Аморфные полупроводники

Аморфные полупроводники представляют собой материалы, в которых атомная структура отсутствует строгого дальнего порядка, характерного для кристаллических полупроводников, но сохраняется короткодействующая упорядоченность. Типичными примерами являются аморфный кремний (a-Si), селен и их легированные соединения.

Ключевой особенностью аморфной структуры является наличие значительного числа дефектов, локализованных состояний и нарушений координации атомов. В аморфных полупроводниках почти отсутствуют дислокации и границы зерен, но присутствует значительное количество вакансий, междоузельных атомов и «висячих» связей. Эти дефекты существенно влияют на электронные свойства материала, его оптические и электрические характеристики.

Электронная структура

В отличие от кристаллических полупроводников, в аморфных материалах запрещенная зона не имеет строгих краев. Энергетические состояния электронов делятся на три основные группы:

  • Зона валентности – состояний, заполненных электронами в основном, аналогично кристаллическому материалу.
  • Зона проводимости – состояний, свободных для движения электронов.
  • Локализованные состояния – образуются из-за дефектов, «висячих» связей и нарушений координации. Эти состояния лежат вблизи краев зон и внутри запрещенной зоны, формируя так называемые хвосты состояний (Urbach tails).

Энергетическая структура аморфных полупроводников описывается моделью Тонга (Tauc model), где оптический переход определяется не только шириной запрещенной зоны, но и распределением локализованных состояний.

Дефекты и их роль

Аморфные полупроводники характеризуются высокой плотностью дефектных состояний. Наиболее важные из них:

  • Висячие связи (dangling bonds) – атомы кремния, у которых не все валентные связи удовлетворены, создают локализованные энергетические состояния внутри запрещенной зоны.
  • Вакансии и междоузельные атомы – приводят к локальной деформации кристаллической сети и дополнительным локализованным состояниям.
  • Конформационные дефекты – небольшие отклонения от идеальной краткодействующей структуры, создающие распределение потенциальной энергии.

Эти дефекты напрямую влияют на электрическую проводимость, оптические переходы и фотоэффект. Для аморфного кремния типично образование так называемого плотного хвоста состояний, который значительно расширяет спектр допустимых переходов электронов.

Механизмы проводимости

Проводимость аморфных полупроводников имеет характерные особенности, отличающие её от кристаллических материалов:

  1. Термическое возбуждение в зону проводимости – основной механизм при высоких температурах, аналогичный кристаллическому полупроводнику.
  2. Хоппинг-проводимость – электрон «прыгает» между локализованными состояниями внутри запрещенной зоны, особенно при низких температурах.
  3. Перколяционный транспорт – при высокой концентрации дефектов локализованные состояния могут образовывать связные пути для переноса заряда.

Эти механизмы объясняют характерные нелинейные зависимости проводимости от температуры и сильное влияние легирования на электрические свойства.

Оптические свойства

Аморфные полупроводники обладают специфическими оптическими характеристиками:

  • Оптическая запрещенная зона (E_g) обычно меньше, чем у кристаллических аналогов, и определяется не только основным переходом, но и хвостами состояний.
  • Фотоиндуцированная проводимость – освещение приводит к генерации носителей заряда в локализованных состояниях, что особенно ярко проявляется в a-Si:H (водородированном аморфном кремнии).
  • Структура поглощения часто описывается моделью Таука, где зависимость коэффициента поглощения от энергии фотона имеет вид α(hν) ∝ (hν − E_g)^2 / hν.

Легирование и модификация свойств

Легирование аморфных полупроводников осуществляется для:

  • Снижения концентрации висячих связей (например, водородирование a-Si:H).
  • Изменения концентрации носителей заряда (донорное или акцепторное легирование).
  • Регулировки оптической прозрачности и проводимости.

Водородирование является ключевым процессом, так как водород пассивирует висячие связи, снижая плотность локализованных состояний и повышая эффективность электронного транспорта.

Применение

Аморфные полупроводники нашли широкое применение благодаря их специфическим свойствам:

  • Фотоэлементы и солнечные батареи – a-Si:H используется в тонкопленочных солнечных элементах.
  • Тонкопленочные транзисторы – TFT на основе a-Si:H применяются в дисплеях LCD.
  • Оптоэлектроника – светодиоды и фотодетекторы.
  • Датчики и мемристоры – использование локализованных состояний для памяти и сенсоров.

Высокая гибкость в формировании пленок на различных подложках делает аморфные полупроводники уникальными для промышленных и научных приложений.

Оглавление