Amorf halvledare

Amorf halvledare  - ett ämne i amorft tillstånd , som har ett antal egenskaper som är karakteristiska för kristallina halvledare . Sådana egenskaper inkluderar i synnerhet ett starkt temperaturberoende av elektrisk konduktivitet , förekomsten av en optisk absorptionströskel [1] [2] [3] . Vikten av dessa material beror på de unika egenskaperna som öppnar stora möjligheter för deras praktiska användning. De mest studerade amorfa halvledarna är amorft germanium och kisel , legeringar av kalkogenider med olika metaller (till exempel As - S - Se , As - Ge -Se- Te ), glasaktigt selen och tellur .

Fysiska egenskaper

Elektronisk struktur

Egenskaperna hos amorfa halvledare som oordnade system , för vilka det inte finns någon ordning på lång räckvidd , kan inte förklaras utifrån den klassiska bandteorin för kristaller. Atomer i en amorf halvledare bildar istället för ett ordnat arrangemang ett kontinuerligt slumpmässigt nätverk. På grund av sin struktur har vissa atomer hängande bindningar, som i själva verket är defekter i ett kontinuerligt slumpmässigt nätverk och kan leda till onormal elektrisk ledningsförmåga hos materialet. Men på grund av förekomsten av kortdistansordning i amorfa halvledare, liknar vissa egenskaper hos elektronenergispektrumet och elektroniska egenskaper de hos kristallina halvledare . Även om energispektrumet för amorfa halvledare liknar energispektrumet för kristallina, är det inte identiskt med det.

Båda typerna av halvledare kännetecknas av närvaron av ett valensband , ett bandgap och ett ledningsband. Formerna för fördelning av tillståndstätheten i valens- och ledningsbanden är också nära. Samtidigt skiljer sig strukturen av tillstånden i bandgapet i icke-kristallina halvledare från kristallina. Istället för det väldefinierade bandgapet som observeras i kristallina halvledare, innehåller bandgapet för amorfa halvledare lokaliserade tillstånd på grund av strukturell störning, som bildar svansar av tätheten av tillstånd ovanför valensbandet och under ledningsbandet. Dessa svansar av lokaliserade tillstånd fortplantar sig in i bandgapet med några tiondelar av en eV . De tillstånd som är närmare mitten av bandgapet är mer lokaliserade ("små" lokaliserade tillstånd), de som är närmare kanterna på banden förlängs. En sådan analog av bandgapet för halvledare, i amorfa halvledare, är helt fylld med lokala nivåer, kallas mobilitetsgapet eller mobilitetsbandsgapet, och gränserna för mobilitetsgapet som skiljer de lokaliserade och delokaliserade tillstånden kallas mobilitetströsklar .

"Små" lokaliserade tillstånd i svansarna av zonerna, som är i termiskt utbyte med delokaliserade tillstånd över rörlighetströskeln, är "stickande" nivåer. Multipelfångst minskar kraftigt driftrörligheten hos strömbärare. Interaktionen av fria elektroner i tillåtna band med "grunda" lokaliserade tillstånd i bandens svansar orsakar övergången till överföringens driftkaraktär. Om systemet av lokaliserade tillstånd kännetecknas av en hög densitet, ersätts driften av dispersiv transport [4] .

Konduktivitet

För amorfa halvledare särskiljs tre mekanismer för elektrisk ledningsförmåga , som råder i olika temperaturområden [2]  :

.

Denna typ av ledning, analog med den inneboende ledningen av kristallina halvledare, dominerar vid höga temperaturer;

.

Hoppledning dominerar vid låga temperaturer. I kalkogenid glasartade ledare kan den effektiva interaktionen mellan lokaliserade elektroner ha karaktären av attraktion; detta leder till att de parar sig, och hoppledning observeras i allmänhet inte.

Till skillnad från kristallina är de flesta amorfa halvledare praktiskt taget okänsliga för tillsats av föroreningar . Förklaringen kan ligga i att i amorfa ämnen kan en sådan omarrangemang av bindningar ske, där alla valenselektroner i föroreningsatomen kommer att delta i bindningarna. Så, till exempel, i kristallint kisel, bildar fosforatomen fyra kovalenta bindningar . Det antas att i amorft kisel är fosforatomen omgiven av fem kiselatomer. Om så är fallet kommer föroreningsnivåer inte att bildas.

Det bör noteras att driftmobiliteten för strömbärare i amorfa halvledare är mycket lägre än rörligheten i kristaller. De flesta amorfa halvledare kännetecknas av avsevärd fotokonduktivitet .

Växlingseffekt

För många kalkogenidglasartade halvledare i metall-halvledarfilmsystem observeras en snabb (~ 10–10 s ) omvänd effekt av att byta från ett högresistans till ett lågresistanstillstånd, där konduktiviteten ökar med flera storleksordningar under verkan av ett starkt elektriskt fält [5] . I synnerhet är det omkoppling med "minne", när lågresistanstillståndet bevaras även efter avlägsnandet av det elektriska fältet (Ovchinsky-effekten). Detta "minne" raderas av en stark och kort strömpuls. Den enda teorin som skulle förklara detta fenomen har inte skapats från och med 2019, bara ett antal modeller och hypoteser har utvecklats , även om motsvarande amorfa halvledare redan används för att skapa minneselement.

Omkopplingseffektens natur kan vara antingen elektronisk på grund av injiceringen av strömbärare från en metallkontakt till en halvledare, eller termisk på grund av strömklämningseffekten . Bärarinsprutning kan uppnås genom att applicera en hög spänning mellan metallkontakter på ytan av en amorf halvledare. Om spänningen minskas, "faller" elektronerna från de ledande tillstånden i fällor nära den övre kanten av mobilitetsgapet, varifrån de sedan lätt kan exciteras in i ledningsbandet. Denna icke-jämviktssituation kan leda till en sådan population av energitillstånd nära den övre kanten av mobilitetsgapet, som om Fermi-nivån hade stigit till denna region. Som ett resultat kommer konduktiviteten hos halvledaren att öka. På grund av omkopplingseffektens termiska natur uppträder ett varmt "filament" i ledaren, som ett resultat av en temperaturökning där konduktiviteten hos ämnet i den också ökar. En ökning av temperaturen är en följd av frigörandet av Joule-Lenz-värme under passagen av en elektrisk ström genom en halvledare.

Optiska egenskaper

De optiska egenskaperna hos amorfa halvledare beror på deras elektroniska struktur. Studiet av optiska egenskaper ger omfattande information om bandstrukturen [6] . En jämförelse av de optiska egenskaperna hos icke-kristallina halvledare med kristallina indikerar likheten mellan dessa egenskaper, men inte identiteten. I absorptionsspektra för amorfa halvledare, såväl som kristallina, finns det ett inneboende absorptionsband, vars kantposition bestämmer bredden på det optiska bandgapet. Den optiska absorptionskoefficienten för amorfa halvledare sjunker märkbart till en viss tröskelfrekvens . Därför, beroende på metoden för att erhålla en amorf halvledare, observeras två typer av beteende:

Förekomsten av en absorptionskant kan förklaras av det faktum att, trots den höga koncentrationen av lokaliserade tillstånd i det förbjudna mobilitetsbandet, är optiskt exciterade övergångar mellan lokaliserade tillstånd osannolika på grund av det stora avståndet.

Frekvensberoendet för absorptionskoefficienten i området för den optiska "svansen" beskrivs väl av Urbach-regeln [7] :

,

var finns någon karakteristisk energi. I området för frekvenser som överskrider tröskeln beskrivs frekvensberoendet för absorptionskoefficienten ganska väl av formeln

.

Om vi ​​jämför absorptionsspektra för en amorf halvledare och samma halvledare i det kristallina tillståndet, så sker, förutom förskjutningen av absorptionskanten till det långa våglängdsområdet, en breddning av det spektrala maximumet, som förskjuts till kortvåglängdsområde. Topparna i spektrat som motsvarar singulära van't-Hoff-punkter i kristallina halvledare är vanligtvis "utsmetade" i amorfa halvledare, ibland försvinner de helt.

Excitonlinjer i de optiska absorptionsspektra för amorfa halvledare observeras som regel inte [7] .

Många amorfa halvledare kännetecknas av uttalad fotokonduktivitet , men till skillnad från kristallina halvledare, kan koncentrationen av fotoexciterade icke-jämviktsströmbärare i dem vara en storleksordning högre än koncentrationen av jämviktsbärare vid samma temperatur. Fotokonduktivitetens beroende av ljusintensiteten i de flesta amorfa halvledare kan beskrivas med beroendet där

Erhålla amorfa halvledare

Teknik för att erhålla amorfa halvledare är enklare och mer produktiva än tekniker för att erhålla kristallina, vilket avsevärt minskar kostnaderna för motsvarande material och produkter baserade på dem. Amorft kisel och germanium framställs genom att förånga och kondensera dem i högvakuum eller genom katodförstoftning i ett argonplasma .

Praktisk tillämpning

Den praktiska tillämpningen av amorfa halvledare bestäms av egenskaperna hos deras struktur, egenskaper, kemisk beständighet och mekanisk styrka , såväl som tillverkningsbarheten av deras bearbetning och möjligheten att erhålla material med önskade egenskaper. Fördelarna med oordnade halvledare, som bestämmer deras praktiska tillämpning, i jämförelse med kristallina, är följande [8] :

Amorfa halvledare används för att skapa fotoelektriska omvandlare , tunnfilmstransistorer , minneselement , flytande kristallskärmar . Vissa enheter för inspelning av optiska bilder kunde endast skapas genom användning av amorfa halvledare. Sådana anordningar inkluderar till exempel TV-rör av typen " vidicon ", moderna kopiatorer och inspelningsmedia av typen "kalkogenid glasartad halvledare-termoplast".

Historik

År 1956 upptäckte N. A. Goryunova och B. T. Kolomiets att vissa glasartade kalkogenider har halvledaregenskaper. Uppenbarelsen av detta faktum, såväl som följande grundläggande verk av A. F. Ioffe , A. R. Regel , A. I. Gubanov, N. Mott och E. Davis, blev drivkraften för ett stort antal teoretiska och experimentella studier av amorfa halvledare.

1960 föreslog Ioffe och Regel att de elektriska egenskaperna hos amorfa halvledare inte bestäms av långdistans utan av kortdistansordning. Baserat på denna idé utvecklades teorin om oordnade material, vilket gjorde det möjligt att förklara många egenskaper hos icke-kristallina ämnen. 1961-1962 upptäckte A. D. Pearson, B. T. Kolomiyts, S. G. Ovshinsky oberoende av omkopplingseffekten. I patentlitteraturen kallas den omkopplingseffekt som Ovshinsky fick ett amerikanskt patent för 1963 för Ovshinsky-effekten. Han påpekade först möjligheten att använda växlingseffekten för att skapa minneselement. Betydande framsteg inom teoretisk och experimentell forskning, liksom utsikterna för praktisk användning av amorfa halvledare, har bidragit till ett betydande ökat intresse för dem från det vetenskapliga samfundet.

Den största framgången uppnåddes här i början av 70-talet, när industriell teknik utvecklades för att erhålla amorfa halvledarhalider, från vilka kineskop, glödurladdningsfluorescerande lampor, optiska minnesenheter, polarisationsomkopplare , processorer för fotolitografi och liknande tillverkades.

År 1972 hölls det första mötet för det japanska permanenta seminariet om fysik och användningen av amorfa halvledare under ledning av Ceramic Society of Japan [9] . Från 1974 till 1982 hölls seminarier om fysik och användning av amorfa halvledare nästan årligen. Upptäckten 1976 av möjligheten att dopa amorft kisel (a-Si) erhållet i en glödurladdning , markerade början på användningen av dess fotokonduktiva egenskaper förknippade med stark optisk absorption i den synliga delen av spektrumet . 1979 skapades den första tunnfilmstransistorn baserad på a-Si.

Anteckningar

  1. ↑ Mott, 1982 .
  2. ↑ 1 2 Gorelik, 1986 .
  3. ↑ Zabrodsky, 2000 .
  4. ↑ Vasin A. V., 2016 .
  5. ↑ Chaban, 2007 .
  6. ↑ Meden A., 1991 .
  7. ↑ 1 2 Namngiven av V. F., 2004 .
  8. ↑ Popov, 2009 .
  9. ↑ Hamakawa Y., 1986 .

Källor