什么是无定形和液态半导体材料?

什么是无定形和液态半导体材料?

[拼音]：wudingxing he yetai bandaoti cailiao

[外文]：amorphous and liquid semiconductor material

没有晶格周期性的半导体材料。广义的无定形半导体包含液态半导体，也称非晶半导体或无序半导体。无定形半导体虽然长程无序，但是具有不同程度的短程有序，即以共价键结合的最近邻原子间的距离几乎不变，键角在一定范围内涨落，依相应晶态材料而构成原子的结合方式，满足其化学价键的要求。无定形半导体与多晶、微晶的区别在于，多晶和微晶分别在尺度不同的晶粒范围内存在着严格的周期性。

分类

无定形半导体主要分为两类。

（1）主要成分包含至少一种硫属元素（S、 Se、Te）的硫属玻璃及其他玻璃，如a-Se、a-As2S3等。

（2）四面体键结构的无定形半导体（CdAs2、CdAs2G、CdGeP2除外），如a-Si、a-Ge、a-InSb等。无定形的Ⅴ族元素，如a-As，被认为是界于这两种类型中间的材料。

制备方法

无定形半导体的制备有两种方法：

（1）淀积，即由汽相淀积到冷的衬底上，诸如热蒸发、溅射、等离子体辉光放电分解、化学汽相淀积及电解淀积等方法；

（2）直接由液相冷却而形成玻璃态物质。通常由淀积制备成的是薄膜，而玻璃态物质是体材料。一般能从液态骤冷得到的无定形半导体，也能从汽相淀积而得到，反之则不然。由于液态与固态配位不同，四面体键无定形半导体只能由淀积制备;然而，大多数硫属玻璃在一定组分范围内可以是玻璃体，因而又称玻璃半导体。所谓的液态半导体实际上是液态的玻璃半导体，它们的光学、电子学性质是相应固态材料性质的延续。与硫属玻璃不同，四面体无定形半导体的性质对制备条件比较敏感。

导电机理

由于结构无序（主要是键角、二面角无序和点阵网络拓扑无序），无定形半导体能带尾部的波函数是局域化的，也就是波函数只能在空间延伸有限的范围。局域态与能带中间高迁移率的扩展态的分界，称为迁移率边，导带下端的迁移率边与价带上端的迁移率边之间的间隙称为迁移率隙，相当于晶态半导体的禁带。在理想的无定型半导体（无规连续网络，即内部无空隙形成的内表面，所有键都得到满足，键长键角无序极小的无定形半导体）的迁移率隙中，除了集中于上下两边的局域态外，中间的态密度是很低的（见图）。然而，实际材料既有热力学导致的缺陷，也有应变导致的缺陷。这些位于迁移率隙深处的缺陷态密度是比较大的，成为复合中心，限制载流子的寿命和迁移率，并将费米能级钉扎在迁移率隙中间。主要缺陷有四面体材料中的悬挂键（即断开的，没有成键的单个电子）和硫属玻璃中的变价对（即三重配位的正硫属离子与一重配位的负硫属离子组成的缺陷对）。

电荷输运主要有两种机制。

（1）热激活型：载流子由费米能级激发到扩展态或带尾局域态，电导率正比于exp(-W/kT)，这里W是激活能，k是玻耳兹曼常数，T是温度；

（2）无定形半导体特有的变程跳跃传导：费米面附近的电子跳到距离较远但能量较接近的空的局域轨道，电导率正比于exp(-T


)。高温时，热激活传导是主要的；低温时，变程跳跃传导变得更重要。

在硫属玻璃中，由于晶格畸变，两个电子处于同一缺陷态的有效库仑能是负的，这样变价对的能量低于一对悬键的能量。因而在隙态的一个轨道上，要么填充两个电子，要么没有电子，费米能级牢牢钉扎在迁移率隙当中。这就是硫属玻璃无电子自由共振信号、无掺杂效应、无变程跳跃传导、直流电导率很低的原因。但对于光吸收，晶格弛豫来不及发生，吸收边也接近迁移率隙，所以它们是红外透明的。

应用

硫属玻璃可用作开关、记忆、光敏元件。通常硫属玻璃的直流电导率很低，如果外电场足够强，一些硫属玻璃合金（如 Te-As-Si-Ge）膜两边费米能级分别位于导带与价带的扩展态，大量正负电荷陷阱均填满，则此种合金成了快速、可逆的开关；如果某些不太稳定的玻璃合金（如 Ge17Te19Sb2S2）导电沟道在临界场下部分晶化，则可用作记忆元件；如果光导率远高于暗电导率则为光敏元件。

由于晶格动量守恒定律不再严格适用于无定形半导体，在太阳光谱范围，无定形硅(a-Si)较晶体硅(c-Si)有更高的吸收系数，加上a-Si成本低、易制成大面积电池、易工业化生产，所以无定形硅光电池有良好应用前景。在实验室里，10×10厘米2无定形硅光电池的转换效率已达7％左右，小面积效率最高已达12％。与c-Si相比，其输运特性较差，限制了转换效率的提高。无定形硅光电池已用作计算器和手表的电源。

参考书目

N.F.Mott，E.A.Davis，Electronic Processes in Noncrystalline Materials， Clarendon Press， Oxford， 1979.M. H. Brodsky ed.， Amorphous Semiconductors，Springer-Verlag，Heidelberg，1979.