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。

以东南西北体键的非晶Ge、Si为例，Ge、Si中4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，基本结合方式是不异的，只是在非晶态中键角和键长有一定水平的畸变，因而它们的基本能带结构是相类似的。

然而，非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有着本质的区分。

晶态半导体的结构是周期有序的，或说具有平移对称性，电子波函数是布洛赫函数,波矢k是与平移对称性相联系的量子数，非晶态半导体不存在有周期性，k 不再是好的量子数。

晶态半导体中电子的运动是比较自由的，电子运动的平均自由程远大于原子间距；非晶态半导体中结构缺陷的畸变要患上电子的平均自由程大大减小，当平均自由程靠近原子间距的数量级时，在晶态半导体中成立起来的电子漂移运动的观点就变患上无谓了。

非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样子陡,而是拖有不同水平的带尾（如图3所示）。

非晶态半导体能带中的电子态分为两类：一类称为扩展态，另外一类为局域态。

处在扩展态的每一个电子，为整个固体所共有，可以在固体整个尺度内找到；它在外场中运动类似于结晶体中的电子；处在局域态的每一个电子基本局限在某一区域，它的状况波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零，它们需要靠声子的协助，举行跳跃式导电。

在一个能带中，带中间部门为扩展态,带尾部门为局域态,它们之间有一分界处,如图4中的Ec和E婞，这个分界处称为迁移率边。

1960年莫脱起首提出了迁移率边的观点。

如果把迁移率看成是电子态能+量E的函数,莫脱以为在分界处Ec和E婞存在有迁移率的突变。

局域态中的电子是跳跃式导电的，依靠与点阵振荡互换能+量，从一个局域态跳到另外一个局域态，因而当温度T趋向0K时,局域态电子迁移率趋于零。

扩展态中电子导电类似于结晶体中的电子，当T趋于0K时,迁移率趋向有限值。

莫脱进一步以为迁移率边对应于电子平均自由程靠近于原子间距的环境，并界说这类环境下的电导率为最小金属化电导率σ。

然而，今朝围绕着迁移率边和最小金属化电导率仍有争论。

缺陷非晶态半导体与晶态相比较，其中存在大量的缺陷。

这些个缺陷在禁带之中引入一系列局域能量级，它们对非晶态半导体的电学和光学性子有着重要的影响。

东南西北体键非晶态半导体和硫系玻璃，这两类非晶态半导体的缺陷有着显著的不同。

非晶硅中的缺陷首要是空位、微浮泛。

硅原子外层有4个价电子，没事了环境应与近邻的4个硅原子形成4个共价键。

存在有空位和微浮泛要患上有些硅原子周围4个近邻原子不足，而孕育发生一些悬挂键，在中性悬挂键上有一个未成键的电子。

悬挂键另有两种可能的带电状况：开释未成键的电子成为正电中间，这是施主态；接受第2个电子成为阴电中间，这是受主态。

它们对应的能量级在禁带之中，分别称为施主和受主能量级。

因为受主态暗示悬挂键上有两个电子占领的环境，两个电子间的库仑排斥效用，要患上受主能量级位置高于施主能量级，称为正相干能。

是以在一般环境下，悬挂键保持只有一个电子占领的中性状况，在实验中观察到悬挂键上未交尾电子的自旋共振。

1975年斯皮尔等人哄骗硅烷辉光放电的要领，起首实现非晶硅的掺杂效应，就是因为用这类措施制备的非晶硅中含有大量的氢，氢与悬挂键结合大大减少了缺陷态的数量。

这些个缺陷同时是有效的复合中间。

为了提高非均衡载流子的生存的年限，也必需减低缺陷态密度。

是以，节制非晶硅中的缺陷，成
为今朝材料制备中的关键问题之一。

硫系玻璃中缺陷的情势不是简单的悬挂键,而是"换价对"。

最初,许多人发明硫系玻璃与非晶硅不同，观察不到缺陷态上电子的自旋共振，针对这外貌上的反常征象，莫脱等人按照安德森的负相干能的设想,提出了MDS模子。

当缺陷态上占领两个电子时，会引出发点阵的畸变，若因为畸变减低的能+量跨越电子间库仑排斥效用能，则体现出有负的相干能，这就象征着受主能量级位于施主能量级之下。

用D+、D0、D- 分别代表缺陷上不据有、据有一个、据有两个电子的状况，负相干能象征着：
2D0 ─→D++D-
是放热的。

因而缺陷首要以D+、D-情势存在，不存在未交尾电子，以是没有电子的自旋共振。

不少人对D0、D+、D-缺陷的结构作了分析。

以非晶态硒为例，硒有六个价电子，可以形成两个共价键，凡是呈链状结构，别的有两个未成键的p电子称为孤对电子。

在链的端点处相当于有一个中性悬挂键，这个悬挂键很可能发生畸变，与临近的孤对电子成键并放出一个电子（形成D+），放出的电子与另外一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D-)，如图5所示。

是以又称这类D+、D-为换价对。

因为库仑吸引效用，要患上D+、D-凡是
是成对地精密靠在一路，形成精密换价对。

硫系玻璃中成键方式只要有很小变化就可以形成一组精密换价对,如图6所示，它只需很小的能+量，有自加强效应，因而这类缺陷的浓度凡是是很高的。

哄骗换价对模子可以诠释硫属非晶态半导体的光致闪光光谱、光致电子自旋
共振等一系列实验征象。

应用非晶态半导体在技能领域中的应用存在着很大的潜在力量，非晶硫早已经广泛应用在拷贝技能中，由S.R.奥夫辛斯基创始的As-Te-Ge-Si系玻璃半导体建造的电可改写主读储存器已经有产品生产，哄骗光电子脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这类性子建造的光储存器正在研制之中。

对于非晶硅的应用今朝研究至多的是日头能干电池。

非晶硅比结晶体硅制备工艺简单，便于做成大面积，非晶硅对于日头光的吸见效率高,器件只需约莫1微米厚的薄膜材料，是以，有希望做成一种廉价的日头能干电池，现已经遭到能量物质专业人士的重视。

这段已经有人实验把非晶硅场效应结晶体管用于液态晶体显示和集成电路。