非晶态半导体
晶态和非晶态的概念
晶态和非晶态的概念晶态和非晶态是固体物质的两种基本状态，它们的区别在于它们的原子或分子排列方式不同。
晶态的物质具有高度有序的排列结构，而非晶态的物质则没有这种高度有序的排列结构，它们的原子或分子是随机排列的。
在实际应用中，晶态和非晶态的物质具有截然不同的性质和应用范围。
晶态的物质结构晶态的物质结构是高度有序的，它们的原子或分子排列方式是非常规则的。
晶体的结构通常由周期性的基本单元组成，这个基本单元被称为晶胞。
晶体的物理性质与晶胞内的原子或分子排列方式、晶胞的大小和形状、以及晶体整体的对称性等因素有关。
晶体的结构可以用X射线衍射等方法来确定。
在X射线衍射中，X射线通过晶体时会发生衍射，衍射的图案可以反映出晶体的结构。
晶体的结构可以用布拉维格子来描述，布拉维格子是一种虚拟的晶胞，它可以用来描述晶体的周期性结构。
晶体的结构可以用空间群来描述，空间群是一个对称性操作的集合，它描述了晶体的对称性。
晶态的物质性质晶态的物质具有一些特殊的物理性质，这些性质与晶体的结构有关。
晶体的结构决定了它们的热力学性质、光学性质、电学性质等。
晶体的结构也决定了它们的机械性质，如硬度、弹性、塑性等。
晶体的结构还决定了它们的化学性质，如反应性、溶解度等。
晶态的物质应用晶态的物质在现代科技中有广泛的应用。
晶体管、LED等电子器件中的半导体材料就是晶态的物质。
晶态的物质还被用于制造光学器件、激光器等。
晶态的物质还被用于制造陶瓷、金属合金等工程材料。
非晶态的物质结构非晶态的物质结构是无序的，它们的原子或分子是随机排列的。
非晶态的物质可以看作是一种无序的、不规则的、没有周期性结构的固体。
非晶态的物质结构通常由玻璃态、胶态、凝胶态等状态组成。
非晶态的物质性质非晶态的物质具有一些独特的物理性质，这些性质与它们的无序结构有关。
非晶态的物质通常没有明显的熔点，而是通过玻璃转变或热分解来失去结构稳定性。
非晶态的物质通常具有较高的硬度和弹性模量，但它们的塑性和延展性较差。
非晶态半导体
• 扩展态与定域态交界处的能量称作迁移率边。
• 由两个迁移率边确定的能量差为迁移率隙。
• T=0K时，能量在定域态范围内的电子的迁移率为零。当电 子态能量通过扩展态与尾部定域态交界处的临界能量，即 进入扩展态时，电子迁移率突增至一个有限值。
• 在T0时，定域态中的电子可以通过与非晶格子相互作用而 进行跳跃式导电，故迁移率并不为零，但与扩展态中电子 的迁移率相比要小得多。
非晶态半导体的本征导电机理
• 除了扩展态的电子外还有局域态电子的电导。 在的温能度态较而高导时电，，电形子成可扩被展激态发电到导迁。移温边度E较C低以时上， 电声子 子只 的能 帮被 助激 从发一到个接定近域态EC跃的迁带到尾另态一，个然定后域通态过 而导电，形成带尾态电导。在温度更低时，电 子的的只 帮 近能 助 程从 跃 跳费 迁 跃米 到 电能导EF以级。上在EF的以温邻下度近的极空能低态量时，状，形态能成通量定过在域声EF态附子 近的电子，只能在能量相近的能级之间作变程 跳跃。
• 考虑到缺陷时，能带图中 应包含带隙中的缺陷态。 戴维斯-莫特提出了右图所 示的能带模型，其中Ex和 Ey分别表示由悬挂键引起 的深受主和深施主态，它 们互相交叠而EF则被钉扎 在二者中间。
• 实际非晶体中的缺陷是很 复杂的，而且还随着制备 过程中的条件不同而改变， 因此不能用这样简单的模 型来说明带隙中的状态。
• 当体系的费米能级处于带尾定域态范围时，只有通过热激 发使电子从定域态跃迁到迁移率边以上的能态才能产生导 电性能，导电性表现为非金属型的。如果费米能级进入扩 展态区域，则处于扩展态中的电子将可象金属中电子那样 导电，导电性表现为金属型的。
• 这种当费米能级通过迁移率边从定域态进入扩展态时发生 的导电性从非金属到金属型的转变称做安德森转变。
非晶态半导体
安德森近似地假设其体系的哈密顿算符
Hˆ En n n V n m
n
nm
式中对m求和是指对n最邻近的格点求和，En是随格点不同而变的。在理想周期势场 中，即没有叠加无规势场时，式中En= E0，为一常数。安德森提出了一个区分扩展 态和定域态的定义：假设一个电子在t=0时处在n格点处的某个态中，由于第二项微
使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示， 具有这样结构的
太阳能电池称为叠层电池。理论值可以达到68% 。
理论值
43%
双结 三结
理论值 49%
2008年United Solar公司在Julich 研究中心测试三 结的效率超过 15%
感谢阅读
轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小， 如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻 掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能 带弯曲较小，电池的开路电压受到限 制；如果直接用重掺杂的p+和n+材料 形成p+-n+结，那么，由于重 掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高， 少子寿命低，电池的性能会很差。
p a–Si - i a–Si - n μc–Si结构
电子在非晶硅中的扩散长度 为10μm，空穴在非晶硅中 的扩散长度为1μm
技术路线图
p a-Si-i a-Si-n μc -Si结构中，p a-Si和μc –Si的厚度大约为 10nm，但是10nm p a-Si会吸收掉20%左右的入射光，削 弱电池对短波长光的响应，限制了短路电流的大小，因 此使用宽带隙透明的非晶碳化硅膜代替p a-Si作窗口层， 此外它还可以通过内建电势的升高提高开路电压。
技术路线图
微晶硅有较高的掺 杂效率，在同样的 掺杂水平下，其费 米能级远离带隙中 央的程度比非晶硅 高。另一方面，微 晶硅的带隙不会因 为掺杂而有明显的 降低，因此用微晶 硅做太阳能电池的 接触层，既可减小 串联电阻，也可增 加开路电压.
半导体物理名词解释总结
半导体物理名词解释1.有效质量：a 它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用 b 可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律2.空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴意义a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件3.理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子 c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷4.杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用5.深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质6.简并半导体：当E-E F》k o T不满足时，即f（E）《1，[1-f（E）]《1的条件不成立时，就必须考虑泡利不相容原理的作用，这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题。
这种情况称为载流子的简并化，发生载流子简并化的半导体被称为简并半导体（当杂质浓度超过一定数量后，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体7.热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。
温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度T e来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子8.砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。
(完整版)半导体材料的分类_及其各自的性能汇总
其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。
上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。
对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。
另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。
在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。
二. 半导体材料的结构及其性能1.几种半导体材料的结构1.1金刚石结构型材料Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是 4。
方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。
单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。
它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。
金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 对角线长度套构而成的。
第3章 非晶态材料的基本概念
4/10/2020
31
3.1.3 非晶态材料的特性
1. 高强度、高韧性
许多非晶态金属玻璃带，即使将它们对折，也不会产 生裂纹。 对于金属材料，通常是高强度、高硬度而较脆，然而 金属玻璃是两者兼顾，不仅强度高、硬度高，而且韧 性也较好。
4/10/2020
32
4/10/2020
• 此外，镧系稀土金属和后过渡金属组成的二元系的共
晶点也很低，在共晶成分附近也能获得非晶态，其中
多数是富稀土合金，如 La-Au18-26, La78Ni22, Gd-Fe3250, Er68Fe32, Gd-Co40-50……
4/10/2020
21
(3) IIA族金属的二元或多元合金
• Ca-Al12.5-47.5, Ca-Cu12.6-62.5, Ca-Pd, Mg-In25-32, Be-Zr50-70, Sr70Ge30, Sr70Mg30……这类合金形成 非晶态的成分范围非常广。
4/10/2020
35
❖ 其他的金属玻璃和镍基、钴基非晶态合金也都有 极佳的抗腐蚀能力。
❖ 利用非晶态合金几乎完全不受腐蚀的优点，可以 制造耐蚀管道、电池电极、海底电缆屏蔽、磁分 离介质及化学工业的催化剂，目前都以及达到了 实用阶段。
1. 非晶态合金 2. 非晶态半导体材料 3. 非晶态超导体 4. 非晶态高分子材料 5. 非晶态玻璃
4/10/2020
16
1. 非晶态合金
❖ 非晶态合金也叫金属玻璃，它既有金属和玻璃的优 点, 又克服了它们各自的弊病。如玻璃易碎, 没有延 展性。金属玻璃的强度却高于钢, 硬度超过高硬工具 钢, 且具有一定的韧性和刚性, 所以, 人们赞扬金属玻 璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。
半导体物理学(第七版)+电子工业出版社++刘恩科等编著+PPT第13章非晶态半导体
wsw 100420098
一、非晶态半导体的结构
1.晶体和非晶态固体
晶体特征是其中原子排列具有周期性； 非晶态固体原子排列不具有周期性； 非晶态固体原子排列并非是完全杂乱无章的，在一 个或几个原子范围内有一定排列规律。 例如非晶体硅，每一硅原子周围仍有四个近邻硅原 子，大体保持单晶硅的固体结构，但其键角和键长 发生畸变，键角随机地在109°28’±10°波动。
（3）非晶半导体的能带模型（莫特-CFO模型） 该模型认为由于非晶态的无序，使导带底和价带顶 部分别产生由定域态组成的带尾，它们一直延伸到 禁带中部并互相交叠。费米能级以上带正电，以下 带负电，其本身补钉扎在带隙的中央附近。
图6.能带模型示意图
莫特-CFO模型对于多数非晶半导体是不适合 的，这些材料对红外及部分可见光都是透明 的，说明仍有明确的带隙存在。图6所示的模 6 型一般认为更合理。实际的非晶材料中总是 有缺陷，如杂质、点缺陷处悬挂键及微空洞。
（4）非晶态半导体的化学键结构 非晶固体中，由于微扰作用，成键态能级 分裂为价带，与反键态对应的能级分裂为导 带。 价电子壳层不到半充满时，所有电子可以 不配对，形成的共价键数目与价电子数相等； 价电子壳层中电子超过半满，只有未配对 的电子才能形成共价键，其数目为8-N，N为 价电子数，称为8-N定则。
3.非晶态结构的基本特征 （1）短程有序，长程无序； （2）亚稳性。晶态是自由能最低的状态（平 衡态），用述的两种方法制得的方法自由能 都比晶态的高，不是最稳定状态，但由于动 力学因素，半导体仍能稳定存在称为亚稳态， 并且用第一种方法制备的半导体更稳定。
A，B，C……分别表示构成体系的各种原子，x1，x2， x3……表示各原子所占的百分数。则平均配位数为：
第十三章 非晶态半导体
第十三章非晶态半导体第十三章Part 113.1 非晶态半导体的分类13.2 非晶态半导体的电子结构13.3 非晶态半导体中的缺陷13.4 非晶态半导体的应用绪论50年代科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，但直到1968年奥弗申斯基关于硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后，才引起人们对非晶态半导体的兴趣。
1975年斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应，使控制电导和制造PN结成为可能，从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。
在理论方面，安德森和莫脱建立了非晶态半导体的电子理论。
1977年以他们在非晶态理论方面的贡献而获得诺贝尔物理学奖非晶态半导体的分类非晶态半导体的分类目前研究最多的非晶态半导体有两大类：硫系玻璃非晶态半导体四面体键非晶态半导体1、硫系玻璃非晶半导体含硫族元素的非晶态半导体。
例如S、Se、Te 等，它们通常以玻璃态形式出现。
其制备方法通常是熔体冷却或气相沉积。
硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。
非晶态半导体的分类2、四面体键非晶态半导体如非晶Si、Ge、GaAs等。
此类材料的非晶态只能用薄膜淀积的办法（如蒸发、溅射、辉光放电或化学气相淀积等），只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。
四面体键非晶态半导体材料的性质，与制备的方法和工艺条件密切相关。
非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。
不同工艺条件，氢含量不同，直接影响到材料的性质。
非晶态半导体的电子结构一、能带结构非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带。
材料的基本能带结构主要取决于原子附近的状态。
以四面体键结构的非晶Ge、Si为例，Ge、Si中四个价电子经SP3杂化，近邻原子的价电子之间形成共价键，其成键态对应于价带；反键态对应于导带。
无论是Ge、Si的晶态还是非晶态，基本结合方式是相同的，只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变，因而它们的基本能带结构是类似的 。
一、能带结构然而，非晶态半导体的电子态与晶态比较有着本质的区别：1、不存在周期性，波矢 k 不再是好的量子数；2、非晶态半导体中结构缺陷的大量存在使得电子的平均自由程大大减小，当平均自由程接近原子间距的数量级时，在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。
材料制备技术 7.3非晶态材料的制备
非晶态材料的应用
形状记忆合金
20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的 科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯 弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。 但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发 生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来 弯弯曲曲的形状。
2019/1/20
7
非晶态材料的特性
4.超导电性 由于超导合金较脆，不易加工成磁体和传输 导线。1975年Duwez首先发现La-Au非晶态合 金具有超导性，后来又发现了许多其他非晶 态超导合金。
2019/1/20
8
非晶态材料的特性
5. 非晶半导体的光学性质
非晶态半导体可分为离子型和共价型两大类。一类 包括卤化物玻璃、氧化物玻璃，特别是过渡金属 氧化物玻璃。另一类是元素半导体。如非晶态 Si、 Ge等。这些非晶态半导体呈现出特殊的光性质。
制备非晶态材料的技术关键是：（1）必须形 成原子或分子混乱排列的状态；（2）将这种 热力学亚稳态在一定温度范围内保存下来， 并使之不向晶态发生转变。
2019/1/20
14
非晶材料的制备原理和方法
非晶态材料的制备方法： 1. 粉末冶金 制备非晶态材料的早期方法。首先用急冷 法获得非晶粉末，然后用粉末冶金方法将粉 末压制或粘结成型。 粉末冶金技术中的许多问题限制了该法 的应用。
2019/1/20 24
非晶材料的制备原理和方法
（4）压延法 压延法又称双辊法，将金属液流经石英管 底部小孔喷射到一对高速旋转的辊子之间而 形成金属玻璃条带。 由于辊间有一定的压力，条带从两面冷 却，并由良好的热接触，故条带两面光滑， 且厚度均匀。 但此法工艺要求非常严格。
2019/1/20 25
半导体物理名词解释
(1)晶态:固体材料中的原子有规律的周期性排列,或称为长程有序。
(2)非晶态:固体材料中的原子不是长程有序地排列,但在几个原子的范围内保持着有序性,或称为短程有序。
(3)准晶态:介于晶态和非晶态之间的固体材料,其特点是原子有序排列,但不具有平移周期性。
(4)单晶:原子呈周期性排列的晶体。
(5)多晶:由许多取向不同的单晶体颗粒无规则堆积而成的固体材料。
(6)原子价键:主要的原子价键有共价键、离子键、π键和金属键。
(7)共价键与非极性共价键:共价键是相邻原子间通过共用自旋方向相反的电子对电子云重叠)与原子核间的静电作用形成的,成键的条件是成键原子得失电子的能力相或是差别较小,或者是成键原子一方有孤对电子(配位体),另一方有空轨道(中心离如果相邻原子吸引电子的能力是一样的,则共用电子对不会发生偏移,这样的共价就是非极性共价键。
共价键的数目遵从8-N原则(8)空穴:光激发或热激发等激发因素会使原子键断裂而释放出电子,在断键处少掉1个电子,等效于留下一个带(+q)电量的正电荷在键电子原来所在的位置,这就是空穴（9）半导体的载流子:有两种载流子,带负电的电子和带正电的空穴。
（10)基态:在0K下,半导体中的电子空穴对产生之前的固体所处的状态。
（11）激发态:电子空穴对产生之后的固体所处的状态（12）光激发:光照产生电子空穴对的过程。
(1)量子:热辐射的粒子形态。
(2)德布罗意波长:普朗克常量与粒子的动量p的比值。
(3)海森伯堡测不准原理:对于同一粒子,不可能同时确定其坐标和动量。
(4)量子化能级:束缚态粒子的分立的能级。
(5)波粒二象性:微观粒子有时表现为波动形态,而电磁波有时表现为粒子形态。
(6)光生载流子:光照产生的载流子。
(7)热生载流子:热激发产生的载流子(8)半导体能带结构:分为E-k图和E-x图。
(9)导带:价带上能量最低的允带(10)价带:价电子所在的允带。
(11)禁带:导带底与价带顶之间的能量区域(12)禁带宽度:导带底与价带顶之间的能量差。
22 晶态材料和非晶态材料 - 科学网
2.2晶态材料和非晶态材料2.2.1晶态材料和非晶态材料的异同晶体广泛存在，并可以用各种偏离理想晶体的缺陷使其具有一定的性质，晶体材料是固体材料的核心。
非晶态材料指非结晶状态的材料，一般指以非晶态半导体和非晶体金属为主的普通低分子的非晶态固体材料，广义地，还包括玻璃、陶瓷以及非晶态聚合物。
晶态材料和非晶态材料都是真实的固体，其内部的原子都处于完全确定的平衡位置附近，并围绕平衡位置坐振动；都具有固体的基本属性，即宏观表现为连续刚体，不流动有确定的形状，体积不变动；具有弹性硬度，可反抗切应力。
两者的本质区别是晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原子或基元处于一定格式空间排列的状态；非晶态材料只有在几个原子间距量级的短程范围内具有原子有序的状态，为短程有序。
2.2.2水泥和玻璃水泥、玻璃和陶瓷都属于传统的无极非金属材料。
它们都是以硅酸盐为主要成分的材料，也包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料。
由于化学结构的原因，它们大多具有耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀等特点。
1.水泥水泥是一类非常基础的建筑材料，与水混合后，经过物理化学过程能由可塑性浆体变成坚硬而具有一定强度的石状体并能将散粒材料胶结成为整体。
硅酸盐水泥兴起于19世纪。
它的化学成分复杂，但主要的胶结成分是水化硅酸钙。
它是一种水硬性胶凝材料。
普通硅酸盐水泥强度高、能抗硫酸盐腐蚀、水化热，也可用于制备砂浆。
为了建筑需要，水泥可做成白色、黑色或其他各种颜色。
（1）水泥的优点：水泥具有以下优点，因此在土木工程领域得到广泛的应用。
水硬性、与钢筋粘结性好、耐久性、工艺简单、可塑性、低成本、多样性（2）水泥的分类水泥按用途可分为通用水泥、专用水泥和特性水泥。
通用水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合水泥专用水泥包括砌筑水泥、油井水泥特性水泥包括快硬水泥、膨胀水泥、抗硫酸盐水泥、中热水泥水泥按化学成份可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫酸盐水泥。
非晶态半导体)
非晶态半导体具有半导体性子的非晶态材料。
非晶态半导体是半导体的一个重要部门。
50年代B.T.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究，当时很少有人注重，直至1968年S.R.奥弗申斯基有关用硫系薄膜建造开关器件的专利发表往后，才导致许多人对非晶态半导体的兴趣。
1975年W.E.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分化制备的非晶硅中实现了掺杂效应,使节制电导和制造PN结成为可能,从而为非晶硅材料的应用斥地了广漠的远景。
在理论方面，P.W.安德森和N.F.莫脱成立了非晶态半导体的电子理论，并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。
今朝无论在理论方面，还是在应用方面，非晶态半导体的研究正在很快地成长着。
分类今朝首要的非晶态半导体有两大类。
①硫系玻璃。
含硫族元素的非晶态半导体。
例如As-Se、As-S，凡似的制备要领是熔体冷却或汽相沉积。
②东南西北体键非晶态半导体。
如非晶Si、Ge、GaAs等,此类材料的非晶态不能用熔体冷却的措施来获患上,只能用薄膜淀积的措施（如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等），只要衬底温度足够低，淀积的薄膜就是非晶态结构。
东南西北体键非晶态半导体材料的性子，与制备的工艺要领和工艺前提密切相干。
图1给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱,其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分化,衬底温度分别为500K和300K，c 制备工艺是溅射，d制备工艺为蒸发。
非晶硅的导电性子和光电导性子也与制备工艺密切相干。
其实,硅烷辉光放电法制备的非晶硅中,含有大量H,有时又称为非晶的硅氢合金;不同工艺前提,氢含量不同,直接影响到材料的性子。
与此相反,硫系玻璃的性子与制备要领关系不大。
图2给出了一个典型的实例，用熔体冷却和溅射的措施制备的As2SeTe2样品，它们的光吸收系数谱具有不异的曲线。
非晶态半导体的电子结构非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构，也有导带、价带和禁带（见固体的能带）。
材料的基本能带结构首要决定于于原子附近的状况，可以用化学键模子作定性的诠释。
第四章-非晶态固体
二、非晶态金属
➢ 高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，低 损耗非晶磁性材料。主要非晶态金属和合 金的结构模型。
➢ 非晶态合金统称“金属玻璃”。以极高 的速度使熔融状态的合金冷却，凝固后的 合金呈玻璃态，呈长程无序状态。
三、玻璃
玻璃的结构：由硅酸盐矿物、氧化物等经加热、 熔 融、冷却成的 一种无定形固态。
为了表示硅酸盐玻璃的网络结构特征和便于比较玻璃的性质， 引入玻璃的四个结构参数。
Z = 每个多面体中氧离子平均总数
(硅酸盐和磷酸盐玻璃中为4，硼酸盐玻璃中为3)
R＝ 玻璃中氧离子总数与网络形成离子总数之比
X＝ 每个多面体中非桥氧离子平均数
Y＝ 每个多面体中中桥氧离子平均数
参数间的关系：
X Y Z
➢ 转变温度范围微观过程：是一个结构重排过 程。结构灵敏的性能都出现明显的连续反常 变化，与晶体熔融时的性质突变有本质的不 同。
熔融态与玻璃态转变时，物理、化学性质随温度变化的连续性
性
质
Tg
Tf 温度
第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等
第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等
第三类性质：玻璃的导热系数和弹性系数等，在Tg~Tf转 变范围内有极大值的变化。
2、碱金属和碱土金属硅酸盐玻璃
➢出现非桥氧离子，二元中，当加人RO、 R2O直到SiO2:RO(或R2O)=1:1以前，结构 中硅氧网络依然存在，还能形成玻璃。加 RO，R2O到RO(R2O):SiO2=2:1以后，网络 被破坏越甚，加入越多，玻璃的核化晶化 速率也越快，形成玻璃就越困难。
2、玻璃的结构参数
硼酸盐玻璃
➢ B2O3是硼酸盐玻璃中的主要玻璃形成体。B平 均与三个氧配位，B2O3构成[BO3]3-三角体结构，BO-B键角120o，是平面三角形，形成层状结构，B －O间距为0.137nm，在同一层内B－O很强，而层 与层之间由分子键相连，层与层之间结合力弱，所 以B2O3玻璃的一些性能比SiO2玻璃要差。
第四章半导体材料
国际上普遍认为，20世纪是微电子为基础的电子 信息时代，21世纪则是微电子与光子技术结合的光子 信息时代。从而对半导体材料提出越来越高的要求。
4-1 半导体基本概念
一、本征半导体 金属：非常多自由电子。平均每个原子一个电子。 密度1022个/cm3。 绝缘体：几乎无自由电子。 半导体：介于两者之间，平均每1010-1013个原子一 个自由电子，密度1012-1019个/cm3，室温电导率10-8103(Ωcm)-1
2、非平衡载流子 光发射 电子被光激发到导带而在价带中留下空穴，状态不 稳定。由此产生的电子空穴对称为非平衡载流子。过一 段时间，电子将跃迁回价带，同时发射一个光子，称为 光发射。 光发射应用：半导体发光二极管、半 导体激光器。但非平衡载流子不是由光激 发产生，而由电子、空穴注入产生。
h
并非所有半导体都能发光。Si、Ge不发光。由能 带结构决定。间接能带结构的半导体不发光。直接能带 结构的半导体才发光。（发光材料一章介绍） Si、Ge是间接能带结构。Ⅲ-Ⅴ族化合物如GaAs、 InP是直接能带，可以发光，被用作激光器和发光管。
ⅡB-ⅥA化合物，12种（Zn、Cd、Hg——S、Se、Te）
ⅣA-ⅣA化合物，SiC等
ⅣA-ⅥA化合物，9种（GeS、GeSe、SnTe、PbS等）
ⅤA-ⅥA 化合物，AsSe3、SbS3、AsTe3、AsS3等
多元化合物
AgGeTe2、AgAsSe2、Cu2CdSnTe4等
三种元素以上
3、固溶半导体 二元互溶 AxB1-x，如Si-Ge
当T升高，电子激发到 导带，在价带留下空穴。在 电场作用下，导带中电子和 价带中空穴均导电，称为本 征导电。
二、杂质半导体
导带
1eV
第二章晶态和非晶态
2021/4/4
20
（１）向列相（型）nematic液晶
分子的重心在空间是随机分布的，但分子的长 轴沿一个方向排列是液晶称为相列型液晶。目前 生产显示品的液晶材料主要是向列型液晶；
（２）近晶相（型）smectic液晶
近晶相液晶分子呈层状排列，具有二维空间规 则性，层内分子长轴大致垂直于层面方向，质心 无序，分子间作用力强于层间作用力。特点是粘 度大，不得于作显示器材料。这种液晶多用于光 记忆材料；
非晶体如玻璃体在从液相冷却时，形成的 固体表面圆滑，没有固定的外形。
2021/4/4
6
４、晶体的熔点
晶体在受到热作用时，温度升高，组成晶体 的点阵上的原子或原子团而因振动加剧，当此振 动的能量（平动和转动）达到晶格能（晶格对原 子的束缚）时，晶体的结构被破坏，晶体开始熔 化。因晶体中各原子所处的环境相同，所以熔化 的温度也相同。所以晶体有一定的熔点，即在一 特定的温度下完全熔化。而非晶体由于各质点的 环境不同，原子或原子团所受的约束力不同。受 约束力小的部分在较低温度下开始熔化，而受约 束力大的部分此时仍不能自由运动，以固体形态 存在。
晶子学说：认为玻璃由无数“晶子”组成，带有点 阵变形的有序排列区域，这些晶子分散在无定形介 质中，晶子区到无定形区无明显界限。
2021/4/4
32
⑵玻璃的特性
①没有固定的熔点：当对玻璃加热时，只有一个 从玻璃态转变至软化的连续变化的温度范围；
②各向同性：由于结构上的特点，玻璃在力学、 光学、热学等中表现各向同性；
但是在非晶态固体中存在着短程有序，即在 每个粒子的近邻的排列有规则性，在这个小范围 内较好地保留了相应的晶态材料中的配位状况。
2021/4/4
27
半导体材料介绍
《功能材料论》论文--半导体材料介绍班级：09050102学号：28姓名：李华林半导体材料介绍学号：0905010228姓名：李华林摘要：本文主要介绍半导体材料的发展、分类、一些特性参数和制备工艺以及半导体材料在生活中的应用。
半导体在我们的日常生活中应用很广泛，半导体材料的一些结构和参数决定了它的特性。
以非晶硅a-Si:H为例，它就是一种半导体材料中的非晶态半导体，其结构和性能决定了它在制作太阳能电池方面的应用。
现在人们现在研究了有关它的一些性质，并研究和改善它的一些缺点，例如疲劳效应、载流子的寿命短和扩速长度小等。
关键词：半导体材料；导电能力；载流子；电阻率；电子；空穴；薄膜。
半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。
半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。
按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、二元化合物半导体、多元化合物半导体和非晶态半导体与有机半导体。
半导体的发展与器件紧密相关。
可以说电子工业的发展的半导体器件对材料的需求是促进半导体材料研究和开拓的强大动力；而材料质量的提高和新型半导体材料的出现，又优化了半导体器件的性能。
1941年用多晶硅制成检波器，是半导体材料的开始，1948-1950年用切克劳斯基法成功拉出了锗单晶，并用它制成了世界第一个具有放大性能的锗晶体三极管。
1951年用四氯化硅锌还原法制出了多晶硅；第二年用直拉法成功的拉出了世界上第一根硅单晶；同年制出了硅结型晶体管，从而大大推进了半导体材料的广泛应用和半导体器件的飞速发展。
60年代初，出现了硅单晶薄层外延技术，特别是硅平面工艺和平面晶体管的出现，以及相继出现的硅集成电路，对半导体材料质量提出了更高的要求，促使硅材料在提纯、拉晶、区熔等单晶制备方法方面进一步改进和提高，开始向高纯度、高完整性、高均匀性和大直径方向发展。
2.5非晶态结构详解
例如，有些非晶态合金在弛豫过程中，体积、 扩散系数和超导转变温度减少，而粘滞系数和导热 系数却增加，但其比热容、电阻率和杨氏模量等物 理量则有时增加，有时减少。
二、非晶态材料的稳定性
非晶态材料的制备过程，无论是液相急冷法（由过冷
熔体转变成非晶态材料），还是气相沉淀法（由过饱和蒸 汽转变成非晶态），都属于亚稳相之间的转变，这是由于 在转变过程中由于其能量未充分释放，其能量要比相应的 晶态高，因此是热力学的亚稳态。 非晶态材料向低能态转变： 结构驰豫：向能量较低的即较稳定的非晶亚稳态的转 变 结晶或晶化：向能量最小的稳态即晶态的转变。
2.5 非晶态结构特征
属于非晶态材料的种类很多，一般是指 以非晶态半导体和非晶态金属为主的一些普 通低分子的非晶态材料，广义上讲非晶态材 料还应包括氧化物、非氧化物玻璃和非晶态 聚合物等。
一、非晶态结构的几何特征
• 1．结构特征
– 已知晶态材料：规则的几何外形，原子排列遵 循周期性和对称性，即晶体原子的排列是长程 有序的。多种衍射实验证实。 – 非晶态材料是一种无序的结构，其原子排列具 有长程无序性和短程有序性。 – 证实手段——衍射实验
• 在非晶态中存在短程序， 即有很确定的最近邻配位 层及次近邻配位层的直接 证据是在径向分布函数中 出现了清晰可见的第一峰 和第二峰。
• 又因为，非晶态中不存在 长程序，这将表现在径向 分布函数中的三近邻配位 层以后几乎没有可分辨的 峰。
• 由分布函数不仅能说明原子近邻的分布状况，还 可以给出原子的平均近邻数。 • 如利用第 i 个峰曲线下的面积可得出相应的原子的 平均近邻数。
单晶，多晶与非晶的电子衍射图
• 非晶态材料的衍射图案:宽的晕及弥散的环所组成的，没有表 征结晶程度的任何斑点及鲜明的环。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
非晶半导体综述一、非晶半导体基本理论非晶态半导体是一门发展极为迅速的新兴学科，是凝聚态物理学中最为活跃的领域之一，已成为材料学科的一个组成部分.大量的事实说明，研究非晶态半导休的意义不仅在技术上能够产生新材料和新器件，而且对于认识固体理论中的许多基本问题也会产生深远的影响.晶态半导体的基本特征是:组成它的原子或分子作周期性排列，叫作长程有序性.基于这样的特征，利用能带理论，使得晶态半导体中的许多物理问题和半导体器件的基本原理得到了比较满意的解决.而非晶态半导体，结构上是一种共价网络，没有周期性排列的约束，所以它在结构上、光学电学性质上很不同于晶态半导体.因此，在应用上也显示了自己的特征，已呈现了巨大的应用前景. 同晶态半导体相比，非晶态半导体有以下几个重要的特点:1.在结构上，非晶态半导体的组成原子没有长程的序性.但由于原子间的键合力十分类似于晶体，通常仍保持着几个晶格常数范围内的短程序.简单地说，非晶态半导体结构上是长程无序、短程有序.2.对于大多数非晶态半导体，其组成原子都是由共价键结合在一起的，形成一种连续的共价键无规网络，所有的价电子都束缚在键内而满足最大成键数目的(8-N)规则，称此为键的饱和性，N 是原子的价电子数.3.非晶态半导体可以部分实现连续的物性控制.当连续改变组成非晶态半导体的化学组分时，其比重、相变温度、电导率、禁带宽度等随之连续变化.这样为探索新材料提供了广阔的天地.4.非晶态半导体在热力学上处于亚稳状态，在一定条件下可以转变为晶态.这是因为非晶态半导体比其相应的晶态材料有更高的晶格位能，因此处于亚稳状态.5.非晶态半导体的结构、电学、光学性质灵敏的依赖于制备条件和制备方法，因此它们的性能重复性较差.6.非晶态半导体的物理性质是各向同性的，这是因为它的结构是一种共价键无规网络结构.7.非晶态半导体材料的制备方法比较简单，大多数材料可以制成薄膜，因此用非晶材料制备的器件成本低廉，容易实现大面积和高容量.随着非晶态半导体理论的飞速发展，它已在技术领域中得到广泛应用，将形成新的产业.例如:用高效、大面积非晶硅(a-Si : H)太阳电池作的发电站已并网发电;用a-Si:H 薄膜场效应管作成大屏幕液晶显示器和平面显像电视机已在日本成为商品出售;非晶复印机鼓、a-Si : H 传感器和摄像管、非晶电致发光器件、非晶硫系半导体开关和存贮器等也正向实际应用和商品化发展.二、目前非晶态半导体发展概况虽然非晶器件迅速发展,各种性能在不断提高和改进，但还有许多理论问题和技术问题需要进一步解决.如近几年来单站非晶硅太阳电池的光电转换效率总徘徊在12%左右，非晶硅器件的稳定性问题还没有完全解决，非晶硅膜的缺陷态密度总大于315102-⨯cm ，这是为什么?又如何解决?另外，其他非晶器件性能怎样进一步提高?等等.因此，目前各国科学家做了大量的理论研究和实验工作，取得了许多进展，有不少新的结果，这将对非晶态的发展起重要作用.1.结构理论方面目前普遍认为非晶半导体的结构是一种连续共价无规网络，非晶半导体的物理性质主要是由组成固体原子的短程序决定的，即由它的近邻原子结构所确定.另外，在非晶态材料内部存在着各种形式的结构缺陷态.其中最重要的一类缺陷态是悬挂键，悬挂键结构上仍保持SP'杂化轨道成键，在无键态上有一未成对的电子，原子配位数比正常结构原子的配位数要少一个，悬挂键本身是电中性的.如将弱的Si-Si 键打断，即会形成两个Si 的悬挂键(记作Si 宝).美国的Pantelides 对a-Si : H 提出了五配位缺陷态，叫悬浮键(或浮动键)，在当时引起了一阵争论.最近，Fedders 应用“从头算分子动力学模拟”对一个具有216个Si 原子的超晶胞金刚石结构进行了“热浴和退火”，得到了较为理想的非晶硅无序网格模型，并在此基础上讨论了许多非晶体的基本理论问题，其结果和实验符合得很好.其中一个重要的结果是将悬挂键和悬浮键这两种不同定义的缺陷态给予一个统一的解释，对争论已久的悬浮键问题给了新的说明.2.硅中H 的作用和亚稳缺陷态大量实验结果表明，非晶硅的·光电特性是同a-Si : H 中H 的存在有密切关系，H 原子饱和了非晶硅中的悬挂键，使它的缺陷密度大大下降，因而非晶硅成为一种十分重要的光电材料.然而H 的存在也带来了不利的影响.由于H 在a-Si 中不只是以Si-H 键方式存在，饱和Si 悬挂键，而且还存在有((SiHHSi)-、分子氢(Hz)及双原子氢(Hi)等键合方式(见图2).而不同的氢键合方式又具有不同的结合能(E)(见图3)，因而它们在Si 中起着不同的作用.在受到光照后它们会发生不同的作用，如:H 扩散、H 溢出，产生新的复合中心和陷阱中心，这样改变了光照前Si 中H 的键合方式、H 的分布状态和H 的含量，从而使a-Si:H 的光电特性变差，这就是大家熟悉的光诱导效应，或称为S-W 效应目前对光诱导效应研究的人很多，提出了不少解释模型，在此不作一一介绍，我国学者也提出了自己的看法.3.热平衡效应近几年来，人们发现在非晶硅及其合金膜中，不仅光照可以产生新的缺陷态，而且还存在着因温度变化而引起的‘热诱导缺陷态”.由于非晶态材料是亚稳结构，它在不同温度下有不同的缺陷态密度和缺陷态类型.因此，缺陷态密度和类型与材料的制备方法、工艺条件、掺杂状况以及退火过程有关也就是说与它的热历史有关.人们利用快速冷却的方法使非晶半导体样品产生过剩的“冻结”缺陷态，再通过测量不同温度下的电导率或电子自旋态密度来研究这些冻结缺陷态密度随温度的变化行为，实验结果表明:这种缺陷态密度与测量的速度密切相关，即存在一个弛豫过程和弛豫时间，这种弛豫过程遵循指数规律.这实际上是一个热平衡过程.但是，如果该材料的弛豫过程很短，就很难准确地测出它的缺陷态密度变化.这个问题还正在进一步的研究.4.缺陷态密度的测量缺陷态密度的测量始终是研究非晶态半导体物理的一个重要内容，多年来不少学者从理论和实验上进行了大量的工作，提出了不少新的思想和新的测量方法(有十多种方法)，用以确定非晶半导体中缺陷的类型和数量.因为一个高质量的半导体样品必然存在有最低的缺陷态密度，如高效非晶硅太阳电池和高性能的非晶Si 器件都要求非晶硅薄膜中的缺陷态密度要接近或低于316/10cm .但由于H 的存在和H 的运动，外界条件的影响，掺杂(B, P)作用等因素，使非晶硅薄膜的缺陷密度远高出316/10cm .另外还存在一个实际问题，就是对同一个样品，用不同的测量方法也会得到很不同的值.最近瑞士的Wyrsch 和Finger 、美国的McMahon 和捷克的Vanecek 联合提出了如何更精确的测量a-Si:H 中的缺陷态密度方法.他们是用光热偏转谱法(PDS)和恒定光电流法(CPM)测量，用ESR 方法来标定缺陷态密度的精确值.又应用三种不同手段来确定“亚带隙吸收谱”，即重叠法、积分过剩吸收和在一个单能量处的吸收系数，最后找出了一个较简单和有足够精确度的定标值.他们对a-Si:H 测量值为2.4--316105-⨯cm ，这表明目前材料的水平还没有完全达到非晶硅器件的要求.5.光学特性及发光效应非晶态半导体的本征导电机理和晶态半导体的根本区别在于除了扩展态的电导外还有局域态电导"晶态半导体的导电主要是靠导带中的电子或价带中的空穴,而在非晶态半导体中存在扩展态!尾部定域态!禁带中的缺陷定域态等,这些状态中的电子或空穴都可能对电导有贡献,因此需要同时进行分析"另一方面,晶态半导体中的费米能级通常是随温度变化而变化的,而非晶态半导体中的费米能级通常是”钉札”在禁带之中,基本上不随温度变化.非晶半导体的光学特性主要包括有光吸收、光电导和发光三个方面.非晶半导体的光吸收系数比晶态半导体大的多，当光照后可成为一个很好的光导体，所以它具有优异的光电特性并具有重要的应用价值，在这些方面已有大量的研究工作不再多述.目前对非晶半导体的发光(尤其是电致发光)研究的较多，由于它的光学带隙在2eV 以上可发出可见光(如蓝白光)，有希望制作成大面积发光器件.两个典型的发光结构为:①玻璃/透明导电膜(TCO) / P-a-SiN : H /a-C : H/a-SiC : H/a-C:H/a-SiN : H / Al(铝)，(日本大阪大学);②玻璃l TCO / P-a-SiC : H /i-a-SiC:H (1. 95eV , 35人，I1层)/i-a-SiC:H(2.4eV , 90人,10层)/ Al,(兰州大学).目前由于发光强度较弱，还未达到实用阶段.6非晶半导体输运效应非晶半导体的输运机制要比晶态半导体复杂的多，由于结构的无序性引人了更多的缺陷能级，例如在它的导带尾、价带顶和带隙中部有定域化能级，因而在电子和空穴的输运过程中，不仅有导带和价带的贡献，而且还有这些定域化能级的贡献.在晶态中载流子是共有化运动，而在非晶态中的定域化运动是‘跳跃”式的，要克服一定的位垒能量，并同温度有密切的关系.非晶半导体输运效应包括有直流电导率，交流电导率，霍尔效应及温差电效应.人们研究得最多的要算直流电导率σ，其表达式为:上式的前三项分别对应于扩展态电导、带尾态电导和带隙中缺陷定域态电导，第四项是在极低温度下带隙定域态的变程跳跃导电.对霍尔效应目前虽有一些工作，但还存在不少困难，尤其是对它的符号(正或负)还不易说明.目前在输运效应方面的进展，主要是在强电场和极低温度下的非线性效应，如Nebel研究了非晶硅的强场(>)和低温下(l OK-300K)的输运特性，发现强场产生了很强的非线性，使ad和he改变了几个量级Juska还研究了低温量子效应、迁移率和载流子寿命乘积(RT)的强场效应，提出一些解释7.硫系非晶半导体硫系材料的研究已有很长的历史了。
从50年代开始,苏联科学家就揭开了硫系元素和化合物非晶态半导体材料的各种特性。
在1968年,Ovshinky发现了硫系材料开关和存储效应以后,在大容量图象存储器、可逆光存储器、静电复印等方面得到了充分的发展。
目前硫系元素的研究又有了它较新的进展和广泛的实际应用前景,这包括:快速可擦可写光记录介质的研究,比如半导体相变光盘;四波混频和全息记录的研究;微透镜,光波导,布拉格反射镜以及在光通信领域中的应用。
早期利用热处理、电子束辐射或激光辐射, 研究材料的晶化、非晶化特性和现象,同时对材料在光学和电学上的一些实验现象进行研究以揭示材料内部结构和特性。
目前的实验一般多利用激光作为辐射源,从材料的反射率、透射率以及相应的如x射线衍射,Raman散射以及电镜、原子力显微镜等测试仪器,探索材料的结构和特性,开发材料的新用途。