陶小平,孫臘珍

(中國科學技術大學物理學院,安徽合肥230026)

Hg1-xCdxTe材料變溫特性的實驗研究

陶小平,孫臘珍

(中國科學技術大學物理學院,安徽合肥230026)

對碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)材料的電學特性進行了變溫實驗研究.通過變溫(80～300 K)霍爾效應測量,研究了Hg1-xCdxTe材料的霍爾系數RH、電導率σ和霍爾遷移率μH的溫度依賴關系.結果表明,Hg1-xCdxTe晶體在低溫下為p型導電,而在室溫下為n型導電.

碲鎘汞;變溫霍爾效應;輸運性質

1 引 言

范德堡(Van der Pauw)法對Hg1-xCdxTe材料進行了實驗研究.

碲鎘汞是制備第三代紅外光子探測器最重要的材料.碲鎘汞材料的電子有效質量小,本征載流子濃度低,由其制成的探測器具有噪聲低、探測率高、響應時間短和響應頻帶寬等優(yōu)點,近年來在碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)異質結、材料生長、摻雜方法、襯底制備、電學性質等方面取得了顯著的研究進展[1].

霍爾效應在確定材料的電輸運性質上有著獨特的作用.通過霍爾效應的測量,可以研究半導體材料的電輸運性質,研究材料的導電類型、載流子濃度、遷移率等信息,特別是通過變溫霍爾效應的測量,研究溫度從低溫雜質弱電離區(qū)到高溫本征激發(fā)范圍內相應霍爾測量參量的溫度變化曲線,從而確定霍爾系數、載流子濃度、遷移率及電導率隨溫度的變化[2].

本文通過變溫(80～300 K)霍爾效應,采用

2 實驗方法

對于厚度均勻的任意形狀的薄膜樣品,可用范德堡法進行電阻率和霍爾效應的測量.范德堡法測量電阻率和霍爾系數時,樣品的形狀可以是任意的薄層,但理想的范德堡樣品應滿足:周界接觸(電極接觸待測薄層側面);點接觸(接觸面積無限小,薄層厚度均勻無空洞)[3].本實驗研究采用范德堡法測試,電極(歐姆接觸)的位置如圖1所示,磁感應強度方向與樣品表面相垂直,測試溫度范圍為80～300 K.實驗測量設備如圖2所示,包括CVM-2000電輸運性質測試儀、SV-12變溫恒溫器、可換向永磁體、TCK-100控溫儀以及裝在恒溫器內冷指上的碲鎘汞單晶樣品組成.

圖1 范德堡法

圖2 實驗測量設備

2.1 霍爾系數RH

實驗的樣品電極如圖3所示,霍爾測量的樣品焊線定義如表1所示.

圖3 樣品電極

表1 霍爾測量的樣品焊線定義

在霍爾系數的測量中,會伴隨一些熱磁副效應、電極不對稱等因素引起的附加電壓疊加在霍爾電壓VH上,這些負效應包括Eting hausen效應、Nernst效應、Righi-Leduc效應和不等位電勢差等[4],根據副效應產生的機理和特點,除Etinghausen副效應外,其余的都可利用異號測量法消除影響,因而需要分別改變樣品電流和磁場方向,測量4組不同的電勢差VH1,VH2,VH3和VH4,然后做適當數據處理,而得到霍爾電壓值[5]:

從而得到霍爾系數RH為

其中:d為樣品的厚度,I為流過樣品電流,B為磁感應強度.

2.2 電導率σ

在樣品側邊制作4個電極,如圖1所示.依次將1對相鄰的電極用來通入電流,另1對電極之間測量電位差.當A和B電極間通入電流IAB,測量C和D間電壓VCD,得到

當在電極B和C間通電流IBC,D和A檢測電壓VDA,得到

對范德堡樣品[6]:

其中:I為通過樣品的電流,f為形狀因子,對于對稱的樣品引線分布,f≈1.在計算電導率時,假定了f≈1.對于這一近似是否合理,下面給予實驗驗證.

計算f的表達式為

所以可直接從實驗數據算出RAB,CD/RBC,DA,從而用Mathematica軟件計算出f的數值解,將所得到的結果列于表2.

表2 形狀因子f的數值解

從表2可看出,實驗中假定是f≈1合理的.

3 變溫霍爾效應實驗結果與分析

實驗中樣品的厚度為0.94 mm,樣品電流為5.0 mA,磁感應強度為0.5 T.實驗測量的RHT-1曲線如圖4所示.由圖4可得:溫度在80.0～148.2 K范圍內,RH基本與溫度無關,霍爾系數約為390 cm3/C,此時雜質基本全部電離,RH達到飽和值RHS.溫度在148.2～198.0 K范圍內,由于電子由價帶激發(fā)到導帶的過程加劇,從圖4可以估計RH在170 K左右達到零.溫度在198.0～301.7 K范圍內,已經達到本征激發(fā)范圍,近似有從圖4可以看到|RH|基本按指數下降.

實驗測量的σ-T-1曲線如圖5所示.由圖5可得:溫度在80.0～198.0 K范圍內,雜質基本全部電離,本征激發(fā)不明顯,載流子濃度幾乎不變,晶格散射占主導地位,導致σ隨溫度升高變化緩慢.溫度在198.0～301.7 K范圍內,本征激發(fā)產生的載流子濃度隨溫度升高而指數增加使電導率增加,雖然熱振動遷移率隨溫度升高而降低,但本征激發(fā)對電導率的影響遠大于后者,因而電導率隨溫度的升高幾乎是指數增加.

圖5 電導率σ隨T-1變化曲線

霍爾遷移率定義為μH=RH/ρ=RHσ,實驗測量的μH-T-1曲線如圖6所示.由圖6可得:溫度在80.0～148.2 K階段,雜質趨于全部電離,晶格散射占主導地位,μH隨溫度升高而降低.溫度在148.2～198.0 K階段,半導體從p型變?yōu)閚型, μH也從正值變?yōu)樨撝?電子由價帶躍遷到導帶,且躍遷隨溫度的增高而加快,電子濃度迅速增大,這種效應對μH的影響遠大于晶格散射對μH的影響,導致|μH|隨溫度升高而迅速增大.溫度在198.0～301.7 K階段,本征激發(fā)開始發(fā)生作用,空穴濃度增大,復合作用導致電子凈濃度減小,因此|μH|隨溫度升高而下降.

圖6 霍爾遷移率μH隨T-1變化曲線

4 結 論

通過變溫(80～300 K)霍爾效應測量,研究了Hg1-xCdxTe單晶體的霍爾系數RH(T)、電導率σ(T)和霍爾遷移率μH(T)的溫度特性.其中溫度在80.0～148.2 K范圍內表現為雜質弱電離區(qū),溫度在148.2～198.0 K范圍內表現為雜質飽和電離區(qū),溫度在198.0～301.7 K范圍內表現為本征導電區(qū),室溫下Hg1-xCdxTe單晶體的電導率為7.5×104Ω-1/m,霍爾遷移率為6.0 m2/ (V·S).霍爾系數的測量結果表明,較低溫度下RH>0,較高溫度下RH<0且有極值.半導體材料經歷從雜質電離區(qū)到本征激發(fā)的高溫區(qū)過程,當溫度在170 K左右時,Hg1-xCdxTe單晶體的導電類型從p型變?yōu)閚型.

[1] 王憶鋒,唐利斌.碲鎘汞近年來的研究進展[J].紅外技術,2009,31(8):435-440.

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[6] 莊銘耀.高溫霍爾測量和應用[D].福州:福州大學,2001:6-19.

Electronic properties of Hg1-xCdxTe at different temperatures

TAO Xiao-ping,SUN La-zhen
(School of Physics,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)

Electronic properties of Hg1-xCdxTe samples at different temperatures are studied.The changes of the Hall coefficientRH,conductivityσand Hall mobilityμHat different temperatures between 80 K and 300 K are tested and analyzed.The results show that the Hg1-xCdxTe crystal is ptype at low temperature,but changes to n-type at room temperature.

Hg1-xCdxTe;Hall effect;transport character

TN304.2

A

1005-4642(2010)09-0028-03

[責任編輯:郭 偉]

2009-11-07;修改日期:2010-03-05

陶小平(1965-),男,安徽當涂人,中國科學技術大學物理學院講師,博士,從事物理教學和低溫等離子應用及脈沖功率技術的研究工作.