非晶态半导体

非晶态半导体第1页，共17页，2023年，2月20日，星期四晶体的特征是其中的原子的排列具有周期性,这种性质称为长程有序；但自然界还存在另一类固体，其中原子的排列不具有周期性，即不具有长程序,这类物质统称为非晶态固体。非晶微晶多晶1、非晶的结构第2页，共17页，2023年，2月20日，星期四大量的实验证明，非晶态半导体的结构虽不具有长程序，但其中原子的排列也不是完全杂乱无章的，而是在一个原子或几个原子间距范围办，其排列仍遵从一定规律。非晶态半导体结构固体材料的短程有序决定了它的许多主要性质，如能带结构、电导、热导、光学性质，而材料的散射性质、迁移性质决定于固体结构的长程有序性。只要半导体材料短程有序性保持不变，半导体特性将永远保持。第3页，共17页，2023年，2月20日，星期四这种结构往往具有亚稳性：非晶固体并不是处于平衡态，而是处于非平衡态，其自由能要比晶体的高，由于热激活或其它外来因素的作用，非晶态固体的结构也有可能发生某些局部变化，同时伴以自由能的降低。晶态是自由能最低的稳定状态。HRTEMon10nmthinlayers第4页，共17页，2023年，2月20日，星期四2、非晶态半导体的电子态在晶体中，由于晶格排列具有周期性，即平移对称性，因此晶格中电子的波函数为一布洛赫函数：，其状态可由简约波矢来表示。非晶态的原子的排列不具有长程序，薛定谔方程中的势函数不再是周期性分布，因此非晶体中电子的波函数不再是布洛赫波函数，因此其状态不能再由简约波矢标志。非晶态半导体中的电了态就需要首先研究在一个不具有长程序的无序系统中其电子态的特征。2.1无序体系中电子态的定域化第5页，共17页，2023年，2月20日，星期四安德森于1958年提出了在无序体系中由于无序产生了电子定域态的概念：1、假定晶格格点的几何排列仍是周期性的。2、各个格点处的势场是由一个无规势场叠加到理想三维周期性场上构成。第6页，共17页，2023年，2月20日，星期四在没有叠加无规则势场时，电子波函数满足薛实际上谔方程：其中势能函数：表示一个孤立原子位于格点上在格点上产生的势能函数。令代表在一个原子的势场单独作用下电子的波函数，表示在格点处的原子势场单独作用下电子的波函数。第7页，共17页，2023年，2月20日，星期四根据可得晶体中电子的波函数为：即电子的布洛赫波函数等于在各个格点处原子轨道的线性叠加。表示最近邻格点的交叠积，即第8页，共17页，2023年，2月20日，星期四在安德森势场情况，格点的几何排列末变，但在每个格点上叠加了一个无规势场，则不同格点上对应的电子轨道及能量将随格点n不同而不同。设以En表示与各个格点上电子轨道对应的能量，显然，En将分布在以某个能量E0为中心的一个范围内。设表示原了轨道，以表示位于Rm

格点处的原子轨道安德森近似地假设其体系的哈密顿算符式中对m求和是指对n最邻近的格点求和，En是随格点不同而变的。在理想周期势场中，即没有叠加无规势场时，式中En=E0，为一常数。安德森提出了一个区分扩展态和定域态的定义：假设一个电子在t=0时处在n格点处的某个态中，由于第二项微扰的作用，电子的波函数随时间变化。如t→∞时在原来状态找到电子的几率为零，表明电子已扩散走了，就是扩展态；如果t→∞时几率为有限值，就是定域态。第9页，共17页，2023年，2月20日，星期四相近邻格点间电子轨道的交叠积分V值越大，则越易实现公有化运动而出现扩展态。相反，如果相近邻格点的能量差值越大，越难实现相邻格点间电子态的转移，亦即越易出现定域态。当能量差值达到某个临界值时，整个能带中的所有态都变为定域态。2.2迁移率边当无序程度没有达到监界值时，虽然能带中仍保持为扩展态，但在带顶和带底等能带尾部的状态也可以发生定域化，产生一个由定域态组成的能带尾。Ec和Ec‘，表示能带中部扩展态和尾部定域态的交界处的临界能量。计算表明，随着无序程度的增加，定域态与扩展态的交界处向能带中部移动，两个交界处会相互接近，最后相遇于能带中部，整个能带中的态都变为定域态。因此，他把能带中扩展态与定域态的交界处叫做迁移率边。第10页，共17页，2023年，2月20日，星期四2.3非晶半导体能带模型

非晶态半导体短程有序，因此也具有类似于晶体那样的能带，但与晶体的能带根本差别在于它不具有真正的能隙。理想能带模型实际能带模型第11页，共17页，2023年，2月20日，星期四2.4非晶半导体导电特性第12页，共17页，2023年，2月20日，星期四2.5非晶硅电池结构晶体硅一般采用pn结结构，而非晶硅采用pin结构。基于以下几点考虑：1、非晶硅能隙内有较高的局域态密度，构成简单的结时，会有很大的漏电流。2、非晶硅的小子寿命很低，扩散长度短，使p区和n区产生的光生载流子很难到达结区。第13页，共17页，2023年，2月20日，星期四pa–Si-na–Si

结构pa–Si-ia–Si-na–Si结构pa–Si-ia–Si-nμc–Si结构轻掺杂的非晶硅的费米能级移动较小，如果用两边都是轻掺杂的或一边是轻掺杂的另一边用重掺杂的材料，则能带弯曲较小，电池的开路电压受到限制；如果直接用重掺杂的p+和n+材料形成p+-n+结，那么，由于重掺杂非晶硅材料中缺陷态密度较高，少子寿命低，电池的性能会很差。微晶硅有较高的掺杂效率，在同样的掺杂水平下，其费米能级远离带隙中央的程度比非晶硅高。另一方面，微晶硅的带隙不会因为掺杂而有明显的降低，因此用微晶硅做太阳能电池的接触层，既可减小串联电阻，也可增加开路电压.技术路线图电子在非晶硅中的扩散长度为10μm，空穴在非晶硅中的扩散长度为1μm第14页，共17页，2023年，2月20日，星期四pa-Si-ia-Si-nμc-Si结构中，pa-Si和μc–Si的厚度大约为10nm，但是10nmpa-Si会吸收掉20%左右的入射光，削弱电池对短波长光的响应，限制了短路电流的大小，因此使用宽带隙透明的非晶碳化硅膜代替pa-Si作窗口层，此外它还可以通过内建电势的升高提高开路电压。Y.Tawada,H.Yamagishi.SolarEnergyMaterials&SolarCells,66(2001),95-10510nm10nm氢或者锗掺杂可以改变禁带宽度技术路线图第15页，共17页，2023年，2月20日，星期四为了最大程度的有效利用更宽广波长范围内的太阳光能量。人们把太阳光谱分成几个区域，用能隙分别与这些区域有最好匹配的材料做成电池，使整个电池的光谱响应接近与太阳光光谱，如图所示，具有这样结构