2. Электрофизические свойства

Зонная структура (идеализированная). Теллурид кадмия имеет структуру зон (рис. 3), обычную для большинства полупроводников со структурой типа цинковой обманки. Минимум зоны прово­димости находится в точке Г₆, а максимум валентной зоны — в точке Г₈. Для прямых переходов ширина запрещенной зоны E_g = Е_Г6 — Е_Г8  1,6 эВ при Т= О К. Состояние Г₇ является следствием расщепления состояния Г₈ при спин-орбитальном взаимодействии. Ширина запрещенной зоны заметно больше, чем энергия спин-орбитального расщепления Δо  0,8 эВ. Послед­нее обстоятельство имеет место и при других осях симметрии.

Теллурид ртути имеет инвертированную зонную структуру — располо­жение состояний Г₆ и Г₈ обратное. Обычная зона легких дырок становится зоной проводимости и связана по симметрии с зоной тяжелых дырок. В то же время обычная зона проводимости становится зоной легких дырок, отделенной от зоны тяжелых дырок. Разность энергий Е_Г6 — Е_Г8 принято называть шириной запрещенной зоны и обозначать Eg; ее значение отри­цательно и составляет около —0,3 эВ при Т= О К, —0,266 эВ при Т= 77 К и -0,15 эВ при Т=300 К. Высоколежащая валентная зона, макси­мум которой расположен в точке k 0, поставляет электроны в зону про­водимости. Теллурид ртути является полуметаллом. Состояние Г₈ вырож­денное. В этой точке смыкаются зона проводимости и зона тяжелых дырок. Вследствие отсутствия в структуре цинковой обманки центра инверсии в зависимости E=f(k) для зоны Г₈ появляются линейные по k члены и экстремумы этих зон смещаются от значения k = 0. Поскольку в точке k = 0 зона проводимости и зона тяжелых дырок вырождены, то вследствие смещения максимума тяжелых дырок между ними появляется некоторое перекрытие. Степень перекрытия оценивается в пределах 1—3 мэВ при Т=4,2 К . Рассчитанная энергия спин-орбитального взаимодейст­вия Δо  0,94эВ;  E_g  << Δо.

Структура зон твердых растворов (CdHg)Te является гибридом струк­тур CdTe и HgTe. Зона Г₈ смещается в область энергий, больших по срав­нению с теллуридом ртути. При Т=0 К для х=0,16 потолок валентной зоны и потолок зоны проводимости находятся в одной и той же точке и образуют четырехкратно вырожденный терм Г₆. При х > 0,16 в зоне появ­ляется прямой зазор — состояние Г₆ становится выше, чем состояние Г₈. Твердый раствор (CdHg)Te становится полупроводником.

Рис. 3. Структура зон HgTe, CdТе и двух твердых растворов (CdHg)Te вблизи точки перехода полуметалл-полупроводник

Верхние валентные зоны создаются главным образом из p-электронов теллура, поэтому они практически не смещаются при замещении ртути на кадмий (см. рис. 3).

Зоны проводимости и легких дырок имеют непараболическую форму. Непараболичность усиливается особенно вблизи составов, соответствую­щих бесщелевому состоянию, она хорошо описывается соотноше­ниями:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

где Е_c. — дно зоны проводимости, E_v1 — потолок валентной зоны тяжелых, Е_v2 — легких дырок, E_v3 — валентная подзона, связанная со спин-орбиталь­ными взаимодействиями, Р — матричный элемент оператора импульса, m₀ — масса электрона, k - постоянная Больцмана.

Матричный элемент Р для (Cd_xHg_1-x )Te при 0<х<0,2 составляет (7,2-8,5) · 10~⁸ эВ • см и практи­чески не зависит от х.

Из фотоэлектрических измерений получено эмпирическое соот­ношение между шириной запрещенной зоны (в эВ), температурой и составом:

Еg = 1,59 х - 0,25 + 5,23 • 10 ^-4 Т • (1 - 2,08х) + 0,327 х ² (5).

Аналогичное соотношение получено из оптических свойств :

Eg = – 0,303 + 1,73 х +5,6• l0^-4 • (1 - 2х) Т+0,25х⁴ (6).

На основании гальваномагнитных явлений для малых значений х получено соотношение

Еg = – 0,303 + 1,91 х + ∂ Eg /∂ Т [ (1 – 2х) • Т] (7),

где ∂ Eg /∂ Т = 5,25 • 10^-4 эВ•К^-1.

Приведенные формулы дают для ширины запрещенной зоны достаточно близкие значения.