WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 9 Температурные и концентрационные зависимости подвижности носителей заряда в твердых растворах PbTe–MnTe © Е.И. Рогачева¶, И.М. Кривулькин Национальный технический университет „Харьковский политехнический институт“, 61002 Харьков, Украина (Получена 8 мая 2001 г. Принята к печати 18 февраля 2002 г.) Исследованы температурные зависимости (80–300 K) электропроводности ( ), коэффициента Холла (RH) и подвижности носителей заряда (µH) литых и прессованных образцов твердых растворов PbTe–MnTe (0–2.5 мол% MnTe). Для литых образцов µH практически не изменяется в интервале 80–140 K, после чего падает по степенному закону µH = aT. Для прессованных образцов в интервале 100–160 K при повышении температуры наблюдается экспоненциальный рост µH, который объясняется наличием энергетических барьеров высотой Ea, создаваемых окисными пленками на межзеренных границах. На зависимостях µH, и Ea от содержания MnTe в области составов 0.75–1.25 мол% обнаружены аномалии, которые связываются с концентрационным фазовым переходом перколяционного типа.

1. Введение проведения электрофизических измерений из полученных слитков выпиливали образцы в форме параллелепиПолупроводниковые соединения AIVBVI и твердые педов размером 3 3 10 мм3. Для получения прессорастворы на их основе относятся к числу материалов, ванных образцов синтезированные сплавы измельчались широко используемых в оптоэлектронике (в инфракрас- в агатовой ступке на воздухе (средний размер частиц ной области), термоэлектричестве и других областях соответствовал 200 мкм), после чего путем горячего науки и техники [1]. Исследования концентрационных за- прессования при T = 620 K и давлении 4 т/см2 были висимостей свойств (см., например, [2–4]) показали, что изготовлены образцы для измерения в форме параллелев ряде твердых растворов на основе соединений AIVBVI пипедов, которые отжигались в течение 200 ч при 820 K в области малых концентраций примеси ( 1мол%) и охлаждались на воздухе. Измерения электропроводнообнаруживаются аномалии. Мы связываем наличие этих сти и коэффициента Холла RH проводились в постоаномалий с концентрационными фазовыми переходами, янном магнитном поле 1 Тл при постоянном токе через присущими любым твердым растворам и обусловлен- образец. Шесть омических контактов изготавливались из ными переходом от примесного дисконтинуума к „при- индия путем пайки к поверхности образца. Холловская месному конденсату“ [5]. Наблюдаемый эффект требует подвижность рассчитывалась по формуле µH = RH.

всестороннего исследования и должен быть принят во Погрешность измерений и RH не превышала 5%. Все внимание при разработке новых материалов и прогнози- исследуемые образцы имели проводимость p-типа.

ровании свойств твердых растворов. К числу важнейших характеристик полупроводниковых материалов, опреде3. Результаты и обсуждение ляющих в ряде случаев возможности их практического использования, относится подвижность носителей заряХарактер температурных зависимостей RH для лида µH.

тых и прессованных образцов PbTe–MnTe различных Объект настоящего исследования — твердые раствосоставов имеет сходный вид: во всем интервале темры на основе теллурида свинца в системе PbTe–MnTe, ператур наблюдается рост RH c температурой и отноотносящиеся к классу полумагнитных полупроводников, шение R300/R100 составляет 1.1-1.3 (рис. 1). Факт интенсивно исследуемых в настоящее время [6].

незначительного роста RH при повышении температуЦель работы — изучение температурных и концентрары в p-PbTe хорошо известен и обычно связывается ционных зависимостей подвижности носителей заряда.

со сложной структурой валентной зоны, состоящей из двух перекрывающихся подзон с различной плотностью состояний [7]. Носители в нижележащей по энергии 2. Методика эксперимента подзоне имеют меньшую подвижность и роль носителей Сплавы PbTe–MnTe (0–2.5 мол% MnTe) были при- этой подзоны в кинетических эффектах возрастает с поготовлены в ампулах из элементов высокой степени вышением температуры. С учетом наличия тяжелых и чистоты и подвергнуты гомогенизирующему отжигу при легких дырок выражение для вычисления RH имеет вид 820 K в течение 200 ч. В соответствии с результатами 2 2 r p1µ1 + p2µ2 r 1 + f микроструктурного и рентгенографического исследоваRH = =, (1) e (p1µ1 + p2µ2)2 ep1 (1 + f )ний, после указанной термообработки область твердых растворов на основе PbTe составляла 3 мол%. Для где p1 и p2 — концентрации легких и тяжелых дырок ¶ E-mail: rogacheva@kpi.kharkov.ua соответственно, µ1 и µ2 — их подвижности, = p2/p1, Температурные и концентрационные зависимости подвижности носителей заряда... Полученные из зависимостей µH(T ) литых и прессованных образцов значения степенного коэффициента = 1.5-2.9 свидетельствуют о том, что температурный ход подвижности в большинстве образцов не может объясняться только рассеянием на акустических колебаниях решетки, так как в этом случае для невырожденных полупроводников = 3/2, а для вырожденных = 1.

Наблюдаемые в PbTe более высокие значения в настоящее время обычно связываются с наличием температурной зависимости эффективной массы [7], поскольку считается установленным, что основным механизмом рассеяния носителей заряда в PbTe при средних и высоких температурах является рассеяние на акустических фононах. Из полученных в настоящей работе данных Рис. 1. Температурные зависимости коэффициента Холла RH для прессованных сплавов PbTe–MnTe с содержанием MnTe, мол%: 1 —0, 2 —0.5, 3 — 0.75, 4 — 1.25, 5 — 1.75, 6 —2.5.

f = µ2/µ1, r — холл-фактор, зависящий от степени вырождения и механизма рассеяния. Как видно из формулы (1), при увеличении вклада тяжелых дырок с ростом температуры растет и RH. Аналогичный эффект должен наблюдаться и в сплавах PbTe–MnTe, имеющих структуру валентной зоны, идентичную валентной зоне p-PbTe [8].

Как видно из рис. 2, температурные зависимости холловской подвижности носителей заряда существенно различаются для литых и прессованных образцов.

Для литых образцов µH практически не изменяется до 140 K, после чего снижается по степенному закону µH = AT, где значение показателя степени зависит от состава твердого раствора и составляет = 1.5-2.9 (рис. 2, a). Для прессованных образцов при увеличении температуры до 200-220 K наблюдается рост подвижности носителей заряда, затем µH падает по степенному закону, как и в случае литых образцов (рис. 2, b). Построение зависимостей µH(T ) в координатах ln µH = f (1/T ) (рис. 2, b) показало, что до 160 K зависимость носит экспоненциальный характер:

µH exp(- Ea/kT), где Ea — энергия активации.

В интервале температур 100–160 K были рассчитаны значения Ea для прессованных образцов различного состава.

На рис. 3 приведены температурные зависимости литых и прессованных образцов PbTe–MnTe. Электропроводность литых образцов монотонно снижается Рис. 2. Температурные зависимости подвижности носителей с ростом температуры (рис. 3, a), что характерно для заряда µH в твердых растворах PbTe–MnTe. a — литые образцы полупроводников с вырожденным газом носителей тока.

с содержанием MnTe, мол%: 1 — 0, 2 — 0.25, 3 — 0.75, Особенностью зависимостей (T ) прессованных образ4 — 1.25, 5 — 1.75, 6 — 2.25; b — прессованные образцы цов (рис. 3, b) является наличие отчетливо выраженного с содержанием MnTe, мол%: 1 — 0, 2 — 0.5, 3 — 0.75, участка роста в интервале температур 80–220 K. 4 — 1.25, 5 — 1.75.

2 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1042 Е.И. Рогачева, И.М. Кривулькин в приповерхностном слое зерен в результате адсорбции кислорода авторы [9] объясняли инверсию знака термоэдс в мелкодисперсных прессованных образцах PbTe с электронной проводимостью. Авторы [10,11] наблюдали экспоненциальную зависимость µH(1/T ) в области низких температур в пленках PbTe и связывали этот рост с активационной проводимостью, обусловленной наличием потенциальных барьеров на границах зерен.

Согласно [12], для слоя, состоящего из хорошо проводящих кристаллитов, окруженных тонкими изолирующими прослойками, RH определяется концентрацией носителей заряда в кристаллитах, а µH связана с подвижностью носителей в кристаллитах µH0 и с высотой энергетического барьера на границах Ea соотношением µH = µH0e- Ea/kT. (2) В интервале температур 200–240 K возросшая энергия носителей заряда становится достаточной для преодоления ими энергетических барьеров, созданных прослойками на границах зерен прессованных образцов, и µH, как и в случае литых образцов, начинает падать с ростом температуры.

Наблюдаемое различие в значениях и характере температурных зависимостей µH в литых и прессованных образцах показывает, что следует проявлять большую осторожность при интерпретации результатов измерений электрофизических свойств, проводимых на прессованных образцах.

На рис. 4 представлены изотермы холловских подвижностей носителей заряда, полученные для литых (a) и прессованных (b) образцов. Зависимости показателя степени (взятые в области температур, где преобладает рассеяние на акустических колебаниях решетки и сохраняет постоянное значение) и энергии активации Ea (для прессованных образцов) от состава сплавов показаны на рис. 5.

Рис. 3. Температурные зависимости электропроводности Как видно из рис. 4 и 5, на всех изотермах можно твердых растворов PbTe–MnTe. a — литые образцы с содер- выделить три участка. Первый и третий участки (0–0.жанием MnTe, мол%: 1 —0, 2 — 0.25, 3 — 0.75, 4 — 1.25, и 1.25–2.5 мол% MnTe соответственно) характеризуются 5 — 1.75, 6 — 2.25; b — прессованные образцы с содержанием резким падением µH, и Ea, что естественно связать MnTe, мол%: 1 —0, 2 —0.5, 3 — 0.75, 4 — 1.25, 5 — 1.75, с ростом степени дефектности кристаллической решетки 6 —2.5.

и увеличением рассеяния электронов при увеличении содержания Mn. Авторы [13], также наблюдавшие значительное снижение подвижности PbTe при введении видно, что при увеличении концентрации MnTe наблю- Mn, cвидетельствующее о сильном нарушении периодидается тенденция к падению степенного коэффициента.

ческого потенциала решетки, сделали заключение, что Активационный характер подвижности прессованных в отличие от других изовалентных твердых растворов, образцов в интервале 100–160 K может быть связан действие Mn в твердых растворах PbTe–MnTe не может с наличием энергетических барьеров, обусловленных рассматриваться как слабое возмущение.

образованием тонких прослоек окислов на границах На втором участке (0.75–1.25 мол% MnTe) на изотеротдельных зерен. Прессованные образцы готовились из мах µH, Ea и наблюдается аномальный рост указанпорошков, полученных путем измельчения слитков на ных величин, свидетельствуя о качественных измененивоздухе и последующего горячего прессования в воз- ях свойств твердого раствора при изменении содержания душной атмосфере, что могло привести к окислению. примеси. Аналогичные концентрационные аномалии наПо-видимому, именно окисные пленки по границам блюдались нами при исследовании других физических зерен, создавая энергетические барьеры, обусловливают характеристик твердых растворов PbTe-MnTe (коэфнизкие значения µH в прессованных образцах при низ- фициента термического расширения [14], теплоемкоких температурах. Образованием акцепторных уровней сти [15], микротвердости [16]) и связывались (см. [5]) Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Температурные и концентрационные зависимости подвижности носителей заряда... упругих напряжений. Когда этот процесс становится достаточно интенсивным, он может привести к увеличению µH, которое будет продолжаться до тех пор, пока процесс компенсации напряжений не завершится.

Последующее введение атомов примеси приведет к новым искажениям решетки, а следовательно, и к новому падению величины µH. В приближении близкодействия, пользуясь перколяционной теорией [18], можно связать начало роста µH с достижением порога перколяции и критической концентрации xC, при которой впервые образуется так называемый „бесконечный кластер“ — пронизывающая весь кристалл цепочка перекрывающихся деформационных сфер. В рамках этих представлений увеличение подвижности µH с ростом концентрации примеси связано с увеличением плотности бесконечного кластера. Ситуация может быть аналогичной переходу Мотта, когда образование каналов протекания по электронным оболочкам отдельных примесных атомов при определенной их концентрации приводит к появлению электрической проводимости [19].

При некоторых оптимальных составах увеличивается вероятность процессов упорядочения примесных атомов. Несложный расчет показывает, что при 1.0мол% MnTe в твердом растворе PbTe–MnTe возможно упорядоченное распределение примесных атомов по узлам примитивной кубической решетки с периодом a = 3a0, где a0 — параметр элементарной ячейки. Значительный рост величин µH, и Ea в интервале составов 0.75–1.25 мол% MnTe может косвенно указывать на наличие процессов упорядочения, сопровождающих образование примесного континуума.

Рис. 4. Изотермы подвижности носителей заряда литых (a) и прессованных (b) образцов твердых растворов PbTe–MnTe.

c критическими явлениями, сопровождающими концентрационные фазовые переходы, имеющие перколяционную природу. Примесные атомы являются центрами локальных искажений решетки, источниками внутренних напряжений и деформаций, поле которых можно считать близкодействующим [17] и говорить о характерном радиусе деформационного взаимодействия R0.

При малой концентрации примесей, когда выполняется условие l R0 (l — расстояние между примесными атомами), деформационные поля, создаваемые отдельными атомами, практически не перекрываются и вносят Рис. 5. Зависимости энергии активации Ea (3) на участке аддитивный вклад в снижение подвижности. По мере активационной проводимости (100–160 K) прессованных обувеличения концентрации примесей происходит переразцов и показателя степени в температурной зависимости крытие деформационных полей соседних атомов, приподвижности (µH T ) литых (160–300 K, кривая 1) и водящее к частичной компенсации упругих напряжений прессованных (240–300 K, кривая 2) образцов от состава противоположного знака и снижению общего уровня твердого раствора PbTe–MnTe.

2 Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1044 Е.И. Рогачева, И.М. Кривулькин 4. Заключение [10] С.В. Пляцко. ФТП, 32, 257 (1998).

[11] В.Д. Окунев, Н.Н. Пафомов. ЖЭТФ, 116 (1), 276 (1999).

В твердых растворах PbTe–MnTe при увеличении [12] R.L. Petritz. Phys. Rev., 104, 1508 (1956).

[13] Б.А. Ефимова, О.А. Казанская, Э.Ф. Косолапова, содержания MnTe от 0.75 до 1.25 мол% обнаружен Л.Е. Москалева. Изв. АН СССР. Неорг. матер., 13, аномальный рост подвижности носителей заряда µH (при (1977).

T 100-300 K), а также показателя степени в темпе[14] E.I. Rogacheva, I.M. Krivulkin, V.P. Popov, T.A. Lobkovskaya.

ратурной зависимости µH T. Эти данные не соглаPhys. St. Sol. (a), 148, K65 (1995).

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.