Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
Z,-точки. Такие вычисления с помощью k p-метода (см. подразд. 11.3.5)
выполнил Диммок (163], стр. 319). Использование этого материала для
создания инфракрасных детекторов описали Мосс, Баррелл и Эллис (137],
стр. 390).
Вследствие малости эффективной массы электрона в этих материалах,
несмотря на то что зона проводимости еще может оставаться "сферической",
зависимость ? от к будет сильно отличаться от параболической. Влияние
таких отклонений на явления переноса подробно обсудил Завадский [64].
Общий обзор свойств этих интересных новых материалов сделан в сборнике
[63], гл. 6-8.
13.9. Оксидные полупроводники
Некоторые окислы металлов ведут себя как полупроводники с относительно
широкими запрещенными зонами. Из них лучше всего были изучены CutO и ZnO,
если не брать в расчет окислы переходных металлов, такие, как №0,
свойства которых представляют интереснейшие теоретические проблемы и,
следовательно, привлекают к себе больше внимания. Обычно они имеют
незаполненные d-оболочки, поэтому следовало бы ожидать, что они будут
вести себя как металлы. Некоторые окислы, в особенности ReOs, именно так
себя и ведут, показывая непрерывный рост сопротивления при повышении
температуры, причем сама величина удельного сопротивления окисла всего в
десять раз больше, чем у благородных металлов. С другой стороны, чистый
NiO ведет себя как диэлектрик с шириной запрещенной зоны Д?=3,7 эВ.
Гораздо удивительнес-поведение таких окислов, как VO* п V203, которые при
высоких температурах имеют металлическую проводимость, однако при пони
женин до некоторой критической температуры их проводимость
482
13. Полупроводникоьые материалы
10 Ъ/Т
Рис. 13.10. Зависимость проводимости о от температуры Т (К) для окисла
переходного металла, в котором имеет место переход металл -
полупроводник. Указанные на рисунке величины приблизительно соответствуют
характеристикам
v"o8.
резко падает более чем в 10е раз. При низких температурах они ведут себя
подобно полупроводникам (рис. 13.10).
Совершенно ясно, что столь необычное поведение полностью противоречит
теории, основанной на блоховских волновых функциях в кристалле. Можно
себе представить, что за счет перекрытия зон материал с заполненными
зонами окажется металлом, однако не гак просто понять, каким образом
материал с частично заполненной зоной (в нашем случае это d-зона) может
вести себя как полупроводник или даже как превосходный диэлектрик
(например, МпО).
Было предпринято несколько попыток разрешить этот парадокс. Мотт [651
предположил, что в случае слабого перекрытия между соседними атомами
следует пользоваться не блоховскими, а локализованными волновыми
функциями, так как обычное описание не учитывает эффекты корреляции между
электронами. Если этими эффектами пренебречь, то твердый водород должен
стать металлом, и действительно, такая фаза была предсказана для твердого
водорода ь условиях высоких давлений, когда атомы находятся близко
13. Полупроводниковые материалы
483
друг к другу. При нормальных давлениях корреляционные эффекты заставляют
электроны и атомы спариваться с образованием молекул Нг, так что твердый
Н2 является молекулярным кристаллом. Мотт предположил, что аналогичные
корреляционные эффекты приводят к локализации электронов в d-зонах в
окислах типа V203, так что для участия этих электронов в проводимости
требуется некоторая энергия активации. Однако при критической температуре
это состояние нарушается и должен произойти резкий переход к
металлическому состоянию. Такой переход обычно называют переходом Мотта.
Доказательство того, что он действительно имеет место в окислах
переходных металлов, в настоящее время вызывает сомнения, так как
появляются другие возможности для объяснения такого резкого перехода.
Было обнаружено, что как в V203, так и в V02 происходит изменение
кристаллической структуры; соответствующее ему изменение зонной структуры
может явиться причиной для перехода от металлических свойств к
полупроводниковым. Вопрос о том, является ли это изменение
кристаллической структуры следствием перехода Мотта, остается до сих пор
открытым. В обоих веществах в результате изменения кристаллической
структуры должна возникнуть элементарная ячейка вдвое большего размера и,
следовательно, зона Бриллюэна вдвое меньшего размера. Кроме того, как
показал Адлер и Брукс [66], d-зона при этом расщепляется.
Это проиллюстрировано на рис. 13.11. Расщепленная d-зона соответствует
низкотемпературной ситуации, переход является таким, который обычно
называют фазовым переходом первого рода, он происходит резко, в очень
узком температурном диапазоне. Это обычно указывает на то, что при
температурах выше температуры перехода d-зона заполнена наполовину, так
что уровень Ферми расположен вблизи середины зоны, и материал должен
демонстрировать металлическую проводимость. При температурах ниже
температуры перехода возникнет запрещенная зона конечной ширины, причем
нижняя зона окажется полностью заполненной, так что материал должен вести
