Amorf halvleder

Amorf halvleder - et stof i amorf tilstand , som har en række egenskaber, der er karakteristiske for krystallinske halvledere . Sådanne egenskaber omfatter især en stærk temperaturafhængighed af elektrisk ledningsevne , eksistensen af en optisk absorptionstærskel [1] [2] [3] . Betydningen af disse materialer skyldes de unikke egenskaber, der åbner store muligheder for deres praktiske anvendelse. De mest undersøgte amorfe halvledere er amorft germanium og silicium , legeringer af chalcogenider med forskellige metaller (for eksempel As - S - Se , As - Ge - Se - Te ), glasagtigt selen og tellur .

Fysiske egenskaber

Elektronisk struktur

Amorfe halvlederes egenskaber som uordnede systemer , for hvilke der ikke er nogen lang rækkefølge , kan ikke forklares ud fra den klassiske båndteori for krystaller. Atomer i en amorf halvleder danner i stedet for et ordnet arrangement et kontinuerligt tilfældigt netværk. På grund af deres struktur har nogle atomer dinglende bindinger, som faktisk er defekter i et kontinuerligt tilfældigt netværk og kan føre til unormal elektrisk ledningsevne af materialet. Men på grund af tilstedeværelsen af kortrækkende orden i amorfe halvledere , ligner nogle træk ved elektronenergispektret og elektroniske egenskaber dem for krystallinske halvledere. Selvom energispektret af amorfe halvledere ligner energispektret af krystallinske, er det ikke identisk med det.

Begge typer halvledere er karakteriseret ved tilstedeværelsen af et valensbånd , et båndgab og et ledningsbånd. Formerne for fordeling af tætheden af tilstande i valens- og ledningsbåndene er også tætte. Samtidig adskiller strukturen af tilstande i båndgabet i ikke-krystallinske halvledere sig fra krystallinske. I stedet for det veldefinerede båndgab, der observeres i krystallinske halvledere, indeholder båndgabet af amorfe halvledere lokaliserede tilstande på grund af strukturel uorden, som danner haler af tætheden af tilstande over valensbåndet og under ledningsbåndet. Disse haler af lokaliserede tilstande forplanter sig ind i båndgabet med et par tiendedele af en eV . De tilstande, der er tættere på midten af båndgabet, er mere lokaliserede ("små" lokaliserede tilstande), dem, der er tættere på kanterne af båndene, forlænges. En sådan analog af båndgabet af halvledere, i amorfe halvledere, er fuldstændig fyldt med lokaliserede niveauer, kaldes mobilitetsgabet eller mobilitetsbåndgabet, og grænserne for mobilitetsgabet, der adskiller de lokaliserede og delokaliserede tilstande, kaldes mobilitetstærskler .

"Små" lokaliserede tilstande i halerne af zonerne, som er i termisk udveksling med delokaliserede tilstande over mobilitetstærsklen, er "klæbende" niveauer. Multipel optagelse reducerer kraftigt strømbærernes driftmobilitet. Interaktionen af frie elektroner i tilladte bånd med "fladvandede" lokaliserede tilstande i båndnes haler forårsager overgangen til overførslens drift. Hvis systemet af lokaliserede tilstande er karakteriseret ved en høj tæthed, så erstattes driften af dispersiv transport [4] .

Ledningsevne

For amorfe halvledere skelnes der mellem tre mekanismer for elektrisk ledningsevne , som er fremherskende i forskellige temperaturområder [2] :

ledningsevne på grund af bærere i delokaliserede tilstande, hvis temperaturafhængighed er beskrevet ved udtrykket:

{\displaystyle \sigma =\sigma _{1}e^{-\Delta E/kT))

Denne type ledning, analog med den iboende ledning af krystallinske halvledere, dominerer ved høje temperaturer;

ledning på grund af bærere exciteret til lokaliserede tilstande i "halerne" af båndene .
ledning på grund af bærere, der hopper mellem lokaliserede tilstande nær Fermi-niveauet, det vil sige hoppeledning, som er beskrevet af Mott-formlen for det tredimensionelle tilfælde:

\sigma =\sigma _{3}e^{-(T_{0}/T)^{1/4))

Hoppeledning dominerer ved lave temperaturer. I chalcogenid glasagtige ledere kan den effektive interaktion mellem lokaliserede elektroner have karakter af tiltrækning; dette fører til deres parring, og hoppeledning observeres generelt ikke.

I modsætning til krystallinske er de fleste amorfe halvledere praktisk talt ufølsomme over for tilsætning af urenheder . Forklaringen kan ligge i, at der i amorfe stoffer kan ske en sådan omlejring af bindinger, hvor alle urenhedsatomets valenselektroner vil deltage i bindingerne. Så for eksempel i krystallinsk silicium danner phosphoratomet fire kovalente bindinger . Det antages, at i amorft silicium er fosforatomet omgivet af fem siliciumatomer. Hvis dette er tilfældet, vil der ikke dannes urenhedsniveauer.

Det skal bemærkes, at strømbærernes driftmobilitet i amorfe halvledere er meget lavere end mobiliteten i krystaller. De fleste amorfe halvledere er kendetegnet ved mærkbar fotokonduktivitet .

Skiftende effekt

For mange chalcogenid glasagtige halvledere i metal-halvlederfilmsystemer observeres en hurtig (~ 10-10 s ) omvendt effekt af at skifte fra en tilstand med høj modstand til en tilstand med lav modstand, hvor ledningsevnen stiger med flere størrelsesordener under virkningen af et stærkt elektrisk felt [5] . Især er der skift med "hukommelse", når lav-modstandstilstanden bevares selv efter fjernelse af det elektriske felt (Ovchinsky-effekt). Denne "hukommelse" slettes af en stærk og kort strømimpuls. Den eneste teori, der ville forklare dette fænomen, er ikke blevet oprettet i 2019, kun en række modeller og hypoteser er blevet udviklet , selvom de tilsvarende amorfe halvledere allerede bliver brugt til at skabe hukommelseselementer.

Naturen af omskiftningseffekten kan enten være elektronisk på grund af indsprøjtning af strømbærere fra en metalkontakt ind i en halvleder eller termisk på grund af den aktuelle klemmeeffekt . Bæreindsprøjtning kan opnås ved at påføre en højspænding mellem metalkontakter på overfladen af en amorf halvleder. Hvis spændingen reduceres, så "falder" elektronerne fra de ledende tilstande ind i fælder nær den øvre kant af mobilitetsgabet, hvorfra de så let kan exciteres ind i ledningsbåndet. Denne ikke-ligevægtssituation kan føre til en sådan population af energitilstande nær den øvre kant af mobilitetsgabet, som om Fermi-niveauet var steget til denne region. Som et resultat vil ledningsevnen af halvlederen stige. På grund af omskiftningseffektens termiske natur vises et varmt "filament" i lederen som følge af en temperaturstigning, hvor ledningsevnen af stoffet i den også øges. En stigning i temperaturen er en konsekvens af frigivelsen af Joule-Lenz varme under passagen af en elektrisk strøm gennem en halvleder.

Optiske egenskaber

De optiske egenskaber af amorfe halvledere skyldes deres elektroniske struktur. Studiet af optiske egenskaber giver omfattende information om båndstrukturen [6] . En sammenligning af de optiske egenskaber af ikke-krystallinske halvledere med krystallinske angiver ligheden mellem disse egenskaber, men ikke identiteten. I absorptionsspektrene for amorfe halvledere, såvel som krystallinske, er der et iboende absorptionsbånd, hvis kantposition bestemmer bredden af det optiske båndgab. Den optiske absorptionskoefficient for amorfe halvledere falder mærkbart til en vis tærskelfrekvens . Derfor, afhængigt af metoden til at opnå en amorf halvleder, observeres to typer adfærd: $\alpha (\omega )$ $\omega_0$

den optiske absorptionskoefficient afbryder brat ved tærskelfrekvensen, falder praktisk talt til nul og danner en skarp kant af zonen (absorptionskant)
den optiske absorptionskoefficient falder kun, forbliver finit i frekvensområdet under tærsklen, og danner en "hale" i absorptionsspektret.

Tilstedeværelsen af en absorptionskant kan forklares ved, at på trods af den høje koncentration af lokaliserede tilstande i det forbudte mobilitetsbånd, er optisk exciterede overgange mellem lokaliserede tilstande usandsynlige på grund af den store afstand.

Frekvensafhængigheden af absorptionskoefficienten i området af den optiske "hale" er godt beskrevet af Urbach-reglen [7] :

{\displaystyle \alpha (\omega )\sim \exp\{-h(\omega -\omega _{0})/2\pi \mathrm {E} \))

hvor er en eller anden karakteristisk energi. I området med frekvenser, der overstiger tærsklen, er frekvensafhængigheden af absorptionskoefficienten ret godt beskrevet af formlen $\mathrm{E}$

\alpha (\omega )\thicksim (\omega -\omega _{0})^{2}/\omega

Hvis vi sammenligner absorptionsspektrene for en amorf halvleder og den samme halvleder i den krystallinske tilstand, så sker der udover forskydningen af absorptionskanten til det lange bølgelængdeområde en udvidelse af det spektrale maksimum, som forskydes til kort bølgelængde område. Toppene i spektrene svarende til enkeltstående van't-Hoff-punkter i krystallinske halvledere er sædvanligvis "udtværet" i amorfe halvledere, nogle gange forsvinder de helt. $\alpha (\omega )$

Excitonlinjer i de optiske absorptionsspektre for amorfe halvledere observeres som regel ikke [7] .

Mange amorfe halvledere er karakteriseret ved udtalt fotokonduktivitet , men i modsætning til krystallinske halvledere kan koncentrationen af fotoexciterede ikke-ligevægtsstrømbærere i dem være en størrelsesorden højere end koncentrationen af ligevægtsbærere ved samme temperatur. Fotokonduktivitetens afhængighed af lysintensiteten i de fleste amorfe halvledere kan beskrives ved afhængigheden , hvor ${\displaystyle \sigma _{\phi ))$ $jeg$ $\sigma _{\phi}\sim I^{n},$ $0{,}5\leq n\leq 1.$

Indhentning af amorfe halvledere

Teknologier til opnåelse af amorfe halvledere er enklere og mere produktive end teknologier til opnåelse af krystallinske, hvilket betydeligt reducerer omkostningerne ved de tilsvarende materialer og produkter baseret på dem. Amorft silicium og germanium fremstilles ved at fordampe og kondensere dem i højvakuum eller ved katodesputtering i et argonplasma .

Praktisk anvendelse

Den praktiske anvendelse af amorfe halvledere bestemmes af deres struktur, egenskaber, kemisk resistens og mekanisk styrke , såvel som fremstillingsevnen af deres forarbejdning og muligheden for at opnå materialer med ønskede egenskaber. Fordelene ved uordnede halvledere, som bestemmer deres praktiske anvendelse, sammenlignet med krystallinske, er som følger [8] :

det praktiske fravær af restriktioner på området;
lave (sammenlignet med enkeltkrystaller) produktionsomkostninger, svag størrelse-omkostningsforhold;
muligheden for at fremstille elektroniske matricer på ikke-krystallinske substrater;
forholdet mellem nogle elektrofysiske egenskaber, der ikke er tilgængelige i krystaller;
tilstedeværelsen af unikke effekter, der er fraværende i krystaller og tillader udvikling af enheder baseret på nye principper.

Amorfe halvledere bruges til at skabe fotoelektriske omformere , tyndfilmstransistorer , hukommelseselementer, flydende krystalskærme . Nogle enheder til optagelse af optiske billeder kunne kun skabes ved brug af amorfe halvledere. Sådanne anordninger indbefatter f.eks. fjernsynsrør af typen " vidicon ", moderne fotokopimaskiner og optagemedier af typen "chalcogenid glasagtig halvleder-termoplastisk".

Historie

I 1956 opdagede N. A. Goryunova og B. T. Kolomiets, at nogle glasagtige chalcogenider har halvlederegenskaber. Afsløringen af denne kendsgerning, såvel som de følgende grundlæggende værker af A. F. Ioffe , A. R. Regel , A. I. Gubanov, N. Mott og E. Davis, blev drivkraften til et stort antal teoretiske og eksperimentelle undersøgelser af amorfe halvledere.

I 1960 foreslog Ioffe og Regel, at de elektriske egenskaber af amorfe halvledere ikke bestemmes af lang rækkevidde, men af kort rækkefølge. Baseret på denne idé blev teorien om uordnede materialer udviklet, som gjorde det muligt at forklare mange egenskaber ved ikke-krystallinske stoffer. I 1961-1962 opdagede A. D. Pearson, B. T. Kolomiyts, S. G. Ovshinsky uafhængigt skifteeffekten. I patentlitteraturen kaldes den switching-effekt, som Ovshinsky modtog et amerikansk patent på i 1963 , Ovshinsky-effekten. Han påpegede først muligheden for at bruge switching-effekten til at skabe hukommelseselementer. Betydelige fremskridt inden for teoretisk og eksperimentel forskning, såvel som udsigterne for den praktiske anvendelse af amorfe halvledere, har bidraget til en betydelig stigning i interessen for dem fra det videnskabelige samfund.

Den største succes blev opnået her i begyndelsen af 70'erne, da industrielle teknologier blev udviklet til at opnå amorfe halvlederhalogenider, hvorfra kineskoper, glødeudladningsfluorescerende lamper, optiske hukommelsesenheder, polarisationsafbrydere , processorer til fotolitografi og lignende blev fremstillet.

I 1972 blev det første møde i det japanske permanente seminar om fysik og brug af amorfe halvledere afholdt under ledelse af Ceramic Society of Japan [9] . Fra 1974 til 1982 blev der næsten årligt afholdt seminarer om fysik og brugen af amorfe halvledere. Opdagelsen i 1976 af muligheden for at dope amorft silicium (a-Si) opnået i en glødeudladning , markerede begyndelsen på brugen af dets fotoledende egenskaber forbundet med stærk optisk absorption i den synlige del af spektret . I 1979 blev den første tyndfilmstransistor baseret på a-Si skabt.

Kilder

Gubanov AI Kvanteelektronisk teori om amorfe halvledere. — M., L.: AN SSSR, 1963. — 250 s. (Russisk)
Amorfe halvledere og enheder baseret på dem / red. Gorelik S.S. - M . : Metallurgy, 1986. - 366 s. (Russisk)
Chaban I. A. Skiftende effekt i chalcogenidglas // Faststoffysik. - 2007. - T. 49 . - S. 405-410 . (Russisk)
Mott N., Davis E. Elektroniske processer i ikke-krystallinske stoffer. - 2. udg., revideret. og yderligere — M .: Mir, 1982. — 386 s. (Russisk)
Zabrodsky A. G., Nemov S. A., Ravich Yu. I. Elektroniske egenskaber ved uordnede systemer. - St. Petersborg: "Nauka", 2000. - 70 s. — ISBN 5-02-024927-0 . (Russisk)
Meden A. Fysik og anvendelse af amorfe halvledere: pr. fra engelsk. / A. Meden, M. Sho. — M .: Mir, 1991. — 670 s. — ISBN 5-03-001895-6 . (Russisk)
Navngivet VF Physics of disordered semiconductors: Proc. tilskud til studerende. fysisk og pels - mat. fak .. - Saratov: Publishing House "Saratov", 2004. - 56 s. - ISBN 5-292-03340-5 . (Russisk)
Popov A.I. Amorfe halvledere i mikro- og nanoelektronik // Supplement til tidsskriftet "Vestnik RGTU". - 2009. - Nr. 4 . — ISSN 1995-4565 . (Russisk)
Doynikov L. I. Amorfe servietter: fra idéer til brygning / L.I. Doynikov, V.T. Maslyuk .. - Kiev: T-vo "Knowledge", URSR, 1984. - 47 s.
Hamakawa Y. Amorfe halvledere og enheder baseret på dem. Redigeret af Doctor of Technical Sciences S.S. Gorelik .. - M . : Metallurgy, 1986. - 376 s. (Russisk)
Vasin A. V. Strukturel-morfologisk, elektronisk og optisk kraft af amorfe nanokompositmaterialer baseret på SiOC-plader: dis. for videnskabens skyld. grad af doktor i fys.-matematik. Videnskaber: 01.04.17 . — K. : Institut for Fysik Napіvprovіdnikov im. V. Є. Lashkarova NAS fra Ukraine, 2016. - 328 s.