Помещение вещества в магнитное поле изменяет продольную компоненту проводимости. Это явление называют магнетосопротивлением (магниторезистивным эффектом, эффектом Гаусса). Магнитное поле вызывает искривление траекторий электронов проводимости, и если вдоль искривленной траектории длина свободного пробега останется прежней, то в направлении электрического поля она уменьшится, а следовательно, уменьшится и проводимость. Можно показать, что изменение проводимости связано с величиной магнитного поля и подвижностью носителей заряда соотношением
Δo /o= - C(mnB0)2 (1.11)
Как видно из формулы (1.11), магнетосопротивление в отличие от эффекта Холла является четной функцией относительно магнитного поля — изменение направления вектора Во на противоположное не влияет на Да. Коэффициент С определяется механизмом рассеяния носителей заряда и равен (9/16)π я для атомных и (27/64)π я для ионных кристаллов. Для примесных полупроводников С = π /10 в атомных решетках и С = 0,96 — в ионных. Измеряя зависимость Δo /o от величины магнитного поля, можно определить подвижность носителей заряда.
Значения Δo /o для металлов невелики, однако у висмута это отношение может достигать 200% и по его изменению можно измерять магнитные поля. Для полупроводников отношение Δo /o изменяется в широких пределах в зависимости от их типа (от средних значений 10-2 – 10-1 до нескольких единиц). В полях напряженностью выше 106 А/м зависимость Δo /o от В0 отклоняется от квадратичной и Δo /o ~ Вm0, где 1 < m < 2.
Распределение электронов по скоростям сказывается на степени их смещения магнитным полем. Медленные электроны сильнее «закручиваются» и не могут пройти вдоль всего образца в отличие от более быстрых электронов, тем самым создается продольный градиент температуры ∂Т/∂х ~ В20yIx(эффект Нернста).
Гальваномагнитные эффекты широко используют в установках для лабораторных исследований и в ряде технических устройств. Сюда следует отнести, прежде всего, измерения параметров электронного газа, о которых упоминалось ранее. Широкое применение нашел эффект Холла в устройствах для измерения напряженности постоянного и переменного (до 1012 Гц) магнитных полей (магнитометры), силы тока (по создаваемому им магнитному полю), электрической мощности (ваттметры) и т. д., а также в некоторых преобразовательных устройствах. В качестве датчиков Холла используют различные полупроводниковые соединения с большими (10-5 - 102 м3/Кл) значениями RH — Ge, Si, InAs, InSb, HgSe, HgTe, Cd3As2, InAsP и др. Ведутся исследования по созданию охлаждающих устройств на основе эффекта Эттингсгаузена и уже получены перепады температуры до 100°.
2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ТИПА АIIIВV
2.1 Закономерности образования. Структура и химическая связь
Соединения АIIIВVобразуются в результате взаимодействия атомов III подгруппы периодической системы (В, Al, Ga, In) с элементами V подгруппы (N, P, As, Sb). Соединения АIIIВV принято классифицировать по металлоидному элементу. Соответственно различают нитриды, фосфиды, арсениды и антимониды.
За исключением нитридов соединения АIIIВV Кристаллизуются в решетке цинковой обманки кубического типа (сфалерит). Для нитридов характерна решетка гексагонального типа (вюрцит). В решетке того и другого типа каждый атом элемента III группы находится в тетраэдрическом окружении четырех атомов элемента V группы и наоборот.
Для соединений АIIIВV характерен особый тип химической связи, называемой донорно-акцепторной. Из четырех ковалентных связей, которыми каждый атом встраивается в решетку, три образуются обобществлением валентных электронов атомов АIIIи ВV, а четвертая связь осуществляется неподеленной парой валентных электронов атомов ВV .
2.2 Получение соединений
Получение соединений осуществляется либо из расплава, который содержит элементы в равных количественных концентрациях (сплавление исходных компонентов), либо из раствора соединения, имеющего в избытке элемент III группы. Дальнейшие технологические процессы (кристаллизационная очистка, выращивание монокристаллов, легирование) не отличаются принципиально от применяемых в технологии получения германия.
Основными методами выращивания сверхчистых монокристаллов является зонная плавка и направленная кристаллизация. При получении кристаллов разлагающихся соединений технологическое оборудование усложняется. Для предотвращения испарения летучего компонента синтез и кристаллизацию следует проводить в замкнутом нагреваемом объеме.
При вытягивании из расплава осуществляют вытягивание на затравку из под слоя инертного флюса, который подавляет испарение летучего элемента из расплава. В качестве герметизирующей жидкости используют расплав В2О3; толщина флюса составляет около 1 см. Монокристаллы, полученные вытягиванием из расплава, обладают недостаточно высокой химической чистотой, содержат значительное количество точечных дефектов структуры, которые являются эффективными рекомбинационными центрами. Поэтому большинство полупроводниковых приборов изготавливают на основе эпитаксиальных слоев, осаждаемых из жидкой или газообразной фаз. В качестве подложек используют пластины, вырезанные из монокристаллических слитков в заданном кристаллографическом направлении. Наиболее часто используют метод жидкофазной эпитаксии: осаждение происходит при медленном охлаждении растворов в определенном интервале температур.
2.3 Физико-химические и электрические свойства
За исключением антимонидов все соединения АIIIВV разлагаются при нагревании по схеме
АIIIВV → АIII(ж) + ½ ВV2(г) (2.1)
Равновесное давление насыщенного пара, состоящего практически из молекул компонента ВV, растет с повышением температуры и в точке плавления достигает значений 104...107 Па - для фосфидов.
Полупроводниковые соединения АIIIВV образуют гомологический ряд, в котором наблюдается закономерное изменение многих свойств (табл. 2.1).
Внутри каждой группы соединений наблюдается уменьшение ΔЕ0 с ростом суммарного атомного номера и атомных масс, входящих в соединение элементов. Это объясняется более сильным размытием «электронных облаков» ковалентных связей по мере движения вниз по периодической таблице, благодаря чему усиливается характер металлической связи. Одновременно с ослаблением ковалентных химических связей снижаются температура плавления и твердость материала, полупроводник становится более пластичным, приближается по своим механическим свойствам к металлу.
Таблица 2.1 – Некоторые свойства соединений АIIIВV
| Материал | Периодрешетки, Å | Плотность,г/см3 | Тпл,0С | ΔЕ0 ,эВ | unм2/Вс | upм2/Вс | ε |
| BN | 3.615 | 3.49 | 3000 | 6.00 | — | — | 7.1 |
| AlN | 3.110 | 3.28 | 2400 | 5.88 | — | 0.0014 | 9.1 |
| GaN | 3.186 | 6.11 | 1700 | 3.40 | 0.030 | — | 12.2 |
| InN | 3.540 | 6.91 | 1100 | 1.95 | — | 0.0250 | — |
| АlР | 5.661 | 2.37 | 2000 | 2.45 | 0.008 | 0.003 | 9.8 |
| GaP | 5.451 | 4.07 | 1467 | 2.26 | 0.019 | 0.012 | 11.1 |
| InP | 5.869 | 4.78 | 1070 | 1.35 | 0.460 | 0.015 | 12.4 |
| AlAs | 5.661 | 3.60 | 1770 | 2.16 | 0.028 | — | 10.1 |
| GaAs | 5.653 | 5.32 | 1238 | 1.43 | 0.950 | 0.045 | 13.1 |
| InAs | 6.058 | 5.67 | 942 | 0.36 | 3.300 | 0.046 | 14.6 |
| AlSb | 6.136 | 4.28 | 1060 | 1.58 | 0.020 | 0.055 | 14.4 |
| GaSb | 6.096 | 5.65 | 710 | 0.72 | 0.400 | 0.140. | 15.7 |
| InSb | 6.479 | 5.78 | 525 | 0.18 | 7.800 | 0.075 | 17.7 |
Подвижность носителей заряда в полупроводниках типа АIIIВV ограничивается рассеянием на оптических фононах. Чем больше электроотрицательность элементов, образующих соединение, тем сильнее выражена ионная составляющая химической связи. Соответственно возрастает рассеяние на оптических колебаниях и уменьшается подвижность носителей заряда. Приближенно можно считать, что подвижность увеличивается с ростом атомной массы. Увеличение атомной массы ведет к уменьшению амплитуды тепловых колебаний атомов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению рассеяния носителей заряда на этих колебания. А так как в том же направлении происходит ослабление ионной составляющей связи, то подвижность носителей резко возрастает.
Среди всех соединений АIIIВVInSb обладает рекордной подвижностью электронов: un = 7,8 м2(Вс).
2.4 Примеси и дефекты структуры
Примеси замещения в кристаллической решетке соединений АIIIВV распределяются таким образом, чтобы не возникало центров с большим избыточным зарядом.
Примеси элементов II группы - Be, Mg, Zn и Cd, образующие твердые растворы замещения, всегда занимают в кристаллической решетке АIIIВV узлы металлического компонента и при этом являются акцепторами, благодаря меньшей валентности по сравнению с валентностью замещаемых атомов.