Энергетический спектр узкозонных многокомпонентных твердых растворов на основе халькогенидов свинца - олова /PbSnTe, PbSnSe и др./ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Введение.

Глава I* Проблемы теории зонного спектра.соединений: А В . . .II

§ 1Д» к-Р —метод и численные раенеты из первых принципов. .••. •.II

§. 1.2. Модель Волкова. - Панкратова / р -модель/.

§ из. Развитие р - модели для: детального описания: зонного спектра. Основные результаты, диссертационной работы.

Глава П» Теория: электронного спектра полупроводников группы в окрестности краев зон.

§ 2Д. Диэлектризация спектра., Энергетические уровни в точке

§ 2*2. Электронный спектр у краев зон» Эффективные массы.

§ 2*3. Физический смысл и численные значения: параметров р -модели.

§ 2,4* Спиновое расщепление в магнитном поле.».

Глава Ш., Зонная структура в широком энергетическом интервала. .»

§ 3»Г» Структура валентной-зоны в соединениях:!^6. 3.2» Энергетические уровни в точках. И

§ 3.3. Эффективные, массы: и ^ - факторы второй валентной! зоны.

§ 3»4. Расчет электронного спектра во всей зоне Бриллюэ— на на примере. Р&Те ^ Зонная структура Р6 Ро.

Глава 1У» Многокомпонентные, твердые растворы на основе соединений А4В6.

§ 4»Iv Зависимость параметров энергетического спектра от. состава тройных; твердых растворов

§ 4»2» Энергетический спектр четверных твердых растворов »»

§ 4.3» Применение полупроводниковых материалов А^Ф в Ж технике »»•.»»•»•».*»»».•»»»••»».••»•••♦».

Зб^/ЗТ, структурые превращения, происходящие в этих соединениях при изменении температуры и давления, инверсия типа проводимости /в Р§>йпТе„Р&Бл8е / при увеличении температура, сверхпроводящие; свойства ^ТЦбл'Пг, РВТе, особенности фотоэлектрических характеристик, легированного элементами Ш. группы и ряд других, свойств. Понимание этих фундаментальных проблем возможно только на основе, детального исследования энергетического спектра,, с осо— денностями которого связаны эти.свойства. Поэтому исследование зонного спектра,, соединений А^В® является актуальной задачей физики полупроводников и ее: решению посвящено большое: количество экспериментальных- и теоретических работ. В настоящее время здесь имеется ряд нерешенных проблем. Прежде всего, это проблема теоретического описания зависимости параметров энергетического спектра от химического- состава многокомпонентных твердых растворов, Этот вопрос приобретает особую актуальность в связи с использованием четверных твердых растворов в фотодиодных.гетероструктурах и гетеролазерах. Интерес, к: четверным соединениям типа Т^.уБе^ связан с наличием двух свободных параметров X „^ „ позволяющих независимо подбирать требуемую ширину запрещенной зонт и период решетки слоев гетероструктуры. Остается нерешенной, проблема теоретического описания сложной структуры валентной! зоны, состоящей! из Ь — зоны, легкиз дырок и второй, валентной, зоны, тяжелых дырок. Влияние второй валентной- зоны проявляется, в аномалиях температурной, зависимости константы. Холла, термо-э.д.с. , маг-нетосопротивления, ширины: запрещенной! зоны, при Т ~ 300 400 К-Высокие значения термоэлектрической! эффективности Й соединений. Р&Те,,также связаны: с влиянием второй, валентной зоны. До настоящего времени закон дисперсии этой, зоны- теоретически исследован не был.

В связи с наблюдением в сильнолегированных соединениях: &еТе,

SnTe^PiTe »перехода, ввсверхпроводящее состояние представляется: актуальным определение формы, поверхности Ферми в металлической

ОЛ от о области концентраций носителей Р ~ IQ ь 10 см .

Исследованию этих проблем посвящена данная: диссертационная работа.

Перечисленные задачи не могут быть решены, в рамках традиционных подходов - к-Р— метода и различных, численных методов. №из первых принципов" /псевдопотенциала, ППВ-, ОПВД Основываясь толь— ко на соображениях, симметрии, k-P- метод ве использует информацию о химическом составе соединения. В результате параметры; теории — матричные; элементы импульса, и энергетические зазоры /всего болеет десяти независимых параметров/ являются просто подгоночными величинами- Их. зависимость от состава твердого раствора требует экспериментального определения для каждого конкретного; соединения,. что является очень трудоемкой задачей- Что касается численных. расчетов, то их. отличает чрезвычайнвя громоздкость и низкая точность /~0,;5 эВ/,. которой, явно недостаточно для рассматриваемых соединений, поскольку характерная ширина запрещенной зоны * ОД эВ.

Для решения перечисленных проблем а диссертационной работе используется новый подход /р — модель/, предложенный Б*АЛЗолко— вым и Q Л .Панкратовым Гх] для описания зонной структуры соединений полупроводников УХ группы, и полуметаллов У группы.

Первоначально р — модель была сформулирована для качественного описания энергетического спектра соединений ЭТОго использовалось простейшее приближение — модель невзаимодействующих. одномерных - зон, построенных на локализованных р — состояниях, ill. Такой подход позволил развить аналитическую теорию интегральных по зоне Бриллюэна характеристик и понять природу структурных, фазовых переходов в («Sn^ejTe [i]r энергетический спектр и легирующее действие вакансий. [2], аномалии диэлектрической проницаемости. [ 3].

Целью настоящей диссертационной работы является развитие подхода [ I) для детального описания энергетического спектра соединений. с решеткой, типаУлСВп а также твердых: растворов на их основе. Учет смешивания 1*> — зон кристаллическим полем и спин-орбитальным взаимодействием позволил в рамках одного подхода описать энергетический, спектр как. в окрестности экстремальных точек. так: и в широком интервале энергий.

В диссертационной, работе получея ряд новых, результатов*

I* Впервые для соединений А^В6 установлена связь параметров — теории с атомными, характеристиками и периодом решетки.

2+ Впервые рассчитана зонная, структура РВТе во всей зоне Бриллюэна /в том числе в несимметричеых. направлениях/ и найдена форма поверхности Ферми в металлической, области концентраций.

3. Впервые рассчитаны: зависимости зонных параметров - „ эффективных масс „ <} — факторов и др- от химического состава, узкозонных многокомпонентных твердых, растворов / Те г р8Те,.х(^5^)х и. др./.

4. Объяснено сильное возрастание коэффициента анизотропии эффективных масс в ряду халькогенидов свинца Те) .

5. Впервые теоретически рассчитан энергетический, спектр второй валентной зоны, /тяжелых дырок/г, определяющей кинетические процессы в халькогенидах свинца - олова при высоких температурах /300- К/. Определены закон дисперсии,, эффективные массы,. £ — факторы.

6. Рассчитана зонная структура Р£ Ро наименее, изученного соединения рассматриваемого класса. Впервые показано, что дырочные экстремумы: расположены в точках Е на осях. Г К. /двенадцать £ - долин/, а электронные поверхности Ферми локализованы в несимметричных. точках: внутри зоны Бриллюэна на линиях. I* £ /всего 24 долины/.

Практическая ценность работы. Построенная в диссертации теория дает возможность рааосчитывать параметры энергетического спек

4 6 тра тройных и четверных твердых растворов соединений. А В°, которые имеют важное прикладное значение. Рассчитанные диаграммы изменения и периода решетки в четверных соединениях могут быть использованы для выборш оптимальных материалов при создании фотодиодов и лазеров с заданными характеристиками»

Найденный в диссертации энергетический спектр второй валентной зоны: дает возможность рассчитывать электрофизические характеристики полупроводников А^В6 с учетом вклада всех типов носителей тока»

Апробация работы. По материалам диссертации были сделана следующие сообщения:

I» На Всесоюзной Ш Уральской школе по физике узкозонных полупроводников в г» Свердловске /1982 г./.

2. На И. Всесоюзной! конференции по узкозонным полупроводникам в г. Львова /1983 г./.

3» На Всесоюзном семинаре секции узкозонных полупроводников и Научного Совета по проблемам физики и химии полупроводников АН СССР /г. Дрогобыч, 1981 г./.

4. На Всесоюзных семинарах по теории узкозонных полупроводников /г. Москва, 1981, 1983 г./.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы; в работах. Г4 — 8].

Структура диссертации» Диссертация, состоит из Введения, четырех-глав, Заключения, Приложения и списка цитированной литера^ туры. Она содержит 119 страниц машинописного текста, 35 рисунков, 6 таблиц, и библиографию из 96 названий. Формулы, рисунки и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное в диссертационной работе теоретическое исследование показало,что энергетический спектр большой группы узкозонных кубических, полупроводниковых соединений А^В^ может быть описан в рамках единого подхода / р - модели/ не только качественно, но и количественно. Причем модель позволяет получить зонную структуру во шей зоне Бриллюэна, опираясь на численные значения параметров, определенных из вида спектра, вблизи Ь и 2 — экстремумов. По сравнению с к-Р - теорией сильно сокращено число параметров, определяющих зонный спектр в точке Ь . Показано,, что для описания энергетического спектра в пределах точности экспериментальных данных достаточно всего семи констант - , ^ и Д , из которых две - Л+ совпадают с параметрами СО расщепления валентных р - оболочек атомов, металла и халько-гена, а две других^ практически одинаковы для всех соединений, Всего лишь три параметра \л/+ и А требуют экспериментального определения. Поэтому параметры р - модели могут быть определены экспериментально с гораздо более высокой точностью, чем параметры модели Диммока, для которых приведенные в литературе экспери- • ментальные данные имеют большой разброс.