Теория двухзонной автолокализации в полупроводниках Тараскин, Сергей Николаевич

Введение к работе

Актуальность. К числу наиболее интересных явлений в твср-!дых телах относится явление автолокализацин. Его суть такова: ;электрон в твёрдом теле поляризует среду, создавал или углублял потенциальную яму, в которой сам же может и локализоваться. Выигрыш энергии W при автолокализации в типичных полупроводниках составляет ~ 0. і эВ при характерных значениях межзонной щели fco-'/-3 эВ и ширине разрешённых зон 2)_c,i/~ 't ~ 10 эВ, так что 1л/« Єа_і2>_СІ/. Однако, существует широкий класс неупорядоченных стеклообразных полупроводников, в которых энергия автолокализации велика и сравнила с шириной межзонной щели, W~ (.* Такие большие значения W. 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-.гощегося 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 V/** Еъ стандартные теории автолокализации не прнме-'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 двухзонный 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 одночастичних возбуждений; определение зависимости концентрации автолокализованных пар от давления; вычисление сечений захвата и рекомбинации неравновесных носителей заряда через состояния автолокализованных пар; описание'фотопроводимости и дисперсионного переноса;

рассмотрение нового типа автолокализации, индуцированной гибридизацией при отсутствииэлектронно-атомной сеязи;

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

Научная новизна. В диссертации впервые построена теория двухзоннои автолокалкзации в полупроводниковых системах с учётом гибридизации автолокализующегося состояния с состояниями обеих зон; -^та теория применима для объяснения электронных свойств ?латериалов / 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 жёсткости атомного потенциала.

Впервые указано на возможность автолокалнзации в затрароч-ном 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 уровнен показано, что вокруг движущегося автолокализукж;егося уровня имеется полоса неадиабатически пересекаемых состояний. Взаимодействие /гибридизация/ с состояниями вне полосы может быть рассмотрено в адиабатическом пределе.

: Впервые на основе теории двухзонной автолокалйзации вычислена плотность электронных состояний в глубине щели по подвижности стеклообразных полупроводников. Показано, что основную роль здесь играют состояния сильно автолокализоБанннх электронных и дырочных пар, которые фиксируют положение уровня Ферми вблизи середины щели. Найдена немонотонная зависимость концентрации автолокализованных пар от давления. Оценены вероятности рекомбинации и захвата на сильно автолокализованные состояния. Указано на существенную роль 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 электронно-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 экспе-риментов по фото- и термоиндуцированному ЭПР, внутрищелевому поглощению света, допированию и воздействию сильных электрических полей, фотопроводимости и дисперсионному переносу, фотолю-минисценции. 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 тппа 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 многоямный 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-вижностиЪтеклообразкых полупроводников представлена, главным образом, состояниями сильно автолокализованных электронных и дырочных пар, фиксирующих положение уровня Ферми вблизи середины щели. Зависимость концентрации одночастичных возбуждений от температуры определяет суть эффекта термоиндуцированного пара-

I 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 рамках теории двухзонной азтолокализации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Некристаллические полупроводники-8Э" /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-кинетический 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" /Шеафмлд, 1993/, Международном семинаре "Полярони и бпполяроны 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 объем"диссертации: 232 страницы текста, 52 рисунка '
.и список литературы из 138 наименований.- :.