Аморфные и стеклообразные полупроводники. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Аморфные и стеклообразные полупроводники - аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. А. и с. п. характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка (см. Дальний и ближний порядок).

А. и с. п. по составу и структуре подразделяются на халькогенидные, оксидные, органические, тетра-эдрические. Наиб. подробно изучены халькогенидные стеклообразные (ХСП) и элементарные тетраэдриче-ские (ЭТАП). ХСП получают в осн. либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. К ним относятся Se и Те, а также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов в теллуридов) разл. металлов (напр., 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 разл. водородсодержащих атмосферах или диссоциацией содержащих их газов (в частности, SiH₄ или GeH₄) в высокочастотном разряде.

Особенности А. и с. п. связаны с особенностями энергетич. спектра электронов. Наличие энергетич. областей с высокой и низкой плотностями электронных состояний - следствие ближнего порядка. Поэтому можно условно говорить о зонной структуре некристаллич. веществ (см. Зонная теория). Однако разупорядо-ченность структуры приводит к появлению дополнит. разрешённых электронных состояний, плотность к-рых

спадает в глубь запрещённой зоны, образуя "хвосты" плотности состояний (рис. 1, а).

Рис. 1. Схемы энергетического спектра ХСП Аs₂Sе₂. Области локализованных состояний заштрихованы.

- 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 наз краями подвижности (

, рис. 1), расстояние между ними наз. запрещённой зоной (или щелью) по подвижности

(см. Неупорядоченные системы).

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, к-рые преобладают в разл. температурных интервалах: а) перенос носителей заряда, возбуждённых за край подвижности, по делока-лизов. состояниям. При этом статич. проводимость

в широком температурном интервале определяется выражением

, где

- ферми-энергия,

б) Прыжковый перенос носителей заряда, возбуждённых в локализов. состояния вблизи краёв подвижности (напр., в состояния между

). В этом случае

где W-энергия активации прыжка,

10 Ом^-1см^-1. в) Прыжковый перенос носителей по локализов. состояниям вблизи

на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:

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 термоэдc и Холла эффекта.

Подвижность носителей заряда мала (10^-5-10^-8см² В^-1с^-1) и зависит от напряжённости электрич. поля и толщины образца, что связывают либо с многократным захватом носителей на локализов. состояния, распределённые по определ. закону, либо с прыжковым переносом.

Для большинства ХСП значения s и энергия активации практически не зависят от природы и концентрации примесей (примесные атомы проявляют макс. валентность, отдавая все свои валентные электроны на образование ковалентных связей с осн. атомами). Однако примеси переходных металлов (Ni, Mo, W, Fe) вызывают появление примесной проводимости (резкое возрастание

, рис. 2). Предполагается, что её создают d-электроны, к-рые могут не участвовать в образовании ковалентных связей. ЭТАП, в частности аморфный Si, удаётся эффективно легировать атомами Р и В.

Рис. 2. Зависимости проводимости

аморфных полупроводников от концентрации примеси переходных металлов.

Рис. 3. Вольтамперная характеристика халькогенидных стеклообразных полупроводников в условиях "эффекта переключения".

Для многих ХСП характерен эффект переключения - быстрый (~10^-10 с) обратимый переход из высокоомного состояния (рис. 3, 1) в низкоомное (2)под действием сильного электрич. поля >=10⁵ В*см^-1. Это объясняется как инжекцией электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда, так и ростом температуры в шнуре тока (см. Шнурование тока ).В ряде ХСП низкоомное состояние образца сохраняется длительно, а для возврата в высокоомное состояние необходимо пропустить через образец кратковрем. импульс тока. Этот эффект памяти обусловлен частичной кристаллизацией ХСП в области токового шнура.

Во многих А. и с. п., в частности в ХСП, электронные состояния в запрещённой зоне являются поляронами малого радиуса. Заполнение такого состояния электроном сопровождается сдвигом соседних атомов решётки, что приводит к отличию значений

, полученных из измерений межзонного поглощения света и энергии активации проводимости.

Оптические свойства. Край осн. поглощения света в А и с. п. имеет 3 участка. В области высоких значений коэф. поглощения

>10⁴ см^-1, его зависимость от частоты:

, где В~10⁵-10⁶ см^-1 эВ^-1,

- оптическая ширина запрещённой зоны. При 1,0 см^-1<a<10³-10⁴ см^-1

, где А= 15-20 эВ^-1. При см^-1 поглощение обусловлено дефектами структуры.

В большинстве А. и с, п. наблюдается значит. фотопроводимость , где L - интенсивность света; 0,5[n[1,0. Спектральное распределение

имеет максимум и пологую длинноволновую ветвь; зависимость

имеет максимум в той области Т, где

, а при понижении температуры

спадает вначале экспоненциально, а затем более полого. Особенности

объясняются "прилипанием" и рекомбинацией неравновесных носителей на локальных центрах, непрерывно распределённых по энергии по определённому (в частности, по экспоненциальному) закону. В ХСП наблюдаются ряд специфич. явлений, напр. уменьшение люминесценции в процессе возбуждения, что коррелирует с явлениями фотоиндуцир. электронного парамагн. резонанса (ЭПР) и фотоиндуциров. поглощения света. Эти особенности объясняются наличием заряж. дефектов, к-рые при низкотемпературном освещении становятся нейтральными и парамагнитными.

Аморфный кремний. Из ЭТАП наиб, изучен гидроге-низиров. аморфный Si. Водород "залечивает" оборванные связи в Si, понижая тем самым плотность локали-зов. состояний в запрещённой зоне и обеспечивая возможность легирования, а также меняет общую структуру и весь комплекс электрич. и оптич. свойств.

Практическое применение А. и с. п. разнообразно. Благодаря прозрачности в длинноволновой области спектра ХСП применяются в оптич. приборостроении. Сочетание высокого сопротивления и большой фотопроводимости используется в электрофотографии, телевизионных передающих трубках типа видикон и для изготовления фототермопластич. преобразователей изображений. Эффекты переключения и памяти позволяют получить быстродействующие переключатели и матрицы памяти. Фотолегирование и обратимость фотости-мулиров. изменения оптич. свойств используются в светорегистрирующих средах для голографии и бессеребряной фотографии. Стимулированное внеш. воздействиями изменение растворимости ХСП лежит в основе фото-, электроно- и рентгенорезисторов, фотошаблонов и др. Плёнки аморфного Si и др. ЭТАП перспективны для построения солнечных батарей, а также для создания эфф. электролюминофоров, электрофотографич. устройств, видиконов и др. преобразователей изображений.

Литература по аморфным и стеклообразным полупроводникам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.