Delocalization of electron states in n-Si at low temperatures

A. L. Danilyuk, A. G. Trafimenko, A. K. Fedotov, S. L. Prischepa
2020 Doklady BGUIR  
1 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
more » ... 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. Abstract. We report on the electric transport properties of Si heavily doped with Sb in the temperature range of 1.9 -3.0 K and at current density of J < 0.2 A/cm 2 . Based on the analysis of the current -voltage characteristics, the resistance values at different current densities are obtained. It was found that an increase in current changes the sign of the temperature coefficient of resistance. At J < 0,045 А/сm 2 , the temperature coefficient of resistance is positive, whereas when the current density exceeds the value of 0,045 А/сm 2 it becomes negative. To explain this current crossover in the sign of the temperature coefficient of resistance, we performed Hall measurements at a temperature of 2 K, which allowed us to determine the values of the concentration of charge carriers and their mobility. Based on these measurements and taking into account the concentration instability model, we obtained current dependences of the parameters describing the electric transport in semiconductors, such as activation energy, non-equilibrium concentration of charge carriers, mobility, and scattering time of conduction electrons. As a result of the analysis, it was found that the change in the sign of the temperature coefficient of resistance with an increase in current can be explained by the exchange of electrons between the upper Hubbard band, formed by the capture of injected electrons by neutral impurity atoms, and the edge of the conduction band. In this case, delocalization of electronic states occurs with an increase in current. The data obtained are in good agreement with the proposed hypothesis. Possible delocalization mechanisms are considered by analyzing the electron scattering time. As a result, it was found that electron-electron interactions caused by the Coulomb potential are dominant.
doi:10.35596/1729-7648-2020-18-3-28-35 fatcat:j3ovbvmx5nfjpdh7k6pzw2ozc4