Аморфные и стеклообразные полупроводники

Амо́рфные и стеклообра́зные полупроводники́, вещества в аморфном (стеклообразном) состоянии, обладающие рядом свойств, характерных для кристаллических полупроводников, например сильной температурной зависимостью электрической проводимости, существованием порога оптического поглощения и др. В отличие от кристаллических бо́льшая часть аморфных и стеклообразных полупроводников слабо чувствительна к добавлению примеси (важное исключение – аморфный гидрированный кремний ${\displaystyle \alpha -{\text{Si:H}}}$).

Свойства некристаллических веществ, для которых характерно отсутствие дальнего порядка (дальний и ближний порядок), нельзя объяснить на основе классической зонной теории кристаллов. Однако наличие ближнего порядка приводит к тому, что некоторые особенности энергетического спектра электронов и электронных свойств оказываются подобными особенностям, характерным для кристаллических полупроводников. Аналогом запрещённой зоны служит область энергий (щель подвижности), сплошь заполненная уровнями, отвечающими локализованным состояниям. Границы щели подвижности, разделяющие локализованные и делокализованные состояния, называют порогами подвижности.

В аморфных и стеклообразных полупроводниках уровень Ферми расположен в щели подвижности; при не слишком низких температурах проводимость ${\displaystyle \sigma }$ осуществляется за счёт переноса электронов или дырок по делокализованным состояниям вблизи порогов подвижности и характеризуется температурной зависимостью:

${\displaystyle \sigma =\sigma _{min}exp(-E_{a}/kT),}$

где ${\displaystyle {\textit {k}}}$ – постоянная Больцмана, ${\displaystyle {E_{a}}}$ – энергия активации, ${\displaystyle \sigma _{min}}$ – т. н. минимальная металлическая проводимость (по оценкам Мотта, ${\displaystyle \sigma _{min}}$ порядка 200 Ом^–1 см^–1 ). В области низких температур во многих некристаллических полупроводниках наблюдается прыжковая проводимость, обусловленная неупругим туннелированием электронов между локализованными состояниями. В халькогенидных стеклообразных полупроводниках эффективное взаимодействие между локализованными электронами может иметь характер притяжения; это приводит к их спариванию, и прыжковая проводимость, как правило, не наблюдается. В оптических спектрах поглощения аморфных полупроводников (как и кристаллических полупроводников) имеется полоса собственного поглощения, положение края которой определяет оптическую ширину запрещённой зоны, а отсутствие кристаллографического порядка приводит к размытию края (хвосты коэффициентов поглощения).

Технология получения аморфных и стеклообразных полупроводников существенно дешевле, чем кристаллических. Аморфные полупроводники (${\displaystyle \alpha -{\text{Si:H}}}$) используют для создания солнечных преобразователей, тонкоплёночных транзисторов и т. д., а интерес к стеклообразным полупроводникам (${\displaystyle {\text{As}}_{2}{\text{Se}}_{3},{\text{Si}}_{6}{\text{Te}}_{24}{\text{As}}_{15}{\text{Ge}}_{5}}$ и др.) в значительной степени обусловлен возможностью их использования для создания элементов памяти и переключателей на основе эффекта переключения, состоящего в быстром обратимом переходе системы между состояниями высокого и низкого сопротивления в сильных электрических полях [открыт советскими физиками Б. Т. Коломийцем, Э. А. Лебедевым (1963) и американским физиком С. Р. Овшинским (1966)].