半导体物理第13次课.ppt

非晶态半导体,晶体的特征是其中原子的排列具有周期性，这种性质称为长程有序。 自然界还存在另一类固体，其中原子的排列不具有周期性，即不具有长程序，这类物质统称为非晶态或无定形体。 例如： 由快淬冷却形成的各种玻璃态固体； 用蒸发、溅射和化学气相淀积（CVD）等方法制备的各种非晶薄膜； 非晶固体亦可分为金属、半导体和绝缘体三类。本章以讨论非晶态半导体为主。,研究最多的非晶态半导体,四面体结构非晶态半导体。 IV族元素非晶态半导体（a-Si和a-Ge）； III-V族化合物非晶态半导体（a-GaAs，a-GaP，a-InP及a-GaSb等）。 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。 氧化物非晶半导体GeO2，BaO，SiO2，TiO2，SnO2及Ta2O5等。,非晶态半导体的结构,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，但其中原子的排列也不是完全杂乱无章的。 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109O2810O的范围内。非晶态固体中的上述特征称为短程有序。,非晶模型,微晶模型 存在许多悬挂键，这一点与实验不符。 连续网络模型 几乎没有悬挂键，也与实验不符。 纳米晶组合？,用纳米概念描述非晶态,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。 与微晶不同，纳米晶粒本身不一定有很高的悬挂键，如C60。,a-Si和晶体硅的原子径向分布函数,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a-Si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。,非晶态材料的XRD谱,非晶态半导体中的电子态,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。,安德森模型,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。,特点,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。,迁移率边-Mott理论,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。,扩展态与定域态交界处的能量称作迁移率边。 由两个迁移率边确定的能量差为迁移率隙。 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。,其他非晶态半导体的能带模型,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，分别延伸至图中EA和EB两点，在EC和EA间为导带定域态，在EV和EB间为价带定域态，通称为带尾定域态。,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。,非晶态半导体的本征导电机理,除了扩展态的电子外还有局域态电子的电导。在温度较高时，电子可被激发到迁移边EC以上的能态而导电，形成扩展态电导。温度较低时，电子只能被激发到接近EC的带尾态，然后通过声子的帮助从一个定域态跃迁到另一个定域态而导电，形成带尾态电导。在温度更低时，电子只能从费米能级EF以下的能量状态通过声子的帮助跃迁到EF以上的邻近空态，形成定域态的近程跳跃电导。在温度极低时，能量在EF附近的电子，只能在能量相近的能级之间作变程跳跃。,扩展态电导,扩展态载流子浓度及电导率在形式上与晶态的相同，即 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。,定域态电导,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