Электропроводность. 
Диэлектрические свойства алмазов

Кристаллы алмаза в основном являются хорошими диэлектриками. Проводимость кристаллов алмаза, содержащих определенное количество примесей и дефектов структуры, может изменяться в широких пределах. Для беспримесных кристаллов, как следует из теоретического расчета, удельное сопротивление составляет 10¹²Ом*м. В кристаллах со значительным количеством примесей удельное сопротивление может понизиться до 0,1 Ом*м. Примеси и дефекты создают в запрещенной зоне целый «спектр» локальных энергетических состояний. Уровни некоторых из них приведены в табл.1.Наличие этих примесей оказывает, существенное влияние на электрофизические свойства алмаза.

Таблица 1. Уровни энергии внутри запрещенной зоны алмаза, эВ.

При температуре 300°К удельное сопротивление с большинства кристаллов природного алмаза составляет 10¹² — 10¹³ Ом*м.

Электросопротивление алмазов типов I, IIа находится в интервале 10^12…10¹⁸Ом*м. Зависимость электропроводности таких алмазов от температуры при Т > 500°К выражается формулой =₀e^-Е/кТ.

Электросопротивление полупроводниковых природных алмазов, относящихся к типу II b, составляет 10—10¹⁰ Ом*м.

Наиболее распространены следующие методы исследования электропроводности алмаза:

• -измерение темпового тока, когда разность потенциалов приложена к образцу между омическими контактами;
• -температурная зависимость электропроводности;
• -исследование увеличения тока между омическими контактами при облучении алмаза (фотопроводимость).

Из измерений фотопроводимости, а также зависимости сопротивления от температуры для алмаза типа I b было получено значение глубины залегания азотного донора (1,7 эВ ниже зоны проводимости). Порог фотопроводимости при низких энергиях приблизительно равен 2эВ, а термическая энергия активации— 1,7эВ.

Ионизационная энергия донорного центра 4,05 эВ связывается с агрегатными азотными центрами (см. табл.1). Знак доминирующих носителей тока в полупроводниковых алмазах определяется с помощью эффекта Холла, а в отдельных случаях — из измерений термо-ЭДС.

Алмазы типа IIb имеют дырочную проводимость (проводимость с-типа). Удельное сопротивление с полупроводникового алмаза можно выразить соотношением.

где n_p — концентрация дырок; — их подвижность.

Зависимость п_р от температуры имеет следующий вид:

где N_A и N_D — концентрация акцепторов и доноров соответственно; g-параметр спинового вырождения для акцептора; m_h — эффективная масса дырок; Е _А — энергия активации акцепторов.

Концентрация дырок п_с определяется из выражения п_с = r/Re,.

где R — коэффициент Холла; е — заряд электрона; величина r обычно выбирается равной 3/8.

Зависимость подвижности от температуры подчиняется закону =КТ ^S, где К — некоторый коэффициент пропорциональности; s =-3/2 при температурах, не превышающих 400°К при более высоких температурах s = (-2,8) — (-3).

Энергия активации Е_А = 0,35−0,38 эВ, когда акцептором является бор. Эти значения получены для N_A и N_D, соответственно равных 5 * 10¹⁶ и 5 * 10¹⁵ см. Измерения проводились как на природных полупроводниковых алмазах, так и на синтетических полупроводниковых алмазах. Замечена зависимость энергии активации от концентрации центров бора. Уменьшение энергии активации с повышением их концентрации связано с образованием примесной зоны.

Значение энергии активации для донорного центра лития получено (см. табл.1) на алмазах, подвергавшихся ионной бомбардировке.

Подвижность электронов в алмазе, определенная с помощью эффекта Холла, равна 1800 см²/В· с, а для дырок — 1500 см²/Вс.

Алмазы типа I имеют максимум фототока в области = 2,25 * 10-⁵ см; кроме того, в отдельных образцах максимум наблюдается также в области = 2,55 * 10-⁵см.

Максимум фототока алмазов типа Iа соответствует интервалу = (2,7 — 2,8)*10^-5 см (типичные спектры фотопроводимости приведены на рис.3).

Эффективная масса носителей тока определялась методом циклотронного резонанса при температуре 1,2°К.

Эффективные массы легких дырок т* = (0,70 ± 0,01) m₀ при Н = 1,748 Тл, т* = (1,06 ± 0.04) /т₀ при Н = 2,785 Тл.

Для тяжелых дырок т* = 2,12т₀. Эффективная масса электрона вблизи края зоны проводимости m* 0,2/m₀. Во всех приведенных выражениях m₀ — масса свободного электрона.

Дырочная проводимость в алмазах типа I с энергией активации, приближенно равной 0,3 эВ, связывалась с дислокациями, которые и дают акцепторные центры.