Amorfinen puolijohde

Amorfinen puolijohde - amorfisessa tilassa oleva aine , jolla on useita kiteisille puolijohteille ominaisia ominaisuuksia . Tällaisia ominaisuuksia ovat erityisesti sähkönjohtavuuden voimakas lämpötilariippuvuus , optisen absorptiokynnyksen olemassaolo [1] [2] [3] . Näiden materiaalien merkitys johtuu ainutlaatuisista ominaisuuksista, jotka avaavat laajat mahdollisuudet niiden käytännön käyttöön. Tutkituimmat amorfiset puolijohteet ovat amorfinen germanium ja pii , kalkogenidien lejeeringit eri metallien kanssa (esim. As - S - Se , As - Ge -Se- Te ), lasimainen seleeni ja telluuri .

Fysikaaliset ominaisuudet

Elektroninen rakenne

Amorfisten puolijohteiden ominaisuuksia epäjärjestyneinä järjestelminä , joille ei ole olemassa pitkän kantaman järjestystä , ei voida selittää klassisen kiteiden kaistateorian perusteella. Amorfisessa puolijohteessa olevat atomit muodostavat järjestetyn järjestelyn sijaan jatkuvan satunnaisen verkon. Rakenteensa vuoksi joissakin atomeissa on roikkuvia sidoksia, jotka itse asiassa ovat vikoja jatkuvassa satunnaisessa verkossa ja voivat johtaa materiaalin epänormaaliin sähkönjohtavuuteen. Kuitenkin, koska amorfisissa puolijohteissa on lyhyen kantaman järjestystä , jotkut elektronin energiaspektrin ja elektronisten ominaisuuksien ominaisuudet ovat samanlaisia kuin kiteisten puolijohteiden. Vaikka amorfisten puolijohteiden energiaspektri on samanlainen kuin kiteisten puolijohteiden energiaspektri, se ei ole identtinen sen kanssa.

Molemmille puolijohdetyypeille on ominaista valenssikaistan , kaistavälin ja johtavuuskaistan läsnäolo. Valenssi- ja johtavuuskaistojen tilojen tiheyden jakautumismuodot ovat myös lähellä. Samanaikaisesti ei-kiteisten puolijohteiden kaistavälin tilojen rakenne eroaa kiteisistä. Kiteisissä puolijohteissa havaitun tarkasti määritellyn kaistavälin sijaan amorfisten puolijohteiden kaistaväli sisältää rakenteellisesta häiriöstä johtuvia paikallisia tiloja, jotka muodostavat tilojen tiheyden pyrstöjä valenssikaistan yläpuolelle ja johtavuuskaistan alapuolelle. Nämä paikallisten tilojen hännän etenevät kaistanväliin muutaman eV :n kymmenesosan verran . Ne tilat, jotka ovat lähempänä kaistavälin keskikohtaa, ovat paikallistuneempia ("pienet" lokalisoidut tilat), ne, jotka ovat lähempänä kaistan reunoja, ovat laajennettuja. Tällainen puolijohteiden kaistavälin analogi, amorfisissa puolijohteissa, on täysin täytetty paikallisilla tasoilla, sitä kutsutaan liikkuvuusraoksi tai liikkuvuuskaistaväliksi, ja liikkuvuusraon rajoja, jotka erottavat lokalisoidun ja delokalisoidun tilan, kutsutaan liikkuvuuskynnyksiksi. .

"Pienet" paikalliset tilat vyöhykkeiden pyrstissä, jotka ovat lämmönvaihdossa liikkuvuuskynnyksen yläpuolella olevien siirrettyjen tilojen kanssa, ovat "kiinnittyviä" tasoja. Useita sieppauksia vähentää jyrkästi nykyisten kantajien liikkuvuutta. Vapaiden elektronien vuorovaikutus sallituissa vyöhykkeissä "matalien" lokalisoitujen tilojen kanssa vyöhykkeiden pyrstissä aiheuttaa siirtymisen siirron ajelehtimiseen. Jos paikallisten tilojen järjestelmälle on ominaista suuri tiheys, niin ajautuminen korvataan dispersiivisellä kuljetuksella [4] .

Johtavuus

Amorfisille puolijohteille erotetaan kolme sähkönjohtavuusmekanismia , jotka vallitsevat eri lämpötila-alueilla [2] :

johtavuus, joka johtuu siirretyissä tiloissa olevista kantoaineista, jonka lämpötilariippuvuutta kuvaa lauseke:

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

Tämäntyyppinen johtavuus, joka on analoginen kiteisten puolijohteiden sisäisen johtavuuden kanssa, on vallitseva korkeissa lämpötiloissa;

johtuminen kantoaaltojen vuoksi, jotka on viritetty paikallisiin tiloihin kaistojen "pyrstöissä" .
johtavuus, joka johtuu kantajien hyppelemisestä paikallisten tilojen välillä lähellä Fermi-tasoa, toisin sanoen hyppivä johtuminen, joka kuvataan kolmiulotteisen tapauksen Mott-kaavalla:

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

Hyppyjohtavuus hallitsee alhaisissa lämpötiloissa. Kalkogenidin lasimaisissa johtimissa tehokas vuorovaikutus paikallisten elektronien välillä voi olla luonteeltaan vetovoimaa; tämä johtaa niiden pariliitokseen, eikä hyppivää johtumista yleensä havaita.

Toisin kuin kiteiset, useimmat amorfiset puolijohteet ovat käytännössä epäherkkiä epäpuhtauksien lisäämiselle . Selitys voi olla siinä, että amorfisissa aineissa voi tapahtua sellainen sidosten uudelleenjärjestely, jossa kaikki epäpuhtausatomin valenssielektronit osallistuvat sidoksiin. Joten esimerkiksi kiteisessä piissä fosforiatomi muodostaa neljä kovalenttista sidosta . Oletetaan, että amorfisessa piissä fosforiatomia ympäröi viisi piiatomia. Jos näin on, epäpuhtaustasoja ei muodostu.

On huomattava, että amorfisissa puolijohteissa olevien virrankantajien liikkuvuus on paljon pienempi kuin kiteissä. Useimmille amorfisille puolijohteille on ominaista huomattava valonjohtavuus .

Vaihtotehoste

Monilla metalli-puolijohdekalvojärjestelmissä olevilla kalkogenidilasipuolisilla puolijohteilla havaitaan nopea (~ 10–10 s ) käänteinen vaikutus suuren resistanssin tilasta matalaresistanssiseen vaihtamiseen, jolloin johtavuus kasvaa useita suuruusluokkia alle. voimakkaan sähkökentän vaikutus [5] . Erityisesti on kytkentä "muistilla", kun matalan resistanssin tila säilyy myös sähkökentän poistamisen jälkeen (Ovchinsky-ilmiö). Tämä "muisti" tyhjennetään vahvalla ja lyhyellä virtapulssilla. Ainoa teoria, joka selittäisi tämän ilmiön, ei ole luotu vuoteen 2019 mennessä, vain useita malleja ja hypoteeseja on kehitetty , vaikka vastaavia amorfisia puolijohteita käytetään jo muistielementtien luomiseen.

Kytkentävaikutuksen luonne voi olla joko elektroninen johtuen virrankuljettajien ruiskuttamisesta metallikoskettimesta puolijohteeseen, tai lämpöä virran puristusvaikutuksen vuoksi . Kantoaineinjektio voidaan saavuttaa kohdistamalla korkea jännite amorfisen puolijohteen pinnalla olevien metallikontaktien väliin. Jos jännitettä pienennetään, elektronit "putoavat" johtavista tiloista ansoihin lähellä liikkuvuusraon yläreunaa, josta ne voidaan sitten helposti virittää johtavuuskaistalle. Tämä epätasapainotilanne voi johtaa sellaiseen energiatilojen populaatioon lähellä liikkuvuusraon yläreunaa, ikään kuin Fermi-taso olisi noussut tälle alueelle. Tämän seurauksena puolijohteen johtavuus kasvaa. Kytkentävaikutuksen termisen luonteen vuoksi johtimeen ilmestyy kuuma "filamentti" lämpötilan nousun seurauksena, jossa myös siinä olevan aineen johtavuus kasvaa. Lämpötilan nousu on seurausta Joule-Lenzin lämmön vapautumisesta sähkövirran kulkiessa puolijohteen läpi.

Optiset ominaisuudet

Amorfisten puolijohteiden optiset ominaisuudet johtuvat niiden elektronisesta rakenteesta. Optisten ominaisuuksien tutkimus tarjoaa laajaa tietoa kaistan rakenteesta [6] . Ei-kiteisten puolijohteiden optisten ominaisuuksien vertailu kiteisten puolijohteiden kanssa osoittaa näiden ominaisuuksien samankaltaisuuden, mutta ei identiteettiä. Amorfisten puolijohteiden, kuten myös kiteisten, absorptiospektreissä on sisäinen absorptiokaista, jonka reunan sijainti määrää optisen kaistavälin leveyden. Amorfisten puolijohteiden optinen absorptiokerroin putoaa huomattavasti tiettyyn kynnystaajuuteen asti . Siksi amorfisen puolijohteen hankintamenetelmästä riippuen havaitaan kahdenlaisia käyttäytymistyyppejä: $\alpha (\omega )$ $\omega_0$

optinen absorptiokerroin katkeaa äkillisesti kynnystaajuudella ja putoaa käytännössä nollaan muodostaen vyöhykkeen terävän reunan (absorptioreuna)
optinen absorptiokerroin vain pienenee ja pysyy äärellisenä taajuusalueella kynnyksen alapuolella muodostaen "hännän" absorptiospektriin.

Absorptioreunan olemassaolo voidaan selittää sillä, että huolimatta paikallisten tilojen suuresta pitoisuudesta kielletyllä liikkuvuuskaistalla, optisesti viritetyt siirtymät paikallisten tilojen välillä ovat epätodennäköisiä suuren etäisyyden vuoksi.

Absorptiokertoimen taajuusriippuvuus optisen "hännän" alueella kuvataan hyvin Urbachin säännöllä [7] :

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

missä on tyypillistä energiaa. Kynnyksen ylittävien taajuuksien alueella absorptiokertoimen taajuusriippuvuus kuvataan melko hyvin kaavalla $\mathrm{E}$

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

Jos verrataan amorfisen puolijohteen ja saman puolijohteen absorptiospektrejä kiteisessä tilassa, niin absorptioreunan siirtymisen lisäksi pitkän aallonpituuden alueelle tapahtuu spektrimaksimin levenemistä, joka siirtyy lyhyen aallonpituuden alue. Kiteisten puolijohteiden yksittäisiä van't-Hoff-pisteitä vastaavien spektrien huiput ovat yleensä "tahrattuneet" amorfisissa puolijohteissa ja joskus katoavat kokonaan. $\alpha (\omega )$

Amorfisten puolijohteiden optisissa absorptiospektreissä eksitoniviivoja ei yleensä havaita [ 7] .

Monille amorfisille puolijohteille on ominaista voimakas valonjohtavuus , mutta toisin kuin kiteisissä puolijohteissa, valoherättyneiden epätasapainoisten virrankantajien pitoisuus niissä voi olla suuruusluokkaa suurempi kuin tasapainoisten pitoisuus samassa lämpötilassa. Valonjohtavuuden riippuvuutta valon intensiteetistä useimmissa amorfisissa puolijohteissa voidaan kuvata riippuvuudella, jossa ${\displaystyle \sigma _{\phi ))$ $minä$ $\sigma _{\phi }\sim I^{n},$ $0{,}5\leq n\leq 1.$

Amorfisten puolijohteiden saaminen

Tekniikat amorfisten puolijohteiden saamiseksi ovat yksinkertaisempia ja tuottavampia kuin kiteisten valmistustekniikat, mikä vähentää merkittävästi vastaavien materiaalien ja niihin perustuvien tuotteiden kustannuksia. Amorfista piitä ja germaniumia valmistetaan haihduttamalla ja kondensoimalla niitä korkeassa tyhjiössä tai katodisputteroimalla argonplasmassa .

Käytännön sovellus

Amorfisten puolijohteiden käytännön sovelluksen määräävät niiden rakenteen, ominaisuuksien, kemiallisen kestävyyden ja mekaanisen lujuuden ominaisuudet sekä niiden prosessoinnin valmistettavuus ja mahdollisuus saada materiaaleja, joilla on halutut ominaisuudet. Epäjärjestyneiden puolijohteiden edut, jotka määräävät niiden käytännön sovelluksen kiteisiin verrattuna, ovat seuraavat [8] :

alueella ei ole käytännössä asetettu rajoituksia;
alhaiset (yksikiteisiin verrattuna) tuotantokustannukset, heikko koko-kustannussuhde;
mahdollisuus valmistaa elektronisia matriiseja ei-kiteisille alustoille;
joidenkin sähköfysikaalisten ominaisuuksien suhde, joita ei ole saatavilla kiteissä;
ainutlaatuisten tehosteiden läsnäolo, joita kiteissä ei ole ja jotka mahdollistavat uusiin periaatteisiin perustuvien laitteiden kehittämisen.

Amorfisia puolijohteita käytetään valosähköisten muuntimien , ohutkalvotransistoreiden , muistielementtien ja nestekidenäyttöjen luomiseen . Jotkut optisten kuvien tallennuslaitteet voidaan luoda vain käyttämällä amorfisia puolijohteita. Tällaisia laitteita ovat esimerkiksi " vidicon "-tyyppiset televisioputket, nykyaikaiset kopiokoneet ja "kalkogenidilasimainen puolijohde-termoplastinen" -tyyppiset tallennusvälineet.

Historia

Vuonna 1956 N. A. Goryunova ja B. T. Kolomiets havaitsivat, että joillakin lasimaisilla kalkogenideillä on puolijohdeominaisuuksia. Tämän tosiasian paljastaminen sekä seuraavat A. F. Ioffen , A. R. Regelin , A. I. Gubanovin, N. Mottin ja E. Davisin perusteokset antoivat sysäyksen suurelle määrälle teoreettisia ja kokeellisia tutkimuksia amorfisista puolijohteista.

Vuonna 1960 Ioffe ja Regel ehdottivat, että amorfisten puolijohteiden sähköiset ominaisuudet eivät määräydy pitkän kantaman, vaan lyhyen kantaman järjestyksen mukaan. Tämän idean pohjalta kehitettiin teoria epäsäännöllisistä materiaaleista, mikä mahdollisti monien ei-kiteisten aineiden ominaisuuksien selittämisen. Vuosina 1961-1962 A. D. Pearson, B. T. Kolomiyts, S. G. Ovshinsky löysivät itsenäisesti vaihtovaikutuksen. Patenttikirjallisuudessa vaihtovaikutusta, jolle Ovshinsky sai USA:n patentin vuonna 1963, kutsutaan Ovshinsky-efektiksi. Ensin hän huomautti mahdollisuudesta käyttää vaihtotehostetta muistielementtien luomiseen. Merkittävä edistys teoreettisessa ja kokeellisessa tutkimuksessa sekä amorfisten puolijohteiden käytännön käytön näkymät ovat lisänneet merkittävästi tiedeyhteisön kiinnostusta niitä kohtaan.

Suurin menestys saavutettiin täällä 70-luvun alussa, jolloin kehitettiin teollisia tekniikoita amorfisten puolijohdehalogenidien saamiseksi, joista valmistettiin kineskooppeja, hehkupurkausloistelamppuja, optisia muistilaitteita, polarisaatiokytkimiä , prosessoreita fotolitografiaa varten ja vastaavia.

Vuonna 1972 Japanin fysiikkaa ja amorfisten puolijohteiden käyttöä käsittelevän pysyvän seminaarin ensimmäinen kokous pidettiin Japanin keramiikkayhdistyksen [9] johdolla . Vuosina 1974-1982 fysiikkaa ja amorfisten puolijohteiden käyttöä koskevia seminaareja pidettiin lähes vuosittain. Löytö vuonna 1976 mahdollisuudesta doping amorfinen pii (a-Si), joka on saatu hehkupurkauksessa , merkitsi alkua sen valonjohtavien ominaisuuksien käyttöön, jotka liittyvät voimakkaaseen optiseen absorptioon spektrin näkyvässä osassa . Vuonna 1979 luotiin ensimmäinen a-Si-pohjainen ohutkalvotransistori .

Lähteet

Gubanov AI Amorfisten puolijohteiden kvanttielektroninen teoria. - M.; L.: AN SSSR, 1963. - 250 s. (Venäjän kieli)
Amorfiset puolijohteet ja niihin perustuvat laitteet / toim. Gorelik S.S. - M .: Metallurgy, 1986. - 366 s. (Venäjän kieli)
Chaban I. A. Vaihtovaikutus kalkogenidilaseissa // Solid State Physics. - 2007. - T. 49 . - S. 405-410 . (Venäjän kieli)
Mott N., Davis E. Elektroniset prosessit ei-kiteisissä aineissa. - 2. painos, tarkistettu. ja ylimääräistä - M .: Mir, 1982. - 386 s. (Venäjän kieli)
Zabrodsky A. G., Nemov S. A., Ravich Yu. I. Epäjärjestyneiden järjestelmien elektroniset ominaisuudet - Pietari: "Nauka", 2000. - 70 s. — ISBN 5-02-024927-0 . (Venäjän kieli)
Meden A. Amorfisten puolijohteiden fysiikka ja sovellus: per. englannista. / A. Meden, M. Sho. - M .: Mir, 1991. - 670 s. — ISBN 5-03-001895-6 . (Venäjän kieli)
Nimetty VF Physics of Distributed Semiconductors: Proc. opintotuki opiskelijoille. fyysistä ja turkista - matto. fak .. - Saratov: Kustantaja "Saratov", 2004. - 56 s. - ISBN 5-292-03340-5 . (Venäjän kieli)
Popov A.I. Amorfiset puolijohteet mikro- ja nanoelektroniikassa // Täydennyslehti "Vestnik RGTU". - 2009. - Nro 4 . — ISSN 1995-4565 . (Venäjän kieli)
Doynikov L. I. Amorfiset lautasliinat: ideoista panimoon / L.I. Doynikov, V.T. Maslyuk .. - Kiova: T-vo "Knowledge", URSR, 1984. - 47 s.
Hamakawa Y. Amorfiset puolijohteet ja niihin perustuvat laitteet. Toimittanut teknisten tieteiden tohtori S.S. Gorelik .. - M . : Metallurgia, 1986. - 376 s. (Venäjän kieli)
Vasin A. V. SiOC-levyihin perustuvien amorfisten nanokomposiittimateriaalien rakenne-morfologinen, elektroninen ja optinen teho: dis. tieteen vuoksi. fys.-matematiikan tohtorin tutkinto. Tieteet: 01.04.17 . — K. : Fysiikan instituutti Napіvprovіdnikov im. V. Є. Ukrainan Lashkarova NAS, 2016. - 328 s.