南航半导体材料课件第6章 非晶、有机和微结构半导体材料

第六章非晶有机和微结构半导体材料李斌斌6.1非晶半导体材料6.2有机半导体材料6.3微结构半导体材料6.1非晶半导体材料6.1.1非晶的概念6.1.2非晶半导体的基本性质6.1.3非晶硅的应用6.1非晶的概念与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全杂乱无章地分布的。由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体非常相似的结构特征。所以，一般将非晶态材料的结构描述为：“长程无序，短程有序”。材料状态热力学稳定性原子排列短程有序长程有序平移对称性晶体稳定是是有非晶体非平衡是不是无液体稳定是不是无气体稳定不是不是无用来描述非晶硅的结构模型很多，给出了其中的一种，即连续无规网络模型的示意图。可以看出，在任一原子周围，仍有四个原子与其键合，只是键角和键长发生了变化，因此在较大范围内，非晶硅就不存在原子的周期性排列。在非晶硅材料中，还包含有大量的悬挂键、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷态密度，它们提供了电子和空穴复合的场所，所以，一般说，非晶硅是不适于做电子器件的。6.1.2非晶半导体的基本性质（1）能带模型（2）直流电导率（3）光学性质（1）能带模型Mott-CFO模型：短程有序－－基本能带长程无序－－定域态带尾悬挂键－－带隙中间形成隙态EcEv晶体半导体EcEv非晶半导体EVEv晶体半导体ECEv非晶半导体ND钉扎效应晶体硅中施主杂质电离时直接向导带底释放一个电子参与导电非晶硅中施主杂质电离时，电子首先释放给隙态中未满的空能级隙态能态密度越高，填充隙态所需施主杂质浓度越高虽然掺入了较高浓度的杂质，也不能有效的移动费米能级对于这种费米能级难以移动的情况，称为高能度隙态的钉扎效应提高电阻率替位式掺杂降低隙态密度－－悬空键氢补偿悬空键为补偿悬空键，隙态密度1020cm3eV补偿后，隙态密度将为1016cm3eV（2）直流电导率非晶半导体中载流子输运是一种弥散输运－－长程无序弥散输运有两种机制：a多次陷落机制b跳跃机制a多次陷落机制注入的载流子不仅有扩散运动还会陷落到带尾定域态中陷落后，只有被热激发才能再次参与输运因此，载流子在运动过程中往往要经历多次陷落和再激发，而形成了弥散输运b跳跃机制定域态之间的遂穿跳跃也可能形成载流子输运定域态之间的空间距离也是随机分布的，形成了弥散输运非晶半导体的总直流电导率扩展态中的电导带尾定域态中的电导带隙定域态中的近程跳跃电导带隙定域态中的变程跳跃电导总电导（3）光学性质晶体半导体直接跃迁和间接跃迁满足能量守恒和动量守恒间接跃迁时需要声子的参与非晶半导体电子跨越禁带时的跃迁没有直接跃迁和间接跃迁的区别电子跃迁时不再遵守动量守恒的选择定则非晶结构上的无序使非晶半导体中的电子没有确定的波失a光吸收与光带隙非晶半导体的光吸收谱一般具有明显的三段式特征：A区：近红外区的低能吸收，吸收系数a随光子能量的变化趋于平缓B区：吸收系数a随着光子能量增加而指数性上升；对应于电子从价带边扩展态到导带尾定域态，以及电子从价带尾定域态到导带边扩展态的跃迁C区：本征吸收区；电子从价带到导带的跃迁；吸收系数a在104cm-1以上C区，在可见光范围内，非晶硅的吸收系数大于单晶硅的吸收系数，显示了非晶硅在光电方面的应用前景b光电导S-W效应，又称为光致退化效应，是Staebler和Wronski在1977年发现的非晶硅样品经过一段时间光照后，其光电导和暗电导都显著下降，将样品经过热处理后，样品又恢复到原来的状态6.1.3非晶硅的优点1.很好的光学性能，很大的光吸收系数2.可实现高浓度掺杂，也能制备高质量的pn结和多层结构，易形成异质结3.通过组分控制，可在相当宽的范围内控制光学带隙4.可在较低温度下，采用化学气相沉积等方法进行制备薄膜5.生产过程相对简单非晶硅的缺点1.缺乏长期稳定性，处于非平衡态，所制备器件存在性能退化，比如S-W效应2.载流子迁移率低，不利于制备高频高速器件；但可用于低功耗产品中最主要应用－－非晶硅太阳能电池1、非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75μm的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3、制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产。4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。5、制备非晶硅太阳能电池能耗少，约100千瓦小时，能耗的回收年数比单晶硅电池短得多。非晶太阳能电池的发展自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶硅太阳能电池的研究工作。1976年：RCA公司的Carlson报道了他所制备的非晶硅太阳能电池，当时的转换效率不到1%。1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率提高到5.5%。1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。1980年：ECD公司作成了转换效率达6.