7.1.7: Аморфні напівпровідники

Аморфні напівпровідники - це невпорядковані або склоподібні форми кристалічних напівпровідникових матеріалів. Як і непровідні скла, вони являють собою мережеві структури з насамперед ковалентним зв'язком. Кристалічний кремній, який має алмазну структуру, є впорядкованим розташуванням плавлених шестичленних кремнієвих кілець, все в конформації «стільця», як ми бачили в Гл. 8. Локальне середовище зв'язку атомів кремнію - тетраедрична. Атоми кремнію в аморфному кремнію (A-Si) також переважно чотиригранно координовані, але в структурі немає далекого порядку. Крім шестичленних кілець, існують п'яти- і семичленние кільця, а також деякі ділянки «звисаючих зв'язків», в яких атоми Si мають тільки трьох найближчих сусідів.

Схематична ілюстрація структур кристалічного кремнію (зліва), аморфного кремнію (середній) та аморфного гідрогенізованого кремнію (праворуч)

Два найбільш широко вивчених аморфних напівпровідника - це A-Si і аморфний селен, A-Se. Si і Se можуть бути виготовлені в склоподібній формі, як правило, шляхом розпилення або випаровування при відносно низькій температурі. У А-се, як і в A-Si, локально більшість атомів мають свою «нормальну» валентність, але в структурі є багато дефектів і нерівностей. Висячі зв'язки в аморфних напівпровідниках мають орбітальні енергії в середині проміжку, а електрони в цих станах ефективно не зв'язуються. Оскільки ці сайти звисаючих зв'язків знаходяться далеко один від одного, між ними мало орбітального перекриття, і вони також існують у діапазоні енергій. Отже, електрони в цих станах середньої щілини локалізовані, явище відоме як локалізація Андерсона. Аморфний Si є ізолюючим, оскільки електрони рівня Фермі (в середині зазору) не рухливі в решітці. Ці локалізовані стани створюють розрив рухливості, і тільки електрони в станах, які сильно зв'язуються або антитілінга, делокалізуються. Тому немодифікований A-Si не дуже корисний в якості напівпровідника. Однак шляхом гідрогенізації матеріалу в міру його утворення (як правило, в плазмі атомів H), недоскоординовані атоми Si пов'язані з атомами водню. Це породжує заповнені зв'язкові і порожні антизв'язуючі орбіталі, енергії яких знаходяться поза розривом рухливості. Гідрування таким чином знижує щільність станів у зазорі рухливості. Гідрогенізований аморфний кремній (A-Si:H) ізолює в темряві, але є хорошим фотопровідником, оскільки поглинання світла створює електрони та дірки в рухомих станах, які знаходяться поза розривом рухливості.

Енергія проти DOS для аморфного напівпровідника. Розлад і звисаючі зв'язки призводять до локалізованих станів середнього розриву.

Фотопровідність аморфного Se використовується в ксерографії. Провідний барабан, покритий А-се, який є ізолюючим, заряджається статичною електрикою коронним розрядом з дроту. Коли барабан піддається впливу світлого і темного малюнка (зображення, яке потрібно дублювати), освітлені ділянки A-se стають провідними і статичний заряд розсіюється з цих частин барабана. Потім частинки тонера, що містять вуглець, прилипають статичним зарядом до ділянок, які не піддавалися впливу світла, і переносяться та склеюються на папір, щоб зробити копію. Швидкість процесу і висока роздільна здатність передачі малюнка залежать від дуже низької провідності А-се в темряві і його високої провідності при освітленні.

Зарядка аморфного Se та перенесення малюнка в ксерографічному циклі.

Аморфний гідрогенізований Si використовується в недорогих тонкоплівкових сонячних елементах. Зазор рухливості становить близько 1,7 еВ, що більше, ніж кристалічний смуги Si (1,1 еВ). a-Si:H є матеріалом з прямим зазором, і тому тонкі плівки є хорошими поглиначами світла. a-Si:H сонячні елементи можуть бути осаджені парами в листах великої площі. p ⁺ Si-a-Si:H-N ⁺ Si клітини мають близько 10% ефективність перетворення потужності. Однак аморфні сонячні елементи Si поступово втрачають ефективність, коли вони піддаються впливу світла. Механізм цієї втрати ефективності, який називається ефектом Стаблера-Вронського, ^[9], включає фотогенеруються електронно-діркові пари, які мають достатню енергію, щоб викликати хімічні зміни в матеріалі. Хоча точний механізм все ще незрозумілий, було запропоновано, що енергія електронно-діркової рекомбінації розриває слабкий зв'язок Si-Si, і що одна з отриманих звисаючих зв'язків абстрагує атом H, залишаючи пасивований центр Si-H та постійний бовтається зв'язок. Ефект зводиться до мінімуму за рахунок гідрогенізації A-Si і може бути частково скасований відпалом.

Калькулятор, який працює від сонячної енергії та енергії акумулятора

Тонкі шари аморфного кремнію використовуються спільно з кристалічним кремнієм в гетероперехідних внутрішніх тонкошарових (HIT) сонячних елементах. ^[10] Оскільки проміжок рухливості A-Si ширший, ніж заборона C-Si, на аморфно-кристалічній межі інтерфейсу існує потенційний енергетичний бар'єр, який відображає електрони та дірки від цього інтерфейсу. При контакті p ⁺ тільки дірки можуть тунелювати через бар'єр, тоді як тільки електрони можуть тунелювати через бар'єр до контакту n ⁺. Пасивація поверхневих дефектів, які є ділянками електронно-діркової рекомбінації, запобігає основному механізму втрат у сонячних елементах, збільшуючи як фотонапругу, так і фотострум відносно звичайних c-Si p-n перехідних комірок. Panasonic та Sanyo оголосили про виробництво HIT-клітин з ефективністю перетворення енергії до 23%.

Шарувата структура сонячної батареї HIT. Шари не малюються в масштабі. Товстий кристалічний шар n-кремнію є поглиначем світла, а фотогенеровані отвори, які є носіями меншості, відбиваються від алюмінієвого заднього контакту тонким внутрішнім шаром A-Si.