Взгляд в 2020 год. АстрономияКлючевые вопросы на ближайшее десятилетие включают определение природы темной материи, которая наполняет Вселенную - это будет основным разочарованием, если парадигма темной материи не будет подтверждена прямым детектированием слабо взаимодействующих частиц, так как пройдет уже 40 лет с момента ее создания. Далее... |
аморфные и стеклообразные полупроводники
АМОРФНЫЕ И СТЕКЛООБРАЗНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКИ
- аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. А. и с. п. характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка
(см. Дальний и ближний порядок).
А. и с. п. по составу и структуре подразделяются
на халькогенидные, оксидные, органические, тетра-эдрические. Наиб. подробно
изучены халькогенидные стеклообразные (ХСП) и элементарные тетраэдриче-ские
(ЭТАП). ХСП получают в осн. либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме.
К ним относятся Se и Те, а также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы
халькогенидов (сульфидов, селенидов в теллуридов) разл. металлов (напр., As-S
- Se, As- -Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). ЭТАП (аморфные Ge и Si)
получают чаще всего ионным распылением в разл. водородсодержащих атмосферах
или диссоциацией содержащих их газов (в
частности, SiH4 или GeH4) в высокочастотном разряде.
Особенности А. и с. п. связаны с особенностями
энергетич. спектра электронов. Наличие энергетич. областей с высокой и низкой
плотностями электронных состояний - следствие ближнего порядка. Поэтому можно
условно говорить о зонной структуре некристаллич. веществ (см. Зонная теория). Однако разупорядо-ченность структуры приводит к появлению дополнит. разрешённых
электронных состояний, плотность к-рых
спадает в глубь запрещённой зоны, образуя "хвосты" плотности состояний
(рис. 1, а).
Рис. 1. Схемы энергетического спектра
ХСП Аs2Sе2. Области локализованных состояний заштрихованы.
- границы
областей с высокими плотностями состояний;
-
запрещённая зона по подвижности.
Электронные состояния в "хвостах"
делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие). Резкие границы
между этими состояниями наз краями подвижности (
и , рис. 1), расстояние
между ними наз. запрещённой зоной (или щелью) по подвижности
(см. Неупорядоченные системы).
Электропроводность. Максимумы,
обусловленные дефектами структуры, могут возникать внутри щели и перекрываться
друг с другом, как и сами "хвосты" (рис. 1, б, в). В соответствии
с этим выделяют три механизма проводимости, к-рые преобладают в разл. температурных
интервалах: а) перенос носителей заряда, возбуждённых за край подвижности, по
делока-лизов. состояниям. При этом статич. проводимость
в широком температурном интервале определяется выражением
, где - ферми-энергия, б)
Прыжковый перенос носителей заряда, возбуждённых в локализов. состояния вблизи
краёв подвижности (напр., в состояния между
и ). В этом случае
где W-энергия активации прыжка,
10
Ом-1см-1. в) Прыжковый перенос носителей по локализов.
состояниям вблизи
на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:
Механизмы "а" и "б"
более характерны для ХСП, случай "в" - для ЭТАП. Прыжковый перенос
носителей проявляется в слабой зависимости проводимости на переменном токе от
темп-ры; зависимости от частоты
; в противоположных знаках термоэдc и Холла эффекта.
Подвижность носителей заряда мала (10-5-10-8
см2 В-1с-1) и зависит от напряжённости
электрич. поля и толщины образца, что связывают либо с многократным захватом
носителей на локализов. состояния, распределённые по определ. закону, либо с
прыжковым переносом.
Для большинства ХСП значения s
и энергия активации практически не зависят от природы и концентрации примесей
(примесные атомы проявляют макс. валентность, отдавая все свои валентные электроны
на образование ковалентных связей с осн. атомами). Однако примеси переходных
металлов (Ni, Mo, W, Fe) вызывают появление примесной проводимости (резкое возрастание
, рис. 2). Предполагается,
что её создают d-электроны, к-рые могут не участвовать в образовании ковалентных
связей. ЭТАП, в частности аморфный Si, удаётся эффективно легировать атомами
Р и В.
Рис. 2. Зависимости проводимости
аморфных полупроводников от концентрации примеси переходных металлов.
Рис. 3. Вольтамперная характеристика
халькогенидных стеклообразных полупроводников в условиях "эффекта переключения".
Для многих ХСП характерен эффект переключения
- быстрый (~10-10 с) обратимый переход из высокоомного
состояния (рис. 3, 1) в низкоомное (2)под действием сильного
электрич. поля >=105 В*см-1. Это объясняется как инжекцией
электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда,
так и ростом темп-ры в шнуре тока (см. Шнурование тока ).В ряде ХСП низкоомное
состояние образца сохраняется длительно, а для возврата в высокоомное состояние
необходимо пропустить через образец кратковрем. импульс тока. Этот эффект памяти
обусловлен частичной кристаллизацией ХСП в области токового шнура.
Во многих А. и с. п., в частности в
ХСП, электронные состояния в запрещённой зоне являются поляронами малого
радиуса. Заполнение такого состояния электроном сопровождается сдвигом соседних
атомов решётки, что приводит к отличию значений ,
полученных из измерений межзонного поглощения света и энергии активации проводимости.
Оптические свойства. Край осн. поглощения
света в А и с. п. имеет 3 участка. В области высоких значений коэф. поглощения
>104
см-1, его зависимость от частоты:
, где В~105-106 см-1 эВ-1,
- оптическая ширина
запрещённой зоны. При 1,0 см-1<a<103-104
см-1 ,
где А= 15-20 эВ-1. При
см-1 поглощение обусловлено дефектами структуры.
В большинстве А. и с, п. наблюдается
значит. фотопроводимость , где L - интенсивность света; 0,5[n[1,0.
Спектральное распределение
имеет максимум и пологую длинноволновую ветвь; зависимость
имеет максимум в той области Т, где
~, а при понижении
темп-ры спадает
вначале экспоненциально, а затем более полого. Особенности
объясняются "прилипанием" и рекомбинацией неравновесных носителей
на локальных центрах, непрерывно распределённых по энергии по определённому
(в частности, по экспоненциальному) закону. В ХСП наблюдаются ряд специфич.
явлений, напр. уменьшение люминесценции в процессе возбуждения, что коррелирует
с явлениями фотоиндуцир. электронного парамагн. резонанса (ЭПР) и фотоиндуциров.
поглощения света. Эти особенности
объясняются наличием заряж. дефектов, к-рые при низкотемпературном освещении
становятся нейтральными и парамагнитными.
Аморфный кремний. Из ЭТАП наиб, изучен
гидроге-низиров. аморфный Si. Водород "залечивает" оборванные связи
в Si, понижая тем самым плотность локали-зов. состояний в запрещённой зоне и
обеспечивая возможность легирования, а также меняет общую структуру и весь комплекс
электрич. и оптич. свойств.
Практическое применение А. и с. п. разнообразно.
Благодаря прозрачности в длинноволновой области спектра ХСП применяются в оптич.
приборостроении. Сочетание высокого сопротивления и большой фотопроводимости
используется в электрофотографии, телевизионных передающих трубках типа видикон
и для изготовления фототермопластич. преобразователей изображений. Эффекты переключения
и памяти позволяют получить быстродействующие переключатели и матрицы памяти.
Фотолегирование и обратимость фотости-мулиров. изменения оптич. свойств используются
в светорегистрирующих средах для голографии и бессеребряной фотографии. Стимулированное
внеш. воздействиями изменение растворимости ХСП лежит в основе фото-, электроно-
и рентгенорезисторов, фотошаблонов и др. Плёнки аморфного Si и др. ЭТАП перспективны
для построения солнечных батарей, а также для создания эфф. электролюминофоров,
электрофотографич. устройств, видиконов и др. преобразователей изображений.
Лит.: Мотт Н., Дэвис Э., Электронные
процессы в некристаллических веществах, пер. с англ., т. 1-2, 2 изд.,
М., 1982; Костылев С. А., Шкут В. А., Электронное переключение в аморфных полупроводниках,
К., 1978; Шкловский Б. И., Эфрос А. Л., Электронные свойства легированных полупроводников,
М., 1979; Стеклообразный сульфид мышьяка и его сплавы, Киш., 1981; Электронная
теория неупорядоченных полупроводников, М., 1981; Аморфные полупроводники, под
ред. М. Бродски, пер. с англ., М., 1982.
В. М. Любин.