Halbleiter-Metall-Übergang am Beispiel des VO₂

Zusammenfassung

Elektrisch oder thermisch gesteuerte Halbleiter-Metall-Übergänge werden an vielen kristallinen und amorphen Halbleitern beobachtet. Dotierte BaTiO₃-Keramik (Kaltleiter) zeigt z.B. einen starken Widerstandsanstieg bei Überschreiten der ferro-elektrischen Curietemperatur, der durch die Wirkung der Dielektrizitätskonstante auf die Korngrenzwiderstände zustande kommt. Viele der elektrisch gesteuerten Umwandlungen in kristallinen Halbleitern sind auf einen thermischen Durchbruch zurückzuführen. Der irreversible Schalteffekt in amorphen Halbleitern scheint durch eine thermisch gesteuerte Umwandlung von amorpher zu kristalliner Phase bedingt zu sein. Der reversible Effekt ist hingegen noch weitgehend ungeklärt. In einigen Übergangsmetalloxiden wie VO, V₂O₃, VO₂ und Ti₂O₃ werden temperaturgesteuerte Leitfähig-keitsänderungen beobachtet. Am Beispiel von VO₂ wurde dieser Effekt im einzelnen untersucht. VO₂ zeigt bei 65,5°C einen Leitfähigkeitssprung von mehr als vier Zehnerpotenzen, der von einer Strukturänderung begleitet ist. Neben einigen qualitativen Erklärungsversuchen haben Adler und Mitarbeiter eine detaillierte quantitative Theorie geliefert, die auf dem Grundgedanken basiert, daß der Bandabstand eines Halbleiters von der Anzahl der ins Leitungsband angeregten Elektronen abhängt. Dieses Modell kann jedoch experimentelle Ergebnisse hinsichtlich der Höhe des Widerstandssprunges und der Temperaturabhängigkeit der Aktivierungsenergie nicht erklären. Nach eigenen Messungen wird die Leitfähigkeit durch die Gitterstruktur gesteuert. Bei der Umwandlung vom Hoch- zum Tieftemperaturzustand ergibt sich eine Verdopplung der effektiven Gitterkonstante, wodurch ein halbgefülltes Leitungsband in ein volles unteres und ein leeres oberes Teilband aufspaltet. Die Aufspaltungsenergie konnte aus der Gitterverzerrung abgeschätzt werden und steht mit dem Experiment in guter Übereinstimmung. Außerdem wurde das Modell durch den Piezowiderstandseffekt in der Tieftemperaturphase bestätigt. Der Mechanismus der strukturgesteuerten Leitfähigkeitsumwandlung scheint auch aufzutreten, wenn nur die Nahordnung geändert wird. Dieser Effekt bewirkt wahrscheinlich den Halbleiter-Metallübergang beim Schmelzen von Ge, Te und HgSe und könnte auch für die Umwandlungen in Ovshinskys amorphen Materialien verantwortlich sein.

Vortrag auf der Frühjahrstagung der DPG 1971