Свободные носители заряда и многочастичные эффекты в энергетическом спектре узкощелевых полупроводников

Б. Л. Гельмонт, М. В. Кисин

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе АН СССР, г. Ленинград

Аннотация: В рамках моделей Дирака (Диммока) и Кейна узкощелевого полупроводника исследовано влияние свободных носителей заряда на перенормировку параметров энергетического спектра, обусловленную электрон-электронным взаимодействием. Показано, что заполнение состояний зоны проводимости устраняет логарифмическую особенность в зависимости величины перенормировки от ширины запрещенной зоны, имеющую место в чистом полупроводнике. Найдена связь перенормированных (наблюдаемых) величин ширины запрещенной зоны $E_{gR}$, межзонного матричного элемента импульса $P_{R}$ и высокочастотной диэлектрической проницаемости $\varkappa_{\infty}$, с концентрацией электронов проводимости $N$. Показано, что в полупроводниках, описываемых моделью Дирака, всегда остается пропорциональность $E_{gR}$ величине $E_{g}$ — ширине запрещенной зоны чистого полупроводника. Зависимость величины сужения запрещенной зоны $\Delta E_{g}$ от $N$ при больших уровнях заполнения логарифмическая. В полупроводниках, описываемых моделью Кейна, ${\Delta E_{g}\sim e^{2}N^{1/3}/\varkappa_{\infty}}$ и возможен индуцированный электронами проводимости переход в бесщелевое состояние с ${E_{gR}\leqslant0}$. Критическая концентрация, соответствующая точке перехода, составляет ${N=2.8\cdot10^{21}}$ ${(\varkappa_{\infty}E_{g}\,\text{[эВ]})^{3}\,\text{см}^{-3}}$. Определена величина асимметрии ${E_{c}(k)+E_{l}(k)}$ законов дисперсии электронов и легких дырок, обусловленная обменным взаимодействием свободных носителей заряда. Для полупроводников, описываемых двухзонной моделью Дирака, исследован также случай одинакового заполнения обеих зон, реализующийся в условиях сильного лазерного возбуждения.

УДК: 621.315.592

Поступила в редакцию: 18.10.1983
Принята в печать: 22.11.1983