Физические процессы в барьерных структурах на основе неупорядоченных полупроводников: Учебное пособие, страница 8

Рис. 6. Конфигурации связей в дефектах С^- и С⁺ в халькогенидном стекле с координационным числом 2

Электронные состояния, связанные с дефектами, показаны на рис.7. Поскольку D⁺ образует связи с тремя другими атомами, внешний электрон в D⁺ слабо связан с атомом. Следовательно, такой центр действует как донор с кулоновской энергией связи Е⁺. Но если образуется D⁰, то электрон-фононное взаимодействие сни­жает энергию донора еще на величину W⁺, так что донорный уровень имеет глубину Е⁺ + W⁺. Таким же образом можно показать, что D^- будет акцептором, связывающим дырку с энергией Е^- + W^-. Относительные величины W⁺ и W^- зависят от того, насколько велика энергия связи, выделяющая­ся при присоединении первого электрона по сравнению со случаем, когда добавляется второй электрон. На рис. 7 показаны детали этих оптических (и термических) переходов. Сплошными линиями отмечены энергии глубоких доноров и акцепторов, а штриховыми - энергии, соответствующие максимальной вероят­ности перехода. Заряженные дефекты оказывают влияние на процессы переходов между нелокализованными состояниями вблизи краев подвижности, поскольку создают флуктуации потенциала.

Для тетраэдрически координированных полупроводников (например, a-Si:H) нет общего согласия по вопросу о природе дефектных состояний вблизи середины щели подвижности. Это несогласие происходит из-за большого различия между результатами, полученными из измерений темновой проводимости, энергии активации и фотопроводимости пленок “приборного качества”. В основном в этих пленках данные о состояниях в середине щели подвижности получены только по внутризонному (sub-band-gap) поглощению (зависимость a(hn)), измеренному методом постоянного фототока (CPM) [25]. Интегрирование спектра a(hn) затем используется для оценки плотности нейтральных оборванных связей кремния – D⁰, которые идентифицированы и измерены методом электронного спинового резонанса (ЭПР) [21]. Любые различия в дефектных состояниях вблизи середины щели подвижности, которые могут присутствовать в этих пленках, просто выражаются в терминах изменения плотностей этих D⁰ состояний. Это приближение основано на действительном распределении состояний, в котором присутствуют только нейтральные D⁰ и отрицательно заряженные D^- оборванные связи кремния ниже и выше середины запрещенной зоны соответственно.

Рис. 7. Энергетические уровни в модели заряженных дефектов [11]. Сплош­ными линиями показаны донорный (D⁺) и акцепторный (D^-) уровни. Штри­ховыми линиями показаны энергии максимальной силы осциллятора опти­ческих переходов на эти дефекты и оптических переходов с этих дефектов

В случае собственных материалов, где уровень Ферми зафиксирован вблизи середины зоны, возможно применение модели распределения состояний, представленных на рис. 8. Состояния, которые заряжены отрицательно, если находятся ниже середины зоны, и нейтральные, если лежат выше, можно рассматривать как акцепторы. Аналогично, состояния, которые заряжены положительно, если они находятся выше середины зоны, и нейтральные, если они лежат ниже середины зоны, можно рассматривать как доноры. Состояния А (рис. 8) расположены у середины зоны и идентифицируются как нейтральные дефекты D⁰. Состояния В относятся к положительно заряженным дефектам D⁺, а С  - к отрицательно заряженным дефектам D^-. В случае собственного полупроводника уровень Ферми (E_F) располагается между состояниями D⁺ и D⁰, и закон сохранения электронейтральности  полупроводника в отсутствие освещения обеспечивается плотностями D^- и D⁺ состояний.

Рис. 8. Распределение по энергии плотности состояний, обусловленных заряженными и нейтральными дефектами, в щели подвижности

Детальную информацию о природе, плотностях и распределении состояний в середине щели подвижности дает самосогласованный анализ соответствующих зависимостей внутризонного поглощения a(hn) и фотопроводимости σ_ph(hn). Это позволяет получить информацию об изменении занятости электронами нейтральных и заряженных состояний, и связать эти данные с плотностью D⁰ состояний, измеренных ЭПР методом. Распределение по энергии плотности состояний D⁺, D^- и D⁰ подчиняется закону Гаусса (рис. 8).

1.4. Поверхностные состояния в неупорядоченных полупроводниках

Поверхностные состояния – это дополнительные разрешенные энергетические состояния для электронов, имеющиеся у поверхности полупроводника, но отсутствующие в его объеме. Даже на абсолютно чистой поверхности, содержащей только атомы решетки основного вещества, имеются дополнительные состояния, т.к. электроны в поверхностной области связаны только со стороны, направленной к объему кристалла. Поверхностные состояния этого типа  называют состояниями Тамма или Шокли, так как они впервые были изучены ими. Плотность поверхностных состояний по порядку величины равна поверхностной концентрации атомов (для кремния ~ 10¹⁵ см^-2).

Источниками других типов поверхностных состояний являются атомы примесей, расположенные на поверхности, или дефекты кристаллической решетки, например атомы кислорода, комплексы металлов, ионы гидроксила и т.п.

Поверхностные состояния, как и состояния на атомах примеси в объеме, бывают донорные и акцепторные. Это зависит от знака заряда, который они несут при термодинамическом  равновесии. Поверхностные состояния бывают также быстрыми и медленными в зависимости от скорости их перезарядки при внешних измерениях потенциала. Различие между временами релаксации быстрых и медленных состояний составляет приблизительно три порядка величины.

Рис. 9. Зонная диаграмма полупроводника с тонким поверхностным слоем толщиной d,       содержащим состояния акцепторного типа. Наличие поверхностных состояний обусловливает изгиб зон и наличие ОПЗ у границы раздела поверхность – полупроводник