2
Оглавление
Введение...............................................................3
1. Глава 1 .Многоэлектронная кулоновская щель. Переход металл-изолятор в нейтронно-легированном вегСа.
1.1 Кулоновская щель в легированных полупроводниках (Обзор)............6
1.2 Низкотемпературная электропроводность нейтронно-легированного Се:Оа................................................................10
1.3 Магнетотранспорт нейтронно-легированного Сегва в режиме прыжков с переменной длиной. Определение радиуса локализации...................14
1.4 Динамика кулоновской щели в изоляторном состоянии нейтроннолегированного Се:Са..................................................16
1.5 Переход изолятор-металл как эффект схлопывания кулоновской щели 20
1.6 Выводы главы........................................................26
2. Глава 2. Термоэдс нейтронно-легированного Ое:Оа в области перехода от классического транспорта дырок к прыжковому.
2.1 Термоэдс в прыжковом режиме (Обзор) .............................. 27
2.2 Методика эксперимента и результаты..................................33
2.3 Эффект фононного увлечения..........................................37
2.4 Термоэдс при переходе к прыжковому транспорту и в области прыжков с
переменной длиной....................................................37
2.5 Выводы главы........................................................46
3. Г лава 3. Г истерезис прыжковою магнетосопротивления нейтроннолегированного Ое:Са в режиме прыжков с переменной длиной
3.1 Прыжковый магнетотранспорт легированных полупроводников (Обзор)...47
3.2 Обнаружение эффекта гистерезиса прыжкового
магнето сопротивления............................................... 51
3.2 Исследование эффекта гистерезиса прыжкового магнетосопротивления.................................................59
3.3 Выводы..............................................................79
4. Заключение...........................................................80
5. Литература...........................................................84
3
Введение
Изучение низкотемпературного прыжкового транспорта электронов тесно связано с фундаментальными свойствами неупорядоченных систем, исследования которых за последние 20 лет образовали широкое направление в физике твердого тела. В настоящее время развитие этого направления определяется, в частности, выходом за рамки одноэлектронных моделей и исследованием кооперативных явлений в системе локализованных носителей заряда, где ключевым является вопрос об их взаимодействии.
Оно проявляется, в частности, в концепции кулоновской щели Эфроса и Шкловского [1], согласно которой, кулоновское взаимодействие в системе локализованых носителей заряда порождает квазищель со степенным обращением в ноль плотности состояний на уровне Ферми. Наличие кулоновской щели приводит к характерной температурной зависимости удельного сопротивления Прыжковой Проводимости /Р^оехрСТуГ)1^ в режиме
прыжков с переменной длиной. Такого рода закон был экспериментально установлен для компенсированных полупроводников в [6] и впоследствии идентифицирован именно с проявлением кулоновской щели в [10,11].
Наряду с измерениями прыжковой проводимости, информацию о ходе плотности локализованных состояний вблизи уровня Ферми может дать исследование положительного магнетосопротивления, обусловленного сжатием локализованной волновой функции в поле, а также, в принципе, измерение температурного хода термоэдс. Так, для прыжковой термоэдс теория предсказывала существенно различную температурную зависимость в случае системы с квазищелью и без нее. Представлялось интересным экспериментально проверить эти предсказания.
Общепринятая концепция кулоновской щели [1] не учитывает возможную "неодноэлектронность” прыжковых процессов Многоэлектронные перескоки, как было показано в [14], приводят к сужению кулоновской щели в примесной зоне легированного полупроводника с промежуточной степенью компенсации. Однако, опустошение примесной зоны или, наоборот, полное ее заполнение ухудшают условия для многоэлектронных процессов и, таким образом, должны приводить к применимости одноэлсктронной модели.
4
Проверка этого утверждения явилась одним из мотивов исследования. Представлялось также важным изучить сужение кулоновской щели не в результате многоэлектронных корреляций при перескоках, а как следствие расходимости диэлектрической проницаемости при переходе легированного полупроводника из изоляторного состояния в металлическое.
Последняя из задач работы связана с исследованием эффекта гистерезиса магнетосопротивления в режиме прыжков по состояниям кулоновской щели умеренно компенсированного НЛ Се:Са. Само это явление было обнаружено в ходе настоящей работы при исследовании параметров квазищели путем изучения прыжкового магнетосопротивления и может рассматриваться как доказательство магнитного упорядочения системы локализованных зарядов в примесной зоне легированного немагнитного полупроводника.
Выбор в качестве объекта исследования серии образцов нейтроннолегированного (НЛ) веСа с постоянной умеренной компенсацией (АТ=0.35) был обусловлен тем, что этот материал является удобным высокооднородным модельным объектом для изучения прыжкового транспорта. Двумя его основными параметрами являются концентрация основной примеси N и степень компенсации К. В нашем случае особенное значение имело наличие промежуточной компенсации (0.1</Г<0.9), что обеспечивает благоприятные условия для проявления кооперативных явлений как электрических, так и магнитных. С ростом уровня легирования примесью (За низкотемпературный транспорт по примесной зоне меняет характер от активационного до металлического, что позволяет изучать на примере данной серии образцов переход метал-изолятор.
Цель работы состояла в исследовании низкотемпературных транспортных явлений в нейтронно-легированном Ое:Са при переходе из изоляторного состояния в металлическое. Ее достижение было связано с решением трех задач:
1. Изучение поведения кулоновской щели в примесной зоне умеренно компенсирванного легированного полупроводника как функции компенсации в изоляторном пределе и как функции уровня легирования при переходе из изоляторного состояния в металлическое.
2. Изучение прыжковой термоэдс легированного полупроводника и влияния на нее “кулоновскошелевой” особенности вблизи уровня Ферми.
5
3. Изучение явления гистерезиса прыжкового магнетосопротивления НЛ Се:Са в режиме прыжков с переменной длиной.
В соответствии с новыми результатами работы, сведенными в Заключении,
сформулированы следующие научные положения выносимые на защиту:
1. При переходе от классического транспорта дырок к прыжковому, в НЛ Се:(3а наблюдаются достаточно высокие значения термоэдс, для объяснения которых необходимо привлекать дополнительно предположение о вкладе в нее транспорта дырок по А+ -зоне двукратно занятых акцепторов.
2. При переходе к прыжковому транспорту с переменной длиной прыжка в Ое:Са имеет место резкое уменьшение значений термоэдс до исчезающе малых значений, что при определенных предположениях может бьггь понято в рамках стандартной “равновесной” теории термоэдс, однако, более естественным образом объясняется в предположении о переходе к баллистическому режиму транспорта фононов.
3. Имеет место явление гистерезиса магнетосопротивления НЛ (ЗеОа в области проводимости с переменной длиной прыжка по состояниям кулоновской щели, сопровождающееся скачкообразным уменьшением сопротивления в некотором критическом поле Не после предшествующего предварительного пребывания в поле противоположной полярности.
4. Сопутствующее гистерезису скачкообразное уменьшение магнетосопротивления наблюдается на изоляторной стороне перехода метал-изолятор, возрастает с понижением температуры, достигает максимума величины в области концентраций ва составляющих -40% от критической для перехода и имеет тепловую природу.
5. Одноэлектронная в пределе пустой или, наоборот, полностью заполненной примесной зоны кулоновская щель сужается при умеренной компенсации вследствие многоэлектронных корреляций при перескоках.
6. Переход легированного полупроводника из изоляторного состояния в металлическое может рассматриваться как явление схлопывания кулоновской щели из-за расходимости диэлектрической проницаемости.
Диссертация состит из Введения, трех глав и Заключения, содержит 88
страниц, из которых 31 с рисунками и библиографию из 60 наименований
6
Глава 1. Многоэлектронная кулоновская щель. Переход металл-изолятор в нейтронно-легированном Ge:Ga.
1.1 Кулоновская щель в легированных полупроводниках (Обзор)
Данная глава посвящается исследованию особенностей в плотности состояний примесной зоны легированного полупроводника с точки зрения влияния на них степени компенсации и уровня легирования материала. Объектом исследования, как было указано во введении, будет служить НЛ Ge:Ga с компенсацией К=0.35, а методикой-измерение прыжкового транспорта по примесной зоне в режиме VRH.
Вопрос о влиянии плотности состояний на прыжковую проводимость при очень низких температурах был затронут впервые в работе Мотта [1,2]. Он указал на то, что в этом случае участвуют только состояния имеющие энергию в пределах узкой полосы около уровня Ферми, ширина которого определяется температурой. При этом для того, чтобы получить температурную зависимость сопротивления им было сделано предположение, что плотность состояний на уровне Ферми отличается от нуля и не меняется на ширине полосы состояний участвующих в транспорте. В этом случае температурная зависимость сопротивления дается выражением
Р = Ро explft/T)"'4] (1), где Г0 = fl/(kg(fj)a2), g(fj) - плотность состояний на уровне Ферми, а - радиус
локализации носителя на примеси, р - численный коэффициент, значение которого было позднее получено в [1,3]. Этот режим прыжковой проводимости был назван режимом с переменной энергией активации или режимом прыжков с переменной длиной (variable range hopping, VRH).
- Київ+380960830922