Аморфные и стеклообразные полупроводники - аморфные и стеклообразные вещества, обладающие свойствами полупроводников. Аморфные и стеклообразные полупроводники характеризуются наличием ближнего и отсутствием дальнего порядка (см. Дальний и ближний порядок).

Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на халькогенидные, оксидные, органические, тетраэдрические. Наиболее подробно изучены халькогенидные стеклообразные (ХСП) и элементарные тетраэдрические (ЭТАН). ХСП получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. К ним относятся Se и Те, а также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов и теллуридов) различных металлов (например, As-S-Se, As-Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). ЭТАП (аморфные Ge и Si) получают чаще всего ионным распылением в различных водородсодержащих атмосферах или диссоциацией содержащих их газов (в частности, SiH₄ или GeH₄) в высокочастотном разряде.

Особенности аморфных и стеклообразных полупроводников связаны с особенностями энергетического спектра электронов. Наличие энергетических областей с высокой и низкой плотностями электронных состояний - следствие ближнего порядка. Поэтому можно условно говорить о зонной структуре некристаллических веществ (см. Зонная теория). Однако разупорядоченность структуры приводит к появлению дополнительных разрешенных электронных состояний, плотность которых g() спадает в глубь запрещенной зоны, образуя "хвосты" плотности состояний (рис. 1, а).

Электронные состояния в "хвостах" делятся на локализованные и делокализованные (токопроводящие). Резкие границы между этими состояниями называются краями подвижности ( и , рис. 1), расстояние между ними называется запрещенной зоной (или щелью) по подвижности (см. Неупорядоченные системы).

Электропроводность. Максимумы обусловленные дефектами структуры, могут возникать внутри щели и перекрываться друг с другом, как и сами "хвосты" (рис. 1, б, в). В соответствии с этим выделяют три механизма проводимости, которые преобладают в различных температурных интервалах: а) перенос носителей заряда, возбужденных за край подвижности, по делокализованным состояниям. При этом статическая проводимость в широком температурном интервале определяется выражением , где - ферми-энергия, . б) Прыжковый перенос носителей заряда, возбужденных в локализованные состояния вблизи краев подвижности (например, в состояния между и ). В этом случае
,
где W - энергия активации прыжка, . в) Прыжковый перенос носителей по локализованным состояниям вблизи на расстоянии, увеличивающиеся при уменьшении Т:
.

Механизмы "а" и "б" более характерны для ХСП, случай "в" - для ЭТАП. Прыжковый перенос носителей проявляется в слабой зависимости проводимости на переменном токе от температуры: занисимости от частоты (); в противоположных знаках термоэдс и эффекта Холла.

Подвижность носителей заряда мала (10^-5-10^-8 см² В^-1с^-1) и зависит от напряженности электрического поля и толщины образца, что связывают либо с многократным захватом носителей на локализованные состояния, распределенные по определенному закону, либо с прыжковым переносом.

Для большинства ХСП значения и энергия активации практически не зависят от природы и концентрации примесей {примесные атомы проявляют максимальную валентность, отдавая все свои валентные электроны на образование ковалентных связей с основными атомами). Однако примеси переходных металлов (Ni, Mo, W, Fe) вызывают появление примесной проводимости (резкое возрастание , рис. 2). Предполагается, что ее создают d-электроны, которые могут не участвовать в образовании ковалентных связей. ЭТАП, в частности аморфный Si, удается эффективно легировать атомами Р и В.

Для многих ХСП характерен эффект переключения - быстрый (~10^-10 с) обратимый переход из высокоомного состояния (рис. 3, 1) в низкоомное (2) под действием сильного электрического поля . Это объясняется как инжекцией электронов и дырок из контакта и делокализацией захваченных носителей заряда, так и ростом температуры в шнуре тока (см. Шнурование тока). В ряде ХСП низкоомное состояние образца сохраняется длительно, а для возврата в высокоомное состояние необходимо пропустить через образец кратковременный импульс тока. Этот эффект памяти обусловлен частичной кристаллизацией ХСП в области токового шнура.

Во многих аморфных и стеклообразных полупроводниках, в частности в ХСП, электронные состояния в запрещенной зоне являются поляронами малого радиуса. Заполнение такого состояния электроном сопровождается сдвигом соседних атомов решетки, что приводит к отличию значений , полученных из измерений межзонного поглощения света и энергии активации проводимости.

Оптические свойства. Край основного поглощения света в аморфных и стеклообразных полупроводниках имеет 3 участка. В области высоких значений коэффициента поглощения см^-1, его зависимость от частоты: , где см^-1эВ^-1, - оптическая ширина запрещенной зоны. При 1,0 см^-1см^-1 , где А=15-20 эВ^-1. При <1 см^-1 поглощение обусловлено дефектами структуры.

В большинстве аморфных и стеклообразных полупроводников наблюдается значительная фотопроводимость , где L - интенсивность света; . Спектральное распределение имеет максимум и пологую длинноволновую ветвь; зависимость имеет максимум в той области T, где , а при понижении температуры спадает вначале экспоненциально, а затем более полого. Особенности объясняются "прилипанием" и рекомбинацией неравновесных носителей на локальных центрах, непрерывно распределенных по энергии по определенному (в частности, по экспоненциальному) закону. В ХСП наблюдаются ряд специфических явлений, например уменьшение люминесценции в процессе возбуждения, что коррелирует с явлениями фотоиндуцированного электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и фотоиндуцировованного поглощения света. Эти особенности объясняются наличием заряженных дефектов, которые при низкотемпературном освещении становятся нейтральными и парамагнитными.

Аморфный кремний. Из ЭТАП наиболее изучен гидрогенизированный аморфный Si. Водород "залечивает" оборванные связи в Si, понижая тем самым плотность локализованных состояний в запрещенной зоне и обеспечивая возможность легирования, а также меняет общую структуру и весь комплекс электрических и оптических свойств.

Практическое применение аморфных и стеклообразных полупроводников разнообразно. Благодаря прозрачности в длинноволновой области спектра ХСП применяются в оптическом приборостроении. Сочетание высокого сопротивления и большой фотопроводимости используется в электрофотографии, телевизионных передающих трубках типа видикон и для изготовления фототермопластических преобразователей изображений. Эффекты переключения и памяти позволяют получить быстродействующие переключатели и матрицы памяти. Фотолегирование и обратимость фотостимулированного изменения оптических свойств используются в светорегистрирующих средах для голографии и бессеребряной фотографии. Стимулированное внешними воздействиями изменение растворимости ХСП лежит в основе фото-, электроно- и рентгенорезисторов, фотошаблонов и др. Пленки аморфного Si и др. ЭТАП перспективны для построения солнечных батарей, а также для создания эффективных электролюминофоров, электрофотографических устройств, видиконов и других преобразователей изображений.