Аморфные полупроводники. Классификация и свойства аморфных полупроводников. Методы получения аморфных полупроводников, страница 6

Одним из главных возраже­ний против модели КФО была высокая прозрачность аморфных халькогенидов в области ниже четко определенного края по­глощения. В настоящее время из других наблюдений практи­чески точно установлено, что область существования хвостов плотности состояний в халькогенидах довольно ограничена. Та­кая модель, возможно, более верна в случае аморфного кремния.

Модель Дэвиса—Мотта

Согласно Дэвису и Мотту, хвосты локализованных со­стояний должны быть довольно узкими, распространяясь в за­прещенную зону на несколько десятых электронвольта. Кроме того, эти авторы высказали предположение о существовании зоны компенсированных уровней вблизи середины запрещенной зоны, обязанной своим происхождением дефектам в случайной сетке атомов, т. е. свободным связям, вакансиям и т. д. Схе­матическая модель Дэвиса — Мотта представлена на рис. 6, б, где через ECи ЕVобозначены энергии, разделяющие области локализованных и делокализованных

Рис. 6. Примерные кривые плотности состояний для аморфных полупроводников. а – модель Коэна–Фрицше–Овшинского; б – модель Дэвиса–Мота с зоной компенсированных уровней вблизи середины щели; в – модифицированная модель Дэвиса–Мота; г – «реальное» стекло с дефектными состояниями.

состояний. В центре этой зоны может произойти расщепление на донорную и акцептор­ные зоны, что приведет к закреплению уровня Ферми (рис. 6, в).

В этой модели постулируется существование порогов подвижности при энергиях, разделяющих локализованные состояния в хвостах от распространённых состояний.

Модель поляронов малого радиуса

Роль искажения решетки в присутствии «лишнего» носите­ля заряда в аморфном твердом теле детально анализировал Эмин. Он высказал предположение, что в некоторых аморф­ных полупроводниках носители заряда могут переходить в автолокализованное состояние (полярон малого радиуса), воз­никающее в результате поляризации окружающей решетки ато­мов. Обосновывая свою гипотезу, Эмин указывал на то, что наличие беспорядка в некристаллическом твердом теле приво­дит к замедлению движения носителей. Таким замедлением может вызываться локализация носителя, а тогда, если по­следний остается на данном атоме достаточно долго для того, чтобы могло произойти перераспределение атомов, он может индуцировать смещение атомов в своей непосредственной окре­стности, что приведет к формированию полярона малого ра­диуса. Поскольку такой полярон по своей природе локален, от­сутствие дальнего порядка в некристаллическом твердом теле, по-видимому, не будет оказывать существенного влияния на его движение.

8.  Структурные модели

Имеются два основных класса моделей: микрокристалличе­ские модели и модели случайной структурной сетки. Микрокри­сталлические модели обладают серьезным недостатком: большое отношение числа поверхностных атомов к числу внутренних. Чтобы такая модель имела смысл, средний размер микрокри­сталлитов не должен превышать размеры нескольких элемен­тарных ячеек, но в случае кристаллитов с размерами, равными трем элементарным ячейкам, около половины атомов приходит­ся на границы микрокристаллитов. Таким образом, «соедини­тельная ткань» этих границ столь же существенна, сколь и сами кристаллиты. В общем, это означает, что в пределе очень малого размера кристаллита микрокристаллическая модель становится неотличимой от модели случайной структурной сетки. Важней­шие аспекты локальной атомной структуры мы проиллюстри­руем, рассматривая модель случайной структурной сетки Полка в применении к тетраэдрически связанным аморфным по­лупроводникам Si и Ge. 

Модель Полка представляет собой структуру из «шариков» и «палочек», содержащую 440 атомов. Полк усовершен­ствовал свою модель, используя численные методы. В идеализированной структуре со случайной сеткой каждый атом связывается с ближайшими соседями, число которых отве­чает его химической валентности. В одноэлементных системах все эти атомы одного типа, а в сплаве или соединении необхо­димо также указывать отдельные виды атомов, связанных с каждым отсчетным положением. Средние межатомные расстоя­ния до ближайших соседей принимают равным значениям, ко­торые они имеют в соответствующей кристаллической фазе, или (в более общем случае) равным сумме соответствующих ковалентных радиусов. Разброс длин связей задается малым, порядка ± 1% их среднего значения. В модели Полка для a-Si, a-Ge каждый атом имеет четыре ближайших соседа, располо­женных в тетраэдрической геометрии. Допускаются отклонения углов связей, а поэтому тетраэдры обычно искажаются. В мо­дели Полка углы связей распределяются около их среднего значения 109°28' со средним отклонением ±10° и максималь­ным отклонением ±20°. Случайный характер сетки возникает в результате статистического распределения двугранных углов. Все атомы в модели Полка входят в пятичленные или шестичленные кольца. Отношение тех и других в модели Полка равно 1:4, а в кристаллических фазах с алмазоподобной структурой Si и Ge все атомы находятся в шестичленных кольцах. Сред­ним углом связи и его распределением определяются среднее расстояние и его распределение до второго соседа. При боль­шей вариации двугранного угла практически исчезает какое-либо характеристическое расстояние до третьего соседа.

Применение моделей случайной сетки к одноэлементным системам, содержащим двух- или трехвалентные атомы, ставит интересные вопросы о топологии структурной сетки. Локальная топология случайной сетки че­тырехвалентных атомов трехмерна, трехвалентных — двумерна и двухвалентных — одномерна. Более низкая координация дает возможность реальному твердому телу отклоняться от полно­стью связанной сетки за счет введения отдельных структурных единиц. Получающееся твердое тело можно рассматривать как смесь молекулярных  и  полимерных  структурных

единиц. От­дельные структурные единицы в a-Se были идентифицирова­ны как кольцевые молекулы Se8, в a-As — как пира­мидальные молекулы, а в стеклах As–S и Ge–S с из­бытком S — как кольцевые молекулы S8. Модели случайной сетки были также построены для соединений аморф­ных полупроводников [1].