无定形半导体

无定形和晶体半导体具有相似的基本能带结构,以及导带,价带和禁带(参见固体的能带)。

材料的基本带结构主要取决于原子附近的条件,并且可以使用化学键模型进行定性解释。

以非晶Ge和Si的四方键为例,Ge和Si中的四个价电子通过sp杂化,相邻原子的价电子形成共价键,键态对应于价带;对应于导带。

无论是Ge还是Si的结晶或无定形,基本键合模式是相同的,除了在非晶态下,键角和键长稍微变形,因此它们的基本带结构是相似的。

然而,非晶半导体中的电子态也与晶态基本不同。

晶体半导体的结构是周期性有序的,或具有平移对称性,电子波函数是Bloch函数,波矢量k是与平移对称性相关的量子数,并且非晶半导体没有周期性。

,k不再是一个好的量子数。

晶体半导体中的电子运动相对自由。

电子运动的平均自由程远大于原子间距。

当平均自由程接近原子间距时,非晶半导体中结构缺陷的扭曲大大降低了电子的平均自由程。

在数量级上,在晶体半导体中建立的电子漂移运动的概念变得毫无意义。

非晶半导体能带的边缘密度的变化不像结晶态那样陡峭,而是具有不同程度的尾部。

非晶半导体能带中的电子态分为两类:一类称为扩展态,另一类为局部态。

处于伸展状态的每个电子由整个固体共享,并且可以在整个固体尺度中找到;它在外部场中移动,类似于晶体中的电子;局部状态下的每个电子基本上局限于某个区域。

其状态波函数在某一点附近只能在小范围内显着非零。

他们需要依靠声子的辅助来进行跳跃传导。

在能带中,中心部分是伸展状态,尾部是局部状态,并且它们之间存在边界,例如图4中的Ec和E,并且该边界称为移动边缘。

1960年,Moto首次提出了移动性概念。

如果认为迁移率是电子态能量E的函数,莫特认为在边界Ec和E处存在迁移率的突变。

局部状态中的电子是跳跃导电的,并且依赖于能量交换。

晶格振动从一个局部状态跳到另一个局部状态。

因此,当温度T趋于0K时,局部态电子迁移率趋于零。

在延伸状态下,电子传导类似于晶体中的电子,并且当T趋于0K时,迁移率趋于有限值。

Moto进一步认为,迁移率侧对应于电子平均自由程接近原子间距并且在这种情况下将导电率定义为最小金属化导电率的情况。

然而,围绕迁移率方面和最小金属化导电率仍存在争议。

目前,有两种主要类型的非晶半导体。

1硫属化物玻璃。

含有硫属元素的非晶半导体。

例如,As-Se,As-S,通常的制备方法是熔融冷却或气相沉积。

2四面体键非晶半导体。

如非晶硅,锗,砷化镓等,这种材料的非晶态不能通过熔融冷却获得,只能通过薄膜沉积(如蒸发,溅射,辉光放电或化学气相沉积)只要基板温度足够低,沉积膜是无定形结构。

四面体非晶半导体材料的性质与制备工艺和工艺条件密切相关。

非晶硅的导电性能和光电导性质也与制备方法密切相关。

实际上,通过硅烷辉光放电法制备的非晶硅含有大量的H,有时称为非晶硅 - 氢合金;不同的工艺条件,不同的氢含量,直接影响材料的性能。

相反,硫属化物玻璃的性质与制备过程几乎没有关系。

非晶半导体在技术领域中的应用潜力巨大。

无定形硫已广泛用于复制技术,由SR Ovsinski开创的As-Te-Ge-Si玻璃半导体制造。

可以重写已经商业生产的主读取存储器,并且正在开发通过使用光脉冲来使锗微晶膜玻璃化而制成的光学存储器。

非晶硅的研究应用最多的是太阳能电池。

非晶硅比结晶硅更容易制备,并且易于制成大面积。

非晶硅对太阳光具有高吸收效率,并且该器件仅需要约1微米厚的薄膜材料,因此预期它是廉价的太阳能电池。

它得到了能源专家的重视。

最近,非晶硅场效应晶体管已经实验性地用于液晶显示器和集成电路。

在20世纪50年代,BT Colomiet和其他人开始研究硫属化物玻璃。

那时,很少关注它。

直到1968年,SR Ovshensky才发表了关于生产含硫薄膜开关器件的专利。

对非晶半导体的兴趣。

1975年,W.E。

斯皮尔等人。

实现了硅烷辉光放电分解制备的非晶硅掺杂效应,使得控制电导和制造PN结成为可能,为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。

从理论上讲,P.W。

安德森和N.F. Moté建立了非晶半导体的电子理论,因此获得了1977年的诺贝尔物理学奖。

目前,非晶半导体的研究在理论和应用上都在迅速发展。