Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ГЕРМАНИИ И АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ 8
1.1. Магниторезистивный эффект в полупроводниках 8
I.I.2. Перенос зарядов по примесям 13
1.2. Влияние геометрических размеров образца на величину магнитосопротивления 19
1.3. Влияние электрического поля на величину магниторезистивного эффекта 20
1.4. Заключение 24
ГЛАВА II. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 25
2.1. Установка для измерения эффекта Холла и магнитосопротивления 25
2.1.1. Низкотемпературный криостат 27
2.1.2. Измерение эффекта Холла и магнитосопротивления 29
2.2. Методика приготовления образцов 31
2.2.1. Приготовление образцов германия 31
2.2.2. Приготовление образцов арсенида галлия 31
2.3. Заключение 33
ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА МАГНИТОС0ПРОТИВЛЕНИЕ
ГЕРМАНИЯ П. - ТИПА 35
3.1. Электрические характеристики кристаллов 35
3.2. Магниторезистивный эффект в германии при зонном и примесном механизмах проводимости 37
3.3. Влияние электрического поля на магниторезистивный эффект
в германии 39
3.4. Геометрический эффект в магнитосопротивлении П- &Є при низких температурах 48
3.5. Способ измерения магнитного поля 53
3.6. Заключение , 57
ГЛАВА ІV. ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ХАРАКТЕРА МАГНИТОСОПРОТИВ-
ЛЕНИЯ ft-Get As в ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 58
4.1. Электрические характеристики образцов n-Ga-As . 58
4.1.1. Температурные зависимости коэффициента Холла и проводимости 59
4.1.2. Вольтамперная характеристика при низких температурах 63
4.2. Магнитосопротивление эпитаксиальных кристаллов n-GaA$ 70
4.2.1. Зонный механизм проводимости 70
4.2.2. Проводимость по примесям 74
а) слабо легированные образцы 74
б) промежуточно легированные образцы 76
4.3. Влияние электрического поля на величину и характер магниторезистивного эффекта в Ai-GaAs при Т = 4,2 К . . 80
4.3.1. Слабо легированные образцы 80
4.3.2. Промежуточно легированные образцы 85
4.4. Заключение 94
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 96
ЛИТЕРАТУРА 98
- Магниторезистивный эффект в полупроводниках
- Установка для измерения эффекта Холла и магнитосопротивления
- Электрические характеристики кристаллов
- Электрические характеристики образцов n-Ga-As
Введение к работе
Изучение явлений переноса зарядов в полупроводниках позволяет получать сведения о зонной структуре энергетического спектра, механизмах релаксации энергии и импульса носителей заряда, энергетических уровнях нарушений структуры в запрещенной зоне и других характеристиках полупроводниковых материалов. Особый интерес представляет изучение кинетических эффектов при низких температурах и одновременном наложении электрического и магнитного полей. В этом случае легированный кристал можно рассматривать как частный случай неупорядоченной системы. Физика неупорядоченных систем, сформировавшаяся в основном за последние полтора десятилетия, превратилась в одно из ведущих направлений развития физики конденсированного состояния /1,2/. При этом интерес к изучению явлений переноса в таких системах имеет не только чисто научное значение} богатство и разнообразие свойств, простота получения неупорядоченных систем по сравнению с кристаллами, указывают на широкие перспективы из практического применения.
При низких температурах в легированных полупроводниках в магнитном поле обнаружены ряд интересных эффектов: уменьшение и экспоненциальный рост сопротивления /3,4/. Для описания этих явлений предложены различные теоретические модели, многие из которых в настоящее время находятся в стадии интенсивной экспериментальной проверки.
Исследование явлений переноса заряда в полупроводниках в сильном электрическом поле имеет самостоятельное научное и практическое значение. Эффекты сильного поля либо лежат в основе работы многих твердотельных приборов, либо неизбежно со- путствуют ей. Ударная ионизация мелких донорных уровней, уменьшение рекомбинации, туннелирование носителей заряда в сильном электрическом поле и т.д. приводят к появлению ряда особенностей на вольтамперных характеристиках однородных кристаллов. Можно ожидать, что одновременное наложение сильного электрического и магнитного полей приведет к появлению новых особенностей в протекании явлений переноса зарядов, зависящих как от механизма изменения проводимости кристалла в электрическом, так и от механизма ее изменения в магнитном поле.
Вместе с тем надо отметить, что исследование явлений переноса зарядов в магнитном поле проводилось преимущественно в слабых электрических полях для проводимости по основной зоне или по примесям. Оставались недостаточно изученными вопросы влияния электрического поля на величину и характер магниторезис-тивного эффекта в случае переноса заряда по мелким примесным состояниям, недостаточно разработаны способы и устройства для регистрации магнитного поля при низких температурах, а также создания магниточувствительных датчиков для криоэлектроники.
Цель работы состояла в исследовании явлений переноса зарядов в германии и арсениде галлия л- - типа при зонном и примесном механизмах проводимости, изучении влияния электрического поля на величину и характер магниторезистивного эффекта при низких температурах, разработке методических основ постановки лабораторных работ по изучению магнитосопротивления полупроводников, а также установлении возможности применения полученных результатов для создания способов и устройств криоэлектроники .
Научная новизна заключается в следующем: впервые экспериментально исследовано влияние электрического поля на величину и характер магниторезистивного эффекта в германии при примесном пробое, а также влияние геометрических размеров образца на величину отрицательного магнитосопротивле-ния. установлено, что в слабо и промежуточно легированных кристаллах германия и слабо легированных арсенида галлия при электрическом поле, большем поля примесного пробоя, наблюдается резкое возрастание положительного магнитосопротивления, а также гистерезисный эффект в магнитосопротивлении. установлено, что в германии отрицательное магнитосопро-тизление не зависит от приложенного к образцу электрического поля из-за слияния примесной зоны с зоной проводимости. показано, что зависимость величины отрицательного магнитосопротивления от геометрических размеров образца определяется вкладом геометрического эффекта в положительную компоненту магнитосопротивления. экспериментально обнаружено, что в промежуточно легированных образцах арсенида галлия ҐІ - типа в электрическом поле изменяется не только величина, но и характер магниторезистивного эффекта, то есть наблюдается переход от отрицательного магниторезистивного эффекта к положительному. Установлено, что критическая напряженность электрического поля перехода меньше поля примесного пробоя. предложен новый способ измерения магнитного поля при криогенных температурах.
На защиту выносятся: результаты исследования влияния электрического поля на величину и характер магниторезистивного эффекта в арсениде галлия и германии п - типа при Т = 4,2 К. модели изменения положительного и отрицательного магни-тосопротивления в электрическом поле, учитывающие уменьшение проводимости по мелким примесным состояниям и ее увеличение по С-зоне из-за появления неравновесных носителей, а также уменьшения рекомбинации носителей в зоне проводимости. модель проявления геометрического эффекта в отрицательном магнитосопротивлении германия при Т = 4,2 К, учитывающая изменение положительной компоненты МС при изменении геометрических размеров образца.
Магниторезистивный эффект в полупроводниках
Физические явления, возникающие в веществе, находящемся в магнитном поле, при прохождении через него электрического тока, под действием электрического поля, называют гальваномагнитными эффектами. Под магниторезистивным эффектом (эффектом Гаусса) понимают изменение сопротивления кристалла во внешнем магнитном поле. Гальваномагнитные явления можно представить на основе простого рассмотрения движения заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. Так, в скрещенных электрическом и магнитном полях заряженная частица (для определенности электрон) движется по циклоиде, причем ее средняя скорость отлична от нуля только в направлении перпендикулярном магнитному и электрическому полям. Если магнитное поле параллельно электрическому, то траектория электрона имеет вид винтовой линии с осью, параллельной магнитному полю, и радиусом R = Vx/Лі- , где Vj. составляющая скорость в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, D, = Є Н/т %С - циклотронная частота частицы с массой /И и зарядом Є , Н - напряженность магнитного поля, С - скорость света. Понятно, что в параллельных электрическом и магнитном полях изменения сопротивления полупроводникового кристалла со сферической изоэнергетической поверхностью не должно быть, так как магнитное поле не влияет на движение носителей заряда вдоль поля, т.е. продольное магнито-сопротивление (МО- (др/р ) г О -В случае скрещенных полейналожение даже слабого магнитного поля должно приводить к изменению сопротивления кристалла, т.е. поперечное МС \&9/$о)фй
Так как под действием силы Лоренца движение частицы отклоняется от направления, соответствующего отсутствию магнитного поля, то вдоль направления электрического поля частица пройдет меньший путь, чем длина свободного пробега. Таким образом, сопротивление полупроводникового кристалла во внешнем магнитном поле должно возрастать.
Установка для измерения эффекта Холла и магнитосопротивления
Блок-схема измерительной установки для измерения эффекта Холла и магнитополевых зависимостей магниторезистивного эффекта показана на рис. 2.1. Установка содержит электромагнит (ЭМ), блок питания электромагнита I, амперметр Aj для контроля тока через ЭМ; измерительную схему, включающую источник питания образца 2, переменное нагрузочное сопротивление RH » амперметр Ag для контроля тока через образец, источник регулируемого напряжения 3, измерительный вольтметр 4. При автоматичес - 26 Рис. 2.1. Блок-схема установки для измерения магнитопо-левых зависимостей магниторезистивного эффекта и эффекта Холла блок питания электромагнита, 2 - источник питания образца, 3 - источник регулируемого напряжения, 4 - микровольтметр, 5 - двухкоординатный потенциометр.кой развертке тока через электромагнит известными способами, например, /40/ с помощью блока I установка позволяет проводить автоматическую запись магнитополевых зависимостей магнитосопро-тивления с помощью двухкоординатного потенциометра 5 (ЦЦС-02ІМ), подключаемого к выходу измерительного вольтметра. Переключатели Кт и Ко используются для измерения направления магнитного поля и тока, протекающего через образец.
class3 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА МАГНИТОС0ПРОТИВЛЕНИЕ
ГЕРМАНИЯ П. - ТИПА class3
Электрические характеристики кристаллов
Перед проведением измерения магнитосопротивления для определения механизма проводимости кристалла при заданной температуре изучались температурные зависимости постоянной Холла и удельного сопротивления в интервале температур 4,2-300 К. Ход этих зависимостей хорошо согласуется с литературными данными для легированного сурьмой германия /44/. Так с понижением температуры коэффициент Холла приблизительно экспоненциально возрастает с I/T. При определенных значениях Т, увеличивающихся по мере увеличения концентрации сурьмы, коэффициент Холла достигает максимума, а при последующем снижении температуры начинает уменьшаться. На кривых ч Р от I/T имеются соответствующие этим температурным областям наклоны.
Такой вид температурных зависимостей коэффициента Холла и удельного сопротивления объясняется на основе простой двухзон-ной модели, согласно которой с изменением температуры происходит лишь перераспределение носителей заряда между зонами, а их общая концентрация при этом не изменяется.
Измерение вольтамперных характеристик (ВАХ) при Т = 4,2 К показало, что в слабых электрических полях(Е 10 В/см)наблюдается резкое возрастание тока, обусловленное ударной ионизацией атомов сурьмы. Типичный вид ВАХ показан на рис.3.1. В предпробойных электрических полях наблюдается отклонение от закона Ома.
class4 ИЗМЕНЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ХАРАКТЕРА МАГНИТОСОПРОТИВ-
ЛЕНИЯ ft-Get As в ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ class4
Электрические характеристики образцов n-Ga-As
Изучение температурных зависимостей постоянной Холла в интервале температур Т = 4,2 300 К показало, что они имеют типичный вид для кристаллов арсенида галлия, легированного мелкой донорной примесью. Так, с понижением температуры в образцах с концентрацией электронов Не 10 см"3 R экспоненциально возрастает, достигает максимума и затем уменьшается. Как и в случае Ge (глава Ш) это свидетельствует о наступлении проводимости по примесям. Температурная зависимость R для образцов с разной концентрацией носителей заряда показана. Наблюдаемые закономерности трансформации зависимости R (Т) при изменении концентрации примеси хорошо согласуются с литературными данными /18/: с ростом чистоты образцов относительная величина максимума R (T) возрастает и он смещается в область более низких температур. Проведенная из Rx(T) оценка энергии активации Ед мелкого примесного уровня показала, что она уменьшается от 4,8 до 2,8 мэВ при изменении концентрации носителей заряда от 3 10 до 6 10 см""3. Такое изменение Ед можно достаточно хорошо объяснить дебаевским экранированием потенциала примеси /54,55/.
Температурные зависимости подвижности носителей заряда также имеют типичный для кристаллов п-&аА$вид, а именно: достаточно четко выраженный максимум в области температур Т « Тм = а 50 60 К и уменьшение (U (Т) по обе стороны от него .
