WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 2 Резонансный уровень галлия в сплавах Pb1-xSnxTe под давлением © Е.П. Скипетров¶, А.В. Голубев†, В.Е. Слынько Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119992 Москва, Россия † Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (факультет наук о материалах), 119992 Москва, Россия Институт проблем материаловедения Национальной академии наук Украины, 274001 Черновцы, Украина (Получена 20 июля 2006 г. Принята к печати 28 июля 2006 г.) Исследовано влияние давления на электрофизические свойства сплава n-Pb1-x Snx Te (x = 0.21), легированного галлием. Обнаружены уменьшение концентрации свободных электронов с ростом температуры и увеличение концентрации при увеличении давления, свидетельствующие о стабилизации уровня Ферми резонансным уровнем галлия. В рамках двухзонного закона дисперсии Кейна по экспериментальным данным рассчитаны зависимости концентрации электронов и энергии Ферми от давления. Предложена диаграмма перестройки энергетического спектра носителей заряда в Pb1-x SnxTe : Ga под давлением, и определена скорость движения резонансного уровня галлия относительно середины запрещенной зоны под действием давления.

PACS: 71.20.Nr, 71.55.-i, 72.20.My 1. Введение До сих пор экспериментальных данных о движении примесных уровней галлия в сплавах на основе теллурида свинца относительно краев энергетических зон Хорошо известно, что легирование теллурида свинца галлием приводит к возникновению глубокого уров- под давлением было совсем немного, а их интерпретация неоднозначна и в ряде случаев противоречива.

ня EGa, расположенного в запрещенной зоне примерно В первых работах, посвященных этой проблеме [6,7], на 70 мэВ ниже дна зоны проводимости [1,2]. Кроме на основе анализа результатов измерения кинетических того, недавно было показано, что в твердых растворах эффектов делался вывод о том, что в n-Pb1-xGex Te : Ga на основе теллурида свинца (Pb1-xGexTe, Pb1-xSnxTe) (x = 0, 0.03, 0.05) и n-Pb1-xSnxTe : Ga (x = 0.18, 0.30) примесь галлия может индуцировать появление второго при комнатной температуре под действием давления глубокого уровня EGa, расположенного гораздо выше по уровень Ферми сдвигается в сторону валентной зоны, энергии [3–5]. В частности, в PbTe этот уровень должен практически не изменяя своего положения относительно быть резонансным, стабилизирующим уровень Ферми дна зоны проводимости. При этом авторы вообще не в зоне проводимости, а в сплавах Pb1-xSnxTe : Ga — привлекали представления о формировании глубокого подниматься еще выше относительно дна зоны L- с примесного уровня галлия. В то же время полученные ростом содержания олова (x < 0.35) [5].

ими барические зависимости энергии уровня Ферми Для окончательного решения вопроса о стабилизавполне могут рассматриваться как свидетельство сущеции уровня Ферми резонансным уровнем галлия, наствования глубокого уровня галлия, изменяющего свое ходящимся в зоне проводимости, и определения его положение относительно краев зон под действием давэнергетического положения были бы чрезвычайно поления и стабилизирующего уровень Ферми в пределах лезными прямые экспериментальные подтверждения его запрещенной зоны в исследованных диапазонах составов существования. Такие данные могут быть получены и давлений.

при исследовании перестройки энергетического спекИсследование влияния гидростатического сжатия на тра носителей заряда в легированных галлием сплавах гальваномагнитные и осцилляционные эффекты в сплаPb1-xSnx Te под давлением. В отсутствие резонансновах Pb1-xSnxTe : Ga (0.19 x 0.30) n- и p-типа прового уровня в окрестности уровня Ферми концентрация димости при температуре T = 4.2 K показало, что под свободных электронов должна оставаться постоянной и действием давления поисходит уменьшение концентране изменяться под давлением. В случае стабилизации ции электронов и n-p-конверсия в образцах n-типа и уровня Ферми резонансным примесным уровнем перевозрастание концентрации дырок в образцах p-типа [8].

стройка электронной структуры под действием давлеПри этом в области n-p-конверсии наблюдался практиния должна приводить к перераспределению электронов чески скачкообразный переход уровня Ферми из валентмежду зоной проводимости и резонансным уровнем и в ной зоны в зону проводимости, указывающий на отсутконечном счете к изменению концентрации свободных ствие локальных уровней в запрещенной зоне. Позднее электронов.

в [9] при исследовании действия гидростатического ¶ сжатия на электрофизические свойства Pb1-xSnx Te : Ga E-mail: skip@mig.phys.msu.ru Fax: (095) 9328876 (x = 0.19), облученного быстрыми электронами, также 150 Е.П. Скипетров, А.В. Голубев, В.Е. Слынько наблюдались скачкообразные переходы уровня Ферми из 3. Влияние давления зоны проводимости в валентную зону. Однако при увена электрофизические свойства личении потока облучения точка инверсии знака на барической зависимости коэффициента Холла сдвигалась Обнаружено, что во всем исследованном интервав область высоких давлений, а в образце, облученном ле давлений температурные зависимости удельного сомаксимальным потоком электронов = 2 · 1017 см-2, противления и коэффициента Холла (рис. 1) имеют концентрация электронов оставалась постоянной в ин- „металлический“ вид: при понижении температуры сотервале давлений P 16 кбар.

противление уменьшается и выходит на насыщение, коэффициент Холла RH имеет отрицательный знак во Вообще говоря, результаты работ [8,9] не дают прямой всем исследованном диапазоне температур. Однако при информации об энергетическом положении примесных уровней галлия. Однако тот факт, что в облученном мак- повышении температуры коэффициент Холла изменяется аномальным образом: величина RH увеличивается симальным потоком электронов образце концентрация более чем вдвое в исследованном диапазоне температур, электронов не изменялась под давлением, т. е. вела себя что типично для легированных галлием сплавов nтак же, как и в нелегированных кристаллах, позволяет Pb1-xSnx Te и связывается со стабилизацией уровня Ферпредположить, что резонансный уровень галлия распоми резонансным уровнем галлия EGa, расположенным в ложен заметно выше максимального положения уровня зоне проводимости [1,5].

Ферми в облученных электронами кристаллах.

При повышении давления значения удельного сопроВ настоящей работе для получения прямых экспетивления и коэффициента Холла RH во всем темпериментальных доказательств существования резонансратурном интервале уменьшаются, причем величина ного уровня галлия и построения диаграммы перепри T = 4.2 K выходит на насыщение при P > 7кбар.

стройки энергетического спектра носителей заряда в Поэтому холловская подвижность (µH) при гелиевой легированных галлием сплавах Pb1-xSnxTe под действитемпературе составляющая величину 103 см2/В · с, изем давления исследованы гальваномагнитные свойства меняется под давлением немонотонно — сначала увелиn-Pb1-xSnxTe : Ga (x = 0.21), в котором в соответствии с чивается, в области давлений 5–10 кбар проходит через данными, полученными ранее в работе [5], уровень Фермаксимум, а затем уменьшается (рис. 2). При комнатной ми должен быть стабилизирован резонансным уровнем галлия, расположенным высоко в зоне проводимости.

2. Методика эксперимента Монокристаллические образцы n-Pb1-xSnx Te : Ga (x = 0.21) были вырезаны из слитка с номинальными концентрациями олова x = 0.16 и галлия CGa = = 0.4 мол%, синтезированного методом Бриджмена. Методики определения состава матрицы и концентрации примеси в образцах, приготовления образцов к измерениям, а также их основные параметры при T = 4.2K приведены в работе [5].

Для получения гидростатических давлений до 16 кбар использовалась камера высокого давления из термообработанной бериллиевой бронзы [10,11], рабочий канал которой заполнялся передающей давление смесью керосин–масло–пентан. Величина давления в камере при гелиевых температурах определялась бесконтактным индукционным методом по сдвигу критической температуры перехода олова в сверхпроводящее состояние [12].

При каждом давлении измерялись температурные зависимости удельного сопротивления и коэффициента Холла RH в интервале температур 4.2 T 300 K и в магнитных полях B 0.1 Тл. Для контроля обратимости изменения параметров образца в исследованном диапазоне давлений после достижения максимального давлеРис. 1. Температурные зависимости коэффициента Холла ния в камере оно понижалось и аналогичные измерения Pb0.79Sn0.21Te : Ga при различных давлениях. P, кбар: 1 —0.5, проводились при давлении, близком к атмосферному. 2 —4.4, 3 — 10.5, 4 — 15.3.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Резонансный уровень галлия в сплавах Pb1-x SnxTe под давлением 4. Перестройка электронной структуры под давлением Экспериментальные значения коэффициента Холла при гелиевой температуре использованы нами для расчета зависимостей концентрации свободных электронов и энергии Ферми относительно дна зоны проводимости от давления (точки на рис. 3–5). Концентрация электронов, определенная как n = 1/e|RH|, монотонно увеличивается с ростом давления (для сравнения на рис. 3 представлена также зависимость изменения концентрации электронов n(P) - n(0) от давления). Относительное изменение концентрации электронов под давлением невелико — чуть более 30%, но абсолютная величина изменения концентрации довольно значительна и достигает 7 · 1018 см-3. Необходимо отметить, что само по себе изменение концентрации свободных электронов под давлением свидетельствует о присутствии глубокого резонансного уровня в энергетическом спектре носителей заряда и указывает на изменение положения этого уровня относительно дна зоны проводимости и перетекание электронов с резонансного уровня в зону проводимости под давлением.

Рис. 2. Зависимости холловской подвижности электронов в Pb0.79Sn0.21Te : Ga от давления (точки a, b получены при уменьшении давления). T, K: 1 —4.2, 2 — 270.

температуре замедления уменьшения величин и RH под давлением не происходит и максимум на барической зависимости подвижности не наблюдается.

Указанные изменения электрофизических параметров под давлением связаны, очевидно, с переходом через бесщелевое состояние, индуцированное давлением. По нашим оценкам, в исследованном сплаве Pb1-xSnx Te бесщелевое состояние при температуре T = 4.2Kдостигается при P 10 кбар. При переходе через бесщелевое состояние эффективная масса электронов на уровне Ферми проходит через минимум, а подвижность электронов — через максимум. Сдвиг максимума холловской подвижности в сторону меньших давлений от точки перехода в бесщелевое состояние типичен для всех твердых растворов на основе халькогенидов свинца [13,14] и объясняется обычно монотонным сдвигом минимума на барической зависимости эффективной массы на уровне Ферми, связанным с асимметрией этой зависимости в рамках 6-зонных моделей энергетического спектра носителей заряда. При комнатной температуре бесщелевое состояние должно достигаться при существенно более Рис. 3. Зависимости концентрации электронов и извысоких давлениях (P 25 кбар). Поэтому в исслеменения концентрации электронов в Pb0.79Sn0.21Te : Ga от дованном диапазоне давлений максимум подвижности давления (точки a, b получены при уменьшении давлене наблюдается и холловская подвижность электронов ния). Линии — расчет в рамках закона дисперсии Кейна монотонно увеличивается с ростом давления за счет в предположении движения уровня галлия со скоростью уменьшения эффективной массы электронов. d(EGa - Ei)/dP =(1.1 ± 0.5) мэВ/кбар.

Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. 152 Е.П. Скипетров, А.В. Голубев, В.Е. Слынько Энергия Ферми вычислялась по значениям концентарции электронов в рамках двухзонного закона дисперсии Кейна (методика расчета для твердых растворов Pb1-xSnx Te подробно описана в работе [5]). Полученная таким образом зависимость энергии Ферми EF относительно дна зоны проводимости Ec от давления представлена на рис. 4, где также показана теоретическая барическая зависимость ширины запрещенной зоны Eg сплава Pb0.79Sn0.21Te. Хорошо видно, что до точкиинверсиизонв L (в области нормального спектра) энергия Ферми увеличивается, а после точки инверсии зон в L (в области инверсного спектра) — уменьшается.

Изменения энергии Ферми под давлением происходят примерно по линейным законам, но с разными скоростями до и после реализации бесщелевого состояния.

Полученные по экспериментальным данным зависимости концентрации электронов и положения уровня Ферми в Pb0.79Sn0.21Te : Ga от давления позволяют нам предложить следующую модель перестройки энергетического спектра носителей заряда в исследованном сплаве под действием гидростатического сжатия (рис. 5).

При инверсии зон в L в исследованном диапазоне давлений резонансный уровень галлия и стабилизированный им уровень Ферми движутся практически по линейному Рис. 5. Движение уровня Ферми в Pb0.79Sn0.21Te : Ga относительно краев зон в L под действием давления (точка a получена при уменьшении давления). Линии — расчет в рамках закона дисперсии Кейна в предположении движения уровня галлия со скоростью d(EGa - Ei)/dP =(1.1 ± 0.5) мэВ/кбар.

закону, медленно смещаясь вверх по энергии относительно середины запрещенной зоны. Такое поведение уровня Ферми под давлением наблюдалось ранее при исследовании кристаллов Pb1-xSnxTe : In, PbTe : Cr [1,2,15] и, с нашей точки зрения, однозначно подтверждает гипотезу о стабилизации уровня Ферми резонансным примесным уровнем галлия EGa в твердых растворах nPb1-xSnx Te : Ga.

Для определения скорости движения резонансного уровня галлия относительно середины запрещенной зоны Ei под давлением мы провели сравнение экспериментальных данных (точки на рис. 3–5) с теоретическими зависимостями (линии на рис. 3–5), рассчитанными в рамках закона дисперсии Кейна [5]. При этом предполагалось, что перестройка энергетического спектра носителей заряда под давлением происходит в условиях стабилизации уровня Ферми резонансным уровнем галлия, уровень галлия движется по линейному закону относительно середины запрещенной зоРис. 4. Зависимости энергии Ферми и ширины запрещенной ны в L, и варьировалась скорость движения уровня зоны Pb0.79Sn0.21Te : Ga от давления (точка a получена при d(EGa - Ei)/dP. Оказалось, что теоретические зависиуменьшении давления). Линии — расчет в рамках закона мости хорошо согласуются с экспериментальными дандисперсии Кейна в предположении движения уровня галлия со скоростью d(EGa - Ei)/dP =(1.1 ± 0.5) мэВ/кбар. ными, а наилучшего согласия теории и эксперимента Физика и техника полупроводников, 2007, том 41, вып. Резонансный уровень галлия в сплавах Pb1-x SnxTe под давлением удалось добиться при скорости движения уровня галлия [3] E.P. Skipetrov, E.A. Zvereva, L.A. Skipetrova, V.V. Belousov, A.M. Mousalitin. J. Cryst. Growth, 210, 292 (2000).

d(EGa - Ei)/dP =(1.1 ± 0.5) мэВ/кбар.

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.