Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Сложные полупроводниковые соединения на основе халькогенидов ртути (Литературный обзор) 13
I.I. Общая характеристика халькогенидов ртути 13
1.2. Сплавы халькогенидов ртути с бинарными соединениями группы А -В 14
1.3. Общие физические свойства тройных алмазоподобных полупроводников системы 18
Г.4.;. Общая характеристика сплавов четверных полупроводниковых соединений 25
1.5. Сплавы халькогенидов ртути с тройными соединениями AIBIIIC^: 27
1.6. Дефекты решетки в халькогенидах ртути и сложных соединениях на их основе 29
Выводы 37
Глава II. Методика эксперимента 39
2.1. Получение сложных полупроводниковых соединений на основе халькогенидов ртути 39
2.2. Подготовка образцов для измерений 42
2.3. Методика структурных исследований 46
2.4. Методика электрических,оптических и фотоэлектрических измерений 48
2.5. Методика измерений длинновременных релаксаций проводимости 56
2.6. Погрешности измерений 57
Глава III. Физические свойства твердых растворов 59
3.1. Кристаллическая структура 59
3.2. Распределение состава по объему слитков 64
3.3. Электрические свойства (AgInTe2)x(2HgTe)j x 68
3.4. Спектральные характеристики фотопроводи мости в области края собственного пог лощения 73
3.5. Фотопроводимость в (Ao3InTe2)x(2HgTe)j> x. Экспериментальные результаты 79
3.6. Обсуждение экспериментальных результатов по фотопроводимости 88
Выводы 102
Глава ІV. Влияние внешних воздействий на электрические и фотоэлектрические свойства кристаллов (AgInTe2)x(2HoTe) 104
4.1. Влияние термической обработки на электри ческие свойства 104
4.2. Остаточная проводимость кристаллов при освещении коротковолновым светом 108
4.3. Влияние ультрафиолетового и рентгеновского излучения на электрические свойства
4.4. Кинетика остаточной проводимости при ультрафиолетовом и рентгеновском облучении 119
4.5. Влияние электрического поля на электри ческие свойства кристаллов 120
4.6. Возможные причины особенностей физических свойств (AgInTe2)x(2HgTe)I-x 125
Выводы 135
Основные результаты работы 137
Литература
- Общие физические свойства тройных алмазоподобных полупроводников системы
- Методика структурных исследований
- Электрические свойства (AgInTe2)x(2HgTe)j x
- Остаточная проводимость кристаллов при освещении коротковолновым светом
Введение к работе
Актуальность темы.Общее число элементарных полупроводников невелико;их электрофизические свойства не настолько разнообразны, чтобы удовлетворить требования современной полупроводниковой техники.Число же полупроводниковых соединений практически неограничено и,следовательно,всегда можно найти вещества с нужными для практики свойствами [1.19].
Для поиска новых сочетаний свойств большие возможности представляет группа алмазоподобных полупроводников, в частности, сложные полупроводниковые соединения на основе халькогени-дов ртути,которые на сегодняшний день подучили интересные и важные технические приложения [1.1,2,9].
До настоящего времени,однако,изучались в основном твердые растворы халькогенидов ртути с бинарными соединениями (HgTe-CdTe, HgTe-ZnTe, HgSe-I^Seg и т.п.) то есть тройные соединения.
На основе халькогенидов ртути возможно образование и четверных композиций [1.9] .которые к началу данной работы почти не исследовались. Тем не менее изучение свойств четверных соединений, в частности, соединений, выступающих под общей формулой
Т ТТТ VT ТТ VT к Ъ Сг> - АХ±В , является многообещающим. В данном случае, кроме получения всей гаммы промежуточных свойств можно использовать исключительные свойства одного из соединений, не слишком меняя свойства другого, выбранного в качестве основы. Названные многокомпонентные гетеровалентные алмазоподобные фазы исследованы еще недостаточно, чтобы можно было говорить об их практическом использовании, тем не менее, можно быть уверенным, что оригинальные свойства этих веществ - неупорядоченное располо - жение многих сортов атомов в строгой алмазоподобной структуре, большие области гомогенности при сохранении ряда свойств внутри этих областей, малая теплопроводность,сильная компенсация носителей заряда могут быть выгодно применены в конкретных приложениях [і. 1,9] .
Представление об алмазоподобных полупроводниках, в част -
Т ТТТ VT ТТ VT ности,четверных ABC? - А ХЪ, входящих в общую систему химических соединений, позволит установить связь между веществами различных типов и сможет служить основой для рационального научного поиска материалов.
Цель диссертационной работы заключалась в исследовании электрических,оптических и фотоэлектрических свойств твердых растворов (AgInTe2)x(2HoTe)T х в зависимости от условий выращивания, состава и внешних воздействий.
Научная новизна заключается в получении новых и принципиально важных результатов: I.практически подтверждена возможность получения методами
Бриджмена-Стокбаргера и твердотельной рекристаллизации четвер-ныных соединений на основе халькогенидов ртути: A^InTe2-HoTe,AdGaTe2-H^Te и CuGaSe^-HdSe; 2.исследованные соединения имеют электрические,а также фотоэлектрические и оптические свойства при освещении видимым и ИК светом,подобные известным полупроводникам; 3.электронный тип проводимости и концентрация равновесных носителей заряда в твердых растворах AgInTe-HgTe определяется в основном одним из сортов собственных атомов металлов (Ag,In или Hg),находящихся в междоузлии в результате образования пар Френкеля и играющих роль доноров.Определена энергия ионизации таких доноров; - б -
4.изучены основные закономерности в изменении фототока и времени релаксации фотопроводимости, их природа; 5.обнаружена остаточная проводимость, которая связывается с рождением дополнительных по сравнению с равновесными пар Френкеля при определенных внешних воздействиях на кристалл; 6.обнаружено и исследовано образование выпрямляющих изотипных переходов в результате длительного (несколько часов) облучения образцов при 77 К ультрафиолетовым излучением в присутствии напряжения смещения.
Практическая ценность работы. Экспериментально показана возможность получения новых твердых растворов замещения на основе халькогенидов ртути: Aglifl^-HgTe, AgGaTe2-HgTe, CuGaSep-HgSe при использовании методов Бриджмена-Стокбаргера и твердо -тельной рекристаллизации.
Проведены систематические исследования электрофизических, оптических и фотоэлектрических свойств нового полупроводникового материала (твердого раствора (AgInTep)x(2HgTe)T ), необходимые для создания приборов на их основе.
Результаты исследований свидетельствуют о целесообразности развития исследований, направленных на возможное использование (AgInTe2)x(2HgTe)j_x для изготовления элементов памяти, выпрямляющих переходов и ИК-детекторов.
9еновные положения, выносимые на защиту.
Твердые растворы (AgInTe2)x(2HgTe)j_x от чистого теллурида ртути до 60 мол.% AglnTeg сохраняют структуру сфалерита. Постоянная решетки в этом диапазоне составов линейно уменьшается, а ширина запрещенной зоны увеличивается с составом.
Тип проводимости и концентрация равновесных электронов в области примесной проводимости определяются собственными - 7 -дефектами (междоузельными атомами одного из металлов), создающими мелкие донорные уровни в запрещенной зоне с энергией ~0,05 эВ. Изменение концентрации неравновесных носителей заряда с температурой при облучении светом из области примесного и собственного поглощения связано с рекомбинацией и прилипанием носителей на глубоком (-0,33 эВ) и мелком (-0,05 эВ) донорных уровнях.
В твердых растворах (AgInTe2)x(2HgTe)j при термической закалке или облучении охлажденных до 77 К кристаллов ультрафиолетовым либо рентгеновским излучением возникает остаточная проводимость с временем релаксации 10 ...10 с. 0П обусловлена образованием неравновесных пар Френкеля, что связано с неэквивалентностью химических связей атомов металлов первой, второй и третьей групп с атомами шестой группы. Время релаксации определяется скоростью аннигиляции пар Френкеля, зависящей от температуры.
При длительном (несколько часов) облучении охлажденных до
77 К образцов ультрафиолетовым излучением в присутствии напряжения смещения образуются выпрямляющие п-п+ переходы. Выпрямляющий эффект сохраняется и при отогреве до комнатной температуры. Механизм формирования выпрямляющего перехода состоит в образовании повышенной концентрации френкелевских пар в приповерхностном слое образца и дрейфа их компонентов в электрическом поле.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на У-ом Всесоюзном симпозиуме по полупроводникам с узкой запрещенной зоной (г.Львов, 1980 год); П-ой республиканской конференции по фотоэлектрическим явлениям в полупроводниках (г.Одесса,1982 год); на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Дрогобычского педагогического инсти- тута (по итогам научно-исследовательских работ за 1979... 1984 годы).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 5-ти работах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц, из них 103 машино -писного текста, 45 рисунков и 3-х таблиц.Список цитируемой литературы включает 126 наименований.
Общая характеристика работы. К началу работы не были исследованы такие вопросы,как структура,зависимость ширины запрещенной зоны и проводимости от состава,энергетический спектр примесных и собственных дефектов, их природа и влияние на электрические и фотоэлектрические свойства кристаллов. Отсутствие этих данных не позволяет проводить целенаправленную работу по созданию фоточувствительных элементов с заданными характеристиками.
В работе проведено комплексное исследование таких кристаллов на основе халькогенидов ртути, как (AgIriTe2)x(2HoTe)j_x в области составов 0,30 ^ X ^ 0,60, электронного типа проводимости, включающее рентгенографические исследования и результаты измерений проводимости,эффекта Холла,фотопроводимости, явления остаточной проводимости.
В работе также частично исследованы идентичные названным выше кристаллы (AgGaTe2)x(2HgTe)j_x и (CuGaSe2)x(2HgSe)j_x.
Содержание работы. В первой главе приводится обзор лите -ратуры,в котором рассмотрены физические аспекты сложных полу -проводниковых соединений на основе халькогенидов ртути.Вначале, на основании уже известных данных,дается общая характеристика халькогенидов ртути - бинарных соединений,образующихся при взаимодействии ртути с элементами У1-ой группы - теллуром, се -леном,серой, (HgTe, HgSe и в - HoS). Приведены общие характе -ристики сплавов халькогенидов ртути с бинарными соединения-ми группы А ХВ, дающих тройные соединения. Дальше рассматриваются свойства тройных алмазоподобных полупроводников систе-
Т ТТТ VT мы А В С , как потенциальных крайних компонентов в четверных соединениях с халькогенидами ртути. Рассмотрены характерные закономерности в общих физических свойствах,частично изученных четверных соединений между бинарными и тройными полупроводниковыми соединениями.
Во второй части литературного обзора на основании многих примеров представлены наиболее типичные дефекты решетки в халь-когенидах ртути и сложных соединениях на их основе,поскольку дефекты и несовершенства кристаллов во многих случаях определяют их физические свойства.
Наряду с изложением опубликованных результатов исследований рассматриваемых сложных полупроводников обращено внима -ние на нерешенные проблемы, В результате анализа опубликован -ных данных обоснована тема диссертационной работы и поставлены конкретные задачи исследований.
Во второй главе описаны методы получения кристаллов,под -готовки образцов для измерений, осуществление контактов к образцам. Описана методика измерений электрических, оптических и фотоэлектрических характеристик,установки для измерений фотопроводимости и релаксации фотопроводимости,конструкция криос -тата для оптических измерений при азотных температурах и т.п. Приведены оценки погрешностей измерений физических величин.
В начале третьей главы приводятся результаты рентгенографических исследований кристаллической структуры твердых растворов АІВПІС^І-АІІВУ? Установлено,что в случае(AgInTe2)x(2HgTe}_x и (AgGaTeg) (2HgTe)j в области составов 0,30 ^ X <= 0,70, а в (CuGaSe2)x(2HgSe)j_x в области составов 0,00<Х^0,57 существуют твердые растворы со структурой сфалерита. В материале (CwGaSeg^SHgSeK х в области составов 0,57^ Х^ 0,96 имеет место двухфазная область со структурами сфалерита и халькопирита, что говорит о разрыве растворимости в области упорядочения^ в области составов 0,96 ^ X ^- 1,00 данные твердые растворы кристаллизуются в решетке типа халькопирита.
При исследовании состава пользовались количественным рентгеноспектральним микроанализом (КРСМА).
На основании измерений температурных зависимостей коэф -фициента Холла установлено, что большинство исследованных образцов обладает электронным типом проводимости и значительно меньшее число - дырочным.Эти измерения позволили определить концентрации и подвижности электронов во всей исследованной области температур (77...400 К).Установлены области собствен -ной и примесной проводимости. Наклон зависимостей R (Т ) и Сэ (Т ) в интервале температур 285...400 К,соответствующему области собственной проводимости, увеличивается с составом, что свидетельствует об увеличении ширины запрещенной зоны с ростом X.
Значительная часть главы посвящена исследованиям фотопроводимости (ФП). Образцы AV^Cjj) ~ А " фоточувствительны в области длин волн 1,50<:^< 5,00мкм. Приведены спектральные зависимости Температурные зависимости фототока и кинетики фотопроводимости в области края собственного поглощения в комплексе со спектральными зависимостями Ш и электрическими измерениями дали возможность провести теоретический анализ фотопроводимости. В результате предложена формула, дающая температурную зави -симость фототока 6^.Результаты расчета ta> на.ЭВМ при различных' концентрациях центров прилипания A/t и мелких компенсирующих акцепторных уровней /\/А хорошо согласуются с экспериментальными данными. Это позволило построить модель фотопроводника,в запрещенной зоне которого имеются два энергетических уровня: с энергией 0,05 эВ - уровень прилипания и с энергией 0,33 эВ - глубокий рекомбинационный уровень донорного типа. Четвертая глава посвящена явлениям остаточной проводимости (0П) и длинновременных релаксаций проводимости (ДРП).Явления 0П и ДРП вызнваются резкими изменениями температуры,ультрафиолетовым и рентгеновским облучениями. Такие факты, как: I)возбуждение 0П излучением с энергией квантов в несколько раз превышающей запрещенную зону полупроводника и отсутствие этих явлений при освещении собственным и примесным светом; 2) переход образцов в "диодное" состояние; 3) немонотонная зависимость 0П при температуре жидкого азота от температуры за -калки не позволяют привлечь широко известную модель неоднородного полупроводника в качестве адекватной для описания наблюдаемых закономерностей. Выдвигается предположение,что 0П связана с рождением дополнительных по сравнению с равновесными пар Френкеля,а предполагаемый механизм формирования п+ - п перехода состоит в образовании повышенной концентрации френкелевских пар в припо -верхностном слое образца и дрейфа их компонентов в электричес -ком поле. - ІЗ - Естественно ожидать,что собственная энергия состояния с бло -ховской функцией Tg,которая формируется из 5-подобных волно -вых функций атомов ртути и кадмия повышается быстрее,чем энергия блоховской функции Го,которая образуется из/?- подобных волновых функций теллура. Поскольку зоны IV и Го имеют различ -ную симметрию,они перемещаются независимо и не должны прояв -лять какие-либо особенности вблизи состава X, при котором нас -тупает их вырождение.При образовании твердых растворов зоны Tg можно считать неподвижными,а перестройку зонной структуры рассматривать как результат плавного перемещения зоны Гс относи -тельно зон Го.Как уже упоминалось, GdTe - типичный полупроводник и разность Г - Гд практически совпадает с величиной запрещенной зоны. Из сказанного следует,что в Cd gj Te должен иметь место переход от состояния с бесщелевым энергетическим спектром к состоянию,в котором энергетический спектр электронов имеет запрещенный интервал энергий,характерный для традиционных полупроводников. Отмеченные особенности зонной структуры твердых растворов Ca Hgj Te существенньм образом влияют на их физические свойства. Сведения об электрических свойствах твердых растворов CdHgTe содержатся в работе Верье [2.92]. В работах Бовиной Л.А и Стафеева В.И. [2.7,8] обсужда -ются наблюдаемые при низких температурах особенности гальваномагнитных явлений в CdxHgj_xTe. В настоящее время достигнут высокий уровень в разработке материала названной системы.Существуют различные методы выращивания, включая жидкостную и плазменную эпитаксию [2.27,44,47, 52,76,78,93] . Смешанные кристаллы CdxHgj_xTe легко легируются как в гъ-л так и в р- тип.Типичные донорные примеси - элементы III и УП групп (In,Ga,At и др.) [і.2] .Акцепторные же уровни образуют атомы 1-ой группы (например,Си,Ag).Отклонения от стехиометрии также позволяют получать материал пи р- типов: избыток теллура дает р- тип, а ртути - а-тип проводимости. Для кристаллов CdxHgj_xTe характерна высокая подвижность, которая,например,для состава X = 0,20 имеет значения нескольких сотен тысяч см /В-е при 77 К [2.89,90]. Дырочная подвижность в Cd Hgr хТе невелика, отношение 6 - J e /J4 принимает значение 100. К сегодняшнему дню на основе CcLHgy Те созданы детекторы ИК диапазона спектра излучения на основе эффекта собственной фотопроводимости,фотовольтаического и фотомагнитоэлектрического эффектов,а также получены тонкопленочные элементы и структуры с переменной шириной запрещенной зоны [l.2; 2.3I,45,80,9lJ . Авторы [2.42] представили способ получения р-п переходов в CcLHdr Те с небольшой глубиной их залегания от облучаемой поверхности с высокой квантовой эффективностью с помощью лазерного облучения. На основе изложенного видим,что соединение CdxHdr хТе, полученное на основе теллурида ртути, находит самое широкое применение как в вопросах изучения физики полупроводников,так и практическое. Как уже упоминалось выше, халькогениды ртути являются крайними компонентами целого ряда твердых растворов.В качестве тройных соединений,являющихся вторыми крайними компонентами, нами избраны AgInTe2»AgGaTe2,CuGaSe2. Данные соединения принадлежат к группе алмазоподобных полупроводников,выступающих под общей фррмулой AxBi ХС2 .Формулы таких соединений могут быть получены из формул бинарных соединений посредством горизонтального замещения по периодической системе,причем должно выполняться условие: отношение числа валентных электронов пс к числу атомов Псг, входящих в формулу равно п0/Па = 4 [і.7,9,12] .Например, заменяя Со( в теллуриде кадмия на In,Ag получим соединение AglnTer,; заменяя Zu в селениде цинка на Си и Ga, получим CnGaSe2; заменяя Zn в теллуриде цинка на Ag и Ga, получим AgGraTe2-Bce эти соединения имеют структуру халькопирита, обладающую тетраэдрическими связями (рис.2).В этих случаях в катионной подрешетке сфалерита появляются атомы двух элементов: - вместо Cd - kg и In в первом из рассмотренных примеров; вместо Zu - Оы и Ga - во втором и вместо Zn - Ag и Ge в третьем. В подготовке образцов для электрических и фотоэлектрических измерений можно выделить две стадии: механическую обработку материала и изготовление контактов. Механическая обработка. Из монокристаллической части слитка, выращенного одним из описанных выше методов, вырезались пластины перпендикулярно к оси слитка. Толщина пластины составляла от I до 1,5 мм.Резку производили стальными полотнами толщиной 0,25 мм с использованием суспензии абразивного шлифпорошка MI4 в машинном масле. Удельное давление на полотна не превышало 7 10 Па.Резка слитка диаметром 8 мм при указанном режиме длится 4...5 часов. Образцы для холловских измерений изготовлялись описанным выше способом в форме прямоугольных параллелепипедов с последующей шлифовкой микропорошками MI4, МІО, М7 и полировкой микропорошками М5 и МЗ. Образцы для фотоэлектрических исследований изготовляли двумя способами: выкалыванием пластинок из холловского,предварительно исследованного образца, либо разрезали холловский образец на пластины, посредством вольфрамовой 80-микронной про -волочки с использованием абразивной суспензии.Холловский образец разрезали перпендикулярно к его продольной оси на пластины толщиной 0,5 мм, после чего пластины сошлифовывали на абразивных микропорошках М5 и МЗ до толщины 300...400 мкм.Затем пластины механически полировали порошком МЗ до зеркального блеска и отсутствия отдельных царапин.После полировки пластины промывали с помощью мягкой кисточки мыльной водой,тщательно полоскали бидистилированной водой и высушивали.На свежеприготовленные поверхности образцов наносили контакты. Изготовление контактов. Поскольку результаты гальваномагнитных и фотоэлектрических исследований в значительной мере зависят от качества контактов, вопросу изготовления контактов уделялось большое внимание. При выборе электродных материалов необходимо было удовлетворить ряд требований: сопротивление контактов не должно зависеть от величины и направления протекающего тока; сопротивление контактов должно быть меньше сопротивления исследуемого образца; контакты должны быть механически прочными,надежными и стабильными во времени; материал контакта должен иметь близкий к материалу образца коэффициент термического расширения, быть пластичным и обладать высокой теплопроводностью; температура плавления материала контакта должна быть ниже температуры плавления полупроводникового материала, но значительно выше максимальной температуры исследования. В качестве контактных материалов для (AgInTe2)x(2HgTe)у были исследованы серебро, индий, медь, цинк и сплав кадмий -олово - свинец. Перед нанесением контактного материала поверхность об -разца тщательно полировали и обезжиривали. Серебро наносили катодным либо термическим распылением в вакууме. Медные и цинковые слои осаждались электролитически. Толщина металлических слоев составляла величины порядка 10...50 мкм. К слоям припаивались серебряные либо медные проволочки. Для этого использовали индиевый припой, содержащий 3% серебра. В отдельных случаях проводили формовку контактов импульсами тока величиной А длительность которых составляла 5 мс, частота следования 200 Гц. Такая формовка позволяла уменьшить сопротивление контакта в 1,5...2 раза. О качестве контактов судили по вольтамперным характеристикам (ВАХ), которые снимались на постоянном, либо на импульсном токе. Из этих исследований определялось сопротивление контакта. На рис.8 представлены типичные ВАХ одного из образцов твердого раствора (AoInTe2)x(2HoTe)j_x с X = 0,5 п- типа проводимости с серебрянными контактами, полученные при различных температурах исследуемого образца. Из рисунка видно, что ВАХ контакта линейны в широком интервале температур и токов. Измерены зависимости коэффициента Холла R и удельной электропроводности С образцов твердых растворов (AglnTeg CTgTeK х в слабых магнитных полях в области температур 77...400 К [2.5,14]. Результаты приведены на рис.18,19. Коэффициент Холла отрицательный во всей исследованной области температур.Видно, что изменение R (Т) в образцах различных составов характерно для полупроводников п- типа. При понижении температуры от 400 К коэффициент Холла увеличивается в соот -ветствии с уменьшением собственной концентрации носителей. Наклон R (Т) в этой области закономерно увеличивается с увеличением состава X. Запрещенная зона, определенная по этим экспериментальным данным, изменялась от 0,19 эВ для состава X = 0,34 до 0,42 для состава X = 0,55 (рис.18) [2.15]. По мере дальнейшего понижения температуры коэффициент Холла не зависит от температуры в образцах состава Х- 0,4, вплоть до 77 К, что связано с истощением доноров с малой энергией ионизации. В образцах состава Х 0,40 вслед за областью независимости R (Т) наблюдалось увеличение коэффициента Холла с понижением температуры, что связано с вымораживанием электронов на доноры. Энергия ионизации доноров, определенная по этому участка R (Т) с учетом компенсации примесей, составляет (0,05 ± 0,02) эВ. На температурных зависимостях электропроводности (рис.19) также проявляются участки, присущие области собственной и при -месной проводимости. В образцах с Х 0,40 электропроводность в области примесной проводимости не зависит от температуры. В образцах с Х 0,40, где на зависимости R. (Т) проявилось вымораживание электронов на доноры, электропроводность экспонен -циально уменьшается с понижением температуры. Зависимость холловской подвижности от температуры для X 0,40 имеет обычный для невырожденных полупроводников вид (рис.20, кривые 1,2,3). В области низких температур j растет с повышением температуры по степенному законур Т , а при высоких температурах - падает. Поскольку в области низких температур с 3/2, а при высоких оС — - 3/2, можно заключить, что при низких температурах электроны рассеиваются на заряженных центрах, а по мере повышения температуры этот механизм сменяется рассеянием на акустических колебаниях решетки [l.4j. Значения концентраций и подвижностей в исследованных образцах в области истощения примесей изменялись в пределах 5.1013...3-Ю16см""3 и Ю2... I03c /fc-c соответственно. Исследованные в данной работе кристаллы твердых растворов АрІпТе2 - HgTe, AgGaTe - HgTe и CnGaSer - HgSe фоточувствительны в области температур 77...300 К [2.5,54 ] . На рис.21 приведены спектральные зависимости фотопроводимости кристаллов (AgInTe2)x(2HgTe)j-x п- -типа проводимости при 77 К. Видно, что исследованные кристаллы (Aglrfl HgTe)- состава 0,30 X 0,60 обладают фоточувствительностью в области длин волн от 1,5 до 5,0 мкм. Форма спектральных характеристик типична для полупроводников, обладающих собственной фотопрово -димостью. Спад ФП справа от максимума более резкий, чем спад слева от максимума. Первый связан с собственным поглощением света, второй - обусловлен поверхностной рекомбинацией. Длинноволновая граница ФП закономерно сдвигается в сторону коротких длин волн по мере увеличения состава. Значения запрещенных зон, найденные по энергии соответствующей У м /2 » увеличиваются с составом и близки к соответствующим значениям Е ,полученным из температурных зависимостей коэффициента Холла (Таблица III, рисунок 21 ). В образцах состава Х 0,40 помиио максимума, связанного с собственной ФП, за краем собственного поглощения, наблюдался дополнительный максимум ФП. Его величина в несколько раз меньше основного. Местоположение этого максимума на спектре ФП не зависит от состава и соответствует 3,5 мкм.Поскольку этот максимум ФП наблюдается при энергиях, меньших ширины запрещенной зоны, естественно предположить, что он связан с примесной Результаты расчета і по формуле (III.3D на ЭВМ при различных концентрациях центров прилипания Л4 и мелких компенсирующих акцепторных уровней Л/А хорошо согласуются с экспериментальными данными. Это позволяет придти к выводу, что наблюдаемые пики фототока (рис.28) обусловлены резким уменьшением прилипания электронов на уровень Е при температурах в области начала собственной проводимости в достаточно компенсированных образцах (Л/А (0,5.. .0,9)/»4 ) .Действительно, при увеличении температуры в этой области п начинает резко возрастать, отношение -ДЛ//2 так же резко уменьшается и согласно (III.9), А/7, падает, что приводит к росту АП ПО сравнению с низкими температурами. Другими словами, равновесие между уровнем Е и с- зоной заключается в том, что относительные флуктуации концентрации на уровне и в зоне пропорциональны A/ / Дґі/п (III.9) , поэтому при резком росте п это равновесие достигается при более высоком значении An ,соответствующем появлению максимум Исходя из того, что в условиях примесного возбуждения фотонами с энергией hp= 0,33 эВ переходами между уровнем Е и валентной зоной можно пренебречь (при достаточно низких температурах), мы получили формулу (III.40) для стационарной концентрации неравновесных электронов. Полагая, что температурный сдвиг точки насыщения i p определяется в основном изменением /г-, находим из формулы стационарной концентрации неравновесных электронов (III.40), что с повышением температуры эта точка сдвигается в область более высоких интенсивностей света, в соответствии с экспе -риментальными данными (рис. 25 б). Как следует из формулы (III.40) при достаточно высоких температурах АП= і+КГп (III.41) SJ Если при этом фотопроводник находится в состоянии насыщения равновесный ток, находим, что А4 І0 см . Это позволило оценить сечение захвата дырки на уровень Е.х , что и было сделано выше (O IW cvr) А результаты расчета эффективной плотности состояний при 77 К дают величинуЫс=2-10 см"-3. Итак, данная модель в основном обьясняет фотоэлектрические свойства твердых растворов (AglnTeg CSHgTeK состава 0,40 X 0,60 на основе представления о существовании в запрещенной зоне донорных уровней с энергией активации Е± = 0,05 эВ и Е7 = 0,33 эВ, а также мелких компенсирующих акцепторных уровней (рис. 32). Большое сечение захвата дырки нейтральными центрами рекомбинации можно обьяснить небольшим расстоянием Е7 от валентной зоны предположить, что наблюдаемые фотопереходы с энергией 0,ЗЗэВ, имеющие место во всех образцах с разными Е , происходят между валентной зоной и уровнем Е .А это невозможно, так как такие переходы наблюдаются при Т = 77 К, когда уровень Ферми " лежит вблизи уровня Е. , т.е. значительно выше Е,7, при этом Е г полностью заполнен электронами и заброс на него дополнительных электронов из с- зоны невозможен. Напротив, если Е - донорный уровень, то фотопроводимость с дЕ = 0,33 эВ соответствует забросам электронов с него в с- зону, что вполне возможно, так как он полностью заполнен. Кроме того, если бы Е.г был акцепторным уровнем, то он лежал бы в верхней половине зоны, поскольку в образцах п.- типа уровень Ферми с ростом температуры постепенно опускается от уровня Е до середины запрещенной зоны, прохождение уровня Ферми через уровень Е наблюдалось бы в температурной зависимости темновой проводимости, чего на самом деле нет.Поэтому совокупность экспериментальных данных позволяет предположить существование донорного уровня, лежащего в нижней половине запрещенной зоны, с энергией E.z= Ес- 0,33 эВ. Из (III.13) и (III.14) следует, что h«py причем меньше за счет прилипания электронов на уровень Е ,что учитывается множителем / J + J2J /V/ t) в формуле (IIІ.ІЗ) ( n /V± / А так, как время релаксации фототока трвл в данном случае ( Th Тр ), определяется не прилипанием неравновесных носителей, а скоростью их рекомбинации через уровень Е , то условие К, ГР справедливое для донорного уровня, приводит к тому, что время релаксации Трел - - времени жизни дырок. Это согласуется с экспериментальными данными измерений Тр(гл , которые примерно одинаковы в различных образцах, хотя t „, в компенсированных образцах, где наблюдаются пики L , может быть намного меньше tp. п« Тр, что следует из (III. 13,22,23). (Когда n.«nt при Т = 77 К - область начала примесной проводимости). Это же условие Yn »fp позволяет считать в процессе фотопроводимости при межзонном возбуждении уровень Е всегда почти полностью заполненным и пренебречь учетом прилипания на нем кп электронов, что позволяет ограничиться системой из трех уравнений (III.6,7,8) для определения неравновесных концентраций в зонах и на уровне ЕОбщие физические свойства тройных алмазоподобных полупроводников системы
Методика структурных исследований
Электрические свойства (AgInTe2)x(2HgTe)j x
Остаточная проводимость кристаллов при освещении коротковолновым светом
Похожие диссертации на Электрические и фотоэлектрические свойства твердых растворов (AgInTe/2)/x (2HgTe)/1-x
