ИСТИНА

Существование локальных электронных состояний в полупроводниках традиционно связывается с легированием различными примесями, с дефектами кристаллической решетки или с поверхностью твердого тела. Отличительной особенностью традиционных локальных электронных состояний является их вполне определенное расположение в энергетическом спектре материала, определяемое характером взаимодействия примеси или дефекта с кристаллической решеткой. Недавно в узкощелевых полупроводниках на основе теллурида свинца, легированных индием либо галлием, был обнаружен новый тип локальных электронных состояний, энергия которых «привязана» не к определенному положению в энергетическом спектре материала, а к квазиуровню Ферми. Управлять расположением последнего можно путем изменения степени фотовозбуждения. Это оказывается возможным в связи с тем обстоятельством, что в указанных материалах наблюдается эффект задержанной фотопроводимости при низких температурах, т.е. время жизни фотовозбужденных носителей заряда существенно превышает характерное время эксперимента. Фотовозбужденные носители заряда термолизуются в одной из разрешенных зон, но не рекомбинируют. Таким образом, изменяя интенсивность либо дозу излучения, можно в широких пределах управлять концентрацией свободных носителей заряда и, соответственно, расположением квазиуровня Ферми. Локальные электронные состояния, «привязанные» к квазиуровню Ферми обладают крайне малой энергией ионизации и следуют за квазиуровнем Ферми. Задержанная фотопроводимость, как и другой эффект, определяющий поведение данных материалов – стабилизация уровня Ферми, связаны с особым типом переменной валентности примесей III группы в сплавах на основе теллурида свинца. Сильное электрон-решеточное взаимодействие приводит к отрицательному значению эффективной энергии взаимодействия двух электронов на примесном центре (negative-U centers), поэтому устойчивые зарядовые состояния примеси отличаются на два элементарных заряда. Это обстоятельство обеспечивает как стабилизацию уровня Ферми, так и появление долговременных релаксационных процессов при низких температурах. Легирование теллурида свинца и твердых растворов на его основе некоторыми другими примесями, в частности, ванадием, также приводит к стабилизации уровня Ферми, однако валентность примеси в этом случае изменяется на один элементарный заряд, и задержанная фотопроводимость не наблюдается. Не наблюдались в этом случае и управляемые освещением локальные электронные состояния. Задержанная фотопроводимость, а также переключение валентности примеси на два элементарных заряда, наблюдаются не только в узкощелевых полупроводниках класса IV-VI, но и в «классическом» полупроводниковом твердом растворе Al1-xGaxAs при его легировании кремнием (DX-центры), а также в легированных широкозонных полупроводниках класса II-VI. Помимо этого, задержанная фотопроводимость обнаружена в неоднородных полупроводниковых системах. В последнем случае этот эффект обусловлен не свойствами примесных центров, а пространственным разделением фотовозбужденных носителей заряда разного знака в потенциале неоднородностей. Для этих классов материалов ранее не сообщалось об обнаружении управляемых освещением локальных электронных состояний. В настоящее время не существует сколько-нибудь определенной информации о природе обнаруженных управляемых локальных электронных состояний. Ясно только, что эффект обусловлен сильным межэлектронным взаимодействием. Настоящий проект посвящен выяснению вопроса о механизме появления управляемых локальных электронных состояний в полупроводниках.

Existence of local electron states in semiconductors is traditionally associated with doping with different impurities, with crystalline lattice defects or with the surface. The characteristic feature of traditional local electron states is their definite position in the material energy spectrum which is defined by the interaction of an impurity or a defect with the crystalline lattice. Recently, a new type of local electron states has been observed in lead telluride-based semiconductors doped with indium or gallium. Their energy is not linked to any definite position in the material energy spectrum, but, instead, to the quasi-Fermi level. The position of this level, in turn, may be tuned by changing the photoexcitation. This becomes possible due to the persistent photoconductivity effect which is observed in this class of materials at low temperatures, i.e. the photoexcited free carrier lifetime becomes much longer than the experiment characteristic time. Photoexcited carriers thermolize in one of the allowed bands, but do not recombine. Therefore it is possible to tune the free electron concentration and, consequently, the quasi-Fermi level position by tuning either intensity or doze of the radiation. Local electron states linked to the quasi-Fermi level have very small ionization energy and follow the quasi- Fermi level. Persistent photoconductivity, as well as another effect that defines the features of these materials – the Fermi level pinning, arise from a special type of the mixed valence behavior of the group III impurities in lead telluride-based alloys. The strong electron-lattice interaction results in a negative value of the effective interaction energy of two electrons localized on the same impurity center (negative-U centers), therefore stable charge states of an impurity differ by two elementary charges. This circumstance provides the Fermi level pinning, as well as long-term relaxation processes at low temperatures. Doping of the lead telluride and lead telluride-based solid solutions with some other impurities, in particular, vanadium, also result in the Fermi level pinning effect. However the impurity valence change by one elementary charge in this case, and the persistent photoconductivity is not observed. Tunable local electron states were not observed in this case, too. Persistent photoconductivity, as well as switching of valence by two elementary charges , is observed not only in narrow-gap IV-VI semiconductors. It is observed also in the “classical” semiconducting solid solution Al1-xGaxAs doped with silicon (DX-centers) and in doped wide-gap II-VI semiconductors. Beside that, the persistent photoconductivity has been observed in non-homogeneous semiconductors. In the latter case the effect is not due to impurity center special features, but results from spatial separation of non-equilibrium carriers in the potential of a non-homogeneity. Previously existent of tunable local electron states was not reported for this class of materials. At present, there is no any definite information on the nature of tunable local electron states. It is only clear that the effect in due to the strong electron-electron interaction. The main goal of the project is to elucidate the mechanism of appearance of tunable local electron states in semiconductors.