非晶態半導體器件

以非晶態半導體材料為主體製成的固態電子器件。非晶態半導體是具有半導體性質的非晶態材料。非晶態半導體是半導體的一個重要部分。50年代B.T.科洛米耶茨等人開始了對硫系玻璃的研究，當時很少有人注意，直到1968年S.R.奧弗申斯基關於用硫系薄膜製作開關器件的專利發表以後，才引起人們對非晶態半導體的興趣。

基本介紹

• 中文名：非晶態半導體器件
• 外文名：amorphous semiconductor device
• 相關人物：B.T.科洛米耶茨
• 組成：非晶矽太陽能電池等

定義

非晶態半導體器件 amorphous semiconductor device 以非晶態半導體材料為主體製成的固態電子器件。人們原來認為，對非晶態半導體不能用摻雜的辦法控制電阻率，因而其套用受到限制。直到1975年，英國W.G.斯皮爾在輝光放電分解矽烷法製備的非晶矽薄膜中摻雜成功，可以使非晶矽薄膜的電阻率變化10個數量級，為非晶矽和其他非晶半導體器件開闢了道路。

組成

非晶矽太陽能電池

利用非晶矽薄膜的光生伏特效應的器件。其工作原理與晶體矽太陽能電池類似，所不同的是在晶體矽電池中，主要光生載流子產生在無場區，靠擴散運動到勢壘區；而在非晶矽電池中，由於載流子遷移率低，必須使光生載流子都產生在自建場區，才能漂移到收集電極。因而前者是擴散型的光電轉換；後者是漂移型的，這就決定 了它們結構上的差別。實際的非晶矽太陽能電池大體可分為肖特基勢壘、PN結和異質結三種結構。

非晶態半導體器件

作為太陽能電池材料，同晶體矽相比，非晶矽具有下列優點：①非晶矽的吸收光譜更接近太陽光譜，吸收係數比單晶矽大一個數量級,因而厚度僅1微米的非晶矽薄膜（晶體矽太陽能電池中矽片厚度的百分之一）就能吸收足夠的光能，大大地節省原材料。②製備工藝簡單。用薄膜工藝代替單晶生長和切割，所以容易製成大面積電池。

為了提高收集效率，常採用異質結電池，1982年a-SiC/a-Si異質結太陽能電池轉換效率達10%，採用a-Si異質結和多晶矽串接的疊層電池效率超過 12%（面積為4毫米2），大面積電池(>100厘米2)的轉換效率也達7%～8%。非晶矽太陽能電池已進入實用階段,出現了非晶矽太陽能電池作電源的計算器、電子表等商品。

靜電複印機感光體

由襯底上塗覆一層高電阻率的非晶半導體電導薄膜和為降低暗電流而設的阻擋層所構成。它利用非晶體薄膜的電荷存儲和光電導特性，使得由電暈放電而充電的薄膜表面產生與光學圖像對應的靜電圖像，記錄在薄膜上的靜電圖像則通過對染料顆粒的靜電吸引而取出。50年代，靜電複印機感光體採用非晶Se、Se－Sb等硫系非晶半導體材料。現代製造的非晶矽薄膜具有靈敏度高、能在高溫下工作、硬度高、使用壽命長等優點，這種感光體除用於靜電複印外，還可作為圖像、文字或數據記錄的手段用於傳真、 X射線透視及電子計算機等各種技術中。

攝像管靶

非晶半導體的電視攝像管靶是利用非晶薄膜的光電導效應記 錄圖像，由電子束掃描通過電容充電使圖像重現的動態成像器件。它由透明電極及夾在兩個阻擋層之間的具有高電阻率的非晶半導體光電導薄膜所構成。作為攝像管靶的材料很多,屬於非晶材料的,除早期的非晶Se外，還有後來廣泛套用的非晶Se-As-Te。非晶Si靶面在整個可見光波段都有很高的靈敏度，適用於很寬的照度範圍，並可在200℃的高溫條件下工作。

非晶態半導體器件

薄膜積體電路

非晶矽薄膜有優良電學特性，工藝簡單、對襯底結構無特殊要求,且易於實現大面積化,可用以製作大規模或三維積體電路。非晶矽薄膜場效應管陣列，可用作大面積液晶平面顯示屏的定址開關。這種液晶顯示屏的解析度取決於非晶矽薄膜場效應管的漏電壓和液晶的光電特性，據推算可達1000線。200×240像素的平面顯示屏和採用這種平面顯示屏的攜帶型電視機已經研製成功。

用非晶矽薄膜制的光電感測器件也已達到實用化程度。這種器件具有靈敏度高、工藝簡單、成本低等特點。

光電信息的存儲器件

利用某些非晶半導體的結構轉變來記錄和存儲信息的器件。這類器件主要有電可改寫的唯讀存儲器和光存儲器。

電可改寫的唯讀存儲器

某些 硫系材料（如Ge-Te-As- Si）可以在不同的電脈衝的作用下由非晶態轉變為晶態或由晶態轉變為非晶態，每種轉變所獲得的結構在作用脈衝消失後仍能長期保持不變。兩種狀態的電阻率相差幾個數量級。這種具有雙穩態的材料可以用來製作供計算機使用的可改寫的唯讀存儲器。

非晶態半導體器件

單個的存儲單元由一層非晶記憶材料薄膜和在薄膜上下兩面的金屬電極所構成。由大量的非晶存儲單元與隔離二極體組成矩陣，並與寫入和讀出所需的外圍電路集成到同一矽片上，便構成電可改寫的唯讀存儲器。這種存儲器具有電可改寫、非消失性、慢寫和快讀的功能，可套用於需要經常改變程式的計算機或控制系統中。例如一種1024位的電可改寫唯讀存儲器的主要指標是：寫入閾值電壓為8伏;寫入電流為5毫安；寫入時間為1毫秒；讀出電流為1毫安；讀出時間為15納秒;最高存儲溫度為175℃；最高工作溫度為110℃。

光存儲器

某些以 Te為基的非晶硫系材料，如TeGeAs4, 可以在能量不同的 雷射脈 沖作用下實現非晶態和晶態之間的結構轉變。材料處於這兩種狀態時的光學特性，如折射率、光吸收係數等有很大的差別，利用這種特性可以製成可記錄大量信息的光存儲器。有一種光存儲器是將一層非晶薄膜塗覆在一個圓盤上作為記錄信息的介質，用一束聚焦到亞微米的雷射束照射薄膜表面，使之產生結構轉變。改變雷射的能量，可以使被照射的點由非晶態轉變為晶態或由晶態回復到非晶態，即用同一束雷射便能進行信息的寫入或擦除，而信息的讀出則是以反射或透射的方式檢測薄膜光學特性的改變來實現的。這種光存儲器可套用於計算機的大容量數據存儲及視頻唱盤等方面。

非晶態半導體器件

感光薄膜

某些非晶 硫系材料，如As2S3和Ge25Se75等，經受一定光強的輻照以後，結構發生轉變，因而在鹼性溶液中腐蝕速度顯著降低。特別是經過銀或銀鹽增強的薄膜,由於曝光過程伴隨的光摻雜效應,材料腐蝕速率的降低更為顯著。這種薄膜經曝光和腐蝕顯影，便能記錄光學圖像。這種薄膜的結構只有晶態和非晶態兩種，不存在中間狀態，這就決定了材料在鹼性溶液中的腐蝕也具有截然不同的兩種速率，因而這種薄膜記錄的圖像具有很高的反差。另外，由於光致結構轉變需要一定的閾值能量，所以它能記錄的最小點子的尺度不受光衍射的限制，因而具有很高的解析度(可達50埃)，這種薄膜可以用來製作高反差、高解析度的照片或微電子器件工藝中的掩模。

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