Вопросы НПП. 1. Жидкости. Нарушения дальнего порядка здесь обусловлены тепловым движением атомов и молекул. Аморфные и стеклообразные вещества

• Название: 1. Жидкости. Нарушения дальнего порядка здесь обусловлены тепловым движением атомов и молекул. Аморфные и стеклообразные вещества
• Анкор: Вопросы НПП
• Дата: 26.09.2022
• Размер: 373.82 Kb.
• Имя файла: NPP_voprosy.docx
• Тип: Документы; #698259

2 Виды неупорядоченных систем. Случайные и неслучайные отклонения в потенциальной энергии носителей

Макроскопическая система частиц называется неупорядоченной, если в расположении частиц отсутствует дальний порядок (ближний порядок сохраняется). Простейшим примером такой системы является газ. Как известно, при наличии дальнего порядка (периодичности) в расположении атомов потенциальная энергия носителя заряда в суммарном поле атомов оказывается периодической функцией координат. Нарушения дальнего порядка приводят к нарушению этой периодичности. Следует выделить ряд общепризнанных на сегодня неупорядоченных конденсированных систем.

К таковым относятся, в частности:

1. Жидкости. Нарушения дальнего порядка здесь обусловлены тепловым движением атомов и молекул.

2. Аморфные и стеклообразные вещества. Нарушения дальнего порядка в таких системах носят прежде всего «наследственный» характер, связанный со способом приготовления либо со специфическими особенностями структуры ближнего порядка, которая, в свою очередь, определяется особенностями фазы, из которой данное вещество получается.

3. Сильно легированные полупроводники. Нарушение дальнего порядка является следствием неупорядоченного расположения примесных атомов.

4. Поверхность полупроводника. Нарушения дальнего порядка связаны здесь с возможными структурными дефектами самой поверхности, а также с беспорядочно расположенными на ней адсорбированными атомами других веществ.

5. Неупорядоченные полупроводники н металлические сплавы. Здесь уже нарушение дальнего порядка обусловлено, очевидно, непредсказуемостью наличия в узле кристаллической решетки атома именно данного сорта.

6. Кристаллы, в элементарных ячейках, которые имеется больше мест, чем атомов (бор). Здесь уже нарушение дальнего порядка связано с вероятностным характером распределения атомов по узлам кристаллической решетки даже в монокристалле. В итоге и здесь потенциальная энергия носителей заряда является случайной функцией координат.

Случайные и неслучайные отклонения потенциальной энергии

Отклонения силового поля от периодического отличительная особенность неупорядоченных систем. При этом отклонение оказывается случайным в различных точках образца: потенциальная энергия электронов содержит слагаемое, хаотически изменяющееся в пространстве.

Р ассмотрим потенциальную энергию электронов в монокристалле полупроводника, содержащего некоторое количество примесных атомов. Энергия электрона в поле таких дефектов может быть записана в виде: . Здесь - потенциальная энергия электрона в поле отдельного i-го примесного центра с координатами .Так как координаты дефектов являются случайными, то и значение формально случайная величина. Обозначим концентрацию дефектов через , а радиус действия связанных с ними сил - через . Далее положим, что характерная длина волны де Бройля свободного электрона есть величина λ. Если обратиться к рис., то ситyация оказывается существенно неравноценной в зависимости от соотношения между наибольшей из величин λ и и средним расстоянием между дефектами .

Пусть Тогда при вычислении электронных характеристик системы в сумме фактически остается только одно слагаемое, электрон эффективно взаимодействует с одним ближайшим к нему дефектом. В результате энергия электрона вблизи данного дефекта никак не зависит от конфигурации расположения всех остальных дефектов. Таким образом, потенциальная энергия электрона фактически оказывается неслучайной, несмотря на то, что в структуре имеется случайный элемент - непредсказуемое распределение примесных центров.

При следует говорить о том, что электрон взаимодействует с несколькими дефектами структуры и его потенциальная энергия зависит от конфигурации многих дефектов. Здесь уже потенциальная энергия электрона оказывается случайной функцией координат.

Таким образом, случайная компонента потенциального поля возникает в случае, если имеет место «перекрытие» силовых полей случайно расположенных элементов структуры.
13 Край поглощения и фотопроводимость в неупорядоченных полупроводниках

Край оптического поглощения


Рисунок 1 Зависимость коэффициента поглощения от энергии квантов
Основным механизмом поглощения в полупроводниковых материалах является собственное или фундаментальное поглощение. Оно приводит к переходу электрона из связанного состояния в свободное, т е. к переходу из валентной зоны в зону проводимости. Такое поглощение возможно при энергии квантов равной или большей ширины запрещенной зоны . Вероятность собственного поглощения квантов света определяется их энергией, распределением плотности состояний в валентной зоне (исходное состояние электрона), распределением плотности состояний в зоне проводимости (конечное состояние электрона). Для полупроводников с простыми параболическими зонами показатели степени р = q = 1/2. В этом случае для разрешенных оптических переходов коэффициент поглощения связан с энергией квантов следующим образом: , где n-коэффициент преломления, B- постоянная. Для прямых переходов (фотон > электрон) m=1/2, для непрямых (фотон > электрон + фонон) m=2.

В отличие от кристаллов, зависимость коэффициента оптического поглощения от энергии квантов для некристаллических полупроводников имеет вид, представленный на рис. 1. На кривой можно выделить четыре области. Область А является областью фундаментального поглощения, область В - представляет собой край фундаментального поглощения, где α изменяется по параболическому закону Эти две области аналогичны соответствующим областям в кристаллах. Однако, если в кристаллах при дальнейшем уменьшении энергии квантов коэффициент поглощения продолжает резко убывать (штриховая линия на рисунке), то в некристаллических полупроводниках уменьшение α замедляется: параболический закон заменяется на экспоненциальный: , где .

В результате образуется так называемый край или хвост Урбаха (область С). Таким образом, вместо быстрого - на несколько порядков значения величины - изменения коэффициента поглощения в интервале нескольких десятых долей эВ вблизи при экспоненциальном законе наблюдается постепенное изменение поглощения в интервале до 1 эВ.

Четвертая область на спектральной зависимости коэффициента поглощения (D, рис.1) является областью поглощения на дефектах, т.е. поглощения, связанного с оптическими переходами между состояниями разрешенных зон и локализованными состояниями дефектов вблизи середины ЗЗ.
Фотопроводимость

При поглощении кванта света генерируется электроннo-дырочная пара, что ведет к изменению концентрации носителей заряда и, следовательно, к изменению электрической проводимости полупроводника. Полная проводимость полупроводника при освещении складывается фотопроводимости и темнотой проводимости: .

Изменение концентрации носителей заряда во времени определяется уравнением непрерывности, которое для электронов имеет вид: где - скорость генерации; - избыточная концентрация элект-ронов; - плотность электронного тока.

При , а при

С корость геенрации при освещении п/п определяется числом фотонов, при поглозении которых образовались свободные носители заряда: , а плотность тока, вызванного этими НЗ: , а так как ыражение фотопроводимости зависит от 4 факторов: интенсивности падающего излучения , спектральной характеристики излучения , температуры , и напряжённости электрического поля . F – количество фотонов проникших в образец, α – коэффициент поглощения, η – отношения числа генерированных СНЗ к числу поглощенных кантов света.

24 Влияние легирования на структуру и содержание водорода в α-Si:H

Влияние легирования на неупорядоченные п/п

При введении примесных атомов в некристаллический полупроводник электрические свойства последнего, как правило, практически не меняются. Рассмотрим причины этого явления. Первая из них, характерная для XCII, заключается в том, что из-за отсутствия дальнего порядка и мягкой структурной сетки стекла примесные атомы могут насыщать все свои валентные электроны. В результате примесные атомы становятся электрически неактивными (все электроны находятся на связывающих орбиталях). Но даже если при легировании расплава XCП образовалось достаточное число электрически активных атомов примеси, то перестройка структуры материала приводит к изменению соотношения между положительно и отрицательно заряженными собственными дефектами ( ). Если в нелегированном материале концентрации этих дефектов равны, то при легировании, например, донорной примесью, заряд атомов примеси компенсируется зарядом собственных дефектов (электроны с донорных центров переходят не в зону проводимости, а на центры собственных дефектов). Концентрация отрицательно заряженных центров становится равной сумме концентраций положительно заряженных центров и электрически активных атомов примеси (рис. 4.1). В результате положение уровня Ферми не изменяется, а, следовательно, не изменяются электрофизические свойства материала.

Вторая причина, характерная для аморфного кремния, заключается в высокой плотности локализованных состояний, обусловленных собственными дефектами, в запрещенной зоне полупроводника из-за потери дальнего порядка в условиях жесткой четыреккоординированной структурной сетки. В этих условиях даже при образовании активных донорных или акцепторных уровней их концентрация оказывается существенно меньше концентрации собственных дефектов и, следовательно, не оказывает влияния на положение уровня Ферми и на свойства материала.

Легирование гидрогенизированного аморфного кремния

Важнейшей особенностью гидрогенизированного аморфного кремния является возможность целенаправленного изменения свойств материала путем легирования. Впервые это было продемонстрировано В.Спиром на пленках а-Si:Н, полученных методом разложения газообразного силана (SiH4) в плазме тлеющего разряда.

Наличие водорода в а-Si:Н пассивирует оборванные связи атомов кремния и значительно снижает плотность локализованных состояний в запрещенной зоне полупроводника. В результате концентрация донорных (или акцепторных) уровней превышает концентрацию уровней собственных дефектов, что приводит к сдвигу уровня Ферми при введении примесей. Поскольку пленки а-Si:Н получают из газообразного материала (силана), то в качестве источников лигантов целесообразно использовать газы. Поэтому наиболее распространенный способ легирования а-Si:H заключается в контролируемом введении в газовую среду в процессе получения пленок добавок фосфина (РНЗ) или диборана (В2Н6). Степень легирования определяется как отношение числа молекул фосфина или диборана к числу молекул силана в газовой смеси. Отношения варьируются в диапазоне .

В настоящее время существует несколько моделей для интерпретации механизма легирования а-Si:H. Наиболее распространенная из них заключается в следующем. На начальном этапе легирования избыточные электроны (или дырки) примесных атомов заполняют локализованные состояния в щели подвижности, действуя, как компенсирующая примесь для глубоких уровней. После того, как все глубокие уровни заполнены, последующее легирование ведет к росту концентрации свободных носителей заряда и сдвигу уровня Ферми (рис. 4.3). В этих условиях смещение уровня Ферми будет пропорционально отношению концентрации вводимой примеси к плотности локализованных состояний на уровне Ферми легируемого образца:

Очевидно, что при фиксированном значении , сдвиг уровня Ферми будет тем больше, чем ниже плотность локализованных состо-яний в середине запрещенной зоны. В негидрогенизированном аморфном кремнии достигает 10²⁰ см^-3. Откуда становится понятным, почему в а-Si легирование не эффективно.

35 Схема электрофотографического процесса

Электрофотографический процесс (необязательно)

Электрофотография — способ формирования красочного изображения на печатной форме с использованием носителей, электрические свойства которых изменяются под действием излучения оптического диапазона. Используется в лазерных принтерах и копировальных аппаратах.

Схема электрофотографического процесса

Схема классического электрофотографического процесса в наиболее распространенных аппаратах ротационного типа показана на рис. 8.3. Фоточувствительным элементом является электрофотографический носитель информации, представляющий собой слой п/п с высоким удельным сопротивлением, нанесенный на цилиндрическую проводящую подложку — электрофотографическнй цилиндр (ЭФЦ), который вращался вокруг своей оси с постоянной скоростью. Все основные этапы электрофотографического процесса выполняются по окружности ЭФЦ. Первоначально на поверхности ЭФЦ с помощью коротрона 1 наносится электростатический заряд (операция а). При этом в проходящем под коротроном полупроводнике формируется двойной электрический слой, образуемый осаждаемым поверхностным зарядом и возникающим в проводящей подложке зарядом экранирования. На заряженный слой ЭФЦ с помощью оптической системы 2 проецируются в виде узкой полосы участки оригинала. Благодаря согласованному движению проецируемых участков и ЭФЦ проекция оригинала полностью переносится на полупроводниковый слой. На освещенных участках п/п вследствие фотопроводимости происходит разрядка двойного электрического слоя (операция б), в результате чего создаётся скрытое электростатическое изображение (потенциальный рельеф). Электростатические изображение проявляется (визуализируется) в камере 3 заряженными частицами красящего порошка 4 (операция е). В зависимости от знаков зарядов, создающих электростатическое изображение, и зарядов частиц красящего порошка, на поверхности ЭФЦ создаются позитивное (заряды разных знаков) или негативное (заряды одного знака) изображение. Перенос проявленного изображения с ЭФЦ на несветочувствительную подложку 5 (бумагу, пластиковую пленку и другие материалы) осуществлялся путем прижатия последней к поверхности ЭФЦ (валики 6) и создания между ней и ЭФЦ электрического поля (коротрон 7). Под действием поля заряженные частицы красящего порошка переходят на прижимаемую подложку (операция г). Перенесенное на подножку изображение легко разрушается при незначительных механических воздействиях и поэтому нуждается в закреплении. Закрепление изображения осуществляется термическим или термосиловым или лазерным методом (операция д) путем спекания частиц красящего порошка на подложке. Операцией закрепления изображения заканчивался процесс изготовления электрофотографической копии. Однако ЭФЦ необходимо подготовить к следующему рабочему циклу: очистить его от остатков красящего порошка н убрать с поверхности оставшиеся электрические заряды. Для облегчения очистки, с помощью коротрона 8 на ЭФЦ наносится отрицательный заряд, нейтрализующий оставшийся на поверхности ЭФЦ положительный заряд. После этого частицы красящего порошка удаляются с поверхности ЭФЦ вращающейся щеткой узла очистки 9 (операция е). Окончательное удаление остаточных зарядов с поверхности п/п слоя ЭФЦ, сохранившихся после переноса изображения, а также возникших при перезарядке в процессе очистки, осуществляется за счет фотопроводимости при освещении поверхности ЭФЦ лампой 10 (операция ж). После этого поверхность ЭФЦ готова к новому циклу записи информации.