Аморфные полупроводники. Классификация и свойства аморфных полупроводников. Методы получения аморфных полупроводников, страница 2

2.  Классификация и свойства аморфных

полупроводников

         Аморфные и стеклообразные полупроводники — аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. Аморфные и стеклообразные полупроводники характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка. Дальний  порядок — строгая периодичность повторяемости в пространстве одного и того же эле­мента структуры (атома, группы атомов, молекулы и т. п.). В то же время у вещества в аморфном состоянии существует согласованность в расположении соседних частиц — т. н., ближний порядок, соблюдаемый в пре­делах 1-й координационной сферы и постепенно теряющийся при переходе ко 2-й и 3-й сферам, т. е. соблюдающийся на расстояниях, сравнимых с размерами частиц. Таким образом, с расстоянием согласованность уменьшается и через 0,5 - 1 нм исче­зает.

         Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на халькогенидные, оксидные, органические, тетраэдрические. Наиболее подробно изучены халькогенидные стеклообразные (ХСП) и элементарные тетраэдрические (ЭТАН) полупроводники. ХСП получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. К ним относятся Se и Te, 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. Однако разупорядоченность структуры приводит к появлению дополнительных разрешенных электронных состояний, плотность которых g() спадает в глубь запрещенной зоны, образуя "хвосты" плотности состояний (рис. 1, а).

Рис.1. Схемы энергетического спектра ХСП As₂Sc₂. Области локализованных состояний заштрихованы. ξ_A, ξ_B — границы областей с высокими плотностями состояний;  — запрещённая зона по подвижности.

Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие). Резкие границы между этими состояниями называются краями подвижности (ε_C и ε_V, рис. 1), расстояние между ними называется запрещенной зоной (или щелью) по подвижности [2].

2.1 Электропроводность

Максимумы ,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 σ в широком температурном интервале определяется выражением

,                                                    (1)

где - ферми-энергия, Ом^-1·см^-1. б) Прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности (например, в состояния между  и ). В этом случае        

,                                               (2)

где W - энергия активации прыжка,  Ом^-1·см^-1. в) Прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям вблизи   на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:

.                                                     (3)

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: зависимости от частоты (); 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  и энергии 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 , 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 в низкоомное (2) под действием сильного электрического поля . Это объясняется как инжекцией электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда, так и ростом температуры в шнуре 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, полученных из измерений межзонного поглощения света и энергии активации проводимости.

2.2 Оптические свойства