半导体玻璃概述

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1、半导体玻璃概述一、半导体玻璃简介玻璃半导体是最近在半导体领域内出现的新材料。它的性能和晶体半导体材料迥然不同，有许多后者所不具备的优点，实用可能性日益增长，而且应用面很广，引起了人们极大的兴趣。半导体材料通常是指电阻率介于绝缘体与导体之间，即电阻率的数值在10-3109欧姆厘米范围内的材料。如果按照化学成分来分类，有元素半导体（如锗、硅等）和化合物半导体（如砷化镓、磷化镓等）。如果从原子排列的状态来看，可分晶态半导体（如单晶体、多晶体）和非晶态半导体（如玻璃半导体）。在单晶体中，所有的原子是按一定的规则作周期性的排列，在任何一个原子的周围与任何一个同种原子的周围有着完全相同的情况。无数小单晶体

2、不规则组合成一体则构成多晶体。在非晶态半导体中，原子的排列是不规则的，无定形的，所以非晶态半导体又称无定形半导体。事实上，无定形半导体也并不是完全杂乱无章的，而是短程有序、长程无序的川，就是说，在非晶态半导体中，最近邻的原子还是有规则的排列着，但次近邻的原子就可能杂乱地分布着。我们可以这样认为，在无定形材料中，最邻近的第十个原子很可能开始完全无序地排列。基于上述分类，可以知道对于同样一种元素半导体因有多种状态就可具有多种的名称，如硅有单晶硅、多晶硅之分。此外，如果将硅真空蒸发至冷的衬底上，所得的薄膜是无定形硅，这就是非晶态半导体的一种，因此，非晶态半导体是可以实现的。图1结晶态与玻璃态结构模型

3、2kALTJTJTJTJTJTJTJ-Ln-TL图2材料的X光衍射谱玻璃通常被认为是过冷的液体，其原子排列的状态是无定形的，因此玻璃态的半导体材料简称玻璃半导体，是一种典型的无定形半导体或非晶态半导体。玻璃态与晶态结构上的区别见图1。X光衍射分析是鉴定材料是晶态还是玻璃态的一种常用的方法。由于玻璃态是无定形结构，因此对玻璃半导体进行x光衍射分析时，衍射强度的分布应没有峰值显示出来。如果强度分布曲线有峰值显示出来，则至少说明此材料玻璃态不完全，有晶态的材料掺染其中。在图2内，下曲线是一硫系玻璃半导体材料的x光衍射分析曲线，图中没有峰值出现。上曲线是一不完全玻璃态的硫系半导体材料衍射图，图中峰值是

4、所含结晶态材料的特征谱线。构成玻璃态的半导体材料，有我们熟悉的构成一般玻璃的金属氧化物体系如氧化铜-氧-碲-硅-锗的四元体系。化钙-氧化硼体系，但较常用的是是硫系玻璃半导体如砷二、半导体玻璃的能带模型半导体玻璃的能带模型有多种不同的理论，最被广泛接受的是这里由Cohen，Fritzsche和ovshisnky共同提出的CFO模型。这种模型除了说明玻璃半导体的光学吸收和耐辐射特性等现象以外，还阐明了在许多硫属玻璃中看到的电性能和能带结构。晶体是原子周期性排列的系统，其中任何一个原子的周围环境和任何其他一个等效的原子是完全一样的。而玻璃中一个原子的周围环境虽然有可能和其最靠近的邻居相一致，但与其再

5、隔开一个的邻居就可能不同。在玻璃材料中，其相隔十个的邻居就基本上是杂乱取向。因此，玻璃是高度短程有序的材料，而不是长程有序的。另外，一定组份的玻璃态一般要比相应的晶态有较高的能量，也就是说玻璃是亚稳定的，但不是不稳定的。当然，当加热到临界温度以上，再缓慢冷却（退火），事实上玻璃也会晶化。为了避免晶化，玻璃必须从高温无序状态迅速冷却（退火）。在进行玻璃半导体分类方面，对内聚能起主要作用的原子间的化学键类型是一个依据。存在二类重要的化学键:共价键各原子共占有电子，离子键具有相反电荷的离子由库仑力结合在一起。一个完善的晶体在其基本能量状态，在组成、位置和磁性（自旋）上是完全有序的。在晶体内任何地方给

6、定了一个原子的位置和类型，就能确定晶体取向、其他每一个原子的精确位置和类型以及任何永久磁矩的取向。但晶体决不是绝对完善的，存在各种缺陷。杂质就代表了组份有序上的缺陷，空位或填隙原子（在晶体内处于正规晶格位置之间的原子）代表了位置有序上的缺陷，反向自旋就是磁性有序上的缺陷。晶体总是有引起其他位置无序的表面。此外，还存在动态缺陷，一般称为微粒激发，如晶格振动（声子）是与位置无序有关的动态缺陷，自旋波（磁子）是与磁性无序有关的动态缺陷。它们常要求少量或不需要附加能量，因此在低温下有重要影响。同时，在某些状态，例如高温，也会发生完全无序。铁磁体在其居里点以上就没有长程磁性有序，合金在其有序温度以上也显

7、示长程组份无序，任何液体都是长程位置无序的。但不论在那一种场合，总存在有短程有序。同样，所有无定形固体都有完全的长程位置无序。对于元素玻璃半导体来说，这是唯一的无序形式，如无定形Ge中任何原子的地位总是一样的。而共价玻璃半导体则还有组份无序，因此其化学式中就可能有某些不确定性。在任何一种情况下，只要从无定形晶体的结构上进行分类，每一类的电性能就能加以处理。根据固体中基本电子理论，对于原子钓完全周期性排列，当电子通过固体时，适用于这个电子的各个能态是连续地分布在称为能带的一定能量范围内的，然而又不进入称为禁带的另一些能量范围。特别是，这些能态是游动的，因此每一个电子似乎平等地在晶体内任何地方看到

8、，而不局限在某个特定原子周围。当一种材料具有的电子数目哈好使其全部能带被充满或者完全空缺，而且在最高满带和最低空带之间存在有禁带，则这种材料就是绝缘体。具有一个局部充满的能带的另一些材料是金属（导体）。根据这一理论，只要略加计算，就能预知某种晶体是绝缘体还是金属。此外，还说明了金属高导电率的问题，即外层电子的游动性质对电子的长平均自由路程有主要作用。这种游动性是从完整的周期性结构假设推出的。然而在说明晶体的电性能上周期性远不是最有效的。导电率是温度的函数。但在长程有序消失的熔点上情况如何呢?假如周期性是一个决定性因素，那么在熔点上导电率应该剧降。但是，除了一些在熔点上短程次序不连续地变化并导致

9、半导休向金属过渡的材料外，大多数材料在熔化时固休的导电率并无变化;金属仍然是金属，半导体仍然是半导体，绝缘体还是绝缘体。对于处在中间密度区域中某一能态的一个电子，存在二种可能性:当能态密度减小时，其迁移率或逐步降低到基本上为零，或形成一个突然跃迁，虽然还不是最后结论，但是最近的理论指出:跃迁是突然的。如果是这样的话，把导带和价带内定域化状态和非定域化状态隔开的能量，仅仅代表了迁移率上的突变结构。它们可看成为迁移率边缘，而不是晶体Ge内的能带边缘。同样，二个能带中非定域化状态间的最小能量间隔可称作为迁移率间隙，就起晶体结构中禁带的同样作用。这样一个模型可以用来表征元素玻璃半导体材料中的能带结构。

10、在无定形Ge类材料中，恰好有足够的电子来充满价带，包括处在尾部的能态在内，而保持导带空缺。这样在低温下，费密能级几乎在二个能带尾部之间的中央。然而和晶体Ge内不同，各个能带尾部内的定域化能态既不是施主能态也不是受主能态在导带迁移率边缘以下的能态空缺，而在价带迁移率边缘以上的能态占满。此外当费密能级升到导带尾部内时，材料不发生简并:仅在费密能级穿过迁移率边缘E。时才发生简讲。最可能的情况是p型导电性代表了无定形结构中缺陷（受主）的影响。例如，用退火方法去掉蒸汽沉积过程中产生的微孔，从而除去了缺陷，无定形Ge的电阻率陡然上升。假如受主（p型）能级消失，就预期有这种情形发生一但看到的导电性仍保持p型

11、。根据能带模型推出的解释表明:导带在能量上分布大于价带。按照能带理论，能量愈高，则能带愈宽，而所有其他的东西则是相等的。对于Ge这一类材料，所有其他的东西可以完全相等，因为价带和导带表示了同一些电子的键合能带和反键合能带。因此，导带尾部的分布也大于价带尾部。由于费密能级处在能带尾部之间的中央，它必须更靠近于价带迁移率边缘，而不是导电迁移率边缘。表征无定形Ge的能带结构和电性能是容易办到的，而对付共价型玻璃半导体（一般指硫属玻璃）却要复杂得多。困难在于Ge仅有长程位置无序，而硫属玻璃还有组份无序。典型的硫属玻璃可以有几乎任意的组成成份，。此外，无序还直接与能带尾部有关，因此在硫属玻璃内估计有一更

12、扩展的尾延部份。在CFO模型中，硫属玻璃内的尾延部份大到足以使价带和导带重叠，这在半导体理论中是一种独特的状态。用CFO模型也可解释无定形固体比相应的晶体耐辐射的现象。辐射在晶体半导体中产生了大的缺陷密度，从而大大增高了导电性。但在原子已经无秩序的玻璃半导体中，辐射损伤是不厉害的。在试验开关的过程中发现了硫属玻璃内的抗辐射性。三、小结玻璃半导体的制备是较简单的，对原料纯度的要求也不很高。是无定形态，故不需拉晶工艺。使用时一般将玻璃半导体材料制成薄膜，如用真空蒸发、高频溅射制成薄膜，也可将它研成粉末后，拌以介质如环氧树脂经丝网印刷成厚膜，也有将玻半材料切成薄片，然后再在二面加上对电极即成玻璃半导体器件。