Многодолинные полупроводники. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Многодолинные полупроводники - полупроводники с гл. экстремумом энергетич. зоны (дном зоны проводимости

или вершиной валентной зоны

, расположенным в точке импульсного пространства с

(см. Зонная теория). В этом случае существует не один, а неск. эквивалентных экстремумов, причём изоэнергетич. поверхности, построенные вблизи них,- эллипсоиды, переходящие друг в друга при преобразованиях симметрии Бриллюэна зоны. Окрестности эквивалентных экстремумов с эллипсоидальными изоэнергетич. поверхностями получили назв. д ОПH н. Энергетич. спектр такого полупроводника наз. многодолинным. Эллипсоидам соответствует анизотропный закон дисперсии носителей заряда

, записанный в осях эллипсоида:

где квазиимпульс

отсчитывается от экстремума a-й долины,-

гл. значения тензора обратной эффективной массы в долине. Если экстремумы расположены на осях симметрии 3-го и 4-го порядков зоны Бриллюэна, то две из трёх масс совпадают. При этом изоэнергетич. поверхности - эллипсоиды вращения с осями вращения, совпадающими с осями симметрии кристалла (рис. 1). Общая изоэнергетич. поверхность

- совокупность эллипсоидов.

В состоянии термодинамич. равновесия носители заряда распределены поровну между долинами; поэтому в M. п. неск. (по числу долин) типов носителей. Они имеют одинаковые минимумы (или максимумы) энергии и в этом смысле эквивалентны. Однако эфф. массы и, следовательно, подвижности при данном направлении движения носителей различны для разных долин [1].

Анизотропия подвижности не нарушает симметрии равновесных элсктрич., магн., эл--механич. и др. свойств кристалла, т. к. они определяются суммарным вкладом всех эквивалентных долин. Напр., в кристаллах кубич. сингонии электропроводность и постоянная Холла в слабых полях изотропны.

Анизотропные свойства носителей в долинах проявляются при исследовании циклотронного резонанса, частота к-рого где Н - напряжённость магн. поля, е - заряд электрона, т_е - циклотронная эфф. масса, определяемая в случае эллипсоидальных изоэнергетич. поверхностей соотношением где

- продольная эфф. масса (вдоль оси эллипсоида),

- поперечная масса,

- угол между осью и H. T. к. угол

для разл. долин разный, то

в разных долинах также различны.

Др. способ идентификации анизотропии носителей в долинах даёт анизотропия магнетосопротивления. В случае изотропного закона дисперсии носителей поперечное магнетосопротивление изотропно, а продольное отсутствует. В M. п. они оба отличны от О и анизотропны, причём характер анизотропии зависит от расположения долин в зоне Бриллюэна.

Междолинное перераспределение носителей. Эквивалентность долин может быть нарушена внеш. воздействием, напр, одностороннее сжатие кристалла вызывает разл. энергетич. смещение эквивалентных максимумов. В результате энергия носителей в одних долинах увеличивается, в других уменьшается. При этом равновесное заполнение долин становится неодинаковый, и при относительно налой деформации можно достичь (при низких темп-pax) заполнения долин только одного типа за счёт полного опустошения остальных [2].

Перераспределение носителей между долинами можно получить в сильном электрич. поле, направленном под разл. углами к осям долин. При этом носители из разных долин "нагреваются" полем по-разному (см. Горячие электроны)и с разл. скоростью покидают "свои" долины, переходя в "чужие". Возникающее перезаселение долин приводит к большим нелинейным восприимчивостям M. п. в сравнительно слабых электрич. полях. С этим связаны такие эффекты, как анизотропия электропроводности в "греющих" электрич. полях (см. Сасаки - Шабуйя эффект], нечётное по H магнитосопротивление (в т. ч. линейное) и чётный по H Холла эффект С .междолинным перераспределением носителей связаны также специфические для M. п. механизмы акустоэлектрического эффекта, поглощения звука, электрич. шумов, а также размерные эффекты [3]. Условия междолинного перераспределения, ответственного за большую величину этих эффектов: а) редкие переходы носителей из одной долины в другую по сравнению с внутридолинными переходами; б) слабый энергообмен между носителями из разных долин (по сравнению с их энергообменом с фононами), достигаемый при малой концентрации носителей [4].

M. п. с эквивалентными долинами. К ним относятся три важнейших полупроводника с решёткой алмаза: алмаз, Ge, Si n-типа. В Ge наинизшие минимумы зоны проводимости находятся на краю зоны Бриллюэна в L-точках (в точках пересечения осей [111] с границей зоны Бриллюэна, рис. 2); в окрестностях этих точек образуется 4 долины (L-долины), причём в пределах зоны Бриллюэна каждая изоэнергетич. поверхность состоит из 8 полуэллипсоидов вращения. В долинах вдоль осей [111]

в 19 раз превышает

В алмазе и Si наинизшие экстремумы зоны проводимости располагаются на осях типа [100]

сравнительно близко к границе зоны Бриллюэна, но не на ней, наинизшими являются 6 долин, попарно расположенных на осях [100], [010] и [001]. Носители в соосной паре долин ничем не отличаются друг от друга, такая пара долин может рассматриваться как одна с удвоенной плотностью состояний, а рассеяние носителей между долинами пары - как внутридолинное рассеяние.

К M. п. относятся также кристаллы с решёткой сфалерита: электронные BN, GaP, AlSb. Наинизшие минимумы зоны расположены па

-осях [100], однако на границе (или почти на границе) зоны Бриллюэна (X-долины). При расположении минимумов почти на краю зоны (GaP) 2 эллипсоидальные изоэнергетич. поверхности при незначит. возрастании энергии носителей сливаются в одну неэллипсоидальную (рис. 3). Многодолинную структуру имеют также PbS, PbSe, PbTe, где электронные и дырочные долины расположены друг под другом в L-точках, p все полуметаллы.

Неэквивалентные долины. Термин "М. п." применяют также к электронным полупроводникам с дном зоны проводимости

при k = 0 (в центре зоны Брпллюэна Г) в случае, когда в сравнительно малом энергетич. удалении от

есть более высокие минимумы

(M. п. с неэквивалентными долинами). К таким полупроводникам относятся GaSb, InP и др. При термодинамич. равновесии все электроны располагаются вблизи дна зоны проводимости (в изотропной Г-долине). При разогреве носителей электрич. полем происходит междолинное перезаселение с неравновесным заполнением более высоких долин, где электроны "тяжелее" и, следовательно, плотность состояний больше, чем в Г-долине. Следствием такого перезаселения является (в частности) Ганна эффект ,в основе к-рого лежит N-образный вид статической вольтамперной характеристики (BAX) M. п. с неэквивалентными долинами. Падающая ветвь BAX обусловлена "потяжелением" электронов и уменьшением их подвижности из-за ухода в верхние долины.

Аналог эффекта Ганна наблюдается также и в M. п. с эквивалентными долинами, где BAX при токе в направлении, совпадающем с направлением большой эфф. массы одной из долин ([100] в re-Si и [111] в n-Ge), также имеет падающий участок из-за ухода электронов в эту долину из др. долин, т. к. в них электроны сильнее разогреваются (эффект Рывки на - Кастальского).

Литература по многодолинным полупроводникам

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.