J. Phys. France 42, 741-749 (1981)
DOI: 10.1051/jphys:01981004205074100

Charged grain boundaries in germanium

A. Broniatowski

C.N.R.S., Laboratoire P.M.T.M., avenue J.-B. Clément, 93430 Villetaneuse, France

Abstract
The equilibrium properties of a low angle tilt boundary are discussed on the assumption that the boundary states form a partially filled band with a neutral level located in the lower half of the energy gap. The electrostatic energy and the entropy stored in the screening layer are major factors in determining the occupancy of the boundary levels. The screening effects depend strongly on temperature and the doping conditions : in n type germanium a depleted layer is found at low temperatures, with a gradual evolution towards an inversion layer in the high temperature range. In p type germanium the depleted layer transforms into an accumulation layer through a neutral temperature. The barrier effect is much stronger in n than in p type germanium, in agreement with available experimental results.

Résumé
Nous étudions les propriétés d'équilibre d'un joint de flexion de faible désorientation dans le germanium, dans l'hypothèse où les états liés au joint forment une bande partiellement remplie avec un niveau de neutralité situé dans la moitié inférieure de la bande interdite. L'énergie électrostatique et l'entropie des charges d'écran jouent un rôle majeur pour déterminer l'occupation des niveaux du joint. Les effets d'écran dépendent fortement de la température et du taux de dopage : dans le germanium de type n, il apparait une couche de déplétion à basse température, avec une évolution graduelle vers une couche d'inversion à haute température. Dans le germanium p la couche de déplétion se transforme en une couche d'accumulation au passage de la température de neutralité. L'effet de barrière électrostatique est beaucoup plus fort dans le germanium n que dans le germanium p, en accord avec les résultats expérimentaux actuellement connus.

PACS
7155C - Elemental semiconductors.
7320 - Electron states at surfaces and interfaces.
7340L - Other semiconductor-to-semiconductor contacts, p-n junctions, and heterojunctions.

Key words
defect electron energy states -- elemental semiconductors -- germanium -- grain boundaries -- interface electron states -- inversion layers