OFP-Tretyak-Lozovski

299 Розділ 17. Невпорядковані напівпровідникові структури

рентгенорезисторів, фотошаблонів, що використовуються у сучасній

Оскільки аморфний кремній поглинає сонячне світло майже у сорок разів ефективніше, ніж монокристалічний кремній, то основним напрямком застосування аморфного кремнію є побудова фотовольтаїчних приладів, зокрема сонячних елементів. Ще однією перевагою сонячних елементів на аморфному кремнії є їхня радіаційна стійкість. Дійсно, оскільки аморфний кремній не є структурно однорідним, то навіть значні порушення структури, спричинені дією іонізуючого випромінювання, суттєво не змінять його властивості. Однак виникнення радіаційних дефектів спричинить більш активні рекомбінаційні процеси на цих дефектах, і провідність матеріалу зменшуватиметься. Зрозуміло, що застосування такого матеріалу в електронних приладах не є доцільним. Але якщо аморфний кремній отримується таким чином, що містить деяку кількість водню, то атоми водню насичуватимуть обірвані зв'язки і, таким чином, "заліковуватимуть" радіаційні пошкодження. Приклад можливої схеми сонячних елементів з аморфного кремнію подано на рис. 17.14. Комірка складається із надтонкого (8 нм) шару аморфного кремнію р-типу, середнього шару товщиною 0,5–1,0 мкм і тонкого (20 нм) нижнього шару n-типу. Верхній шар зроблено відносно прозорим, і майже все світло проходить крізь нього та генерує електрони у середньому шарі. р- та n-шари, виготовлені за допованого аморфного кремнію, створюють електричне поле у чистому середньому шарі, таким чином створюючи рух електронів через нього, що спричиняє розділення зарядів і виникнення різниці потенціалів між верхнім і нижнім шарами.

формує інтерференційне дзеркало лазерної структури на основі тве-

рдих розчинів AIIIBV,має багато переваг порівняно із суто діелектричними дзеркалами. По-перше, таке покриття може бути достатньо малої товщини, що зумовлена високими значеннями відбиваючої здатності на межах розподілу аморфний кремній–діелектрик, яка визначається великою різницею коефіцієнтів заломлення. По-друге, оскільки за-

звичай напівпровідникові лазери на основі матеріалів AIIIBV випромінюють в області ~ 1 мкм, тобто поблизу області прозорості аморфного кремнію, втрати через поглинання, отже й нагрівання вихідних дзеркал лазерів будуть незначними. Крім того, оптичні властивості аморфного кремнію значно залежать від умов його отримання. Це означає, що ретельний підбір умов отримання α-Si дозволяє створювати покриття із мінімальними втратами й тим самим оптимізувати лазерну структуру у цілому.

17.7. Завдання

1. Пояснити, чому у некристалічних речовинах формуються енергетичні зони.

2. Визначте переваги та недоліки використання аморфного кремнію у сонячній енергетиці

Список літератури

1.Смит Р. Полупроводники. – М.: Мир, 1982.

2.Мотт Н., Электроны в неупорядоченных структурах . – М.: Мир, 1969.

3.МоттН.,ДэвисЭ. Электронныепроцессывнекристаллическихвеществах: В 2

т. – М.: Мир, 1982

4.Pollak M.,, Noncrystalline Semiconductors: v.1–3. – CRS Press, 1987.

5.Kasap S.O. Principles of Electronic Materials and Devices, McGraw-Hill, 2005.

Розділ 18 МОЛЕКУЛЯРНІ НАПІВПРОВІДНИКИ

Сучасна мікро- та наноелектроніка базується на твердотільних технологіях і за багатьма параметрами класична1 твердотільна електроніка наблизилась до межі подальшого вдосконалення. Як реальна альтернатива їй розглядається молекулярна електроніка.

Молекулярна електроніка – це наука про електронні властивості молекулярних матеріалів та можливості їх застосуванні в електроніці, як елементів та приладів для запису, зберігання, обробки та передачі інформації.

Тому є кілька причин. За мільйони років еволюції природа створила велике розмаїття молекул, що виконують всі необхідні для живих організмів функції – сенсорні, логічно-аналітичні, пам'яті, моторні тощо. Ці молекули характеризуються оптимальною конфігурацією та нанометровими розмірами. Крім того, електроніка, що базується на молекулярних сполуках, за необхідності є одноелектронною, тобто характерними електричними струмами в молекулярних структурах є одноелектронні збудження. Це знімає, наприклад проблему тепловиділення, що стоїть перед сучасною твердотільною мікроелектронікою. Тому молекулярну електроніку можна вважати найефективнішою з погляду енергетичних витрат на один біт обробленої інформації. Основні переваги молекулярної електроніки перед традиційною твердотільною:

лінійний розмір активного елемента принаймні на три порядки менший;

розташування молекулярних фрагментів точно детерміновано (напр., як у молекули ДНК), на відміну від випадкового розподілу домішок у неорганічних матеріалах;

можливість тривимірної організації і самоорганізації, на відміну від переважно планарних сучасних напівпровідникових технологій;

відсутність обірваних хімічних зв'язків;

зменшення розмірів елементів молекулярної електроніки до 10–7 см, що означає зростання швидкодії молекулярних пристроїв. Оцінки показують, що максимальна швидкодія (за швидкості передачі заряду

108см/с) становитиме 10–15 с. Зазначимо, що у низці випадків необхідно застосовувати жорсткіші обмеження швидкодії, пов'язані з обмеженістю частоти молекулярних коливань, які зменшують час пе-

реформування молекули до 10–13 – 10–14 с;

1 Під терміном "класична твердотільна електроніка" ми маємо на увазі електроніку, що базується на неорганічних кристалічних (або невпорядкованих) матеріалах – Si, Ge, GaAs тощо.

менший за довжину вільного пробігу електрона l, то характер транспорту визначається специфічними квантовими ефектами, наприклад такими, як квантування кондактансу. Крім того, рух електронів у цьому випадку є балістичним, що підвищує швидкодію пристроїв, оскільки час перебування електрона в пристрої набагато менший за час процесів, що визначаються дифузійним переносом. Але при цьому різко збільшуються вимоги до реалізації пристрою, адже процеси розсіювання на границях пристрою набувають визначального характеру.

Іншим важливим фактором є ефекти, пов'язані з квантовою когерентністю, що виявляються в ситуації, коли транспорт у межах пристрою є фазово-когерентним. Це відбувається, якщо розмір пристрою

є меншим за довжину дифузії збою фази lvτϕ (v – швидкість електрона, τϕ – час збою фази, що в найпростішому випадку дорівнює часу

релаксації електронів на фононах). У випадку високих температур час релаксації фази є дуже малим, і квантово-інтерференційні ефекти не виявляються. Але для пристроїв, що працюють в умовах низьких температур, довжина фазової когерентності може досягати 1 мкм, та електронний транспорт можуть визначати квантово-інтерференційні ефекти. Ці обставини, що по суті пов'язані з розмірними ефектами, також призводять до принципових обмежень створення пристроїв малих розмірів (але не варто виключати можливість побудови приладів на інших засадах).

Ще одним фактором, що принципово обмежує можливість зменшення розмірів напівпровідникових пристроїв, є нагрівання елементів електронних пристроїв при проходженні через них електричного струму. Вважається, що для нормальної роботи електронних пристроїв

їхній нагрів не має перевищувати величини 102 Вт/см2. Ця вимога приводить до визначення величини мінімальних лінійних розмірів електронних пристроїв значеннями ~ 0.25 мкм. Але перехід до мідних технологій і надслабких струмів уже в наш час зсунув цю прогнозовану величину до значень ~ 0.1 мкм.

Але головна проблема, що постає перед твердотільною електронікою, полягає у філософії побудови електронних пристроїв як набору великої кількості елементарних об'єктів, які поєднані величезною кількістю зв'язків. Це призводить до надзвичайної складності сучасних приладів (мікросхем) і пов'язаної з цим проблеми низького виходу приладів у процесі їх виробництва та великих труднощів при їх тестуванні. З іншого боку, вивчення біологічних систем привело до розгляду окремих біомолекул, які за своєї складності та, головне, за функціональними можливостями порівняні із сучасними інтегральними мікросхемами. Крім того, окрема біомолекула є одиничним елементом молекулярної

18.3. sp2-гібридизація у вуглеці

Незвичайні властивості органічних напівпровідників значною мірою зумовлені структурою хімічних зв'язків, що утворюють атоми вуглецю, з'єднуючись у молекули. Серед різноманітних конфігурацій атом вуглецю може утворювати електронні стани, що формуються з одного s-рівня та двох рівнів p-симетрії. У результаті виникають три стани, які

ще називають sp2-гібридізованими орбіталями. Оскільки ці орбіталі мають ковалентну природу, вони мають визначений напрямок у прос-

торі: sp2-орбіталі направлені вздовж променів правильної трикутної зірки та розташовуються в одній площині. Перпендикулярно до цієї

площини розташовується pz-орбіталь. Коли два атоми вуглецю взаємо-

діють, дві sp2-орбіталі перекриваються та утворюють σ-зв'язок (рис.18.1). Відстань між основним і першим збудженим станами σ-зв'язку є досить великою та відповідає частотному діапазону ультрафіолету (рис.18.2). Однак при з'єднанні атомів вуглецю можуть виникати додаткові зв'язки

між pz-орбіталями, які називаються π-зв'язками. Ці зв'язки мають набагато менший енергетичний зазор між основним і збудженим станами, який відповідає оптичному діапазону частот і забезпечує напівпровідникові властивості органічних сполук. Атоми вуглецю можуть з'єднуватись у довгі ланцюжки. Відповідно, довгі ланцюжки зв'язків вуглецю характеризуватимуться деякою енергетичною щілиною між найвищім заповненим рівнем (HOMO – highest occupied molecular orbital) і на й-

нижчим, незайнятим молекулярним рівнем (LUMO – lowest unoccupied molecular orbital).

На прикладі формування бензольного кільця розглянемо, як такі стани виникають при формуванні органічних молекул з невеликою