Аморфний напівпровідник

Схематичне зображення структури кристалічного, аморфного та аморфного гідрогенізованого кремнію.

Властивості аморфних напівпровідників як невпорядкованих систем, для який відсутній дальній порядок, не можуть бути пояснені на основі класичної зонної теорії для кристалів. Атоми в аморфному напівпровіднику замість впорядкованого розташування утворюють неперервну випадкову сітку. Через невпорядкованість структури деякі атоми мають обірвані зв'язки, які, фактично, є дефектами в неперервній випадковій сітці і можуть призвести до аномальної електричної поведінки матеріалу. Однак через наявність ближнього порядку в аморфних напівпровідниках деякі особливості енергетичного спектру електронів та електронних властивостей подібні до особливостей кристалічних напівпровідників.

Хоча енергетичний спектр аморфних напівпровідників і подібний до енергетичного спектру кристалічних, він не тотожний йому. Для обох типів напівпровідників характерним є наявність валентної, забороненої та зони провідності. Близькими є і форми густини розподілу станів у валентній зоні і зоні провідності. В той же час структура станів в забороненій зоні в некристалічних напівпровідниках відмінна від кристалічних. Замість чітко окресленої забороненої зони, яка спостерігається для кристалічних напівпровідників, заборонена зона аморфних напівпровідників містить обумовлені структурним розупорядкуванням локалізовані стани, які формують хвости густини станів вище валентної зони і внизу зони провідності. Ці хвости локалізованих станів поширюються в заборонену зону на кілька десятих еВ. Ті стани, які ближчі до середини забороненої зони, є більш локалізованими ("дрібні" локалізовані стани), ближчі до країв зон - протяжнішими. Такий аналог забороненої зони напівпровідників, яка в аморфних напівпровідниках суцільно заповнена локалізованими рівнями, називається щілиною рухливості або забороненою зоною по рухливості, а границі щілини рухливості, які розділяють локалізовані та делокалізовані стани, називаються порогами рухливості.

«Дрібні» локалізовані стани в хвостах зон, що знаходяться в тепловому обміні з делокалізованими станами вище порога рухливості являють собою рівні «прилипання», багаторазове захоплення на які різко знижує дрейфову рухливість носіїв струму. Взаємодія вільних електронів в дозволених зонах з «дрібними» локалізованими станами в хвостах зон обумовлює перехід до дрейфового характеру переносу. Якщо система локалізованих станів характеризується високою густиною, то дрейф змінюється дисперсійним транспортом [5].

Для аморфних напівпровідників виділяють три механізми електропровідності, які переважають в різних температурних інтервалах[3]:

• провідність, зумовлена носіями в делокалізованому стані, температурна залежність якої описується виразом:

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

Цей тип провідності, аналогічний власній провідності кристалічних напівпровідників, переважає за високих температур;

• провідність, зумовлена носіями, збудженими в локалізовані стани в "хвостах" зон.

• провідність, зумовлена носіями, які здійснюють стрибки між локалізованими станами поблизу рівня Фермі, тобто стрибкова провідність, яка описується формулою Мотта:

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

Стрибкова провідність переважає за низьких температур. В халькогенідних склоподібних провідниках ефективна взаємодія між локалізованими електронами може носити характер притягування; це призводить до їх спарювання, і стрибкова провідність, як правило, не спостерігається.

На відміну від кристалічних більшість аморфних напівпровідників практично нечутливі до додавання домішок. Пояснення може полягати в тому, що в аморфних речовинах може здійснюватися така перебудова зв'язків, що всі валентні електрони домішкового атома будуть брати участь у зв'язках. Так, наприклад, в кристалічному кремнії атом фосфору утворює чотири ковалентних зв'язки. Припускається, що в аморфному кремнії атом фосфору оточений п'ятьма атомами кремнію. Якщо це так, то домішкові рівні утворюватися не будуть.

Слід зазначити, що дрейфова рухливість носіїв струму в аморфних напівпровідниках значно нижча за рухливість в кристалічних.

Більшість аморфних напівпровідників характеризуються помітною фотопровідністю.

Для багатьох халькогенідіних склоподібних напівпровідників в системах метал — напівпровідникова плівка спостерігається швидкий (~10^-10 с) зворотній ефект перемикання із високоомного у низькоомний стан, за якого провідність зростає на кілька порядків, під дією сильного електричного поля[6]. Зокрема, існує перемикання з "пам'яттю", коли низькоомний стан зберігається і після зняття електричного поля (ефект Овчинського). Ця "пам'ять" стирається сильним і коротким імпульсом струму. Єдина теорія, яка б пояснювала це явище, за станом на 2019 рік не створена, розроблено лише ряд моделей та гіпотез, хоча відповідні аморфні напівпровідники використовуються для створення елементів пам'яті.

Природа ефекту перемикання може бути як електронна за рахунок інжекції носіїв струму з металічного контакту в напівпровідник, так і теплова внаслідок ефекту шнурування струму. Інжекції носіїв можна досягти, приклавши високу напругу до металічних контактів на поверхні аморфного напівпровідника. Якщо напругу зменшити, електрони "впадуть" з провідних станів у пастки поблизу верхнього краю щілини рухливості, звідки потім можуть бути легко збуджені в провідний стан. Ця нерівноважна ситуація може призвести до такого заселення енергетичних станів поблизу верхнього краю щілини рухливості, як наче рівень Фермі піднявся б в цю область. В результаті провідність напівпровідника зросте. За теплової природи ефекту перемикання в провіднику виникає гаряча "нитка", внаслідок збільшення температури в якій провідність речовини в ній зростає. Збільшення температури є наслідком тепла Джоуля — Ленца, яке виділяється за проходження електричного струму через напівпровідник.

Оптичні властивості аморфних напівпровідників обумовлені їх електронною структурою. Дослідження оптичних властивостей дає широку інформацію про зонну структуру[7]. Порівняння оптичних властивостей некристалічних напівпровідників з кристалічними вказує на подібність цих властивостей, але не тотожність.В спектрах поглинання аморфних напівпровідників, як і кристалічних, наявна смуга власного поглинання, положення краю якої визначає ширину оптичної забороненої зони. Коефіцієнт оптичного поглинання аморфних напівпровідників ${\displaystyle \alpha (\omega )}$помітно спадає за деякої порогової частоти ${\displaystyle \omega _{0}}$. За цього в залежності від способу отримання аморфного напівпровідника спостерігається два типи поведінки:

• коефіцієнт оптичного поглинання різко обривається за порогової частоти, практично спадаючи до нуля, утворюючи різкий край зони (край поглинання);
• коефіцієнт оптичного поглинання лише зменшується, залишаючись кінцевим в області частот, нижчих за порогову, утворюючи "хвіст" в спектрі поглинання.

Наявність краю поглинання можна пояснити тим, що, не зважаючи на велику концентрацію локалізованих станів в забороненій зоні рухливості, оптично збуджені переходи між локалізованими станами малоймовірні через велику просторову віддаленість.

Частотна залежність коефіцієнту поглинання в області оптичного "хвоста" добре описується правилом Урбаха[8]:

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

де ${\displaystyle \mathrm {E} }$- деяка характерна енергія.

В області частот, які перевищують порогову, частотна залежність коефіцієнта поглинання досить добре описується формулою

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

Якщо порівнювати спектри поглинання аморфного напівпровідника і того ж напівпровідника в кристалічному стані, то крім зсуву краю поглинання в довгохвильову область спостерігається уширення спектрального максимуму, який зсувається в область коротких хвиль. Піки в спектрах ${\displaystyle \alpha (\omega )}$, що відповідають особливим точкам Вант - Хоффа в кристалічних напівпровідниках, в аморфних зазвичай "розмиваються", іноді взагалі зникаючи.

Екситонні лінії в спектрах оптичного поглинання аморфних напівпровідників, як правило, не спостерігаються [8].

Багато аморфних напівпровідників характеризуються вираженою фотопровідністю, проте, на відміну від кристалічних напівпровідників, концентрація фотозбуджених нерівноважних носіїв струму в них може на порядок перевищувати концентрацію рівноважних за однієї і тієї ж температури. Залежність фотопровідності ${\displaystyle \sigma _{\phi }}$ від інтенсивності світла ${\displaystyle I}$ в більшості аморфних напівпровідників може бути описана залежністю ${\displaystyle \sigma _{\phi }\sim I^{n},}$де ${\displaystyle 0,5\leq n\leq 1.}$