бесщелевые полупроводники

БЕСЩЕЛЕВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ - вещества с тождественно равной нулю шириной запрещённой зоны. В Б. п. дно зоны проводимости и вершина валентной зоны касаются друг друга. Б. п. 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 Б. п. 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 Б. п. 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 ф-циями S-симметрии.

Две валентные зоны вблизи своего потолка описываются волновыми ф-циями 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 Б. п. заметно меньше эффективных масс дырок . Возникновение инверсной структуры зон связано с релятивистскими эффектами [1].

Отсутствие щели в электронном спектре Б. п. обусловливает целый ряд их особенностей. Концентрация п электронов как носителей заряда в чистых нелегированных Б. п. степенным (а не экспоненциальным) образом зависит от темп-ры T:

Концентрация п может заметно возрастать при пропускании через Б. п. 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 Б. п. 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 ф-ции T, ферми-энергии , частоты в волнового числа при малых значениях этих параметров.

В отличие от обычных полупроводников, в Б. п. 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 Б. п. 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.

Б. п. 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.

Лит.: 1) Цидильковский И. M., Зонная структура полупроводников, M., 1978; 2) Гельмонт Б. Л., Иванов-Омский В. И., Цидильковский И. M., Электронный энергетический спектр бесшелевых полупроводников, "УФН", 1976, т. 120, с. 337; 3) Берченко H. H., Пашковский M. В., Теллурид ртути - полупроводник с нулевой запрещенной зоной, там же, 1976, т. 119, с. 223.

С. Д. Бенеславский.

   <<      Предметный указатель      >>