• 除了扩展态的电子外还有局域态电子的电导。 在的温能度态较而高导时电,,电形子成可扩被展激态发电到导迁。移温边度E较C低以时上, 电声子 子只 的能 帮被 助激 从发一到个接定近域态EC跃的迁带到尾另态一,个然定后域通态过 而导电,形成带尾态电导。在温度更低时,电 子的的只 帮 近能 助 程从 跃 跳费 迁 跃米 到 电能导EF以级。上在EF的以温邻下度近的极空能低态量时,状,形态能成通量定过在域声EF态附子 近的电子,只能在能量相近的能级之间作变程 跳跃。
• 安德森于1958年提出了在无序体系中由于无序产生了 电子定域态的概念。假定晶格格点的几何排列仍是周 期性的,而各个格点处的势场由一个无规势场加理想 三维间期性势场上构成的。
• 安德森势场是一个局域场,对应的波函 数一般也为局域态。定域态一般为分立 能级,但对非晶态材料而言,这种定域 态密度很高,因此对应的能级合并成为 子带。子带可与原来的能带重叠而连接 起来。
• 式中第一项为扩 展态电导率,第 二项为带尾态电 导率,第三项为 近程跳跃电导率, 第四项为极低温 度下的定域变程 跳跃电导率。电 导率随温度的变 化情况见右图。
• 莫特-CFO模型的不足:由定域 态组成的带尾一直延伸到禁带中 部并互相交叠。
• 实验发现非晶态材料对红外光甚 至部分可见光都是透明的,表明 仍应有明确的带隙存在。因此右 图所示的模型更为合理。另外, 对于没有缺陷的无规网络,定域 态只存在于导带底和价带顶附近, 分在E为VE别带和C延尾和EB伸定E间A至域间为图态为价中。导带E带定A和定域E域态B态,两,通点在称,
• 莫特指出,非晶态能带中 部虽然仍保持为扩展态, 但在带顶和带底等能带尾 部的状态可以发生定域化, 产生一个由定域态组成的 能带尾。下图表示有带尾 存在时的能带模型。计算 结果表明,随着无序程度 的增加,定域态与扩展态 的交界处向能带中部移动, 最后相遇于能带中部,整 个能带中的态都变为定域 态。
• 硫系非晶态半导体。这类非晶态半导体中含有 硫系元素如S、Se、Te等,它们往往是以玻璃 态形式存在。
• 长程有序、短程无序 • 非晶态半导体的结构虽然不具有长程序,但其中原子
• 考虑到缺陷时,能带图中 应包含带隙中的缺陷态。 戴维斯-莫特提出了右图所 示的能带模型,其中Ex和 Ey分别表示由悬挂键引起 的深受主和深施主态,它 们互相交叠而EF则被钉扎 在二者中间。
• 实际非晶体中的缺陷是很 复杂的,而且还随着制备 过程中的条件不同而改变, 因此不能用这样简单的模 型来说明带隙中的状态。
• 在晶体中,由于晶格排列具有周期性,即平移 对称性。可得到晶体中电子的波函数为布洛赫 函数,其状态可由简约波矢k标志。
• 由布洛赫波表示的电子态可扩展到整个晶体范 围,故称为扩展态。导带和价带中的电子态都 是扩展态。
• 非晶体中原子的排列不具有长程序,薛定鄂方 程中的势能函数不再是周期性分布的,因此非 晶体中电子的波函数不再是布洛赫波,其状态 不再能由简约波矢k标志。
• 每一原子周围的最近邻原于数与同质晶体中一样,仍 是确定的,且这些最近邻原子的空间排列方式仍大体 保留晶体中的特征。
• 在非晶硅中每一硅原子周围仍是4个最近邻硅原子,而 且它们的排列仍大体上保持单晶硅中的四面体结构配 位形式,只是键角和键长发生了一些畸变。任意二个 键之间的夹角不象单晶硅那样都是109O 28’,而是随机 地分布在109O28’10O的范围内。非晶态固体中的上述 特征称为短程有序。
• 第1峰和第2峰分别代表最近邻 和次近邻原子分布的极大值。 可见最近邻和次近邻原子距离 与晶态的基本相同。
• 峰高较晶体硅的低,表明在aSi中较远原子的距离分布比较 分散,相对于晶体硅已发生了 较大的偏离。随着距离的增大, 原子径向分布函数的峰值变得 越来越不显著,说明原子的分 布已不具有晶体中的长程序了。
• T=0K时,能量在定域态范围内的电子的迁移率为零。当电 子态能量通过扩展态与尾部定域态交界处的临界能量,即 进入扩展态时,电子迁移率突增至一个有限值。
• 在T0时,定域态中的电子可以通过与非晶格子相互作用而 进行跳跃式导电,故迁移率并不为零,但与扩展态中电子 的迁移率相比要小得多。
• 当体系的费米能级处于带尾定域态范围时,只有通过热激 发使电子从定域态跃迁到迁移率边以上的能态才能产生导 电性能,导电性表现为非金属型的。如果费米能级进入扩 展态区域,则处于扩展态中的电子将可象金属中电子那样 导电,导电性表现为金属型的。
• 这种当费米能级通过迁移率边从定域态进入扩展态时发生 的导电性从非金属到金属型的转变称做安德森转变。
• 莫特提出,借助于声子的参与,电子可以通过隧道效应,从一 个定域态跳到另一个相邻的定域态,在外电场作用下,沿场强 方向的跳跃几率与逆场强方向的不同,因而形成定域态电导。
• 定域态电导率又可分为以下几个部分: 费米能级附近定域态间的近程跳跃 极低温度下的变程跳跃 带尾定域态
• 由于非晶态半导体的电导率与多种因素有关,且不同机制的激 活能不同,所以它与温度的关系比较复杂,一般可以写成以下 形式:
• 式中smin是当EF=Ec时的电导率,是扩展态电导率的最 小值。莫特称它为最小金属化电导率。
• 由于非晶态半导体中的结构畸变和大量缺陷的存在, 扩展态迁移率的数值很低,在室温附近,迁移率的值 在5到10cm2/vs之间。
• 非晶态由纳米颗粒+界面相组成。 1、短程有序:纳米粒子内部仍保留与晶体大 致相同的结构。但因受到表面及界面的影响, 晶格常数及键角可能发生畸变。 2、长程无序:纳米颗粒之间没有紧密联系, 晶格不连续,取向不相同。
由于非晶态半导体中的结构畸变和大量缺陷的存在扩展态迁移率的数值很低在室温附近迁移率的值在5到10cmminexp莫特提出借助于声子的参与电子可以通过隧道效应从一个定域态跳到另一个相邻的定域态在外电场作用下沿场强方向的跳跃几率与逆场强方向的不同因而形成定域态电导