WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 7 Донорное действие редкоземельных металлов в PbTe © Г.Т. Алексеева, М.В. Ведерников, Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получена 29 декабря 1997 г. Принята к печати 31 декабря 1997 г.) В интервале температур (77–700) K исследованы коэффициенты Холла, термоэдс и электропроводности в PbTe, легированном La, Pr, Sm и Gd. Примесные атомы проявляют донорное действие, эффективность которого растет с температурой, при этом доля электроактивных атомов лантаноидов (Ln) достигает значений, близких либо слегка превышающих половину от их полного числа. Отмечается также уменьшение подвижности электронов и изменение термоэдс относительно соответствующих значений в PbTe I. При низких температурах коэффициент термоэдс в PbTe Ln оказывается выше, а при высоких — ниже, чем в PbTe I. Полученные данные интерпретируются с учетом полосы примесных резонансных состояний, энергетическое положение и число которых определяются составом и температурой. Из экспериментальных данных следует, что в PbTe с La и Pr заметна роль собственных дефектов донорного типа, образующихся при введении Ln в соотношении LnTe.

Обзор данных по легированию халькогенидов свинца понижением T продолжается и при T < 77 K, при показывает, что большинство примесей (галогены: I, Cl, этом эффекта полного вымораживания носителей при Br, Na, Tl, In, Ti) проявляет максимум электрической ак- T 0 K не наблюдается, коэффициент Холла при тивности при температурах T 0 K; с повышением тем- понижении T от 77 до 4.2 K увеличивается не более пературы T эффективность электроактивного действия чем в 2 раза. Скорость роста концентрации и соответлибо не изменяется (галогены) [1], либо падает [2–5]. ствующий температурный интервал также определяются Исключение из общего правила, возможно, составляют видом и концентрацией примеси. Относительный рост редкоземельные металлы (РЗМ) с преимущественной концентрации максимален в образцах, легированных Gd.

валентностью +3. В работе [6] путем анализа темпе- В PbTe с 1 ат% Gd в диапазоне (77–600) Kон достигает ратурного поведения термоэдс в PbTe с примесью Sm 5 раз, так что максимальная концентрация электронов показано, что концентрация электронов в легированных ( 8 · 1019 см-3, 600 K) становится близкой к величине, Sm образцах растет с ростом температуры. В настоящей наблюдаемой для La и Pr при T < 400 K; более половины работе путем измерений концентрации носителей заряда примесных атомов становится электроактивной. Во всех с помощью эффекта Холла этот результат не только образцах температурная зависимость эффекта Холла подтвержден и дополнительно исследован для Sm, но наиболее резко проявляется при температурах не выше и распространен на La, Pr и Gd, которые, как и Sm, 400 K, затем для большинства образцов наблюдается вводились в PbTe в соотношении LnTe (Ln-лантаноид).

насыщение, а в PbTe с Pr (1ат%) и Sm (свыше 1 ат%) Исследования транспортных свойств проводились на появляется даже слабый обратный эффект (рис. 1).

поликристаллах в диапазоне (77-600) K, максимальная При этом оказывается, что в PbTe с 3 ат% Sm начало концентрация La и Pr составляла 1 ат%, Gd — 2 ат% и температурного роста коэффициента Холла приходится Sm — 5 ат%; по данным [6], растворимость последнего в на T 480 K, а с 5 ат% Sm — на T 320 K. В PbTe составляет 10 ат%. Состав образцов, концентрация электронов n, величины подвижности и коэффициента термоэдс S при 77 и 300 K приведены в таблице. Сравне77 K 300 K ние данных для 77 K показывает, что концентрация элекLn N, S, µ, n, S, µ, n, тронов зависит от вида примеси и ее концентрации N:

ат% мкВ/К см2/В·с см-3 мкВ/К см2/В·с см-она растет с повышением уровня легирования, оставаясь La 0.5 20 3400 2.5 · 1019 58 520 4.2 · при этом заметно ниже концентрации примесных ионов.

La 1.0 13 2100 4.0 · 1019 38 330 8.7 · Донорное действие Gd в сравнении с другими примесями Pr 0.5 – 3800 2.3 · 1019 59 450 5.4 · той же концентрации наиболее слабое, невелико оно и Pr 1.0 17 1900 4.5 · 1019 40 320 1.0 · у Sm при концентрации 0.5 ат%; гораздо значительнее Sm 0.5 – – 1.3 · 1019 100 340 1.5 · отличаются по свойствам La и Pr, их донорное действие Sm 1.0 24 3500 2.1 · 1019 44 530 5.8 · в PbTe можно считать одинаковым.

Sm 3.0 12 1200 5.3 · 1019 23 140 1.9 · Увеличение концентрации электронов с повышением Sm 5.0 13 300 1.3 · 1020 24 80 2.8 · температуры T является общим свойством исследован- Gd 0.5 33 6300 5.5 · 1018 68 540 2.4 · ных нами образцов (рис. 1 и 2). Как показали измерения Gd 1.0 27 6600 9.3 · 1018 54 320 5.1 · Gd 2.0 13 1500 4.3 · 1019 29 200 1.5 · эффекта Холла при 4.2 K, уменьшение концентрации с Донорное действие редкоземельных металлов в PbTe Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента Холла RH (1–5) и удельного сопротивления (6, 7) для PbTe, легированного La, Pr и Sm; типа примеси и концентрация N, ат%: 1 — La, 0.5; 2 — La, 1.0; 3 — Pr, 1.0; 4, 6 — Sm, 3.0; 5, 7 — Sm, 5.0.

последнем образце электронная концентрация достигает максимальных для образцов PbTe Sm значений, совпадающих с данными [6] (2.8 · 1020 см-3 при 300 K). По данным [6], при дальнейшем увеличении концентрации примеси комнатные значения холловской концентрации становятся ниже.

Коэффицент термоэдс в интервале (77–300) K слабо зависит от температуры, что дополнительно подтверждает температурный рост концентрации электронов в легированных Ln образцах: увеличение термоэдс с температурой за счет явной зависимости S(T) компенсируется ее убыванием вследствие повышения n. Что касается величин коэффициента термоэдс, то было проведено сопоставление их со значениями S для PbTe, легированного галогеном, с той же концентрацией электронов. Общая закономерность такова: при достаточно высокой концентрации электронов величина S в PbTe с редкоземельными элементами при низких T оказывается выше, а при высоких температурах ниже, чем в PbTe с галогеном.

На рис. 3, a этот эффект иллюстрируют соответствующие кривые для образцов разного легирования: PbTe с 1 ат% Pr и PbTe с варьируемой концентрацией йода, обеспечивающей равенство электронных концентраций в обоих материалах при любой температуре из выбранного диапазона. На рис. 3, b дано относительное (SLn/SI) изменение коэффициента термоэдс в зависимости от T Рис. 2. Температурные зависимости коэффициента Холла RH для образцов PbTe разного состава. Видно, что коли- для PbTe, легированного Gd. Концентрация гадолиния N, ат%:

1 —0.5, 2 —1.0, 3 —2.0.

чественные характеристики относительного изменения Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 808 Г.Т. Алексеева, М.В. Ведерников, Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич при 0 K: тот факт, что начальная концентрация электронов существенно меньше концентрации атомов РЗМ, указывает на то, что уровень Ферми стабилизирован примесной полосой, заполнение последней электронами составляет 0 < (1 - n/N) < 1. Увеличение N смещает примесную полосу вверх, так что начальная концентрация электронов в зоне проводимости, равная числу дырок в примесной полосе, увеличивается. Однако, коэффициент заполнения примесных состояний при этом может остаться и на прежнем уровне: так, в образцах с 0.5 и 1.0 ат% Gd коэффициент заполнения примесных состояний даже при 77 K близок к 1 и практически одинаков (0.93).

При повышении температуры расстояние между примесной полосой и дном зоны проводимости увеличивается, что приводит к росту энергии Ферми EF и концентрации электронов. Расчет положения примесной полосы Ei (без учета ее уширения) производился с помощью уравнения нейтральности:

N n =. (1) exp[(EF - Ei)/kT ] +Расчет EF в зависимости от n был выполнен в рамках двухзонной (кейновской) модели непараболичности в предположении отсутствия влияния легирования на ее параметры. После подстановки EF в формулу (1) были получены температурные зависимости Ei, представленные на рис. 4. Отступление от линейности при T, близкой к комнатной, связано с прекращением роста концентрации свободных электронов в сильно легированных образцах, что может быть вызвано уменьшением емкости примесной полосы вследствие перехода части примесных атомов в иные структурные позиции под Рис. 3. Температурные зависимости коэффициента термоэдс влиянием роста T. Величина скорости температурноS (a) и отношения коэффициентов термоэдс SLn/SI при легиго смещения Ei, соответствующая линейным участкам ровании PbTe редкоземельными металлами и йодом (b). Тип и кривых, изменяется в пределах (1-4.5) · 10-4 эВ/К в концентрация примеси N, ат%: 1 — Pr, 1.0; 2 —I, (1.0–0.8);

3 — Gd, 1.0; 4 — Pr, 1.0; 5 — La, 5.0. зависимости от состава образцов, т. е. имеет тот же порядок, что и скорость температурного изменения ширины запрещенной зоны Eg. Исключением является термоэдс в PbTe Ln определяются видом и концентрацией примеси. В зависимости от температуры эффект ведет себя немонотонно. Максимальное увеличение S во всех образцах наблюдается при T, близких к комнатной;

при высоких T зависимости достигают минимума либо стремятся к нему, при этом отклонение от 1 заметно меньше. При 85 K относительное изменение термоэдс в PbTe с Gd меньше по сравнению с другими образцами.

В этом эффекте, по-видимому, находит отражение более слабое донорное действие этого элемента при низких температурах.

Полученную совокупность экспериментальных данных можно интерпретировать в рамках модели примесных резонансных состояний, энергетическое положение коРис. 4. Энергия примесных состояний в зависимости от темторых относительно дна зоны проводимости зависит от пературы в PbTe, легированном редкоземельными металлами.

вида и концентрации примеси, и от температуры. Первые Тип и концентрация примеси, N, ат%: 1 — Sm, 5.0, 2 — Sm, 3.0, два фактора определяют положение примесной полосы 3 — Gd, 2.0, 4 — Pr, 1.0, 5 — Gd, 1.0, 6 — La, 0.5, 7 — Gd, 0.5.

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № Донорное действие редкоземельных металлов в PbTe выше середины полосы и электроны с энергиями E < EF рассеиваются сильнее, чем электроны с относительно высокими энергиями. В этом случае резонансное рассеяние приводит к увеличению абсолютного значения термоэдс S [8]. При значениях коэффициента заполнения K < 0.5 рассеиваются преимущественно электроны с E > EF, и S уменьшается благодаря резонансному рассеянию. Влияние резонансного рассеяния на термоэдс максимально при значениях K в областях значений 0.7-0.8 и 0.2-0.3. Как видно из рис. 5, при низких температурах K > 0.5, и термоэдс в образцах, легированных РЗМ, благодаря резонансному рассеянию по абсолютной величине выше, чем в образцах с галогенами. При этом в случае почти заполненной электронами полосы (0.и 1.0 ат% Gd при 77 K) увеличение S по сравнению с PbTe I иPbTe Pr (где коэффициент заполнения заметно ниже) — сильнее. При повышении T до 200 300 K, вызывающем интенсивную ионизацию примесей, влияние резонансного рассеяния на термоэдс становится максимальным. При еще более высоких T вклад резонансного рассеяния в термоэдс постепенно уменьшается, меняет Рис. 5. Температурное изменение коэффициента заполнезнак и снова возрастает, но уже до гораздо меньшей вения (K) примесной полосы электронами в PbTe, легированном редкоземельными металлами. Тип и концентрация примеси личины из-за существенно возросшей доли рассеяния на N, ат%: 1 — Gd, 1.0; 2 — Pr, 1.0; 3 — La, 0.5.

фононах. Таким образом, хотя точного количественного согласия эксперимента с расчетом достичь не удается, качественно немонотонные температурные зависимости относительных величин S, представленные на рис. 3, b, PbTe La, возможная причина уменьшения Ei с T в этом вполне коррелируют с зависимостью K(T ).

образце будет обсуждена дальше. Разброс данных для В PbTe с 1 ат% Gd равенство SGd = SI наблюдается при dEi/dT может быть следствием того, что, во-первых, не коэффициенте заполнения, близком к 1/2, в то время как принимаются в расчет возможные изменения параметров в PbTe с La и Pr это соответствие нарушено, коэффинепараболичности при легировании и, во-вторых, допусциент заполнения оказывается ниже 1/2. Учитывая это кается, что все примесные атомы формируют примесную обстоятельство, а также то, что начальная концентрация полосу.

электронов в образцах с этими примесями оказывается Наличие квазилокальных примесных состояний в элекгораздо выше, чем в PbTe с Gd, а температурный рост n тронном спектре образцов, легированных РЗМ, котослабее, что обусловливает слабо растущую, а в PbTe с La рые стабилизируют уровень Ферми, приводит к появледаже падающую зависимость Ei(T ), можно полагать, что нию дополнительного, резонансного рассеяния электропри легировании PbTe данными элементами в заметной нов. При 77 K электронная подвижность оказывается в концентрации образуются собственные дефекты донор2–4 раза ниже подвижности в соответствующих образцах ного типа, влияние которых особенно возрастает при PbTe с галогеном [7], при комнатной T это различие понижении T и концентрации РЗМ. Их присутствием не превышает 2.5 раз (исключение составляет образец с можно объяснить и наблюдаемое уменьшение наклона 0.5 ат% Sm), но даже и приT 800 K заметное различие прямых Ei(T ) при уменьшении концентрации Gd от 2 до сохраняется.

Как упомянуто выше в связи с обсуждением экс- 0.5 ат% (кривые 3, 5, 7 на рис. 4).

периментальных данных по холловской концентрации, Работа поддержана программой ”Интеграция”, проект при высоких температурах емкость примесной поло№ 75.

сы, возможно, уменьшается. Это должно приводить к уменьшению резонансного рассеяния. Действительно, на температурных зависимостях сопротивления, предстаСписок литературы вленных на рис. 1 для PbTe, сильно легированного Sm, наблюдаются участки насыщения и даже падения [1] Г.Т. Алексеева, Л.В. Прокофьева, Т.С. Ставицкая. ФТТ, 8, сопротивления при T 500 600 K.

2819 (1966).

Появление при легировании РЗМ резонансного рассе[2] Г.Т. Алексеева, Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прояния ярко демонстрируют и данные по термоэдс. Если кокофьева, Ю.И. Равич. ФТП, 31, 528 (1997).

эффициент заполнения примесной полосы электронами [3] А.Н. Вейс, В.И. Кайданов, С.А. Немов, С.Н. Емелин, K = 1 - n/N больше 0.5, то уровень Ферми расположен А.Я. Ксендзов, Ю.К. Шалабутов. ФТП, 13, 185 (1979).

Физика и техника полупроводников, 1998, том 32, № 810 Г.Т. Алексеева, М.В. Ведерников, Е.А. Гуриева, П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич [4] Л.В. Прокофьева, Е.А. Гуриева, Ш.И. Жумаксанов, П.П. Константинов, Х.Р. Майлина, Ю.И. Равич, Л.С. Стильбанс. ФТП, 21, 1778 (1987).

[5] Т.Н. Виноградова, Е.А. Гуриева, В.И. Жарский, С.В. Зарубо, Л.В. Прокофьева, Т.Т. Дедегкаев, И.И. Крюков. ФТП, 12, (1978).

[6] Р.С. Ерофеев, О.В. Соломатникова. Изв. АН СССР. Неорг.

матер., 10, 423 (1974).

Pages:     || 2 |



© 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.