Hg1-xCdxTe材料变温特性的实验研究

陶小平,孙腊珍

(中国科学技术大学物理学院,安徽合肥230026)

Hg1-xCdxTe材料变温特性的实验研究

陶小平,孙腊珍

(中国科学技术大学物理学院,安徽合肥230026)

对碲镉汞(Hg1-xCdxTe)材料的电学特性进行了变温实验研究.通过变温(80～300 K)霍尔效应测量,研究了Hg1-xCdxTe材料的霍尔系数RH、电导率σ和霍尔迁移率μH的温度依赖关系.结果表明,Hg1-xCdxTe晶体在低温下为p型导电,而在室温下为n型导电.

碲镉汞;变温霍尔效应;输运性质

1 引 言

范德堡(Van der Pauw)法对Hg1-xCdxTe材料进行了实验研究.

碲镉汞是制备第三代红外光子探测器最重要的材料.碲镉汞材料的电子有效质量小,本征载流子浓度低,由其制成的探测器具有噪声低、探测率高、响应时间短和响应频带宽等优点,近年来在碲镉汞(Hg1-xCdxTe)异质结、材料生长、掺杂方法、衬底制备、电学性质等方面取得了显著的研究进展[1].

霍尔效应在确定材料的电输运性质上有着独特的作用.通过霍尔效应的测量,可以研究半导体材料的电输运性质,研究材料的导电类型、载流子浓度、迁移率等信息,特别是通过变温霍尔效应的测量,研究温度从低温杂质弱电离区到高温本征激发范围内相应霍尔测量参量的温度变化曲线,从而确定霍尔系数、载流子浓度、迁移率及电导率随温度的变化[2].

本文通过变温(80～300 K)霍尔效应,采用

2 实验方法

对于厚度均匀的任意形状的薄膜样品,可用范德堡法进行电阻率和霍尔效应的测量.范德堡法测量电阻率和霍尔系数时,样品的形状可以是任意的薄层,但理想的范德堡样品应满足:周界接触(电极接触待测薄层侧面);点接触(接触面积无限小,薄层厚度均匀无空洞)[3].本实验研究采用范德堡法测试,电极(欧姆接触)的位置如图1所示,磁感应强度方向与样品表面相垂直,测试温度范围为80～300 K.实验测量设备如图2所示,包括CVM-2000电输运性质测试仪、SV-12变温恒温器、可换向永磁体、TCK-100控温仪以及装在恒温器内冷指上的碲镉汞单晶样品组成.

图1 范德堡法

图2 实验测量设备

2.1 霍尔系数RH

实验的样品电极如图3所示,霍尔测量的样品焊线定义如表1所示.

图3 样品电极

表1 霍尔测量的样品焊线定义

在霍尔系数的测量中,会伴随一些热磁副效应、电极不对称等因素引起的附加电压叠加在霍尔电压VH上,这些负效应包括Eting hausen效应、Nernst效应、Righi-Leduc效应和不等位电势差等[4],根据副效应产生的机理和特点,除Etinghausen副效应外,其余的都可利用异号测量法消除影响,因而需要分别改变样品电流和磁场方向,测量4组不同的电势差VH1,VH2,VH3和VH4,然后做适当数据处理,而得到霍尔电压值[5]:

从而得到霍尔系数RH为

其中:d为样品的厚度,I为流过样品电流,B为磁感应强度.

2.2 电导率σ

在样品侧边制作4个电极,如图1所示.依次将1对相邻的电极用来通入电流,另1对电极之间测量电位差.当A和B电极间通入电流IAB,测量C和D间电压VCD,得到

当在电极B和C间通电流IBC,D和A检测电压VDA,得到

对范德堡样品[6]:

其中:I为通过样品的电流,f为形状因子,对于对称的样品引线分布,f≈1.在计算电导率时,假定了f≈1.对于这一近似是否合理,下面给予实验验证.

计算f的表达式为

所以可直接从实验数据算出RAB,CD/RBC,DA,从而用Mathematica软件计算出f的数值解,将所得到的结果列于表2.

表2 形状因子f的数值解

从表2可看出,实验中假定是f≈1合理的.

3 变温霍尔效应实验结果与分析

实验中样品的厚度为0.94 mm,样品电流为5.0 mA,磁感应强度为0.5 T.实验测量的RHT-1曲线如图4所示.由图4可得:温度在80.0～148.2 K范围内,RH基本与温度无关,霍尔系数约为390 cm3/C,此时杂质基本全部电离,RH达到饱和值RHS.温度在148.2～198.0 K范围内,由于电子由价带激发到导带的过程加剧,从图4可以估计RH在170 K左右达到零.温度在198.0～301.7 K范围内,已经达到本征激发范围,近似有从图4可以看到|RH|基本按指数下降.

实验测量的σ-T-1曲线如图5所示.由图5可得:温度在80.0～198.0 K范围内,杂质基本全部电离,本征激发不明显,载流子浓度几乎不变,晶格散射占主导地位,导致σ随温度升高变化缓慢.温度在198.0～301.7 K范围内,本征激发产生的载流子浓度随温度升高而指数增加使电导率增加,虽然热振动迁移率随温度升高而降低,但本征激发对电导率的影响远大于后者,因而电导率随温度的升高几乎是指数增加.

图5 电导率σ随T-1变化曲线

霍尔迁移率定义为μH=RH/ρ=RHσ,实验测量的μH-T-1曲线如图6所示.由图6可得:温度在80.0～148.2 K阶段,杂质趋于全部电离,晶格散射占主导地位,μH随温度升高而降低.温度在148.2～198.0 K阶段,半导体从p型变为n型, μH也从正值变为负值,电子由价带跃迁到导带,且跃迁随温度的增高而加快,电子浓度迅速增大,这种效应对μH的影响远大于晶格散射对μH的影响,导致|μH|随温度升高而迅速增大.温度在198.0～301.7 K阶段,本征激发开始发生作用,空穴浓度增大,复合作用导致电子净浓度减小,因此|μH|随温度升高而下降.

图6 霍尔迁移率μH随T-1变化曲线

4 结 论

通过变温(80～300 K)霍尔效应测量,研究了Hg1-xCdxTe单晶体的霍尔系数RH(T)、电导率σ(T)和霍尔迁移率μH(T)的温度特性.其中温度在80.0～148.2 K范围内表现为杂质弱电离区,温度在148.2～198.0 K范围内表现为杂质饱和电离区,温度在198.0～301.7 K范围内表现为本征导电区,室温下Hg1-xCdxTe单晶体的电导率为7.5×104Ω-1/m,霍尔迁移率为6.0 m2/ (V·S).霍尔系数的测量结果表明,较低温度下RH>0,较高温度下RH<0且有极值.半导体材料经历从杂质电离区到本征激发的高温区过程,当温度在170 K左右时,Hg1-xCdxTe单晶体的导电类型从p型变为n型.

[1] 王忆锋,唐利斌.碲镉汞近年来的研究进展[J].红外技术,2009,31(8):435-440.

[2] 魏青竹,吴俊,巫艳,等.Si基HgCdTe材料的电学特性研究[J].激光与红外,2007,增(9):920-923.

[3] 林木欣.近代物理实验[M].广州:广东教育出版社,1993:375-384.

[4] 杨晓阳,林杏潮,李向阳,等.碲镉汞霍耳测试副效应及其与组分的关系[J].红外与激光工程,2007, 36(4):457-460.

[5] 曹伟然,段立永,赵启博.霍尔效应实验的改进和扩展[J].物理实验,2009,29(2):41-44.

[6] 庄铭耀.高温霍尔测量和应用[D].福州:福州大学,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

[责任编辑:郭 伟]

2009-11-07;修改日期:2010-03-05

陶小平(1965-),男,安徽当涂人,中国科学技术大学物理学院讲师,博士,从事物理教学和低温等离子应用及脉冲功率技术的研究工作.