Аморфні напівпровідники
Амо́рфні напівпровідники́ —— тверді тіла, головна особливість яких полягає у відсутності характерного для кристалів далекого порядку (тобто трансляційної симетрії — періодичного повторення в певних напрямках однакового елемента структури — атома, йона, молекули або їхніх груп). При цьому для аморфних напівпровідників характерна наявність близького порядку, що зумовлює можливість описання енергетичного спектру електронів в аморфних напівпровідниках у вигляді дозволених та заборонених зон енергій, попри відсутність трансляційної симетрії. Особливостями аморфних напівпровідників є ізотропія їхніх властивостей; більший за тих самих температур питомий об’єм; більша ентропія, ніж для кристалічного стану. Для аморфних напівпровідників характерний метастабільний стан, вільна енергія якого значно вища за рівноважний мінімум. Водночас аморфні напівпровідники має певні пружні властивості. Перетворення аморфного напівпровідника у кристалічний стан, на відміну від склоподібного стану, відбувається у формі фазового переходу 1-го роду з виникненням та ростом кристалічних зародків, а отже й з різкою зміною питомого об’єму, вільної енергії, теплоємності та ентропії. Природа аморфних напівпровідників різна: однокомпонентні (Si, Ge, Te, Se), дво- та більше компонентні (GaAs, GaP, CdTe, CdS), а також високолеговані матеріали (наприклад, гідрогенізований Si : H; галогенізований Si : F тощо). У перенесенні носіїв заряду в аморфних напівпровідників є низка істотних особливостей порівняно з кристалічними напівпровідниками. Зокрема, в аморфних напівпровідників є досить різка енергетична межа («край рухливості»), вище від якої електрони здатні вільно рухатися, а нижче — локалізовані. Аналогічна межа існує й для дірок. Тож для аморфних напівпровідників уводять поняття «щілини рухливості» як обмеження енергетичної зони, у якій рухливість носіїв заряду має «розрив». Між краями рухливості розташовані стани «хвостів» зон та інші глибокі локалізовані стани, що виникають унаслідок структурних дефектів та домішок. Локалізовані глибокі стани можуть бути центрами рекомбінації та захоплення й за високої густини електричного струму зумовлюють низькі значення часу життя нерівноважних носіїв заряду. Густина глибоких станів може зменшуватися через релаксацію або атомну перебудову. Істотні зміни в енергетичній діаграмі густини станів в α-Si відбуваються, наприклад, під час гідрогенізації, у результаті якої густина станів у «щілині рухливості» значно зменшується. Це відбувається за рахунок заміни слабких Si–Si зв’язків сильними Si–H зв’язками, що приводить до заліковування обірваних зв’язків. Другим наслідком процесу гідрогенізації є можливість змінювати положення рівня Фермі під час легування. Інші типи аморфних напівпровідників на основі α-Si такі: α-Si : F, α-Si : Cl, α-Si : O, α-Si : N, α–Si : C, α–Si : Ge, а також потрійні сплави α-Si : H : F, α-Si : Ge : H, α-Si : H : O. Струм в аморфних напівпровідниках зумовлений трьома можливими механізмами транспортування: вільними носіями делокалізованих станів в дозволених зонах, стрибками локалізованих електронів та дірок між станами поблизу відповідних зон та стрибками «змінюваної довжини» носіїв заряду станами поблизу рівня Фермі. У стані рівноваги термодинамічної для виникнення струму, зумовленого вільними носіями заряду, вони мають повністю подолати «розрив» рухливості за рахунок теплового збудження. У цьому випадку, так само, як і в кристалах, залежність провідності від температури можна записати у вигляді
[math]σ = σ_0 exp (–ΔE/kT)[/math],
де для електронної провідності [math]ΔE[/math] дорівнює різниці нижнього краю зони провідності [math]E_С[/math] та рівня Фермі [math]E_F[/math] [math](ΔE = E_С – E_F)[/math], а для діркової — відповідно рівня Фермі та верхнього краю валентної зони [math]E_V[/math] [math](ΔE = E_F – E_V)[/math]. Якщо теплової енергії недостатньо для того, щоби носії струму могли опинитися у відповідній дозволеній зоні, реалізується стрибковий механізм провідності — термічно активовані носії тунелюють від одного локалізованого стану до іншого. Третій можливий механізм транспортування носіїв заряду полягає в стрибках «змінної довжини» локалізованими станами поблизу рівня Фермі. За досить низьких температур заповненими залишаються лише ці стани, і стрибок носія заряду відбувається не на сусідній рівень локалізованого стану, а на рівень енергії стану з мінімально можливою різницею енергій. Такий механізм транспортування описано співвідношенням
[math]σ = σ_m [–(T_0 / T)[/math]1/4].
Модель зонної структури пояснює також існування оптичного поглинання за фотопровідності в аморфних напівпровідниках У більшості аморфних напівпровідників висока фоточутливість. Це пояснюють, з одного боку, високим (близько 100 %) квантовим виходом процесу поглинання, з іншого — відносно низькою концентрацією термодинамічно рівноважних носіїв струму (співвідношення [math]σ_Ф / σ_Т[/math] для α-Si : H за освітлення аморфних напівпровідників становить приблизно [math]10^6[/math]). Відсутність далекого порядку означає, що такі поняття як Бріллюена зона, квазіімпульс, ефективна маса застосовувати щодо аморфних матеріалів не має сенсу. Відповідно до цього спростовують різні обмеження, наприклад, правилами відбору на хвильовий вектор [math]k[/math]. Це має пряме відношення як до процесів оптичної генерації, так і до процесів рекомбінації нерівноважних носіїв заряду, імовірність яких в аморфних напівпровідниках збільшується. Особливістю люмінесценції аморфних напівпровідників є те, що за певної міри локалізації та сили електрон-фононної взаємодії структурна сітка може деформуватися навколо вузла, зайнятого електроном або діркою, що призводить до зниження повної енергії. Така релаксація є причиною досить істотного стоксового зсуву смуги люмінесценції відносно краю оптичного поглинання зонної природи. Величина цього зсуву в халькогенідах може дорівнювати приблизно половині ширини забороненої зони. Найпоширеніший спосіб виготовлення аморфних напівпровідників полягає в конденсації їх у вакуумі у вигляді тонких плівок на підкладинку, температура якої не перевищує певного критичного значення. При цьому провідність може змінюватися на 10 порядків, що дало змогу створити на основі α-Si : H перші прилади: МДН-транзистор (МДН — метал — діелектрик — напівпровідник), p-n-перехід. Застосовувати аморфні напівпровідники почали ще в 1950-х з появою електрофотографічних копіювальних машин. У їхньому виробництві аморфні напівпровідники мають деякі переваги: наприклад, сучасні технологічні методи дають змогу створювати поверхні великої площі. Аморфні напівпровідники використовують для виготовлення перемикачів та елементів пам’яті. Співвідношення опорів електричних у ввімкненому й вимкненому атомах для таких пристроїв порядку 10-7, а перехід з одного стану в інший відбувається за [math]τ ≈ 5 · 10[/math]-10 с. Велике значення для енергетики мають сонячні перетворювачі на основі плівок α-Si : H. Значною перевагою сонячних елементів на α-Si : H порівняно з кристалічними елементами є в 20 разів менші потреби в кремнії, низька (t ≤ 300°C) температура їхнього виготовлення, можливість укрити великі площі та значно менша собівартість виготовлення пристрою.
Література
- Черняков Э. И. Оптоэлектроника. Харьков, 2016;
- Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials /Ed. by S. Kasap, P. Capper. 2nd ed. Cham, 2017;
- Аморфные и микрокристаллические полупроводники. Санкт-Петербург, 2018.
Автор ВУЕ
Покликання на цю статтю: Аморфні напівпровідники // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Аморфні напівпровідники (дата звернення: 29.04.2024).
Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 02.08.2022
Важливо!
Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.
Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.
Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.
Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів
Офіс Президента України
Верховна Рада України
Кабінет Міністрів України
Служба безпеки України
Міністерство оборони України
Міністерство внутрішніх справ України
