Über die Störstellen- und Eigenhalbleitung intermetallischer Verbindungen II
Authors: Justi E. , Lautz G. 
Published: March 2015

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde von den Autoren über Messungen der Wiedemann-Franz-Lorenzschen Zahl im System Cd-Sb in Abhängigkeit von der Konzentration in einer engen Umgebung um die intermetallische Verbindung CdSb berichtet. Das für CdSb aufgefundene extrem hohe Maximum ließ vermuten, daß sich diese Verbindung wie ein Halbleiter benimmt. Im Rahmen der Elektronentheorie der Metalle haben die Autoren sodann eine theoretische Deutung dieser Experimente versucht und gezeigt, daß die 7. Brillouin-Zone gerade mit allen Außenelektronen des CdSb aufgefüllt ist und somit zu einem halbleiterähnlichen Energiebändermodell führen kann.

In dem nun vorliegenden 2. Teil werden experimentelle Untersuchungen über die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit, die Widerstandsänderung im magnetischen Querfeld, die differentielle Thermokraft und über die Gleichrichtereigenschaften des CdSb mitgeteilt. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, daß CdSb im ideal stöchiometrischen Zustand ein Eigenhalbleiter ist, wie es nach der vorgeschlagenen theoretischen Deutung erwartet wurde.

Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes zwischen 10° abs. und 720° abs. ergibt einen negativen Temperaturkoeffizienten, wie man ihn auch bei anderen Halbleitern findet. Aus den Leitfähigkeitskurven von Proben unterschiedlicher Störstellenkonzentration lassen sich, infolge der hohen Meßgenauigkeit, mehrere Aktivierungsenergien von z. B. 8,4 · 10-4 eV, 0,0210 eV und 0,0418 eV bestimmen. Bei Temperaturen oberhalb 100°C gehen alle Kurven in den einheitlichen Eigenleitungsast über, dessen Aktivierungsenergie von 0,522 eV dem Bandabstand im Energiebändermodell des CdSb entspricht.

Da die Bearbeitbarkeit der Versuchsproben sehr schlecht ist und sich daher keine hinreichend dünnen Platten herstellen lassen, um den Hall-Effekt messen zu können, haben die Autoren die Beweglichkeit der Ladungsträger aus den Messungen der magnetischen Widerstandsänderung bis zu Temperaturen des flüssigen Wasserstoffs hinab ermittelt. Dabei ergeben sich Werte, die etwa denen des Si vergleichbar sind und je nach der Genauigkeit, mit der die Stöchiometrie eingehalten ist, 300-700 cm2/Volt · sec betragen. Die Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit wird im Zusammenhang mit dem Leitungsmechanismus diskutiert. Die von anderen Halbleitern her bekannte Veränderlichkeit der Beweglichkeit mit T-3/2 kann bei den untersuchten Proben nicht bestätigt werden.

Hall-Konstante und differentielle Thermokraft deuten durch ihr positives Vorzeichen auf eine Defektleitung hin. Da aber ein Überschuß der einen oder anderen Metallkomponente beim CdSb stets Überschußleitung bedingen muß, wird die tatsächlich beobachtete Defektleitung auf die im „spektroskopisch reinen“ Antimon stets noch vorhandenen Bleiverunreinigungen zurückgeführt.

Gleichrichteruntersuchungen zeigen n- und p-Charakteristiken. Diese Inhomogenität des elektrischen Leitungsmechanismus ungetemperter Proben steht mit der theoretischen Deutung in Einklang.

Aus dem vorliegenden experimentellen Versuchsmaterial folgt damit eindeutig, daß das aus reinen Metallen lediglich durch Legierungsbildung erhaltene CdSb ein echter Halbleiter ist, der durch Abweichungen von der Stöchiometrie oder durch einen Einbau von Zusatzmetallen in das Gitter zu einem Störstellenhalbleiter gemacht werden kann. Der Leitungsmechanismus dieses neuen Halbleitertyps ist hier erstmals in aller Vollständigkeit experimentell untersucht und theoretisch gedeutet worden.