WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. 1 УДК 621.315.592 Прыжковая проводимость по сильно локализованным примесным состояниям индия в PbTe и твердых растворах на его основе Обзор © Ю.И. Равич, С.А. Немов Санкт-Петербургский государственный технический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия (Получен 24 мая 2001 г. Принят к печати 30 мая 2001 г.) Рассматриваются результаты экспериментального исследования явлений переноса (электропроводности, коэффициентов термоэдс, Холла и Нернста–Эттингсгаузена) в PbTe и твердых растворах Pb1-x SnxTe с большим содержанием примесей In (до 20 ат%) при температурах до 400 K. Многие свойства изучаемых веществ подобны свойствам некристаллических материалов. Анализ экспериментальных данных производится на основе представления о прыжковой проводимости по сильно локализованным примесным состояниям, созданным атомами индия. Объяснены необычные для полупроводников типа AIVBVI температурные зависимости кинетических коэффициентов, изменение знака термоэдс при отрицательном коэффициенте Холла, положительный коэффициент Нернста–Эттингсгаузена. Из экспериментальных данных определены энергия активации прыжковой проводимости, характеризующая эффективный разброс примесных энергетических уровней, эффективный радиус волновой функции и плотность локализованных состояний как функция энергии. Изложению результатов исследования прыжковой проводимости предшествует краткое описание резонансных и глубоких локализованных электронных состояний, создаваемых примесью In в соединениях AIVBVI, особое внимание уделено особенностям примесных состояний в образцах с высокими концентрациями In, где наблюдается прыжковая проводимость.

Введение зоне приводит к низким концентрациям свободных носителей заряда, и в явлениях переноса существенную роль Примеси III группы Периодической таблицы придают играют локализованные состояния, т. е. перенос заряда полупроводникам типа AIVBVI своеобразные свойства, в значительной мере происходит благодаря прыжковой возникающие главным образом благодря образованию проводимости.

глубоких и резонансных примесных состояний электро- При относительно небольших концентрациях индия в нов. Общим эффектом оказывается стабилизация (пин- PbTe (приблизительно до 2 ат%) положение примесных нинг) химического потенциала на примесных уровнях.

уровней относительно дна зоны проводимости постоянно Однако электронные свойства полупроводников, легиро- по всему образцу, и стабилизация уровня Ферми привованных теми или иными элементами III группы, ока- дит к исключительной пространственной однородности зываются совершенно различными. Более того, введе- концентрации электронов, несмотря на наличие знание одной и той же примеси III группы в различные чительного количества неконтролируемых электрически соединения указанного типа не приводит к схожим ре- активных примесей и собственных дефектов, распрезультатам. Различия свойств возникают в зависимости деленных в пространстве неоднородно. Напротив, при от того, в какой области электронного энергетического больших содержаниях индия или в твердых растворах спектра расположены примесные уровни. Так, индий в Pb1-xSnx Te благодаря зависимости энергии примесных PbTe и других халькогенидах свинца создает различные состояний от содержания In и Sn появляются флуктуации состояния в зоне проводимости вблизи ее края, химиче- концентрации электронов, разброс примесных уровней ский потенциал стабилизируется в этой части спектра, и случайный потенциальный рельеф. Поэтому, сохраняя и поэтому индий оказывает донорное действие. Таллий кристаллическую структуру, образцы с большим содерв халькогенидах свинца и тот же индий, но в SnTe, жанием индия приобретают многие свойства неупорядообразуют резонансные состояния внутри валентной зоны ченных систем, в частности ферми-стекол.

и являются акцепторами.

В настоящем обзоре представлены результаты эксНаконец, при добавлении олова в теллурид свинца периментального исследования и теоретического анаэнергия примесных состояний индия смещается к дну лиза явлений переноса в PbTe и твердых растворах зоны проводимости, пересекает ее край, и в твердых Pb0.78S0.22Te с большими содержаниями индия, где прорастворах Pb1-xSnx Te в определенном интервале значе- водимость носит главным образом прыжковый характер.

ний x наблюдаются локализованные состояния в запре- Примесные состояния In сильно локализованы, поэтому щенной зоне. Подобное явление происходит и в PbTe прыжковая проводимость наблюдается при значительно при больших содержаниях индия (порядка 15–20 ат%). более высоких концентрациях примеси и температурах, Стабилизация химического потенциала в запрещенной чем в обычных полупроводниках с мелкими примесными 1 4 Ю.И. Равич, С.А. Немов состояниями (Ge, GaAs и др.). Анализ эксперименталь- акцепторами. Однако наблюдать донорные и акцепторных данных по прыжковой проводимости позволяет най- ные примесные состояния на этих примесных центрах ти такие важные характеристики, как радиус примесных не удается: благодаря высокой диэлектрической прониволновых функций, разброс энергетических уровней и цаемости и малой эффективной массе носителей заряда плотность локализованных состояний. волновые функции мелких кулоновских центров переРассмотрению прыжковой проводимости предшеству- крываются между собой, примесные уровни сливаются ет краткий обзор основных свойств примеси In в PbTe с разрешенной зоной уже при концентрациях примесей и твердых растворах Pb1-xSnxTe. Особое внимание порядка 1013-1014 см-3 [1,5]. Концентрации электричеуделено случаю больших содержаний индия. ски активных дефектов в самых чистых образцах значиСсылки на оригинальные статьи будут приводиться тельно больше этих величин. Высокие концентрации нопо мере изложения материалов, здесь же, во Введе- сителей тока препятствуют наблюдению и исследованию нии, дадим список литературы обзорного характера, где глубоких уровней.

описаны свойства полупроводников типа AIVBVI [1–4], Существенно более сложным оказывается механизм роль примесей III группы в этих соединениях [3–9] и легирования PbTe и его аналогов элементами III группрыжковая проводимость в полупроводниках [10–14].

пы [5,9]. Казалось бы, замещая атомы IV группы, эти примеси должны быть акцепторами, и таллий в халькогенидах свинца действительно является акцептором, од1. Примесные состояния индия нако галлий и индий — донорами. При этом индий в PbTe в теллуриде свинца и твердых оказывает ограниченное донорное действие, а в присутрастворах ствии галогенов компенсирует их донорную активность, проявляя тем самым свойства акцепторов. Акцептором 1.1. Резонансные состояния в PbTe индий является в аналоге PbTe — теллуриде олова.

Исследование резонансных и локализованных состояний Теллурид свинца, как и другие халькогениды свинца, индия в соединениях типа AIVBVI позволило объяснить кристаллизуется в кубической решетке типа NaCl [1–3].

природу сложного донорно-акцепторного действия этой Особенностью PbTe является чрезвычайно высокая примеси [5].

статическая диэлектрическая проницаемость (порядка Существенной особенностью примеси индия в PbTe 102-103 и выше) и существенная (на порядок и более) является ее стабилизирующее действие на химический разница между статической и высокочастотной дэлектрипотенциал, открытое Кайдановым и его сотрудникаческими проницаемостями. Как и все полупроводники ми [5,17,18]. Стабилизация (пиннинг) химического потипа AIVBVI, теллурид свинца получается со значитенциала первоначально была обнаружена и исследована тельными отклонениями от стехиометрии, причем собв процессе изучения зависимости коэффициента Холла ственные дефекты, в том числе вакансии, электрически от температуры, давления, концентрации примеси In, активны: вакансии в подрешетке свинца являются акцепдополнительных примесей I, Na и избыточных Pb и Te.

торами, а в подрешетке теллура — донорами. ОбычНесмотря на необычно высокую растворимость индия в ные концентрации электронов или дырок, возникающие PbTe (до 24 ат% [19]), холловская концентрация электроблагодаря отклонению от стехиометрии, имеют порядок нов не превышает нескольких единиц на 1018 см-3. При 1018-1019 см-3.

температуре 4.2 K измерения в образцах с содержанием Запрещенная зона в PbTe довольно узка: 0.19 эВ при индия y от 0.3 до 2.5 ат% дали одно и то же значение низких температурах, с ростом температуры щель увелихолловской концентрации (7.0 ± 0.1) · 1018 см-3, что чивается, достигая приблизительно 0.32 эВ при 300 K [1].

соответствует уровню Ферми 0.073 эВ. Была обнаружеАбсолютные экстремумы электронной и дырочной зон на сильная и немонотонная температурная зависимость расположены в одной и той же точке k-пространства — коэффициента Холла, а также его сильная барическая на краю зоны Бриллюэна в направлении 111 (точзависимость.

ке L). Изоэнергетические поверхности вблизи экстремумов представляют собой 4 эллипсоида вращения, вы- Все эти закономерности были объяснены существованием частично заполненных квазилокальных (резонанстянутые вдоль осей 111. Эффективные массы вблизи краев зон малы, например, поперечная эффективная мас- ных) примесных состояний индия в PbTe, расположенса электронов у дна зоны проводимости равна 0.024m0, ных при низких температурах на i = 0.07 эВ выше дна продольная в 10 раз больше. Основными механизмами зоны проводимости. При увеличении содержания индия рассеяния носителей тока в халькогенидах свинца при энергия Ферми и концентрация свободных электронов не слишком низких температурах являются полярное и увеличиваются до тех пор, пока уровень Ферми не неполярное рассеяние на оптических фононах и рассея- достигает энергии примесных состояний, после чего ние на акустических колебаниях [15,16]. дальнейший рост концентрации электронов в зоне проАтомы VII группы (галогены), замещая теллур в водимости прекращается, а энергия Ферми стабилизирешетке PbTe, обладают глубоким донорным действием, руется на уровне, соответствующем энергии i. При примеси щелочных металлов, замещая свинец, являются повышении температуры примесные уровни опускаются Физика и техника полупроводников, 2002, том 36, вып. Прыжковая проводимость по сильно локализованным примесным состояниям индия в PbTe... атомов индия в зону проводимости, примесная полоса заполнена наполовину, а емкость примесной полосы равна двум электронам на атом индия. Эта модель пренебрегает взаимодействием электронов на одном примесном центре (энергией Хаббарда U). Несмотря на явно приближенный характер модели, она удовлетворительно объясняет подавляющее число полученных экспериментальных данных, особенно по явлениям переноса.

Измерения на образцах с дополнительным легированием при температуре 4.2 K позволили оценить некоторые параметры примесных состояний. Отсутствие заметного влияния концентрации индия на положение примесных уровней показывает, что даже при содержании индия 2 ат% волновые функции примесных состояний слабо перекрываются. Это означает, что радиус волновой функции по порядку величины не более 10-15, т. е.

примесные состояния сильно локализованы. Описанные далее результаты изучения прыжковой проводимости (разд. 3.1) подтвердили и уточнили этот вывод.

При дополнительном легировании в пределах области стабилизации химический потенциал изменяется не более чем на 3%. Отсюда следует, что уширение резонансРис. 1. Температурная зависимость химического потенциала, ного уровня не превышает 0.005 эВ при содержании полученного из коэффициента Холла [17]. Содержание In, ат%:

индия y = 1 ат%. Далее мы увидим (разд. 1.3), что 1 —0.6, 2, 3 —0.5, 4 —0.1, 5 —1, 6 —3, 7 —6.

ситуация качественно изменяется и полоса примесных состояний резко уширяется, когда содержание индия превосходит 2 ат%.

в запрещенную зону, а при всестороннем сжатии энерМалая ширина пика плотности квазилокальных состогия примесных состояний повышается, в обоих случаях яний обеспечивает очень жесткую стабилизацию химичеувлекая за собой энергию Ферми и соответствующим ского потенциала относительно края зоны проводимости, образом изменяя холловскую концентрацию электронов.

несмотря на неизбежную неоднородность распределения Анализ коэффициента Холла как функции температуры дал температурную зависимость химического потенциала, совпадающего с примесным уровнем, изображенную для нескольких образцов PbTe : In на рис. 1.

Зависимость µ(T ) в основном линейна, температурный коэффициент i/T = -(3 ± 1) · 10-4 эВ / K. При высоких температурах и содержаниях In кажется, что температурная зависимость i ослабляется и даже изменяется на обратную. Мы обсудим правильность обработки экспериментальных данных в этих случаях далее, в разд. 2.

Ярким проявлением стабилизации химического потенциала являются результаты опытов по дополнительному легированию PbTe с индием обычными донорами или акцепторными примесями, не создающими локализованных или резонансных уровней, но изменяющими количество электронов на атомах индия или в разрешенных зонах. Влияние дополнительных примесей иода (донора) и натрия (акцептора) оказалось малым до тех пор, пока концентрация I или Na не достигала концентрации In (рис. 2), после чего холловская концентрация изменялась в соответствии с легирующим действием дополнительной примеси.

Рис. 2. Холловская концентрация электронов как функция Простейшее объяснение этих свойств было дано предсодержания дополнительной примеси I в PbTe : In [18] (теоложенной Кайдановым [5] моделью, основанной на предретическая кривая и экспериментальные точки). T = 77 K, положении, что без учета электронов, перешедших с NIn = 0.9 · 1020 см-3.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |



© 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.