Эффект Сасаки - Шибуйя - анизотропия электропроводности полупроводниковых кристаллов кубич. сингонии в сильных (греющих) электрич. полях (см. Горячие электроны). Предсказан М. Шибуйя в 1953, обнаружен в кристаллах n-Ge в 1956 В. Сасаки и Шибуйя. Различают продольный и поперечный
Рис. 1. Схема установки для измерения эффекта Сасаки - Шибуйя: l, l' - токовые контакты; t, t' - электроды для измерения эдс Сасаки (поля Et).
Продольный эффект Сасаки - Шибуйя состоит в различии вольт-амперных характеристик (ВАХ) однородных длинных кристаллич. образцов при разных направлениях тока (обычно такие образцы вырезают вдоль кристаллографич. осей [100], [111], [110]). В слабых полях все ВАХ имеют одинаковый наклон. В сильных полях наклон различен; с понижением температуры это различие, как правило, усиливается, и иногда для нек-рых направлений возникают участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Поперечный Эффект Сасаки - Шибуйя состоит в возникновении в сильных полях в образцах, вырезанных вдоль произвольных направлений, отличных от осей симметрии, поперечной эдс (эдс Сасаки). Она фиксирует появление угла между направлениями электрич. тока )и напряжённости электрич. поля Е (угол Сасаки). Эдс Сасаки измеряется так же, как эдс Холла (см. Холла эффект),но в отсутствие магн. поля (рис. 1). Наряду с измерениями в пост, электрич. полях (импульсных - во избежание разогрева джоулевым теплом) для исследования анизотропии проводимости горячих электронов использованы СВЧ-поля.
Эффект Сасаки - Шибуйя объясняется анизотропией закона дисперсии горячих носителей
заряда
,
где
- энергия
носителей заряда,
- их квазиимпульс .Наиб. чётко он выражен в многодолинных полупроводниках благодаря
междолинному перераспределению носителей заряда, вызываемому их разл. нагревом
в разных долинах.
В многодолинных полупроводниках минимум энергии в зоне проводимости
(или максимум в валентной зоне) достигается не при р = 0, а сразу
в неск. эквивалентных точках приведённой Бриллюэна зоны, напр. в
4 точках L на её поверхности в n-Ge и халькогенидах Pb (PbS, PbSe,
PbTe); в 6 точках (на
-осях)
в и-Si и алмазе. Большая величина эффекта Сасаки - Шибуйя связана с сильной анизотропией
спектра электронов
в каждой из долин, где изоэнергетич. поверхность электрона
имеет форму сфероида (эллипсоида вращения) с большой эфф. массой т, вдоль
оси вращения и с малой
поперёк
оси. Если электрич. поле направлено так, что образует разл. углы
с осями вращения эллипсоидов в разл. долинах
, то электроны в долинах разогреваются по-разному, причём сильнее всего
в тех долинах, в к-рых углы
оказываются наибольшими (рис. 2).
Разл. нагрев электронного газа приводит, во-первых, к разл. скорости
рассеяния электронов в разл. долинах, определяющей при низких темп-pax
подвижности носителей заряда; во-вторых, к разл. скорости перехода электронов
из горячих долин в холодные, что определяет заполнение долин электронами.
Оба эффекта связаны с энергетич. зависимостью вероятностей рассеяния
носителей заряда (внутри- и междолинного). В чистых и структурно совершенных
кристаллах преобладает междолинное рассеяние с испусканием и поглощением
коротковолновых фононов .Вероятность такого рассеяния растёт с ростом
энергии электрона
,
так что более разогретые долины опустошаются, а менее разогретые избыточно
заполняются электронами. В результате, напр., в n-Ge в одинаковом электрич.
поле токи
; в n-Si токи
(нормальный эффект Сасаки - Шибуйя).
Рис. 2. Двухдолинная модель с различными эффективными массами т для данного направления поля Е.
В легированных полупроводниках при низких темп-pax доминирует междолинное рассеяние на примесных центрах и дефектах. Вероятность рассеяния в этом случае может спадать с ростом энергии электронов, так что сильнее разогретые долины избыточно наполняются, а менее разогретые - опустошаются. К тому же внутридолинное рассеяние на заряж. примесях способствует росту подвижности с разогревом. Это сочетание приводит к т. н. аномальному эффекту Сасаки - Шибуйя, при к-ром неравенства изменяют знак, т. е. n-Ge ведёт себя, как n-Si (и наоборот).
Анизотропия закона дисперсии возникает в p-Ge и p-Si из-за гофрировки
изоэнергетич. поверхностей валентных зон (в особенности зоны тяжёлых дырок),
связанной с их вырождением в точке зонной диаграммы
(см. Зонная теория).
Рис. 3. Поперечная эдс Са-саки в зависимости от угла 
между полем Е в плоскости (001) и кристаллографической осью [100].
При переходе от нормального эффекта Сасаки - Шибуйя к аномальному изменяется также
знак поперечной эдс Сасаки. На рис. 3 представлена зависимость поперечного
поля Et (при заданном продольном поле Е)от угла
между
направлением тока j, лежащего в плоскости симметрии (011), и осью
симметрии [100]. При токе, направленном вдоль осей [100], [111], [001],
поперечное поле Et отсутствует. Знак Et
различен у Ge и Si при нормальном эффекте Сасаки - Шибуйя и изменяется с переходом к
аномальному эффекту.
В чистых полупроводниках при достаточно низких темп-pax (в n-Si при
Т
= 55 К) в определ. диапазоне Е положение поля Etв
плоскости (011) неустойчиво. В частности, в n-Si при j вдоль оси
[011] неустойчиво значение Et = 0 при
а устойчивыми оказываются два ненулевых, равных по величине и противоположно
направленных поля, параллельных осям [011] и [011]. Этим двум значениям
Et соответствуют преимущественные заполнения электронами долин с осями
вращения эллипсоидов вдоль оси [010] или [001]. В результате в одном образце
могут сосуществовать области (домены) с разл. устойчивыми значениями Et, разделённые доменными стенками. При токе вдоль оси [011] домены имеют
вид слоев, параллельных плоскости (011), с чередующимися по знаку полями
Et. Для тока вдоль оси [111] есть 3 равных Et,
направленных под углами 120° друг к другу (многозначный эффект Сасаки).
Кроме разогревного механизма эффекта Сасаки - Шибуйя возможен стрикционный механизм: электрич. поле вызывает анизотропную деформацию кристалла, к-рая по-разному изменяет энергетич. положение долин. Этот механизм доминирует в многодолинных полупроводниках с высокой диэлектрич. проницаемостью (напр., в ВаТiO3).
3. С. Грибников
|
|
 |
