非晶態(tài)半導(dǎo)體

非晶態(tài)半導(dǎo)體第1頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四晶體的特征是其中的原子的排列具有周期性,這種性質(zhì)稱(chēng)為長(zhǎng)程有序；但自然界還存在另一類(lèi)固體，其中原子的排列不具有周期性，即不具有長(zhǎng)程序,這類(lèi)物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為非晶態(tài)固體。非晶微晶多晶1、非晶的結(jié)構(gòu)第2頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四大量的實(shí)驗(yàn)證明，非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)雖不具有長(zhǎng)程序，但其中原子的排列也不是完全雜亂無(wú)章的，而是在一個(gè)原子或幾個(gè)原子間距范圍辦，其排列仍遵從一定規(guī)律。非晶態(tài)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)固體材料的短程有序決定了它的許多主要性質(zhì)，如能帶結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)、熱導(dǎo)、光學(xué)性質(zhì)，而材料的散射性質(zhì)、遷移性質(zhì)決定于固體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程有序性。只要半導(dǎo)體材料短程有序性保持不變，半導(dǎo)體特性將永遠(yuǎn)保持。第3頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四這種結(jié)構(gòu)往往具有亞穩(wěn)性：非晶固體并不是處于平衡態(tài)，而是處于非平衡態(tài)，其自由能要比晶體的高，由于熱激活或其它外來(lái)因素的作用，非晶態(tài)固體的結(jié)構(gòu)也有可能發(fā)生某些局部變化，同時(shí)伴以自由能的降低。晶態(tài)是自由能最低的穩(wěn)定狀態(tài)。HRTEMon10nmthinlayers第4頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2、非晶態(tài)半導(dǎo)體的電子態(tài)在晶體中，由于晶格排列具有周期性，即平移對(duì)稱(chēng)性，因此晶格中電子的波函數(shù)為一布洛赫函數(shù)：，其狀態(tài)可由簡(jiǎn)約波矢來(lái)表示。非晶態(tài)的原子的排列不具有長(zhǎng)程序，薛定諤方程中的勢(shì)函數(shù)不再是周期性分布，因此非晶體中電子的波函數(shù)不再是布洛赫波函數(shù)，因此其狀態(tài)不能再由簡(jiǎn)約波矢標(biāo)志。非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電了態(tài)就需要首先研究在一個(gè)不具有長(zhǎng)程序的無(wú)序系統(tǒng)中其電子態(tài)的特征。2.1無(wú)序體系中電子態(tài)的定域化第5頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四安德森于1958年提出了在無(wú)序體系中由于無(wú)序產(chǎn)生了電子定域態(tài)的概念：1、假定晶格格點(diǎn)的幾何排列仍是周期性的。2、各個(gè)格點(diǎn)處的勢(shì)場(chǎng)是由一個(gè)無(wú)規(guī)勢(shì)場(chǎng)疊加到理想三維周期性場(chǎng)上構(gòu)成。第6頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在沒(méi)有疊加無(wú)規(guī)則勢(shì)場(chǎng)時(shí)，電子波函數(shù)滿(mǎn)足薛實(shí)際上諤方程：其中勢(shì)能函數(shù)：表示一個(gè)孤立原子位于格點(diǎn)上在格點(diǎn)上產(chǎn)生的勢(shì)能函數(shù)。令代表在一個(gè)原子的勢(shì)場(chǎng)單獨(dú)作用下電子的波函數(shù)，表示在格點(diǎn)處的原子勢(shì)場(chǎng)單獨(dú)作用下電子的波函數(shù)。第7頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四根據(jù)可得晶體中電子的波函數(shù)為：即電子的布洛赫波函數(shù)等于在各個(gè)格點(diǎn)處原子軌道的線(xiàn)性疊加。表示最近鄰格點(diǎn)的交疊積，即第8頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在安德森勢(shì)場(chǎng)情況，格點(diǎn)的幾何排列末變，但在每個(gè)格點(diǎn)上疊加了一個(gè)無(wú)規(guī)勢(shì)場(chǎng)，則不同格點(diǎn)上對(duì)應(yīng)的電子軌道及能量將隨格點(diǎn)n不同而不同。設(shè)以En表示與各個(gè)格點(diǎn)上電子軌道對(duì)應(yīng)的能量，顯然，En將分布在以某個(gè)能量E0為中心的一個(gè)范圍內(nèi)。設(shè)表示原了軌道，以表示位于Rm

格點(diǎn)處的原子軌道安德森近似地假設(shè)其體系的哈密頓算符式中對(duì)m求和是指對(duì)n最鄰近的格點(diǎn)求和，En是隨格點(diǎn)不同而變的。在理想周期勢(shì)場(chǎng)中，即沒(méi)有疊加無(wú)規(guī)勢(shì)場(chǎng)時(shí)，式中En=E0，為一常數(shù)。安德森提出了一個(gè)區(qū)分?jǐn)U展態(tài)和定域態(tài)的定義：假設(shè)一個(gè)電子在t=0時(shí)處在n格點(diǎn)處的某個(gè)態(tài)中，由于第二項(xiàng)微擾的作用，電子的波函數(shù)隨時(shí)間變化。如t→∞時(shí)在原來(lái)狀態(tài)找到電子的幾率為零，表明電子已擴(kuò)散走了，就是擴(kuò)展態(tài)；如果t→∞時(shí)幾率為有限值，就是定域態(tài)。第9頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四相近鄰格點(diǎn)間電子軌道的交疊積分V值越大，則越易實(shí)現(xiàn)公有化運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)擴(kuò)展態(tài)。相反，如果相近鄰格點(diǎn)的能量差值越大，越難實(shí)現(xiàn)相鄰格點(diǎn)間電子態(tài)的轉(zhuǎn)移，亦即越易出現(xiàn)定域態(tài)。當(dāng)能量差值達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，整個(gè)能帶中的所有態(tài)都變?yōu)槎ㄓ驊B(tài)。2.2遷移率邊當(dāng)無(wú)序程度沒(méi)有達(dá)到監(jiān)界值時(shí)，雖然能帶中仍保持為擴(kuò)展態(tài)，但在帶頂和帶底等能帶尾部的狀態(tài)也可以發(fā)生定域化，產(chǎn)生一個(gè)由定域態(tài)組成的能帶尾。Ec和Ec‘，表示能帶中部擴(kuò)展態(tài)和尾部定域態(tài)的交界處的臨界能量。計(jì)算表明，隨著無(wú)序程度的增加，定域態(tài)與擴(kuò)展態(tài)的交界處向能帶中部移動(dòng)，兩個(gè)交界處會(huì)相互接近，最后相遇于能帶中部，整個(gè)能帶中的態(tài)都變?yōu)槎ㄓ驊B(tài)。因此，他把能帶中擴(kuò)展態(tài)與定域態(tài)的交界處叫做遷移率邊。第10頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.3非晶半導(dǎo)體能帶模型

非晶態(tài)半導(dǎo)體短程有序，因此也具有類(lèi)似于晶體那樣的能帶，但與晶體的能帶根本差別在于它不具有真正的能隙。理想能帶模型實(shí)際能帶模型第11頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.4非晶半導(dǎo)體導(dǎo)電特性第12頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.5非晶硅電池結(jié)構(gòu)晶體硅一般采用pn結(jié)結(jié)構(gòu)，而非晶硅采用pin結(jié)構(gòu)。基于以下幾點(diǎn)考慮：1、非晶硅能隙內(nèi)有較高的局域態(tài)密度，構(gòu)成簡(jiǎn)單的結(jié)時(shí)，會(huì)有很大的漏電流。2、非晶硅的小子壽命很低，擴(kuò)散長(zhǎng)度短，使p區(qū)和n區(qū)產(chǎn)生的光生載流子很難到達(dá)結(jié)區(qū)。第13頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四pa–Si-na–Si

結(jié)構(gòu)pa–Si-ia–Si-na–Si結(jié)構(gòu)pa–Si-ia–Si-nμc–Si結(jié)構(gòu)輕摻雜的非晶硅的費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)較小，如果用兩邊都是輕摻雜的或一邊是輕摻雜的另一邊用重?fù)诫s的材料，則能帶彎曲較小，電池的開(kāi)路電壓受到限制；如果直接用重?fù)诫s的p+和n+材料形成p+-n+結(jié)，那么，由于重?fù)诫s非晶硅材料中缺陷態(tài)密度較高，少子壽命低，電池的性能會(huì)很差。微晶硅有較高的摻雜效率，在同樣的摻雜水平下，其費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離帶隙中央的程度比非晶硅高。另一方面，微晶硅的帶隙不會(huì)因?yàn)閾诫s而有明顯的降低，因此用微晶硅做太陽(yáng)能電池的接觸層，既可減小串聯(lián)電阻，也可增加開(kāi)路電壓.技術(shù)路線(xiàn)圖電子在非晶硅中的擴(kuò)散長(zhǎng)度為10μm，空穴在非晶硅中的擴(kuò)散長(zhǎng)度為1μm第14頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四pa-Si-ia-Si-nμc-Si結(jié)構(gòu)中，pa-Si和μc–Si的厚度大約為10nm，但是10nmpa-Si會(huì)吸收掉20%左右的入射光，削弱電池對(duì)短波長(zhǎng)光的響應(yīng)，限制了短路電流的大小，因此使用寬帶隙透明的非晶碳化硅膜代替pa-Si作窗口層，此外它還可以通過(guò)內(nèi)建電勢(shì)的升高提高開(kāi)路電壓。Y.Tawada,H.Yamagishi.SolarEnergyMaterials&SolarCells,66(2001),95-10510nm10nm氫或者鍺摻雜可以改變禁帶寬度技術(shù)路線(xiàn)圖第15頁(yè)，共17頁(yè)，2023年，2月20日，星期四為了最大程度的有效利用更寬廣波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)光能量。人們把太陽(yáng)光譜分成幾個(gè)區(qū)域，用能隙分別與這些區(qū)域有最好匹配的材料做成電池，使整個(gè)電池的光譜響應(yīng)接近與太陽(yáng)光光譜，如圖所示，具有這樣結(jié)構(gòu)