非晶態(tài)半導(dǎo)體和硫系薄膜有什么關(guān)系？

【專家解說】：以非晶態(tài)半導(dǎo)體材料為主體制成的固態(tài)電子器件。非晶態(tài)半導(dǎo)體雖然在整體上分子排列無序，但是仍具有單晶體的微觀結(jié)構(gòu)，因此具有許多特殊的性質(zhì)。1975年，英國W.G.斯皮爾在輝光放電分解硅烷法制備的非晶硅薄膜中摻雜成功，使非晶硅薄膜的電阻率變化10個數(shù)量級，促進(jìn)非晶態(tài)半導(dǎo)體器件的開發(fā)和應(yīng)用。同單晶材料相比，非晶態(tài)半導(dǎo)體材料制備工藝簡單，對襯底結(jié)構(gòu)無特殊要求，易于大面積生長，摻雜后電阻率變化大，可以制成多種器件。非晶硅太陽能電池吸收系數(shù)大，轉(zhuǎn)換效率高，面積大，已應(yīng)用到計算器、電子表等商品中。非晶硅薄膜場效應(yīng)管陣列可用作大面積液晶平面顯示屏的尋址開關(guān)。利用某些硫系非晶態(tài)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變來記錄和存儲光電信息的器件已應(yīng)用于計算機(jī)或控制系統(tǒng)中。利用非晶態(tài)薄膜的電荷存儲和光電導(dǎo)特性可制成用于靜態(tài)圖像光電轉(zhuǎn)換的靜電復(fù)印機(jī)感光體和用于動態(tài)圖像光電轉(zhuǎn)換的電視攝像管的靶面。 具有半導(dǎo)體性質(zhì)的非晶態(tài)材料。非晶態(tài)半導(dǎo)體是半導(dǎo)體的一個重要部分。50年代B.T.科洛米耶茨等人開始了對硫系玻璃的研究，當(dāng)時很少有人注意，直到1968年S.R.奧弗申斯基關(guān)於用硫系薄膜制作開關(guān)器件的專利發(fā)表以后，才引起人們對非晶態(tài)半導(dǎo)體的興趣。1975年W.E.斯皮爾等人在硅烷輝光放電分解制備的非晶硅中實現(xiàn)了摻雜效應(yīng)，使控制電導(dǎo)和制造PN結(jié)成為可能，從而為非晶硅材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。在理論方面，P.W.安德森和莫脫，N.F.建立了非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子理論，并因而榮獲1977年的諾貝爾物理學(xué)獎。目前無論在理論方面，還是在應(yīng)用方面，非晶態(tài)半導(dǎo)體的研究正在很快地發(fā)展著。 分類 目前主要的非晶態(tài)半導(dǎo)體有兩大類。 硫系玻璃。含硫族元素的非晶態(tài)半導(dǎo)體。例如As-Se、As-S，通常的制備方法是熔體冷卻或汽相沉積。 四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體。如非晶Si、Ge、GaAs等，此類材料的非晶態(tài)不能用熔體冷卻的辦法來獲得，只能用薄膜淀積的辦法(如蒸發(fā)、濺射、輝光放電或化學(xué)汽相淀積等)，只要襯底溫度足夠低，淀積的薄膜就是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。四面體鍵非晶態(tài)半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，與制備的工藝方法和工藝條件密切相關(guān)。圖1 不同方法制備非晶硅的光吸收系數(shù) 給出了不同制備工藝的非晶硅光吸收系數(shù)譜，其中a、b制備工藝是硅烷輝光放電分解，襯底溫度分別為500K和300K，c制備工藝是濺射，d制備工藝為蒸發(fā)。非晶硅的導(dǎo)電性質(zhì)和光電導(dǎo)性質(zhì)也與制備工藝密切相關(guān)。其實，硅烷輝光放電法制備的非晶硅中，含有大量H，有時又稱為非晶的硅氫合金；不同工藝條件，氫含量不同，直接影響到材料的性質(zhì)。與此相反，硫系玻璃的性質(zhì)與制備方法關(guān)系不大。圖2 汽相淀積濺射薄膜和熔體急冷成塊體AsSeTe的光吸收系數(shù)譜 給出了一個典型的實例，用熔體冷卻和濺射的辦法制備的AsSeTe樣品，它們的光吸收系數(shù)譜具有相同的曲線。 非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu) 非晶態(tài)與晶態(tài)半導(dǎo)體具有類似的基本能帶結(jié)構(gòu)，也有導(dǎo)帶、價帶和禁帶(見固體的能帶)。材料的基本能帶結(jié)構(gòu)主要取決於原子附近的狀況，可以用化學(xué)鍵模型作定性的解釋。以四面體鍵的非晶Ge、Si為例，Ge、Si中四個價電子經(jīng)sp雜化，近鄰原子的價電子之間形成共價鍵，其成鍵態(tài)對應(yīng)於價帶；反鍵態(tài)對應(yīng)於導(dǎo)帶。無論是Ge、Si的晶態(tài)還是非晶態(tài)，基本結(jié)合方式是相同的，只是在非晶態(tài)中鍵角和鍵長有一定程度的畸變，因而它們的基本能帶結(jié)構(gòu)是相類似的。然而，非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài)與晶態(tài)比較也有著本質(zhì)的區(qū)別。晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)是周期有序的，或者說具有平移對稱性，電子波函數(shù)是布洛赫函數(shù)，波矢是與平移對稱性相聯(lián)系的量子數(shù)，非晶態(tài)半導(dǎo)體不存在有周期性， 不再是好的量子數(shù)。晶態(tài)半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動是比較自由的，電子運(yùn)動的平均自由程遠(yuǎn)大於原子間距；非晶態(tài)半導(dǎo)體中結(jié)構(gòu)缺陷的畸變使得電子的平均自由程大大減小，當(dāng)平均自由程接近原子間距的數(shù)量級時，在晶態(tài)半導(dǎo)體中建立起來的電子漂移運(yùn)動的概念就變得沒有意義了。非晶態(tài)半導(dǎo)體能帶邊態(tài)密度的變化不像晶態(tài)那樣陡，而是拖有不同程度的帶尾(如圖3 非晶態(tài)半導(dǎo)體的態(tài)密度與能量的關(guān)系 所示)。非晶態(tài)半導(dǎo)體能帶中的電子態(tài)分為兩類：一類稱為擴(kuò)展態(tài)，另一類為局域態(tài)。處在擴(kuò)展態(tài)的每個電子，為整個固體所共有，可以在固體整個尺度內(nèi)找到；它在外場中運(yùn)動類似於晶體中