Способ определения поперечного коэффициента нернста- эттингсгаузена в полупроводниковых кристаллах

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО КОЭФФИЦЖНТА НЕРНСТА-ЭТТИНГСГАУЗЕНА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ путем создания градиента температуры , отличающийс я тем, что, с целью расширения температурного интервала измерения указанного параметра в область температур 4,2 - , выбирают материал с KoHueHTpaiyieft равновесных носителей тока, удовлетворяющей условию К П7/ 4 el ( IK ne Its охлаждают его до температуры 4,2 , а градиент температуры создают , освещая кристалл светом с энергией, удовлетворяющей условию: 7/ 7, f 0,)j где EQ - ширина запрещенной зоны полупроводника-, tiLJ - энергия продольного опти (Л ческого фотона в полупроводнике- , е - заряд электрона; т - эффективная масса равновесного носителя тока-, 00 СП) статическая и оптическая эе,и диэлектрические постоянные Р о h - концентрация равновесных носителей тока-, ti - постоянная Планка О1 О) - частота продольного оптического фотона.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„860650

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 о г1 7j

Фле 1+ ев—

2Ж

Е +20Ъы, K. E +О 11Ы о где

"1 ширина запрещенной зоны полупроводника; энергия продольного оптического фотона в полупроводнике; заряд электрона; эффективная масса равновесного носителя тока; статическая и оптическая

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЪФ (21) 2914276/ 18-21 (22) 16.04,80 (46) 23.12.85. Бюл. !! 47 (71) Ордена Ленина физико †технический институт им. А.Ф.Иоффе (72) Н.М.Колчанова, Ю.С.Сметанникова и И,Н. Яссиевич (53) 621.316.321(088.8) (56) 1. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников,—

M. Наука, 1977и с. 21-23.

2, Цидильковский И.M. Термомагнитные явления в полупроводниках, М.: Изд-во физ.мат.литературы, 1960, с. 10-14, 96-104, 159-182.

3. P.È.Ëÿãóøåíêî, И.Н.Яссивич, ФТТ, 9, 3547, 1967. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА HEPHCTA-ЭТТИНГС—

ГАУЗЕНА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТИ!ЛАХ путем создания градиента температуры, отличающийся тем, что, с целью расширения температурного интервала измерения указанного параметра в область температур 4,2 — 150 К, выбирают материал с концентрацией равновесных носителей тока, удовлетворяющей условию (50 4 Н 01 Ь 37/00, С, 01 R 31/22 охлаждают его до температуры 4,2

150 К, а градиент температуры соэо дают, освещая кристалл светом с энергией, удовлетворяющей условию: диэлектрические постоянные; концентрация равновесных носителей тока-, постоянная Планка; частота продольного оптического фотона.

1 86! }t, if k

НГ?ооретенис относится к области Н рнстл-Эттин}}Оглу 3(i!;3 (" (3»pesteляПО11УПРОВОГIHHKOHOH ТЕ?:?IИКИ К МРТО дям о-.*pe,t». !ения параметров }к>лупро— водника, в частности поперечного ко-?ффипи(знтя Нер нста-Эттин гс гау!

3Рнл, зilлчeниp. которОГo в цяlfpоком

HH T »Ð Вr1 Jte тЕМПЕРатУР ПОЗВОЛЯЕТ изучить механизм рассеяния носителей токл и тем самым коктролировять качес гво кристаллов.

Известен способ определения термомагнитных коэффициентов H полупроводнике, таких как продо IbHhM и поперечньп! коэффициент Нернстл-Эттингсгаузена, коэффициент Риги-.НедюкаГГлдж:f (17, Общее в методе определеHHi! } l их ко 3ффициентов заключается

Б !3!7 3 st(ис т нии мя I llè f Ho ГО поля на !

»и;?(!131!Р}!Ньгй Г?ере ос носителей ток». Поя(ляющийся. в результате rpai!è-:"птл температур, Опосоо Определения иродольногo ко эф(!!Пциентя Нернс— тл — Этти и гс гауз еил в г?о!1 упроводниклх,2 »осто!!т в lfзмерении термо— мл г }нитной ЭДО Е, 30m никающей в направлении градиента температур при помещении KpHcT isis!» 3 постоянное

МЛГ}П"ГНОЕ ПОЛЕ. ГРаДИЕНт тЕМПЕРатУР созда»т » я двумя нл1 j3»«» T esssthiH или

t;l i p(в лтеГ! Рм:"1 хО. :o ГH:1ь ником, Ня пр:;Eisl(H! I!! лекторы мл г!(нтного поля

i рлдиентл температур Взаимно пери»}?дику: !я}1 ны, Основ пым недостатком указанного способа о ðеделения продольнь!х jåpkë?3»ãititтньlх коэффициентов !1!р(дольный коэффициент Нернс.ГЯ-Эттингс гауз Рва, коэффициент РигиНецюс»- .1»,Г}жи) является наличие на !Я.ГП>Г?ой! j »ç }foe ги ПОтенциялов, сВЯэлиной с приложением градиента темп»p0!ур, -}ТO затрудняет измерение ! точ}и?! 0:. Нлчения "cp! IÎ -3.д. с, 3:

Нз }?ест»н, Z с пособ определения попер»чного коэффициента НернстаЭтт(}нгсiяузенл с(в полупроводникоВЫХ КРИ»т:3 IH»rK, С ОСтОЯ!Ций В ИЗМЕРЕнии rpp nì»t нитной 3, it Е, появ.1яю!ЦГ йся пр}! ?.О?!с !Цонии Об,"}лзцл, В которо Г 0 311»к Грлг,ие k;T т»ыперятуры в пос!ояниое магнитное по le H

I радиент тс.мпературы с.оздлется двумя нл гр»влтелями или нл грс ВатеsIeM H хо:10,;!и ГIЬIПI ком . Ня Гр Р?3»тели и

0t3p;?з»ц p»cпо.- аглются между полюс лми !Остоя}!Ногс> магkl Ги а так, чтобы вс к гор: p;i;tf< i!тл тем??ературы, магНИТ!i0! Р !i!ь !Я И t30 !k!И!КЛЬПЦЕИ ТерМО

МЛ.!!!! Г;ГО } };It tsf,! iif H iff !HO ПЕРПЕН„-;и! у .s! p:Гы:1 гс,3 i!,i }Г ; к,10?}?фипиент ется из выражения:

-1 ь"= (Л} и (iitp»stes1Рние Й - из Опи(явного

Вьнце класси IpcKOI термо-мл?нитногo метод-* верно 13 предпог?ожении, что колебания pemeтки, взлимодейстную}цие с Ef 0 »HT eststws тОк», 1 . »Ходя т(. я В (3 ге?!Ловом p»BHQHecHH Наличие грл, upHTà температуphi приводит к воз— никновению анизотрог!ии B распределении колебаний решетки; фотоны преимущественно двгв?(утся В направлении от горячего к холодному краю

Обрлзца. Вследствие это!О рассеяние носителей токл фото! ами также стлно13итс я анизотропным;:!оситР.IH

?л;це получают импульсы в сторону холодного края, чем в противоположную. Этот дрейф носителей тока, обусло?!ленный нарушением равновесного распределения колебаний решетки, пос?учи Г1 название увлечения носителей тока фотонами. Эффект увлечения

25 тем боs1:hme, чем сильi!ee взаимодействие фотонов с носите !ями тока и чем больше Время ре;}лксации рлзупорядочения движе!(ия дпинново.!Новых фО ь ОНОВ С КОТОРЬГМИ iiOC! f 1 Е3!И } ОКЯ

3 (3

Е3 злимо ?ей ствуkOT „СЛРдо 13» TES1ьно IlpH

:зысоких температурах эфф»ктом увле«(EfHsI можно пренебре.?ь, я при низких температурах увлече!Гие проявляется значительно си-ц,нее,. так

- 5 клк из-за Взаимных столкновений распределение фотонов медленнее возвра?цлется к равновесию. Наличие при низ;их температурах сильного эффекта у 31?ечения является принциггилльным фактором, не позволяющим определяц ь поперечный коэффициент Нернста-ЭттингсгаузеEIG в обsl»c TH кизких тем— п»ратур указанным способом, создаВая градиент темперлтур с помощью

45 двух нагревателей или клгревателя

И ХОЛ(ЗДИЛЬПИКЯ

3»111}(1 изобретения является расширение температурного интервала опреде ; åí-è:ÿ поперечного коэффициен5ffj, . и тл l.epícòà — ?Tтингсглузеня в подув проводниках в область температур чр2 — o K> 1 де 011p(дРлени» р.ГО из классическогn -!pрмомагнитного эффекта принципилл}.но невозможно.

1;ель достигается те..1, что берут материал, ко}?центр»Пня рлввовесньгх носителей токл }3 3 к

3<и <

2 Ф о. гп PCI

L) С 3) охлаждают е<о до темп< рлтурн 4,215() K, a градиент температуры со 3—

ДаЮт ПУТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ КРИСтЛЛЛЯ С13<— том и.з области с обс тв I

10 ния, энергия которогс 1 уд< влети<в ряет условию 3 20 1 с<) 7< Е Я ° с, 3 <<с<3 о " с где Š— ширина запрещенной эоны

ПО. IУ ПРО E3P111< lf K Л; с<3 — энергия продольH< го опти— о ческого фотона Е3 по:<уп;«вЂ” всднике, заряд:электрона, 7Г, <л3< — эффективная млс< л рлвновесного носителя токл;

I3 — концентрация рлвновесн<:<х носителей тока; постоянная !ланка; ,<3„— частота про;1ольного опти— ческого фотонл. и 3с — статическая и оптическая

С CO диэлектрические постоянные.

При выполнени11 условий (2, 3) про— исходит разогрев лнслмб.<я равновесных носителей тока. Формула (2) характеризует условия, при которых имеет место сильное межэлектронное взаимодействие и (существляется пе35 редача избыточной энергии фотоносителей системе равновесных носителей, Нижний предел для энергии кванта света в формуле (3) обусловлен принципиальной невозможностью разогрева равновесной системы при меньших энергиях: верхний предел (5 ь с +

+20 3 w ) выбран с учетом сложной структуры зон полупроводника.

Ниже приведем рассмотрение для 45 полупроводника <3 -типа. Полученные выводы справедливы для материала как р-типа, так и для собственного полупроводника. Известен эффект разогрева электронного газа в полупроводниках (3 g . При освещении полупро— водника светом, энергия которого удовлетворяет условию (3), избыточная энергия фотона в случае сильного межэлектронного взаимодейств11я, которое имеет место при выполнении условия (2), передается ансамблю равновесных носителей тока, что приводит

< p,l зогpeBv электронн< го гл.зл до тсмперятуры 1, гревнш,зю<цей теми«рятуру решетки т„ нл ве.пи <пну 4Т (4) где с< — коэффициент поглощения, I — падающий световой поток, время релаксации избыточной энергии при взаимодействии с кслебаниями решот— ки — энергия, передлвлемля фот<— ном системе электронов.

Бсле11ствие неравномерного поглощения света по толщине кристлллл нлибо-IPP разогретыми склжутс.я носите<в< у оснещеннои поверхности. 33 резу11ьглте этого возникает грлдиент ..3лек1Р< ННС и тЕМПЕРЯтУРН, НЛПРЛ13Л< Н<ЗЬП< от ос1 ещенной по13ерхности образца иглу<, криста<в<я. I рлдиент электр< и— ной температуры отлич,".ется от тепчо— ного градиентл, получаемого двумя

1<л гревателями ;ли нагревателем хо.10;Iff.lтьником T ем, что при со 3длградиента электронной гемперлтуры температура реШеткlf Hp изменя< тся и рлвнл температуре окружлюшеH среды.В

11<1 1<.1<зм случае фсзтон<зыз< поток отсутствуеt, У<.трлнение эффектл yf311ечев<<я э:зектронов позволяет провести пр< lp.÷<. ние указлнного пярлметрл

3<ри Значите.зьно бо11ее низких темперлтурах, чем это можно c;1<. ..<лть, ис— п<><11.зуя для создлния гряди< нтл температур двя HBIIp;\E3.1ения или нлгреватель или хо11одильник.

Нл фиг.1 изображена схемл измерения ЭДС Нернста на градиенте электронной температуры, на фиг.2 экспериментальная зависимость поперечного коэффициента Нернстл †.)т— тингсгаузена от температуры Е3 интервале 4,2-150 К.

Конкретное определение поперечного коэффициента Нернстл-Эттингсгаузенл в интервале темперлтур 4,2с

150 К было осуществлено для эпитаксиального материала Г- 1: я электронного типа с кон< ентрацией носителей тока =1О си, удовлет<зоряющей

-Ъ требованию (2), образец помешают в постоянное магнитное поле Н=-1 кэ, ох.заждают до температуры 4, "ji, освещают светом, энергия к< торого

1, 59 эВ удовлетворяет жс..зс» f13<3 (3) .

Яь нием механизмов рассеяния носителей тока в полупроводнике. При ?3?Eсоких температурчх (Т ) 60 К) преобладающим механизмом рассеяния янляется расс внх к одебян еяние последних ня тепчоиях решетки н то время, 4Р К носители тока рассеиняются, н ос??он??ом, при нзаимодейстнии с ионам?1 примеси. Энак Й"«янис??т от телей тока

МЕХЛ!EИ ИМЯ ? ?С СЕЯI!ИЯ ?!ОCИ

5

В этих условиях измеряют ЭПС обусловленную фототермомагнитным .?ф— фектом на градиенте электронной температуры и рассчитывают значение я2 со:. ясно формуле (1) . г?ля получения значения поперечного коэффициента вернстя-Эттингсгаузена н интервале температур о

4,2-(50 К температуру кристалла постепенно поньш?ают, измеряют ЭДС при заданной температуре из указянпого интернала и рассчитывают значения

Я согласно (?. Полученные значения предстанлены на фиг.2. Величина Q с понижением температуры падает, меняет знак, а затем растет по абсолютной величине, стремясь к некоторому постоя?1??ому з??ачению.

Смена знака 62- обуслонленя измене31?(г (— т 7,-1

2 (2 (2E? ) 1 6? где г. — посточнная Вол? 1?мг?ня, (— гамма-функция, с — коэффициент.

lip!:. расс еянии носителей тока ня о ионах г =2 ((c 40 К), я ня теплоных ко;?ебаниях решетки -= 2/ ?. Сор:?ясно формуле (5) при изменении хярчктеря рассеяния носителей тока дгх ?же?1 меняться 3 нлк л ! (рг длягаемый способ опре,?е:?ения поперечного коэффициента Пернстя — Эт—

2б ( г!1!1! с гауз ена - в полупронод1и?кях п? ч ноляе T рас;иирить т емперятур1н E?1

11«терна:E измерения укя"-,a?E!Eo? паря торонч низких тем? рзт.р до

1,2 К. Температурная чянис??мое:ть р ? = $ (T) в области низких тем??ер;?тур дает нозмож?11 сть из; п?т., ме:iËEE!EÇÌÜE РаССЕЯНИЯ НОСИтЕЛЕй тоКЯ, что няж1?0 для контроля каче«т ня 1о:1 "

30 ПРо«ОД??ИКОНЬГХ МатЕРИаЛОН

HF)t)F) 5(1

Техред А.Бойко КорректорЛ.Латай

Редактор С.Титова

Фи; иал ППП Патент", г ° Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 8133/3 Тираж 678 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Paymcêàÿ наб., д. 4/5