非晶態(tài)半導(dǎo)體

非晶態(tài)半導(dǎo)體第一頁，共十七頁，2022年，8月28日晶體的特征是其中的原子的排列具有周期性,這種性質(zhì)稱為長程有序；但自然界還存在另一類固體，其中原子的排列不具有周期性，即不具有長程序,這類物質(zhì)統(tǒng)稱為非晶態(tài)固體。非晶微晶多晶1、非晶的結(jié)構(gòu)第二頁，共十七頁，2022年，8月28日大量的實驗證明，非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)雖不具有長程序，但其中原子的排列也不是完全雜亂無章的，而是在一個原子或幾個原子間距范圍辦，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。第三頁，共十七頁，2022年，8月28日這種結(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第四頁，共十七頁，2022年，8月28日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，即平移對稱性，因此晶格中電子的波函數(shù)為一布洛赫函數(shù)：，其狀態(tài)可由簡約波矢來表示。非晶態(tài)的原子的排列不具有長程序，薛定諤方程中的勢函數(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不具有長程序的無序系統(tǒng)中其電子態(tài)的特征。2.1無序體系中電子態(tài)的定域化第五頁，共十七頁，2022年，8月28日安德森于1958年提出了在無序體系中由于無序產(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、各個格點(diǎn)處的勢場是由一個無規(guī)勢場疊加到理想三維周期性場上構(gòu)成。第六頁，共十七頁，2022年，8月28日在沒有疊加無規(guī)則勢場時，電子波函數(shù)滿足薛實際上諤方程：其中勢能函數(shù)：表示一個孤立原子位于格點(diǎn)上在格點(diǎn)上產(chǎn)生的勢能函數(shù)。令代表在一個原子的勢場單獨(dú)作用下電子的波函數(shù)，表示在格點(diǎn)處的原子勢場單獨(dú)作用下電子的波函數(shù)。第七頁，共十七頁，2022年，8月28日根據(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)等于在各個格點(diǎn)處原子軌道的線性疊加。表示最近鄰格點(diǎn)的交疊積，即第八頁，共十七頁，2022年，8月28日在安德森勢場情況，格點(diǎn)的幾何排列末變，但在每個格點(diǎn)上疊加了一個無規(guī)勢場，則不同格點(diǎn)上對應(yīng)的電子軌道及能量將隨格點(diǎn)n不同而不同。設(shè)以En表示與各個格點(diǎn)上電子軌道對應(yīng)的能量，顯然，En將分布在以某個能量E0為中心的一個范圍內(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m求和是指對n最鄰近的格點(diǎn)求和，En是隨格點(diǎn)不同而變的。在理想周期勢場中，即沒有疊加無規(guī)勢場時，式中En=E0，為一常數(shù)。安德森提出了一個區(qū)分?jǐn)U展態(tài)和定域態(tài)的定義：假設(shè)一個電子在t=0時處在n格點(diǎn)處的某個態(tài)中，由于第二項微擾的作用，電子的波函數(shù)隨時間變化。如t→∞時在原來狀態(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→∞時幾率為有限值，就是定域態(tài)。第九頁，共十七頁，2022年，8月28日相近鄰格點(diǎn)間電子軌道的交疊積分V值越大，則越易實現(xiàn)公有化運(yùn)動而出現(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)到某個臨界值時，整個能帶中的所有態(tài)都變?yōu)槎ㄓ驊B(tài)。2.2遷移率邊當(dāng)無序程度沒有達(dá)到監(jiān)界值時，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。計算表明，隨著無序程度的增加，定域態(tài)與擴(kuò)展態(tài)的交界處向能帶中部移動，兩個交界處會相互接近，最后相遇于能帶中部，整個能帶中的態(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。第十頁，共十七頁，2022年，8月28日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。理想能帶模型實際能帶模型第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日2.4非晶半導(dǎo)體導(dǎo)電特性第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日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)?；谝韵聨c(diǎn)考慮：1、非晶硅能隙內(nèi)有較高的局域態(tài)密度，構(gòu)成簡單的結(jié)時，會有很大的漏電流。2、非晶硅的小子壽命很低，擴(kuò)散長度短，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)。第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日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)米能級移動較小，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，微晶硅的帶隙不會因為摻雜而有明顯的降低，因此用微晶硅做太陽能電池的接觸層，既可減小串聯(lián)電阻，也可增加開路電壓.技術(shù)路線圖電子在非晶硅中的擴(kuò)散長度為10μm，空穴在非晶硅中的擴(kuò)散長度為1μm第十四頁，共十七頁，2022年，8月28日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會吸收掉20%左右的入射光，削弱電池對短波長光的響應(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，此外它還可以通過內(nèi)建電勢的升高提高開路電壓。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)路線圖第十五頁，共十七頁，2022年，8月28日為了最大程度的有效利用更寬廣波長范圍內(nèi)的太陽光能量。人們把太陽光譜分成幾個區(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，使整個電池的光譜響應(yīng)接近與太陽光光譜，如圖所示，具有