Аморфная форма Si и Ge образована группами, состоящими из четырех атомов, объединенных в тетраэдры. На рис. 3 показана модель решётки аморфного кремния [1]. Основное отличие аморфной формы от кристаллической заключается в том, что в первой из них тетраэдры ориентированы относительно друг друга случайным образом. Тот факт, что взаимное расположение ближайших соседей в аморфном состоянии остается неизменным, играет очень важную роль, обусловливая не слишком сильное различие в свойствах двух форм. При плавлении это тетраэдрическое взаимное расположение исчезает. Возникает намного более плотная упаковка, при которой число ближайших соседей равно восьми, и Si и Ge становятся металлами, так же как при очень высоких давлениях.
Рис. 3. Механическая модель решётки аморфного кремния, показывающая существование «одиночной оборванной связи». Такие центры не существуют в кристаллическом кремнии, где отсутствующие атомы (вакансии) дают несколько оборванных связей.
До последнего времени считалось, что одним из очень сильных различий между аморфными и кристаллическими Si и Ge является тот факт, что кристаллическая форма очень чувствительна к введению весьма малых количеств примесей элементов III и V групп, в то время как аморфные Si и Ge нечувствительны к введению примесей, так что для заметного изменения их электропроводности требуется концентрация примесей порядка 1020 см-3. Считалось, что это обусловлено тем, что избыточный или недостающий электрон может быть соответственно захвачен или восполнен благодаря изменению связей в структурном дефекте или в других связях. Незаполненные локализованные состояния могут быть присоединены и к примесным состояниям, если уровень Ферми в нелегированном материале расположен вблизи середины запрещенной зоны подвижностей (рис. 4).
Наличие многих состояний в запрещенной зоне зависит от метода приготовления образца. Можно приготовить тонкие пленки с меньшим числом состояний в запрещенной зоне, чем это было найдено раньше. В результате появилась возможность влиять на электропроводность, вводя в материал примеси как n-, так и p-типа в концентрациях, намного меньших, чем обычно. Более того, удалось осуществить р-n-переходы, что явилось огромным шагом вперед в технологии аморфных полупроводников, и открыть таким образом возможность использования их в солнечных батареях большой площади.
Рис. 4. Схема изменения зон. а — перекрытие хвостов локализованных состояний, приводящее к исчезновению запрещённой зоны; б — запрещённая зона подвижностей ΔEμ.
3.1 Оптические свойства a-Si и a-Ge
В широком спектральном диапазоне, например от 0,5 до 1,5 эВ оптическое поглощение а-Si и а-Ge не очень сильно отличается от оптического поглощения в кристаллических материалах, однако не обладает структурой, свойственной последним. Крутой рост поглощения вблизи края полосы фундаментального поглощения германия начинается при меньшей энергии квантов, примерно при 0,55 эВ, коэффициент поглощения быстро растет до величины около 103 см-1 при 0,6 эВ и затем продолжает расти более медленно до величины примерно 105 см-1 при 1,5 эВ. Спектры отражения также сходны, однако отсутствуют пики, связанные с критическими точками зонной структуры. Этого и следовало ожидать, так как зонная структура, характерная для кристаллических тел, не пригодна для описания аморфных.
Во всех аморфных материалах длинноволновый хвост оптического поглощения имеет почти экспоненциальную форму. Поглощение тоже зависит от метода приготовления и почти наверняка обусловлено электронами, появляющимися из состояний в запрещенной зоне подвижностей.
Форма этого хвоста приблизительно подчиняется правилу,
которое называют правилом Урбаха. Правило гласит, что коэффициент поглощения
α выражается формулой 
, где A, a
и
E0 — константы.
Проводились эксперименты и с различными другими аморфными элементарными полупроводниками, в том числе с Se, Те и В. Из них только Те удалось очистить примерно до состояния, достигнутого для Si и Ge. Так как кристаллический Te сильно анизотропен и в кристаллическом состоянии имеет ярко выраженную c-ось, то он с трудом образует аморфные слои.
Но даже в этом случае удалось выполнить довольно подробное сравнение его аморфной и кристаллической форм. Сложность приготовления аморфного Se заключается не только в его очистке, но и в том, что этот элемент существует в двух кристаллических разновидностях, моноклинной и триклинной, а также в смешанном состоянии. Из-за того, что этот материал получил широкое распространение в фотокопировальных машинах, он привлекает к себе значительное внимание. Его оптическое поглощение неоднократно измерялось, однако оно, по-видимому, очень сильно зависит от метода приготовления. Вероятно, спектральная кривая оптического поглощения аморфного Se лежит приблизительно между кривыми поглощения для двух его форм. Изучались также сплавы Se и Te.
Оптические свойства аморфных пленок Se и Te очень похожи на оптические свойства аморфных пленок Si и Ge, у них точно так же край полосы поглощения сдвинут в сторону более низких частот по отношению к краю полосы поглощения в кристаллическом материале. Ситуация сильно осложняется из-за существования двух кристаллических форм Se и из-за различного поведения Те при облучении его светом, поляризованным параллельно или перпендикулярно оси с.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.