Amorf félvezető

Amorf félvezető - amorf állapotú anyag , amely számos, a kristályos félvezetőre jellemző tulajdonsággal rendelkezik . Ilyen tulajdonságok közé tartozik különösen az elektromos vezetőképesség erős hőmérséklet-függése, az optikai abszorpciós küszöb [1] [2] [3] megléte . Ezeknek az anyagoknak a jelentősége az egyedi tulajdonságoknak köszönhető, amelyek széles lehetőségeket nyitnak meg gyakorlati felhasználásukra. A legtöbbet tanulmányozott amorf félvezető az amorf germánium és szilícium , a kalkogenidek különböző fémekkel (például As - S - Se , As - Ge - Se - Te ) ötvözete, az üveges szelén és a tellúr .

Fizikai tulajdonságok

Elektronikus szerkezet

Az amorf félvezetők, mint rendezetlen rendszerek tulajdonságai , amelyekre nincs nagy hatótávolságú rend , nem magyarázható meg a kristályokra vonatkozó klasszikus sávelmélet alapján . Az amorf félvezetőben lévő atomok rendezett elrendezés helyett folytonos véletlenszerű hálózatot alkotnak. Szerkezetükből adódóan egyes atomok lógó kötésekkel rendelkeznek, amelyek valójában egy folytonos véletlenszerű hálózat hibái , és az anyag anomális elektromos vezetőképességéhez vezethetnek. Az amorf félvezetők rövid hatótávolságú rendje miatt azonban az elektronenergia -spektrum és az elektronikus tulajdonságok bizonyos jellemzői hasonlóak a kristályos félvezetőkéhez. Bár az amorf félvezetők energiaspektruma hasonló a kristályos félvezetők energiaspektrumához, nem azonos azzal.

Mindkét félvezetőtípusra jellemző a vegyértéksáv , a sávrés és a vezetési sáv jelenléte. Az állapotsűrűség eloszlási formái a vegyérték- és vezetési sávban is közel állnak egymáshoz. Ugyanakkor a nemkristályos félvezetők sávszélességében lévő állapotok szerkezete eltér a kristályosaktól. A kristályos félvezetőknél megfigyelhető jól definiált sávrés helyett az amorf félvezetők sávszélessége szerkezeti rendellenességből adódóan lokalizált állapotokat tartalmaz, amelyek a vegyértéksáv feletti és a vezetési sáv alatti állapotsűrűség farkát alkotják. Ezek a lokalizált állapotok végei néhány tized eV -tal terjednek a sávszélességbe . Azok az állapotok, amelyek közelebb vannak a sávközéphez, lokalizáltabbak („kis” lokalizált állapotok), a sávok széleihez közelebbi állapotok pedig kiterjesztettek. A félvezetők sávszélességének egy ilyen analógja, az amorf félvezetőkben, teljesen ki van töltve lokalizált szintekkel, mobilitási résnek vagy mobilitási sávrésnek nevezik, a mobilitási rés határait pedig, amelyek elválasztják a lokalizált és delokalizált állapotokat, mobilitási küszöböknek. .

A "kis" lokalizált állapotok a zónák farkában, amelyek hőcserében vannak a mobilitási küszöb feletti delokalizált állapotokkal, "tapadó" szintek. A többszörös rögzítés élesen csökkenti az aktuális hordozók sodródási mobilitását. Az engedélyezett sávokban lévő szabad elektronok kölcsönhatása a sávok végében lévő "sekély" lokalizált állapotokkal az átvitel drift jellegű átmenetét okozza. Ha a lokalizált állapotok rendszerét nagy sűrűség jellemzi, akkor a sodródást diszperzív transzport váltja fel [4] .

Vezetőképesség

Az amorf félvezetők esetében három elektromos vezetőképességi mechanizmust különböztetnek meg , amelyek különböző hőmérsékleti tartományokban érvényesülnek [2] :

delokalizált állapotú hordozók miatti vezetőképesség, melynek hőmérsékletfüggését a következő kifejezés írja le:

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

Ez a vezetési mód, amely a kristályos félvezetők belső vezetésével analóg, magas hőmérsékleten dominál;

vezetés a sávok "farokban" lokalizált állapotokba gerjesztett hordozók miatt .
a Fermi-szinthez közeli lokalizált állapotok között ugráló hordozók miatti vezetés, azaz ugráló vezetés, amelyet a Mott-képlet ír le a háromdimenziós esetre:

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

Alacsony hőmérsékleten az ugráló vezetés dominál. A kalkogenid üvegszerű vezetőkben a lokalizált elektronok közötti hatékony kölcsönhatás vonzás jellegű lehet; ez párosításukhoz vezet, és az ugráló vezetés általában nem figyelhető meg.

A kristályosokkal ellentétben a legtöbb amorf félvezető gyakorlatilag érzéketlen a szennyeződésekre . A magyarázat abban rejlik, hogy az amorf anyagokban a kötések olyan átrendeződése megtörténhet, ahol a szennyező atom összes vegyértékelektronja részt vesz a kötésekben. Így például a kristályos szilíciumban a foszforatom négy kovalens kötést képez . Feltételezzük, hogy az amorf szilíciumban a foszforatomot öt szilíciumatom veszi körül. Ha ez a helyzet, akkor nem képződnek szennyeződések.

Meg kell jegyezni, hogy az áramhordozók sodródási mobilitása az amorf félvezetőkben sokkal kisebb, mint a kristályokban. A legtöbb amorf félvezetőt érzékelhető fényvezető képesség jellemzi .

Váltóhatás

Fém-félvezető fóliarendszerekben sok kalkogenid üveges félvezető esetében megfigyelhető a nagy ellenállásról kis ellenállású állapotba való átváltás gyors (~ 10-10 s ) fordított hatása, amelyben a vezetőképesség több nagyságrenddel megnő. erős elektromos tér hatása [5] . Különösen a "memóriával" történő kapcsolásról van szó, amikor az alacsony ellenállású állapot az elektromos mező eltávolítása után is megmarad (Ovchinsky-effektus). Ezt a "memóriát" egy erős és rövid áramimpulzus törli. Az egyetlen elmélet, amely ezt a jelenséget megmagyarázná, 2019-ig még nem született meg, csak számos modellt és hipotézist dolgoztak ki , bár a megfelelő amorf félvezetőket már használják memóriaelemek létrehozására.

A kapcsolási hatás természete lehet elektronikus az áramhordozók fémérintkezőből a félvezetőbe való befecskendezése miatt, vagy termikus az áramcsökkentő hatás miatt . A vivőinjektálás úgy érhető el, hogy az amorf félvezető felületén lévő fém érintkezők közé nagy feszültséget kapcsolunk . Ha a feszültséget lecsökkentjük, akkor az elektronok a vezető állapotokból a mobilitási rés felső széléhez közeli csapdákba "esnek", ahonnan aztán könnyen a vezetési sávba gerjeszthetők. Ez az egyensúlytalan helyzet olyan energiaállapot-populációhoz vezethet a mobilitási rés felső széle közelében, mintha a Fermi-szint ebbe a régióba emelkedett volna. Ennek eredményeként a félvezető vezetőképessége megnő. A kapcsolási hatás termikus jellegéből adódóan a vezetőben forró „szál” jelenik meg, a hőmérséklet emelkedése következtében, amelyben a benne lévő anyag vezetőképessége is megnő. A hőmérséklet emelkedése a Joule-Lenz-hő felszabadulásának a következménye, amikor az elektromos áram áthalad egy félvezetőn.

Optikai tulajdonságok

Az amorf félvezetők optikai tulajdonságait elektronikus szerkezetük adja. Az optikai tulajdonságok vizsgálata széleskörű információt nyújt a sávszerkezetről [6] . A nem kristályos félvezetők és a kristályos félvezetők optikai tulajdonságainak összehasonlítása e tulajdonságok hasonlóságát jelzi, de az azonosságot nem. Az amorf félvezetők, valamint a kristályos félvezetők abszorpciós spektrumában van egy belső abszorpciós sáv, amelynek élének helyzete határozza meg az optikai sávszélesség szélességét. Az amorf félvezetők optikai abszorpciós együtthatója érezhetően lecsökken egy bizonyos küszöbfrekvenciára . Ezért az amorf félvezető beszerzési módszerétől függően kétféle viselkedés figyelhető meg: $\alpha (\omega )$ $\omega_0$

az optikai abszorpciós együttható a küszöbfrekvencián hirtelen megszakad, gyakorlatilag nullára esik, és a zóna éles szélét képezi (abszorpciós él)
az optikai abszorpciós együttható csak csökken, véges marad a küszöb alatti frekvenciatartományban, "farkat" képezve az abszorpciós spektrumban.

Az abszorpciós él jelenléte azzal magyarázható, hogy a tiltott mobilitási sávban a lokalizált állapotok magas koncentrációja ellenére a nagy távolság miatt nem valószínű az optikailag gerjesztett átmenet a lokalizált állapotok között.

Az abszorpciós együttható frekvenciafüggését az optikai "farok" tartományában jól leírja az Urbach-szabály [7] :

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

hol van valamilyen jellemző energia. A küszöbértéket meghaladó frekvenciák tartományában az abszorpciós együttható frekvenciafüggését elég jól leírja a képlet $\mathrm{E}$

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

Ha összehasonlítjuk egy amorf félvezető és ugyanazon félvezető abszorpciós spektrumát kristályos állapotban, akkor az abszorpciós élnek a hosszú hullámhosszú tartományba való eltolódása mellett a spektrális maximum kiszélesedése következik be, ami eltolódik a rövid hullámhosszúságú régió. A kristályos félvezetők szinguláris van't-Hoff-pontjainak megfelelő spektrumcsúcsok az amorf félvezetőkben általában "elkenődnek", néha teljesen eltűnnek. $\alpha (\omega )$

Az amorf félvezetők optikai abszorpciós spektrumában a gerjesztővonalak általában nem figyelhetők meg [ 7] .

Sok amorf félvezetőre jellemző a kifejezett fényvezető képesség , azonban a kristályos félvezetőkkel ellentétben a fotogerjesztett nem egyensúlyi áramhordozók koncentrációja bennük nagyságrenddel magasabb lehet, mint az egyensúlyi félvezetők koncentrációja azonos hőmérsékleten. A legtöbb amorf félvezető fényvezető képességének a fényintenzitástól való függése leírható azzal a függéssel, ahol ${\displaystyle \sigma _{\phi ))$ $én$ $\sigma _{\phi }\sim I^{n},$ $0{,}5\leq n\leq 1.$

Amorf félvezetők előállítása

Az amorf félvezetők előállítására szolgáló technológiák egyszerűbbek és termelékenyebbek, mint a kristályosak előállítására szolgáló technológiák, ami jelentősen csökkenti a megfelelő anyagok és az azokon alapuló termékek költségét. Az amorf szilíciumot és germániumot nagyvákuumban történő elpárologtatással és kondenzálással vagy argonplazmában katódporlasztással állítják elő .

Gyakorlati alkalmazás

Az amorf félvezetők gyakorlati alkalmazását szerkezetük, tulajdonságaik, vegyszerállóságuk és mechanikai szilárdságuk , valamint feldolgozásuk gyárthatósága és a kívánt tulajdonságokkal rendelkező anyagok előállítási lehetősége határozza meg. A rendezetlen félvezetők gyakorlati alkalmazásukat meghatározó előnyei a kristályosokhoz képest a következők [8] :

a területre vonatkozó korlátozások gyakorlati hiánya;
alacsony (az egykristályokhoz képest) előállítási költség, gyenge méret-költség kapcsolat;
elektronikus mátrixok gyártásának lehetősége nem kristályos hordozókon;
néhány olyan elektrofizikai jellemző aránya, amelyek kristályokban nem állnak rendelkezésre;
egyedi effektusok jelenléte, amelyek hiányoznak a kristályokból, és lehetővé teszik új elveken alapuló eszközök fejlesztését.

Az amorf félvezetőket fotoelektromos átalakítók , vékonyréteg- tranzisztorok , memóriaelemek, folyadékkristályos kijelzők készítésére használják . Egyes optikai képek rögzítésére szolgáló eszközöket csak amorf félvezetők felhasználásával lehetett létrehozni. Ilyen eszközök például a " vidicon " típusú televíziócsövek, a modern fénymásolók és a "kalkogenid üveges félvezető-hőre lágyuló" típusú adathordozók.

Történelem

1956-ban N. A. Goryunova és B. T. Kolomiets felfedezte, hogy néhány üvegszerű kalkogenid félvezető tulajdonságokkal rendelkezik. Ennek a ténynek a feltárása, valamint A. F. Ioffe , A. R. Regel , A. I. Gubanov, N. Mott és E. Davis következő alapvető munkái lendületet adtak az amorf félvezetőkkel kapcsolatos elméleti és kísérleti tanulmányok nagy számának .

1960-ban Ioffe és Regel azt javasolta, hogy az amorf félvezetők elektromos tulajdonságait nem a nagy hatótávolságú, hanem a rövid hatótávolságú sorrend határozza meg. Ezen elképzelés alapján dolgozták ki a rendezetlen anyagok elméletét, amely lehetővé tette a nem kristályos anyagok számos tulajdonságának magyarázatát. 1961-1962-ben A. D. Pearson, B. T. Kolomiyts, S. G. Ovshinsky egymástól függetlenül fedezte fel a kapcsolóhatást. A szabadalmi irodalomban azt a kapcsolási hatást, amelyre Ovsinszkij 1963-ban amerikai szabadalmat kapott, Ovsinszkij-effektusnak nevezik . Először rámutatott arra a lehetőségre, hogy a kapcsolási effektust memóriaelemek létrehozására használják. Az elméleti és kísérleti kutatások terén elért jelentős előrelépés, valamint az amorf félvezetők gyakorlati felhasználásának kilátásai hozzájárultak ahhoz, hogy a tudományos közösség jelentősen megnőtt irántuk az érdeklődés.

A legnagyobb sikert itt a 70-es évek elején érte el, amikor az amorf félvezető-halogenidek előállítására fejlesztettek ki ipari technológiákat, amelyekből kineszkópokat, izzókisüléses fénycsöveket, optikai memóriaeszközöket, polarizációs kapcsolókat , fotolitográfiás processzorokat és hasonlókat készítettek.

1972-ben a Japán Kerámiai Társaság [9] vezetésével megtartották a Japán Fizikával és Az Amorf Félvezetők Felhasználásával foglalkozó Állandó Szeminárium első ülését . 1974 és 1982 között szinte évente tartottak szemináriumokat a fizikáról és az amorf félvezetők használatáról. Az 1976-os felfedezés, hogy az izzítókisülésben nyert amorf szilícium (a-Si) doppingolható , megkezdődött annak fényvezető tulajdonságai, amelyek erős optikai abszorpcióval járnak a spektrum látható részén . 1979 -ben létrehozták az első a-Si alapú vékonyréteg-tranzisztort .

Források

Gubanov AI Az amorf félvezetők kvantumelektronikai elmélete. – M., L.: AN SSSR, 1963. – 250 p. (Orosz)
Amorf félvezetők és az ezekre épülő eszközök / szerk. Gorelik S.S. - M .: Kohászat, 1986. - 366 p. (Orosz)
Chaban I. A. Váltóhatás kalkogenid poharakban // Szilárdtestfizika. - 2007. - T. 49 . - S. 405-410 . (Orosz)
Mott N., Davis E. Elektronikus folyamatok nem kristályos anyagokban. - 2. kiadás, átdolgozva. és további — M .: Mir, 1982. — 386 p. (Orosz)
Zabrodsky A. G., Nemov S. A., Ravich Yu. I. A rendezetlen rendszerek elektronikus tulajdonságai - Szentpétervár: "Nauka", 2000. - 70 p. — ISBN 5-02-024927-0 . (Orosz)
Meden A. Amorf félvezetők fizika és alkalmazása: per. angolról. / A. Meden, M. Sho. — M .: Mir, 1991. — 670 p. — ISBN 5-03-001895-6 . (Orosz)
VF néven rendezetlen félvezetők fizikája: Proc. juttatás diákoknak. fizikai és szőrme - mat. fak .. - Szaratov: "Saratov" kiadó, 2004. - 56 p. - ISBN 5-292-03340-5 . (Orosz)
Popov A. I. Amorf félvezetők a mikro- és nanoelektronikában // Kiegészítés a "Vestnik RGTU" folyóirathoz. - 2009. - 4. sz . — ISSN 1995-4565 . (Orosz)
Doynikov L. I. Amorf szalvéták: az ötletektől a sörfőzésig / L.I. Doynikov, V.T. Maslyuk .. - Kijev: T-vo "Knowledge", URSR, 1984. - 47 p.
Hamakawa Y. Amorf félvezetők és az azokon alapuló eszközök. Szerkesztette a műszaki tudományok doktora S.S. Gorelik .. - M . : Kohászat, 1986. - 376 p. (Orosz)
Vasin A. V. SiOC födém alapú amorf nanokompozit anyagok szerkezeti-morfológiai, elektronikai és optikai ereje: disz. a tudomány kedvéért. fizika-matematika doktori fokozat. Tudományok: 01.04.17 . — K. : Fizikai Intézet Napіvprovіdnikov im. V. Є. Ukrajna Lashkarova NAS, 2016. - 328 p.