26
7.1.3 非晶硅的优点
1. 很好的光学性能，很大的光吸收系数
2. 可实现高浓度掺杂，也能制备高质量的pn结和 多层结构，易形成异质结
3. 通过组分控制，可在相当宽的范围内控制光学 带隙 4. 可在较低温度下，采用化学气相沉积等方法进 行制备薄膜 5. 生产过程相对简单
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非晶硅的缺点
1. 缺乏长期稳定性，处于非平衡态，所制 备器件存在性能退化，比如S-W效应 2. 载流子迁移率低，不利于制备高频高速 器件；但可用于低功耗产品中
所以，替位式掺杂对于存在钉扎效应的样品不起作用 15
如何提高电导率？
提高电导率？
替位式掺杂：不行
高浓度隙态
高浓度悬空键 替位式掺杂：可行？ 产生掺杂效应 低浓度隙态 低浓度悬空键
16
氢补偿悬空键
如何补偿悬挂键？ 引入重配位的原子：H或F 隙态密度降低
EC
EC 反键态
隙态密度1020
cm3
eV
EF
55
56
8
在非晶硅材料中，还 包含有大量的悬挂键、 空位等缺陷，因而其 有很高的缺陷态密度， 它们提供了电子和空 穴复合的场所，所以， 一般说，非晶硅是不 适于做电子器件的。
9
非晶态的形成
10
7.1.2 非晶半导体的基本性质
（1）能带模型 （2）直流电导率
（3）光学性质
11
（1）能带模型
43
44
量子阱与超晶格的区别
超晶格 量子阱
超晶格（耦合的多量子阱）：如果势垒层 很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各 量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)， 能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及 势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超 晶格。
多量子阱：由2种不同半导体材料薄 层交替生长，如果势垒层足够厚，以 致相邻势阱之间载流子波函数之间耦 合很小，称为多量子阱。
52
第二类 错开型
EC
B A
第二类 不对称型
EC
B
EV
EV
A
带隙差
Eg Ec - Ev
电子和空穴分别限制在两种材料中。 人工设计适合某种特定应用的小带隙半导体和半金属材料。
53
第三类
EC
CdTe HgTe
EV
有效带隙可通过改变超晶格周期加以调整，使其在0-1.6 eV之间变化。 由于调节厚度比调节组分容易，所以HgTe/CdTe超晶格 很适合作为重要的三元固溶体Hg1-xCdxTe的替代材料而 用于制备3-5μm、 8-12μm这些重要大气窗口的探测器 件。
C 单晶硅 吸 收 系 数 A B
非晶硅 光子能量
C区，在可见光范围内，非 晶硅的吸收系数大于单晶硅 的吸收系数，显示了非晶硅 在光电方面的应用前景 24
光学带隙（optical band gap）
对于非晶半导体材料来说，光学带隙：
α＝B（hv－Eopt）2
对于晶体半导体材料来说，光学带隙：
a 多次陷落机制
弥散 输运 两种 机制
b 跳跃机制
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a 多次陷落机制
注入的载流子不仅有扩散 运动 还会陷落到带尾定域态中 陷落后，只有被热激发才 能再次参与输运 因此，载流子在运动过程 中往往要经历多次陷落和 再激发，形成了弥散输运
EC 反键态
隙态密度将为1016
cm3 eV
EF
37
应用特点
有机半导体的应用特点
1）环境不敏感，操作环境宽松
2）加工简单
3）易制备大面积材料，薄膜有柔性、可弯曲 4）易于调节材料的电学、光学性能 5）易于制备有机/有机,有机/无机异质结材料
38
有机半导体材料的应用
有机发光二极管（OLED） 太阳电池
ห้องสมุดไป่ตู้39
7.3 微结构半导体材料
40
41
42
直接跃迁和间接跃迁
电子跨越禁带时的跃迁没有直 接跃迁和间接跃迁的区别
电子跃迁时不再遵守动量守恒 的选择定则 非晶结构上的无序使非晶半导 体中的电子没有确定的波矢
满足能量守恒和动量 守恒
间接跃迁时需要声子 的参与
23
a 光吸收
非晶半导体的光吸收谱一般具有 明显的三段式特征： A区：近红外区的低能吸收，吸 收系数a随光子能量的变化趋于 平缓 B区：吸收系数a随着光子能量增 加而指数性上升；对应于电子从 价带边扩展态到导带尾定域态， 以及电子从价带尾定域态到导带 边扩展态的跃迁 C区：本征吸收区；电子从价带 到导带的跃迁；吸收系数a在 104cm-1以上
4
材料的状态
晶体crystal
高温制备
材 料 的 主 要 状 态
固体
准晶体Quasi-crystal 非晶体amorphous
低温制备
液体 气体
5
7.1 非晶的概念
与晶态半导体材料相比，非晶态半导体材料的原子在空
间排列上失去了长程有序性，但其组成原子也不是完全
杂乱无章地分布的。 由于受到化学键，特别是共价键的束缚，在几个原子的
7.2.1 分类和基本性质 7.2.2 能带组成
35
1 有机半导体材料分类和基本性质
单分子固体：束缚激子 给体受体型电荷转移固体：含有两类不同 小分子。分子对之间允许发生电荷转移 共轭聚合物：极子
A 0 拓扑学孤子 B
36
2. 能带组成
有机半导体带隙： 分子最高占据态轨道（HOMO）和最低空轨道 （LUMO）之间的能量差 无机半导体带隙： 价带（VB）和导带（CB）之间的能量差
45
超晶格的分类
46
47
48
49
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组分超晶格
组分超晶格：有两种不同的半导体所组成的超晶格材料
第一类 I型
EC
第二类 错开型 II型
EC
EV
EV
第二类 不对称型
EC EV
第三类
EC
EV 51
第一类
EC
GaAs AlGaAs
EV
带隙差
Eg Ec Ev
电子和空穴都限制在GaAs中，跃迁几率大。
33
1980年：ECD公司作成了转换效率达6.3%的非 晶硅太阳能电池 1981年：开始了非晶硅及其合金组成的叠层太阳 能电池的研究。 1982年：市场上开始出现装有非晶硅太阳能电池 的手表，充电器、收音机等商品。 1984年：开始有作为独立电源用的非晶硅太阳能 电池组合板。
34
7.2 有机半导体材料
31
非晶太阳能电池的结构
单个电池的结构
在单个电池之间建立 串联连接结构
32
非晶太阳能电池的发展
自1974年人们得到可掺杂的非晶硅薄膜后，就意 识到它在太阳能电池上的应用前景，开始了对非晶 硅太阳能电池的研究工作。 1976年：RCA公司的Carlson报道了他所制备的非 晶硅太阳能电池，当时的转换效率不到1%。 1977年：Carlson将非晶硅太阳能电池的转换效率 提高到5.5%。 1978年：集成型非晶硅太阳能电池在日本问世。
隙态密度将为1016
cm3 eV
EF
Ev
补偿前能带结构示意图
Ev 成键态
补偿后能带结构示意图
17
隙态密度 掺杂 对电 导能 否有 贡献
杂质原子所处配位态
P 掺入三配位的位置，将没 有电子释放给带隙态Ex，不 能改变电子填充的隙态的水 平、升高费米能级。
18
（2）直流电导率
非晶半导体中载流子输运是一种弥散输运－－长 程无序
Mott-CFO模型： ① 短程有序－－基本能带
隙态
Ec
定域态带尾
② 长程无序－－定域态带尾
③ 悬挂键－－带隙中间形成隙态
Ev
12
晶体半导体 Ec
非晶半导体 Ec
定域态带尾 隙态
Ev
Ev
1）存在定域态带尾 非晶体能带特点 2）存在隙态
13
晶体硅中的跃迁
晶体硅中
施主杂质电离时直接 向导带底释放一个电 子参与导电
有
晶体
准晶体
非晶体 液体
亚稳定
非平衡 稳定
是
是 是
－
不是 不是
无
无 无
气体
稳定
不是
不是
无
7
用来描述非晶硅的结构模型很
多，给出了其中的一种，即连
续无规网络模型的示意图。 可以看出，在任一原子周围， 仍有四个原子与其键合，只是 键角和键长发生了变化，因此 在较大范围内，非晶硅就不存 在原子的周期性排列。
54
超晶格的制备
制备超晶格的主要超薄层半导体材料生长技术有分子 束外延(MBE)、金属有机物化学气相淀积(MOCVD) 和综合了MBE和MOCVD优点的化学束外延(CBE)， 为了获得原子级平整的异质结界面和原子层厚度的外 延层，发展了原子层外延和迁移增强外延等方法。 生长了Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族和非晶态等多种半 导体材料体系的超晶格和量子阱等微结构半导体材料。
EV ND
Ev
晶体半导体
14
钉扎效应
非晶硅中
施主杂质电离时，电子首先释放给隙态中 未满的空能级
隙态能态密度越高，填充隙态所需施主杂 质浓度越高 虽然掺入了较高浓度的杂质，也不能有效 的移动费米能级。 对于这种费米能级难以移动的情况，称为 高浓度隙态的钉扎效应
EC
Ex Ey
EF
Ev
非晶半导体
Ev 成键态
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b 跳跃机制
定域态之间的隧穿跳 跃也可能形成载流子 输运 定域态之间的空间距 离也是随机分布的， 形成了弥散输运
EC
EF
Ev