05 (Электронные лекции в формате DOC)

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Для исследования механизма переноса электрического заряда в полупроводниках обычно используют три электрофизические характеристики:

• электропроводность;

• термо ЭДС;

• эффект Холла;

а также их температурные, частотные и полевые зависимости.

Комплексное исследование этих характеристик в кристаллических полупроводниках позволяет определить практически все параметры электропереноса:

• тип проводимости;

• концентрацию носителей заряда;

• их холловскую и дрейфовую подвижности;

• энергию активации проводимости и другие.

Однако в некристаллических полупроводниках, как и следовало ожидать, картина оказалась гораздо сложнее. Это потребовало развития новых теоретических и экспериментальных подходов к анализу электропереноса в неупорядоченных материалах.

В настоящее время существует целый ряд моделей электропереноса в некристаллических полупроводниках. Но мы с Вами ограничимся рассмотрением лишь наиболее распространенных, наиболее принятых моделей.

Начнем с рассмотрения электропроводности.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

При рассмотрении электропроводности будем базироваться на модели строения энергетических зон Мотта – Дэвиса:

---------------------------------------------------------------------------------------

Эффект Холла в некристаллических полупроводниках

В кристаллических полупроводниках исследование эффекта Холла дает богатую информацию о характеристиках материала.

Коэффициент Холла равен:

| R_H| = r/e·n, (18)

где: r  1 – коэффициент, определяемый механизмом рассеяния носителей; n – концентрация основных носителей заряда.

Если основными носителями заряда являются электроны, то коэффициент Холла отрицателен, а если дырки – то он положителен. Таким образом, в случае кристаллов из измерений коэффициента Холла можно определить:

• тип проводимости полупроводника;

• концентрацию основных носителей заряда;

• если при этом известна проводимость (σ = en), то можно определить величину холловской подвижности.

Однако, в некристаллических полупроводниках эффект Холла обнаруживает ряд аномалий. Основной из них является инверсия знака коэффициента Холла относительно типа основных носителей заряда.

Так, в халькогенидных стеклообразных полупроводниках, являющихся материалами р – типа проводимости с положительным значением термо-э.д.с., коэффициент Холла отрицателен. В a – Si:H коэффициент Холла отрицателен в материале, легированном бором (р-тип), и положителен в материале легированном фосфором (n-тип).

Существует ряд моделей для объяснения этих аномалий. Но мы лишь констатируем, что в том плане, в котором эффект Холла применяется для кристаллов, в случае некристаллических полупроводников его применять нельзя.

----------------------------------------------------------------------------------

Дрейфовая подвижность носителей заряда

в некристаллических полупроводниках

Одним из эффективных методов исследования спектра локализованных состояний в хвостах зон некристаллических полупроводников является эксперимент по определению дрейфовой подвижности носителей заряда (подвижности в сильных электрических полях), или, так называемая, времяпролетная методика (time – of – flight experiment).

Схема эксперимента заключается в следующем.

На образец толщиной d наносятся два электрода, один

из которых прозрачный. К электродам прикладывается

напряжение U для создания в образце поля F.

Через прозрачный электрод образец освещается коротким импульсом сильно поглощаемого света.

Свет генерирует в приповерхностной области образца электроны и дырки. Под действием электрического поля пакет носителей одного знака дрейфует через образец (в зависимости от полярности приложенного напряжения). В период движения пакета носителей, до достижения им второго электрода, в электрической цепи протекает ток.

Дрейфовая подвижность носителей заряда определяется в этом случае следующим образом:

_D = d / F· t_D, (см²/В·с) (19)

где t_D – время пролета носителей заряда через образец.

В идеальном случае, когда в запрещенной зоне отсутствуют локализованные состояния, все генерированные I

с ветом носители одновременно достигают

противоположного контакта и ток в цепи через t

в ремя t_D скачком спадает до нуля (рисунок). t_D

О днако, в некристаллических полупроводниках присутствует широкий спектр локализованных состояний, которые работают как ловушки носителей заряда: часть носителей заряда захватывается Е_С

н а ловушки. В свою очередь, часть захваченных Е_t

н осителей заряда может через некоторое время

т ермически выбрасываться из ловушек в E_F

нелокализованные состояния и продолжать

движение (рисунок). Сможет ли носитель уйти из ловушки и сколько времени он будет на ней находиться зависит от глубины залегания ловушки Е_t и температуры эксперимента.

Захват и частичное освобождение носителей заряда приводит к изменению их концентрации в процессе дрейфа. Эта зависимость описывается следующим выражением:

n _D(t) = n_D(0)·exp(-t/_D), (20)

г де _D - среднее время жизни носителей заряда. I

Соответственно, зависимость дрейфового тока

от времени имеет вид (рисунок):

К ривые не имеют ярко выраженных деталей, по которым

м ожно было бы определить время пролета. t

О днако было показано, что если эту зависимость lgI

построить в билогарифмическом масштабе lgI(lgt), то

н а ней четко проявляются два линейных участка,

пересечение которых дает значение времени пролета

t _D, что позволяет по формуле (19) определить дрейфовую t_D t

подвижность _D.

С другой стороны, дрейфовая подвижность может быть записана в виде:

_D = _σ(N_C/N_t)exp[ -(E_C – E_t)/kT], (21)

где: _σ - холловская подвижность; N_C - плотность состояний на уровне E_C;

N_t - плотность состояний на локальном уровне E_t.

Таким образом, из наклона зависимости ln _D (1/T) можно определить глубину залегания ловушек (E_C – E_t), а по пересечению этой зависимости с осью ординат определить концентрацию ловушек.

Применение этого метода в широком интервале температур дает возможность исследовать спектр локализованных состояний в материале.