| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Особливості п’єзоопору германію в області власної провідності
|
П’єзоопір n-Ge в області домішкової провідності досліджувався в багатьох працях, що детально описано в [1]. Його наявність пояснюється появою при одновісній пружній деформації енергетичної щілини (для напрямів [111] та [110]) між однотипними L-долинами (орієнтованими вздовж [111]) зони провідності (c-зони) і, відповідно, переселенням у ній носіїв заряду з різними рухливостями (при n=const). При змішаній провідності необхідно ще враховувати внесок у п’єзоопір германію як переселення з деформацією носіїв заряду між розщепленими підзонами валентної зони (v-зони), так і зміну загальної концентрації власних носіїв заряду (ni) внаслідок зменшення ширини забороненої зони з прикладанням механічних напружень (Х). Зазначимо, що вплив переселення носіїв заряду між підзонами v-зони на величину п’єзоопору для всіх кристалографічних напрямків практично однаковий. У цій роботі для досліджень вибиралися монокристали Ge з концентрацією носіїв заряду (при Т=300 К) n=3,21013 см-3, оскільки концентрація власних носіїв заряду в германії при цій же температурі наближено рівна ni=pi=21013 см-3. На рис.1 наведено експериментальні залежності х/0=f(Х) для головних кристалографічних напрямків, які одержані при Т=290 К. Як видно, для випадку X J [111] (залежність 1) при малих значеннях Х спостерігається зростання питомого опору при збільшенні механічного напруження з наступним проходженням залежності через максимум і подальшим спадом =f(Х). Такий хід залежності можна пояснити одночасною дією двох основних конкуруючих механізмів, які зумовлюють наявність п’єзоопору в кристалах Ge: переселенням носіїв заряду з трьох L-долин, що піднімаються за шкалою енергії при одновісному стиску вздовж [111] (носії заряду мають більшу рухливість ), в одну L-долину, що опускається (рухливість носіїв заряду ); збільшенням загальної концентрації власних носіїв заряду внаслідок зменшення ширини забороненої зони з тиском. Перша причина, як відомо [1], веде до росту =f(Х) з подальшим виходом на насичення при n=const в c-зоні, а друга – до спаду =f(Х). Зміщення вниз L-долини описується згідно [2]: , (1) де S11, S12, S44 – коефіцієнти жорсткості [3], а dl і ul – константи деформаційного потенціалу для L – мінімумів [4]. У свою чергу, зустрічне зміщення максимуму розщепленої v-зони визначається як: , (2) де і d – значення констант деформаційного потенціалу [2]. Внаслідок цього, у роботі [5] було оцінено зміну ширини забороненої зони через коефіцієнт =1.1110-5 еВкГ-1см2 як Еg=Х. Таким чином, з одержаних результатів вимірювань випливає, що при T=290K на ділянці до 7000 кГ/см2 залежності =f(Х) переважає перший механізм п’єзоопору, а при більших напруженнях =f(Х) різко спадає, тобто домінуючим стає другий механізм. Якісно подібний вигляд має і залежність 2 (рис.1) для випадку X J [110]. Спостерігається таке ж проходження кривої через максимум, але кількісні значення х/0 значно менші, бо в цьому випадку відповідальним за перший механізм п’єзоопору є переселення носіїв заряду з двох долин, що піднімаються, у дві долини, які опускаються. Ділянка спаду =f(Х) після максимуму так само пояснюється переходами носіїв заряду при збільшенні Х із v-зони в с-зону внаслідок зменшення з тиском ширини забороненої зони германію. Якщо відносне зміщення долин с-зони відсутнє, то і відсутній перший механізм п’єзоопору, що і підтверджується експериментальною залежністю 3 (рис.1) для випадку X J [100]. Спад питомого опору на ділянці Х4000 кГ/см2 знову ж таки пояснюється зростанням концентрації власних носіїв заряду при зменшенні ширини забороненої зони залежно від тиску. На рис. 2 наведено залежності поздовжнього п’єзоопору (X J [111]) при температурах власної провідності германію. Як і чекалося, при збільшенні температури величина мах/0 (коли криві проходять через максимум) зменшується, бо внесок другого механізму постійно зростає. А от збільшення цієї величини (х/0) після 8000 кГ/см2 зі зростанням температури неможливо пояснити дією лише двох вищезгадуваних механізмів. Очевидно, при таких температурах і механічних напруженнях можливий вплив -мінімумів, котрі орієнтовані вздовж [100] і знаходяться при Х=0 на 0,18 еВ вище основних мінімумів (L-мінімумів) енергії с-зони. Перехід носіїв заряду з L-долин у -долини супроводжується, як показано в [6, 7], зростанням питомого опору (х/0). Згідно з теорією деформаційного потенціалу [2], енергетична щілина між L- та -мінімумами через їхнє відносне зміщення при X J [111] записується у вигляді [8]: , (3)де d і u константи деформаційного потенціалу для долин [100]. Таким чином, збільшення механічних напружень при деформації n-Ge вздовж [111] зменшує енергетичну щілину між шістьма -мінімумами і одним L-мінімумом, а отже, до зростання ефективності міжзонних переходів носіїв заряду в -мінімуми з підвищенням температури. Як наслідок цього – збільшення х/0 (при фіксованих температурах) в області Х8000 кГ/см2. Такі міркування підтверджуються і результатами вимірювання поздовжнього п’єзоопору при X J [100], які наведені на рис. 3. Як видно з залежності 1, одержаної при Т=273 К, п’єзоопір для цього напряму відсутній. Це і зрозуміло, бо немає відносного зміщення L-долин, також не відбуваються ще переходи носіїв заряду з v-зони у с-зону і не проявляються ще при цій температурі і заданих Х переходи між L- і -долинами. Однак із підвищенням температури хід залежностей 2-4 рис. 3 якісно подібний до залежності 1-3 (рис. 2). Незначне зростання х/0 на початковій стадії пов’язане, очевидно, з переходами електронів між L- і -долинами, а спад залежностей 2-4 з переходами електронів між v- і с-зонами внаслідок зменшення ширини забороненої зони з деформацією. Збільшення х/0 із зростанням температури при фіксованих Х4000 кГ/см2 теж пояснюється зміною величини енергетичної щілини між L- і -долинами та ефективністю переходів електронів між ними. Лише в цьому випадку(XJ[100]) величина щілини між чотирма L-долинами і двома -долинами визначається як [7, 8]: (4) Зовсім відносного зміщення -долин не відбувається, коли механічне напруження прикладено вздовж напрямку [110] (тобто Х[100]) і в цьому випадку п’єзоопір в досліджуваних інтервалах Х та температури визначається дією лише двох вищезгадуваних механізмів, що добре підтверджується ходом експериментальних залежностей 1-3 рис. 4. Таким чином, на основі одержаних результатів можна зробити висновок, що в області власної провідності Ge для пояснення особливостей п’єзоопору, крім деформаційного переселення носіїв заряду між еквівалентними L-долинами та зміни загальної концентрації nі внаслідок зміни ширини забороненої зони з тиском необхідно при певних умовах враховувати для напрямів [111] та [100] переходи носіїв заряду між L- та -долинами с-зони. | |
| Переглядів: 532 | |
| Всього коментарів: 0 | |