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.

   <<      Предметный указатель      >>