- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ ..................................... 4
ВВЕДЕНИЕ ............................................... 6
ГЛАВА I. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ
РАСТВОРОВ РЬ,ос 5пх(Те,бе) ....................10
1.1. Кристаллическая структура и некоторые физико-химические свойства ................... 10
1.2. Структура энергетических зон халько-генидов свинщ................................. II
1.3. Сплавы халькогенидов свинпа и олова .... 16
1.4. Магнитная восприимчивость .............. 19
1.5. Структурный фазовый переход............. 24
1.6. Примесные состояния ................... 27
1.7. Постановка задач исследования........... 28
ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Измерение магнитной восприимчивости .... 31
2.2. Методика экспериментального исследования кинетических эффектов в диапазоне температур (4.2 * 450) К........... 36
2.3. Приготовление монокристаллических образцов ..................................... 38
2.4. В ы в о д ы............................. 40
ШВА 3. МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ И ЗОННЫЙ СПЕКТР
ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Рб 1-х 5пл Те .............. 42
3.1. Магнитная восприимчивость твердого раствора РЬо.вг ......
42
- 3 -
стр.
3.2. Обсуждение результатов экспериментальных исследований МВ узкощелевых твердых
растворов РЬьэс йа^ Те .................... 49
3.3. Выводы ....'..................................... 66
ГЛАВА 4. МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ И КИНЕТИЧЕСКИЕ
ЯВИЕНИЯ В РЬ Йе ................................... 68
4.1. Магнитная восприимчивость РЬ йе.................. 68
4.2. Кинетические явления в РЬ Йе..................... 72
4.3. Обсуждение экспериментальных результатов ................................................. 77
4.4. Заключительные замечания .................... 80
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСИ ИВДИЯ НА МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ РЬ,.«. Те 83
5.1. Экспериментальные результаты и их
обсуждение ................................ 89
5.2. Выводы ...................................... 99
ГЛАВА 6. МАГНИТНАЯ ПРИМЕСЬ МАРГАНЦА В УЗКОЩЕЛЕВЫХ
ТВЕРДЫХ РАСТВОРАХ РЬ(ЗС Йа*, Те 100
6.1. Магнитные свойства твердого раствора РЬ10С йа^Те , легированного марганцем .................................................. 102
6.2. Электрические свойства твердого
раствора (РЬ^зс йп.;*)^ Мп.аТе IОб
6.3. В ы в о д ы..................................... 115
Основные результаты диссертационной работы ................ 116
Л и т е р а т ур а ....................................... 118
_ 4 -
Список обозначений
мв - магнитная восприимчивость.
нт - носители тока.
Е% - ширина запрещенной зоны.
У - концентрация носителей тока.
«ЧР С - концентрация электронов и дырок.
О о т - диэлектрическая проницаемость.
Т - температура.
т о - масса свободного электрона.
4і; сп; - поправки к поперечным и продольным эффектив-
Ці, И ным массам дырок ( + ) и электронов ( - ).
- матричные элементы операторов импульса.
м - намагниченность, магнитный момент.
н - напряженность магнитного поля.
„Хріщ, НТ - магнитная восприимчивость решетки и носи-
телей тока.
*(*) - функция распределения электронов по
энергиям.
- уровень Ферми.
Тс - температура фазового перехода.
- удельное сопротивление, расстояние между маг-
г\ нитными центрами, плотность.
а - коэффициент Холла.
Кь - постоянная Больцмана.
П . т /о к \ - двухпараметрический интеграл Ферми-Дирака.
- 5 -
- магнетон Бора.
^ъ - однопараметрический интеграл Ферми.
П_ - приведенный химпотенциал.
- холловская подвижность.
0о - температура Дебая.
- термо - э.д.с.
- химический потенциал, магнитная проницаемость. “2, = -5— - холл-фактор.
•V оо
■С), - деформационный потенциал.
- постоянная Планка.
0 - характеристическая температура Кюри-Вейсса.
К.р - парамагнитный коэффициент Холла.
ОМС - отрицательное магнитосопротивление.
- интеграл обменного взаимодействия.
- плотность состояний на уровне Ферми.
“ функция Бриллюэна.
Рэф - эффективный магнитный момент.
- 6 -
ВВЕДЕНИЕ
Узкощелевые34 полупроводниковые твердые растворы РЬ,.Х (Те, &е ) представляют существенный интерес
как с научной, так и с практической точки зрения. Ширина запрещенной зоны Ц этих соединений может варьироваться путем изменения содержания олова вплоть до Е ^ =0 [^1 } .
Малая ширина запрещенной зоны узкощелевых полупроводников обуславливает ряд свойств, которые существенно отличают их от полупроводников с большой шириной запрещенной зоны. К этим свойствам относятся малая эффективная масса электронов и вследствие этого большая их подвижность, большая величина статической диэлектрической проницаемости, наличие энергетических уровней собственных дефектов в разрешенных зонах.
Особенности ЗОННОЙ структуры твердых растворов РЬ,.х1ЭП*Те, Р&|.х3ахре, высокая однородность монокристаллических слитков по составу дает возможность создавать на их основе приемники с управляемой областью фоточувствительности и лазеры с управляемой длиной волны собственного излучения [2, з] .
Фотоприемники, выполненные на основе РЬ,Х бп^СТе, £>е) имеют лучшую радиационную и термическую стойкость по сравнению с приборами на основе других узкощелевых соединений (например Са,.хИ<^ж. 'Т’е. )
——_
'Узкощелевыми обычно считают полупроводники, у которых ширина запрещенной зоны меньше 0,23 эВ, т.е. меньше чем У За£>Ь.
- 7 -
Эффективность материалов, используемых в приборостроении в значительной мере определяется степенью их легирования. Поэтому важными являются вопросы о состоянии примесей в твердых растворах РЬ(.Х 6а х (Т© , &©
), о их влиянии на физические свойства полупроводниковых материалов.
С этой точки зрения представляется актуальным исследование магнитной восприимчивости (МВ) легированных твердых растворов, поскольку МВ является термодинамической характеристикой, непосредственно отражающей энергетический спектр легированного кристалла. Поэтому она существенным образом зависит от концентрации примеси, формы ее нахождения в кристалле и зарядового состояния.
Основной задачей настоящей работы является определение и уточнение некоторых параметров зонной структуры твердых растворов РЬ,х (Те, 6^) с 04X4 1.
Также проведено исследование поведения примесей индия и марганца в твердом растворе РЬ,.* 6а х Те. в широком интервале изменения состава.
Задачи диссертационной работ-ы определены основным планом научных исследований Института полупроводников АН УССР. Представленные в ней результаты в основном получены автором в процессе выполнения темы "Исследование электронных процессов в узкозонных полупроводниках".
Работа состоит из введения и шести глав.
В первой главе приведен краткий литературный обзор публикаций, связанных с изучением кристаллической структуры, зонного спектра, магнитной восприимчивости, примесных состояний твердых растворов РЬ,.Х 6п.э- (Те, 6© ). В заключение главы
- 8 -
сформулированы задачи исследований.
Вторая глава посвящена описанию методики и техники эксперимента. Дана оценка точности выполненных в диссертационной работе магнитных и электрических измерений. Описан способ изготовления экспериментальных образцов.
В третьей главе представлены результаты исследования
(О 4 х 4 1 ) ♦ Для объяснения полученных экспериментальных данных использована теория Фальковского, построенная в рамках модели Диммока и учитывающая анизотропию зонного спектра и влияние удаленных зон. Установлено, что теория хорошо описывает эксперимент для всего диапазона составов в широком интервале концентраций носителей тока и температур.
В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования магнитных и электрических свойств РЬбе. Показано, что особенности температурных зависимостей магнитной восприимчивости, коэффициента Холла, термо-э.д.с. молено объяснить включением оптических фононов при Т ~ 200 К, что приводит к изменению температурной зависимости ширины запрещенной зоны.
В пятой главе изучено влияние примеси индия на магнитные и электрические свойства твердых растворов РЬ^
(х* О.IS; о.ъ>ОЛ)Установлено, что индий находится в заряженном состоянии относительно решетки. Возникающая при структурном фазовом переходе перенормировка зонного спектра приводит к особенностям температурных зависимостей магнитной восприимчивости и коэффициента Холла.
В шестой главе описаны результаты измерений магнитных и электрических свойств , легированных примесью
магнитной восприимчивости твердых растворов
9
марганца. Показано, что между ионами марганца существует обменное взаимодействие. Знак этого взаимодействия определяется концентрацией магнитной примеси Мп и концентрацией носителей тока.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Магнитная восприимчивость твердых растворов
является сильной функцией состава ( 0*Х^1 ), температуры ( 4.2 * 300 ) К и концентрации носителей тока^С 10^*10^)см~^, вследствие малой величины ширины запрещенной зоны.
2. 3 твердых растворах Р&06 $Па/( Те с примесью индия структурный фазовый переход происходит при температуре ~ 40 К.
3. В твердых растворах РЬ4.Х Те ^ 3 , индий
находится в двух зарядовых состояниях и .
4. В кристаллах ( РЬад йпО6)09 МпомТе между ионами Мп+ существует ферромагнитное упорядочение с энергией обменного взаимодействия Н* 2эВ.
- 10 -
ГЛАВА I. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДНХ
РАСТВОРОВ РЬ,.Х £п,с (Те, £>е).
1.1. Кристаллическая структура и некоторые физико-химические свойства.
Теллурид и селенид свингр. в природе существуют в естественном состоянии в виде минералов клаусталита и алтаита, но эти минералы редки, и образцы достаточно высокого качества приготовляются синтетически.
Рассматриваемые вещества обычно готовят прямым синтезом очищенных элементов. Монокристаллы получают либо осаждением из паровой фазы, либо методом Бриджмена-Стокбаргера. Степень отклонения состава от стехиометрического можно контролируемым образом изменять, регулируя давление пара элемента У1 группы во время роста кристалла или в процессе отжига после выращивания. По внешнему виду кристаллы £эпх (^е, £>е^ непрозрачны и обла-
дают характерным металлическим блеском.
Халькогениды свинщ и олова образуют непрерывный ряд твердых растворов. РЬАос (эПас Те имеет кубическую гране центрированную решетку типа С& при любом содержании олова, а РЬ,Х &пх £>е кристаллизуется в решетке _]ч/а СЕ/ лишь при X < 0,45 . Элементарная ячейка содержит 2 атома. Координационное число для металла и халькогена равно 6.
Если не принимать в расчет примесные атомы, то концентрация носителей тока (НТ) в образцах халькогенидов свинца определяется практически всегда имеющимся отклонением состава от стехиометрического. Введение избыточного свинщ приводит к г\. - типу
- II -
проводимости, а избыточного теллура к р - типу. Период решетки С1о в твердых растворах РЬ,.*. изменяется в за-
висимости от состава [4]
си ( РЬ,Х Те) - си Те) * 0,х)
При этом период решетки ё>П.Те зависит от концентрации
О
дырок Р (см“ ) согласно эмпирической формуле:
Си (6а Те) = 6,Ъ2.7-4/МОв25р [_А°1
В твердом растворе РЬ(ос. &е период решетки изменяется от 6,12 А0 для РЪ до 6,08 А0 для сплава с
X = 0,40 [51 .
В РЬ,х^хТе
величина диэлектрической пронипдемости сильно зависит от состава и температуры и находится в пределах
6о (300 К) = 300-600, 6?0 ( 4 К) = Ю3-Ю4 [5,б] .
Температурная зависимость (Т) описывается законом Кюри-Вейса, что сближает эти вещества с сегнетоелектриками.
По характеру связи халькогениды свинпа и олова относятся к полупроводникам со смешанной ионно-ковалентной связью.
1.2. Структура энергетических зон халькогенидов
свинца
Для расчета зонной структуры халькогенидов свинца и других соединений типа с узкими запрещенными зонами ис-
пользовались методы присоединенных плоских волн, ортогонализи-рованных плоских волн, псевдопотенциала и функций Грина. Результаты расчетов подробно изложены в монографии [ 7) . Энергетические уровни были найдены в точках Г , ^ ,Х,К, \л/
- Київ+380960830922