Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общие вопросы >> Справочники >> Физическая энциклопедия | Словарные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Словарные статьиАморфное состояние

Словарные статьиАндерсоновская локализация

Аморфные и стеклообразные полупроводники Аморфные и стеклообразные полупроводники
16.08.2001 16:42 | Phys.Web.Ru
    

Аморфные и стеклообразные полупроводники - аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. Аморфные и стеклообразные полупроводники характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка (см. Дальний и ближний порядок).

Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на халькогенидные, оксидные, органические, тетраэдрические. Наиболее подробно изучены халькогенидные стеклообразные (ХСП) и элементарные тетраэдрические (ЭТАН). ХСП получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. К ним относятся Se и Те, а также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов и теллуридов) различных металлов (например, As-S-Se, As-Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). ЭТАП (аморфные Ge и Si) получают чаще всего ионным распылением в различных водородсодержащих атмосферах или диссоциацией содержащих их газов (в частности, SiH4 или GeH4) в высокочастотном разряде.

Особенности аморфных и стеклообразных полупроводников связаны с особенностями энергетического спектра электронов. Наличие энергетических областей с высокой и низкой плотностями электронных состояний - следствие ближнего порядка. Поэтому можно условно говорить о зонной структуре некристаллических веществ (см. Зонная теория). Однако разупорядоченность структуры приводит к появлению дополнительных разрешенных электронных состояний, плотность которых g($\mathcal{E}$) спадает в глубь запрещенной зоны, образуя "хвосты" плотности состояний (рис. 1, а).

Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие). Резкие границы между этими состояниями называются краями подвижности ($\mathcal{E}_c$ и $\mathcal{E}_v$, рис. 1), расстояние между ними называется запрещенной зоной (или щелью) по подвижности $\mathcal{E}_g$ (см. Неупорядоченные системы).

Электропроводность. Максимумы $g(\mathcal{E})$ обусловленные дефектами структуры, могут возникать внутри щели и перекрываться друг с другом, как и сами "хвосты" (рис. 1, б, в). В соответствии с этим выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: а) перенос носителей заряда, возбужденных за край подвижности, по делокализованным состояниям. При этом статическая проводимость $\sigma$ в широком температурном интервале определяется выражением $\sigma=\sigma_0 e^{\displaystyle{\displaystyle -(\mathcal{E}_c-\mathcal{E}_F)\over\displaystyle kT}}$, где $\mathcal{E}_F$ - ферми-энергия, $\sigma_0=10^3-10^4 Ом^{-1}\cdot см^{-1}$. б) Прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности (например, в состояния между $\mathcal{E}_A$ и $\mathcal{E}_c$). В этом случае
$\sigma=\sigma_0^\prime e^{\displaystyle\lbrack{\displaystyle-(\mathcal{E}_A-\mathcal{E}_F+W)\over\displaystyle kT}\rbrack}$,
где W - энергия активации прыжка, $\sigma_0^\prime\leq 10\ Ом^{-1}\cdot см^{-1}$. в) Прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям вблизи $\mathcal{E}_F$ на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:
$\sigma=\sigma_0^{\prime\prime}e^{\displaystyle-kT^{\displaystyle -1/4}}$.

Механизмы "а" и "б" более характерны для ХСП, случай "в" - для ЭТАП. Прыжковый перенос носителей проявляется в слабой зависимости проводимости на переменном токе от температуры: занисимости от частоты ($\sigma_\infty\approx$); в противоположных знаках термоэдс и эффекта Холла.

Подвижность носителей заряда мала (10-5-10-8 см2 В-1с-1) и зависит от напряженности электрического поля и толщины образца, что связывают либо с многократным захватом носителей на локализованные состояния, распределенные по определенному закону, либо с прыжковым переносом.

Для большинства ХСП значения $\sigma$ и энергия активации практически не зависят от природы и концентрации примесей {примесные атомы проявляют максимальную валентность, отдавая все свои валентные электроны на образование ковалентных связей с основными атомами). Однако примеси переходных металлов (Ni, Mo, W, Fe) вызывают появление примесной проводимости (резкое возрастание $\sigma$, рис. 2). Предполагается, что ее создают d-электроны, которые могут не участвовать в образовании ковалентных связей. ЭТАП, в частности аморфный Si, удается эффективно легировать атомами Р и В.

Для многих ХСП характерен эффект переключения - быстрый (~10-10 с) обратимый переход из высокоомного состояния (рис. 3, 1) в низкоомное (2) под действием сильного электрического поля $\geq 10^2$ В/см. Это объясняется как инжекцией электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда, так и ростом температуры в шнуре тока (см. Шнурование тока). В ряде ХСП низкоомное состояние образца сохраняется длительно, а для возврата в высокоомное состояние необходимо пропустить через образец кратковременный импульс тока. Этот эффект памяти обусловлен частичной кристаллизацией ХСП в области токового шнура.

Во многих аморфных и стеклообразных полупроводниках, в частности в ХСП, электронные состояния в запрещенной зоне являются поляронами малого радиуса. Заполнение такого состояния электроном сопровождается сдвигом соседних атомов решетки, что приводит к отличию значений $\mathcal{E}_g$, полученных из измерений межзонного поглощения света и энергии активации проводимости.

Оптические свойства. Край основного поглощения света в аморфных и стеклообразных полупроводниках имеет 3 участка. В области высоких значений коэффициента поглощения $\alpha\gt 10^4$ см-1, его зависимость от частоты: $\alpha=B(h\nu-\mathcal{E}_g^{оп})/h\nu$, где $B\sim 10^5-10^6$ см-1эВ-1, $\mathcal{E}_g^{оп}$ - оптическая ширина запрещенной зоны. При 1,0 см-1$\lt\alpha\lt 10^3-10^4$см-1 $\alpha=\alpha_0 e^{Ah\nu}$, где А=15-20 эВ-1. При $\alpha$<1 см-1 поглощение обусловлено дефектами структуры.

В большинстве аморфных и стеклообразных полупроводников наблюдается значительная фотопроводимость $\sigma_ф=AL^n$, где L - интенсивность света; $0,5\leq n\leq 1,0$. Спектральное распределение $\sigma_ф$ имеет максимум и пологую длинноволновую ветвь; зависимость $\sigma_ф(Т)$ имеет максимум в той области T, где $\sigma_ф\sim\sigma$, а при понижении температуры $\sigma_ф$ спадает вначале экспоненциально, а затем более полого. Особенности $\sigma_ф$ объясняются "прилипанием" и рекомбинацией неравновесных носителей на локальных центрах, непрерывно распределенных по энергии по определенному (в частности, по экспоненциальному) закону. В ХСП наблюдаются ряд специфических явлений, например уменьшение люминесценции в процессе возбуждения, что коррелирует с явлениями фотоиндуцированного электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и фотоиндуцировованного поглощения света. Эти особенности объясняются наличием заряженных дефектов, которые при низкотемпературном освещении становятся нейтральными и парамагнитными.

Аморфный кремний. Из ЭТАП наиболее изучен гидрогенизированный аморфный Si. Водород "залечивает" оборванные связи в Si, понижая тем самым плотность локализованных состояний в запрещенной зоне и обеспечивая возможность легирования, а также меняет общую структуру и весь комплекс электрических и оптических свойств.

Практическое применение аморфных и стеклообразных полупроводников разнообразно. Благодаря прозрачности в длинноволновой области спектра ХСП применяются в оптическом приборостроении. Сочетание высокого сопротивления и большой фотопроводимости используется в электрофотографии, телевизионных передающих трубках типа видикон и для изготовления фототермопластических преобразователей изображений. Эффекты переключения и памяти позволяют получить быстродействующие переключатели и матрицы памяти. Фотолегирование и обратимость фотостимулированного изменения оптических свойств используются в светорегистрирующих средах для голографии и бессеребряной фотографии. Стимулированное внешними воздействиями изменение растворимости ХСП лежит в основе фото-, электроно- и рентгенорезисторов, фотошаблонов и др. Пленки аморфного Si и др. ЭТАП перспективны для построения солнечных батарей, а также для создания эффективных электролюминофоров, электрофотографических устройств, видиконов и других преобразователей изображений.


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования