Published March 1978 | Version v1
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Contribution to the study of point defects in bismuth

Description

An experimental study is presented of effects on the bismuth electronic properties of point defects created by low temperature irradiation (20 K and 4 K) with neutrons or electrons. Irradiation defects at 4 K cause not only a decrease in the carrier mobilities but also a variation in the carrier numbers. This last variation is due to: 1) the created defects are electrically charged. A Frenkel pair is found to be equivalent to 0.25 donor; 2) the created defects cause an increase in the overlap of the bands and thus an increase in the carrier number (electrons and holes). The free migration of interstitials takes place in the temperature range 34-43 K with a migration energy of 0.06 eV. The vacancy type defects migrate in two main stages. The second (160 to 200 K) is also observed in the annealing curves of quenched specimens and seems to correspond to the monovacancy free migration. Neutron irradiation at 20 K have been performed on pure bismuth and bismuth doped with antimony, tin and tellurium. A simple model is presented to explain the curvature observed in the graph Δrho=f(PHI) (rho: resistivity; PHI: fluence). The temperature of the recovery stages for the doped samples are the same that those found for pure bismuth; it seems that the electrical charge of a defect does not change with the presence of impurity and that the interstitial donor states and vacancy acceptor states are ionized at all temperatures.

Abstract (French)

On presente une etude sur les defauts ponctuels dans le bismuth et leur influence sur les proprietes electroniques. Les defauts sont crees par irradiation a basses temperatures (20 K et 4 K) avec des neutrons ou des electrons. Les defauts d'irradiation entrainent non seulement une diminution de la mobilite mais aussi une modification du nombre des porteurs. Cette modification est due a deux phenomenes: 1) les defauts crees sont electriquement charges. On trouve qu'une paire de Frenkel est equivalente a 0,25 donneur; 2) les defauts crees entrainent une augmentation du recouvrement entre bande de valence et bande de conduction et donc une augmentation du nombre des porteurs (electrons et trous). Le stade de migration libre des interstitiels est situe entre 34 et 43 K, l'energie de migration etant de 0,06 eV. Les defauts lacunaires migrent en deux principaux stades. Le second (160 a 200 K), egalement observe lors des recuits apres trempe, semble correspondre a la migration de la lacune simple. A 20 K avec des neutrons on a irradie du bismuth pur et dope avec de l'antimoine, du tellure et de l'etain. On presente un modele simple qui explique quantitativement la courbure observee dans le graphe Δrho=f(PHI) (rho: resistivite, PHI: fluence). Les temperatures des stades de recuit apres irradiation sont identiques pour tous les echantillons irradies: il semble que la charge electrique d'un defaut reste inchangee en presence d'impuretes neutres ou chargees, et donc que les etats d'energie donneurs ou accepteurs des interstitiels et des lacunes sont totalement ionises quelle que soit la temperature.

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Original title (French)
Contribution a l'etude des defauts ponctuels dans le bismuth

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101 p.
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CEA-R--4866

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