Фотоэлектрические эффекты в легированных полупроводниках на основе теллурида свинца при воздействии лазерного терагерцового из

План доклада
1. Нелегированные сплавы на основе теллурида свинца
2. Легирование теллурида свинца индием
А) Стабилизация уровня Ферми
Б) Задержанная фотопроводимость
В) Примесные метастабильные состояния
3. Фотопроводимость в сплавах
Pb1-xSnxTe(In) под действием терагерцовых лазерных импульсов
4. Монополярный фотоэлектромагнитный эффект в
Pb1-xSnxTe(In)
5. Выводы

1. Нелегированные сплавы
на основе теллурида свинца
PbTe: узкощелевой полупроводник:
1. Кубическая гранецентрированная решетка типа Na+Cl-
2. Прямая щель Eg = 190 meV при T = 0 K в L-точке зоны Бриллюэна
3. Высокая диэлектрическая проницаемость ε ~ 103.
4. Малые эффективные массы m ~ 10-2 me.

Твердые растворы
Pb1-xSnxTe
Происхождение свободных носителей:
Отклонение от стехиометрии ~ 10-3.
Как правило: n,p ~ 1018-1019 см-3

2. Эффекты, появляющиеся при легировании
Стабилизация уровня Ферми.
PbTe(In), NIn > Ni

Стабилизация уровня Ферми в сплавах Pb1-xSnxTe(In) .
EIn

Задержанная фотопроводимость
Температурная зависимость сопротивления, измеренная
в темноте (1-4) и при инфракрасной подсветке (1'-4')
в сплавах с x = 0.22 (1, 1'), 0.25 (2, 2'), 0.27 (3, 3') и
0.29 (4, 4')

Кинетика фотопроводимости
Большое время
жизни
фотовозбужденных
электронов связано
с существованием
барьера между
локальными и
зонными
состояниями –
DX-подобные
примесные
центры

Примесные метастабильные состояния
Примесные метастабильные состояния ответственны за появление ряда сильных эффектов:
Задержанная фотопроводимость в терагерцовом спектральном диапазоне
СВЧ-стимуляция квантовой эффективности до 102
Усиленный диамагнитный отклик, составляющий до 1% от идеального
Рост эффективной диэлектрической проницаемости до 105 при ИК-подсветке
Гигантское отрицательное магнитосопротивление с амплитудой до 106

Фотоотклик на длинах волн
176 мкм и 241 мкм
Сильный фотоотклик на длинах волн 176 и 241 мкм
λ = 241 мкм
выше, чем
λred = 220 мкм наблюдавшаяся в
Ge(Ga)
выключение света включение света

Важное замечание
Eλ=(241, 176)μm < Ea
За фотопроводимость отвечает возбуждение с примесных метастабильных состояний.

3. Фотопроводимость PbSnTe(In) под действием терагерцового лазерного излучения
Длина волны лазера: 90, 148, 280, 496 μm
Длительность импульса: 100 ns
Мощность в импульсе: до 30 kW
Температура образца: 4.2 – 300 K

Образцы
Температурная зависимость
удельного сопротивления и
концентрации электронов
Температурная зависимость
подвижности электронов

Кинетика фотопроводимости
Временной профиль лазерного импульса и кинетика фотопроводимости
при различных температурах

Механизмы фотопроводимости
Отрицательная фотопроводимость: разогрев электронного газа, изменение подвижности электронов
Положительная фотопроводимость: генерация неравновесных электронов с метастабильных электронных состояний, изменение концентрации свободных электронов

Зависимость амплитуды фотоотклика от длины волны
Nкв=8.7 10-24 c-1
Заметный фотоотклик
наблюдается вплоть до длины волны 496 мкм,
что более чем в два раза
выше, чем предыдущий
рекорд для фотонных
приемников – 220 мкм
для одноосно
деформированного Ge(Ga)
Линейная экстраполяция квантовой эффективности к нулевому значению
фотоотклика дает красную границу фотоэффекта Екр=0!

4. Фотоэлектромагнитный эффект в PbSnTe(In)
Схема эксперимента

Эксперимент
Изменение сигнала при прохождении лазерного импульса
для двух полярностей магнитного поля (H- и H+ = 0.195 Tл)
при температурах 4.2 и 25 К.

Особенности
1. При 4.2 К имеется задержка сигнала относительно импульса – около 30 нс
2. При 25 К знак эффекта меняется на противоположный
3. Задержка сигнала относительно импульса при 25 К – около 100-150 нс
4. Эффект не зависит от поляризации излучения
5. Эффект исчезает при направлении магнитного поля вдоль контактов

Зависимость от магнитного поля
Зависимости максимальной амплитуды сигнала
от магнитного поля при температурах 4.2 и 25 К.

Зависимость от мощности импульса
Зависимость максимальной амплитуды сигнала
от приведенной мощности лазерного импульса. H = 0.195 Tл.

Возможная интерпретация

Отличия от классического ФЭМ эффекта
1. Энергия кванта много меньше Eg, эффект монополярный
2. Кинетика эффекта не повторяет кинетику фотопроводимости
3. Природа эффекта при 4.2 К и 25 К, видимо, несколько различается

Механизм эффекта
При 4.2 К – градиент концентрации неравновесных электронов, диффузия неравновесных электронов от поверхности
При 25 К – градиент подвижности электронов при неизменной концентрации, диффузия более быстрых электронов из объема к поверхности

Оценка диэлектрической проницаемости
Если время задержки сигнала при
4.2 К соответствует максвелловскому времени релаксации, то
τ = εε0ρ
откуда ε ~ 107

Зависимость от длины волны
Опять Екр=0?