Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Оптические явления в соединениях Pb1-xSnxTe обусловленные свободными носителями

Диссертация: Оптические явления в соединениях Pb1-xSnxTe обусловленные свободными носителями
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Первая глава является обзорной. В ней кратко излагается современное состояние экспериментальных исследований соединений Pbj Sh* Те, а также теории СЛП. Рассмотрены зонная структура соединений Pb,-xSnxle t эффекты непараб о личности. Как и все узкозонные полупроводники, соединения Pb,-xSnxJe характеризуются малыми величинами эффективной массы. Малостью эффективной массы обусловлен также целый ряд… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
    • 1. 1. Зонная структура соединений Pb, xShxTe
    • 1. 2. Эффекты непараболичности
    • 1. 3. Структура валентной зоны
    • 1. 4. Влияние сильного легирования на свойства свободных носителей в полупроводниках
  • ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
    • 2. 1. Блок-схема экспериментальной установки
    • 2. 2. Обработка экспериментальных спектров
    • 2. 3. Характеристики образцов
  • ГЛАВА III. ЗАКОН ДИСПЕРСИЙ СОЕДИНЕНИЙ Pb^SnJe
    • 3. 1. Получение зависимости £(к) по спектрам поглощения
    • 3. 2. Сравнение закона дисперсии, полученного по экспериментальным спектрам с шестизонной моделью
    • 3. 3. Применимость шестизонной модели к описанию закона дисперсии соединений Pb (xSnx"fe
  • ГЛАВА 1. У. СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ В ОБЛАСТИ ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО КРАЯ ВЫРОЖДЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
    • 4. 1. Эффект Мосса-Бурштейна в сильно-легированных полупроводниках
    • 4. 2. Спектры поглощения соединений PbhxSnxJe в условиях вырождения газа свободных носителей
    • 4. 3. Форма края поглощения сильно-легированных полупроводников
      • 4. 3. 1. Влияние электронного рассеяния на форму края поглощения вырожденных полупроводников Pb,.xSnxTe
      • 4. 3. 2. Роль обменного взаимодействия в формировании края поглощения вырожденных полупроводников
    • 4. 4. Сдвиг края поглощения в сильно-легированных полупроводниках
      • 4. 4. 1. Сдвиг края поглощения вырожденных полупроводников Pb,.xSnxTe
      • 4. 4. 2. Сужение запрещенной зоны в многодолинных сильно-легированных полупроводниках
    • 4. 5. Особенности рассеяния носителей тока в соединениях Pb, xSnxTe
  • ГЛАВА V. ПЛАЗМЕННОЕ ОТРАЖЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ РЬ,-х Snpje
    • 5. 1. Описание спектров плазменного отражения с помощью теории Друде
    • 5. 2. Определение эффективной массы тяжелых дырок
    • 5. 3. ИК — прозрачность газа свободных носителей
  • ВЫВОДЫ

Оптические явления в соединениях Pb1-xSnxTe обусловленные свободными носителями (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Узкозонные соединения Pbtx SnxTe находят широкое применение в качестве материала для приготовления инфракрасных фотоприемников и полупроводниковых лазеров. Это связано с тем, что изменяя состав соединения можно в широких пределах менять область чувствительности оптоэлектронных приборов. Кроме того, соединения РЬ 1-х$>пхТе обладают рядом свойств, которые делают этот материал интересным для физических исследований: сильное изменение ширины запрещенной зоны с составом, температурой и давлением, чрезвычайно высокое значение диэлектрической проницаемости, большие подвижности носителей тока. Из-за малой величины ширины запрещенной зоны упомянутые соединения обладают, даже при сравнительно низких температурах, значительной концентрацией собственных носителей /и вдобавок к этому, как правило, ещё и примесных, обусловленных собственными дефектами/, которые играют первостепенную роль в определении всех свойств кристалла. Следует упомянуть, что большинство оптоэлектронных приборов выполнены на базе сильно-легированных полупроводников /СЖ1/. Это в ряде случаев /например в полупроводниковых лазерах/ позволяет добиться высокой эффективности прибора. На свойства свободных носителей в СЛП оказывает влияние рассеяние несовершенствами кристалла, которое необходимо учитывать при изучении свойств СЛП оптическими методами, а также при проектировании оптоэлектронных приборов.

В сплавах, к которым относятся и соединения PlDl)(SfnxTe f наряду с механизмами рассеяния, характерными для обычных полупроводников, есть дополнительное рассеяние, обусловленное флуктуациями локальной мольной доли /так называемое сплавное рассеяние/. Таким образом, неупорядоченности в соединениях Pbh)(Snx7e создаются как донорами и акцепторами, так и различием атомов сплава. Изучение влияния несовершенств кристаллической структуры, возникающих при изготовлении соединений Pb, xSnxTe q высокой концентрацией свободных носителей, на их оптические свойства является чрезвычайно интересной задачей, имеющей научное и прикладное значение. Эти свойства соединений Pb,.x Snxle в настоящее время недостаточно хорошо изучены.

Диссертация посвящена исследованию влияния неупорядоченности кристаллической структуры и обусловленной ею высокой концентрации носителей на оптические свойства соединений Pbt-xShxle. Ввиду того, что СЛП обладают во многом схожими особенностями /например, такими как неупорядоченность структуры, влияние многоэлектронных эффектов на свойства СЛП и др./ значительная часть результатов, полученных в диссертации может быть применена ко всему классу СЛП.

Первая глава является обзорной. В ней кратко излагается современное состояние экспериментальных исследований соединений Pbj Sh* Те, а также теории СЛП. Рассмотрены зонная структура соединений Pb,-xSnxle t эффекты непараб о личности. Как и все узкозонные полупроводники, соединения Pb,-xSnxJe характеризуются малыми величинами эффективной массы. Малостью эффективной массы обусловлен также целый ряд эффектов /например эффект Мосса-Бурштейна/, неучет которых может привести к существенным погрешностям. Поэтому, значительная часть обзора посвящена эффектам, связанным с зонным заполнением, в том числе влиянию свободных носителей на такую фундаментальную характеристику полупроводников, как ширина запрещенной зоны.

Во второй главе содержится описание экспериментальной установки и методики обработки спектров пропускания и отражения. Приводятся параметры исследованных образцов. Кратко изложена методика расчета и особенности вычисления концентрации свободных носителей в соединениях Pb^xSioxle по данным холлов-ских измерений.

В третьей главе, с помощью спектров поглощения выполнено исследование закона дисперсии носителей в соединениях Pb xS^7e с концентрацией близкой к собственной. Результаты используются при анализе свойств упомянутых соединений с высокой концентрацией свободных носителей.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния сильного легирования на оптические свойства полупроводников. Решена задача о поглощении света в прямо зонных полупроводниках с учетом рассеяния электронов и дырок. Результаты используются для объяснения формы спектров поглощения соединений РУ,.Х S^Te Выполнен анализ сдвига края поглощения в условиях зонного заполнения в образцах Pb^S^*^ с высокой концентрацией носителей. Рассмотрено влияние электрон-электронного взаимодействия с учетом переброса носителей в эквивалентные долины на величину сужения запрещенной зоны в СЛП. С помощью спектров поглощения изучено рассеяние носителей в соединениях PbhX Snx Т. е.

В пятой главе представлены результаты исследования свойств газа свободных носителей в соединениях ShxTe по спектрам плазменного отражения. Установлено, что классическая теория Друде не позволяет описать температурную зависимость формы спектров. Обнаружена инфракрасная /ИК/ прозрачность газа свободных носителей. Измерена эффективная масса тяжелых дырок в соединениях РЬ, У Sh^le .

Практическая ценность. Новые технологические методы полупроводниковой оптоэлектроники позволяют создавать высокоэффективные приборы на основе сильно-легированных материалов. На протяжении последних лет, как размеры самих приборов, так и минимальные топологические размеры уменьшились на порядки. В этих условиях резко возросли требования к пониманию физики работы приборов малых размеров изготовленных из СЛП. Результаты, полученные в диссертации могут быть полезны при расчете свойств таких полупроводниковых приборов, а также приборов, выполненных на основе соединений Pb (ySnxTe /например ИК-фотоприемников, полупроводниковых лазеров/.

Апробация диссертации. Основные результаты диссертации доложены на III Республиканском коллоквиуме по модуляционной спектроскопии полупроводников и диэлектриков /г. Сухуми, 1979/, Международном совещании по физике узкозонных полупроводников /г.Москва, ФИАН СССР, 1981/, У Сухумском коллоквиуме по оптике и спектроскопии полупроводников /г.Сухуми, 1984/.

ВЫВОДЫ:

I • Исследована зависимость o ((fico) соединений Pb, xSnx~Je при температурах ЗООК, 82К и I8K. По спектрам поглощения образцов с концентрацией носителей близкой к собственной рассчитан закон дисперсии. Показано, что шестизонная модель, используемая для расчета закона дисперсии в узкозонных полупроводниках, хорошо объясняет экспериментальные спектры поглощения.

2. Установлено, что изменение закона дисперсии с составом (х) и температурой (Т) можно описать в рамках шестизон-ного приближения изменением только одного параметраширины запрещенной зоны, которая при этом не должна меняться более чем в два раза".

3. Предложена теория, позволяющая объяснить размытие края поглощения, наблюдаемое при низких температурах в сильно-легированных полупроводниках в условиях вырождения газа свободных носителей. Рассмотренная теория объясняет экспериментальные спектры поглощения соединений Pb-, xSnx7e. h. Решена задача о сужении запрещенной зоны сильно-легированных полупроводников, обусловленном электрон-электронным взаимодействием с перебросом в эквивалентные долины. Показано, что это приводит к линейной зависимости величины сужения запрещенной зоны от концентрации носителей.

5. G помощью теории межзонных оптических переходов, представленной в настоящей работе, по спектрам поглощения оказалось возможным исследовать сплавное рассеяние. Определена разность электронного и дырочного потенциалов сплавного рассеяния равная Uj ~ U2 =1*06×10~'^эВ. см^.

6. По спектрам плазменного отражения определена эффективная масса тяжелых дырок в соединениях PbfxSy7xТе, равная 0.144 hn0.

7. Обнаружена ИК-прозрачность газа свободных носителей в соединениях Pbfx S/7A*Te — отсутствие поглощения свободными носителями в условиях сильного рассеяния".

В заключение выражаю благодарность зав. лаб.№ 3, профессору И. Г. Неизвестному и своему научному руководителю М. П. Синюкову за предложенную тему, многочисленные обсуждения возникающих вопросов, внимание к работе и всестороннюю подцержкублагодарю своих товарищей по работе Ф. С. Миронова и Н. Н. Овсюка за дискуссии, помогавшие лучше понять суть исследуемого предмета и О.А.Макарова-за помощь, оказанную при решении задач с помощью ЭШя признателен Ю. Е. Лозовику за полезные обсуждения теории и эксперимента и Э. Г. Батыеву, подробные и продолжительные обсуждения с которым теории исследуемых явлений помогли при написании ряда последних работ, особенно-касающихся поглощения света в СЛПблагодарю В. Н. Шумского за полезные обсуждения и его сотрудников за изготовление образцов, А. М. Палкина — за выполнение холловских измерений, Ю. О. Кантера — за проведение измерений на рентгеновском микроанализаторе, а также сотрудников лаб.№ 3, оказавших содействие при, выполнении данной работы.

Благодарю также Э. М. Скока, прочитавшего рукопись и сделавшего ряд полезных замечаний.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Dimmock J.О., Wright G.B., Band Energy Structure of PbS, PbSe and PbTe — Proc.1.t.Conf.Phys.Semicond., Paris, Dunod, 1964, P, 77.
  2. Dimmock J.0., Melngailis I., Strauss A.J., Band Structure and Laser Action in Pb1 Sn Те Phys.Rev.Lett., 1966, v.16,1126, 1193−1196.
  3. Dimmock J.0. (K*p) theory for the Conduction and Valence
  4. Bands of Pb Sn Те and Pb1 Sn Se Alloys Semimetals and 1-х x i-x xnarrow-Gap Semicond., ed. by D.L.Carter, Я.Т.Bate, Oxford, Perganion Press, 1971, pp.319−330.
  5. Ksaki 1., Stiles P.J., blew Type of ilegutive Resistance in Barrier Tunneling Pliys.Rev.Lett., 1966, v. 16, K24,1108−1111.
  6. С о 21k li 11 J. В., Johns on L.E., Pratt C-.W., Energy Bands in PbTe -Phys.Rev., 1965, v.137,E4A, A1282-A1297.
  7. Johnson L.E., Conklin d.В., Pratt G. V/., Helativistic Effects in the Band Structure of PbTe Phys.Rev.Lett., 19t>3, v. 11, 1112,538−541.
  8. Rabii S., Investigation of Energy Band Structures and Electronic Properties of PbS and PbSe Phys.Rev., 1968, v. 167,113,801−808.
  9. Tung Y.W., Cohen M.L., The Fundamental Energy Gap in SnTe and PbTe Phys.Lett., 1969, v.29A, N5,236−237.
  10. Lin P* J., KLeinman L., Energy Bands of PbTe, PbSe and PbS -Phys.Rev., 1966, v.142,N2,478−489.
  11. Rabii S., Energy Band Structure and Electronic Properties of SnTe Phys.Rev., 1969, v.182,^3,821−828.13"Cardona I!., Greenaway D.L., Optical Properties and Band
  12. Structures of Group IV-VI and Group V Materials Phys.Rev., 1964, v.133,ИбА, А1685-A1697.
  13. И.А., Морговский Л. Я., Нельсон И. В., Равич Ю. И. Собственное поглощение света в области непараболичности в РЬТё и твердых растворах Р№-SfiTe Ш1,1972,т.6,в.7,1323−1326.
  14. Anderson W.w. Gain-Frequency-Current Relation for Pb^^Sn^Te Double Hetегоstructure Lasers IEEE Journal of Quantum Electronics, 1977, v. QE-13, N7,532−543.
  15. И.А., Кайданов В.й. Виноградова M.H., Коломоец Н.В.Иссле-дование валентной зоны теллурида свинца с помощью явлений переноса ФГП, 1968, т.2,в.6,773−781.
  16. М.К., Кайданов В. И., Черник И. А. О непараболичности зоны проводимости теллурида свинца Ш1,1966,т.8,в. 1,295−297.
  17. И.Н., Равич Ю. И., Грязнов О. С. О непараболичности зон в халькогенццах свинца Ш1,1969,т.3,в. 12,1770−1773.
  18. Dionne G., Woolley J. С" Optical Properties of Some РЪ.| fita^Te Alloys Determined from Infrared Plasma Reflectivity Measurements Phys.Rev.B, 1972, v.6,H10,3898−3913.
  19. Dionne G., Woolley J.C. Optical and Electrical Properties of Some Pb^Sn^Te Alloys J. Nonmetals, 1973, v.1,239−249.
  20. Kane E.O. Band Structure of Indium Antimonide J.Phys.Chem. Solids, 1957, v.1,N4,249−261.
  21. Cohen Ш. Н. Energy Bands in the Bismuth Structure.I.Nonellip-soidal Model for Electrons in Bi Phys.Rev., 196l, v.121,N2, 387−395.
  22. Overhof H., Rossler U. Electronic Structure of PbS, PbSe, and PbTe Phys.St.Sol., 1970, v.37,N2,691−698.
  23. Ziep 0., Genzow D. Calculation of the Interband Absorption in Lead Chalcogenides Using a Maltiband Model Phys.St.Sol. (b), 1979, v.96,N1,359−368.
  24. Ellis В., Moss T.S. Cyclotron Resonans in Pb1 Sn Те Phys.1.""X X
  25. St.Sol., 1970, V.41,K2,531−534.
  26. О ^ х? 0,23) из спектров фотолюминесценции в магнитном поле ФТП, 1978#т.12,в.4,705−713.
  27. Сизов Ф.§., Лашкарев Г. В., Орлецкий В"Б, tГригорович Е.Т.# Эффект Фарадея в твердом растворе Pb Sf) x7e п-типа -ФТП, 1974, т.8II, 2074−2079.
  28. Акимов Б*А- «Дмитриев А. И., Лашкарев Г. В., Орлецкий В. Б., Товстюк К. Д. Чудинов С.М., Эффект Шубникова-де-Гааза в узкощелевом твердом растворе Pi>o#820.I8^ п*"типа -ФТТ, 1977, тЛ9, в. 2,40 2−408.
  29. Melngailis J., Hannan Ф.С., Liavrodies J.G., Diiranock <3.0., Shubnikov-de-IIaas Measurements in Pb., Sixjfe Phys.Rev. B, 1971, V.3,N2,370−375.
  30. J.K., Houston B., Savage II. 1*., Anisotropy ox the Fermi Surface of p-Type PbTe Phys.Rev., 1970, v.2,Mo, 1977−1988.
  31. Gibson A.P., The Absorption Spectra of Single Crystals of Lead Sulphide, Selenide and Telluride Proc.Phys.Зое., 1952, v. B65,N5,378−388.
  32. A.A., Радионов B.H. О зонной структуре теллурида свинца из измерений эффекта Холла при высоких температурах ФТП, 1967, т.1,в.2,183−189.
  33. Algaier R.S., Houston В.В., Hall Coefficient Behavior and the Second Valence Band in Lead Telluride J.Appl.Phys., 1966, v.37,H1,302−309.
  34. Cuff K.F., Ellett M.R., Kugl±n C.D. Oscillatory Magnetore-sistance in the Conduction Band, of РЪТе J.Appl.Phys. Suppl., 1961, v.32,N10,2179−2185.
  35. Stiles P.J., Burstein Б., Langenberg D.N. de-Haas van-Alphen Effect in p-Type PbTe and n-Type PbSe — J.Appl. Phys.Suppl., 1961, v.32,N10,2174−2178.
  36. Г. В., Кикодзе P.O., Бродовой A.B. Магнитная восприимчивость и зонный спектр узкощелевых твердых растворов Pk>, xSnxle /х=0.18/ <�Ш1,1978,т.12, в. 6,1066−1073.
  37. Орлецкий В.Б., Лашкарев Г. В., Товстюк К. Д. Определение некоторых параметров зонной структуры твердого раствора
  38. Pbo.82Sn0.I8~fe ~ ШТП, 1975, т.9,в.2,269−275. 45» Sitter Н., Lischlca К., Heinrich Н. Structure of the Second
  39. Valence Band in PbTe Phys.Rev.B, 1977, v.16,N2,680−687.
  40. Tung Y.W., Cohen M.L. Relativistic Band Structure and Electronic Properties of SnTe, GeTe, and PbTe Phys. Rev, 1969, v.180,N3,823−826.
  41. Mott N.P. The Metal-Insulator Transition in Extrinsic Semiconductors Adv.Phys., 1972, v.21,N94,785−823.
  42. Шкловский В.И., Эфрос А. Л, Электронные свойства легированных полупроводников 1979, М., Наука, — 416с.
  43. Д. Проблема многих тел 1963, М., ИЛ, — 189с.
  44. Wolff P.A. Theory of the Band Structure of Very Degenerate Semiconductors Phys.Rev., 1962, v.126,N2,405−412.
  45. Вонч-Бруевич В. Л. Вопросы электронной теории сильно-легированных полупроводников в кн. ФТТ, М., ИНИ, — 127с.
  46. Kane Е.О. Thomas-Fermi Approach to Impure Semiconductor Band Structure Phys.Rev., 1963, v.131,N1,79−88.
  47. Kane E.O. Electron Scattering by Pair Production in Silicon Phys.Rev., 1967, v.159,N3,624−631.54″ Kane E.O. Comparison of Screened Exchange with the Slater Approximation for Silicon Phys.Rev.B, 1972, v.5,N4, 14 931 499.
  48. Halperin B.J., Lax M. Impurity-Band Tails in the High-Density Liinit. I. Minimum Counting Methods Phys.Rev., l966f'v.148,N2, 722−740.
  49. Hwang C.J., Calculation of Fermi Energy and Band Tail Parameters in Heavily Doped and Degenerate n-Type GaAs J.Appl. Phys., 1970, v.41,N6,2668−2674.
  50. Hwang C.J. Properties of Spontaneous and Stimulated Emission in GaAs Junction Lasers.I.Density of States in Active Regions Phys.Rev.B, 1970, v.2,N10,4117−4125.
  51. Mahan G.D. Energy Gap in Si and Ge: Impurity Dependence -J.Appl.Phys., 19 80, v.51,W5,26 34−26 46.
  52. Horsch S., Horsch P., Fulde P. Electronic Exitations in Semiconductors. General Theory Phys.Rev.B, 1983, v.28,N10,5977−5991.
  53. Ю.И. Оптические свойства полупроводников 1977, М. / Наука, — 366с.
  54. Колежук К.В., Кудыкина Т. А., Самойлова И. А., 3>едорус Г. А. Исследование жеформирующего действия подложек на оптические свойства пленок Pb (xSnxle УШ, 1983, т. 28, в. 11,1681−1684.
  55. Ocio М. Hall Coefficient and Mobility in РЪ. Sn Те withi x
  56. High Carrier Densities Phys.Rev.B, 1974, v.10,N10,4274−4283.
  57. Parada N. J., Pratt G.W. New Model for Vacancy States in PbTe Phys.Rev.Lett., 1969, v.22,N5,180−182.
  58. Parada U.J. Localized Defects in РЪТе Phys.Rev.B, 1971, v.3,N6,2042−2055.
  59. Lanir M., Lockwood A.H., Levinstein H. Absorption Edge Shift in Lead-Tin Telluride Sol.St.Comm., 1978, v.27,N3,313−316.
  60. Ф. Ф. Детеркин B.B. Край поглощения в /х 0.23/ ЖПС, 1982, т. ХХШ, в.2,291−294.
  61. Gobeli G.W., Pan H.Y. Infrared Absorption and Valence Band in Indium Antimonide Phys.Rev., 1960, v.119,N2,613−620.
  62. А. А., Горько в Л.П., Дзялошинский И. Е. Методы квантовой теории поля в статистической физике 1962, М.,§ изматгиз,
  63. Abram R.A., Rees G.J., Wilson B.L.H. Heavily Doped Semicon
  64. Berggren K.F., Sernelius B.E. Band-Gap Narrowing in Heavily-Doped Many-Valley Semiconductors Phys.Rev.B, 1981, v.42, N4,1971−1986.
  65. .Л., Кисин M.B. Свободные носители заряда и многочастичные эффекты в энергетическом спектре узкощелевых полупроводников ФГП, 1984, т.18,в.5,812−817•
  66. Balkanski M., Aziza A., Amzallag Е. Infrared Absorption in Heavily Doped n-Type Si Phys. St. Sol., 1969, v.31, FI, 323 330.
  67. Sood A.K., Cardona M. Brillouin Study of Acoustic Phonon Softening and Optical Absorption Coefficients of Ultra-heavily Doped n-Si Sol.St.Comm., 1984, v.49,N4,299−301.
  68. Багаев B.C., Берозашвили Ю. Н., Вул Б. М., 3аварицкая Э.Й., Келдыш Л. В., Шотов А. П. Об энергетическом спектре сильно-легированного арсенида галлия ФТТ, 1964, т.6,в.5,1399−1405.
  69. Ferreira L.G. Deformation Potentials of Lead Telluride -Phys.Rev., 1965, v.137,N5A, A1601-A1609.
  70. Schumann P.A., Phillips R.P. Comparison of Classical Approximations to Free Carrier Absorption in Semiconductors -Solid State Electronics, 1967, v.10,N9,943−948.
  71. Wolff P.A. Effects of Electron-Correlation on the Optical Properties of Metals Phys.Rev., 1959, v.116,N3,544−554.
  72. В.Л., Ицковский М. А., Кукущкин Л. С., Взаимодействие электрона проводимости с поперечными оптическими колебаниями в ионных кристаллах ШТ, 1971, т.13,в.1,76−86.
  73. В.Л., Сверхпроводимость в полупроводниках -ЖЭТШ, 1972, т.62,в.6,23II-23I7.
  74. Kim M.E., Das А., Senturia S.D., Electron scattering interaction with coupled plasma-polar-phonon modes in degenerate semiconductors Phys.Rev.B., 1978, v.18,F.2,6890−6899.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?