Температурно-електрична нестійкість (ТЕН) у напівпровідникових
монокристалах CdSb
Нелінійність вольт-амперної характеристики (ВАХ) є характерною рисою не
тільки багатьох напівпровідникових приладів, у яких є р-п-переходи, а й
багатьох напівпровідників [1]. В останньому випадку, якщо виключити
особливості, пов’язані з контактними явищами, вона частіше всього
обумовлена ефектами сильних полів. Адже в сильних полях спостерігається
залежність рухливості від величини поля аж до насичення швидкості,
від’ємна диференціальна рухливість (ефект Ганна), ударна йонізація і
пробій. Проте і в слабких електричних полях можливі прояви нелінійності
ВАХ [2].
Значний інтерес мають дослідження нелінійних ВАХ не тільки в приладах, а
й у матеріалах, оскільки вони мають як прикладне значення, так і дають
можливість пояснити з фізичної точки зору причини прояву нелінійності.
Крім того, на нелінійність ВАХ сильно впливають різноманітні зовнішні
дії: магнітне поле, механічна деформація, освітлення, зміна температури
та ін.
У матеріалах напівпровідників від’ємна диференціальна провідність
обумовлює доменну електричну нестійкість N-типу [3] або ВАХ S-типу.
Причиною нелінійності ВАХ можуть бути як польові ефекти [4], так і
теплова дія струму [5]. Проте можливим є механізм термопольової
йонізації домішкового центра, тобто комбінований тип термічної й
польової йонізації [6]. Існують прямий і каскадний механізми
термопольової йонізації з основного стану рівня через перший збуджений
рівень у зону провідності. Залежність ймовірності йонізації домішкового
центра в напівпровідникові від напруженості прикладеного електричного
поля змінює його ВАХ так, що стають помітними відхилення від закону Ома.
Цікавим є механізм прояву S-подібності ВАХ у сильнолегованих і одночасно
компенсованих напівпровідниках [7]. При низьких температурах і великих
ступенях компенсації (вище 75 %) електрони перебувають в ізольованих
краплях, і електро-провідність такого матеріалу дуже низька. Електричне
поле “гріє” електронну підсистему і різко збільшує заселеність станів з
великою рухливістю. Це і призводить до появи від’ємного диференціального
опору. Таке явище аналогічне до теплового пробою. Але в цьому випадку
нагрівається тільки електронна підсистема, а температура решітки
залишається незмінною. Тому досліджуване явище можна назвати тепловим
пробоєм електронних крапель. Якщо ж ступінь компенсації матеріалу менша
75 %, ВАХ не матиме S-подібного характеру, оскільки енергія активації
виникає тільки при великих ступенях компенсації. Слід додати також, що в
цьому випадку критичне електричне поле сильно збільшується з ростом
ступеня компенсації.
Не тільки тепловий пробій або комбінована термопольова йонізація
призводять до виникнення ділянок ВАХ з від’ємною диференціальною
провідністю (ВДП). В електронному германії з домішками міді або золота
спостерігається явище збільшення коефіцієнта захоплення гарячих носіїв
на від’ємно заряджені домішкові центри. Це явище ефективно проявляється
в умовах світлової генерації носіїв [3] і обумовлює ділянку ВАХ з ВДП.
Дискретні метастабільні стани (високоомний і низькоомний)
спостерігаються як у моноатомних, так і складних напівпровідникових
сполуках [8]. Під дією електричного поля стехіометричні ниткоподібні
монокристали Sb2S3 перемикаються з високоомного у низькоомний стан.
Експеримент доводить, що названий ефект викликаний зміною
напівпровідникової провідності на металічну і пов’язаний з нагріванням
кристала в момент дії електричного поля. Кристали зі стабільного
низькоомного стану у високоомний стан повертаються під впливом сильного
високочастотного або надвисокочастотного полів або нагрівання.
У складних напівпровідникових монокристалах селеніду цинку, сульфіду
кадмію, селеніду кадмію та ін. в умовах ТЕН експериментально зафіксовані
коливання струму [9, 10]. В області азотних температур в монокристалах
селеніду кадмію отримано залежності періоду коливань від освітленості
зразка, прикладеної напруги, температури зразка, а також температурні
залежності амплітуди коливань. Коливання існують тільки в певній
області температур і освітленостей. Їх причиною є виникнення осцилюючої
в часі, але нерухомої області сильного електричного поля й підвищеної
температури. Підвищення температури, звичайно, в середній частині
кристала, в результаті джоулевого нагріву обумовлює ефект температурного
гасіння фотопровідності. Якщо інтенсивність цього процесу достатньо
велика, то у зразка виникає область сильного електричного поля. Тоді ВАХ
такого зразка має ділянку з ВДП. У згаданій області електричне поле і
температура періодично змінюються, викликаючи в колі коливання струму.
Сама ж нестійкість обумовлена виникненням нерівноважного розподілу
електронів внаслідок оптичної перезарядки рівнів із наступним спонтанним
переходом у стан рівноваги.
Проте і в моноатомних напівпровідниках з глибокими рівнями також
спостерігаються низькочастотні коливання струму в умовах ТЕН [11-13]. У
сильно компенсованих зразках (р-Sі з домішками марганцю) динаміка ТЕН
стає значно складнішою [14] аж до переходу до динамічного хаосу і
автоколивної бістабільності. Перехід від регулярних автоколивань
фотоструму до хаотичних здійснюється через ланцюжок біфуркацій подвоєння
періоду коливань. Автоколивання струму, крім того, проявляють
властивість гістерезису.
$a$
th]X`ththбудження електричної нестійкості типу рекомбінаційних хвиль
[15]. При сильних рівнях інжекції виникає суттєво відмінна від типу
рекомбінаційних хвиль градієнтно-концентраційна нестійкість. Режим
нестійкості типу рекомбінаційних хвиль є нічим іншим, як режимом хвиль
просторової перезарядки глибоких рівнів [16], яка може бути обумовлена
дією температури, освітлення чи електричного поля.
Від’ємний опір зразка сам по собі ще недостатній чинник для появи
коливань. Однак коливання потрібних частот можуть виникати, якщо в
кристалі є два різні типи центрів захоплення [17].
Завдяки огляду вищенаведених літературних даних, можна твердити, що
необхідною умовою виникнення температурно-електричної нестійкості в
напівпровідниках є наявність у їхній забороненій зоні глибоких
енергетичних рівнів. Йонізація цих рівнів різними способами
(освітленням, електричним полем, температурними змінами або комбінованим
чином) дає можливість отримати S-подібну ВАХ напівпровідника і
низькочастотні коливання струму як у низькопровідному, так і
високопровідному станах. Тому, очевидно, будь-який зовнішній вплив на
зміну положення енергетичного рівня в забороненій зоні повинен суттєвим
чином відбитися на характері поведінки ВАХ. Hас цікавив вплив одновісних
пружних деформацій (ОПД) на ВАХ монокристалів антимоніду кадмію.
Використані монокристали антимоніду кадмію з домішкою телуру, яка в
забороненій зоні дає рівень Ес – 0,12 еВ, досліджувались у трьох
кріогенних середовищах (рідкий азот Т=77К, рідкий аргон Т=87К і рідкий
кисень Т=90К) в умовах впливу освітлення і ОПД. На рис. 1 подано
статичні ВАХ монокристалів СdSb з різним вмістом легуючої домішки
телуру. Як видно, збільшення концентрації легуючої домішки обумовлює
ріст напруги перемикання. Навпаки, підвищення температури середовища від
Т=77 К до Т=90К різко зменшує напругу перемикання (рис.2).
Крім того, зафіксовано сильну залежність порогової напруги перемикання
від інтенсивності світлового потоку. Зі збільшенням інтенсивності
світлового потоку струм зростає, а напруга перемикання зменшується.
Цікавою особливістю впливу світлового потоку на ВАХ є те, що у
високоомному стані залежність фотоструму від інтенсивності освітлення
має лінійний характер, а після стрибка струму – нелінійний. Висока
фоточутливість зразків спостерігається в спектральній області довжин
хвиль 1 – 3 мкм з максимумом при 2,04 мкм.
Ми досліджували вплив ОПД до тисків 1000 кгс/см2 на ВАХ антимоніду
кадмію вздовж головних кристалографічних напрямків [а00], [0в0] і [00с]
в області азотних температур.
Експерименти довели, що такі тиски в усіх вище названих випадках
практично не впливають на параметри температурно-електричної
нестійкості. Це означає, що така дія не змінює величини енергетичної
щілини між рівнем Ес – 0,12 еВ і дном зони провідності монокристала
СdSb. Тому цілком правомірно в даному випадку зробити висновок про
надзвичайно сильний генетичний зв’язок названого енергетичного рівня із
зоною провідності. Такому характерові реакції рівня на вплив ОПД сприяє
також і той факт, що нижча ступінь симетрії орторомбічної решітки CdSb у
порівнянні зі структурами кубічної сингонії дозволяє значно сильніше
проявитися об’ємній компоненті деформації. А остання, яка завжди
присутня при ОПД, однаково діє як на рух рівня, так і на рух зони.
Іншими словами, об’ємна деформація менш ефективно впливає на зміну
положення енергетичних рівнів у матеріалах, ніж ОПД [18].
Отже, в монокристалах CdSb з домішкою телуру на ефект перемикання із
високоомного стану у низькоомний впливати одновісною пружною деформацією
неможливо.
Література
Зеегер К. Физика полупроводников. М.: Мир, 1977, 616 с.
Аитов Р.Д., Ржевкин К.С., Ткачев С.А. // ФТП, 1991, 25, в.5, с.904-907.
Курова И.А., Врана М., БерндтП. // ФТП, 1968, 2, в.12, с.1838-1841.
Врана М., Курова И.А. // ФТП, 1969, 3, в.12, с.1774 -1780.
Доскоч В.П., Панкевич З.В., Раренко И.М. и др. // Изв.вузов. Физика.
1989, в.4, с.108-109.
Чебан А.Г., Катана П.К. // ФТТ, 7, в.9, с.2735-2739.
Шкловский Б.И., Шур М.С., Ефрос А.Л. // ФТП, 1971, 5, в.10, с.1938.
Аудзионис А.И., Григас И.П., Карпус А.С. // ФТТ, 1970, 12, в.1, с.146.
Калашников С.Г., Падо Г.С., Пустовойт В.И. и др. // ФТП, 1969, 3,
с.1028-1035.
Калашников С.Г., Пустовойт В.И., Падо Г.С. // ФТП, 1970, 4, в.7,
с.1255-1261.
Бахадырханов М.К., Камилов Т.С. // ФТП, 1976, 10, в.4, с.760 -761.
Бахадырханов М.К., Закриллаев И.Ф. // ФТП, 1984, 18, в.12, с.2220-2221.
Бахадырханов М.К., Аскаров Ш.И., Нигманходжаев С.С. // ФТП, 1987, 21,
в.7, с.1315-1317.
Голик Л.Л., Гутман М. М., Паксеев В.Е. и др. // ФТП, 1987, 21, в.8,
с.1400-1403.
Карпова И.В., Сыровегин С.М. // ФТП, 1982, 16, в.9, с.1601-1605.
Чистохин А.В. // ФТП, 1992, 26, в.9, с.1529-1535.
Курова И.А., Калашников С.Г. // ФТТ, 1963, 5, в.11, с.3224-3230.
Бир Г.Л., Пикус Г.Е. Симметрия и деформационные эффекты в
полупроводниках. – М.: Наука, 1972. – 584 с.
Рис 2. Вольтамперні характеристики зразка CdSb + 0,05 % Тe в різних
кріогенних рідинах: 1 – рідкому азоті Т = 77 К, 2 – рідкому аргоні Т =
87 К, 3 – рідкому кисні Т= 90 К
Рис 1. Залежність виду статичних ВАХ від концентрації домішки в
монокристалах CdSb: 1- 0,5% Те; 2- 0,05% Те; 3- 0,005% Те
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
