Файл: 1. Типы химической связи, Особенности материалов электрон техники.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 55
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Сильно легированный фосфором поликремний травится и окисляется быстрее, чем нелегированный. От структуры пленки поликремния
и уровня легирования зависят химические и физические свойства поликремния, в частности, оптические свойства, такие как коэффициенты преломления и поглощения.
46. Применение а-Si:Н. Эффективное легирование а-Si:Н открыло интересные возможности для использования этого материала в различных устройствах. Особенно привлекает возможность создания дешевых фотоэлектрических устройств большой площади. Основными фоточувствительными структурами на основе а-Si:Н являются: фоторезисторы; элементы с барьером Шоттки; элементы с МДП-структурой; р-i-п структуры; элементы на гетеропереходах; элементы на основе сверхрешеток.
Солнечные элементы на основе а-Si:Н. Впервые солнечные элементы на основе а-Si:Н были созданы в 1975 г., после чего началось быстрое развитие этой области применения неупорядоченных полупроводников. Важнейшую роль в использовании а-Si:Н для создания солнечных элементов сыграл тот факт, что оптическое поглощение в а-Si:Н в 20 раз превышает оптическое поглощение в кристаллическом кремнии. Поэтому для существенного поглощения видимого солнечного света достаточно получить пленки а-Si:Н толщиной 0.5 - 1,0 мкм. Кроме того, перспективным является и технологическая возможность получать слои аморфного кремния в виде тонких пленок большой площади. При данной технологии отсутствуют и технические потери, связанные с резкой, шлифовкой и полировкой, что имеет место в случае изготовления элементов солнечных батарей на основе монокристаллического кремния. Преимущества солнечных элементов на основе а-Si:Н перед аналогичными поликристаллическими кремниевыми элементами связано с более низкими температурами их изготовления (300 °С), что позволяет использовать дешевые стеклянные подложки. К настоящему времени максимальный КПД (12 %) экспериментальных элементов, приготовленных в лабораторных условиях, несколько ниже КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов (≈15 %).
Поглощение излучения в полупроводниках вызывает переход электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. при этом генерируются электронно-дырочные лары. Свободные носители заряда и обусловливают фототек в солнечных элементах.
Наибольшей эффективности солнечных элементов удалось достичь при использовании р-i-n структур.
47. Модели структуры энергетических зон.
Аморфная структура а-Si:Н налагает ряд ограничений на электронные свойства материала. Полупроводниковые свойства идеальных кристаллических тел хорошо описываются зонной теорией.
В неупорядоченных полупроводниках дальний порядок отсутствует, и потому основные положения зонной теории кристаллов в этом случае оказываются неприменимыми.
Еще в середине 50-гг А.Ф.Иоффе сформулировал эмпирическое правило, согласно которому за полупроводниковые свойства в материалах отвечает ближний порядок. В соответствии с этим правилом, если ближний порядок при переходе материала в неупорядоченное состояние не изменяется, то в нем сохраняются основные черты плотности состояний соответствующего кристаллического аналога.
Аморфные материалы также имеют нелокализованные состояния, посредством которых электроны и дырки могут свободно двигаться. Однако отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что для них длина свободного пробега значительно ниже, чем в кристаллическом материале. Длина свободного пробега электрона зависит от энергии. Когда длина свободного пробега становится сравнимой с межатомным расстоянием, носители заряда локализуются. Следовательно, для аморфных полупроводников имеется некая граница между нелокализованными и локализованными состояниями. В результате в аморфном кремнии существует так называемая щель по подвижности. В настоящее время можно выделить несколько моделей, позволяющих удовлетворительно объяснять электрофизические свойства неупорядоченных материалов.
Наибольшее распространение получили представления, основанные на зонной модели распределения энергетических состояний с четко выраженным краем подвижности, разделяющим локализованные состояния на хвостах зон от делокализованных. Эта модель была предложена Моттом.
На основе этих представлений Мотта было разработано несколько моделей структуры энергетических зон в неупорядоченных полупроводниках.
В модели Коэна-Фрицше-Овшинского (рис) принимается, что хвосты плотности состояний перекрывают всю запрещенную зону. Состояния в запрещенной зоне локализованы, причем существуют критические энергии, отделяющие эти состояния от распространенных состояний в зонах. Эти критические энергии называются порогами подвижности, а область энергии между ними - щелью по подвижности.
Согласно Мотгу и Дэвису (рис), хвосты локализованных состояний довольно узкие и распространяются в запрещенную зону на несколько десятых электронвольта. Уровень Ферми закрепляется в узкой зоне компенсированных уровней вблизи середины запрещенной зоны, обязанных своим происхождением дефектам случайной сетки атомов, т.е. оборванным связям, вакансиям и т.д. В этой модели концепция порогов подвижности сохраняется. Предлагались и другие аналогичные модели, в которых одна зона дефектных уровней заменялась двумя или несколькими зонами, расположенными на приблизительно равных расстояниях по обе стороны от уровня Ферми.
М(Е)
Все перечисленные модели различным образом отражают структурные особенности неупорядоченных полупроводников, приводящие к появлению локализованных состояний в запрещенной зоне.
На это месте должен быть рисунок
48. Влияние легирования на проводимость а-Si:Н
Наиболее существенным эффектом, связанным с легированием а-Si:Н, является изменение его проводимости на шесть - десять порядков при контролируемом ведении примесей бора или фосфора.
В настоящее время существует несколько вариантов интерпретации механизма легирования. Наиболее распространенное объяснение заключается в том, что изменение электрических свойств вызывается в основном изменением степени заполнения состояний в щели подвижности. При этом условии электрическая активность вводимых примесей и смещение уровня Ферми под действием добавок пропорциональны величине ND/g(Еf), где ND - концентрация примеси; g(Еf) - плотность состояний на уровне Ферми легируемого образца. Другими словами, механизм легирования связан с тем, что избыточные электроны и дырки примеси заполняют состояния в середине щели подвижности, действуя как компенсирующая примесь для глубоких уровней. После того, как все состояния заполнены, дополнительное легирование приводит к сдвигу уровня Ферми в направлении к зонам. Очевидно, что при фиксированной величине ND величина ∆Ef тем меньше, чем выше исходная плотность состояний на уровне Ферми. В негидрогенезированном а-Si:Н g(Еf) достигает 1019 -1020 см-3 и в этой связи этот материал не легируется традиционными примесями.
49. Метастабильностъ и релаксационные процессы
в a-Si:Н. Многие физические свойства неупорядоченных полупроводников определяются термодинамической особенностью этого класса материалов, а именно, их удаленностью от состояния равновесия, характерного для кристаллов.
В 1977 г. Стэблер и Вронски обнаружили, что после длительного освещения пленок a-Si:Н белым светом величина проводимости уменьшается почти на четыре порядка. Все эти изменения являются, однако, обратимыми и после отжига при Т = 150 °С в течение одного часа свойства образца могут быть полностью восстановлены.
Совокупность проведенных на материале исследований свидетельствует о возникновении под действием освещения нового метастабильного состояния, обусловленного дефектами.
При изучении транзисторных структур, изготовленных на основе a-Si:Н было обнаружена влияние электрических полей, приложенных в прямом и обратном направлении, на свойства материала. В частности, смещение порогового напряжения Uпор, тонкопленочных полевых транзисторов, изготовленных на основе a-Si:Н под действием поля связывается с образованием дополнительного числа дефектов, метастабильных по своей природе.
Стимулирование работ в этой области непосредственно связано с проблемами практического характера, а именно, с временной и темпера* турной деградациями характеристик приборных структур, изготовленных на основе a-Si:Н.
50. Методы формирования пленок неупорядоченных полупроводников.
В отличие от монокристаллических полупроводников, у которых различные технологии их синтеза обеспечивают получение сопоставимых свойств, у аморфных полупроводников, в частности у а-Si:Н, наблюдается прямая зависимость между структурными, электрофизическими и термодинамическими свойствами и способом получения. В этой связи для различных практических приложений материала находят распространение различные технологии синтеза а-Si:Н. В настоящее время основными методами получения пленок являются: 1)метод тлеющего разряда силаносодержащих смесей; 2)химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ); 3)распыление;
Метод тлеющего разряда используется в большинстве промышленных установок. Сущность метода состоит в разложении силаносодержащих смесей в плазме тлеющего разряда до образования активных компонентов с последующим их осаждением на поверхности роста.
Установки, реализующие метод тлеющего разряда, разделяются на две группы в зависимости от способа подачи высокочастотной мощности в плазму: с индуктивной связью и емкостной связью. В подавляющем большинстве случаев используются установки с емкостной связью. Они имеют очевидное преимущество перед индуктивной системой, которое заключается в возможности увеличения размеров электродов И получения образцов большой площади.
Рабочие газы представляют собой смеси силана SiН4 с различными разбавителями: Н2, Аr, Nе, Кr, Хе. Однако наиболее часто используются смеси силана с молекулярным водородом. Это связано с тем, что в данном случае получают материал с лучшими электрофизическими характеристиками. Для легирования бором и фосфором используют диборан В2Н6 и фосфин РН3 соответственно.
Оптимальные условия роста являются индивидуальными и характерными только для конкретной установки.
Основной особенностью промышленных и полупромышленных установок по производству пленок а-Si:Н является наличие последовательно соединенных камер, в каждой из которых получается определенный тип материала.
Метод ХОГФ аналогичен методу получения поликристаллического кремния за тем исключением, что температура подложки не превышает 600 °С. Считается, что основным компонентом, формирующим слой а-Si:Н, является группа SiН2
Наиболее важными технологическими параметрами процесса ХОГФ являются температура газа и подложки, парциальное давление газа. Пленки а-Si:Н полученные этим методом, термически стабильны, однако, как правило, содержат низкую концентрацию водорода, недостаточную для пассивации высокой концентрации оборванных связей. Поэтому метод ХОГФ часто комбинируют с последующей постгидрогенизацией в водородной плазме для уменьшения плотности дефектов в материале.
51.Классификация диэлектрических материалов
Диэлектрики - вещества, плохо проводящие электрический ток. Термин "диэлектрик" введен Фарадеем для обозначения веществ, в которые проникает электрическое поле.
Электропроводность диэлектриков по сравнению с металлами очень мала. Их удельное электрическое сопротивление р > 108-109 Ωсм. Основным электрическим свойством диэлектриков является способность к поляризации, в них возможно существование электростатического поля.
К диэлектрикам относят вещества, у которых ширина запрещенной зоны Ем > 3 эВ. Электроны под действием обычных (не слишком сильных) электрических полей преодолеть ее не могут. Действие электрического поля сводится к перераспределению