什么是非晶态半导体器件?

什么是非晶态半导体器件?

[拼音]：feijingtai bandaotiqijian

[外文]：amorphous semiconductor device

以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。人们原来认为，对非晶态半导体不能用掺杂的办法控制电阻率，因而其应用受到限制。直到1975年，英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功，可以使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级，为非晶硅和其他非晶半导体器件开辟了道路。

非晶硅太阳电池

利用非晶硅薄膜的光生伏特效应的器件。其工作原理与晶体硅太阳电池类似，所不同的是在晶体硅电池中，主要光生载流子产生在无场区，靠扩散运动到势垒区；而在非晶硅电池中，由于载流子迁移率低，必须使光生载流子都产生在自建场区，才能漂移到收集电极。因而前者是扩散型的光电转换；后者是漂移型的，这就决定了它们结构上的差别。实际的非晶硅太阳电池大体可分为肖特基势垒、PN结和异质结三种结构。

与晶体硅太阳电池类似，非晶硅太阳电池的性能也可用四个参数来表征:即开路电压


短路电流


、填充因子FF(最大输出功率与


和


乘积的比值)和转换效率η

作为太阳电池材料，同晶体硅相比，非晶硅具有下列优点：

（1）非晶硅的吸收光谱更接近太阳光谱，吸收系数比单晶硅大一个数量级，因而厚度仅1微米的非晶硅薄膜（晶体硅太阳电池中硅片厚度的百分之一）就能吸收足够的光能，大大地节省原材料。

（2）制备工艺简单。用薄膜工艺代替单晶生长和切割，所以容易制成大面积电池。

为了提高收集效率，常采用异质结电池，1982年a-SiC/a-Si异质结太阳电池转换效率达10％，采用a-Si异质结和多晶硅串接的叠层电池效率超过 12％（面积为4毫米2），大面积电池(＞100厘米2)的转换效率也达7％～8％。非晶硅太阳电池已进入实用阶段，出现了非晶硅太阳电池作电源的计算器、电子表等商品。

光电成像器件

包括用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面。

静电复印机感光体

由衬底上涂覆一层高电阻率的非晶半导体电导薄膜和为降低暗电流而设的阻挡层所构成。它利用非晶体薄膜的电荷存储和光电导特性，使得由电晕放电而充电的薄膜表面产生与光学图像对应的静电图像，记录在薄膜上的静电图像则通过对染料颗粒的静电吸引而取出。50年代，静电复印机感光体采用非晶Se、Se－Sb等硫系非晶半导体材料。现代制造的非晶硅薄膜具有灵敏度高、能在高温下工作、硬度高、使用寿命长等优点，这种感光体除用于静电复印外，还可作为图像、文字或数据记录的手段用于传真、 X射线透视及电子计算机等各种技术中。

摄像管靶

非晶半导体的电视摄像管靶是利用非晶薄膜的光电导效应记录图像，由电子束扫描通过电容充电使图像重现的动态成像器件。它由透明电极及夹在两个阻挡层之间的具有高电阻率的非晶半导体光电导薄膜所构成。作为摄像管靶的材料很多，属于非晶材料的，除早期的非晶Se外，还有后来广泛应用的非晶Se-As-Te。非晶Si靶面在整个可见光波段都有很高的灵敏度，适用于很宽的照度范围，并可在200℃的高温条件下工作。

薄膜集成电路

非晶硅薄膜有优良电学特性，工艺简单、对衬底结构无特殊要求，且易于实现大面积化，可用以制作大规模或三维集成电路。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。这种液晶显示屏的分辨率取决于非晶硅薄膜场效应管的漏电压和液晶的光电特性，据推算可达1000线。200×240像素的平面显示屏和采用这种平面显示屏的便携式电视机已经研制成功。

用非晶硅薄膜制的光电传感器件也已达到实用化程度。这种器件具有灵敏度高、工艺简单、成本低等特点。

光电信息的存储器件

利用某些非晶半导体的结构转变来记录和存储信息的器件。这类器件主要有电可改写的只读存储器和光存储器。

电可改写的只读存储器

某些硫系材料（如Ge-Te-As- Si）可以在不同的电脉冲的作用下由非晶态转变为晶态或由晶态转变为非晶态，每种转变所获得的结构在作用脉冲消失后仍能长期保持不变。两种状态的电阻率相差几个数量级。这种具有双稳态的材料可以用来制作供计算机使用的可改写的只读存储器。

单个的存储单元由一层非晶记忆材料薄膜和在薄膜上下两面的金属电极所构成。由大量的非晶存储单元与隔离二极管组成矩阵，并与写入和读出所需的外围电路集成到同一硅片上，便构成电可改写的只读存储器。这种存储器具有电可改写、非消失性、慢写和快读的功能，可应用于需要经常改变程序的计算机或控制系统中。例如一种1024位的电可改写只读存储器的主要指标是：写入阈值电压为8伏;写入电流为5毫安；写入时间为1毫秒；读出电流为1毫安；读出时间为15纳秒;最高存储温度为175℃；最高工作温度为110℃。

光存储器

某些以 Te为基的非晶硫系材料，如Te


Ge


As4， 可以在能量不同的激光脉冲作用下实现非晶态和晶态之间的结构转变。材料处于这两种状态时的光学特性，如折射率、光吸收系数等有很大的差别，利用这种特性可以制成可记录大量信息的光存储器。有一种光存储器是将一层非晶薄膜涂覆在一个圆盘上作为记录信息的介质，用一束聚焦到亚微米的激光束照射薄膜表面，使之产生结构转变。改变激光的能量，可以使被照射的点由非晶态转变为晶态或由晶态回复到非晶态，即用同一束激光便能进行信息的写入或擦除，而信息的读出则是以反射或透射的方式检测薄膜光学特性的改变来实现的。这种光存储器可应用于计算机的大容量数据存储及视频唱盘等方面。

感光薄膜

某些非晶硫系材料，如As2S3和Ge25Se75等，经受一定光强的辐照以后，结构发生转变，因而在碱性溶液中腐蚀速度显著降低。特别是经过银或银盐增强的薄膜，由于曝光过程伴随的光掺杂效应，材料腐蚀速率的降低更为显著。这种薄膜经曝光和腐蚀显影，便能记录光学图像。这种薄膜的结构只有晶态和非晶态两种，不存在中间状态，这就决定了材料在碱性溶液中的腐蚀也具有截然不同的两种速率，因而这种薄膜记录的图像具有很高的反差。另外，由于光致结构转变需要一定的阈值能量，所以它能记录的最小点子的尺度不受光衍射的限制，因而具有很高的分辨率(可达50埃)，这种薄膜可以用来制作高反差、高分辨率的照片或微电子器件工艺中的掩模。