行业动态

关于半导体的一些小知识

2015/07/22

关于半导体的一些小知识

以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。非晶态半导体固然正在整体上份子摆列无序,可是仍具有单晶体的微观布局,是以具有很多非凡的性子。1975年,英国W.G.斯皮尔正在辉光放电合成硅烷法制备的非晶硅薄膜中搀杂乐成,使非晶硅薄膜的电阻率变革10个数量级,增进非晶态半导体器件的开辟和利用。同单晶质料比拟,非晶态半导体材料制备工艺简朴,对衬底布局无特殊要求,易于大面积发展,搀杂后电阻率变革年夜,能够制成多种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数年夜,转换服从下,面积年夜,已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。操纵某些硫系非晶态半导体材料的布局变化去记实和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。操纵非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图象光电转换的静电复印机感光体和用于静态图象光电转换的电视摄像管的靶里。

  具有半导体性子的非晶态质料。非晶态半导体是半导体的一个紧张部份。50年月B.T.科洛米耶茨等人开端了对硫系玻璃的研讨,那时很少有人留意,直到1968年S.R.奥弗申斯基关於用硫系薄膜建造开关器件的专利颁发当前,才惹起人们对非晶态半导体的爱好。1975年W.E.斯皮尔等人正在硅烷辉光放电合成制备的非晶硅中实现了搀杂效应,使节制电导和制造PN结成为大概,从而为非晶硅质料的利用斥地了广漠的远景。正在实际方面,P.W.安德森和莫脱,N.F.成立了非晶态半导体的电子实际,并因此荣获1977年的诺贝尔物理学奖。今朝不管正在实际方面,仍是正在利用方面,非晶态半导体的研讨正在很快天成长著。
  分类 今朝次要的非晶态半导体有两大类。
  硫系玻璃:含硫族元素的非晶态半导体。比方As-Se、As-S,凡是的制备办法是熔体冷却或汽相堆积。
  四面体键非晶态半导体。如非晶Si、Ge、GaAs等,此类质料的非晶态不能用熔体冷却的措施去得到,只能用薄膜淀积的措施(如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等),只要衬底温度充足低,淀积的薄膜便黑白晶态布局。四面体键非晶态半导体材料的性子,取制备的工艺办法和工艺前提紧密亲密相干。图1 差别办法制备非晶硅的光吸收系数 给出了差别制备工艺的非晶硅光吸收系数谱,此中a、b制备工艺是硅烷辉光放电合成,衬底温度辨别为500K和300K,c制备工艺是溅射,d制备工艺为蒸发。非晶硅的导电性子和光电导性子也取制备工艺紧密亲密相干。实在,硅烷辉光放电法制备的非晶硅中,含有大量H,偶然又称为非晶的硅氢合金;差别工艺前提,氢含量差别,间接影响到质料的性子。与此相反,硫系玻璃的性子取制备办法干系不大。图2 汽相淀积溅射薄膜和熔体急冷成块体AsSeTe的光吸收系数谱 给出了一个典范的实例,用熔体冷却和溅射的措施制备的AsSeTe样品,它们的光吸收系数谱具有不异的曲线。
  非晶态半导体的电子布局 非晶态取晶态半导体具有近似的根本能带布局,也有导带、价带和禁带(睹固体的能带)。质料的根本能带布局次要取决於原子四周的情况,能够用化学键模子做定性的表明。以四面体键的非晶Ge、Si为例,Ge、Si中四个价电子经sp杂化,近邻原子的价电子之间构成共价键,其成键态对应於价带;反键态对应於导带。无论是Ge、Si的晶态借黑白晶态,根本分离方法是不异的,只是正在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变,因此它们的根本能带布局是相类似的。但是,非晶态半导体中的电子态取晶态比力也有著素质的区分。晶态半导体的布局是周期有序的,大概道具有平移对称性,电子波函数是布洛赫函数,波矢是取平移对称性相联系的量子数,非晶态半导体不存在有周期性, 不再是好的量子数。晶态半导体中电子的活动是比力自在的,电子活动的平均自由程弘远於原子间距;非晶态半导体中布局缺点的畸变使得电子的平均自由程大大减小,当平均自由程靠近原子间距的数量级时,正在晶态半导体中建立起去的电子漂移活动的观点便变得出有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变革不像晶态那样陡,而是拖有差别水平的带尾(如图3 非晶态半导体的态密度取能量的干系 所示)。非晶态半导体能带中的电子态分为两类:一类称为扩大态,另外一类为局域态。处在扩大态的每一个电子,为全部固体所共有,能够正在固体全部标准内找到;它正在外场中活动近似於晶体中的电子;处在局域态的每一个电子根本范围正在某一地区,它的形态波函数只能正在环绕某一点的一个不大标准内明显不为整,它们必要靠声子的帮忙,举行腾跃式导电。正在一个能带中,带中间部份为扩大态,带尾部分为局域态,它们之间有一分界处,如图4 非晶态半导体的扩大态、局域态和迁移率边 中的和,这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱起首提出了迁移率边的观点。假如把迁移率当作是电子态能量的函数,莫脱以为正在分界处和存在有迁移率的突变。局域态中的电子是腾跃式导电的,依赖取点阵振动互换能量,从一个局域态跳到另一个局域态,因此当温度趋势0K时,局域态电子迁移率趋於零。扩大态中电子导电近似於晶体中的电子,当趋於0K时,迁移率趋势有限值。莫脱进一步以为迁移率边对应於电子平均自由程靠近於原子间距的环境,并界说这种情况下的电导率为最小金属化电导率。但是,今朝环绕著迁移率边和最小金属化电导率仍有争辩。
  缺点:非晶态半导体取晶态相比较,此中存在大量的缺点。这些缺点正在禁带当中引入一系列局域能级,它们对非晶态半导体的电学和光学性子有著紧张的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃,这两类非晶态半导体的缺点有著明显的不同。
  非晶硅中的缺点次要是空位、微浮泛。硅原子外层有四个价电子,一般环境应取近邻的四个硅原子构成四个共价键。存在有空位和微浮泛使得有些硅原子四周四个近邻原子不敷,而发生一些吊挂键,正在中性吊挂键上有一个未成键的电子。吊挂键另有两种大概的带电形态:开释未成键的电子成为正电中间,那是檀越态;承受第二个电子成为负电中间,这是受主态。它们对应的能级正在禁带当中,辨别称为檀越和受主能级。由于受主态暗示吊挂键上有两个电子占有的环境,两个电子间的库仑排挤感化,使得受主能级位置下於檀越能级,称为正相干能。是以在一般情况下,吊挂键连结只要一个电子占有的中性形态,正在尝试中观察到吊挂键上未配对电子的自旋共振。1975年斯皮尔等人操纵硅烷辉光放电的办法,起首实现非晶硅的搀杂效应,就是由于用这类措施制备的非晶硅中含有大量的氢,氢取吊挂键分离大大淘汰了缺点态的数量。这些缺点同时是有用的复合中间。为了进步非均衡载流子的寿命,也必需低落缺点态密度。是以,节制非晶硅中的缺点,成为今朝质料制备中的关头成绩之一。
  硫系玻璃中缺点的情势不是简朴的吊挂键,而是“换价对”。最后,人们发明硫系玻璃取非晶硅差别,察看不到缺点态上电子的自旋共振,针对那表面上的变态征象,莫脱等人按照安德森的背相干能的假想,提出了MDS模子。当缺点态上占有两个电子时,会惹起点阵的畸变,若由於畸变低落的能量超越电子间库仑排挤感化能,则表现出有背的相干能,那便意味著受主能级位於檀越能级之下。用 D、D、D 辨别代表缺点上不据有、据有一个、据有两个电子的形态,背相干能意味著:
  2D→D+D
  是放热的。因此缺点次要以D、D情势存在,不存在已配对电子,以是没有电子的自旋共振。很多人对D、D、D缺点的布局做了阐发。以非晶态硒为例,硒有六个价电子,能够构成两个共价键,凡是呈链状布局,别的有两个未成键的 p电子称为孤对电子。正在链的端点处相称於有一个中性吊挂键,这个吊挂键很可能产生畸变,取临近的孤对电子成键并放出一个电子(构成D),放出的电子取另外一吊挂键分离成一对孤对电子(构成D),如图 5 硫系玻璃的换价对 所示。是以又称这类D、D为换价对。由於库仑吸引感化,使得D、D凡是是成对天精密靠在一路,构成精密换价对。硫系玻璃中成键方法只要有很小变革便能够构成一组精密换价对,如图6 换价对的自加强效应 所示,它只需很小的能量,有自加强效应,因此这类缺点的浓度凡是是很高的。操纵换价对模子能够表明硫属非晶态半导体的光致发光光谱、光致电子自旋共振等一系列尝试征象。
  利用:非晶态半导体正在技能范畴中的利用存在著很大的潜力,非晶硫早已遍及利用正在复印技能中,由S.R.奥夫辛斯基初创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体建造的电可改写主读存储器已有商品生产,操纵光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这类性子建造的光存储器正在研制当中。对於非晶硅的利用今朝研讨最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简朴,易於做成大面积,非晶硅对於太阳光的吸取服从下,器件只需约莫1微米薄的薄膜质料,是以,可望做成一种便宜的太阳能电池,现已遭到能源专家的器重。比来已有人实验把非晶硅场效应晶体管用於液晶显示和集成电路。