Как уже отмечалось, возникновение локализованных состояний в аморфных полупроводниках может быть обусловлено различными механизмами, характерными для кристаллических полупроводников. В тетраэдрических неупорядоченных материалах эти состояния зависят от их химической природы и способа изготовления. У стеклообразных полупроводников некоторые специфические особенности формирования локализованных уровней определяются характером химической связи между атомами VI группы Периодической системы как друг с другом, так и с элементами других групп. Полимерная структура стекла оказывает значительное влияние на плотность локализованных состояний и их распределение по энергиям [12]. Такая структура приводит к появлению флуктуации плотности состояний вблизи ЕC или EV, но состояния остаются локализованными [16]. Флуктуации могут быть обусловлены сильным нарушением координационного числа и, следовательно, создавать композиционную неупорядоченность. Гибкость полимерных образований допускает также возникновение позиционной разупорядоченности, что создает определенный спектр локализованных состояний. Всевозможные разрывы в структуре цепей, концы макромолекул, "болтающиеся" связи могут при достаточной их концентрации образовывать зоны локализованных состояний, расположенных между ЕC и EV, обусловленные этими дефектами. На рис. 1 показаны локализованные состояния в запрещенной зоне халькогенидного стеклообразного полупроводника As2Se3 и методы их измерения: ТОПЗ – ток, ограниченный пространственным зарядом, ТСП – термостимулированная поляризация.
Рис. 1. Локализованные уровни в щели подвижности неупорядоченного материала на примере халькогенидного стеклообразного полупроводника (ХСП) As2Se3
Пожалуй, самое существенное отличие аморфных тетраэдрических материалов от стеклообразных состоит в том, что, наряду с ковалентными связями, в стеклах имеется большое количество двуцентровых электронных орбит, охватывающих два ближайших атома, которые локализованы относительно атомов VI группы. Это обусловлено тем, что такие элементы VI группы, как кислород, сера, селен, теллур с s2p4-внешними электронами, увязываются ковалентными связями лишь с двумя соседними атомами. В результате остается одна несвязанная р-электронная пара (LP-electron). Таким образом, можно считать, что система состоит из двух взаимодействующих друг с другом конфигураций: одна – ковалентно связанная матричная система атомов, обеспечивающая структурную конфигурацию материала; другая – LP-электронная конфигурация состояний, помещенная в матрицу, взаимодействующую с ней. LP-состояния взаимодействуют как друг с другом, так и с ближайшим матричным окружением. Поскольку LP-состояния и их окружение могут различаться за счет позиционного и композиционного разупорядочения, в энергетическом спектре материала возникают локализованные состояния, дважды занятые при отсутствии возбуждения. Энергетически такие состояния принадлежат "хвосту" валентной зоны [20].
Теоретические положения о природе локализованных состояний нашли во многих случаях экспериментальное подтверждение. Сведения о локализованных уровнях в стеклообразных полупроводниках получены при исследовании индуцированной фотопроводимости (ИФП) и оптического гашения фотопроводимости (ОГФ); токов, ограниченных пространственным зарядом (ТОПЗ); спектров люминесценции; термостимулированной деполяризации (ТСД) и других эффектов. Указанные явления свидетельствуют о том, что многие свойства неупорядоченных и кристаллических полупроводников имеют общую природу [21].
1.3.1. Распределение локализованных состояний
LP-состояния энергетического спектра. Рассмотрим некоторые качественные модели локализованных состояний в щели подвижности, которые могут быть характерными для стеклообразных полупроводников, т.е. материалов, одним из компонентов которых являются кислород, сера, селен, теллур. Ограничимся классом халькогенидных стеклообразных полупроводников (ХСП).
Как показано на рис. 2, а, валентная зона и зона проводимости у аморфных тетраэдрических материалов (например, германия) образуются за счет расщепления sp-орбиталей отдельных атомов. Поскольку координационное число для них равно четырем, число состояний в зонах составляет 4N, где N – число атомов в материале, участвующих в обменном взаимодействии. При этом валентная зона, образованная за счет ковалентных связей, полностью заполнена электронами при отсутствии возбуждения.
Локализованные состояния, возникающие в таких материалах, аналогичны дефектным состояниям и флуктуационным уровням, обусловленным нарушениями трансляционной симметрии. Любая из описанных выше моделей применима к материалам такого типа.
У ХСП энергетический спектр образуется иным образом. В качестве валентных выступают электроны Зр4-орбиталей, которые и формируют зоны (рис. 2, б). В образовании ковалентных связей у атомов халькогенов участвуют по два р-электрона. Координационное число их равно двум, а количество состояний в зонах – 2N. LP-зона, образованная за счет взаимодействия не связанных в ковалентные связи электронов p-орбиталей, имеет такое же количество состояний, как и валентная зона, т. е. 2N.
Рис. 2. Схема формирования энергетических зон для тетраэдрических (а) и халькогенидных (б) аморфных полупроводников на примере a-Ge и Se (σ* - несвязанные состояния, σ - связанные, LP - биэлектронные локализованные состояния). Зоны, заполненные электронами, заштрихованы
Необходимо отметить, что число состояний в валентной зоне и зоне проводимости задается количеством связей между атомами в материале, тогда как количество LP-состояний определяется числом атомов халькогена. Если основной компонент аморфного материала - халькоген, энергетический спектр состояний может быть таким, как это показано на рис. 2, б. Если же атомы халькогена в материале отсутствуют, то схема формирования электронных состояний подобна схеме на рис. 2, а. При этом LP-состояния представляют "хвост" локализованных уровней валентной зоны. При формировании по схеме, изображенной на рис. 2, б, они выполняют функции валентной зоны.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.