Теория двухзонной автолокализации в полупроводниках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИШЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ' ИНСТИТУТ /ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ/

ТАРАСКИН Сергей Николаевич

УЖ 621.315.592

ТЕОРИЯ ДВУХ30НН0Й АВТОЛОКАЛИЗАЦЙИ В ПОЛУПРОВОДЖАХ 01.04.02 - теоретическая Физика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

Автор

Москва - 1995

Работа" выполнена в Московском государственном*инженерно-физическом институте / техническом университете/.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор И.П.Звягин,

доктор физико-математических наук, профессор К.А.Кикоин,

доктор физико-математических наук, профессор В.Г.Скобов

Ведущая организация: Институт Спектроскопии РАН

Защита состоится " 2 6 " 1995г. в { Ъ час# О О

мин. на заседании специализированноно совета Д-053.03.01 в Московском государственном инженерно-физическом институте /техническом университете/ по адресу: П5409, Москва, Каширское шоссе, д.31, тел. 323-91-67; 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МША.

Автореферат разослан -^-р^г-Ь 1995г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Учёный секретарь специализированного совета

№

доктор физ.-мат. наук ) ' А.С.Чернов

' ............ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСШ{А РАБОТЫ.............." •

Актуальность. К числу наиболее интересных явлений в твер-|дых телах относится явление автолокализация. Его суть такова: ;электрон в твёрдом теле поляризует среду, создавая или углубляя потенциальную яму, в которой сам же может и локализоваться. ■ Выигрыш энергии V/ при автолокализации в типичных полупроводниках составляет ~ 0.1 эВ при характерных значениях межзонной щели эВ и ширине разрешённых зон 2)с,1/~ 1-/0 эВ,

так что 1л/« Однако, существует широкий класс неупоря-

доченных стеклообразных полупроводников, в которых энергия автолокализации велика и сравнила с шириной межзонной щели, 1л/~ Такие большие значения V/. связаны со спецификой атомной структуры стеклообразных полупроводников - низкой атомной координацией и неупорядоченностью, что приводит к относительно высокой концентрации в них легко перестраиваемых, "мягких" атомных областей. При автолокализации электрона в "мягких" областях препятствующий автолокализации проигрыш упругой энергии сравнитель но мал, и суммарный выигрыш энергии может составить величину порядка межзонной щели. В такой ситуации уровень автолокализу-.ющегося электрона пересекает щель и приближается к валентной зоне. Происходит перемешивание /гибридизация/ автолокализующе-гося состояния с состояниями валентной зоны, и число электронов в области автолокализации изменяется.Таким образом, при больших значениях к/« Еу стандартные теории автолокализации не приме-'нимы, и становится актуальным построение теории двухзонной ав-,толокализации, учитывающей существенные эффекты перемешивания автолокализующихся состояний с зонными.

Предлагаемая теория двухзонной автолокализации может быть также применена в узкощелевых полупроводниках; при рассмотрении автолокализации на резонансном состоянии; для описания автолокализации при высоких давлениях; для анализа рекомбинации и захвата на глубоких центрах в полупроводниках.

Цель работы - построение теории двухзонной автолокализации в полупроводниках с учётом эффектов перемешивания автолока-лизующегося состояния с зонными состояниями и использование этой теории для объяснения аномальных электронных свойств стек-

лообразных полупроводников и других систем, в которых автолокализация носит двухзонньгй характер.

В диссертации решались следующие основные задачи:

- исследование двухзонной автолокализации в состоянии межзонной щели, связанном с гармонической и ангармонической атомной конфигурацией; ;

- изучение возможности автолокализации на резонансном уровне в зоне проводимости;

- исследование динамики пересечения отдельных уровней и зон при автолокализации;

- анализ равновесных и неравновесных электронных свойств стеклообразных полупроводников; нахождение спектра двухчастичных состояний и одночастичных возбуждений; определение зависимости концентрации автолокализованных пар от давления; вычисление сечений захвата и рекомбинации неравновесных носителей заряда через состояния автолокадизованных пар; описание 'фотопроводимости и дисперсионного переноса;

- рассмотрение нового типа автолокализации, индуцированной гибридизацией при отсутствии.электронно-атомной сеязи;

- анализ электронных свойств оборванной связи кремния на основе теории двухзокной автолокализации.

Научная новизна. В диссертации впервые построена теория двухзоннои автолокализации в полупроводниковых системах с учётом гибридизации автолокализующегося состояния с состояниями обеих зон; -^та теория применима для объяснения электронных свойств материалов / в первую очередь стеклообразных полупроводников/, в которых реализуется двухзонная автолокализация.

Ключевой момент диссертации - диагонализация гамильтониана, описывающего двухзонную автолокализацию; вычисление электронной энергии системы; построение адиабатических потенциалов и нахождение энергетических характеристик автолокализации.

Впервые проанализирована автолокализация в локализованном состоянии, принадлежащем щели и связанном с атомной подсистемой, движение которой описывается как в гармоническом, так и в .ангармоническом пределе. Показано, что двухзонная автолокализация сопровождается существенным изменением реальной заселённости автолокализующегося состояния, что приводит к значительной ан-

:гармоничности адиабатических потенциалов и, в частности, к их двухъямности. Найдена немонотонная зависимость корреляционной энергии автолокализованных пар от кёсткости атомного потенциала.

Впервые указано па возможность автолокализации в затравочном резонансном состоянии, попадающем в зону проводимости, за счёт эффекта гибридизации с состояниями зоны проводимости при •достаточно мягком атомном потенциале.

Впервые исследована динамика пересечения локализованных уровней и зон примесных состояний при автолокалйзации. На осно-_ .ве точного решения задачи о пересечении двух уровней показано, что вокруг движущегося автолокализукщегося уровня имеется полоса неадиабатически пересекаемых состояний. Взаимодействие /гибридизация/ с состояниями вне полосы может быть рассмотрено в адиабатическом пределе.

: Впервые на основе теории двухзонной автолокализации вычислена плотность электронных состояний в глубине ¡цели по подвижности стеклообразных полупроводников. Показано, что основную роль здесь играют состояния сильно автолокализованных электронных и дырочных пар, которые фиксируют положение уровня <Т<ерми вблизи середины щели. Найдена немонотонная зависимость концентрации автолокализованных пар от давления. Оценены вероятности рекомбинации и захвата на сильно автолокализованные состояния. Указано на существенную ¡Ьоль одиночных автолокализованных электронов и дырок в неравновесных электронных процессах: фотопроводимости и дисперсионном переносе.

Впервые обращено внимание на возможность автолокализации нового типа, вызываемой лишь гибридизацией при отсутствии элек-. тронно-атомной связи.

Впервые общая теория дзухзонкой автолокализации применена для объяснения электронных свойств оборванной связи кремния.

Практическая и научная ценность. Развитая в диссертации Теория двухзонной автолокализации монет быть использована при анализе экспериментальных данных, касающихся электронной структуры центров, на которых происходит автолокализация. С помощью теории двухзонной автолокализации можно вычислить плотность электронных состояний в глубине щели по подвижности стеклооб-

разных полупроводников и использовать её для объяснения экспериментов по фото- и термоиндуцированному ЭПР, внутрищелевому ■поглощению света, допированию и воздействию сильных электрических полей, фотопроводимости и дисперсионному переносу, фотолю-мкнисценции. Кроме того, в рамках обсуждаемой теории указано на возможность появления двухъямных потенциалов благодаря эффектам гибридизации. Такие потенциалы могут давать вклад в аномальные атомные низкот шературные свойства стёкол.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. ДвухзонНая автолокализация в полупроводниках может быть описана гамильтонианом типа Халдейна-Андерсона, учитывающим электронно-атомную связь в адиабатическом пределе.

2. Гибридизация с зошшми состояниями приводит к изменению истинной заселённости автолокализующегося состояния и к существенной нелинейности в зависимости электронной энергии от положения затравочного уровня.

! 3. При двухзонной автолокализации адиабатические потенциалы могут иметь многоямньй характер даже при исходной одноямности атомного потенциала, что приводит к немонотонной зависимости корреляционной энергии от жёсткости атомного потенциала.

4. При достаточной мягкости атомного потенциала возможна автолокализация в затравочном резонансном состоянии, лежащем в .зоне проводимости и взаимодействующем с атомной подсистемой.

5. Может быть получено точное решение задачи пересечения двух уровней, из которого следует, что вне зависимости от скорости пересечения электрон, занимавший движущийся уровень, остаётся на нём и после пересечения.

6. Движение автолокализующегося уровня в межзонной щели происходит, в основном, в режиме быстрого пересечения, так что вблизи движущегося уровня имеется полоса неадиабатически пересекаемых уровней.

7. Плотность электронных состояний в глубине щели по под-вижност1?стеклообразкых полупроводников представлена, главным образом, состояниями сильно автолокализованцых электронных и дырочных пар, фиксирующих положение уровня Ферми вблизи середины щели. Зависимость концентрации одночастичных возбуждений от температуры определяет суть эффекта термоиндуцированного пара-

Магнетизма.

8. Концентрация автолокализованных пар в стеклообразных ■ полупроводниках немонотонно зависит от давления; корреляционная энергия большинства автолокализованных пар уменьшается с ростом • давления. ..

! 9. Вероятности захвата и рекомбинации в сильно азтолока-1 лизованных состояниях могут быть вычислены в квазиклассическом пределе.

10. В стеклообразных полупроводниках сильно автолокализо-:ванные электронные и дырочные состояния играют .основную роль

в неравновесных процессах, таких как фотопроводимость и дисперсионный перенос.

11. Возможен новый тип азтолокализации, индуцированной ■лишь гибридизацией при отсутствии электрон-атомной связи.

12. Электронные свойства оборванной связи кремния могут быть описаны в рачках теории двухзонной азтолокализации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Некристаллические полупроводники-89" /Ужгород,1989/, Международной школе по физике конденсированного состояния "Новые проблемы в Физике электронных материалов" /Варна, 1990/, конференции "Релаксационные явления в некристаллических твёрдых телах" /Драгобыч, 1990/, Солетско-Ягсоно-Китайском семинаре "Стеклообразное состояние: молекулярно-кинетиЗеский аспект" /Владивосток, 1990/, 14 Международной конференции "Аморфные полупроводники" /Гармига-Партенкирхен, 1991/, конференции "Стеклообразные твёрдые тела" /Рига, 1991/, 15 Международной конференции "Аморфные полупроводники" /Кембридж, 1993/, Международной конференции "Низкие тем-.пературы-20" /Юджин, 1993/, Международной конференции "Хоппинг и связанные явления" /Глазго, 1993/, Международной конференции "Электронные свойства металлических/неметаллических микросистем" /Шеффилд, 1993/, Международном семинаре "Поляроны и биполяроны в высокотемпературных сверхпроводниках и других материалах" /Кембридж, 1994/, научных семинарах МИФИ, МГУ, ИС РАН, ИОНХ РАН, ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН и опубликованы в 24 печатных работах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, пяти приложений и списка литерату-

;ры.~ Общий объём"диссёртадик: 232 страницы текста, 52 рисунка. ' .и список литературы из 138 наименований.-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Обзор литература по теории автолокализации в полупровод- : . : никах и эффектам гибридизации примесных и зонных состояний представлен во введении. В первой главе поставлена задача: приведён гамильтониан, описывающий автолокализацию в двухзонной системе с гибридизацией; получены основные соотношения теории и проанализированы основные качественные эффекты двухзонной автолокали-:зации.

Известно, что при одночастичной автолокализации в обычных . полупроводниках выигрыш энергии /поляронный сдвиг/|Цл| = Qj/4A*] ~ 0.4 эВ} как правило, значительно меньше ширины межзонной щели Ej " 1-3 эВ> при типичных значениях энергии электрон-атомной связи Qd- Зэб, атомной упругой энергии ft - 20-SOэВ. и безразмерного параметра rj ~ rj ~ 1 . Однако, существует полупроводниковые система, в которых / W<h/ ~ Eg , и автолокали-, зация в этом смысле является сильной. Таковыми, например, являются стеклообразные полупроводники, в которых имеется высокая концентрация "мягких" атомных конфигураций, связанных с электронной подсистемой. и характеризуемых параметрами При-сильной автолокализации электронный уровень приближается к валентной зоне, и определяющую,роль начинают играть эффекты его гибридизации с зонными состояниями, так что обычная теория ав-толокалкзации перестаёт работать. Построению теории, учктыва- V. ющей гибридизацию при сильной автолокализации - теории двухзонной автолокализации - и посвящена эта работа. •

Гамильтониан, описывающий автолокализацкю электрона в исходном локальном состоянии |с(,б>/ & - проекция спина/ с уровнем

при учёте гибридизации / ~ i/y,с <ч/; / с состояниями зоны проводимости |С;,й> / <5,-¿>с / и валентной зоны ¡1Г;,ё ? / £¿6,v./, в адиабатическом приближении -имеет вид:

- Н(Х) - H^ + VatM+Hee-ait*) ('О'

где ' H ^"-' исходный затравочный гамильтониан ХалдеЛна-Андсрссна:

j ' н% - Ç - L ¿,,с * Z £jï4 -hs

i £ о <ь 6

! (v/f, % d6 * lie.) * Z (v£c ci6 X +H.c.) (2) ; <é ■ ' ¿è

'Здесь nUtV* fa ViA , nu>e* cti cl6 и ndi = dtd6 . Три первых •слагаемых в (2) характеризуют затравочный спектр состояний валентной зоны, зоны проводимости и локального состояния. Четвёртое слагаемое учитывает Хаббардовское отталкивание в состоянии 1 }d> с характерной энергией Uj . Последние слагаемые ответственны за гибридизацию.

Взаимодействие электронов в состоянии )с/> с атомной подсистемой приводит к смещению последней вдоль ввделенной моды атомного движения X - моды автолокализации /Х-и/а , _ .

.'характерный атомный размер/ и может быть представлено гамильтонианом: ■

: ИешM = Zûij.Mnj^ +

é 16 '

■ (àV:J,c M Си clé ■ + Й. c. ) . (3)

té-

где ùe.JiMs£ji(*î И л (x)= - у^'ло

описывают изменение энергии ¿^ M состояния и матричных

элементов гибридизации \Jicf C(V, (х) при смещении вдоль моды X • Изменение же потенциальной энергии Vat (х) атомной подсистемы ; при автолокализации возможно описать в классическом пределе'выражением вида: .

VrtM'Aiix^fx^xx*) W

Параметры, rj , ^ и у / tf a J / определяются конкретной структурой центра автолокализации и могут варьироваться вблизи средних значений rj z 1 и в достаточно широких пределах,

Iii f » ¡]l£ f • Актуальные'в дальнейшем мягкие моды автолокализации характеризуются значениями ¡г]I« 1 и jjj «1 . i

Гамильтониан (I) - (4) диагонализован и найден истинный спектр задачи. В рамках приближения среднего поля для Хаббардовского отталкивания в состоянии ¡d) . Вычислена полная энергия.'

ЕСл) , . 1

е^ (У-) электронной подсистемы при фиксированном смещении X • вдоль моды автолокализации и заданном номинальном заполнении, Л (л = Ol 1 \ 2) состояния /¿/> . Получены адиабатические потенциалы Фп(Х) - Va{(x) (х) и определены положения Х„ их основных минимумов. Вычислены энергии автолокализации Wn - Фп(Хп)~ - Фп (о) и корреляционная эшфгия автолокализованных пар JJ--Фг( Хг) + ^о (Х0) fy (Xt) и исследована их зависимость от по-, ложения исходного затравочного уровня Ej) /параметров потенциала ^ и ^ и вида зависимостей V(<j Cf„) (X) и Sj(x) . • Рассмотрение проведено методом функции Грина. Для зависимости электронной энергии от смещения вдоль моды локализации получено следующее выражение: '. -

; ь£(х) - Л ; Л- "

о V6

occopiecl ¿tc'

Г- Co) „

Здесь ЬЬапо/ - затравочная энергия валентной зоны, второе . слагаемое учитывает понижение энергии валентной зоны за счёт отталкивания от автолокализующегося состояния, а третье слагаемое - энергия электронов на истинных уровнях Ес/6 автолокализующегося состояния, которые находятся из решения уравнения:

SjJ(x) --Z'(Ej6) '(6}

, р//

Эффективные энергии 8в приближении среднего поля удовлетворяют системе самосогласованных уравнений:

jZ = (*> ' uä < , ' (7)

itc = Sj-,(x)^UcJ<r,ci^(Cii6)>

: ю

¡где'истинная" заселённость'^'"<л/4ТгТ> состояния [о/,^ г

.! —со"

Интегрирование в (8) ведётся по всем занятым состояния:,! / "5 -уровень Ферми/, а ¿[ С со) - собственно энергетическая часть,

Ы-у, с с

Здесь Дс(„)(£,<•>) ^с(1СС1/)Х£^)1г; рсм(£) - плотность .

состояний в зоне проводимости /валентной/. Фаза в со-

отношении (5) определяется как

' Характерная величина эффективной энергии, гибридизации

0.1 эВ / Ц - интеграл перекрытия состояния /с/> с ближайшими соседями, эВ; 2) - ширина зоны, 2) ~ эВ/ в стеклообразных полупроводниках уступает размеру межзонной щели, Д « Е3 . Вследствие этого эффекты перемешивания не существенны, когда затравочный уровень лежит внутри межзонной щели, 0=£^ < £^^(х) < £"с . При этом истинная заселённость ^ = = 22у состояния ! с1 > совпадает с номинальной, - и . При ■

6 '(<? г- '

■пересении же автолокализующимся уровнем порогов подвижности ¿г^ и £"с эффекты гибридизации играют определяющую роль, приводя .к полной.заселённости автолокализутащегося состояния ^ * 2 в области .валентной зо1ш, и к полноту опустошению

состояния |с! > , ^ ~ 0 , в зоне проводимости, £¿[¿^1 Ь^ . Изменение заселённости происходит на масштабе Л и отражается в существенно нелинейной зависимости вблизи порогов подвижности электронной энергии Е^ от положения затравочного уровня'. Такая нелинейность, в свою очередь, сказывается на виде адиабатических потенциалов и может привести к появлению новых минимумов, связанных с изменением -заселённости автолокализующегося состояния.

Во второй главе анализ двухзонной автолокализации начат для локализованного состояния в межзонной щели, связанного с гармонической модой атомного движения / у = О в (А)/. В

..... ..........: . 'И! . ........■ . . .

этом случае существенные эффекты'гибридизации лишь с валентной зоной, которая при достаточной мягкости атомного потенциала,^ ' , приводит к появлению дополнительного метастабильного мини мума для адиабатических потенциалов % (х) / при У) - 0; 1 /. Зна чение параметра может быть оценено в линейном приближении

для электрон-атомной связи, ¿¿(х) - О^'Х , как При дальнейшем смягчении атомного потенциала дополнительный минимум при X = Х2 - (^.¿/Аг] понижается и становится основным для

V, < *}** »где

Ь I1 с е? ' '

а у**^ 3^/2. -При ^ < у** происходит изменение номинальной заселённости состояния |е1> до практически двукратной, а появляющаяся структурная неустойчивость сопровождается существенной атомной перестройкой, то есть изменением равновесного.смещения.' по моде автолокализации с Х0 . или X/ на Хг . Такое измене ние заселённости приводит к нарушению известного в стандартной теории автолокализации соотношения: VI.и,к немонотонной . зависимости корреляционной энергии от,жёсткости атомного потенциала У(^) . Действительно, для достаточно жёстких атомных потенциалов с у > равновесные смещения Хп по моде малы, гибридизация не важна, и корреляционная энергия I/ зависит от параметра жёсткости ^ ,как и в стандартной теории автолокали зации: и (у) + У4 . Однако, при < ^ < *]** номинально однократно населённое состояние становится двукратно занятым вследствие гибридизации с состояниями валентной зоны, и корреляционная энергия растёт при уменьшении п : и (о) а 0^//1>

-м -1. ' • . I 1

и Л + 2 . При ещё меньших г] < у** состояние ¡о/>

вне

зависимости от номинальной заселенности становится двукратно за нятым,. и II (г) < У}1* ) - О,

Когда атомный потенциал, достаточно мягок, ^ -С- Ос//Л , т смещения по моде автолокализации велики, Л у, ■/ , и становится необходимым учёт ангармонических слагаемых в разложении (4) . При этом параметры потенциала ^ и . | являются случайными вел? чинами и флуктуируют вследствие неупорядоченности структуры в достаточно широких пределах. В этом случае ситуация существенно зависит от знака параметра у перед кубическим слагаемым в «

Так",' при ' у< О- кубический энгармонизм усиливает - гибридизацию с валентной зоной, а при \ > О - с зоной проводимости. Результаты анализа показывают, что на плоскости (у , у ) существуют три области: область >г]сЦ),$ } малых смещений, где эффекты гибридизации незначительны; область { 1 * *)с(г()> ? € О } , в которой

V(у, - О за счет полной гибридизации с валентной зоной, и область {*) & *)с ('О / $ у & ] ' в КСТ0Р°й ) за

счёт полной гибридизации с зоной проводимости.

Исследована автолокализацияесостоянии М > , когда исходный затравочный уровень этого состояния попадает-в область зоны проводимости, Автолокализация в таком состоянии возмож-

на и тлеет барьерный характер, если атомный потенциал достаточно мягок /при ^ £ /2А (Е^-Ец) /. Адиабатические потенциалы при этом двухъямны, а Ф^ (ж) в определённом интервале значений у может иметь три минимума, каждый из которых соответствует различному заселению / <пс/> ^ О; i или 2 / состояния Корреляционная энергия для автолокализации на резонансном состоянии в зоне проводимости отрицательна и также немонотонно зависит от жёсткости атомного потенциала.

В третьей главе обсуждаются некоторые проблемы динамики двухзокной автолокализации. Рассматривается вопрос о пересечении автолокализующимся уровнем состояний в межзонной щели и о его проникновении в зону распространённых состояний. На основе точного решения задачи о ререеечскчи двух уровней сделан вывод о том, что -пересечение как отдельных локальных уровней, так п, например, примесных зон, происходит в режиме быстрого пересечения, когда ¡\/!2/Ьиа « 1 /для отдельного уровня/ и Д = ,

- «<>7 > ^ } << 1 /при пересечении зоны с характер-

ны?-! масштабом иг ; «ЛЬ'/^ - скорость движения уровня,

И - характерная частота атомных колебаний, V! - типичная энергия автолокализации/. Вблизи движущегося уровня имеется полоса- состояний /шириной ^ и0 /, пересекаемых неадиабатически. Для состояний вне этой полосы применимо адиабатическое приближение. В равновесии роль неадиабатичности, выражающаяся в существовании полосы Д£т = тах ['/'(¡у.-г . } вблизи колеблющегося затравочного уровня ¿^¿х) , не существенна, поскольку Л £ « г>с,и- при иг " Л ¡Г/Л . и 8£г СИ. О л {т/Ау^ ,

п

В четвёртой главе результаты общей теории двухзонной автолокализации применены для объяснения аномальных электронных" • свойств стеклообразных полупроводников. В этих материалах ряд свойств /недопируемость, термоактивационный ход темновой проводимости с энергией близкой к полуширине щели, спектр излучения '• ' фотолшкнисценции, фото-ЭПР/'свидетельствуют о высокой плотно-, сти состояний внутри щели по подвижности. С другой стороны, такие свойства как отсутствие темнового ЭПР, прыжковой проводи-

■ мости по локализованным состояниям при низких температурах и внутрищелевого поглощения.света говорят о пустой щели по под- .

■вижности. Такие противоречивые свойства удалось объяснить в рамках теории двухзонной автолокализации, согласно которой основной вклад в плотность состояний вблизи середины щели дают со -стояния автолокализованных электронных и дырочных пар. Электронные /дырочные/ пары представляют собой, пары носителей заряда одного знака с противоположным спином, сильно автолокализован-ные в легко перестраиваемых атомных областях. Корреляционная • энергия таких пар достаточно велика и сравнила с полушириной межзонной щели, ¡и/ ^Ед/2 . Вычислен энергетический спектр состояний таких пар и их одночастичшх парамагнитных возбуждений. Показано, что сильно автолокализованные пары фиксируют полоне-.

■ ние уровня Ферми вблизи середины щели, а одночастичные возбуждения ответственны за фото- и термоиндуцированный парамагнетизм. Из сравнения результатов теории с экспериментальными данными .по

. термоиндуцированному ЭПР оценен характерный масштаб спада затравочных зонных хвостов, Ы/Е^-ОЛ

Установлена немонотонная зависимость концентрации автолокализованных пар в стеклообразных полупроводниках от давления. При не слишком больших давлениях р í Р* ~ 5"- /О^бар концентрация пар убывает вследствие сужения функции распределения структурных параметров у и у . При больших давлениях

^ Р* сказывается эффект уменьшения щели по подвижности и связанного с этим роста концентрации пар из-за уменьшения эффективного параметра - Од /А (¿ц* и^ ) , характеризующего автолокализованные состояния большинства пар. Корреляционная энергия большинства автолокализованных пар при этом увеличивается и стремится к нулю при р >, рл ~ (О* бар за счёт

сильной гибридизаций с обеими зонами.

Исследованы электронные процессы, идущие через состояния сильно автолокализованных пар. .С экспоненциальной точностью в .квазиклассическом приближении вычислены вероятности захвата и рекомбинации в автолокализованном состоянии с различной номинальной заселённостью. Процессы захвата и рекомбинации описываются как конфигурационное термоактивационное туннелирование вдоль оптимальных траекторий с минимальным действием между различными ветвями адиабатического потенциала. Изучена зависимость вероятности перехода Р (¿Т-, 7 ) от положения исходного затравочного уровня ди жёсткости атомного потенциала ^ Показано, что зависимость РСе?7, >]) ддя захвата электронов на номинально пустое состояние качественно близка к гауссовско-му закону:

для центров с отрицательной корреляционной энергией при высоких температурах, в то время как для центров с О > О и при низких Т более оправдан закон "энергетической щели":

Аналогичные зависимости характеризуют захват электронов на однократно занятое автолокализованное состояние, а также и рекомбинацию дырки на однократно - и двукратно занятом электронном

Проанализирова роль центра с отрицательной корреляционной энергией в неравновесных электронных процессах, таких как фотопроводимость и.дисперсионный перенос. Получена система уравнений баланса, описывающая обмен электронов и дырок между зонами и сильно автолокализованными состояниями в щели. Найдено решение в малосигнальном приближении как для стационарной фотопроводимости, так и для её кинетики. Указано на четыре возможных канала рекомбинации, два из которых через однократно занятые центры с

№

центре

: Х/< О присущи лишь"'"для" систем с 'сильной двухзонной автолокализацией. Найденная зависимость фотопроводимости от температуры и интенсивности возбуждения достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными, сравнение с которыми результатов теории позволило оценить величину перенормированного Хаббардовско-го отталкивания Щ - 0.3 эВ_в Азг1е3 . Установлена определяющая роль центров с V < О для дисперсионного и квазираьно-весного транспорта неравновесны;': носителей заряда.

В пятой главе рассматривается приложение общей теории двухзонной автолокализации к описанию нового типа автоЛокализа-'ции, индуцированной лишь гибридизацией при отсутствии электрон-атомной связи, и к анализу электронных свойств оборванной связи кремния.

В системах, для которых отсутствует диагональное взаимодействие электронов в состоянии (о/> с атомной подсистемой, то есть Д£,р/Сх")н О , а связь с модой автолокализации осуществляется лишь за счёт недиагональной гибридизации, Ц'^ОО, также возможна автолокализация. Такой тип автолокализации индуцирован лишь гибридизацией и осуществляется лишь в достаточно мягких атомных потенциалах с < г)' • Значение параметра у' можно оценить в предельном случае 'гибридизации лишь зонной проводимости / &(с/,с « Сгс/, и- - / и для линейного приближения зависимости матричных элементов гибридизации от смещения вдоль моды автолокализации, V;с(,с(и) ~ О. ¿Л,с с»'1 ' ^ '

I @ Жс

Выигрыш энергии при автолокализации опеспечивается понижением истинног9 уровня состояния (с!> из-за эффекта отталкивания от зоны проводимости.

При описании электронных свойств оборзанной связи кремния в качестве моды автолокализации выбрано суммарное смещение атома 5 [ относительно центра тетраэдра и смещение самого центра относительно' решётки вдоль направления [1,1 ] . 3 приближении сильной связи вычислены явные зависимости 60 и (х) . Получены адиабатические потенциалы для различных зарядовых состоя-

;ний оборванной' связи." Найдена"корреляционная энергия /V'- 0.6 эВ/, энергии термических и оптических переходов, равновесные смещения, вид волновой функции /доли 5- и ^-состояний/. Все эти величины ' достаточно хорошо согласуются с эксперилентом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД!

1. Для описания двухзогшой автолокализации в полупроводниковая системах предложен гамильтониан, учитывающий существенные эффекты перемешивания автолокалкзующихся и зонных состояний. В приближении зонного поля для Хаббардовского отталкивания электронов в области автоллкализацйи проведена диагонализация гамильтониана и найдена зависимость электронной энергии и истинной заселённости автолокализующегося состояния от положения затравочного уровня.

2. Показано, что перемешивание автолокализующегося состояния с зонными приводит к ангармоничности и, в частности, к мно-ноямности адиабатических поьенциалов системы дахе при исходной '

гармоничности атомного потенциала и к немонотонной зависимости корреляционной энергии автолокализованной пары от жёсткости атомного потенциала.

3. Установлена определяющая роль гибридизации с состояниями валентной зоны при двухзонной автолокализации на состояниях межзонной щели, связанных с гармонической модой атомного движения.

4. Выязлена возможность азтолокализации в резонансном состоянии, попадающем в зону проводимости, за счёт эффектов гибридизации с состояниями этой зоны, если резонаненное состояние связано-с достаточно мягкой атомной модой. Найдено, что автолокализация при этом носит барьерный характер, а адиабатический потенциал системы для однократного номинального заселения 'автолокализующегося состояния может быть трёхъяшшм.

5. Показано, что энгармонизм атомного потенциала в зависимости от знака перед кубическим слагаемым может усиливать гибридизацию либо с валентной зоной, либо с зоной проводимости.

6. Точно решена задача о пересечении двух уровней, один из которых /движущийся/ может быть связан с автолокализующкмея состоянием, а другой - с дефектом.

| 7. Установлено, что автолокализующийся уровень движется в ' 'режиме быстрого пересечения состояний в щели, так что в его окрестности тлеется полоса неадиабатически пересекаемых состояний, а для взаимодействия с остальными состояниями примемо адиабатическое приближение.

8. Найдена плотность электронных состояний внутри щели по подвижности в стеклообразных полупроводниках, основную роль среди которых играют состояния автолокализованных электронных и дырочных пар, фиксирующих положение уровня Ферми вблизи, середины щели. Вычислен спектр одночастичных возбуждений автолокализованных пар, ответственных за термо- и фотокндуцированньы парамагнетизм в стеклообразных полупроводниках.

9. Получена немонотонная зависимость концентрации автолокализованных пар от давления.

10. Вычислены вероятности процессов захвата и рекомбинации неравновесных носителей заряда через состояния сильно автолокализованных пар.

11. Установлена определяющая роль состояний сильно автолокализованных пар для таких неравновесных электронных процессов, как фотопроводимость и дисперсионный перенос. С помощью уравнений баланса описана кинетика электронных процессов через состояния в щели стеклообразных полупроводников. Выявлены новые каналы рекомбинации через одночастичные возбуждения сильно автоло-кализованных пар.

12. Указано на возможность автолокализации нового типа, индуцированной лишь гибридизацией с зонами при отсутствии обычной /диагональной/электрон-атомной связи.

13. В рамках теории двухзонной автолокализации проанализированы электронные свойства оборванной связи кремния.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тараскин С.Н. Особенности квазиравновесного транспорта носителей заряда в стеклообразных полупроводниках. - ФТТ, 1985, т.27, ГО, стр.2440-2443.

2. Тараскин С.Н_. Дисперсионный перенос в неупорядоченных полупроводниках с автолокализованными электронными парами. -ФТТ, 1986, т.28, №11, стр.3457-3461.

3. KHngcr M.I., Kudryavtsev V.G., Ryazanov M.I., Taraskin S.N. The role of ncgative-U centers in the photoconductivity of glassy semiconductors. - J.Non-Cryst.Sol., 1987, v.92, No 2, p.363-366.

4. Klinger M.I., Kudryavtsev V.G., Ryazanov M.I., Taraskin S.N. Self-trapped single-particle exitations in equilibrium and photoconductivity in glassy semiconductors. - Phys.Rev., 1989, v.B40, No 9, p.6311-6320.

5. Taraskin S.N. Capture and recombination cross-sections of free carriers in glassy semiconductors. - Proc. of the Int.- Conf. on Non-Crystalline Semiconductors-89. Uzhgorod, Shtiintsa, 1989, p.76-77.

6. Klinger M.I., Taraskin S.N. Localized electronic states and adiaba-tic potentials in a-Si:H. - Proc. of the Int.Conf. on Non-Crystalline Scmiconductors-89. Uzhgorod, Shtiintsa, 1989, p.16-18.

T. Tapacxim C.H. Роль нежзоппых взаимодействий n формировании центров с отрицательной корреляционной опершей в стеклообразных полупроводниках. - Труды конференции "Стеклообразные" твердые тела", Рига, 1991, с.25.

8. Klinger M.I., Taraskin S.N. The role of interband interactions in formation of mobility gap negative-U states in glassy semiconductors. -Sol.St.Commun., 1991, v.79, No 3, p.231-233.

9. Taraskin S.N. Thermalization in a system with continuous spectrum of states. - J.Non-Cryst.Sol., 1991, v.137-138, No 1, p.25-28.

10. Klinger M.I., Taraskin S.N. Electron self-trapping in. two-band system. - Письма в ЖЭТФ, 1992, т.56, No 4, с.209-214.

И. Klinger M.I., Taraskin S.N. Exact solution of the problem of two level crossing. - Phys.Lett., 1992, v.A170, No 3, p.225-228.

12. Klinger M.I., Taraskin S.N. Thermally activated configurational tunneling at trapping and recombination in glassy semiconductors. -Chem.Phys., 1993, v.170, No 3, p.437-443.

13. Klinger M.I., Chukov V.N., Taraskin S.N. On fast crossing of a quasicontinuum energy band by a moving level. - Phys.Lett., 1993, V.A176, No 3-4, p.259-264.

14. Klinger M.I., Taraskin S.N. Strong self-trapping in semiconducting two-band systems. - Phys.Rev., 1993, v.B47, No 16, p.10235-10243.

15. Klinger M.I., Taraskin S.N. On the role of conduction band states in forming of electron negative-U centers. - Письма в ЖЭТФ, 1993, т.57, No 4, с.210-216.

16. Клипгер М.И., Тараскин С.Н. Сильная электронная автолокализация в ангармонических дпухзоштых системах. - ТМФ, 1993, т.96, No 3, с.417-424.

17. Klinger M.I., Taïaskin S.N. A model for pressure-iuduced eiïccta in amorphous (glassy) semiconductors. - J.Non.Cryst.Sol., 1993, v.164-165, No 1-2, p.391-394. '

18. Klinger M.I., Taraskin S.N. Intcrband interactions and self-trapping in anharnionic systems. - in "Hopping and Related Phenomena 5", Eds.: Adkins C.J., Long A.R., Mclrmes J.A., World Scientific, 1994, p.112-116.

19. Klinger M.I., Taraskin S.N. Enèrgy level crossing at strong self-trapping. - in "Hopping and Related Phenomena 5", Eds.: Adkins C.J., Long A.R., Mclnnes J.A., World Scicntific, 1994, p.107-111.

20. Taraskin S.N. A microscopic model of dangling bonds at interfaces of ordered and disordered semiconductors. - Int.J.Electronics, 1994, v.77, No 3, p.325-332.

21. Klinger M.I., Taraskin S.N. Theory of electron transport in negati-ve-U systems. - Int.J.Electronics, Î994, v.77, No 3, p.333-338.

22. Taraskin S.N. Thermal relaxation in disordered systems. - Int.J.Electronics, 1994, v.77, No 2, p.213-218.

23. Klinger M.I., Taraskin S.N. Pressure-induced structural trasfor-niatiom and phenomena in glasses: variations in atomic soft configurations and negative-U centres. - J.Non-Cryst.Sol., 1995, v.l89-l!)l, No 1-2, p.318-321.

24. Klinger M.I., Taraskin S.N. Strong two-band electron self-trapr ping, state hybridization and related pressure-induced phenomena in semiconductors. - in "Polarons and Bipolarons in IIigh-!Tc Superconductors and Related Materials". -Eds.: Liang W.Y., Saije E.K.H., Alexsandrov A.S., Cambridge Uni. Press, 1995, p.254-267.

Подписано к печати - ' I > -'Заказ Г У ¿ Tupas ■ ^j

Типография Ш5И, Каширское шоссе,31