дрейфа уровня Ферми из вершины энергия активации монотонно уменьшается. Если предпримесной акцепторной зоны к ее дну. А поэтому положить, что имеет место активация электронов с монотонное уменьшение величины энергии активации уровня Ферми в зону проводимости, то уменьшение i от концентрации акцепторных примесей для отпуэнергии активации означает движение уровня Ферми щенных образцов носит случайный характер, поскольку в направлении зоны проводимости при том, что мы активация осуществляется с различных примесных зон и вводим акцепторную примесь. Такая ситуация являетв разные зоны непрерывных энергий. Приведенные выше ся типичной для полупроводников электронного типа значения энергий i условно можно разделить на две проводимости и наблюдается при переходе от случая группы и дать ответ на поставленный выше триединый сильной компенсации (1 - K 1) к случаю слабой вопрос: для x = 0.005-0.01 и x = 0.02-0.04 электроны компенсации (K = NA/ND 1), когда уровень Ферми и дырки активируются из донорной и акцепторной зон дрейфует от дна к вершине примесной донорной зо- в зону проводимости и валентную зону соответственно.

Такая немонотонность в изменении величины энергии ны [16].

активации i от концентрации акцепторных примесей наВыше мы отмечали, что экстремумы на зависимостях ходит свое подтверждение в немонотонной зависимости S(x) и S(1/T ) связаны по крайней мере с вкладом в 1/N(EF) от x (рис. 2).

проводимость свободных электронов и дырок в резульМаксимум на зависимости S(x) при x 0.07 для тате ионизации акцепторных и донорных примесей, созакаленных образцов, а также соответствующий ему ответственно. А поэтому не понятно, как в соответствии минимум на зависимости (x) при T = 300 cвязан, очес приведенной выше монотонной динамикой изменения видно, с фиксацией уровня Ферми порогом подвижности энергий активации для отпущенных образцов объяснить валентной зоны [8–12,17].

в модели одной донорной зоны дрейф уровня Ферми к вершине валентной зоны при том, что основными носителями тока при x > 0.02 уже являются дырки.

5. Заключение Из поведения S(x) и (x) для отпущенных образцов в диапазоне концентраций акцепторных примесей Наблюдаемое соответствие между данными теорети0 < x 0.02 можно предположить, что при изменении ческих расчетов и экспериментальными результатами, степени компенсации полупроводника по описанному в частности предсказанный и наблюдаемый в экспериФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 682 В.А. Ромака, М.Г. Шеляпина, Ю.К. Гореленко, Д. Фрушарт, Ю.В. Стаднык, Л.П. Ромака, В.Ф. Чекурин менте переход проводимости диэлектрик–металл, немо- [14] C. Uher, J. Yang, S. Hu, D.T. Morelli, G.P. Meisner. Phys.

Rev. B, 59 (13), 8615 (1999).

нотонный характер поведения плотности состояний на [15] A. Slebarski, A. Jezierski, A. Zygmunt, S. Mahl, M. Neumann.

уровне Ферми и осциллирующие поведение проводиPhys. Rev. B, 57 (16), 9544 (1998).

мости, коэффициента Зеебека, магнитной восприимчи[16] Б.И. Шкловский, А.Л. Эфрос. Электронные свойства вости от концентрации акцепторных примесей в сильлегированных полупроводников (М., Наука, 1979).

но легируемых полупроводниках n-ZrNiSn, свидетель[17] Н. Мотт, Э. Дэвис. Электронные процессы в некриствует о правильности выбранной модели для оценки сталлических веществах (М., Мир, 1982) [Пер. с англ.:

результатов. Поскольку исследовались одни и те же N.F. Mott, E.A. Davis. Electron processes in non-crystalline образцы, которые были подвергнуты различным режиmaterials (Oxford, Clarendon Press, 1979)].

мам охлаждения после гомогенизирующего отжига, то [18] L.G. Akselrud, Yu.N. Grin, P.Yu. Zavalii, V.K. Pecharsky, именно различные режимы охлаждения, кроме прочего, V.S. Fundamenskii. 12th Eur. Crystallographic Meeting.

существенно изменяют степень локальных деформаций Collected Abstracts. (M., Nauka, 1989) p. 155.

[19] H. Akai. J. Phys.: Condens. Matter., 1, 8045 (1989).

кристаллитов в отпущенных и закаленных образцах, на [20] M. Schrter, H. Ebert, H. Akai, P. Entel, E. Hoffmann, что указывают предварительные результаты структурG.G. Reddy. Phys. Rev. B, 52, 188 (1995).

ных исследований. Установление степени деформаций [21] J. Toboa, J. Pierre. J. Alloys Comp., 296, 243 (2000).

будет предметом последующих исследований.

[22] S. t, K.M. Rabe. Phys. Rev. B, 51, 10 443 (1995).

Работа выполнена в рамках грантов НАН Украины Редактор Л.В. Беляков (№ 0102U000454), Министерства образования и науки Украины (№ 0103U001887, № 0104U002297), ECO-NET Peculiarity in conductivity mechanisms (№ 08133 RA) и Российского фонда фундаментальных in heavily-doped n-ZrNiSn intermetallic исследований (№ 05-02-16731-a).

semiconductors V.A. Romaka,+, M.G. Shelyapina, Yu.K. Gorelenko•, Список литературы D. Fruchart, Yu.V. Stadnyk•, L.P. Romaka•, [1] R.V. Skolozdra, Yu.V. Stadnyk, L.P. Romaka, F.G. Aliev.

V.F. Chekurin J. Thermoelectrisity, 3, 29 (1994).

Ya. Pidstryhach Institute of Applied Problems [2] Y. Xia, V. Ponnambalam, A.L. Pope, S.J. Poon, T.M. Tritt.

of Mechanics and Mathematics J. Appl. Phys., 88, 1952 (2000).

National Academy of Sciences of Ukraine, [3] S. Bhattacharya, A.L. Pope, R.T. Littleton IV, M. Terry, M. Tritt, V. Ponnambalam, Y. Xia, S.J. Poon. Appl. Phys. Lett., 79060 Lviv, Ukraine + 77, 2476 (2000).

National University Lvivska Politechnika“, ” [4] O.I. Bodak, B.V. Padlyak, Yu.V. Stadnyk, J. Pierre, A.V. Tka79013 Lviv, Ukraine chuk, L.P. Romaka, Yu.K. Gorelenko. J. Alloys Comp., 317– V.A. Fock Institute of Physics, 318, 357 (2001).

St. Petersburg State University, [5] Y. Kawaharada, K. Kurosaki, H. Muta, M. Uno, S. Ymanaka.

198504 Petrodvorets, Russia J. Alloys Comp., 381, 9 (2004).

• Ivan Franko Lviv National University, [6] S. Katsuyama, H. Matsushima, M. Ito. J. Alloys Comp., 385, 79005 Lviv, Ukraine 232 (2004).

Laboratoire de Cristallographie, CNRS, BP 166, [7] L. Romaka, Yu. Stadnyk, A. Goryn, M.G. Shelyapina, 38042 Grenoble Cedex 9, France V.S. Kasperovich, D. Fruchart, E.K. Hlil, P. Wolfers. J. Alloys Comp., 396, 64 (2005).

[8] Yu.V. Stadnyk, V.A. Romaka, Yu.K. Gorelenko, L.P. Romaka,

Abstract

An influence of the high concentration of acceptor D. Fruchart, V.F. Chekurin. J. Alloys Comp., 400, 29 (2005).

impurities (NA 1020 cm-3) on the electronic structure, Fermi [9] O.I. Bodak, V.A. Romaka, Yu.V. Stadnyk, L.P. Romaka, level location, electroconductivity, Seebeck coefficient and magYu.K. Gorelenko, V.F. Chekurin. Phys. Chem. Solid State, netic susceptibility in the n-ZrNiSn intermetallic semiconductors 6 (1), 120 (2005).

was investigated. An importance of both donor and acceptor [10] O.I. Bodak, V.A. Romaka, Yu.V. Stadnyk, M.G. Shelyapina, impurity bands in the heavy-doped n-ZrNiSn conductivity was L.P. Romaka, V.F. Chekurin, Yu.K. Gorelenko. Phys. Chem.

determined. Conductivity transition from activated to metallic-like Solid State, 6 (2), 218 (2005).

types, when changing the acceptor impurities concentration, was [11] Yu.V. Stadnyk, V.A. Romaka, Yu.K. Gorelenko, M.G. She- observed.

lyapina, L.P. Romaka. IX Int. Conf. Crystal Chemistry of Intermetallic Compounds. Collected Abstacts (Lviv, Ukraine, 2005) p. 117, [12] В.А. Ромака, Ю.В. Стаднык, М.Г. Шеляпина, Д. Фрушарт, В.Ф. Чекурин, Л.П. Ромака, Ю.К. Гореленко. ФТП, 40 (2), 136 (2006).

[13] Ф.Г. Алиев, Н.Б. Брандт, В.В. Козырьков, В.В. Мощалков, Р.В. Сколоздра, Ю.В. Стаднык, В.П. Печарский. Письма ЖЭТФ, 45 (11), 535 (1987).

Pages:     | 1 ||



© 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.