半导体材料:9 非晶态半导体 9- 9- 10 §9 非晶态半导体晶体:原子是周期排列的 非晶体:与晶态相比不存在长程的有序性 非晶态半导体是半导体领域中的一个重要方面,也是非晶态物理,非晶态物理的争论可以追溯到 1968 年,现在已经大范围的应用,主要是非晶硅太阳能电池,1977 年 Mott 主要以他在非晶态半导体理论争论中的成绩获得了诺贝尔奖金。争论非晶态半导体理论的意义,绝不仅仅局限于对于一些物理现象的理解和描述,它对如何生疏固体理论中的很多根本问题有着重要的影响。 它是目前理论物理争论的前沿之一,是无序系统理论的重要组成局部,同时它的争论成果已经应用于晶体外表,界面,缺陷, 杂质等争论之中。 非晶态半导体材料包括的范围很广,目前争论最多的是非晶硅。今日主要讲非晶硅。 §9.1 非晶的构造 非晶半导体都是以共价键结合为主的,共价结合的特点是具有方向性和饱和性 ,也就是说各种元素原子能形成多少共价键,以及共价键间的几何方位,都有确定的规律,这就使 得非晶态半导体的构造仍旧保持近程的有序性,与晶态相比,只是不存在长程的有序性。 晶体硅 原子形成共价结合时,价电子进展SP3 杂化,形成沿正四周体四个顶角方向的共价键,任意两个键夹角 109 18′ 非晶也是这种正四周体配置, 只是在非晶硅中,键角和键长有不同程度的畸变,这种畸变使硅不再存在长程的周期性。 H 在非晶硅的构造中占有肯定的比例: 例: H 2 SiHHSi 从(110)面的原子投影图看,晶体硅组成一系列六原子环,而在非晶硅中,由于键角和键长有肯定程度的畸变,不再存在有肯定长度的周期性,这是硅原子除了组成六原子环外,还组成五原子环,七原子环等. 构造特点: 长程无序,短程有序, 在构造上,非晶态半导体的组成原子没有长程有序性, 但由于原子间的键合力格外类似于晶体 ,通常只保持着几个晶格常数范围内的短程有序,简洁的说,非晶半导体构造是长程有序,短程有序. 连续共价键无序网络 对于大多数非晶态半导体而言 ,其组成原子是共价键 结合在一起,形成一种连续的共价键无规网络,全部的价电子都束缚在键内,并满足最大成键数目的 8_N 规章,称此为键的饱和性.N 为原子价电子数. 化学组分的无序性 非晶态半导体可以局部实现连续的物性掌握,当连续转变 组成非晶态半导体的化学组分时,其比重相变温度,电导率, 禁带宽度都随之变化,这为探究材料供给了宽阔的天地. 在热力学上处于亚稳状态 非晶半导体在热力学上处于亚稳状态,在肯定的条件下, 可以 转变为晶态.这是由于非晶态半导体比其相应的晶态材料有更高的晶格位能(自由能) 性能重复性差 非晶态半导体的构造,电学与光学性质格外灵敏的依靠于制 备条件和制备方法,与制成材料的历史状况有关,因此,性能重 复性差。 物性的各向同性 非晶态半导体的物理性质是各向同性的,这是由于它是一种共价键无规章网络构造,不受周期性的约束。 § 9.2 非晶态半导体的能带 回忆晶体的能带: E Ec P(E) vdEP(E)E P(E) v dE P(E) E 晶体半导体导带底,价带顶四周的态密度函数 晶体中电子态的能量本征值分成一系列能带,对晶态半导体 最重要的是导带和价带,导带和价带之间存在禁带,在能带中 电子能带是格外密集的,形成准连续分布,为了概述这种状况下的能级分布状况,通常引入能态密度函数〔E〕,在 E—E+dE 间隔内的状态数为 〔E〕dE 。 在非晶态半导体中,也存在一系列能带,能带的存在不依靠于 晶体的周期性。目前的争论说明,能带的根本状况主要取决于近程的 性质。主要表现在非晶态半导体的能态密度存在着尾部,是非晶态半 导体的本征性质,它是由无规章网络中键的畸变造成的。导带中,E〉Ec 是扩展态 EA〈E〈Ec 为定域态价带中,E〈Ev 是扩展态 Ev〈E〈EB 是定域态 μE E μ Ec ?( E) E A μEv μ ?( E) E E Ec,Ev 分别表示导带和价带中扩展态和定域态的分界。当电 子处于 定域态时,电子只能通过与晶格振动相互作用交换能量,才能从一个 定域态跳到另一个定域态,进展跳动式导电。 因此,当T→0K 时,定域态中电子迁移率为零,而扩展态中的迁移率为有限值,所以扩展态和定域态的分界又称为迁移率边缘。 非晶态半导体中的缺陷能级 晶态半导体中的缺陷,如杂质,空位,位错等,往往在禁带中引入缺陷能级,它们表示电子的束缚态在非晶半导体中也是一样。由于非晶态半导体中缺陷密度大,在禁带中引入大量的缺陷定域态。这些定域态的能级形成窄的能带。 EcEx Ec Ex Ey ?( Ev 反映在能态函数上,如上图所示,依据W.E.spear 等人的试验,认为非晶硅中通常存在双峰.如图中Ex,Ey.Ex 为受主型的缺陷态,也就是说,这些能态上仅有电子占据时,呈现中性而当这些能态上占有电子时,呈带负电状态 Ey 为施主型缺陷,也就是当占有电子时,呈中性钻状态,当不被电子占据时,呈带正电状态. 假设这两个峰有交叠,就会有些施主型缺陷态的电子转移到受主型缺陷态上,分别呈现带正电荷和负电荷. 假设缺陷态密度足够大 ,这些缺陷态中既占有电子又往往不能填满,这就意味着费米能级EF 处于这种定域的能带中,而且EF 不大随温度变化,这种现象叫做"钉扎"现象. 〔1〕 代为定域态被认为是非晶半导体的本征性 质.它是 无规章网络中键的畸变造成的. 〔2〕 缺陷能级定域态被认为与悬挂键,杂质掺杂有关 悬挂键是非晶半导体的根本构造特征.Si和Ge等四周体配位的半导体在形成共价结合时,价电子进展SP 3杂化然后成键,它们的成键态对应固体的价带,而反键态对应固 体的导带.在悬挂键上只有一个未成对电子.它在禁带中产生缺陷能级.这种悬挂键有两种可能的带电状态.①释放掉未成键的电子成为正电中心,这是施主态.②承受其次个电子成为负电中心,这是受主态.〔在Ge,Si中受主能级比施主能级高,这时由于施主能级表示的是悬挂键上有一个电子占据的状况,受主能级表示的是悬挂键上有两个电子占据的状况〕 §9.3 非晶态半导体的电学性质直流电导 在分析非晶态半导体的电导时,应留意以下两个方法: 第一,晶态半导体的导电主要是靠导带中的电子或价带中空 穴,〔除高掺杂的状况外,此时还要记入杂质带导电而在非晶态半导体中存在着扩展态,带尾定域态,禁带中的缺陷定域态.这些状态的电子〔或空穴〕都可能对电导有奉献,因此需同时分析. 其次,晶态半导体中的费米能级通常是随温度变化的,而是晶态半导体的费米能级是钉扎在禁带中的,根本上不随温度变化. ① 禁带中缺陷定域态的电导 定域态之间的导电机构是跳动式的,电子从一个定域态 转移到另一个定域态依靠于电子-晶格的相互作用,电子与晶格相互作用,交换能量,吸取一个或多个声子,这是一个热激活的过程.
1996-2023年中科院610分子生物学考研真题及答案解析汇编.docx
YY/T 0929.3-2023输液用药液过滤器第3部分:标称孔径0.22 μm药液过滤器液体细菌截留试验方法.pdf
中国行业标准 YY/T 0929.3-2023输液用药液过滤器第3部分:标称孔径0.22 μm药液过滤器液体细菌截留试验方法.pdf
高中化学学业水平合格性考试复习专题八第二节化学品的合理使用环境保护与绿色化学课件.ppt
人教版高中英语选择性必修第三册UNIT4 Section Ⅱ Learning About Language练习含答案.docx
人教版高中英语选择性必修第二册UNIT5 Section Ⅱ Learning About Language练习含答案.docx
人教版高中英语选择性必修第三册UNIT1 Section Ⅱ Learning About Language练习含答案.docx
人教版高中英语选择性必修第三册第三单元过关检测(B卷)含答案.docx
新教材(广西专用)高考语文二轮复习任务突破练7赏析环境——明辨类型,关注效果含答案.docx
汽车电器与电子技术 作者 孙仁云 汽车电器与电子技术 第01章绪论、看.pptx
原创力文档创建于2008年,本站为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接分享给其他用户(可下载、阅读),本站只是中间服务平台,本站所有文档下载所得的收益归上传人所有。原创力文档是网络服务平台方,若您的权利被侵害,请发链接和相关诉求至 电线) ,上传者