Энергетический спектр аморфных твердых тел

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о существовании в аморфных твердых телах, так же как и в крис­таллах, разрешенных и запрещенных участков энергетического спектра, т. е. о наличии разрешенных и запрещенных зон. Однако в запрещенной зоне аморфных веществ имеются какие-то разре­шенные состояния, отчасти подобные обычным локальным уров­ням в кристаллических твердых телах. Они могут быть обусловле­ны разными причинами, которые до настоящего времени служат поводом для дискуссии между теоретиками.

Аморфный кремний с физической точки зрения является очень интересным материалом. Он не имеет ярко выделенной запрещен­ной зоны, в которой нет (или очень мало) разрешенных для элек­тронов состояний. В аморфном кремнии плотность электронных состояний при переходе в запрещенную зону только постепенно спадает. Однако эти состояния отличаются тем, что электроны, попадая в них, имеют очень малую подвижность. В результате этого (и других причин) подвижность электронов в аморфном кремнии в сотни раз меньше, чем их подвижность в монокристаллическом кремнии; соответственно меньше и быстродействие приборов. Поэтому МОП-транзисторы (МОП - металл-окисел-полупро­водник) на аморфном кремнии не могут рассматриваться как при­боры, равноценные МОП-транзисторам на кристаллическом крем­нии.

Однако из-за отсутствия дальнего порядка в рассматриваемых системах компоненты квазиимпульса не являются хорошими кван­товыми числами; состояния же с заданными значениями квази­импульса не стационарны. Это означает, что рассеяние носителей заряда в непериодическом поле столь интенсивно, что квазиим­пульс не сохраняется даже приближенно. В связи с этим перестает иметь смысл представление о законе дисперсии как функцио­нальной связи между энергией и квазиимпульсом. Это значит, что для неупорядоченных твердых тел нельзя ввести понятие поверх­ности Ферми.

В кристаллических структурах локальные нарушения периодич­ности, связанные с введением в кристалл атомов примеси или дефектов, приводят к появлению отдельных разрешенных состоя­ний в запрещенной зоне. В отличие от зонных состояний эти со­стояния локализованы в пространстве, т. е. электрон, находящий­ся в области одного из примесных центров, не расплывается по другим центрам. Его волновая функция экспоненциально спадает до нуля, т. е. остается локализованной.

Возникновение локализованных состояний в аморфных телах связано, в первую очередь, с отсутствием периодичности, а во вторую очередь - с примесными атомами и дефектами структуры типа оборванных связей. При высокой плотности локализованных состояний уровень Ферми располагается в зоне дефектных состо­яний. Если уровень Ферми лежит в области локализованных со­стояний, то аморфное вещество представляет собой металл. Его сопротивление при Т→0 К стремится к некоторому конечному значению. Если же уровень Ферми при низких температурах нахо­дится в интервале, занятом локализованными состояниями, то материал представляет собой полупроводник или диэлектрик. Здесь возможны два типа проводимости:

1) перенос носителей по нелокализованным состояниям ана­логично тому, как это происходит в кристаллических полупро­водниках. Очевидно, что в этом случае электроны должны быть возбуждены из локализованных состояний в делокализованные;

2) перенос пугем перескоков (прыжков) из одного локализован­ного состояния в другое. Этот вид переноса аналогичен прыжковой проводимости по примесям в кристаллических полупроводниках.

Поиск по сайту: