第十三章 非晶态半导体.pdf

第十三章 非晶态半导体 第十三章Part 1 第十三章Part 1 13.1 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。 3、非晶态半导体能带边态密度的分布不像晶态那样陡，而是拖有 不同程度的带尾（如图所示）。 二、电子态 非晶态半导体能带中的电子态分为两类：一类为扩展态，一类为局域态。 处于扩展态中的每个电子，为整个固体所共有，可以在固体整个尺度内存在， 它在外场作用下的运动类似于晶体中的电子；处在局域态中的每个电子，基本 局限在某一区域内，它的状态波函数只能在围绕某一点的一个有限尺度内显著 不为零，它们需要靠声子的协助，进行跳跃式导电。 二、电子态 在一个能带中，带中心部分为扩展态，带尾部分为局域态，它们之间有一 分界处，如图中的 EC 和 E V ，这个分界处称为迁移率边。 二、电子态 局域态中的电子是跳跃式导电的，依靠与点阵振动交换能量，从一个局 域态跳跃到另一个局域态，因此，当温度趋向于0K时，局域态电子迁移率趋 于零。扩展态中的电子导电类似于晶体中的电子，当温度趋向于0K时，迁移 率趋向有限值。 1960年莫脱首先提出迁移率边的概念，如果把迁移率看成是电子态能量 E 的函数，莫脱认为在分界处 EC 和 E V 存在有迁移率的突变。迁移率边对应 于电子平均自由程接近于原子间距的情况，并定义这种情况下的电导率为最 小金属化电导率 σ 。然而，到目前为止，围绕迁移率边和最小金属化电导 min 率仍有争论。 非晶态半导体中的缺陷 非晶态半导体中的缺陷 非晶态半导体与晶态半导体相比较，其中存在大量的缺陷。 这些缺陷在禁带中引入一系列局域能级，