Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

курсовая работа / Курсовая работа по МиЭЭТ(3)

.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
06.06.2017
Размер:
554.73 Кб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г.И. НОСОВА»

ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине Материалы и элементы электронной техники

На тему: Аморфные полупроводники и приборы на их основе

Исполнитель: Михайлицын Андрей Сергеевич студент 2 курса, группы АНБ-14-2

(Ф.И.О.)

Руководитель: Суспицын Евгений Сергеевич кандидат технических наук, доцент кафедры электроники и микроэлектроники ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

(Ф.И.О., должность, уч. степень, уч. звание)

Работа допущена к защите “

 

 

20 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(подпись)

 

Работа защищена “

20

 

г. с оценкой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(оценка)

(подпись)

Магнитогорск 2016

 

 

Содержание

 

Введение...................................................................................................................

3

1.

Определение аморфных полупроводников ......................................................

4

2.

Структура аморфных полупроводников...........................................................

5

3.

Стеклообразные полупроводники .....................................................................

7

4.

Зонные модели.....................................................................................................

7

 

4.1

Модель Коэна – Фрицше – Овшинского .....................................................

7

 

4.2

Модель Дэвиса – Мотта ................................................................................

7

 

4.3

Модель поляронов малого радиуса..............................................................

8

5.

Практическое применение аморфных полупроводников и приборы на их

основе .......................................................................................................................

9

Заключение ............................................................................................................

12

Список литературы ...............................................................................................

13

2

Введение

В электроники в основном использовались кристаллические полупроводники. В современном мире большое внимание, наряду с кристаллическими, проявляется к аморфным проводникам. Они позволяют открыть новые направления исследований. Их физические свойства представляют большой научный и практический интерес. Например,

материалы для ксерографии, аморфные халькогенидные полупроводники,

они используются как оптические элементы инфракрасной техники,

преобразователи солнечной энергии на аморфном кремнии, в частности элементы солнечных батарей. Для изготовления аморфных твердых тел используются более простые и дешевые методы, чем для выращивания монокристаллов, из-за их слабой чувствительности к посторонним примесям.

3

1. Определение аморфных полупроводников

Аморфные полупроводники – это аморфные вещества, имеющие свойства полупроводников. Они не являются кристаллическими. В аморфных телах отсутствует дальний порядок в расположении составляющих их атомов, присутствует только ближний. Дальним порядком называется строгая периодичность повторяемости в пространстве одного и того же элемента структуры (атома, группы атомов, молекулы). Ближним порядком называется согласованность в расположении соседних частиц. В аморфных полупроводниках в отличие от аморфных металлов не имеется плотной упаковки атомов. Они состоят из атомов, которые связаны ковалентными связями.

По составу и структуре аморфные и стеклообразные полупроводники делятся на халькогенидные, оксидные, органические, тетраэдрические.

Некристаллические материалы, полученные охлаждением расплава,

называются стеклами.

Оксидные кислородсодержащие стекла получают сплавлением оксидов металлов с переменной валентностью, таких как, V2O5-P2O5-ZnO. Оксиды металлов, которые образуют эти стекла, имеют одновременно не менее двух разновалентных состояний одного и того же элемента. Это и обусловливает их электронную проводимость.

Халькогенидные стекла получают из полупроводникового расплава методом быстрого охлаждения, так называемой закалки. Закалка кремния и других подобных ему полупроводников не может быть выполнена из расплава, так как недостаточна быстрота замораживания атомов в аморфном состоянии.

Аморфные полупроводники, которые не могут быть изготовлены из расплава, как правило, получают в виде тонких пленок путем различных осаждений атомов таких, как напыление в вакууме, иное распыление,

плазменное разложение газов или электроосаждение. Возможно применение ионной бомбардировки кристаллов, после которой возникает аморфный слой.

4

Примером веществ, полученных в аморфном состоянии путем напыления,

являются германий Ge, кремний Si.

Материал считается аморфным, когда на его электронограммах и рентгенограммах наблюдаются диффузные кольца, а не отдельные пятна или резкие брегговские кольца, которые характерны для поликристаллических или монокристаллических твердых тел.

2. Структура аморфных полупроводников

Аморфные пленки Si, Ge и других полупроводниковых веществ по своим свойствам не представляют практического интереса. Образование некристаллической трехмерной сетки атомов приводит к появлению большого количества разрывов связей между атомами там, где расстояние между ними существенно превышают длину химической связи. Из этого следует появление высокой плотности локализованных состояний (1020см-3) в

запрещенной зоне. Из-за специфики процесса электропроводности в аморфных полупроводниках управлять электрическими свойствами таких материалов практически невозможно.

Введение водорода в аморфные пленки кремния позволяет изменить его электрофизические свойства. После его введения, водород образует химическую связь с атомами кремния в местах точечных дефектов пленки,

это показано на рисунке 1, б. Водород как бы «залечивает» их, получается

«гидрированный» материал, который называется Si:H, он резко снижает плотность состояний в запрещенной зоне (до 1016-1017см-3). Его можно легировать традиционными донорными и акцепторными примесями, это придает ему электронный или дырочный тип проводимости, создавать в нем p-n-переходы.

Аморфная форма Si и Ge образована группами, которая состоит из четырех атомов, образующие тетраэдры. На рисунке 2 представлена модель решетки аморфного Si. Аморфная форма отличается от кристаллической тем,

что в аморфной тетраэдры ориентированы относительно друг друга случайным образом.

5

Рисунок 2 показывает существование «одиночной оборванной связи».

Такие центры не существуют в кристаллическом кремнии, где отсутствующие атомы дают несколько оборванных связей.

Рисунок 1 - Фрагменты структур аморфного кремния с точечными дефектами (а), гидрогенизированного аморфного кремния (б):

1-точечные дефекты; 2, 3 – атомы кремния и водорода

Рисунок 2 – Механическая модель решетки аморфного кремния

6

3. Стеклообразные полупроводники

Халькогенидные стекла, такие, как As2S3, As2Se3, As2Te3, являются представителями этой группы. К этой группе так же относятся более сложные стекла, такие, как Te81Ge51A4, где A – это элемент V группы периодической системы элементов. К этим материалам интерес вызван их применением в переключателях и запоминающих устройствах.

Электропроводность полупроводников такого типа описывается экспоненциальным законом:

0 exp Eg 2kT (1)

при изменении σ в пределах 4-6 порядков величины. Для возникновения проводимости нужна термическая активация.

4. Зонные модели

Существует несколько моделей зонной структуры аморфных полупроводников. Рисунок 3 иллюстрирует особенности этих моделей.

4.1 Модель Коэна – Фрицше – Овшинского

В этой модели, изображенной на рисунке 3, а, всю запрещенную зону перекрывают хвосты плотности состояний, а зависимость плотности состояний однородная. Плавное уменьшение плотности локализованных состояний разрушает резкие края зоны проводимости и валентной зоны. Эта модель была предложена для халькогенидных стекол, которые используются в переключающихся устройствах. Главное возражение против модели Коэна

– Фрицше – Овшинского была высокая прозрачность аморфных халькогенидов в области ниже края поглощения. Эта модель больше подходит для аморфного кремния.

4.2 Модель Дэвиса – Мотта

Согласно этой модели, хвосты локализованных состояний должны быть узкими и распространяться в запрещенную зону на несколько десятых эВ. Эта модель говорит о существовании зоны компенсированных уровней близких к середине запрещенной зоны. Модель Дэвиса – Мотта показана на

7

рисунке 3, б, на котором через Ec и Ev обозначены энергии, которые разделяют области локализованных и делокализованных состояний. На рисунке 3, в, показано, что в центре этой зоны возможно расщепление на донорную и акцепторную зоны. Это приведет к закреплению уровня Ферми.

Рисунок 3 – Кривые плотности состояний для аморфных полупроводников: а – модель Коэна – Фрицше – Овшинского, б – модель

Дэвиса – Мотта с зоной компенсированных уровней вблизи середины щели, в

– модифицированная модель Дэвиса – Мотта, г - «реальное» стекло с дефектными состояниями

4.3 Модель поляронов малого радиуса

В некоторых аморфных полупроводниках носители заряда могут переходить в автолокализованное состояние (полярон малого радиуса),

которое возникает в результате поляризации окружающей решетки атомов.

Беспорядок в некристаллическом твердом теле приводит к замедлению движения носителей. Замедлением может вызываться локализация носителя,

тогда, если последний останется на данном атоме долго для того, чтобы могло произойти перераспределение атомов, он сможет индуцировать смещение атомов в своей окрестности, которое приведет к формированию полярона малого радиуса.

8

5. Практическое применение аморфных полупроводников и

приборы на их основе

Практическое применение аморфных и стеклообразных полупроводников довольно разнообразно. Они используются в следующих областях.

Ксерография – это процесс, где применяются фотопроводящие свойства селенового стекла. Чтобы получить копию сначала заряжают верхнюю часть пленки из селенового стекла, на которую распыляют положительные ионы. Вместе с этим на отрицательной подложке, на которую нанесено стекло, образуется отрицательный заряд изображения.

После этого пленка освещается отраженным от копируемого оригинала светом. Где на оригинале была буква, там свет поглощается, где буквы не было, там свет отражается от листа. Затем после попадания света на стекло его энергия поглощается электронно-дырочными парами вблизи верхней поверхности. Эти пары внутри полупроводника разделяются, из-за сильного электрического поля. Электроны поднимаются наверх и уничтожают положительные ионы на верхней поверхности, в свою очередь дырки движутся к металлической подложке и уничтожают на ней отрицательный заряд. После этого, где не было букв на оригинале, поверхность селенового стекла становится электронейтральной, а где были буквы, остается положительно заряженной. Затем к положительно заряженным областям притягиваются черные частицы красителя, которые заряжены отрицательно.

Краситель наносится на лист положительно заряженной бумаги и закрепляется с помощью нагревания.

На основе халькогенидных стекол создаются аппараты для цветного копирования. В них можно быстро получить копии цветных оригиналов с помощью цветных фильтров и красителей.

Производство солнечных батарей – устройств, которые превращают солнечную энергию в электроэнергию. Основной материал, который используются для производства солнечных батарей, является кремний.

9

Стоимость изготовления высокочистых кристаллов кремния высока. Это является серьезным барьером для популяризации солнечных батарей на основе кристаллического кремния. Аморфный кремний выступает в качестве более дешевой альтернативы кристаллическому кремнию. Поглощение аморфного кремния в 20 раз больше кристаллического кремния. Из этого следует, что для поглощения видимого света достаточно пленки а – Si:H,

толщина которой 0,5 – 1,0 мкм, вместо дорогостоящих кремниевых подложек, толщина которых 300 мкм.

Изготовление переключающих и запоминающих устройств – эти устройства находят применение при производстве электронных вычислительных машин. Халькогенидные стекла обладают свойствами переключения. Переключение – это способность вещества обратимо переходить из одного состояния в другое в результате влияния какого-либо внешнего воздействия. Два рода переключений, которые существуют в халькогенидных стеклах, показаны на рисунке 4. На этом рисунке приведены вольт-амперные характеристики этих полупроводников.

Рисунок 4 – Вольт-амперные характеристики с переключением На рисунке 4, а – пороговое переключение. Если к стеклу приложить

напряжение выше порогового Vп, то это приведет к скачку вольт-амперной характеристики с ветви 1 на ветвь 2. Это соответствует увеличению проводимости полупроводника (состояние «включено»). Если напряжение

10