Бесщелевые полупроводники - вещества с тождественно равной нулю шириной запрещённой зоны. В Б. п. дно зоны проводимости и вершина валентной зоны касаются друг друга. Бесщелевые полупроводники образуют естеств. границу между металлами (металлы с точечной ферми-поверхностью)и полупроводниками. От типичных полупроводников их отличает отсутствие энергетич. порога для рождения электронно-дырочных пар, от металлов - существенно меньшая плотность электронного газа. Впервые бесщелевое состояние обнаружено в 1957 [1]. Обращение в нуль ширины запрещённой зоны может быть обусловлено симметрией кристаллич. решётки, а может носить и случайный характер. Это позволяет разделить Б. п. на 2 группы.
К 1-й относятся
-Sn (серое олово), -
HgS, HgSe и HgTe, у к-рых дну зоны проводимости и вершине валентной зоны
соответствуют волновые функции, принадлежащие одному и тому же неприводимому
представлению пространственной группы симметрии кристаллов. Бесщелевой электронный
спектр этих веществ достаточно устойчив и исчезает лишь при внеш. воздействиях,
понижающих симметрию кристалла (напр., при одноосном сжатии). Ко 2-й группе
Бесщелевые полупроводники можно отнести твердые раствора
, , ,
у к-рых при определ. соотношениях компонент возникает случайное вырождение уровней,
соответствующих дну зоны проводимости и вершине валентной зоны. В этих веществах
бесщелевое состояние может быть разрушено под действием любого возмущения, в
т. ч. такого, к-рое не изменяет симметрии кристалла.
Все известные Бесщелевые полупроводники 1-й группы имеют т. н. инверсную зонную структуру, к-рую предложили С. X. Гровс и В. Поль в 1963 для объяснения свойств -Sn. Для этой структуры характерно обратное расположение энергии s- и р-подобных электронных зон кристалла по сравнению с энергетич. структурой таких типичных полупроводников, как Ge и InSb, обладающих той же кубич. симметрией. У InSb зона проводимости, отделённая от валентной зоны запрещённой зоной шириной , описывается в окрестности "дна" волновыми функциями S-симметрии.
Две валентные зоны вблизи своего потолка
описываются волновыми
функциями P-симметрии (зоны лёгких и тяжёлых дырок; рис., а). В Б. п. (напр.,
HgTe) зона с S-симметрией расположена ниже зон с Р-симметрией и имеет
отрицат. кривизну. Кривизна одной из зон с Р-симметрией оказывается положительной,
а другой -отрицательной (рис., 6). Эффективные массы электронов
в бесщелевых полупроводниках заметно меньше эффективных масс дырок
. Возникновение инверсной структуры зон связано с релятивистскими эффектами
[1].
Отсутствие щели в электронном спектре бесщелевых полупроводников
обусловливает целый ряд их особенностей. Концентрация п электронов
как носителей заряда в чистых нелегированных Б. п. степенным (а не экспоненциальным)
образом зависит от температуры T:
Концентрация п может заметно возрастать при пропускании через бесщелевые полупроводники электрич. тока, что обусловливает нелинейность вольт-амперной характеристики.
Электронные энергетические
спектры (- энергия
электрона, P - его квазиимпульс): а-полупроводника InSb с конечной
шириной запрещённой зоны ; б - бесщелевого
полупроводника.
Значит. роль в бесщелевых полупроводниках при низких темп-pax
играет электрон-электронное взаимодействие, приводящее, во-первых, к неаналитич.
зависимости энергии электронов и дырок от квазиимпульса р в области
(е - заряд электрона,
- статическая диэлектрическая проницаемость; )во-вторых, к сингулярному
поведению диэлектрич. проницаемости кристалла как функции T, ферми-энергии ,
частоты в волнового числа при малых значениях этих параметров.
В отличие от обычных полупроводников, в бесщелевых полупроводниках
невозможно существование истинно дискретных примесных уровней, однако
акцепторные примеси в Б. п. образуют узкие резонансные состояния в зоне проводимости
с шириной, пропорциональной малому отношению плотности электронных состояний
в зонах проводимости и валентной [2]. Донорные же примеси в Б. п. с
таких квазисвязанных уровней не образуют.
При наложении на бесщелевые полупроводники анизотропных воздействий (одноосного давления) или квантующего магн. поля в их электронном спектре возникает запрещённая зона, что проявляется в росте электросопротивления, коэф. Холла (см. Холла эффект ),изменении оптич. характеристик и т. д.
Бесщелевые полупроводники со случайным вырождением зоны проводимости и валентной зоны обладают непараболич. спектром носителей заряда с очень малыми эффективными массами. Следствием этого является высокая подвижность электронов и дырок, приводящая, в частности, к значит. величине магнетосопротивления, коэф. Нернста-Эттингсхаузена (см. Нернста-Эттингсхаузена эффект)и нек-рых др. кинетич. параметров.
С. Д. Бенеславский