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非晶態半導體和硫系薄膜有什麽關系?

以非晶態半導體材料為主體制成的固態電子器件。非晶態半導體雖然在整體上分子排列無序,但是仍具有單晶體的微觀結構,因此具有許多特殊的性質。1975年,英國W.G.斯皮爾在輝光放電分解矽烷法制備的非晶矽薄膜中摻雜成功,使非晶矽薄膜的電阻率變化10個數量級,促進非晶態半導體器件的開發和應用。同單晶材料相比,非晶態半導體材料制備工藝簡單,對襯底結構無特殊要求,易於大面積生長,摻雜後電阻率變化大,可以制成多種器件。非晶矽太陽能電池吸收系數大,轉換效率高,面積大,已應用到計算器、電子表等商品中。非晶矽薄膜場效應管陣列可用作大面積液晶平面顯示屏的尋址開關。利用某些硫系非晶態半導體材料的結構轉變來記錄和存儲光電信息的器件已應用於計算機或控制系統中。利用非晶態薄膜的電荷存儲和光電導特性可制成用於靜態圖像光電轉換的靜電復印機感光體和用於動態圖像光電轉換的電視攝像管的靶面。

具有半導體性質的非晶態材料。非晶態半導體是半導體的壹個重要部分。50年代B.T.科洛米耶茨等人開始了對硫系玻璃的研究,當時很少有人註意,直到1968年S.R.奧弗申斯基關於用硫系薄膜制作開關器件的專利發表以後,才引起人們對非晶態半導體的興趣。1975年W.E.斯皮爾等人在矽烷輝光放電分解制備的非晶矽中實現了摻雜效應,使控制電導和制造PN結成為可能,從而為非晶矽材料的應用開辟了廣闊的前景。在理論方面,P.W.安德森和莫脫,N.F.建立了非晶態半導體的電子理論,並因而榮獲1977年的諾貝爾物理學獎。目前無論在理論方面,還是在應用方面,非晶態半導體的研究正在很快地發展著。

分類 目前主要的非晶態半導體有兩大類。

硫系玻璃。含硫族元素的非晶態半導體。例如As-Se、As-S,通常的制備方法是熔體冷卻或汽相沈積。

四面體鍵非晶態半導體。如非晶Si、Ge、GaAs等,此類材料的非晶態不能用熔體冷卻的辦法來獲得,只能用薄膜澱積的辦法(如蒸發、濺射、輝光放電或化學汽相澱積等),只要襯底溫度足夠低,澱積的薄膜就是非晶態結構。四面體鍵非晶態半導體材料的性質,與制備的工藝方法和工藝條件密切相關。圖1 不同方法制備非晶矽的光吸收系數 給出了不同制備工藝的非晶矽光吸收系數譜,其中a、b制備工藝是矽烷輝光放電分解,襯底溫度分別為500K和300K,c制備工藝是濺射,d制備工藝為蒸發。非晶矽的導電性質和光電導性質也與制備工藝密切相關。其實,矽烷輝光放電法制備的非晶矽中,含有大量H,有時又稱為非晶的矽氫合金;不同工藝條件,氫含量不同,直接影響到材料的性質。與此相反,硫系玻璃的性質與制備方法關系不大。圖2 汽相澱積濺射薄膜和熔體急冷成塊體AsSeTe的光吸收系數譜 給出了壹個典型的實例,用熔體冷卻和濺射的辦法制備的AsSeTe樣品,它們的光吸收系數譜具有相同的曲線。

非晶態半導體的電子結構 非晶態與晶態半導體具有類似的基本能帶結構,也有導帶、價帶和禁帶(見固體的能帶)。材料的基本能帶結構主要取決於原子附近的狀況,可以用化學鍵模型作定性的解釋。以四面體鍵的非晶Ge、Si為例,Ge、Si中四個價電子經sp雜化,近鄰原子的價電子之間形成***價鍵,其成鍵態對應於價帶;反鍵態對應於導帶。無論是Ge、Si的晶態還是非晶態,基本結合方式是相同的,只是在非晶態中鍵角和鍵長有壹定程度的畸變,因而它們的基本能帶結構是相類似的。然而,非晶態半導體中的電子態與晶態比較也有著本質的區別。晶態半導體的結構是周期有序的,或者說具有平移對稱性,電子波函數是布洛赫函數,波矢是與平移對稱性相聯系的量子數,非晶態半導體不存在有周期性, 不再是好的量子數。晶態半導體中電子的運動是比較自由的,電子運動的平均自由程遠大於原子間距;非晶態半導體中結構缺陷的畸變使得電子的平均自由程大大減小,當平均自由程接近原子間距的數量級時,在晶態半導體中建立起來的電子漂移運動的概念就變得沒有意義了。非晶態半導體能帶邊態密度的變化不像晶態那樣陡,而是拖有不同程度的帶尾(如圖3 非晶態半導體的態密度與能量的關系 所示)。非晶態半導體能帶中的電子態分為兩類:壹類稱為擴展態,另壹類為局域態。處在擴展態的每個電子,為整個固體所***有,可以在固體整個尺度內找到;它在外場中運動類似於晶體中

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