CC BY
36
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 539.23:537.29
ЭФФЕКТ ПОЛЯ В ПЛЕНКАХТЕЛЛУРА, ВЫРАЩЕННЫХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ
© 2011 Келбиханов Р.К., Абдурагимов Г.А., Нажмудинов А.М.
Дагестанский государственный педагогическийуниверситет
В работе приводятся данные исследования относительных электросопротивлений при кратковременном (импульсном) действии электрического поля и при постоянном действии поля напряженностью 35 кВ/см пленок теллура, выращенных в электрическом поле напряженностью 1 кВ/см.
The authors of the article represent the data of the study of the relative electric conductivities during the short-term (impulse) action of the electric field and the constant action of the field with the intensity of 35 kV/cm of the tellurium films, grown in the electric field with the intensity of 1 kV/cm.
Ключевые слова: эффект поля, электропроводность, пленки теллура, относительное электросопротивление, электрическое поле, скоростьроста.
Keywords: field effect, electroconductivity, tellurium films, relative electric resistance, electric field, growth speed.
Эффект поля означает изменение электропроводности образца под действием электростатического заряда, который индуцирован электрическим полем, наложенным перпендикулярно поверхности образца. Для поверхности полупроводника этот заряд
распределяется между поверхностными состояниями и областью
пространственного заряда. Поскольку глубина экранирования электрического поля в металле есть величина порядка атомных размеров, то эффект поля должен по сути дела соответствовать индуцированному полем изменению взаимодействия электронов
проводимости с поверхностным потенциальным барьером. Этот эффект существенен только тогда, когда вклад
поверхностного рассеяния в
проводимость значителен, как, например, в пленке, толщина которой сопоставима с длиной свободного пробега. Таким образом, эффект поля должен проявляться как некая разновидность размерного эффекта [7].
Материалы и методы
Для исследования эффекта поля пленки теллура были получены конденсацией в вакууме 2,66,10"3 Па при температуре 415-4250С. Скорость конденсации в экспериментах составила 0,4-0,8 нм/с. Подложками служили пластинки слюды (мусковита), которые выбирались как можно более тонкими (в нашем случае 40-50 мкм), так как они одновременно служили и в качестве изолирующей прослойки.
Предварительно на лицевую сторону подложки наносились четыре медные контактные площадки - две токовые и две потенциальные, а на тыльную -сплошная медная пленка, которая служила в качестве полевого электрода [1].
Пленки теллура осаждались через трафаретные маски в виде полосы шириной 3 мм между двумя токовыми контактными площадками, расстояние между которыми составляло 20 мм. От пленок к потенциальным контактным площадкам отходили узкие (~ 0,3 мм) дорожки, расстояние между средними линиями которых составляло 15 мм. Причем одна пленка теллура выращивалась в электрическом поле напряженностью 1 кВ/см, а другая без электрического поля в едином технологическом режиме.
Результаты и ихобсуждение
ДЫ/Я
60 120 180 240 т<с
Рис. 1. Временная зависимость относительного электросопротивления пленок теллура, выращенных без электрического поля, при кратковременном (импульсном) действии электрического поля напряженностью при 35 кВ/см: 1(А) - при истощающем потенциале, 2(о) - при обогащающем потенциале
В этом случае значение ДИ/Я при выключении поля мгновенно принимает исходное значение. При истощающем (положительном) потенциале на электроде эффект поля сильнее (кривая 1), чем при обогащающем (отрицательном) потенциале (кривая 2).
Обнаружено также подобное различие эффекта поля для образцов, выращенных в электрическом поле (рис.
Об эффекте поля полученных образцов судили по величине относительного электросопротивления (ДЯ/Я).
В получении пленок теллура совершенной структуры имеются определенные трудности. Поэтому по результатам исследования эффекта [2-4] поля можно судить о степени структурного совершенства образцов.
Как показали наши исследования, при кратковременном (импульсном)
приложении электрического поля (рис. 1) ДЯ/Я изменяется скачком, а затем со временем спадает к исходному значению. При постоянном приложении электрического поля значение ДЯ/Я скачком увеличивается до некоторого значения, затем идет дальнейший рост и выход на насыщение (рис. 2).
ДИ/Я
_|__________I_______I________I________I________I______
120 240 360 Ъс
Рис. 2. Временная зависимость относительного электросопротивления пленок теллура, выращенных без электрического поля, при постоянном действии электрического поля напряженностью 35 кВ/см:
1(А) - при истощающем потенциале, 2(о) - при обогащающем потенциале
3 и 4), имеется в виду различие значений при истощающем и обогащающем потенциалах, хотя по величине значение эффекта поля в данном случае в два раза меньше по сравнению с образцами, выращенными без электрического поля. Это связано с тем, что подвижность основных носителей заряда в приповерхностной области во многом определяется рассеянием на
поверхности. При положительном потенциале на поверхности основные носители заряда - дырки отклоняются электрическим полем внутрь объема, вследствие чего вероятность
столкновения дырок с поверхностью
Рис. 3. Временная зависимость относительного электросопротивления пленок теллура, выращенных в электрическом поле напряженностью 1 кВ/см при кратковременном (импульсном) приложении электрического поля напряженностью 35кВ/см:
1(А) - при истощающем потенциале, 2(о) - при обогащающем потенциале
При попеременных подключениях к полевому электроду потенциалов разных знаков (при истощающем и обогащающем потенциале) образец запирается. При подключении потенциала одного и другого знака к электроду отношение АЯ/Я со временем достигает своего максимального значения, а при выключении поля принимает исходное значение, которое было до попеременных подключений потенциалов разных знаков к полевому электроду.
Нами было установлено, что изменение направления электрического поля не влияет на остаточную величину эффекта поля.
Эффект поля в конденсированных пленках в той или иной степени зависит от состояния границы раздела пленка-подложка. В наиболее явной форме это проявляется для пленок теллура, поскольку характерны е для них специфические особенности не
возрастает, а при отрицательном -наоборот.
Эффект поля в работе [1] объяснен снижением подвижности дырок в приповерхностной области при наложении поля.
\К/К
__________12» 241) 360 Т.с
Рис. 4. Временная зависимость относительного электросопротивления пленок теллура, выращенных в электрическом поле напряженностью 1 кВ/см,
при постоянном воздействии электрического поля напряженностью 35кВ/см:
1(А) - при истощающем потенциале, 2(о) - при обогащающем потенциале
наблюдаются в других материалах [2, 3]. Принято быстрые поверхностные состояния связывать с ненасыщенными ковалентными связями, а медленные - с вандер-ваальсо-выми связями [1, 4].
Экстраполяция кривых 1 и 2 (рис. 1) к оси АЯ/Я дает максимальные значения АЯ/Я для случаев обогащающего и истощающего потенциалов, равные 0,10 и 0,12, которые быстро спадают до 0,063 и
0,10 соответственно, что обусловлено оборванными ковалентными связями. При истощающем потенциале время релаксации больше, чем при
обогащающем потенциале на электроде, что согласуется с приведенными в работе [1] выводами. Многократные
переключения полярности поля на электродах приводят к уменьшению концентрации носителей заряда того и иного знака, обусловленных процессами релаксации на поверхностных состояниях носителей заряда обоих знаков. АЯ/Я достигает максимального исходного
значения в течение 2-5 минут, причем при истощающем потенциале примерно в три раза быстрее, чем при обогащающем потенциале. Последний вывод подтверждает идею релаксации различных по знаку носителей заряда за различное время. Для теллура основными носителями тока являются дырки и время релаксации их больше, чем время релаксации электронов.
Эффект поля может быть существенно подавлен переходом носителей заряда, индуцированных внешним электрическим полем на поверхностные состояния. Эти переходы могут осуществляться быстро и медленно, в связи с чем поверхностные состояния называют быстрыми или медленными [4, 9]. Если их плотность достаточно велика, то в первом случае эффект поля практически не наблюдается, во втором - медленно релаксирует во времени.
Поверхностные состояния, как правило, обусловлены межатомными связями. В кристаллах теллура, в которых атомы образуют спиральные цепочки вдоль главной оси {0001}, между атомами одной цепочки
действуют ковалентные связи, а между атомами соседних цепочек - ван-дер-ваальсовые силы. Очевидно, что плотность оборванных ковалентных связей на поверхности пленки зависит от ее ориентации относительно подложки.
В пленках теллура на слюде, конденсированных при низких
температурах, кристаллиты
ориентированы так, что цепочки проходят преимущественно параллельно поверхности [5]. В этом случае плотность обрывов ковалентных связей на поверхности невелика, но зато большой является плотность
ненасыщенных вандер-ваальсовых
связей. Эти связи, по-видимому, обуславливают наличие медленных поверхностных состояний. С
повышением температуры конденсации в пленках теллура развивается текстура, при которой атомные цепочки
ориентируются вблизи нормали к поверхности, следовательно, возрастает плотность ненасыщенных ковалентных связей на поверхности. По-видимому,
эти связи обусловливают появление быстрых поверхностных состояний,
переход на которые индуцированных носителей заряда ослабляет эффект поля. Когда их плотность оказывается достаточно большой, все
индуцированные полем носители заряда переходят на поверхностные состояния и эффект поля исчезает. В наших экспериментах максимальная плотность индуцированного заряда в пленках достигла 60 мкКл/м2. Практически
полное исчезновение эффекта поля в пленках, конденсированных при 351 К, по-видимому, соответствует плотности быстрых поверхностных состояний,
равной плотности индуцированных полем носителей заряда. В пленках теллура, конденсированных при пониженных или более высоких температурах, плотность поверхностных состояний, а следовательно, плотность оборванных ковалентных связей на поверхности соответственно ниже или выше этой величины.
Таким образом, одним из выводов данного эксперимента является то, что значение АЯ/Я для образцов, полученных в электрическом поле, в два раза меньше по сравнению с образцами, полученными без электрического поля, что свидетельствует о существенном влиянии электрического поля на саму структуру пленки теллура в процессе ее выращивания, что находит свое подтверждение в работе [6], где
установлены оптимальные условия получения структурно совершенных пленок теллура на неориентирующих
подложках. Следовательно, в процессе выращивания образцов электрическое поле влияет на концентрацию адсорбируемых атомов, характер взаимодействия их с подложкой, потенциальный рельеф подложки, а также на взаимодействие атомов между собой, что должно привести к их определенному выстраиванию друг относительно друга за счет поляризации. Таким образом, есть принципиальная возможность управления структурным упорядочением и
процессами конденсации при
выращивании тонких пленок теллура в электрическом поле.
Примечания
1. Бондарчук Н. Ф., Вигдорович В. H., Ухлинов Г. А. Эффект поля в конденсированных пленках теллура // Известия АН Молдавской ССР. Серия физико-технических и математических наук. 1988. № 3. С. 21-25. 2. Вигдорович В. H., Ухлинов Г. А., Чиботару Н. И. Структура и электрофизические свойства конденсированных пленок теллура // Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1979. Т. 15. № 1. С. 49-55. 3. Вигдорович В. H., Ухлинов Г. А., Чиботару Н. И. О термической ширине запрещенной зоны в тонких пленках теллура // ФТП. 1978. Т. 12. № 9. С. 1816-1820. 4. Дэвисон С., Левин Дж. Поверхностные (таммовские) состояния. М. : Мир, 1973. 221 с. Б.ЗюбрикА. И. Процессы конденсации тонкихпленок теллура в магнитных и электрических полях // Журнал технической физики. 1980. Т. 50. № 12. С. 26072610. 6. Келбиханов Р. К., Качабеков М. М., Иванов Г. А. Влияниеэлектрического поля на рост и электрофизические свойства пленок теллура // Физ. ХОМ. 2000. № 6. С. 54-56. 7. Чопра К. Л. Электрические явления в тонких пленках. М. : Мир, 1972. 436 с. 8. Silbermann R., Landwehr G., Köhler H. Field effect in tellurium // Solid state communications. 1971. V. 9. № 13. P. 949-951. 9. Szaro L., Struzik M., Klincewisz J. Influence of atmosphere composition on electrical surface properties of tellurium thin films // Acta Universitatis. Wratislaviensis. 1977. № 380. P. 115-120.
Статья поступила вредакцию 18.10.2011 г.
