Semiconductor amorf

Semiconductor amorf - o substanță în stare amorfă , care are o serie de proprietăți caracteristice semiconductorilor cristalini . Astfel de proprietăți, în special, includ o dependență puternică de temperatură a conductibilității electrice , existența unui prag de absorbție optică [1] [2] [3] . Importanța acestor materiale se datorează proprietăților unice care deschid oportunități largi pentru utilizarea lor practică. Cei mai studiati semiconductori amorfi sunt germaniul amorf și siliciul , aliajele de calcogenuri cu diferite metale (de exemplu, As - S - Se , As - Ge - Se - Te ), seleniul vitros și telurul .

Proprietăți fizice

Structura electronică

Proprietățile semiconductorilor amorfi ca sisteme dezordonate , pentru care nu există o ordine pe distanță lungă , nu pot fi explicate pe baza teoriei clasice a benzilor pentru cristale. Atomii dintr-un semiconductor amorf în loc de un aranjament ordonat formează o rețea aleatorie continuă. Datorită structurii lor, unii atomi au legături suspendate, care, de fapt, sunt defecte într-o rețea aleatorie continuă și pot duce la conductivitate electrică anormală a materialului. Cu toate acestea, datorită prezenței ordinii de rază scurtă în semiconductori amorfi, unele caracteristici ale spectrului de energie electronică și proprietățile electronice sunt similare cu cele ale semiconductorilor cristalini. Deși spectrul energetic al semiconductorilor amorfi este similar cu spectrul energetic al celor cristalini, nu este identic cu acesta.

Ambele tipuri de semiconductori sunt caracterizate prin prezența unei benzi de valență , a unei benzi interzise și a unei benzi de conducere. Sunt apropiate și formele de distribuție a densității stărilor în benzile de valență și conducție. În același timp, structura stărilor din bandgap în semiconductori necristalini diferă de cele cristaline. În loc de banda interzisă bine definită care se observă la semiconductorii cristalini, banda interzisă a semiconductorilor amorfi conține stări localizate datorate dezordinelor structurale, care formează cozi ale densității stărilor deasupra benzii de valență și sub banda de conducere. Aceste cozi ale stărilor localizate se propagă în bandgap cu câteva zecimi de eV . Acele stări care sunt mai aproape de mijlocul benzii interzise sunt mai localizate (stări localizate („mici”), cele care sunt mai aproape de marginile benzilor sunt extinse. Un astfel de analog al decalajului de bandă al semiconductorilor, în semiconductori amorfi, este complet umplut cu niveluri localizate, se numește decalaj de mobilitate sau decalaj de bandă de mobilitate, iar limitele decalajului de mobilitate care separă stările localizate și cele delocalizate sunt numite praguri de mobilitate. .

Stările „mici” localizate în cozile zonelor, care sunt în schimb termic cu stări delocalizate peste pragul de mobilitate, sunt niveluri „lipinice”. Captura multiplă reduce drastic mobilitatea în derivă a transportatorilor actuali. Interacțiunea electronilor liberi în benzile permise cu stări localizate „superficie” în cozile benzilor determină trecerea la natura de derivă a transferului. Dacă sistemul de stări localizate este caracterizat de o densitate mare, atunci deriva este înlocuită cu transportul dispersiv [4] .

Conductivitate

Pentru semiconductori amorfi, se disting trei mecanisme de conductivitate electrică , care predomină în diferite intervale de temperatură [2] :

conductivitate datorată purtătorilor în stări delocalizate, a cărei dependență de temperatură este descrisă prin expresia:

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

Acest tip de conducție, analog conducției intrinseci a semiconductorilor cristalini, predomină la temperaturi ridicate;

conducție datorată purtătorilor excitați în stări localizate în „cozile” benzilor .
conducție datorată săriturii purtătorilor între stările localizate în apropierea nivelului Fermi, adică conducție cu sărituri, care este descrisă de formula Mott pentru cazul tridimensional:

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

Conducția săriturii domină la temperaturi scăzute. În conductoarele sticloase de calcogenura, interacțiunea eficientă între electronii localizați poate fi de natura atracției; acest lucru duce la împerecherea lor, iar conducerea săriturii nu este în general observată.

Spre deosebire de cei cristalini, majoritatea semiconductorilor amorfi sunt practic insensibili la adăugarea de impurități . Explicația poate consta în faptul că în substanțele amorfe poate avea loc o astfel de rearanjare a legăturilor, unde toți electronii de valență ai atomului de impuritate vor participa la legături. Deci, de exemplu, în siliciul cristalin, atomul de fosfor formează patru legături covalente . Se presupune că în siliciul amorf atomul de fosfor este înconjurat de cinci atomi de siliciu. Dacă acesta este cazul, atunci nu se vor forma niveluri de impurități.

Trebuie remarcat faptul că mobilitatea în derivă a purtătorilor de curent în semiconductori amorfi este mult mai mică decât mobilitatea în cristale. Majoritatea semiconductoarelor amorfe sunt caracterizate de o fotoconductivitate apreciabilă .

Efect de comutare

Pentru mulți semiconductori sticloși cu calcogenă din sistemele de pelicule metal-semiconductor, se observă un efect invers rapid (~ 10–10 s ) al trecerii de la o stare de rezistență ridicată la una de rezistență scăzută, în care conductivitatea crește cu câteva ordine de mărime sub acţiunea unui câmp electric puternic [5] . În special, există comutare cu „memorie”, când starea de rezistență scăzută este păstrată chiar și după eliminarea câmpului electric (efectul Ovchinsky). Această „memorie” este ștearsă de un impuls de curent puternic și scurt. Singura teorie care ar explica acest fenomen nu a fost creată din 2019, au fost dezvoltate doar o serie de modele și ipoteze , deși semiconductorii amorfi corespunzători sunt deja utilizați pentru a crea elemente de memorie.

Natura efectului de comutare poate fi fie electronică datorită injectării purtătorilor de curent dintr-un contact metalic într-un semiconductor, fie termică datorită efectului de ciupire a curentului . Injecția purtătorului poate fi realizată prin aplicarea unei tensiuni ridicate între contactele metalice de pe suprafața unui semiconductor amorf. Dacă tensiunea este redusă, atunci electronii „cad” din stările conductoare în capcane lângă marginea superioară a spațiului de mobilitate, de unde pot fi apoi excitați cu ușurință în banda de conducție. Această situație de neechilibru poate duce la o astfel de populație de stări energetice în apropierea marginii superioare a decalajului de mobilitate, ca și cum nivelul Fermi ar fi crescut în această regiune. Ca urmare, conductivitatea semiconductorului va crește. Datorită naturii termice a efectului de comutare, în conductor apare un „filament” fierbinte, ca urmare a creșterii temperaturii în care crește și conductibilitatea substanței din acesta. O creștere a temperaturii este o consecință a degajării de căldură Joule-Lenz în timpul trecerii unui curent electric printr-un semiconductor.

Proprietăți optice

Proprietățile optice ale semiconductorilor amorfi se datorează structurii lor electronice. Studiul proprietăților optice oferă informații extinse despre structura benzii [6] . O comparație a proprietăților optice ale semiconductorilor necristalini cu cele cristaline indică asemănarea acestor proprietăți, dar nu și identitatea. În spectrele de absorbție ale semiconductoarelor amorfe, precum și ale celor cristaline, există o bandă de absorbție intrinsecă, a cărei poziție a marginii determină lățimea benzii interzise optice. Coeficientul de absorbție optică al semiconductorilor amorfi scade considerabil la o anumită frecvență de prag . Prin urmare, în funcție de metoda de obținere a unui semiconductor amorf, se observă două tipuri de comportament: $\alpha (\omega)$ $\omega_0$

coeficientul de absorbție optică se întrerupe brusc la frecvența de prag, practic scăzând la zero, formând o margine ascuțită a zonei (margine de absorbție)
coeficientul de absorbție optică scade doar, rămânând finit în domeniul de frecvență sub prag, formând o „coadă” în spectrul de absorbție.

Prezența unei margini de absorbție poate fi explicată prin faptul că, în ciuda concentrației mari de stări localizate în banda de mobilitate interzisă, tranzițiile excitate optic între stările localizate sunt puțin probabile din cauza distanței mari.

Dependența de frecvență a coeficientului de absorbție în regiunea „cozii” optice este bine descrisă de regula Urbach [7] :

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

unde este o energie caracteristică. În regiunea frecvențelor care depășesc pragul, dependența de frecvență a coeficientului de absorbție este destul de bine descrisă de formula $\mathrm{E}$

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

Dacă comparăm spectrele de absorbție ale unui semiconductor amorf și ale aceluiași semiconductor în stare cristalină, atunci, pe lângă deplasarea marginii de absorbție către regiunea lungi de undă, există o lărgire a maximului spectral, care este deplasat la regiune cu lungime de undă scurtă. Vârfurile din spectrele corespunzătoare punctelor van't-Hoff singulare din semiconductori cristalini sunt de obicei „unse” în semiconductori amorfi, uneori dispărând cu totul. $\alpha (\omega)$

Liniile de excitație în spectrele de absorbție optică ale semiconductorilor amorfi, de regulă, nu sunt observate [7] .

Mulți semiconductori amorfi sunt caracterizați de o fotoconductivitate pronunțată , cu toate acestea, spre deosebire de semiconductori cristalini, concentrația purtătorilor de curent neechilibrați fotoexcitați în ei poate fi cu un ordin de mărime mai mare decât concentrația celor de echilibru la aceeași temperatură. Dependența fotoconductivității de intensitatea luminii în majoritatea semiconductorilor amorfi poate fi descrisă prin dependența unde $\sigma _{\phi )$ $eu$ $\sigma _{\phi }\sim I^{n},$ $0{,}5\leq n\leq 1.$

Obținerea semiconductorilor amorfi

Tehnologiile de obținere a semiconductorilor amorfi sunt mai simple și mai productive decât tehnologiile de obținere a celor cristaline, ceea ce reduce semnificativ costul materialelor și produselor corespunzătoare pe baza acestora. Siliciul amorf și germaniul sunt produse prin evaporarea și condensarea lor în vid înalt sau prin pulverizare catodică într-o plasmă de argon .

Aplicație practică

Aplicarea practică a semiconductorilor amorfi este determinată de caracteristicile structurii lor, proprietăți, rezistență chimică și rezistență mecanică , precum și de fabricabilitatea prelucrării lor și de posibilitatea de a obține materiale cu proprietățile dorite. Avantajele semiconductoarelor dezordonate, care determină aplicarea lor practică, în comparație cu cele cristaline, sunt următoarele [8] :

absența practică a restricțiilor asupra zonei;
cost de producție scăzut (comparativ cu monocristalele), relație slabă dimensiune-cost;
posibilitatea de fabricare a matricilor electronice pe substraturi necristaline;
raportul dintre unele caracteristici electrofizice care nu sunt disponibile în cristale;
prezența unor efecte unice care sunt absente în cristale și permit dezvoltarea unor dispozitive bazate pe noi principii.

Semiconductori amorfi sunt utilizați pentru a crea convertoare fotoelectrice , tranzistoare cu peliculă subțire , elemente de memorie, afișaje cu cristale lichide . Unele dispozitive pentru înregistrarea imaginilor optice au putut fi create numai prin utilizarea semiconductorilor amorfi. Astfel de dispozitive includ, de exemplu, tuburi de televiziune de tip „ vidicon ”, fotocopiatoare moderne și medii de înregistrare de tip „semiconductor-termoplastic sticlos calcogenură”.

Istorie

În 1956, N. A. Goryunova și B. T. Kolomiets au descoperit că unele calcogenuri sticloase au proprietăți semiconductoare. Dezvăluirea acestui fapt, precum și următoarele lucrări fundamentale ale lui A. F. Ioffe , A. R. Regel , A. I. Gubanov, N. Mott și E. Davis, au devenit impulsul pentru un număr mare de studii teoretice și experimentale ale semiconductorilor amorfi.

În 1960, Ioffe și Regel au sugerat că proprietățile electrice ale semiconductorilor amorfi sunt determinate nu de raza lungă, ci de ordinea de rază scurtă. Pe baza acestei idei, a fost dezvoltată teoria materialelor dezordonate, care a făcut posibilă explicarea multor proprietăți ale substanțelor necristaline. În 1961-1962 A. D. Pearson, B. T. Kolomiyts, S. G. Ovshinsky au descoperit în mod independent efectul de comutare. În literatura de brevete, efectul de comutare pentru care Ovshinsky a primit un brevet american în 1963 se numește efectul Ovshinsky. El a subliniat mai întâi posibilitatea de a utiliza efectul de comutare pentru a crea elemente de memorie. Progresele semnificative în cercetarea teoretică și experimentală, precum și perspectivele de utilizare practică a semiconductorilor amorfi, au contribuit la o creștere semnificativă a interesului față de aceștia din partea comunității științifice.

Cel mai mare succes a fost obținut aici la începutul anilor 70, când au fost dezvoltate tehnologii industriale pentru obținerea halogenurilor semiconductoare amorfe, din care s-au realizat kinescoape, lămpi fluorescente cu descărcare luminoasă, dispozitive de memorie optică, comutatoare de polarizare , procesoare pentru fotolitografie și altele asemenea.

În 1972, s-a desfășurat prima întâlnire a Seminarului permanent japonez privind fizica și utilizarea semiconductoarelor amorfe sub conducerea Societății de ceramică din Japonia [9] . Din 1974 până în 1982, aproape anual s-au ținut seminarii despre fizică și utilizarea semiconductorilor amorfi. Descoperirea în 1976 a posibilității de dopare a siliciului amorf (a-Si) obținut într-o descărcare strălucitoare , a marcat începutul utilizării proprietăților sale fotoconductoare asociate cu absorbția optică puternică în partea vizibilă a spectrului . În 1979, a fost creat primul tranzistor cu peliculă subțire bazat pe a-Si.

Surse

Gubanov AI Teoria electronică cuantică a semiconductorilor amorfi. — M.; L.: AN SSSR, 1963. — 250 p. (Rusă)
Semiconductori amorfi și dispozitive bazate pe acestea / ed. Gorelik S.S. - M . : Metalurgie, 1986. - 366 p. (Rusă)
Chaban I. A. Efect de comutare în paharele de calcogenă // Fizica stării solide. - 2007. - T. 49 . - S. 405-410 . (Rusă)
Mott N., Davis E. Procese electronice în substanțe necristaline. - Ed. a II-a, revizuită. si suplimentare — M .: Mir, 1982. — 386 p. (Rusă)
Zabrodsky A. G., Nemov S. A., Ravich Yu. I. Proprietățile electronice ale sistemelor dezordonate.- Sankt Petersburg: „Nauka”, 2000. - 70 p. — ISBN 5-02-024927-0 . (Rusă)
Meden A. Fizica si aplicarea semiconductorilor amorfi: per. din engleza. / A. Meden, M. Sho. — M .: Mir, 1991. — 670 p. — ISBN 5-03-001895-6 . (Rusă)
Numit VF Fizica semiconductoarelor dezordonate: Proc. indemnizație pentru studenți. fizic şi blană.- mat. fak .. - Saratov: Editura „Saratov”, 2004. - 56 p. - ISBN 5-292-03340-5 . (Rusă)
Popov A.I. Semiconductori amorfi în micro- și nanoelectronică // Supliment la revista „Vestnik RGTU”. - 2009. - Nr. 4 . — ISSN 1995-4565 . (Rusă)
Doynikov L. I. Șervețele amorfe: de la idei la fabricare a berii / L.I. Doynikov, V.T. Maslyuk .. - Kiev: T-vo „Cunoașterea”, URSR, 1984. - 47 p.
Hamakawa Y. Semiconductori amorfi și dispozitive bazate pe acestea. Editat de Doctor în Științe Tehnice S.S. Gorelik .. - M . : Metalurgie, 1986. - 376 p. (Rusă)
Vasin A. V. Puterea structural-morfologică, electronică și optică a materialelor nanocompozite amorfe pe bază de plăci SiOC: dis. de dragul științei. grad de doctor în fizică-matematică. Științe: 01.04.17 . — K. : Institutul de Fizică Napіvprovіdnikov im. V. Є. Lashkarova NAS din Ucraina, 2016. - 328 p.