Аморфный полупроводник

Схематическое изображение структуры кристаллического, аморфного и аморфного гидрогенизированного кремния.

Свойства аморфных полупроводников как неупорядоченных систем, для которых отсутствует дальний порядок, не могут быть объяснены на основе классической зонной теории для кристаллов. Атомы в аморфном полупроводнике вместо упорядоченного расположения образуют непрерывную случайную сеть. Благодаря своей структуре некоторые атомы имеют оборванные связи, которые, фактически, являются дефектами в непрерывной случайной сети и могут привести к аномальной электропроводности материала. Однако из-за наличия ближнего порядка в аморфных полупроводниках некоторые особенности энергетического спектра электронов и электронных свойств подобны свойствам кристаллических полупроводников. Хотя энергетический спектр аморфных полупроводников и подобен энергетическому спектру кристаллических, он не тождественен ему.

Для обоих типов полупроводников характерно наличие валентной, запрещенной и зоны проводимости. Близки и формы распределения плотности состояний в валентной зоне и зоне проводимости. В то же время структура состояний в запрещённой зоне в некристаллических полупроводниках отличается от кристаллических. Вместо четко очерченной запрещенной зоны, которая наблюдается в кристаллических полупроводниках, запрещённая зона аморфных полупроводников содержит обусловленные структурным разупорядочением локализованные состояния, которые формируют хвосты плотности состояний выше валентной зоны и ниже зоны проводимости. Эти хвосты локализованных состояний распространяются в запрещённую зону на несколько десятых эВ. Те состояния, которые находятся ближе к середине запрещённой зоны, более локализованы («мелкие» локализованные состояния), находящиеся ближе к краям зон — протяжённые. Такой аналог запрещённой зоны полупроводников, в аморфных полупроводниках сплошь заполнен локализованными уровнями, называется щелью подвижности или запрещённой зоной по подвижности, а границы щели подвижности, которые разделяют локализованные и делокализованных состояний, называются порогами подвижности.

«Мелкие» локализованные состояния в хвостах зон, находящиеся в тепловом обмене с делокализованными состояниями выше порога подвижности, представляют собой уровни «прилипания». Многократный захват резко снижает дрейфовую подвижность носителей тока. Взаимодействие свободных электронов в разрешённых зонах с «мелкими» локализованными состояниями в хвостах зон обуславливает переход к дрейфовому характеру переноса. Если система локализованных состояний характеризуется высокой плотностью, то дрейф заменяется дисперсионным транспортом [4] .

Для аморфных полупроводников выделяют три механизма электропроводности, которые преобладают в различных температурных диапазонах [2] :

• проводимость, обусловленная носителями в делокализованных состояниях, температурная зависимость которой описывается выражением:

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

Этот тип проводимости, аналогичный собственной проводимости кристаллических полупроводников, преобладает при высоких температурах;

• проводимость, обусловленная носителями, возбужденными в локализованные состояния в «хвостах» зон .
• проводимость, обусловленная носителями, которые совершают прыжки между локализованными состояниями вблизи уровня Ферми, то есть прыжковая проводимость, которая описывается формулой Мотта для трёхмерного случая:

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

Прыжковая проводимость преобладает при низких температурах. В халькогенидных стеклообразных проводниках эффективное взаимодействие между локализованными электронами может носить характер притяжения; это приводит к их спариванию, и прыжковая проводимость, как правило, не наблюдается.

В отличие от кристаллических, большинство аморфных полупроводников практически нечувствительны к добавлению примесей. Объяснение может заключаться в том, что в аморфных веществах может осуществляться такая перестройка связей, где все валентные электроны примесного атома будут участвовать в связях. Так, например, в кристаллическом кремнии атом фосфора образует четыре ковалентных связи. Предполагается, что в аморфном кремнии атом фосфора окружен пятью атомами кремния. Если это так, то примесные уровни образовываться не будут.

Следует отметить, что дрейфовая подвижность носителей тока в аморфных полупроводниках значительно ниже подвижности в кристаллах. Большинство аморфных полупроводников характеризуются заметной фотопроводимостью .

Для многих халькогенидных стекловидных полупроводников в системах металл — полупроводниковая пленка наблюдается быстрый (~ 10⁻¹⁰ с) обратный эффект переключения с высокоомного в низкоомное состояние, при котором проводимость возрастает на несколько порядков под действием сильного электрического поля[5]. В частности, существует переключение с «памятью», когда низкоомное состояние сохраняется и после снятия электрического поля (эффект Овчинского). Эта «память» стирается сильным и коротким импульсом тока. Единственная теория, которая объясняла бы это явление, по состоянию на 2019 год не создана, разработан только ряд моделей и гипотез, хотя соответствующие аморфные полупроводники уже используются для создания элементов памяти.

Природа эффекта переключения может быть как электронная за счёт инжекции носителей тока из металлического контакта в полупроводник, так и тепловая вследствие эффекта шнурования тока. Инжекции носителей можно достичь, приложив высокое напряжение между металлическими контактами на поверхности аморфного полупроводника. Если напряжение уменьшить, то электроны «упадут» из проводящих состояний в ловушки вблизи верхнего края щели подвижности, откуда затем могут быть легко возбуждены в зону проводимости. Эта неравновесная ситуация может привести к такому заселению энергетических состояний вблизи верхнего края щели подвижности, как будто уровень Ферми поднялся в эту область. В результате проводимость полупроводника возрастёт. По тепловой природы эффекта переключения в проводнике возникает горячая «нить», в результате увеличения температуры в которой проводимость вещества в ней также растёт. Увеличение температуры является следствием выделения тепла Джоуля — Ленца при прохождении электрического тока через полупроводник.

Оптические свойства аморфных полупроводников обусловлены их электронный структурой. Исследование оптических свойств даёт обширную информацию о зонной структуре[6]. Сравнение оптических свойств некристаллических полупроводников с кристаллическими указывает на сходство этих свойств, но не тождественность. В спектрах поглощения аморфных полупроводников, как и кристаллических, имеется полоса собственного поглощения, положение края которой определяет ширину оптической запрещенной зоны. Коэффициент оптического поглощения аморфных полупроводников ${\displaystyle \alpha (\omega )}$ заметно падает до некоторой пороговой частоты ${\displaystyle \omega _{0}}$. Поэтому в зависимости от способа получения аморфного полупроводника наблюдается два типа поведения:

• коэффициент оптического поглощения резко обрывается по пороговой частоте, практически падая до нуля, образуя резкий край зоны (край поглощения)
• коэффициент оптического поглощения только уменьшается, оставаясь конечным в области частот, ниже пороговой, образуя «хвост» в спектре поглощения.

Наличие края поглощения можно объяснить тем, что, несмотря на большую концентрацию локализованных состояний в запрещённой зоне подвижности, оптически возбужденные переходы между локализованными состояниями маловероятны из-за большого расстояния.

Частотная зависимость коэффициента поглощения в области оптического «хвоста» хорошо описывается правилом Урбаха[7]:

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

где ${\displaystyle \mathrm {E} }$- некоторая характерная энергия. В области частот, превышающих пороговую, частотная зависимость коэффициента поглощения достаточно хорошо описывается формулой

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

Если сравнивать спектры поглощения аморфного полупроводника и того же полупроводника в кристаллическом состоянии, то кроме сдвига края поглощения в длинноволновую область наблюдается уширение спектрального максимума, который сдвигается в область коротких волн. Пики в спектрах ${\displaystyle \alpha (\omega )}$, отвечающие особым точкам Вант — Хоффа в кристаллических полупроводниках, в аморфных обычно «размываются», иногда вообще исчезая.

Экситонные линии в спектрах оптического поглощения аморфных полупроводников, как правило, не наблюдаются[7].

Многие аморфные полупроводники характеризуются выраженной фотопроводимостью, однако, в отличие от кристаллических полупроводников, концентрация фотовозбуждённых неравновесных носителей тока в них может на порядок превышать концентрацию равновесных при одной и той же температуре. Зависимость фотопроводимости ${\displaystyle \sigma _{\phi }}$ от интенсивности света ${\displaystyle I}$ в большинстве аморфных полупроводников может быть описана зависимостью ${\displaystyle \sigma _{\phi }\sim I^{n},}$ где ${\displaystyle 0{,}5\leq n\leq 1.}$