ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Атомная структура неупорядоченных тетраэдрических полупроводников

В неупорядоченных полупроводниках, в отличие от кристаллических, отсутствует дальний порядок [25]-[30]. Вместе с тем установлено, что в неупорядоченных полупроводниках существует ближний и средний по­рядок. Для полупроводниковых материалов с преобладанием ковалентного типа химических связей ближний порядок определяется взаимодействием ковалентно связанных атомов и распространяется на первую и частично вторую координационные сферы. Средний порядок определяется взаимо­действиями электронов неподеленных пар, ван-дер-ваальсовым взаимодей­ствием и формируется атомами, входящими частично во вторую координа­ционную сферу и координационные сферы более высоких порядков.

Для аморфных полупроводников с тетраэдрической координацией их кристаллических аналогов первое координационное число остается близ­ким к четырем (4 ± 0,1), радиус первой координационной сферы соответст­вует (с отклонениями, как правило, не более 0,06 А) межатомному расстоя­нию в кристалле. Это свидетельствует о сохранении тетраэдрической структуры материалов в твердом некристаллическом состоянии. Однако упаковка тетраэдров в аморфной и кристаллической фазах различна, что вызывает потерю дальнего порядка в аморфной фазе.

В настоящее время для описания атомной структуры неупорядочен­ных тетраэдрических полупроводников, как правило, используют модели непериодической непрерывной сетки с произвольным значением двугран­ного угла, определяющий угол скручивания двух соседних тетраэдров. Центрами этих тетраэдров являются соседние атомы, а скручивание проис­ходит вокруг оси — линии вдоль связи, соединяющей эти атомы. Произ­вольные значения двугранных углов приводят к существованию наряду с шестичленными пяти- и семичленных колец, что сопровождается некото­рым изменением длин и углов связей. В такой трехмерной сетке содержит­ся значительное число структурных дефектов в виде оборванных связей.

Введение в аморфный кремний атомов водорода кардинально меняет свойства материала. С увеличением содержания водорода радиус первой координационной сферы остается неизменным, а первое координационное число и плотность материала уменьшаются. Уменьшение первого коорди­национного числа связано с замещением части связей кремний-кремний (Si-Si) на связи Si-H и Si-H2. Однокоординированные атомы водорода на­сыщают химическую связь атома кремния.

В пленках a-Si:H в зависимости от условий получения содержатся два типа связей водорода [31], [32]: первый (обязательный) связан с наличием случайным образом распределенного моногидрида Si-H, второй — обу­словлен присутствием полигидридов типа (Si-H)n, где n > 1, и кластериро - ванного Si-H. Полигидридные конфигурации обнаруживаются в пленках с выраженной микроструктурой и характерны для соединительной ткани между колоннами.

Благодаря периодической структуре кристаллического материала но­сители заряда могут иметь большую длину свободного пробега до взаимо­действия с несовершенствами решетки, что определяет высокую подвиж­ность электронов и дырок. Формирование неупорядоченной сетки атомов приводит к тому, что в a-Si:H подвижность носителей заряда значительно ниже, чем в кристаллическом кремнии. Подвижность электронов находит­ся на уровне 10 см2/В-с и на два порядка выше подвижности дырок.