“Аморфты материалдар” лекциялары курсы

            Мотт  бойынша, мынадай мәнде С~ өткізгіштік делокальдық күйде жүзеге асады,  локальдық күйде – келесі мәнде  С~10 , ал С~    өткізгіштік Ферми деңгейіне жақын орналасады.

            13.5  суретте  әр түрлі НДС-тер  үшін өткізгіштің температураға  тәуелділігі көрсетілген. 11.7-суретте 1 Т→0 жоғарғы температуралық аймақта С-ң интервалындағы мәндері сәйкес келетіні көрініп тұр, яғни Моттқа сәйкес температураның бұл аймағында өткізгіштік заряд тасымалдаушылардың делокализация күйіне дейін  көшуі арқылы жүреді.

 

 

13.5 сурет. НДС өткізгіштігінің                                                                                                                                    

                                                                                                     температураға тәуелділігі:

                                                                          

      а- үшін С өлшемі мынадай  ~10 , ол «құйрық» зонадағы локальдық күйдегі заряд тасымалдаушылар көшуінің секірмелі механизмін көрсетеді. Активация энергиясының өткізгіштігі да көбінесе НП 0.3 эВ-тан 1.2 эВ интервал аралығында жатады және ол шамамен тыйым салынған зонаның жарты оптикалық енін құрайды.

      Термо-ЭҚКті  зерттеу барысында НДС құрылған, төмендеткіш кристалдық емес жартылай өткізгіштердің көбі кемтіктік өткізгіштікке ие. 

 

 

      14-Дәріс

 Заряд тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалысы

НДС- тағы  заряд тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалысы ұшып өту уақыты аралығында өтетін теңсіз заряд тасымалдаушылырдың ауыспалы  фототокты зертеудегі Спира әдісі бойынша анықталады, мұндағы НП-да электронның μn және кемтіктің μр дрейфтік қозғалысын жеке жеке анықтауға болады, заряд тасымалдаушылардың аралық уақыты диэлектрлік релаксация уақытынын аз болады.

Зерттелетін НС-тің меншікті кедергісінің үлкен мәні (107-1013Ом×см) мен Максвелдік релаксация уақыты τм, уақыт аралықты tnp өлшеу мына шарт аралығында өтеді tnp>RC, eN0<V, мұндағы R және C өлшегіш тізбекті құрайтын барлық компоненттердің сәйкесінше кедергісі мен сыйымдылығы, V-үлгідегі қосымша кернеу мәні, N0-заряд тасымалдаушылардың концентрациясы.

Заряд тасымалдаушылырдың дрейфтік қозғалысын өлшуге арналған қондырғының принципті сүлбесі (схема) 14a 1-суретте көрсетілген. Сэндвич құрылымды үлгіге жоғарыдан тұрақты күңгірт электрод немесе жағдайға байланысты тікбұрыш формалы импульсті кернеу қолданылады. Күңгірт электрод тұрғысынан тұрақты күшті жұтатын импульсті лазердің көмегімен концентрациясы N0 заряд тасымалдаушылардың пакеті құрылады. 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.1 Заряд тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалысын зерттейтін

құрылғының принципті сүлбесі

Бұл әдіспен тартылатын (созылатын) өрыстің полярлығының өзгеру жолымен электрондардың дрейфтік қозғалысы сияқты кемтіктердің де дрейфтік қозғалысын анықтауға болады.

Заряд тасымалдаушыларды мына формуламен анықтайды:

 

 

мұндағы, d-электродтар аралығы, F-электр өрісінің кернеулігі, tnp-заряд тасымалдаушылардың уақыт аралығы.

Нақты жағдайда, жартылай өткізгіште зарядталған орта немесе құрылым ақаулары (деффект) жоқ болса, фото ток импульсі тікбұрышты формаға ие болады  (14.2(а)-сурет). Шынында НДС-та уақыт аралығының tnp дисперсия орны бар және фототок импульсі құрылымсыз болып табылады(13.4(б)-сурет) Сондықтан заряд тасымалдаушыларының уақыт аралығы tnp графиктегі lgI-lgt тәуелділігіндегі излом нүктесі бойынша анықталған (14.2(в)-сурет).  

 

 

 

 

 

 

 

а- нақты жағдай, б,в- дисперстік өту(ауысу)                                                          

14.2-сурет НП-дағы заряд  тасымалдаушылардың ауыспалы фототогы.

14.3-суретте құрылғының типтік блок-сүлбесі (схема) берілген. Созылған өрістің импульс ұзақтығы әдетте 1мс құрайды. Синхронизацияны және лазердің импульсті осциллограф ұңғысына жіберу, сонымен қатар уақытты ұстап тұруды қамтамасыз ету генератордың көмегімен жүзеге асырылады.

Ауыспалы фототок есте сақтағыш осциллографта тіркеледі.

 

 

 

 

 

 

 

14.3-сурет. Заряд тасымалдаушылардың  дрейфтік қозғалысын анықтауға  арналған құрылғының блок-сүлбесі

14.2 As2 Se3 және As2 S3 қабыршақты ТИ және ВЧ-дағы заряд тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалысы.

Бөлімде (аморфты қабыршақты модельді құрайды) халькогенитті шынытәрізді жартылай өткізгіштер (ХСП) үшін дрейфтік қозғалыс зерттеулерінің эксперименталды нәтижесі қарастырылады, бұларды(ТИ-қабыршақты) вакуумда термиялық буландыру және (ВЧ-қабыршақты) жоғары жиілікті ионно-плазмалық тозаңдатумен алған.

ТИ-қабыршақты As2 S3-те кемтіктердің ауыспалы фототогы электронның ауыспалы фототогын арттырады және электронның фототогы практикада тіркелмейді. 14.4-суретте бөлме температурасындағы (Т=300k) электр өрісінің F=105В/cм мәніндегі Tu-қабыршақты As2 S3-те кемтіктердің ауыспалы фототогы келтірілген. Бағытпен көрсетілген, талапқа сай, үлгі арқылы өткен инжектрленген кемтіктер пакетінің уақыт аралық ауырлық центрі зерттелген ТИ-пленкадағы кемтіктердің дрейфтік қозғалысының мәні ~10-5cм2/(В×c),әдебиеттегі мәнімен

14.4-сурет аморфты ТИ-қабыршақты As2S3-кемтіктерінің ауыспалы фототогы.

а-As2 S3 пленкасындағы ВЧ-тозаңдатумен алынған, кемтікті және электронды ауыспалы фототок мәні салыстырылған (14.5-сурет)

 

 

 

 

 

 

 

 

14.5-сурет.Аморфты ВЧ-пленкада As2 S3 электрон мен кемтіктердің ауыспалы фототогы.

Мәліметтер, вакуумда термиялық буландыру әдісімен және T=300k кезінде селенид мышьякты қабыршақта F=105B/см  алынған электрондар  мен кемтіктердің дрейфтік қозғалысының мәні практика жүзінде бірдей (тең) екенін көрсетті, ол ~10-5cм2/(В×с) құрайды. ВЧ-қабыршақты  а-As2 S3- тегі электрондар құрайтын фототоктың пайда болуы осы пленкалардағы электрондардың ауысу шарттарының ерекшелігін көрсетеді.

ВЧ-қабыршақтарындағы электрондардың жылдам (үлкен) қозғалысы электрондардың қозғалысын бақылайтын осы пленкалардағы терең ловушкаларға спектрдегі локальденген күйдегі электронның қатысуынсыз-ақ болатындығымен қорытындылауға болады. Қарастырылған ауыспалы фототок пен дисперстік ауысудың түр тәуелділігі сәйкес келеді.

14.6-14.9 суреттерде 300k және 438k және электр өрісі кернеуі F=105B/cм кезіндегі ТИ және ВЧ-пленкалы а-As2 S3-тегі электрондар мен кемтіктердің  ауыспалы фототогы келтірілген. 14.6-14.9-суреттерде келтірілген мәліметтерді салыстырсақ, ТИ және ВЧ-қабыршақтарындағы электрондар  мен кемтіктердің ауыспалы фототогы 2 түрлі екені көрінеді. ТИ-пленкаларда бөлме температураларында (14.6-сурет), T=438K-де де (14.8-сурет) кемтіктердің ауыспалы фототогы (қисық) электрондардың ауыспалы фототогынан (2қисық) айтарлықтай үлкен және бұл фототоктар уақытқа сәйкес тез азаяды. Бірақ электронардың фототогы кемтіктердікіне қарағанда тезірек азаяды, шамасы электрондарды терең ловушкалардың жылдам қармауына байланысты болар. Нәтижесінде барлық инжектрленген электрондар және көбінесе кемтіктер теріс (қарама-қарсы) электродқа жетпей қалады, 438K температурада (14.7-сурет) электрондардың жылдам құлауы  (резкий спад) орын алады, ал кемтіктерде бұл байқалмайды(өтпейді). ТИ- пленкалы  а-As2 S3-те Т=438K және F=105B/см-дегі есептелген кемтіктердің дрейфтік қозңалысының мәні   μh~10-7см2/(В×с) құрайды және кесте мәндерімен сәйкес келеді.

 

14.6-сурет Аморфты. ТИ-пленкалы As2 S3-тің

T=300K-дегі (2)дегі электрондар мен (1) кем-

тіктердің ауыспалы фототогы.

14.7-сурет. ТИ-пленкалы As2 S3-те Т=438K-дегі

Электрондар (2) мен (1) кемтіктерінің ауыспалы                                                                                                                                                                        

фототогы.

 

 ВЧ-қабыршақтарында а-As2 S3 T=300K (14.8-сурет) сонымен қатар ТИ-қабыршақтарында инжектрленген тасымалдаушылардың ауыспалы фототоктары жылдам төмендейтіні байқалады, айырмашылығы ТИ-қабыршақтағы кемтіктерінің ауыспалы фототогымен салыстырғанда электрондар мен кемтіктердің фототоктары бірдей T=438K (14.9-сурет) электрондар мен кемтіктердің ауыспалы фототоғының қисықтарында сипаттамалық (харатерный) излом байқалады. ВЧ-қабыршақта T=438K және F=105B/cм электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштығы сәйкес келеді және  μn~μp~10-6см/(В×с) құрайды. ВЧ-пленкадағы байқалатын электрондар мен кемтіктердің ауыспалы фототок мәнінің бірдейлігі төмен өрісті кернеулерде де байқалатынын ескеру қажет. Бұдан байқатынымыз, ВЧ-қабыршақтарындағы қозғалғыш электрондар күшті электр өрісінде өтетін эффект әсерінен пайда болмайды.              

 

14.8-сурет.T=300K.Аморфты ВЧ-қабыршақты          AS2 S3 электрон(2) және кемтіктердің (1) ауыспалы фототогы.                                                           

14.9-сурет.T=438K.Аморфты ВЧ-қабыршақты          AS2 S3 электрон(2) және кемтіктердің (1) ауыспалы фототогы.                                                             

ВЧ-қабыршақтарда а-As2 S3 және As2 S3 қозғалғыш заряд тасымалдаушылар практикалық қозғалғыштық мәні бірдей μn және μр, кемтіктер және электрондар, яғни заряд тасымалдаушылардың биполярлық ауысу мәні болады.

14.3 Ионды-плазмалық  шашырау әдісімен алынған As-Se жүйелі  аморфты қабыршақтар электрондарының  энергетикалық спектрлерінің ерекшеліктері.

Вакуумда термиялық буландыру (ТИ-қабыршақтары) әдісімен алынған халькогенитті шынылы As2 Se3 және артық мышьякты құрамды монолиттік үлгілер сияқты қабыршақтарды да  қозғалғыш заряд тасымалдаушылар  тек қана кемтіктер болып табылады. Бұл ХСП-дағы  Фермий деңгейі тиым салынған зонаның ортасында орналасқан және электрондарды терең ловушкаларға қармауына байланысты. Ионно-плазмалық (жоғары жиілікпен тозаңдату әдісімен алынған ВЧ-қабыршақ). Осы ХСП жүйесінің аморфты қабыршақтарда қозғалғыш заряд тасымалдаушылары болып кемтіктер сияқты, электрондар да табылады(саналады). ХСП-дағы заряд тасымалдаушылардың дрейфі локальденген күйімен бақыланады, ТИ және ВЧ-қабыршақтарының электрондық күйлерінің спектрінде айтарлықтай айырмашылық бар, осы құблысты түсіндіретін сапалы ( качественная) модель ұсынылған болатын. ВЧ-қабыршақтардағы қозғалғыш электрондардың пайда болуының және қабыршақтардағы мышьяк атомдарының концентрациясының өсуімен (ұлғаюымен) электрондар мен кемтіктер қозғалғыштығының өзгеруі түсіндірілмей қалды. Сонымен қатар, ХСП локальденген күйден күрделі энергетикалық спектрге ие, қаыптастырудың айтарлықтай үлесін өзіндік деффекттер құрайды, ол корреляцияның теріс эффективті энергиясының ортасы U- деп аталады. Бұл орта нүктелік зарядталған деффекттер (ақаулар) D+ және D- күйінде болады, экзотермиялық реакцияда нейтральді исходный күйде D0 құрылған.

                                                                                (14.2)

Қозғалғыш массалар заңына сәйкес концентрациялардың D+ және D- сандық қатынасы мына түрде жазылады:

                                                                       (14.3)

D+ және D- ортасы ХСП-да тыйым салынған зонаның ортасына Фермий деңгейін бекітеді және электрондар мен кемтіктер үшін ловушка (қақпан) болып табылады, заряд тасымалдаушылардың тасымалдауын бақылайды.

Вакуумда ионно-плазмалық жоғары жиілікті тозаңдату  және термиялық буландыру әдісімен алынған U—ортасында модельді ұсынымдар бағдарынан заряд тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалысын зерттеудің экспериментальді нәтижесін қарастырайық стехиометриялық құрамды As2 S3 қабыршақтарында  және артық құрамды мышьяктағы As2 S3, As3 Se2  

14.10-суретте электрондар  мен кемтіктердің дрейфтік қозғалғыштығының  электр өрісі кернеуі E=105B/см және температура T=300K кезіндегі мышьяк концентрациясынан тәуелділігі көрсетілген суреттен, ТИ-қабыршақтарында қозғалғыш тасымалдаушылар тек кемтіктер екенін көруге болады. Стехиометриялық құрамды As2 Se3 қабыршақ үшін  μp≈2×10-5см2/(В×с) құрайды. Қабыршақта мышьяк концентрациясының  40-тан 60 ат.%-ға ұлғаюынан кемтіктің дрейфтік қозғалғыштығы айтарлықтай азаяды, ал As3 Se2-де  μp≈2×10-7см2/(В×с) құрайды.

                    

14.10-сурет Вакуумда ВЧ-тозаңдату (1,2) және термиялық буландырудан  алынған As S жүйелі аморфты қабыршақтағы  кемтіктердің (1,3) және электрондардың (2) дрейфтік қозғалғыштығының  мышьяк конструкциясынан тәуелділігі, F=105 B/см, T=300K.

ВЧ-қабыршақтардың ТИ-қабыршақтардан айырмашылығы, қозғалғыш заряд тасымалдаушылар кемтіктер мен қатар электрондар, оның үстіне As2 S3 ққұрамы үшін электрондар  мен кемтіктер практикалық түрде сәйкес және μр≈μn≈10-5см2/(В×с) құрайды, яғни бұл қабыршақтарда биполярлық тасымалдау байқалады. Мышьяктың құрамы артқан сайын осы жүйедегі қабыршақта μn айтарлықтай  көбейеді және μр едәуір азаяды. Мысалы, As3 Se2 құрамы үшін электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштығы μn≈2×10-4 және μр≈5×10-7см2/(В×с), яғни монополярлы электрондық тасымалдау практикалық түрде байқалады.

Температураның жоғарылауымен дрейфтік қозғалғыштық экспоненциялды заңға сәйкес өседі μ=Cexp(-Eμ1KT), ∆Eμ-заряд тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалғыштығының активация энергиясы 14.11-суретте As Sе жүйелі қабыршақтағы ∆Eμ-дің концентрациялық тәуелділігі келтірілген. As2 S3 құрамды ВЧ-қабыршақ үшін электрон (∆Eμn) және кемтіктердің (∆Eμp) активация энергиясы бірдей мәнге ие, ~(0,53-0,55) эВ-қа тең екенін көруге болады. Қабыршақтағы мышьяк концентрациясының 40-тан 60 ат.%-ға артыуынан электрондардың дрейфтік қозғалғыштығының активация энергиясы ∆Еμn ВЧ-қабыршақтарда ~0,45эВ-қа дейін төмендейді, ал кемтіктердің дрейфтік қозғалғыштығының активациялық энергиясы ВЧ және ТИ қабыршақтарда ~(0,53-0,55)эВ-тан ~(0,61-0,63) эВ-қа өседі. Қозғалғыштық үшін кескіннің экспоненциялды көбейткішінің мөлшері С~(103-104)см2/(В×с) құрайды.