Оглавление
Введение 5
Глава 1. Современное состояние и проблемы изучения электронных свойств теллурида свинца и твердых растворов на его основе 17
1.1. Общие сведения о строении и свойствах теллурида свинца 17
1.2. Примесные состояния индия в соединениях РЬТе и Pbi_a.Slla.Tc................................................. 23
1.3. Явления переноса в соединениях РЬТе и РЬ і-аЗи^Те, ле-
гированных 1п........................................... 26
1.4. Теория термоэдс в неупорядоченных системах с прыжко-
вой электропроводностью ................................ 37
1.4.1 Температурная зависимость термоэдс при различ-
ных механизмах переноса заряда................... 37
1.4.2 Кинетическое уравнение прыжкового переноса и
методы его решения............................... 40
1.4.3 Температурная зависимость термоэдс в режиме II-
протскания....................................... 46
1.4.4 Температурная зависимость термоэдс в режиме Л-
е-протекания.................................... 53
Глава 2. Явления переноса и плотность локализованных состояний в твердых растворах Pbo.7gSno.22Te, легированных индием 58
2.1. Возможность анализа плотности состояний на основании
температурных зависимостей коэффициента термоэдс и проводимости ............................................. 58
2.2. Методика эксперимента..................................... 64
2.2.1. Технология изготовления опытных образцов ... 64
2.2.2. Методика измерения температурных зависимостей термоэдс и удельной проводимости..................... 66
2.3. Температурные зависимости проводимости и термоэдс в (РЬо 7$8п0 22)0 951по.05Те при дополнительном легировании хлором и таллием........................................... 73
2.4. Расчет плотности примесных состояний индия в (РЬо.788по.22)о.05^п005Те ..................................... 76
2.5 Явления переноса заряда в (РЬолвЗпо^)!«* 1пагТе при низких температурах............................................... 83
2.5.1. Температурные зависимости коэффициента термоэдс и проводимости в (РЬо.783по.22)1_х 1пгТе в низкотемпературной области .................................. 83
2.5.3. Механизмы электропроводности и термоэдс в (РЬолаБпо.зз)]-* 1пхТс при низких температурах 90
2.6. Анализ эффекта Нернста-Эттингсхаузеиа в
(РЬо.788по.22)1-х1пхТе ................................... 95
Глава 3. Электронные свойства аморфных оксидов пере-
.3
ходных элементов 102
3.1. Явления прыжкового переноса в аморфных оксидах пере-
ходных элементов..................................... 102
3.2. Методика экспериментального определения плотности со-
стояний в аморфных высокоомных материалах с прыжковой электропроводностью............................ 116
3.2.1. Возможность определения плотности состояний в
аморфных веществах с сильной локализацией носителей заряда на основании температурной зависимости проводимости........................ 116
3.2.2. Методика изготовления опытных образцов........ 118
3.2.3. Методика измерений............................ 123
3.3. Плотность локализованных электронных состояний и свойства аморфного оксида ниобия......................... 126
Глава 4. Изучение эффектов протекания в неупорядоченных и сильно неоднородных системах при изучении физики конденсированного состояния вещества 134
4.1. Основы теории протекания в учебных курсах как инно-
вация их содержания.................................. 134
4.2. Моделирование в решении задач теории протекания . . 137
4.3. Экспериментальное исследование эффектов протекания 143
Заключение 151
Литература 154
4
Введение
Актуальность. Исследования электронных свойств неупорядоченных систем занимают в последние десятилетия одно из центральных мест в физике полупроводников [1-13]. Это обусловлено как их практической важностью, так и проблемами в развитии теории конденсированного состояния применительно к системам, в строении которых отсутствует дальний порядок. Здесь приходится отказаться от использования ряда основополагающих понятий и представлений зонной теории. Так, понятия квазиимпульса, зон Бриллюэна лишаются смысла; в некристаллических телах не существует строго запрещенных зон энергии. Единственным сохраняющим свою силу понятием является плотность электронных состояний [3]. Это позволяет, в частности, сохраняя для некристаллических тел зонную модель энергетического спектра электронов, определить квазизапрещенные области энергий, где плотность состояний меньше, чем в разрешенных зонах, а состояния электронов локализованы.
Теория неупорядоченных систем указывает на то, что при нахождении уровня Ферми в области локализованных состояний система обладает полупроводниковыми свойствами, причем для широкого круга объектов характерен прыжковый механизм переноса. Электронные свойства таких систем в значительной степени определяются распределением локализованных электронных состояний но энергиям и степенью их заполнения.
Однако возможности экспериментального определения плотности локализованных состояний остаются весьма ограниченными. Особен-
5
но сложной эта задача становится при анализе систем с сильной локализацией носителей заряда, когда одновременно присутствуют и взаимосвязаны различные механизмы локализации.
Результаты теоретических исследований последних лет показывают, что плотность электронных состояний на уровне Ферми может быть получена из анализа температурных зависимостей кинетических коэффициентов прыжкового переноса: проводимости и термо-эдс [14 — 16]. При изыскании способа направленного изменения положения уровня Ферми, по-видимому, из соответствующих экспериментальных данных может быть восстановлена плотность локализованных состояний в зависимости от энергии.
Эта идея реализуется в настоящей работе применительно к анализу плотности примесных состояний индия в кристаллических узкозонных полупроводниках (РЬо^Бпо^г)!-* 1пхТс и плотности локализованных состояний катионов основы в аморфном широкозонном оксиде ниобия. Выбор указанных материалов в качестве объекта исследования обусловлен следующими причинами.
Во-первых, данные материалы представляют два важных типа неупорядоченных систем: примесную систему легированного кристаллического полупроводника и некристаллические вещества.
Во-вторых, для обоих материалов, по имеющимся данным, характерна сильная локализация носителей заряда (малый радиус локализованных состояний) [17,18]. Так, прыжковый перенос в твердых растворах (Pbo.7gSno.22) ]_ж 1пгТе наблюдается при необычайно высоких для полупроводников концентрациях примеси индия (до 20 ат%) [19].
В третьих, прыжковый перенос в данных материалах наблюдается
6
в достаточно широком интервале температур [17. 19], что открывает возможности необходимого анализа и надежной интерпретации экспериментальных данных но температурным зависимостям кинетических параметров.
Наконец, изучаемые в данной работе материалы имеют широкое и важное практическое применение [20. 21].
Цель работы. Поиск возможностей экспериментального определения плотности электронных состояний в неупорядоченных системах с сильной локализацией носителей заряда на основании анализа поведения кинетических коэффициентов прыжкового переноса в зависимости от температуры и их реализация применительно к примесной системе кристаллических легированных полупроводников и некристаллическим веществам.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Анализ информативности и разработка экспериментальных методик, позволяющих определить плотность локализованных электронных состояний в неупорядоченных системах обоих указанных типов.
2. Выбор представительных в классе неупорядоченных систем с сильной локализацией носителей заряда объектов экспериментального исследования.
3. Экспсриментачьное определение плотности локализованных примесных состояний индия в кристаллических твердых растворах (РЬо.твЭпо.гг)!-* 1пгТс.
4. Анализ электронных свойств твердых растворов
7
(РЬо.785по.22)1_* 1пхТе с учетом полученных данных О плотности примесных электронных состояний в этих материалах.
5. Изучение плотности локализованных электронных состояний в аморфном оксиде ниобия в высокоомных субмикронных слоях на поверхности металла и анализ электронных свойств этого материала с учетом полученных данных.
6. Определение возможностей практического использования результатов исследования.
Научная новизна. В отличие от большинства работ, посвященных изучению электронных свойств неупорядоченных систем, в данной работе предпринят анализ плотности локализованных электронных состояний в неупорядоченных системах двух важнейших типов - примесной системе кристаллических полупроводников и некристаллических материалах, - основываясь на едином подходе, состоящем в экспериментальном исследовании температурных зависимостей кинетических коэффициентов прыжкового переноса. Критерием выбора конкретных объектов исследования явилась общность их свойств в части сильной локализации носителей заряда и возможности наблюдения прыжкового переноса в широком диапазоне температур.
Базируясь на проведенном теоретическом анализе информативности температурных зависимостей термоэдс и проводимости при дополнительном легировании полупроводника компенсирующими примесями, из результатов эксперимента восстановлена плотность примесных состояний индия в (РЬо.78^по.22)о95^по.о5Те и определен характер изменения распределения состояний по энергиям в зависимости от
8
концентрации примеси. Обнаруженный значительный разброс локализованных примесных состояний индия по энергиям связан с наличием крупномасштабных флуктуаций потенциала. Полученные здесь результаты использованы для детального анализа закономерностей процессов переноса в изучаемых системах.
Показано, что при сравнительно высоких температурах имеет место прыжковый перенос типа 11-протекания, а при низких температурах - К-б-протсканис, причем требуется учитывать межчастичные корреляции, отвечающие модели Хаббарда с отрицательной корреляционной энергией. Дана интерпретация экспериментальных данных о коэффициенте Нернста-Эттингсхаузена, в которой учитывается реальная глубина залегания примесных уровней и её зависимость от температуры, что улучшает согласие экспериментальных данных с расчетными.
Показано, что для некристаллических материалов с сильной локализацией носителей заряда, для которых характерен переход от активационного поведения проводимости с изменением температуры к закону Мотта, плотность локализованных состояний может быть определена на основании температурной зависимости проводимости в широком диапазоне изменения температур, охватывающем обе её области.
С использованием предложенной методики, включающей в себя изменение положения уровня Ферми посредством направленного воздействия на состав вещества, экспериментально определена плотность локализованных состояний в высокоомных субмикронных слоях оксида ниобия. На основе полученных здесь данных дана интерпретация особенностей поведения электронных свойств этого материала: величины
9
и энергии активации электропроводности, устойчивости параметров к воздействию сильных электрических полей и высоких температур.
Практическая значимость. Развитые в работе представления об электронных свойствах изучаемых материалов могут служить основой для разработки методик анализа технических устройств на их основе, в том числе чувствительных элементов датчиков инфракрасного излучения и оксидных конденсаторов.
Выявленная в работе структурная чувствительность распределения локализованных состояний и степени заполнения их электронами в анализируемых веществах может рассматриваться как основа методик технической диагностики, позволяющих выявить значимые для формирования функциональных свойств приборных систем на их основе особенности строения и поведения при внешних воздействиях.
В работе развита методика обучения студентов факультетов физики в ВУЗах физике неупорядоченных систем в части теории протекания. Сформулированы учебные задания, включающие в себя решение основных задач теории протекания методами физического и компьютерного моделирования, а также натурные эксперименты по изучению электронных свойств структурно-разупорядоченных сильно неоднородных систем. Эти задания использовались при подготовке магистров физики, специализирующихся в области физики конденсированного состояния, а также курсовых и дипломных работ студентами факультета физики РГПУ им.А.И.Герцена.
Основные защищаемые положения
1. Плотность электронных состояний и определяемые сю электрон-
10
ные свойства неупорядоченных систем с сильной локализацией носителей заряда целесообразно изучать, наряду с другими методами, на основании анализа температурных зависимостей кинетических параметров прыжкового переноса при изменении положения уровня Ферми посредством направленного изменения состава вещества.
2. Характер распределения и плотность примесных электронных состояний в кристаллических твердых растворах (РЬолвЗпо.аг)]-* 1пхТе зависят от концентрации примеси; при х ^ 0.05 плотность локализованных состоянии представляет собой пик значительной ширины, связанной с наличием в системе крупномасштабных флуктуаций потенциала.
3. При низких температурах в изученном легированном полупроводнике имеет место прыжковая электропроводность с переменной длиной прыжка; несоблюдение здесь закона Мотта для температурной зависимости проводимости связано с наличием межчастичных корреляций, описываемых в рамках модели Хаббарда с отрицательной корреляционной энергией.
4. В энергетическом спектре электронных состояний аморфного оксида ниобия существует максимум плотности локализованных состояний катионов основы, заполнение которых определяет величину и энергию активации прыжковой электропроводности.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается информативностью и адекватным использованием экспериментальных методик определения кинетических параметров образцов кристаллических легированных полупроводников и аморфных высокоомных полупроводников применительно к анализу плотности состояний и процес-
сов переноса заряда; хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов; наличием соответствующих данных независимых методов анализа элементного состава и плотности занятых состояний в изучаемых материалах; использованием современных представлений физики полупроводников.
Апробация результатов исследования.
Основные результаты работы докладывались на VI 1-ом Межгосударственном семинаре “Термоэлектрики и их применения” (Санкт-Петербург, 2000 г.), Н-ои Всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2000 г.), 8-ой и 9-ой Международных научно-технических конференциях по физике твердых диэлектриков “Диэлектрики-97” и “Диэлектрики-2000” (Санкт-Петербург, 1997, 2000 г.), Научной конференции “Герценовские чтения” (Санкт-Петербург, 1997 г.), Пятой международной конференции “Физика в системе современного образования” (ФССО-99) (Санкт-Петербург, 1999 г.), И-ой международной научно-методической конференции “Новые технологии в преподавании физики: Школа и ВУЗ” (Москва, 2000 г.), Съезде российских физиков-преподавателей “Физическое образование в XXI веке” (Москва, 2000 г.) и неоднократно обсуждались на научных семинарах кафедры общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена.
Публикации. Основное содержание работы отражено в следующих печатных работах:
12
1) С.А.Немов, Д.А.Потапова, Ю.И.Равич, С.Д.Ханин Плотность локализованных состояний в твердых растворах (Pbo.78Siio.22)o.95 *по.05Те. - ФТП, 2001, том. 35, вып. 10, с. 1197-1199
2) С.А.Немов, В.Э.Гасумянц, В.И.Прошин, Ю.И.Равич, Д.А.Потапова Проводимость с переменной длиной прыжка по примесным состояниям In в твердом растворе Pbo.78S1io.22Te -ФТП, 2000, том. 34, вып. 8, с. 926-928
3) С.А.Немов, Ю.И.Равич, Д.А.Потапова, С.Д.Ханин Определение плотности локализованных состояний в твердом растворе (PbojgSiio.22)0.95 b^o.osTe методом прыжковой термоэдс - “Термоэлектрики и их применения”. Доклады VII-ого Межгосударственного семинара (ноябрь 2000 г.), С.-Пб, 2000, ФТИ им.А.И.Иоффе РАН, с. 153-157
4) С.А.Немов, Ю.И.Равич., Д.А.Потапова, С.Д.Ханин Явления прыжковой электропроводности по примесным состояниям индия в твердых растворах Pbo.7sSno.22Te - В кн.: “Физика конденсированного состояния и электроника”, С.-Пб., Изд. РГПУ им.ATI.Герцена, 2000, с.80-87
5) Д.А.Потапова, С.Д.Ханин О возможности анализа плотности состояний в аморфных высокоомных веществах на основании температурной зависимости прыжковой проводимости. - В Междунар. сб. научных ст.: “Физика в школе и ВУЗе”, С.-Пб., “Образование”, 2001, с.150-152.
6) S.A.Nemov, Yu.I.Ravich, D.A.Potapova, C.D.Khanin Determination
13
- Київ+380960830922