“Аморфты материалдар” лекциялары курсы
Ионды-плазмалық шашырау әдісімен алынған As-Se жүйелі аморфты қабыршақтар электрондарының энергетикалық спектрлерінің ерекшеліктері
жүктеу/скачать 5,58 Mb.
|
ÐмоÑÑ Ð¼Ð°ÑÐµÑ 15 даÑиÑ
| 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. 14.11-сурет. Вакуумда ВЧ-тозаңдату(1,2) және термиялық буландырудан алынған As S жүйелі аморфты қабыршақтағы кемтіктердің (1,3) және электрондардың (2) дрейфтік қозғалғыштығының мышьяк конценрациясынан тәуелділігі. Дрейфтік қозғалғыштықтың төмен мәні оның температурамен артуы(өсуі) экспоненциялдық заң бойынша және экспоненциялды көбейткіш мәнінің үлкендігі тасымалдау механизмі есебінен, локальденген күйде заряд тасымалдаушылардың көп ретті (бірнеше рет) қармауы болғандықтан қозғалғыштық мөлшері шектеулі. Егер зарядталған деффекттерге D+ және D- ие локальденген күй U-- ортасында пайда болса, оңай дрейфтік қозғалғыштықтың активация энергиясының мөлшері шамамен фотолюменисценция кезінде сәулелендірілген және өткізгіштің активция энергиясы тұрақты тоқта өлшенген фотон энергиясының жартысын құрау керек. Осы шарттардың ТИ-қабыршақты ХСП-да орындалуы көп ретті зерттелулермен расталған. As2 Se3 ВЧ-қабыршақтарда электрлік және оптикалық қасиеттерін және фотолюменисценцияны оқып үйрену нәтижесінде, осы шарттар да орындалады, яғни,қорытындылауға болады, ВЧ-қабыршақтарда, сонымен қатар, ТИ-қабыршақтарда заряд тасымалдаушылардың тасымалдануын басқаруышы локальденген күй болып U- ортасы (центр) табылады. Дрейфтік қозғалғыштық үшін заряд тасымалдаушыларының тасымалдауы кезінде, ловушканың дискреті деңгейінде оның қармауын басқарудың кескіні мына түрде болады: Мұндағы μ0-N-тасымалдаушылар қозғалғыштығы және рұқсат етілген энергетикалық зонаға сәйкес күйдегі эффективті тығыздық, Nt-ловушкалар тығыздығы(локальденген күй), ∆E-ловушканың шеткі рұқсат етілген зонаға қатысты энергия түрінің дискретті деңгейі, K-Больцман тұрақтысы, T-абсолютті температура. Ловушканың дискретті деңгейінің энергетикалық түрі ∆Е рұқсат етілген зонаның шетіне қатысты дрейфтік қозғалғыштықтың активация энергиясына ∆Еμ сәйкес келеді және электрондар мен кемтіктер үшін ловушканың ролін құрылымның өзіндік зарядталған дефектілері атқарады D+ және D-, (14.4) теңдеуі μn және μр үшін мына түрге келеді: Мұндағы, [D+] және [D-] cәйкес электрон және кемтіктердің тасымалын басқаратын концентрация ортасы(центр), ∆Eμn және ∆Еμр- электрон және кемтіктердің дрейфтік қозғалғыштығының активация энергиясы (D+ және D- ортасының энергетикалық түрі рұқсат етілген зонаның сәйкес шегіне қатысты). (14.5) және (14.6) теңдеулерін пайдаланып As S жүйелі қабыршақтардағы D+ және D- ортасының концентрациясына бағалау жүргізейік. As2 Se3 ТИ-қабыршақ үшін ∆Еμр=0,53эВ және μр=2×10-5 болған кездегі болжау μ0p=10см2/(В×с) және Nv = 1019см-3 концентрациясы [D-] ~1016см-3 және [D+] [D-] ~103см-3 тең, әдеби мәліметтермен сәйкес келеді. Артық құрамды мышьяк As3 Se2, As2 Se3 үшін D- ортасы концентрациясы ~10-16см-3 As2 Se3 ТИ-қабыршақтардағы электоронның дрейфтік қозғалғыштықты кемтіктің дрейфтік қозғалғыштығынан айтарлықтай аз және μe≤10-7см2/(В×с) құрайды . және орта Фермий деңгейіне қатысты энергия бойынша симметриялы орналасқан деп есептесек, ∆Eμp≈∆Eμn болады. Бұл жағдайда (14.5) теңдеуінен анықталған өткізгіштік зонадағы электрондар қозғалғыштығының мөлшері μ0n≈0,1см2/(В×с). As2 Se3 ВЧ- қабыршақтарда μр≈μn екені байқалады, ∆Eμp≈∆Eμn және μр μn мөлшерлері осы құрамдағы ТИ-қабыршақтар үшін μp-мен сәйкес келеді. Демек зарядталған орталық концентрациясын бағалау үшін, зерттелетін құрамды ВЧ-қабыршақтардағы басқарылатын кемтіктердің тасымалдануын μ0p≈10см2/(В×с) деп санауға болады. D—ортасының концентрациясы Nv=1019cм-3 кезінде, ТИ-қабыршақтарда да ~1016см-3құрайды және мышьяктың мөлшеріне тәуелді емес. D-- ортасының концентрациясын бағалау үшін, зерттелетін ВЧ-қабыршақты құрамдағы электрондардың тасымалдануын басқаратын екі шекті μ0p≈10 және 0,1см2(В×с) жағдайды қарастыру қажет. D+- ортасының концентрациясын бағалау Nc=1019см-3 кезінде бірінші жағдайда ~1016см-3, екінші жағдайда -[D+]~1014см-3 мәнін береді. D+ және D—орталары арасында электронейтралдылық заңы орындалуы керек, онда екінші жағдайда ВЧ-қабыршақтарда D+- ортасынан тысқары оң зарядталған –A+ орта болуы керек, электронейтралдылық теңдеуінен концентрацияны бағалауға болады: [A+]-ортасы концентрациясының бағалау мәні 99×1014см-3 береді. A+ зарядталған ортасы, шамасы электрондардың тасымалдануына айтарлықтай әсер етпейтін ұсақ иондалған донорлар құрамды болуы керек. ТИ-қабыршақтарындағы кемтік тасымалдануын басқару және As Se жүйелі құрамды зерртелетін ВЧ-қабыршақтарындағы электрондар мен кемтіктердің мышьяктың мөлшеріне тәуелді емес. Осы жағдайда, қабыршақтағы концентрацияның жоғарылауымен тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалғыштығының өзгеруі энергетикалық күйдің D- және D+ ортасының өзгеруімен байланысты болуы керек, нәтижесінде, сәйкесінше рұқсат етілген зонаның Ev және Ec энергетикалық күйі өзгереді. As Se жүйелі қабыршақтағы Ec және Еv энергетикалық күйінің өзгеруін және осы жүйедегі ВЧ-қабыршақтардың қозғалғыш электрондарының пайда болуын түсіндіру үшін электрондық күйдегі спектрді қалыптастыруды U- ортасы бар, гомобайланысты орбиталардан As және Se-ді қарастырамыз. Монолитті үлгілердегі сияқты, ТИ-қабыршақтарда да мышьяк құрамды ХСП-да валенттік зонаның шегі және хвост тығыздығы сәйкесінше қалыптасады, негізінде, байланыссыз орбиталардан селеннің бөлінбейтін жұбының LP-электрон атомдары, мышьяктың байланысатын орбиталарының (σ) атомдары және селеннің атомдары энергиясы бойынша айтарлықтай төмен орналасады (14.12-сурет). Валенттік зонаның тығыздық күйінің мәні болмашы (азғантай) және тасымалдаушыларды қармауда айтарлықтай рольде емес, сондықтан кемтіктердің дрейфтік қозғалғыштығы өте терең –D-ортасы локальденген күйлерде басқарылады. Ерекшелігі, мышьяк атомы сияқты селен атомының өткізгіш зонасының шегі антибайланыстырушы орбиталдармен қалыптасады. Мышьяктың антибайланыстырушы атомдарының орбитасы σAS энергиясы бойынша селеннің антибайланыстырушы атомдарының орбиталынан төмен орналасқан, бұл айтарлықтай күй тығыздығынынң хвостына әкеледі. Бұл жағдайда электрондардың дрейфтік қозғалғыштығы D+- ортасымен бақыланбайды, өткізгіш зонаның өте терең локальденген күйдің хвостын қармауынан бақыланады, бұл кемтіктермен салыстырғанда электрондар қозғалғыштығының айтарлықтай төмен мәніне әкеледі. 14.12-сурет. Гомобайланысты Se As орбиталарының қатыстық түрі. Қарастырылған As Se жүйелі құрамды ВЧ және ТИ-қабыршақтар μр, ∆Еμр және D—орталық концентрация мәндері бойынша мәндері жақын болады. ВЧ және ТИ пленкалардағы кемтіктердің тасымалдануын басқаруын, локальденген күйдегі энергетикалық спектрі айтарлықтай айтарлықтай айырмашылыққа ие болмайды. Қабыршақтағы Se концентрациясының төмендеуі атомның LP-электрондарымен құрылған валентттік зонаның төмендеуіне әкеледі. Сәйкесінше, валенттік зона шегінің Ev энергетикалық түрінің төмендеуі, D--ортасынынң Ev-ға қатысты энергетикалық түрі өсу керек, осыған байланысты кемтіктердің дрейфтік қозғалысының төмендеуі байқалады. As Se жүйелі ВЧ-қабыршақтардағы қозғалғыш электрондардың барлығы терең ловушкаларға оларды қармап алуын қорытындылаумен куәландырылады, яғни, ТИ қабыршақтарына қарағанда ВЧ- қабыршақтарындағы өткізгіш зона күйіндегі хвост тығыздығы айтарлықтай аз болады, бұл жағдайда электрондардың тасымалдануы D+ ортасымен бақыланады. Бұл жағдайды түсіндіру үшін, ТИ-қабыршаққа қарағанда ВЧ-қабыршақтың өткізгіш зонасының шегі қалыптасады, негізінде, мышьяктың антибайланыстырушы атомдарының орбиталдарымен қалыптасады. Мышьяк атомының бөлігі зарядталған күйде табылуы мүмкін, бөлме температурасында иондалған, концентрациясы ~1016см-3 жететін ұсақ донерлі деңгейлерді A+ құрады. Қабыршақта мышьяк атомының концентрациясынынң өсуінен (артуымен) As Se гомобайланыс артады, Ec өткізгіш зонасы шегінің көмескіленуі өтеді және тиым салынған зона орталығына қатысты оның энергетикалық түрі төмендейді. Бұл электрондардың дрейфтік қозғалысының өсуінің себебі болып саналатын D—ортасына қатысты энергетикалық түрдің төмендеуін болдырады. Валенттік зона шегінің энергетикалық түрінің өзгеруіне қарағанда, өткізгіш зонa шегінің Ec энергетикалық түрінің өзгеруі айтарлық көп екенін ескереміз және қабыршақта мышьяк атомдарының концентрациясының көбеюімен тиым салынған зонасы Eg-дің төмендеуі байқалады. Егер ұсынылған модельдік үлгі As Se жүйелі ВЧ пленкалардағы электрон күйі спектірінің қалыптасуы шын берілген болып табылады, ВЧ-қабыршақтардың Eg ТИ-қабыршақтардың Eg-мен салыстрғанда мәні аз болуы керек, Eg –мен өткізгіш зона шегінің айқын флуктуацияларымен сипатталады және атомдық құрылымы айтарлықтай өзгеше болуы керек. Барлық жоғарыда айтылған ерекшеліктер, ВЧ-қабыршақтарының ТИ-қабыршақтарынан олардың электрондық қасиеттерін, сонымен қатар атомдық құрылымын рентгендік дифракция және комбинацияланған жарықты шашырату спетроскопиясы әдістерімен салыстырып оқып-үйренуге құрылған. Сондықтан U—орталы рамка моделінде өткізілген вакуумда термиялық булундыру және ионды-плазмалық жоғарыжиілікті тозаңдату әдісімен алынған As Se жүйелі аморфты қабыршақтардағы заряд тасымалдаушылардың дрейфтік қозғалғыштығын оқып үйренудің талдау нәтижелері: ВЧ және ТИ пленкалары электрондық күйінің спектрімен айтарлықтай ерекшелігін көрсетеді. Әртүрлі әдістермен алынған қабыршақтардың энергетикалық спектріндегі айырмашылық, өткізгіш зона шегінің әртүрлі механизммен қалыптасуына және локальденген күйіне байланысты, электрон тасымалдануын басқаратын, өз кезегінде, атомдық құрылымның қатты фазаны қарастыратын атомдарын конденсациялаумен буландыру жағдайларының айтарлықтай әр түрлілігімен анықталады. 15-дәріс. жүктеу/скачать 5,58 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|