Полупроводники - Смит Р.
Скачать (прямая ссылка):
своих полупроводниковых свойств при плавлении п.
Если представить себе весь диапазон применимости зонной теории,
основанной на понятии блоховских волн, то вряд ли стоит критиковать эту
теорию за то, что она не может объяснить перечисленных выше фактов. В
течение последних шестнадцати лет теория продолжала давать все более
точное описание различных и тонких явлений, происходящих в
полупроводниках с высокой подвижностью и предсказывать новые явления,
которые вслед за тем получали экспериментальное подтверждение. Кроме
того, зонная теория создала прочную основу для расчетов электронных и
оптоэлектронных приборов. Чего же еще можно желать от теории? Тот факт,
что без существенных переделок теория смогла объяснить основные свойства
металлов, возможно, мог навести на мысль, что она должна быть применима
вообще ко всем материалам. Не исключено, что когда-нибудь такая общая
теория и появится, но на сегодняшний день мы ею не располагаем.
В этих условиях теоретики попытались разработать иной подход и ввести
новые представления, которые приблизили бы нас к пониманию основных
свойств аморфных полупроводников, в том числе жидких и стеклообразных. На
этом пути уже многое сделано, однако следует признать, что в теории
имеется много неопределенностей и вопросов, которые еще не разрешены. Об
аморфных полупроводниках появилось много литературы; к настоящему времени
им посвящено почти столько же обзоров и монографий, сколько
кристаллическим материалам. По этой причине мы сочли уместным
ограничиться кратким рассмотрением вопроса. Иначе нам пришлось бы
значительно расширить настоящую книгу, что невозможно и нежелательно. Мы
постараемся выявить основные различия между кристаллическими и
некристаллическими полупроводниками и особо остановиться на свойствах,
наличие которых оправдывает причисление последних к классу материалов,
именуемых полупроводниками.
Как мы уже видели в разд. 1.3, факт уменьшения электропроводности при
повышении температуры не всегда может быть истол-
Подробное объяснение свойств жидких полупроводников можно найти в статье
Эндерби ([2], стр. 361).
15. Аморфные полупроводники
527
кован как однозначное доказательство того, что материал не является
полупроводником. Большинство аморфных полупроводников имеет, однако,
отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Более отчетливым
признаком является наличие запрещенной энергетической зоны, которая
обычно проявляется в экспериментах по измерению оптического поглощения.
Существование запрещенной энергетической зоны для аморфных материалов
также остается фундаментальным свойством, однако, как мы увидим ниже,
понятие о типе этой запрещенной зоны следует пересмотреть. В разд. 3.2 в
качестве иного подхода к физическому описанию полупроводника мы
рассмотрели представления, основанные на понятии химической связи. В
разд. 3.3 мы видели, что с их помощью можно дать лучшее определение того,
что мы называем полупроводником.
Представление о средней длине свободного пробега нельзя перенести на
аморфные материалы, поскольку эта длина зависит от дальнего порядка в
расположении атомов. В то же время ясно, что к аморфным материалам можно
с успехом применить идеи, основанные на понятии химической связи. Картина
химических связей большей частью определяется взаимодействием между
ближайшими соседями, взаимодействие с более далекими соседями учитывается
только как возмущение. Остается справедливым положение о том, что
полупроводник - это материал с "насыщенными", т. е. парными электронными
связями. Для того чтобы создать положительную дырку, т. е. недостаток
одного электрона возле некоторого атома, и избыточный электрон, т. е.
лишний электрон возле другого атома, в полупроводнике необходима энергия
немногим более 1 эВ. Энергия связи проявится в виде увеличения поглощения
в инфракрасном диапазоне спектра. В аморфном материале картина окружения
атома случайным образом меняется от атома к атому, поэтому, как и
следовало ожидать, край полосы фундаментального поглощения будет выражен
не так резко, как в монокристалле.
15.2. Электронные состояния
Нет нужды далеко искать причину, благодаря которой в аморфном материале
блоховский подход к описанию электронных состояний требует существенных
переделок. Рассеяние на беспорядочно расположенных атомах делает
бессмысленной непрерывную фазу блоховской волны. Тем не менее Андерсон
[31, Мотт [41, Коэн [51 и их сотрудники теоретически показали, что могут
существовать так называемые "расширенные" состояния, т. е. состояния,
волновая функция которых простирается на область макроскопических
размеров. Кроме них существуют также связанные состояния, волновая
функция которых локализована в области с размерами, не-
528
15. Аморфные полупроводники
Рис. 15.1. Хвосты зон, состоящие из локализованных состояний
(заштрихованные области).
намного превышающими межатомное расстояние. Более того, при данной
энергии эти два типа состояний сосуществовать не могут. Поэтому между
