4.2 Модель Дэвиса – Мотта

Согласно этой модели, хвосты локализованных состояний должны быть узкими и распространяться в запрещенную зону на несколько десятых эВ. Эта модель говорит о существовании зоны компенсированных уровней близких к середине запрещенной зоны. Модель Дэвиса – Мотта показана на рисунке 3, б, на котором через E_c и E_v обозначены энергии, которые разделяют области локализованных и делокализованных состояний. На рисунке 3, в, показано, что в центре этой зоны возможно расщепление на донорную и акцепторную зоны. Это приведет к закреплению уровня Ферми.

Рисунок 3 – Кривые плотности состояний для аморфных полупроводников: а – модель Коэна – Фрицше – Овшинского, б – модель Дэвиса – Мотта с зоной компенсированных уровней вблизи середины щели, в – модифицированная модель Дэвиса – Мотта, г - «реальное» стекло с дефектными состояниями

4.3 Модель поляронов малого радиуса

В некоторых аморфных полупроводниках носители заряда могут переходить в автолокализованное состояние (полярон малого радиуса), которое возникает в результате поляризации окружающей решетки атомов. Беспорядок в некристаллическом твердом теле приводит к замедлению движения носителей. Замедлением может вызываться локализация носителя, тогда, если последний останется на данном атоме долго для того, чтобы могло произойти перераспределение атомов, он сможет индуцировать смещение атомов в своей окрестности, которое приведет к формированию полярона малого радиуса.

5. Практическое применение аморфных полупроводников и приборы на их основе

Практическое применение аморфных и стеклообразных полупроводников довольно разнообразно. Они используются в следующих областях.

Ксерография – это процесс, где применяются фотопроводящие свойства селенового стекла. Чтобы получить копию сначала заряжают верхнюю часть пленки из селенового стекла, на которую распыляют положительные ионы. Вместе с этим на отрицательной подложке, на которую нанесено стекло, образуется отрицательный заряд изображения. После этого пленка освещается отраженным от копируемого оригинала светом. Где на оригинале была буква, там свет поглощается, где буквы не было, там свет отражается от листа. Затем после попадания света на стекло его энергия поглощается электронно-дырочными парами вблизи верхней поверхности. Эти пары внутри полупроводника разделяются, из-за сильного электрического поля. Электроны поднимаются наверх и уничтожают положительные ионы на верхней поверхности, в свою очередь дырки движутся к металлической подложке и уничтожают на ней отрицательный заряд. После этого, где не было букв на оригинале, поверхность селенового стекла становится электронейтральной, а где были буквы, остается положительно заряженной. Затем к положительно заряженным областям притягиваются черные частицы красителя, которые заряжены отрицательно. Краситель наносится на лист положительно заряженной бумаги и закрепляется с помощью нагревания.

На основе халькогенидных стекол создаются аппараты для цветного копирования. В них можно быстро получить копии цветных оригиналов с помощью цветных фильтров и красителей.

Производство солнечных батарей – устройств, которые превращают солнечную энергию в электроэнергию. Основной материал, который используются для производства солнечных батарей, является кремний. Стоимость изготовления высокочистых кристаллов кремния высока. Это является серьезным барьером для популяризации солнечных батарей на основе кристаллического кремния. Аморфный кремний выступает в качестве более дешевой альтернативы кристаллическому кремнию. Поглощение аморфного кремния в 20 раз больше кристаллического кремния. Из этого следует, что для поглощения видимого света достаточно пленки а – Si:H, толщина которой 0,5 – 1,0 мкм, вместо дорогостоящих кремниевых подложек, толщина которых 300 мкм.

Изготовление переключающих и запоминающих устройств – эти устройства находят применение при производстве электронных вычислительных машин. Халькогенидные стекла обладают свойствами переключения. Переключение – это способность вещества обратимо переходить из одного состояния в другое в результате влияния какого-либо внешнего воздействия. Два рода переключений, которые существуют в халькогенидных стеклах, показаны на рисунке 4. На этом рисунке приведены вольт-амперные характеристики этих полупроводников.

Рисунок 4 – Вольт-амперные характеристики с переключением

На рисунке 4, а – пороговое переключение. Если к стеклу приложить напряжение выше порогового V_п, то это приведет к скачку вольт-амперной характеристики с ветви 1 на ветвь 2. Это соответствует увеличению проводимости полупроводника (состояние «включено»). Если напряжение уменьшается до точки возврата, то стекло снова переключается в состояние с малой проводимостью, что соответствует состоянию «выключено».

На рисунке 4, б – переключение с запоминанием. При достижении порогового напряжения V­_п происходит переключение в проводящее состояние. Оно сохраняется в стекле, даже если приложенное напряжение равно нулю. Состояние «выключено» можно получить, если пропустить определенный импульс тока.

В некоторых стеклообразных полупроводниках переход в высокопроводящее состояние осуществляется под действием света. Это свойства можно использовать в области печати.

Гидрогенизированный аморфный кремний находит применение для изготовления тонкопленочных МДП-транзисторов. Достоинством таких транзисторов является: большое отношение токов при открытом и закрытом состояниях транзистора, из-за высокого удельного сопротивления; низкие температуры изготовления приборов, менее 350; небольшая стоимость. Недостатком таких транзисторов является малая подвижность носителей заряда.