Amorfní polovodič

Amorfní polovodič - látka v amorfním stavu , která má řadu vlastností charakteristických pro krystalické polovodiče . Mezi takové vlastnosti patří zejména silná teplotní závislost elektrické vodivosti , existence prahu optické absorpce [1] [2] [3] . Význam těchto materiálů je dán jedinečnými vlastnostmi, které otevírají široké možnosti jejich praktického využití. Nejvíce studovanými amorfními polovodiči jsou amorfní germanium a křemík , slitiny chalkogenidů s různými kovy (např. As - S - Se , As - Ge - Se - Te ), skelný selen a tellur .

Fyzikální vlastnosti

Elektronická struktura

Vlastnosti amorfních polovodičů jako neuspořádaných systémů , pro které neexistuje řád na dlouhé vzdálenosti , nelze vysvětlit na základě klasické teorie pásů pro krystaly. Atomy v amorfním polovodiči místo uspořádaného uspořádání tvoří souvislou náhodnou síť. Některé atomy mají díky své struktuře visící vazby, které jsou ve skutečnosti defekty v nepřetržité náhodné síti a mohou vést k anomální elektrické vodivosti materiálu. Vzhledem k přítomnosti řádu krátkého dosahu v amorfních polovodičích jsou však některé vlastnosti energetického spektra elektronů a elektronické vlastnosti podobné vlastnostem krystalických polovodičů. Energetické spektrum amorfních polovodičů je sice podobné energetickému spektru krystalických, ale není s ním totožné.

Oba typy polovodičů se vyznačují přítomností valenčního pásma , zakázaného pásu a vodivostního pásma. Blízké jsou i formy rozložení hustoty stavů ve valenčním a vodivostním pásmu. Zároveň se struktura stavů v bandgapu v nekrystalických polovodičích liší od krystalických. Místo dobře definovaného zakázaného pásu, který je pozorován u krystalických polovodičů, obsahuje zakázané pásmo amorfních polovodičů lokalizované stavy v důsledku strukturální poruchy, které tvoří konce hustoty stavů nad valenčním pásem a pod pásmem vodivosti. Tyto konce lokalizovaných stavů se šíří do bandgap několika desetin eV . Stavy, které jsou blíže středu zakázaného pásu, jsou více lokalizované („malé“ lokalizované stavy), ty, které jsou blíže k okrajům pásem, jsou rozšířeny. Taková analogie zakázaného pásma polovodičů v amorfních polovodičích je zcela vyplněna lokalizovanými úrovněmi, nazývá se mezera mobility nebo mezera v mobilitě a hranice mezery mobility, které oddělují lokalizované a delokalizované stavy, se nazývají prahy mobility. .

"Malé" lokalizované stavy na konci zón, které jsou v tepelné výměně s delokalizovanými stavy nad prahem mobility, jsou "přilepené" úrovně. Vícenásobné zachycení prudce snižuje driftovou mobilitu proudových nosičů. Interakce volných elektronů v povolených pásmech s "mělkými" lokalizovanými stavy na konci pásů způsobuje přechod k driftové povaze přenosu. Pokud se systém lokalizovaných stavů vyznačuje vysokou hustotou, pak je drift nahrazen disperzním transportem [4] .

Vodivost

U amorfních polovodičů se rozlišují tři mechanismy elektrické vodivosti , které převládají v různých teplotních rozsazích [2] :

vodivost způsobená nosiči v delokalizovaných stavech, jejichž teplotní závislost je popsána výrazem:

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

Tento typ vedení, analogický vlastnímu vedení krystalických polovodičů, převládá při vysokých teplotách;

vedení v důsledku přenašečů excitovaných do lokalizovaných stavů v "ocasech" pásem .
vodivost způsobená přeskakováním nosičů mezi lokalizovanými stavy blízko Fermiho úrovně, to je vodivost přeskakování, která je popsána Mottovým vzorcem pro trojrozměrný případ:

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

Hoppingové vedení dominuje při nízkých teplotách. V chalkogenidových skelných vodičích může mít efektivní interakce mezi lokalizovanými elektrony povahu přitažlivosti; to vede k jejich spárování a vodivost přeskakování obecně není pozorována.

Na rozdíl od krystalických je většina amorfních polovodičů prakticky necitlivá na přidání nečistot . Vysvětlení může spočívat v tom, že v amorfních látkách může dojít k takovému přeskupení vazeb, kdy se na vazbách budou podílet všechny valenční elektrony atomu nečistoty. Takže například v krystalickém křemíku tvoří atom fosforu čtyři kovalentní vazby . Předpokládá se, že v amorfním křemíku je atom fosforu obklopen pěti atomy křemíku. Pokud tomu tak je, nebude se tvořit hladina nečistot.

Je třeba poznamenat, že driftová mobilita proudových nosičů v amorfních polovodičích je mnohem nižší než mobilita v krystalech. Většina amorfních polovodičů se vyznačuje značnou fotovodivostí .

Přepínací efekt

U mnoha chalkogenidových skelných polovodičů v systémech kov-polovodičový film je pozorován rychlý (~ 10–10 s ) opačný efekt přechodu ze stavu s vysokým odporem do stavu s nízkým odporem, ve kterém se vodivost zvyšuje o několik řádů pod působení silného elektrického pole [5] . Jedná se zejména o spínání s „pamětí“, kdy je nízkoodporový stav zachován i po odstranění elektrického pole (Ovchinského efekt). Tato "paměť" je vymazána silným a krátkým proudovým impulsem. Jediná teorie, která by tento jev vysvětlovala, nebyla od roku 2019 vytvořena, byla vyvinuta pouze řada modelů a hypotéz , i když odpovídající amorfní polovodiče se již používají k vytváření paměťových prvků.

Povaha spínacího efektu může být buď elektronická v důsledku vstřikování proudových nosičů z kovového kontaktu do polovodiče, nebo tepelná v důsledku efektu sevření proudu . Injekce nosiče lze dosáhnout aplikací vysokého napětí mezi kovové kontakty na povrchu amorfního polovodiče. Pokud se napětí sníží, pak elektrony „spadnou“ z vodivých stavů do pastí poblíž horního okraje pohyblivé mezery, odkud se pak mohou snadno vybudit do vodivostního pásma. Tato nerovnovážná situace může vést k takové populaci energetických stavů poblíž horního okraje mezery v mobilitě, jako by Fermiho hladina vzrostla do této oblasti. V důsledku toho se zvýší vodivost polovodiče. Vzhledem k tepelné povaze spínacího efektu se ve vodiči objevuje horké „vlákno“ v důsledku zvýšení teploty, při které se také zvyšuje vodivost látky v něm. Zvýšení teploty je důsledkem uvolnění Joule-Lenzova tepla při průchodu elektrického proudu polovodičem.

Optické vlastnosti

Optické vlastnosti amorfních polovodičů jsou dány jejich elektronovou strukturou. Studium optických vlastností poskytuje rozsáhlé informace o pásové struktuře [6] . Srovnání optických vlastností nekrystalických polovodičů s krystalickými ukazuje na podobnost těchto vlastností, nikoli však na identitu. V absorpčních spektrech amorfních polovodičů, ale i krystalických, existuje vlastní absorpční pás, jehož poloha hrany určuje šířku optického zakázaného pásu. Koeficient optické absorpce amorfních polovodičů znatelně klesá na určitou prahovou frekvenci . Proto v závislosti na způsobu získání amorfního polovodiče jsou pozorovány dva typy chování: $\alpha (\omega )$ $\omega_0$

koeficient optické absorpce se při prahové frekvenci náhle přeruší, prakticky klesne na nulu a vytvoří ostrou hranu zóny (absorpční hranu)
koeficient optické absorpce pouze klesá, zůstává konečný ve frekvenčním rozsahu pod prahem a tvoří "ocas" v absorpčním spektru.

Přítomnost absorpční hrany lze vysvětlit tím, že i přes vysokou koncentraci lokalizovaných stavů v pásmu zakázané mobility jsou opticky excitované přechody mezi lokalizovanými stavy vzhledem k velké vzdálenosti nepravděpodobné.

Frekvenční závislost absorpčního koeficientu v oblasti optického „ocasu“ dobře popisuje Urbachovo pravidlo [7] :

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

kde je nějaká charakteristická energie. V oblasti frekvencí překračujících prahovou hodnotu je frekvenční závislost koeficientu absorpce poměrně dobře popsána vzorcem $\mathrm{E}$

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

Porovnáme-li absorpční spektra amorfního polovodiče a téhož polovodiče v krystalickém stavu, pak kromě posunu absorpční hrany do oblasti dlouhých vlnových délek dochází k rozšíření spektrálního maxima, které je posunuto do oblast s krátkou vlnovou délkou. Vrcholy ve spektrech odpovídajících singulárním van't-Hoffovým bodům v krystalických polovodičích jsou u amorfních polovodičů obvykle "rozmazané" a někdy úplně zmizí. $\alpha (\omega )$

Excitonové čáry v optických absorpčních spektrech amorfních polovodičů zpravidla nejsou pozorovány [7] .

Mnoho amorfních polovodičů se vyznačuje výraznou fotovodivostí , avšak na rozdíl od krystalických polovodičů v nich může být koncentrace fotoexcitovaných nerovnovážných nosičů proudu o řád vyšší než koncentrace rovnovážných při stejné teplotě. Závislost fotovodivosti na intenzitě světla u většiny amorfních polovodičů lze popsat závislostí , kde ${\displaystyle \sigma _{\phi ))$ $já$ $\sigma _{\phi }\sim I^{n},$ $0{,}5\leq n\leq 1.$

Získání amorfních polovodičů

Technologie získávání amorfních polovodičů jsou jednodušší a produktivnější než technologie získávání krystalických, což výrazně snižuje náklady na odpovídající materiály a produkty na nich založené. Amorfní křemík a germanium se vyrábí jejich odpařováním a kondenzací ve vysokém vakuu nebo katodovým naprašováním v argonové plazmě .

Praktická aplikace

Praktické využití amorfních polovodičů je dáno vlastnostmi jejich struktury, vlastnostmi, chemickou odolností a mechanickou pevností , jakož i vyrobitelností jejich zpracování a možností získání materiálů s požadovanými vlastnostmi. Výhody neuspořádaných polovodičů, které určují jejich praktické použití, ve srovnání s krystalickými, jsou následující [8] :

praktická absence omezení v oblasti;
nízké (ve srovnání s monokrystaly) výrobní náklady, slabý vztah mezi velikostí a cenou;
možnost výroby elektronických matric na nekrystalických substrátech;
poměr některých elektrofyzikálních charakteristik, které nejsou dostupné v krystalech;
přítomnost jedinečných efektů, které v krystalech chybí a umožňují vývoj zařízení založených na nových principech.

Amorfní polovodiče se používají k vytváření fotoelektrických měničů , tenkovrstvých tranzistorů , paměťových prvků, displejů z tekutých krystalů . Některá zařízení pro záznam optických obrazů mohla být vytvořena pouze pomocí amorfních polovodičů. Mezi taková zařízení patří například televizní trubice typu " vidicon ", moderní kopírky a záznamová média typu "chalkogenidový sklovitý polovodič-termoplast".

Historie

V roce 1956 N. A. Goryunova a B. T. Kolomiets objevili, že některé sklovité chalkogenidy mají polovodičové vlastnosti. Odhalení této skutečnosti, stejně jako následující zásadní práce A. F. Ioffea , A. R. Regela, A. I. Gubanova, N. Motta a E. Davise, se stalo podnětem pro velké množství teoretických a experimentálních studií amorfních polovodičů.

V roce 1960 Ioffe a Regel navrhli, že elektrické vlastnosti amorfních polovodičů se neurčují podle dlouhého, ale podle krátkého dosahu. Na základě této myšlenky byla vyvinuta teorie neuspořádaných materiálů, která umožnila vysvětlit mnoho vlastností nekrystalických látek. V letech 1961-1962 A. D. Pearson, B. T. Kolomiyts, S. G. Ovshinsky nezávisle objevili spínací efekt. V patentové literatuře se spínací efekt, na který Ovshinsky získal americký patent v roce 1963 , nazývá Ovshinského efekt. Nejprve poukázal na možnost využití spínacího efektu k vytvoření paměťových prvků. Výrazný pokrok v teoretickém a experimentálním výzkumu a také vyhlídky na praktické využití amorfních polovodičů přispěly k výraznému nárůstu zájmu o ně ze strany vědecké komunity.

Největšího úspěchu zde bylo dosaženo počátkem 70. let, kdy byly vyvinuty průmyslové technologie pro získávání amorfních polovodičových halogenidů, ze kterých se vyráběly kineskopy, doutnavé zářivky, optická paměťová zařízení, polarizační spínače , procesory pro fotolitografii a podobně.

V roce 1972 se konalo první setkání japonského stálého semináře o fyzice a využití amorfních polovodičů pod vedením Keramické společnosti Japonska [9] . Od roku 1974 do roku 1982 se téměř každoročně konaly semináře o fyzice a využití amorfních polovodičů. Objev v roce 1976 možnosti dopování amorfního křemíku (a-Si) získaného doutnavým výbojem znamenal začátek využití jeho fotovodivých vlastností spojených se silnou optickou absorpcí ve viditelné části spektra . V roce 1979 vznikl první tenkovrstvý tranzistor na bázi a-Si.

Zdroje

Gubanov AI Kvantová elektronická teorie amorfních polovodičů. — M.; L.: AN SSSR, 1963. — 250 s. (Ruština)
Amorfní polovodiče a zařízení na nich založená / ed. Gorelik S.S. - M. : Metalurgie, 1986. - 366 s. (Ruština)
Chaban I. A. Spínací efekt v chalkogenidových sklech // Fyzika pevných látek. - 2007. - T. 49 . - S. 405-410 . (Ruština)
Mott N., Davis E. Elektronické procesy v nekrystalických látkách. - 2. vyd., přepracováno. a doplňkové — M .: Mir, 1982. — 386 s. (Ruština)
Zabrodsky A. G., Nemov S. A., Ravich Yu. I. Elektronické vlastnosti neuspořádaných systémů - Petrohrad: "Nauka", 2000. - 70 s. — ISBN 5-02-024927-0 . (Ruština)
Meden A. Fyzika a aplikace amorfních polovodičů: per. z angličtiny. / A. Meden, M. Sho. — M .: Mir, 1991. — 670 s. — ISBN 5-03-001895-6 . (Ruština)
Jmenovaná VF Fyzika neuspořádaných polovodičů: Proc. příspěvek na studenty. fyzický a kožešiny - mat. fak .. - Saratov: Nakladatelství "Saratov", 2004. - 56 s. - ISBN 5-292-03340-5 . (Ruština)
Popov A.I. Amorfní polovodiče v mikro- a nanoelektronice // Dodatek k časopisu "Vestnik RGTU". - 2009. - č. 4 . — ISSN 1995-4565 . (Ruština)
Doynikov L.I. Amorfní ubrousky: od nápadů k vaření / L.I. Doynikov, V.T. Maslyuk .. - Kyjev: T-vo "Knowledge", URSR, 1984. - 47 s.
Hamakawa Y. Amorfní polovodiče a zařízení na nich založená. Editoval doktor technických věd S.S. Gorelik .. - M . : Metalurgie, 1986. - 376 s. (Ruština)
Vasin A. V. Strukturně-morfologická, elektronová a optická mohutnost amorfních nanokompozitních materiálů na bázi SiOC desek: dis. v zájmu vědy. titul doktor Fyzikálně-Mat. Vědy: 01.04.17 . — K. : Fyzikální ústav Napіvprovіdnikov im. V. Є. Lashkarova NAS Ukrajiny, 2016. - 328 s.