WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 9 Проводимость твердых растворов Pb1-xSnxTe(In) в переменном электрическом поле © А.Е. Кожанов, А.В. Никорич, Л.И. Рябова¶, Д.Р. Хохлоⶶ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия Институт прикладной физики Академии наук Молдавии, MD-2028 Кишинев, Молдавия (Получена 24 января 2006 г. Принята к печати 31 января 2006 г.) Исследованы частотные и температурные зависимости компонент полного импеданса монокристаллов Pb0.75Sn0.25Te(In) в частотном диапазоне от 20 до 106 Гц в температурном интервале T = 4.2-300 K. Анализ импеданс-спектров проведен в рамках модели эквивалентных схем. Показано, что при T = 4.2 K импедансспектр образца соответствует эквивалентной схеме параллельного RC-контура. Рассчитанные параметры контура соответствуют значению диэлектрической проницаемости материала 1000 при низких температурах. Повышение концентрации свободных носителей заряда, индуцированное либо нагревом образца, либо подсветкой, осуществляемой при температурах ниже Tc 25 K, приводит к существенному возрастанию емкостного вклада в проводимость. Показано, что увеличение этого вклада не может быть связано с фазовым переходом. Рассматривается возможность увеличения емкостного вклада в связи с процессами перезарядки в примесной подсистеме, индуцированными переменным электрическим полем.

PACS: 6470.Kb, 72.20.Ht, 77.80.Bh 1. Введение не вполне понятны. СВЧ импульс, поданный на контакты образца, может приводить не только к гашению задерИндий в твердых растворах на основе PbTe-SnTe жанной фотопроводимости, но и в определенных услохарактеризуется переменной валентностью и форми- виях стимулировать увеличение квантовой эффективнорует систему примесных уровней, расположенных как сти [4]. Эти данные свидетельствуют о нетривиальном внутри запрещенной зоны, так и на фоне разрешен- поведении образцов в переменных электрических полях.

ных состояний зоны проводимости [1]. Стабилизация Недостающим звеном в исследовании этих материаположения уровня Ферми и долговременные релакса- лов является отсутствие систематических исследований ционные процессы, наблюдающиеся при температурах электрофизических характеристик твердых растворов в T ниже Tc 25 K, определяют пространственную од- области более низких частот. Для построения целостной картины, отражающей влияние переменных электринородность электрофизических параметров и высокую фоточувствительность образцов. Задержанная фотопро- ческих полей на поведение примесной подсистемы в водимость обусловлена эффектом накопления неравно- условиях теплового равновесия и при фотовозбуждении неравновесных носителей, в данной работе предпринято весных носителей заряда в разрешенной зоне с харакисследование электрофизических характеристик твердотерным временем жизни, достигающим 105 с. Варьируя го раствора Pb0.75Sn0.25Te(In) в электрических полях с соотношение свинца и олова в металлической подречастотой до 1 МГц.

шетке твердых растворов, можно направленно изменять положение стабилизированного уровня Ферми и область спектральной чувствительности. В монокристалличе2. Исследованные образцы ских образцах Pb0.75Sn0.25Te(In) фотоотклик наблюдаети методика измерений ся вплоть до длин волн 240 мкм [2]. С точки зрения создания нетепловых фотоприемников, чувствительных Многокристаллические образцы Pb0.75Sn0.25Te(In) в субмиллиметровой области спектра, данный материал имели форму прямоугольных пластин размером не имеет аналогов.

0.004 0.03 0.04 см (образец 1) и 0.25 0.25 0.09 см Учитывая большие времена жизни неравновесных (образец 2). В меньшем образце 1 ранее было носителей заряда, особенное значение приобретает прообнаружено и исследовано гашение задержанной блема быстрого сброса сигнала остаточной фотопрофотопроводимости СВЧ импульсом [2]. Контакты для водимости. Кроме очевидного, но медленного способа этого образца располагались на торцевых поверхностях возвратить образец в равновесное темновое состояние 0.004 0.03 см. Второй образец имел форму, в большей с помощью нагрева, был разработан метод гашения степени подходящую для измерения емкости (индиевые сигнала импульсом сверхвысокой частоты (СВЧ) [3].

контакты наносились на грани большей площади), и Несмотря на то что технически процесс гашения отрабоявлялся своего рода репером. Измерения были также тан, физические принципы, отвечающие за его механизм, выполнены для серии образцов, близких по размерам к ¶ образцам 1 и 2. Все полученные данные, приводимые в E-mail: mila@mig.phys.msu.ru ¶¶ E-mail: khohlov@mig.phys.msu.ru данной работе, являются хорошо воспроизводимыми.

1048 А.Е. Кожанов, А.В. Никорич, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов Измерения проводились в камере, полностью экранирующей образец от фоновых излучений. Для подсветки использовалась маниатюрная лампа накаливания. Исследование частотных зависимостей компонент полного импеданса осуществлялось LCR-измерителем „Quad Tech 1920“ в диапазоне частот от 103 до 106 Гц с шагом по частоте 103 Гц в области частот до 105 Гц и с шагом 104 Гц — вплоть до 106 Гц при температурах от 4.2 до 300 K. Реальный диапазон достоверных измерений прибора был определен экспериментально с использованием в качестве реперов стандартных наборов сопротивлений и конденсаторов. В качестве измеряемых сигналов регистрировались модуль импеданса и фаза, которые пересчитывались в активную Z и реактивную Z компоненты полного импеданса Z = Z - jZ.

3. Результаты измерений Особенностью исследованных кристаллов является то, что в рассматриваемом диапазоне температур их проводимость изменяется более чем на 7 порядков величины. Поэтому получить достоверные частотные зависимости компонент полного импеданса можно было только в условиях строго фиксированной температуры.

Импеданс-спектр оказался достаточно информативным лишь при температуре жидкого гелия, когда сопротивление образца было максимальным. На рис. 1 представлена зависимость Z (Z ) (годограф импеданса) для образца при T = 4.2 K. Импеданс-спектр представляет собой единичную полуокружность, что, согласно представлениям модели эквивалентных схем [5], соответствует параллельной RC-цепочке (вставка на рис. 1). Сплошная кривая, показанная на рисунке, представляет расчет с Рис. 2. Температурные зависимости сопротивления Rp (a) параметрами Rp = 1.1МОм, Cp = 2.2 пФ. Аналогичный и емкости C (b) от температуры для образца 1 твердого p раствора Pb0.75Sn0.25Te(In), полученные на частотах 1 МГц (1) и 50 кГц (2, 3). Зависимости 1, 2 измерены в условиях экранирования, 3 — в условиях подсветки тепловым источником излучения.

импеданс-спектр был получен и для второго образца, причем изменение параметров эквивалетной схемы было в хорошем соответствии с размерным фактором.

Температурные зависимости модуля импеданса и фазы были измерены при частотах 103, 5 · 103, 104, 5 · 104 и 106 Гц. Анализ полученных данных проводился в предположении, что приведенная выше простая эквивалентная схема может быть использована во всем диапазоне температур, если фаза сигнала соответствует режиму опережения тока. В этом случае параметры RC-контура определяются соотношениями Z 2 Z Рис. 1. Импеданс-спектр, полученный при температуре Rp = Z 1 +, Cp =.

T = 4.2 K для образца 1 твердого раствора Pb0.75Sn0.25Te(In).

Z RpZ Сплошная кривая — расчет при Rp = 1.1МОм, C = 2.2пФ.

p На рис. 2, a приведены температурые зависимости Rp, На вставке — эквивалентная схема, соответствующая данному спектру. полученные на частотах 5 · 104 и 106 Гц. ЗависимоФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Проводимость твердых растворов Pb1-x SnxTe(In) в переменном электрическом поле сти Rp(T ) практически совпадают с температурной зависимостью сопротивления, измеренной в статическом режиме (на рисунке не приведена), и с зависимостью Z (T ). Расхождение кривых Z (T ) и Rp(T ) наблюдаются лишь при T < 15 K и максимальной частоте опорного сигнала 106 Гц.

Существенно более сложным образом ведут себя температурные зависимости емкости Cp (рис. 2, b). При температурах ниже 20 K значение Cp изменяется слабо, а при высоких частотах является практически постоянным. Оценка величины диэлектрической проницаемости с использованием формулы для емкости плоского конденсатора дает значение 1000, что является вполне разумным для твердых растворов на основе теллурида свинца [6]. Повышение температуры приводит к росту концентрации свободных носителей заряда и уменьшению сопротивления образца. Как показали методические Рис. 3. Типичный вид зависимостей приведенной емкости измерения реперных схем со стандартными наборами C /C0 от сопротивления Rp образцов Pb0.75Sn0.25Te(In). Завиp конденсаторов и сопротивлений, измерение емкостей симость 1 получена в темноте, 2 — при подсветке.

порядка единиц пикофарад возможно лишь в том случае, если сопротивление утечки выше 103 Ом. В условиях роста проводимости образца измерение емкостей порядка единиц пикофарад становится недоступным, фаза переход из кубической в сегнетоэлектрическую фазу сигнала меняет знак, что соответствует проявлению наблюдается в Pb1-xSnx Te с большим (x > 0.40) содериндуктивного вклада. На рис. 2, b эта область соответ- жанием теллурида олова при понижении температуры.

ствует уменьшению емкости, и так как данные пред- В SnTe, где фазовый переход изучен достаточно подробставлены в логарифмическом масштабе, зависимость но, повышение концентрации носителей заряда приводит lgCp = f (100/T ) имеет разрыв, отвечающий смене знак понижению температуры фазового перехода. Однако ка фазы при T 20-25 K. Дальнейший рост температуэкспериментально определенная диэлектрическая проры приводит к повторонму изменению знака фазы сигнаницаемость Pb1-xSnx Te(In) близка по величине к дила, отвечающему возрастанию емкости образца. Аналоэлектрической проницаемости нелегированных сплавов гичная тенденция роста емкости наблюдается и при подв кубической фазе именно в области низких темпесветке при низких температурах (см. рис. 2, b, кривая 3).

ратур. Таким образом, чтобы объяснить возрастание Важно, что в разных образцах значения параметра емкостного вклада в проводимость в рамках концепции = RpCp = ( — удельное сопротивление) совпадасегнетоэлектрического фазового перехода нужно предют только в области низких температур. В области выположить, что кубическая фаза существует при низких соких температур разница в значениях для образцов температурах и малых концентрациях, а сегнетофаза с и 2 превышает порядок величины. При T > 50 K для аномально большой диэлектрической проницаемостью образца 1 10-8 с, а для образца 2 — 3 · 10-7 с.

наблюдается в области высоких температур. ПодобУказанные значения остаются практически постоянными ное предположение находится в полном противоречии вплоть до температур T 300 K. Это указывает на с результатами исследований нелегированных сплавов.

то, что при повышении концентрации носителей заряда Более того, в образцах Pb1-xGex Te(Ga), где фазовый формально рассчитанную емкость C нельзя ассоциироp переход действительно имеет место, диэлектрическая вать с емкостью плоского конденсатора и рассчитывать проницаемость имеет резкий пик лишь в узкой области значение статической диэлектрической проницаемости температур вблизи фазового перехода при T = T0. При решетки, пользуясь соответствующей формулой.

T > T0 и при T < T0 значения остаются близкими к 1000 [8]. В связи с этим, анализируя температурные зависимости емкости, видимо, не следует делать вывод 4. Обсуждение результатов о резком возрастании диэлектрической проницаемости Эффект резкого возрастания емкости при повы- решетки, можно лишь констатировать увеличение емкостного вклада в проводимость.

шении температуры и в условиях подсветки ранее был обнаружен в работе [7] при исследовании пле- Для установления механизма, ответственного за вознок Pb1-xSnxTe(In), изготовленных в виде встречно- растание емкостного вклада в проводимость, рассмотштырьевых структур. Измерения проводились на часто- рим представленные на рис. 3 зависимости приведенной те 3.3 · 103 Гц. Авторы объяснили это явление перехо- емкости Cp/C0 (C0 — геометрическая емкость образдом решетки в сегнетофазу при температуре T 20 K. ца, равная отношению площади контактных пластин Однако остается непонятным, какому состоянию образ- к расстоянию между ними) от сопротивления Rp для ца соответствует предполагаемая сегнетофаза. Фазовый образца 1. Кривая 1 получена в темновых условиях Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1050 А.Е. Кожанов, А.В. Никорич, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов при изменении температуры образца, кривая 2 — в [9] J.P. Donnelly, A.G. Milnes. IEEE Trans. Electron. Dev. ED-14, 63 (1967).

условиях подсветки при фиксированной температуре T = 4.2 K. Из приведенных данных следует, что завиРедактор Т.А. Полянская симости Cp(Rp) практически совпадают независимо от того, каким внешним воздействием индуцировано измеConductivity of Pb1-xSnxTe(In) solid нение сопротивления: посредством нагрева образца или solution in alternative electric field подсветкой. По всей вероятности, резкое возрастание емкости обусловлено наличием свободных носителей A.E. Kozhanov, A.V. Nikorich, L.I. Ryabova, заряда, индуцированных либо термической активацией D.R. Khokhlov с примесного уровня, либо посредством фотовозбуждения. Для исследования возможного влияния подвижно- M.V. Lomonosov Moscow State University, 119992 Moscow, Russia сти на величину емкостного вклада в проводимость были The Institute of Applied Physics, проведены измерения импеданс-спектров в магнитных полях до 4 Тл при T = 4.2 K. Анализ полученных дан- Moldavian Academy of Sciences, ных показал, что изменение сопротивления, связанное MD-2028 Kishinev, Moldavia с уменьшением подвижности носителей в магнитном поле, не влияет на определенную из годографа величи

Abstract

Frequency and temperature dependences of the ну Cp.

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.