La diferencia esencial entre la resistividad del metal y la resistividad de los semiconductores

Los semiconductores son conducción de electrones vacantes/huecos.

Dispositivos electrónicos de estado sólido fabricados principalmente con materiales semiconductores amorfos. Aunque la disposición molecular general de los semiconductores amorfos es desordenada, todavía tienen una microestructura monocristalina y, por lo tanto, tienen muchas propiedades especiales. En 1975, el británico W.G. Speer dopó con éxito una película de silicio amorfo preparada mediante descomposición de silano por descarga luminosa, lo que cambió la resistividad de la película de silicio amorfo en 10 órdenes de magnitud y promovió el desarrollo y la aplicación de dispositivos semiconductores amorfos. En comparación con los materiales monocristalinos, los materiales semiconductores amorfos tienen un proceso de preparación simple, no tienen requisitos especiales para la estructura del sustrato, son fáciles de cultivar en áreas grandes, tienen grandes cambios de resistividad después del dopaje y pueden convertirse en varios dispositivos. Las células solares de silicio amorfo tienen grandes coeficientes de absorción, alta eficiencia de conversión y grandes áreas. Se han utilizado en calculadoras, relojes electrónicos y otros productos. Las matrices de transistores de efecto de campo de película delgada de silicio amorfo se pueden utilizar como interruptores de dirección para paneles de cristal líquido de gran superficie. Se han aplicado a computadoras o sistemas de control dispositivos que registran y almacenan información optoelectrónica mediante la transformación estructural de algunos materiales semiconductores amorfos de calcogenuro. Las propiedades de almacenamiento de carga y fotoconductividad de las películas amorfas se pueden utilizar para producir fotorreceptores para fotocopiadoras electrostáticas y superficies objetivo de tubos de cámaras de televisión para la conversión fotoeléctrica de imágenes estáticas.

Materiales amorfos con propiedades semiconductoras. El semiconductor amorfo es un componente importante de los semiconductores. En la década de 1950, B.T. Kolomiyets y otros comenzaron a estudiar los vidrios de calcogenuro, pero pocas personas en ese momento le prestaron atención. No fue hasta la publicación de la patente de S.R. Ovschensky sobre el uso de películas de calcogenuro para producir dispositivos de conmutación en 1968 que la gente se interesó por los semiconductores amorfos. En 1975, W.E. Speer y otros lograron el efecto dopante en silicio amorfo preparado mediante el método de descomposición por descarga luminosa de silano, lo que permitió controlar la conductancia y crear uniones PN, abriendo así amplias perspectivas para la aplicación de materiales de silicio amorfo. Teóricamente, P.W. Anderson, Mott y N.F. establecieron la teoría electrónica de los semiconductores amorfos y ganaron el Premio Nobel de Física 65438-0977. En la actualidad, la investigación sobre semiconductores amorfos se está desarrollando rápidamente tanto en teoría como en aplicación.

Clasificación Actualmente existen dos tipos principales de semiconductores amorfos.

Vidrio de azufre. Semiconductor amorfo que contiene elementos calcógenos. Por ejemplo, As-Se y As-S generalmente se preparan mediante enfriamiento por fusión o deposición de vapor.

Semiconductor amorfo con enlaces tetraédricos. Por ejemplo, silicio amorfo, germanio, GaAs, etc. El estado amorfo de este material sólo se puede obtener mediante deposición de película delgada (como evaporación, pulverización catódica, descarga luminiscente o deposición química de vapor, etc.). ).Mientras la temperatura del sustrato sea lo suficientemente baja, la película depositada es amorfa. Las propiedades de los materiales semiconductores amorfos con enlaces tetraédricos están estrechamente relacionadas con el proceso y las condiciones de preparación. Figura 1: El coeficiente de absorción óptica del silicio amorfo preparado mediante diferentes métodos muestra el espectro del coeficiente de absorción óptica del silicio amorfo preparado mediante diferentes procesos. A y B se preparan mediante el método de descomposición por descarga luminosa de silano y la temperatura del sustrato es de 500 K y 300 K respectivamente. C se preparó mediante el método de pulverización catódica y D se preparó mediante el método de evaporación. La conductividad eléctrica y la fotoconductividad del silicio amorfo también están estrechamente relacionadas con el proceso de preparación. De hecho, el silicio amorfo preparado mediante el método de descarga luminosa de silano contiene una gran cantidad de H y a veces se le llama aleación amorfa de Si-H. Las diferentes condiciones del proceso y los diferentes contenidos de hidrógeno afectan directamente el rendimiento del material. Por el contrario, las propiedades de los vidrios de calcogenuro tienen poco que ver con el método de preparación. La Figura 2 muestra un ejemplo típico del espectro del coeficiente de absorción óptica de películas pulverizadas depositadas con vapor y cristales en masa templados en fusión. Las curvas espectrales del coeficiente de absorción de luz de las muestras de cuarzo preparadas mediante el método de enfriamiento por fusión y el método de pulverización catódica son las mismas.

La estructura electrónica de los semiconductores amorfos Los semiconductores amorfos y los semiconductores cristalinos tienen estructuras de bandas de energía básicas similares, incluidas la banda de conducción, la banda de valencia y la banda prohibida (ver bandas de energía de los sólidos). La estructura básica de bandas de un material depende principalmente de la situación cerca de los átomos y puede explicarse cualitativamente mediante el modelo de enlace químico. Tomando como ejemplo Ge y Si amorfos con enlaces tetraédricos, los cuatro electrones de valencia en Ge y Si tienen hibridación sp y se forma un enlace de valencia entre los electrones de valencia de átomos adyacentes. El estado de enlace corresponde a la banda de valencia; El estado corresponde a la banda de conducción.

En respuesta a esta aparente anomalía, Mott et al. propusieron el modelo MDS basado en la hipótesis de correlación negativa de Anderson. Cuando un estado defectuoso ocupa dos electrones, provoca una distorsión de la red. Si la energía reducida por el giro excede la energía de repulsión de Coulomb entre electrones, se exhibirá una energía de correlación negativa, lo que significa que el nivel de energía del aceptor está por debajo del nivel de energía del donante. D, D y D representan respectivamente los estados de electrones no ocupados, uno ocupado y dos ocupados en el defecto. Una correlación negativa puede significar:

2D——→D D

liberará calor. Por lo tanto, los defectos existen principalmente en la forma de D y D. No hay electrones desapareados, por lo que no hay vibración de espín de los electrones. Mucha gente ha analizado la estructura de los defectos D, D y D. Tomemos como ejemplo el selenio amorfo. El selenio tiene seis electrones de valencia, que pueden formar dos enlaces de valencia, generalmente en una estructura de cadena. Los otros dos electrones P no unidos se denominan pares de electrones libres. Hay un enlace colgante neutro al final de la cadena, que probablemente esté retorcido, se combina con el enlace de par solitario adyacente y libera un electrón (tipo D), y el electrón liberado se combina con otro enlace colgante para formar un par solitario (tipo D). tipo) tipo), como se muestra en la Figura 5. Precio pares de vasos de calcogenuro. Por lo tanto, este tipo de D y D también se denomina par conmutativo. Debido a la gravedad de Coulomb, D y D generalmente se juntan en pares, formando un par de valencia apretado. Siempre que el método de enlace en el vidrio de calcogenuro cambie ligeramente, se puede formar un grupo de pares de valencia cercanos, como se muestra en el efecto de autorrefuerzo de los pares de valencia en la Figura 6. Este efecto de autorrefuerzo requiere muy poca energía y tiene efectos de autorrefuerzo. propiedades de refuerzo, por lo que la concentración de tales defectos suele ser alta. El modelo de par de valencia se puede utilizar para explicar una serie de fenómenos experimentales como el espectro de fotoluminiscencia y el espín del fotoelectrón * * * vibración de semiconductores amorfos de calcogenuro.

La aplicación de semiconductores amorfos tiene un gran potencial en el campo técnico. El azufre amorfo se ha utilizado ampliamente durante mucho tiempo en la tecnología de fotocopiado. Se ha producido comercialmente el semiconductor de vidrio As-Te-Ge-Si, del que fue pionero S.R. Ovsinski, y se están desarrollando memorias ópticas fabricadas utilizando las propiedades de películas microcristalinas de telurio vitrificadas por pulsos de luz. Actualmente, la aplicación más investigada del silicio amorfo son las células solares. En comparación con el silicio cristalino, el proceso de preparación del silicio amorfo es más sencillo y fácil de producir en grandes áreas. El silicio amorfo absorbe la luz solar de manera muy eficiente y el dispositivo solo requiere una película delgada de material con un espesor de aproximadamente 1 micrón. Por tanto, es posible fabricar células solares baratas, lo que ha llamado la atención de los expertos en energía. Recientemente, ha habido intentos de utilizar transistores de efecto de campo de silicio amorfo en pantallas de cristal líquido y circuitos integrados.