Элементы сверхпроводящей электроники. Динамика кристаллической решетки. Магнитные квантовые эффекты в полупроводниках, страница 7

Влияние квантования движения электронов проводимости в магнитном поле впервые наблюдалось Шубниковым и де Гаазом [21, 22]. Ими была наблюдена осцилляционная зависимость магнитосопротивления висмута от индукции магнитного поля B при гелиевых температурах, причем осцилляции были периодичны по величине 1/B. Такое поведение сопротивления металлов в магнитном поле получило название эффекта или осцилляций Шубникова – де Гааза.

Рис. 20.2. Плотность квантовых состояний в магнитном поле g_B (E). Здесь же для сравнения указана плотность состояний без магнитного поля g₀ (E).

Для наблюдения осцилляций Шубникова де Гааза в полупроводниках необходимо выполнение следующих условий:

1.  Исследуемый полупроводник должен быть вырожденным.

2.  Время релаксации свободных носителей должно превышать период их обращения в магнитном поле.

3.  Энергетические интервалы между уровнями Ландау должны превышать тепловое размытие уровня Ферми.

4.  Уровень Ферми должен быть больше интервалов между уровнями Ландау.

5.  Электрическое поле  следует выбирать перпендикулярно магнитному полю .

Эти условия можно представить следующим образом:

                                                        (20.3)

где m - подвижность носителей заряда.

В качестве объекта исследования квантовых эффектов с целью разработки методов определения параметров вырожденного газа носителей заряда удобно выбрать полупроводник n-InSb с малой эффективной массой и высокой подвижностью электронов. Тогда осцилляции Шубникова – де Гааза в n-InSb наблюдаются при сравнительно невысоких квантующих магнитных полях.

§20.2. Оптический эффект Шубникова – де Гааза в n-InSb

В квантующих магнитных полях, когда уровень Ландау пересекает уровень Ферми, происходит резонансное возрастание плотности состояний носителей. Это приводит к осцилляциям не только магнитосопротивления, фотопроводимости, фото ЭДС и других кинетических параметров, но и к осцилляциям оптических параметров полупроводника, таких, как коэффициенты отражения, пропускания и поглощения, наблюдаемым в оптическом эффекте Шубникова – де Газа [23].

Разработка бесконтактных магнитооптических методов определения параметров вырожденного электронного газа объемных полупроводников, тонкопленочных и низкоразмерных полупроводниковых структур на основе наблюдения осцилляций Шубникова – де Гааза является актуальной задачей полупроводниковой электроники.

При пропускании тока через исследуемые образцы возникают контактные явления, не позволяющие проводить точный количественный анализ экспериментальных результатов, в частности, поляризационных зависимостей изучаемых оптических и кинетических явлений. С другой стороны, контактные методы измерения параметров полупроводников являются разрушающими методами и не могут эффективно использоваться при комплексном исследовании полупроводников и полупроводниковых структур.

При наблюдении осцилляций Шубникова – де Гааза в инфракрасной области спектра затруднительно регистрировать абсолютные значения амплитуд осцилляций. Однако, регистрируя значения магнитного поля B_N, соответствующие максимальным значениям мощности (интенсивности) отраженной волны, можно извлекать информацию о свойствах вырожденного газа носителей исследуемого полупроводника.

Замечательной особенностью магнитооптических методов является отсутствие контактов к образцам, уменьшение числа регистрируемых приборами физических величин, увеличение точности и локальности измерений.

В инфракрасной области спектра ωτ >> 1 и при низких температурах в сильных магнитных полях не очень существенен механизм рассеяния.