РОЗДІЛ II
МАГНІТНІ ЯВИЩА В НАПІВПРОВІДНИКАХ,
ЩО ОБУМОВЛЕНІ МАГНІТНИМИ ДОМІШКАМИ
І ДЕФЕКТАМИ КРИСТАЛІЧНИХ ҐРАТОК.
2.1 Вступ.
Вивчення багатьох фізичних явищ у кристалах будується на припущенні, що кристали є ідеальними (із ближнім і далеким порядком). Однак, як відзначалося раніше, реальні кристали завжди мають деякі дефекти структури і складу.
Умовну класифікацію дефектів (за їх розмірами і фізичній природі) можна представити в такий спосіб.
До мікродефектів кристалів відносять дефекти атомних розмірів: порожні місця у вузлах ґраток, атоми, зміщені з положення рівноваги, наявність у вузлах хімічно чужорідних атомів і т.п.
До макродефектів відносять дефекти великих розмірів (наявність чужорідної фази, тріщини, зрушення, грубі порушення однорідності в розподілі домішок і т.п.).
До дефектів проміжних розмірів відносять шаруватість у розподілі легуючих домішок (крок якої, у залежності від умов вирощування кристалів, може знаходитися в межах 10-30 мкм), а також херрінговскі статистично розподілені неоднорідності [10] (розмір яких набагато перевищує розмір характеристичних довжин у кристалі, але значно уступає розмірам самого зразка).
В елементарних напівпровідниках і складних напівпровідникових сполуках до числа основних дефектів відносять мікродефекти: нестехіометричність складу, точкові і поверхневі дефекти, домішкові атоми. Їхньому впливу на магнітні властивості присвячено даний розділ.
2.2 Магнітна сприйнятливість напівпровідників.
Серед різних фізичних методів дослідження, що дають відомості, про зонну структуру напівпровідників, магнітна сприйнятливість займає особливе місце. Вона не залежить від механізмів розсіювання. Експериментальні дослідження МС напівпровідника в широкому концентраційному і температурному інтервалі дають можливість виділити її складові: МС кристалічних ґраток, МС носіїв струму і МС дефектів. Магнітна сприйнятливість напівпровідників аддитивно складається з сприйнятливості іонних остовів кристалічних ґраток (як основних компонентів кристалу, так і атомів домішок), включаючи валентні електрони, що утворюють насичені спрямовані хімічні зв'язки (?реш), пара - і діамагнітної сприйнятливості вільних носіїв заряду (?н.т.), сприйнятливості електронів і дірок, що знаходяться на локалізованих рівнях атомів домішок чи у домішковій зоні (?дом.) і магнітної сприйнятливості електронів і дірок, що локалізуються на дефектах ґраток: дислокаціях, границях блоків і зерен і т.д. Отже
? = ?реш. + ?н.т. + ?дом. + ?деф. (2.1)
Сприйнятливість ?реш. можна оцінити за формулою:
?реш. = ?діа. + ?пара. (?) (2.2)
? діа. - діамагнетизм Ланжевена, що розраховується за формулою запропонованою в [1].
?пара. (?) - індукований Ван-Флеківський парамагнетизм, що є нелінійною функцією поляризації атомів ?. Відзначимо, що в напівпровідникових кристалах з ковалентним характером хімічного зв'язку порушується правило аддитивності, внаслідок активної ролі Ван-Флеківського парамагнетизму, коли форма орбіталей сусідніх атомів, що приймають участь у ковалентному зв'язку, далека від сферичної.
Магнітна сприйнятливість носіїв струму є інтегральною характеристикою зонного спектру напівпровідника , тому виділення ?нт. -надзвичайно важливий момент в обговоренні отриманих експериментальних результатів.
Магнітна сприйнятливість вільних електронів (дірок) для параболічного закону дисперсії і довільного ступеня виродження описується за формулою Паулі-Ландау-Пайєрлса
(2.3)
де g - g - фактор вільних носіїв заряду (n);
m0 і m* маса покою й ефективна маса вільних носіїв відповідно;
? = (EF)/(кТ) - приведений рівень Фермі;
- інтеграли Фермі.
У цій формулі перший член виражає парамагнетизм Паулі і пов'язаний з наявністю власного магнітного моменту електронів (дірок), другий - діамагнетизм Ландау-Пайєрлса; він пов'язаний зі зміною руху вільних носіїв заряду в магнітному полі.
2.2.1.Магнітна сприйнятливість вузькощілинних розчинів
телуридів свинцю і олова.
Одним з важливих етапів у розвитку фізики напівпровідників є пізнання закономірностей електронних процесів, що відбуваються в вузькощілинних напівпровідниках. Нетривіальність зазначених процесів у даному класі напівпровідників, насамперед обумовлена малою шириною забороненої зони, значення якої може мінятися від нуля до декількох десятих електронвольт в залежності від складу кристалу. В вузькощілинних напівпровідниках нерідко зустрічаються умови, при яких температурна залежність ширини забороненої зони виявляється одного порядку із самою шириною, коли енергія іонізації домішкових центрів більше ширини забороненої зони чи коли енергія поздовжнього оптичного фонону також більше ширини забороненої зони. Якщо до того ж врахувати, що в вузькощілинних напівпровідниках є звичайним стан виродження газу носіїв у зонах, то стає очевидним, що цей клас кристалів має цілий комплекс властивостей, які важко отримати в звичайних напівпровідниках.
Розглянуті нами вузькощілинні сполуки (PbTe, PbSe, SnTe, GeTe і їх взаємні тверді розчини) мають ряд подібних фізичних властивостей [11].
1. Халькогеніди свинцю кристалізуються в кубічних ґратках типу NaCl. За типом хімічного зв'язку всі ці матеріали відносяться до полярних напівпровідників, зв'язок змішаний, іонно-ковалентно-металевий.
2. Загальною особливістю властивостей розглянутих сполук є висока граткова поляризованість (?0 ~ 102 - 103 і вище) і істотне (на порядок і більш) розходження між статичною і високочастотною ?? діелектричною проникністю.
3. При зниженні температури ?0 підвищується і тверді розчини Pb1-xSnxTe і Pb1-xGexTe піддаються структурному фазовому переходу у ромбоедричну чи ромбічну модифікацію, що мало відрізняються (кут викривлення ? 2 o ) від кубічної.
4. Сполуки AIVВVI кристалізуються зі значними відхиленнями від стехіометрії. Власні дефекти (переважно вакансії) електрично активні. Рівноважні концентрації вакансій частіше ? 10 18 ? 10 19 см -3.
5. Зонні спектри розглянутих напівпровідників у кубічній фазі дуже схожі. Бли
- Київ+380960830922