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, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.