Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Энергетический спектр и примесные состояния в Pbi.xSnxTe 13
1.1 Нелегированные полупроводники класса А4В6 13
1.2 Характерные проявления примеси In в сплавах Pbi.xSnxTe 17
1.2.1 Стабилизация уровня Ферми вРЬТе(Іп) 17
1.2.2 Примесь индия в Pbi.xSnxTe 20
1.2.3 Долговременные релаксационные процессы в Pbi-xSnxTe(In) 22
1.2.4 Вольт-амперные характеристики 26
1.2.5 Теоретические модели 28
1.2.6 Спектральные характеристики фотопроводимости Pbo.75Sno.25Te(In). 33
1.3 Твердые растворы Pbo.75Sno.2sTe(In) в переменных электрических полях 36
1.3.1 СВЧ-гашение фотопроводимости 36
1.3.2 СВЧ-стимуляция квантовой эффективности 38
1.3.3 Емкость структур на основе эпитаксиальных пленок Pbo.75Sno.25Te(In) 39
Глава II Методика эксперимента 42
2.1 Исследованные образцы 42
2.2 Измерительные установки 44
2.2.1 Измерительные камеры 44
2.2.2 Экспериментальные установки 46
2.3 Ошибки измерений 55
2.3.1 Измерение импеданса 55
2.3.2 Точность измерений 56
Глава III Чувствительность Pbo.75Sn0.25Te(In) к излучению субмиллиметрового диапазона 58
3.1 Экспериментальные результаты 58
3.2 Обсуждение полученных результатов 65
Глава IV Резонанс проводимости в переменных электрических полях 66
4.1 Характеристики исследованных образцов в статических электрических полях 66
4.2 СВЧ-резонанс проводимости 70
4.2.1 Частотные зависимости проводимости при СВЧ-накачке 70
4.2.2 Статические вольт-амперные характеристики при СВЧ-накачке 71
4.2.3 Импульсные вольт-амперные характеристики при СВЧ-накачке 76
4.2.4. Неустойчивости проводимости в режиме СВЧ-резонанса 79
4.3 Обсуждение результатов 84
Глава V Импеданс твердых растворов Pbo.7sSno.2sTe(In) 86
5.1 Тестовые измерения в статическом режиме 86
5.2 Импеданс твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In) 89
5.2.1 Частотные зависимости импеданса 89
5.2.2 Частотные зависимости импеданса в магнитном поле 93
5.2.3 Температурные зависимости импеданса 96
5.2.4 Влияние геометрии измеряемого образца 102
5.3 Обсуждение полученных результатов 105
Глава VI Обсуждение полученных результатов 112
Основные результаты и выводы 120
Литература 122
- Характерные проявления примеси In в сплавах Pbi.xSnxTe
- Твердые растворы Pbo.75Sno.2sTe(In) в переменных электрических полях
- Частотные зависимости проводимости при СВЧ-накачке
- Импеданс твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In)
Введение к работе
Современные тенденции развития физики в области оптоэлектроники направлены, в частности, на увеличение рабочей длины волны соответствующих приборов до десятков и сотен микрон. Субмиллиметровый (терагерцовый) диапазон электромагнитных волн занимает особое место в существующей проблематике. С одной стороны, именно этой спектральной области соответствуют характерные частоты фононов в твердых телах, а также вращательно-колебательных мод тяжелых молекул, что представляет большой интерес для спектроскопических исследований. Более того, большое количество важных задач в совершенно других сферах деятельности связано с исследованием излучения терагерцового диапазона. Это, например, оптическая земная и космическая связь, контроль за состоянием загрязненности атмосферы, медицина, геофизика, ИК-астрономия, криминалистика и многие другие [1-9]. С другой стороны, терагерцовый диапазон электромагнитных волн является, пожалуй, одним из наименее освоенных. Это связано, в основном, с тем, что в этой спектральной области ограничено использование как радиофизических методов - со стороны более длинных волн, так и оптических - со стороны более коротких. В частности, чувствительность существующих приемников излучения субмиллиметрового диапазона существенно ниже, чем приемников инфракрасного и радио - диапазонов.
Исследования фотопроводимости легированных индием твердых растворов на основе теллурида свинца - теллурида олова показали, что эти материалы обладают высокой фоточувствительностью не только в среднем ИК, но и в терагерцовом диапазоне длин волн. Красная граница фотопроводимости в настоящее время не установлена. Высокая электрофизическая однородность этих полупроводников в сочетании с высокой фоточувствительностью позволяет рассматривать их как весьма перспективные материалы для создания оптических детекторов излучения терагерцового диапазона.
Фундаментальный аспект проблемы примесных состояний в рассматриваемых соединениях не менее важен и интересен.
Данной проблеме посвящено довольно много экспериментальных и теоретических работ. Тем не менее, ряд вопросов остается невыясненным, и исследования в этом направлении продолжают оставаться актуальными. Индий в Pbi.xSnxTe проявляет переменную валентность и формирует в энергетическом спектре систему примесных уровней, которые могут располагаться как на фоне разрешенных энергий, так и внутри щели. К основным свойствам, обусловленным особенностями примесной подсистемы, можно отнести стабилизацию положения уровня Ферми (УФ) и наличие долговременных процессов релаксации неравновесных электронных распределений при низких температурах. В настоящее время можно говорить о группе примесей, проявляющих переменную валентность в А4В6. Это элементы III группы: индий, галлий и талий, некоторые переходные и редкоземельные элементы. Все эти примеси стабилизируют положение УФ, однако каждая из них имеет и выраженные индивидуальные черты. Особое внимание к сплавам Pbi.xSnxTe(In) обусловлено тем, что ширина запрещенной зоны в них может плавно варьироваться путем изменения содержания олова вплоть до нуля, а стабилизированный УФ попадает в запрещенную зону в достаточно широком диапазоне составов 0.22<х<0.28. Задержанная фотопроводимость наблюдается при температурах ниже 25 К, при этом времена жизни неравновесных носителей заряда превышают 104с [10]. В эпитаксиальных пленках Pbo.7sSno.25Te(In) была обнаружена чувствительность к излучению с Х.=115 мкм, которая соответствует субщелевой области, при температуре Т=4.2 К [11].
Задержанная фотопроводимость в полупроводниках обусловлена наличием в энергетическом спектре рекомбинационного барьера, природа которого может быть обусловлена разными причинами. В неоднородных полупроводниках появление барьера является следствием пространственного разделения неравновесных носителей заряда на крупномасштабных флуктуациях потенциального рельефа краев зон. В Pbo.7sSno.25Te(In) рекомбинационный барьер не связан с пространственной неоднородностью образца, а обусловлен микроскопическими характеристиками примесных центров. Теоретические аспекты этой проблемы подробно рассматриваются в главе 1. Существование рекомбинационного барьера определяет преимущества и недостатки детекторов, в которых время жизни неравновесных носителей заряда велико. К преимуществам относится высокая фоточувствительность, недостатком является низкое быстродействие. Поэтому разработка методов гашения задержанной фотопроводимости является важной и актуальной задачей. Кроме очевидного, но медленного способа возвратить образец в темновое состояние с помощью нагрева, для образцов Pbo.75Sno.2sTe(In) был разработан метод гашения сигнала задержанной фотопроводимости СВЧ импульсом. Механизм этого процесса остается не вполне понятным. СВЧ импульс, поданный на контакты образца, может приводить не только к гашению задержанной фотопроводимости, но и в определенных условиях стимулировать увеличение квантовой эффективности [12]. При исследовании процесса гашения фотопроводимости в условиях постоянного смещения, сопровождаемого СВЧ накачкой с варьируемой частотой, была выявлена немонотонная зависимость проводимости от частоты СВЧ-поля с явно выраженным максимумом на частоте 250МГц (СВЧ резонанс) [13]. Механизм этого эффекта также остается неясным.
Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о нетривиальном поведении материала в переменных электрических полях. Тем не менее, все характеристики электронного транспорта в основном исследовались в статическом режиме. Работ по изучению Pbi.xSnxTe(In) в переменном электрическом поле крайне мало [14-16], а интерпретация имеющихся экспериментальных данных неоднозначна.
Общая задача работы состояла в исследовании электрофизических свойств твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In) в переменных электрических полях, а также в исследовании их фотопроводимости в субмиллиметровом диапазоне длин волн.
Конкретные задачи включали:
Исследование фотопроводимости твердых растворов Pbo.75Sno.2sTe(In) под действием излучения с длинами волн 176 и 241 мкм.
Исследование эффекта СВЧ-резонанса проводимости при варьировании статического электрического поля, мощности и частоты воздействующего переменного электрического поля-накачки.
Измерение статических и импульсных вольт-амперных характеристик твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In) при воздействии СВЧ-полем с частотами в диапазоне от 50 до 650 МГц различной мощности.
Исследование импеданса твердых растворов Pbo.75Sno.2sTe(In) при варьировании частоты опорного сигнала в диапазоне от 20 Гц до 1 МГц, температуры в интервале от 4.2 К до 300 К, в магнитных полях до 4 Тл.
Исследование влияния геометрического фактора и концентрации индия на импеданс твердых растворов Pbo.75Sno.2sTe(In).
Научная новизна работы и положения выносимые на защиту:
Обнаружена фоточувствительность твердых растворов Pbo.75Sno.2sTe(In) к излучению субмиллиметрового диапазона с длинами волн 176 и 241 мкм. Это указывает на существование энергетических уровней, расположенных непосредственно вблизи дна зоны проводимости. В рамках существующих теоретических представлений эти уровни связывают с метастабильными примесными состояниями.
Исследован эффект низкочастотных диэлектрических потерь, возникающий при температурах 7>25 К и при инфракрасной подсветке при 7=4.2 К в объемных образцах твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In) в частотном диапазоне от 20 Гц до 1МГц. Этот эффект связывается с дополнительным вкладом в поляризацию, обусловленным процессами перезарядки в примесной подсистеме. Определены характерные времена рассасывания зарядовых флуктуации. 3. Исследован эффект СВЧ-резонанса проводимости при варьировании электрического поля, мощности СВЧ-накачки и её частоты. Обнаружена корреляция между частотой, отвечающей появлению резонанса, и характерными частотами рассасывания зарядовых флуктуации, определенными из низкочастотных измерений. Эффект СВЧ-резонанса обсуждается в рамках представлений о колебаниях распределений электронной плотности метастабильных состояний. Научная и практическая ценность работы: Ценность результатов работы заключается в том, что эффекты, полученные при исследовании твердых растворов Pbo.75Sno.2sTe(In), открывают перспективы применения данных материалов в качестве приемников излучения терагерцового диапазона. Длина волны красной границы фотоэффекта таких приемников является наивысшей из известных на сегодняшний день квантовых приемников излучения указанного диапазона. Полученные экспериментальные данные позволяют выбрать наиболее адекватную теоретическую модель для описания примесной подсистемы. Апробация результатов работы: Результаты полученные в данной работе, докладывались на следующих конференциях: Всероссийской молодёжной конференции по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике. (Санкт-Петербург, Россия 2002, 2004, 2005г.), совещании НАНОФОТОНИКА (Нижний-Новгород, Россия 2003, 2006 г.), VI Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург, Россия 2003г.), 27 Международной конференции по физике полупроводников (Флагстафф, США 2004г.),
49 Годовом собрании Общества оптических инженеров (SPIE) (Денвер, США 2004г.), 3 всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, Россия 2005г.), 12 Международной конференции по узкощелевым полупроводникам (Тулуза, Франция 2005г.), 24 конференции по физике низких температур (Орландо, США 2005г.), VII Российской конференции по физике полупроводников (Звенигород, Россия 2003г.), XVI Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Кыштым, Россия 2006), а также на семинарах кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ.
Публикации:
По теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе 2 статьи и 16 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций.
Структура диссертации:
Помимо введения, основных результатов и выводов, данная работа содержит 6 глав. Глава 1 представляет собой обзор литературы, посвященной исследованиям примесных состояний индия в твердых растворах Pbi.xSnxTe(In). Также рассматривается проблемы спектральных измерений и гашения задержанной фотопроводимости в этих соединениях. В главе 2 описаны исследованные образцы и экспериментальные методики, применявшиеся при их исследовании. Здесь же приведено описание калибровки и тестирования прибора, использовавшегося для измерений импеданса исследуемых образцов. Полученные результаты представлены в главах 3-5. В главе 3 представлены результаты исследования фотопроводимости в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Главы 4 и 5 посвящены исследованиям воздействия переменного электрического поля на твердые растворы Pbo.7sSno.25Te(In). Полученные результаты обсуждаются в конце каждой из глав. Глава 6 посвящена обсуждению совокупности экспериментальных данных, полученных различными методами, и их интерпретации в рамках единой концепции.
Характерные проявления примеси In в сплавах Pbi.xSnxTe
Одной из характерных особенностей примесей в халькогенидах свинца является то, что лишь весьма ограниченное число элементов может быть однозначно классифицировано как доноры или акцепторы. При увеличении концентрации этих элементов (галогенов, щелочных металлов) в сплавах теллурида свинца наблюдается рост концентрации свободных носителей заряда пропорционально количеству введенной примеси вплоть до значений 1020 см"3 [33]. При легировании теллурида свинца элементами III группы, в частности индием, наблюдается иная ситуация. Зависимость концентрации носителей заряда от количества введенной примеси является немонотонной. Исходные нелегированные кристаллы, выращенные из стехиометрического расплава, обычно обладают дырочным типом проводимости, с концентрацией дырок р \0п см"3. При введении индия концентрация дырок понижается, наблюдается инверсия типа проводимости, далее концентрация электронов возрастает до « 7-Ю18см"3 (Г=4.2К). Последующее увеличение концентрации индия не приводит к росту концентрации электронов. Кайданов с соавторами [62] предположил, что легирование индием приводит к формированию в зоне проводимости узкой примесной полосы с высокой плотностью состояний, стабилизирующей положение УФ при условии Nin Ni, где Ni - концентрация собственных дефектов.
Дополнительное легирование PbTe(In) обычными донорными или акцепторными примесями, такими как I, Na, практически не влияет на концентрацию свободных носителей заряда до тех пор, пока концентрация легирующей примеси меньше концентрации индия. Прямым экспериментом, подтверждающим стабилизацию уровня Ферми в PbTe(In), было исследование температурных зависимостей коэффициента Холла [62]. Данные, полученные для PbTe(In) качественно отличались от аналогичных зависимостей для теллурида свинца, легированного галогенами или собственными дефектами, с близкими значениями концентрации электронов. Этот эффект был объяснен смещением стабилизированного уровня Ферми по отношению к краю зоны проводимости при изменении температуры. Позже аналогичные результаты были получены для РЬТе(Сг) [62,63] и РЬТе(Т1) [33]. Стабилизация положения уровня Ферми Е/ в энергетическом спектре PbTe(In), т.е. фактическая нечувствительность концентрации свободных носителей к флуктуациям Ni и Nin, при условии Nj„ Nj, приводит к высокой однородности электрофизических свойств кристаллов [62]. Это подтверждают результаты работы [65], в которой приведен вид записи осцилляции Шубникова-де-Гааза (ШдГ) в PbTe(In). Авторам работы [62,65] впервые удалось наблюдать классическое насыщение магнитосопротивления р\Н) в PbTe(In), что также свидетельствует о высокой электрической однородности образцов. Сплавы PbTe(In) со стабилизированным уровнем Ферми, в отличие от нелегированного РЬТе со сравнимыми значениями концентрации свободных носителей заряда п (или р), характеризуются высокими значениями подвижности носителей заряда ц даже в образцах с высокими значениями п. Легирование теллурида свинца индием вплоть до концентраций индия Мп 0.5ат.% не приводит к уменьшению и. В лучших образцах значение подвижности достигало величин порядка 105 CM2B"V1 при температуре жидкого гелия [63,66-68]. Исследования, проведенные в работах [62,65,69-73], показывают, что легирование индием РЬТе до б ат.% не изменяет в первом приближении закона дисперсии зонных электронов и величины Eg. На основании этого факта был сделан вывод о сильной локализации примесных волновых функций, а также об их слабом взаимодействии с зонными волновыми функциями и друг с другом. По оценкам, проведенным в работе [74], радиус локализации примесных волновых функций не превышает 15 А.
Сильное возмущение зонного спектра наблюдается лишь при высоком содержании In в (Pbi.xSnx)i.yInyTe: при ,у 0.04 исчезают и осцилляции ШдГ, и насыщение магнитосопротивления [65,70,75]. При этом наблюдается заметное смещение примесного уровня Et ко дну зоны проводимости, и при х 0.14 амплитуда возмущения сравнивается, по-видимому, с величиной Et. Первые исследования твердых растворов Pbi-xSnxTe, легированных индием, проводились с использованием поликристаллических образцов [76,77] и эпитаксиальных пленок [78-80]. Обнаружено, что в соединениях Pbi.xSnxTe при условии NIn Nt также происходит стабилизация уровня Ферми, причем увеличение концентрации SnTe в сплавах приводит к смещению примесного уровня в сторону запрещенной зоны. При х ж 0 и Т=4.2 К концентрация электронов в зоне проводимости стабилизируется на уровне п « 7 1018сл "3 (УФ стабилизирован в зоне проводимости на расстоянии 70 мэВ от ее дна). С ростом х УФ линейно по Л: смещается в сторону края зоны проводимости и при л: «0.22 пересекает его (Рис. 1.2). В диапазоне концентраций олова 0.22 х 0.28 УФ оказывается стабилизированным в запрещенной зоне [81]. При этом концентрация свободных носителей заряда оказывается ниже 1010 см 3 при температуре жидкого гелия. При х = 0.26 УФ пересекает середину запрещенной зоны и происходит (л-/?)-конверсия типа проводимости. С дальнейшим ростом х, при х«0.28 УФ пересекает потолок валентной зоны, после чего происходит переход в металлическое состояние С /7-ТИПОМ проводимости. Еще одно подтверждение стабилизации уровня Ферми в этих соединениях было получено авторами работы [82]. При наличии стабилизации в сплавах Pbi-xSnxTe(In) уровень Ферми под давлением слабо смещался относительно середины запрещенной зоны. При 0.22 д: 0.28 под давлением наблюдались последовательные переходы металл-диэлектрик-металл [82]. При концентрациях индия больше Ni„ 2 ат.% в сплавах Pbi.xSnxTe(In) с УФ, стабилизированном в запрещенной зоне, наблюдается прыжковая проводимость по примесной полосе, а при Ni„ 20 ат.% происходит переход к проводимости
Твердые растворы Pbo.75Sno.2sTe(In) в переменных электрических полях
Работ по исследованию свойств твердых растворов Pbo.7sSno.25Te(In) в переменных электрических полях на настоящий момент существует немного [12,13, 108,134,14-16]. В работах [14-16] проведены исследования фотоэлектрических явлений в пленках на основе этих материалов, изготовленных в виде встречно-штыревых структур, в электрических полях с частотой 3.3 кГц (см. п.1.3.2). В работах [12,13,134] проводилось исследования воздействия переменного электрического поля с частотами от 50 до 650 МГц на проводимость монокристаллических образцов этих материалов в условиях подсветки. При исследовании эффекта СВЧ-гашения фотопроводимости, были обнаружены эффекты СВЧ-резонанса проводимости (см. п. 1.3.1) и СВЧ-стимуляции квантовой эффективности (см. п.1.3.2). Авторами работ [12,108,134] был разработан метод гашения фотопроводимости с помощью СВЧ-импульсов. Измерения проводились в условиях непрерывной подсветки. Для осуществления гашения образец либо помещался в СВЧ-резонатор, либо СВЧ-импульсы подавались непосредственно на контакты образца. Частота СВЧ-импульсов составляла 250МГц, мощность Р в импульсе - до 0.9 Вт, длительность импульсов - от 10 мкс. После прохождения каждого СВЧ-импульса проводимость падала, достигая "темнового" значения. По всей вероятности, при СВЧ-гашении распределение электрического поля в образце оказывается гораздо более равномерным, чем в случае электротермического гашения и по этой причине в случае СВЧ-гашения полуизолирующее состояние образуется во всем объеме образца. Авторы работы [134] связывают этот эффект с непосредственным взаимодействием СВЧ-излучения с фотовозбужденными электронами, поскольку нагрева кристаллической решетки после окончания СВЧ-импульса не наблюдалось.
Авторами работы [13] были проведены исследования проводимости твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In) при варьировании частоты воздействующего непрерывного СВЧ-поля. Образец, находящийся при температуре 4.2 К, был включен одновременно в две электрические цепи. Одна из них использовалась для измерений проводимости образца по постоянному току, а вторая - для СВЧ-"накачки" образца. Частота СВЧ-генератора линейно изменялась в диапазоне (0-500) МГц. Мощность СВЧ-накачки, подаваемая на образец, составляла -50 мВт, что существенно ниже минимально необходимой для гашения мощности СВЧ-излучения 900 мВт. Измерялась зависимость проводимости образца по постоянному току а от частоты СВЧ-накачки со. В изначальном "темновом" состоянии проводимость отсутствовала во всем диапазоне частот (см. рис. 1.7). По мере увеличения экспозиции инфракрасного излучения, на зависимости о\со) на фоне общего нарастания проводимости появлялся резкий пик. После выключения источника ИК-подсветки проводимость образца медленно релаксировала к темновому значению, однако скорость этой релаксации вне пика была существенно больше, чем в области пика по СВЧ-частоте. Поэтому удавалось достичь состояния, для которого проводимость образца практически отсутствовала для всех частот накачки, в том числе для со=0, исключая область пика. Расположение пика по частоте не зависело от величины приложенного электрического поля, но сильно зависело от магнитного поля. В магнитном поле порядка 4 Тл этот пик наблюдался на частоте со=50 МГц [108]. Кроме того, чувствительность проводимости образца к повторному включению ИК-подсветки при СВЧ-накачке на частоте, соответствующей пику, была гораздо выше, чем для исходного «темнового» состояния образца. В работе [13] не дается сколько-нибудь ясной интерпретации эффекта. Подача СВЧ-импульса на образец приводит не только к гашению задержанной фотопроводимости, но и влияет на кинетику фотоотклика уже после окончания импульса. Как было показано в работе [12], при гашении задержанной фотопроводимости импульсом СВЧ с минимально необходимой для гашения длительностью и интенсивностью, квантовая эффективность г\ (количество электрон-дырочных пар, рождаемых одним световым квантом) сплавов Pbo.75Sno.25Te(In) возрастает до 10 . Вне этого режима гашения величина г 1. Такая повышенная квантовая эффективность наблюдалась только для ограниченного диапазона изменения проводимости а аПОр, а при су оПор скорость нарастания фотопроводимости такая же, как и вне режима СВЧ-стимуляции квантовой эффективности. На качественном уровне объяснение эффекта, предложенное в работе [12], выглядит следующим образом. При приложении достаточно короткого и достаточно маломощного СВЧ-импульса фотовозбужденные электроны переходят не на основное, а на метастабильное примесное состояние. Барьеры, отделяющие эти метастабильные состояния как от зонных, так и от основных локальных состояний, довольно малы {W \ мэВ [135]), поэтому более длительный или более мощный СВЧ-импульс переводит все фотовозбужденные электроны в основное состояние.
Таким образом, приложение короткого и достаточно маломощного СВЧ-импульса приводит к повышенной заселенности примесных метастабильных состояний. Эти локальные состояния гораздо менее локализованы, чем основные [70], так что некоторые из метастабильных центров локализации могут сформировать образования с сильным внутренним взаимодействием. При этих условиях фотовозбуждение электрона с одного из центров такого образования инициализирует лавинное опустошение всех остальных центров, что приводит к росту квантовой эффективности.
Частотные зависимости проводимости при СВЧ-накачке
Исследуемый образец, охлажденный до температуры жидкого гелия, был включен одновременно в две электрические цепи: по одной из них осуществлялось воздействие СВЧ электрическим полем от свип-генератора, обеспечивающего развертку СВЧ по частоте от 50 до 650 МГц при постоянной выходной мощности, другая использовалась для измерения проводимости образца на постоянном токе. Цепи были "развязаны" друг с другом в области частот накачки f 50МГц. Подробно методика измерений изложена в главе 2. В эксперименте регистрировалась зависимость проводимости образца на постоянном токе от частоты и мощности накачки при различных постоянных напряжениях на образце. Исследуемый образец охлаждался в условиях темноты до температуры Т=4.2К. Затем включался источник ИК-подсветки. После выключения подсветки выжидалось определенное время, за которое прекращалась быстрая релаксация проводимости. После этого включалась развертка СВЧ-накачки и регистрировалась эволюция во времени кривой o{f). После подачи на образец СВЧ-накачки наблюдалась медленная релаксация проводимости к темновому значению. Скорость такой релаксации существенно зависела от мощности накачки. На некотором уровне проводимости (который зависел от уровня фотовозбуждения и мощности СВЧ-накачки) релаксация проводимости в частотном диапазоне 250-350МГц прекращалась, не достигнув темнового значения. На остальных частотах наблюдалась дальнейшая релаксация а практически до темнового значения. Результатом этого стала резонансная зависимость проводимости от частоты СВЧ-накачки (см. рис.4.3). Этот эффект воспроизводился при длительном выключении СВЧ-накачки или тока в низкочастотной цепи и повторном их включении.
Амплитуда резонансного пика завесила от уровня фотовозбуждения и мощности СВЧ-накачки. В меньшей степени от этих же параметров зависело и положение максимума СВЧ-накачки по частоте, которое для одного и того же образца менялось в интервале частот 250МГц /р 500МГц. Наиболее часто положение пика наблюдалось на частотах около ,=250, 300, 350, 500МГц. Эти частоты соответствуют максимумам "тонкой структуры" наблюдаемого пика. На рис.4.3. приведены зависимости проводимости образца N0.5-2 от частоты при различных напряжениях на образце и постоянной мощности накачки Р=125мкВт. При изменении напряжения на образце в пределах 5-400мВ амплитуда пика практически не меняется. При больших напряжениях амплитуда пика начинает уменьшаться во времени при прочих постоянных параметрах, что, скорее всего, обусловлено особенностями ВАХ. Исследуемый материал является довольно сложной многопараметрической системой, свойства которой изменяются не только при вариации параметров, но и зависят от последовательности проведения эксперимента. Поэтому перед измерением ВАХ образец каждый раз приводился в начальное состояние. Для этого сначала проводилось охлаждение до гелиевой температуры в темновом состоянии, после чего производилась фотовозбуждение образца АЧТ с температурой 77 К. После выключения подсветки выжидалось определенное время, необходимое для релаксации проводимости до некоторого фиксированного значения, после чего включалась СВЧ накачка.
Измерение статических ВАХ производилось при различных частотах и мощностях СВЧ накачки (см. рис.4.4-4.6). Рис.4.4 Статические вольт-амперные характеристики образца N0.5-2 ((0.3x0.043 х0.39)мм3), снятые после подсветки АЧТ с температурой 77 К без воздействия СВЧ поля (кривая 1) и при накачке мощностью 125мкВт с частотой 250 МГц (кривая 2). Стрелками показано направление изменения тока при вводе и выводе напряжения. Г=4.2К. Рис.4.5 Статические вольт-амперные характеристики образца N0.5-2 (размер), снятые при воздействии переменным электрическим полем мощностью 125 мкВт с частотами 100, 250 и 400 МГц. Стрелками показано направление изменения тока при вводе и выводе напряжения. =4.2 На рис.4.4 представлены статические В АХ образца N0.5-2 без приложенного СВЧ поля и при накачке на частоте 250 МГц с мощностью 125 мкВт. Видно, что воздействие столь малого по мощности переменного поля приводит к увеличению проводимости образца примерно в два раза. При фиксировании напряжения на образце на уровне 0.5 В или выше, наблюдается уменьшение значения тока во времени, что приводит к появлению гистерезиса на статической В АХ при вводе и выводе напряжения. На рис.4.5 показаны статические ВАХ, измеренные при воздействии на образец СВЧ полем разных частот. При частоте СВЧ-накачки близкой \nfv (на которой наблюдался максимум проводимости), ток на восходящей ветви ВАХ имеет наибольшие значения.
В случае больших или меньших частот СВЧ-накачки, значение тока восходящей ветви падает, по мере удаления от /р. Одновременно уменьшается разница между значениями токов восходящей и нисходящей ветвей ВАХ. На рис.4.5 представлены ВАХ при накачке с частотой./=100 МГц различной мощности. При мощности накачки больше 125 мкВт положение восходящей ветви ВАХ от мощности СВЧ-накачки практически не зависит. При меньших значениях мощности (17мкВт) восходящая ветвь лежит значительно выше. При циклировании напряжения, каждый последующий цикл характеризуется меньшими значениями а. Подобные эффекты наблюдаются и при меньших значениях напряжений на образце. Это связано, скорее всего, с разогревом исследуемого образца током, что приводит к релаксации носителей заряда, т.е. электротермическому гашению фотопроводимости [109]. Электротермических эффектов можно избежать, измеряя ВАХ при импульсном изменении напряжения.
Импеданс твердых растворов Pbo.75Sno.25Te(In)
Частотные зависимости импеданса твердых растворов Pbo.75Sno.2sTe(In) были измерены при температурах Г=300К, 77 К и 4.2К. Типичный вид частотных зависимостей компонент импеданса при температуре Г = 4.2К показан на рис.5.3. Общепринятым способом анализа этих зависимостей является графоаналитический метод, основанный на аппроксимации зависимостей Z (f), Z"(f) эквивалентными схемами. Для первичного анализа экспериментальных данных были построены годографы или импеданс-спектры, т.е. зависимости мнимой части импеданса от действительной Z Z"). Для многих видов электрических схем (которые можно использовать в качестве эквивалентных) эти зависимости имеют вид простых геометрических фигур типа полуокружностей, прямых и их комбинации. Поэтому более удобно сначала строить графики в осях действительной-мнимой частей импеданса для определения эквивалентной схемы, а потом, используя её, аппроксимировать частотные зависимости действительной и мнимой частей импеданса. В качестве примера на рис.5.4 представлен годограф импеданса для образца N0.5-3. Годограф представляет собой единичную полуокружность с радиусом 1.05 МОм. Эквивалентной схемой в этом случае является параллельная RC цепочка, для которой частотные зависимости действительной и мнимой частей импеданса выражаются следующими соотношениями: где RpuCp- параметры цепочки, а о = 2я - циклическая частота. При увеличении частоты мнимая и действительная части импеданса стремятся к нулю. Это свидетельствует о том, что в соответствующей эквивалентной схеме отсутствует сопротивление, соединенное последовательно с ЛС-контуром. Следовательно, контакты, подпаянные к образцу, не вносят существенного вклада в величину сопротивления.
При аппроксимации частотных зависимостей импеданса частотными зависимостями для предложенной выше эквивалентной схемы (линии на рис. 5.3) были получены значения параметров і?р=1.05МОм и Ср=2.2 пФ. Из полученного значения параметра Ср можно оценить диэлектрическую проницаемость, используя формулу для емкости плоского конденсатора: где - диэлектрическая проницаемость, S и d - площадь поперечного сечения и расстояние между контактами соответственно; Со в дальнейшем будет называться геометрической емкостью образца. Для полученной емкости 2.2 пФ рассчитанное значение диэлектрической проницаемости составляет 1000, что является вполне разумным значением для материалов на основе теллурида свинца. При более высоких температурах, равно как и при подсветке, исследуемый материал обладает достаточно высокой проводимостью, поэтому частотные зависимости в этих случаях не являются столь же информативными, как при низких температурах в темновых условиях. Годографы импеданса при температурах 300 К, 77 К приведены на рис.5.5. Так как измерения проводились в частотном интервале 20 Гц /" 1 МГц, зависимости Z"(Z ) оказались недостаточно протяженными для того, чтобы использовать их для выбора эквивалентной схемы. Такая же ситуация реализуется в условиях подсветки при температурах ниже 22 К. Получить импеданс-спектр при промежуточных температурах не удалось, так как сопротивление образцов является быстро меняющейся функцией температуры, и даже незначительные флуктуации Г приводят к существенным ошибкам при измерении Z (/) и Исследование частотных зависимостей импеданса твердого раствора Pbo.75Srio.25Te(In) в темновых условиях проводилось также в магнитном поле при температуре Г=4.2К. Годографы импеданса в различных магнитных полях для образца N0.5-2 приведены на рис.5.6, частотные зависимости действительной и мнимой частей импеданса - на рис.5.7. При введении магнитного поля общий вид годографа не меняется представляет собой полуокружность). Значения параметров, полученные при аппроксимации частотных зависимостей импеданса эквивалентной схемой в виде параллельной і?С-цепочки, приведены на вставке рис.5.6. Введение магнитного поля приводит к росту сопротивления, в то время как емкость измеряемого образца остается постоянной. Измерения температурных зависимостей импеданса проводились в темновых условиях и при подсветке на частотах 1, 50, 100 кГц и 1 МГц. Температурные зависимости Rp и Ср, рассчитанные с помощью соотношений (2.1), приведены на рисунках 5.8 - 5.11. На рис.5.8 показаны зависимости рассчитанного сопротивления Rp для образца N0.5-2 при разных частотах. На рис. 5.9 приведены характерные зависимости Rp от обратной температуры для образцов с различной концентрацией индия, измеренные на частоте опорного сигнала/=1 МГц.
Для удобства сравнения и исключения размерного фактора эти зависимости представлены в относительных единицах Rp/RP3oo(lOO/T), где Rp3oo - значение Rp данного образца при температуре Г=300К. Для всех образцов температурные зависимости рассчитанного сопротивления Rp, измеренные на различных частотах опорного сигнала, и измеренные в статическом режиме температурные зависимости сопротивления практически совпадают. Это указывает на допустимость использования параллельной RC цепочки в качестве эквивалентной схемы во всем температурном интервале измерений и при подсветке. Существенно более сложным образом ведут себя температурные зависимости емкости (рис.5.10 и 5.11). Для сравнения данных, полученных для разных образцов, удобнее пользоваться приведенной емкостью С =Ср/Со, исключив геометрический фактор. Для всех исследованных образцов на температурной зависимости С можно выделить два участка. Низкотемпературный участок (7 20К) соответствует относительно малым значениям С и плавному возрастанию емкости с повышением температуры. Высокотемпературный участок (Г 30К) характеризуется быстрым ростом С до аномально высоких значений 105 -107. В промежуточной области температур 20К Г 30 К зависимости lg\рр)-(\00/Т) имеют разрыв, отвечающий смене знака фазы. При повышении температуры выше 30 К фаза сигнала вторично меняет знак.
