Исследование электронных свойств полупроводникового соединения Cu2S

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ Си^

А.Н. САФОНОВ, А.И. ПОГОРЕЛЬЦЕВ, В.Л. МАТУХИН

Казанский государственный энергетический университет

В настоящей работе приведены результаты исследования электрических свойств кристаллического образца сульфида меди (халькозина) Cu2S. При сравнении полученных данных с результатами других работ обнаружено различие в поведении электрической проводимости, что связывается с увеличением металлических свойств при отклонении от стехиометрии.

Введение

Халькозин (Cu2S) относится к группе полупроводниковых соединений А2*В1У (где А2* - элемент первой, В1У - шестой группы периодической системы), исследование которых представляет особый интерес в связи с возможностью их использования в качестве материалов в термоэлектрических генераторах преобразования энергии и в твердотельных охладительных установках криогенной электроники. Халькозин относится к группе сравнительно малоисследованных соединений, он обладает большим значением энергетической щели (АЕ = 1,8 еУ), высокой температурой плавления (1130 оС), механической прочностью и рядом структурных особенностей. Изучению и анализу электрофизических свойств этого соединения посвящен ряд работ [1-3]. Однако имеющиеся экспериментальные результаты свидетельствуют о большом расхождении полученных данных, поскольку в большинстве случаев не учитывалось влияние на кинетические параметры отклонений от стехиометрии. Целью настоящей работы является систематическое изучение электрических свойств кристаллического образца халькозина.

Материалы и методика эксперимента

Для исследований был выбран аттестованный образец Си^ естественного происхождения. Измерение электропроводности полупроводникового образца, а также определение концентрации и подвижности носителей тока выполнялись на специальном стенде по измерению электрических параметров полупроводниковых кристаллов с использованием низкотемпературной приставки. Электропроводность была измерена четырехзондовым методом в интервале температур 77-300 К. Концентрация и подвижность зарядовых носителей определялись с помощью эффекта Холла. Точность измерения сопротивления и температуры составляла 0,5 % и ±1 К соответственно.

Результаты и обсуждение

Результаты измерений температурной зависимости удельного электрического сопротивления р(Т) приведены на рис.1.

© А.Н. Сафонов, А.И. Погорельцев, В.Л. Матухин Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

Было обнаружено характерное для полупроводниковых материалов

поведение р(Т) с заметно выраженным изломом, что согласуется с полученными ранее для области низких температур экспериментальными

данными. Некоторые результаты работы [4], касающиеся

нестехиометрических соединений

системы CuxS, также приведены на рис.1. Для описания полученной экспериментальной зависимости можно предположить существование двух параллельных проводящих каналов с экспоненциальными температурными множителями в каждом [5,6]:

*jE SE

o = Gi +и2 = Стц,  exp(-—L) + a20 • exp(-—+),

kT kT

здесь величины 8Е1 и 8Е2 - энергии активации проводимости по вакансиям при больших концентрациях вакансий и при прыжковой проводимости соответственно. Известно, что соединения системы Cu2S являются полупроводниками р-типа, в которых акцепторные уровни создаются вакансиями в подрешетке меди. Таким образом, наблюдаемое поведение электропроводности можно объяснить одновременным действием двух механизмов электропереноса: движением основных носителей заряда в

соответствующих энергетических зонах и движением носителей заряда по вакансиям. При высоких температурах преобладает первый механизм. При понижении температуры может возникнуть ситуация, когда проводимость по вакансиям будет превалировать над проводимостью основных дырок [6]. Для некоторой критической температуры перехода будут существовать оба механизма. Получены следующие значения энергии активации: Е1=0,11эВ; Е2=0,01эВ. Экспериментальные данные по электропроводности а и по коэффициенту Холла R были использованы нами для оценки при комнатной температуре концентрации носителей заряда n и подвижности ц: п=6,25*1019см-3, д = 2 см2/В*сек.

Полученные результаты указывают на то, что при отклонении от стехиометрии электропроводность а в соединениях Си2-х увеличивается, причем в ряде случаев на несколько порядков. Такое поведение может быть связано с изменением положения уровня Ферми и с резким увеличением концентрации дырок при росте вакансий.

Summary

The results of investigation of the electronic properties of the crystal semiconductor Cu2S was presented in this paper. The researched electric conductivity is different with other results. It occured from increased metal properties by variation of stoichiometry.

© Проблемы энергетики, 2005, № 11-12

Рис.1 Температурная зависимость удельного сопротивления сульфидов меди

аг

Литература

1. Соркоин Г. П., Андроник И. Я., Ковтун Е. В.//«Изв. АН СССР. Неорганические материалы».- 1975.- Т.11.- №12.- С. 2129 - 2132.

2. Власенко Н. А., Кононец Я. Ф.//УФЖ.- 1971.- Т.16.- №2.- С.237-243.

3. Abdullaev G. B., Alijarova Z. A., Zamanova E. N., Asadov G. A. // Phys. State Sol.- V. 26.- №1.- P.65 - 68.

4. J.Bougnot, F. Guastavino, H. Luquet, and D. Sodini. On the electrical properties of CuxS//Phys. Stat. Sol. (a) 8, K93 (1971).

5. Горбачев В. В. Полупроводниковые соединения Ax2 BVI.- М.: «Металлургия», 1980.- С. 49.

6. Гантмахер В. Ф. Электроны в неупорядоченных средах.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. -С.176.

Поступила 17.06.2005

© Проблемы энергетики, 2005, № 11-12