Delocalization of electron states in n-Si at low temperatures

Abstract

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники (г. Минск, Республика Беларусь) 2 Научно-исследовательское учреждение «Институт ядерных проблем» Белорусского государственного университета (г. Минск, Республика Беларусь) Поступила в редакцию 30 января 2020 © Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 2020 Аннотация. Приводятся данные измерений транспортных свойств Si, легированного Sb, в температурном диапазоне 1,9 -3,0 К и при плотностях токов J < 0,2 А/см 2 . На основе анализа вольт-амперных характеристик получены значения сопротивления при разных плотностях токов. Обнаружено, что с увеличением тока изменяется знак температурного коэффициента сопротивления. При значениях J < 0,045 А/см 2 температурный коэффициент сопротивления положительный, а с превышением плотности тока значения 0,045 А/см 2 он становится отрицательным. Для объяснения этого токового кроссовера в знаке температурного коэффициента сопротивления были проведены холловские измерения при температуре 2 К, позволившие определить значения концентрации носителей заряда и их подвижность. На основе этих измерений и с учетом модели концентрационной нестабильности были получены токовые зависимости таких параметров, описывающих электрический транспорт в полупроводниках, как энергия активации, неравновесная концентрация носителей заряда, подвижность и время рассеяния электронов проводимости. В результате проведенного анализа было установлено, что изменение знака температурного коэффициента сопротивления с ростом тока можно объяснить обменом электронами между верхней зоной Хаббарда, формирующейся за счет захвата инжектируемых электронов нейтральными атомами примеси, и краем зоны проводимости. При этом происходит делокализация электронных состояний с ростом тока. Полученные данные хорошо согласуются с выдвинутой гипотезой. Проведено рассмотрение возможных механизмов делокализации путем анализа времени рассеяния электронов. В результате установлено, что электрон-электронные взаимодействия, вызванные кулоновским потенциалом, являются доминирующими. Ключевые слова: токовая нестабильность, делокализация, верхняя зона Хаббарда, температурный коэффициент сопротивления. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.