نیمه هادی های بی شکل

نیمه هادی های آمورف ، اشکال نامنظم یا شیشه ای مواد نیمه رسانای بلوری هستند. مانند عینک های غیر رسانا، آنها ساختارهای شبکه ای هستند که در درجه اول پیوند کووالانسی دارند . سیلیکون کریستالی که دارای ساختار الماس است یک چیدمان مرتب شده ای از حلقه های سیلیکونی شش عضوی ذوب شده می باشد همه درترکیب “صندلی ” هستند همانطور که در بخش 8 دیدیم.
اتمهای سیلیسیم در سیلیکون آمورف ( a-Si ) نیز عمدتا از نظر چهار وجهی هماهنگ هستند اما نظم دوربرد در ساختار آنها وجود ندارد . علاوه بر حلقه های شش عضوی ، حلقه های پنج و هفت عضوی و همچنین برخی از مکانهای “پیوند آویزان” وجود دارد که در آنها اتم های Si فقط سه همسایه نزدیک دارند .

تصویر شماتیک از ساختارهای سیلیکون کریستالی (سمت چپ) سیلیکون آمورف (وسط) و سیلیکون هیدروژنه آمورف (راست)

دو مورد از نیمه هادی های آمورف که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند ، a-Si و سلنیوم آمورف ، a-Se هستند . Si و Se هر دو به صورت شیشه ای ، معمولاً با پاشیدن یا تبخیر در دمای نسبتاً پایین ساخته می شوند . در a-Se ، مانند a-Si ، به صورت موضعی ، اکثر اتم ها ظرفیت “طبیعی” دارند ، اما نقص و بی نظمی بسیاری در ساختار وجود دارد. پیوندهای آویزان در نیمه هادی های آمورف دارای انرژی مداری در وسط شکاف هستند و الکترون ها در این حالت ها به طور موثر غیر پیوندی هستند . از آنجا که این مکانهای پیوند آویزان فاصله زیادی با یکدیگر دارند ، هم پوشانی مداری کمی بین آنها وجود دارد و همچنین در محدوده انرژی وجود دارد . بنابراین الکترونها در این حالتهای شکاف میانی، بومی سازی می شوند ، پدیده ای که با نام محلی سازی اندرسون شناخته می شود . Si آمورف عایق است زیرا الکترونهای سطح Fermi (در وسط شکاف) در شبکه متحرک نیستند . این حالتهای محلی ، شکاف حرکتی ایجاد می کنند ، و فقط الکترونها در حالاتی که به شدت پیوند می خورند یا ضد پیوند هستند جدا می شوند . بنابراین ، a-Si اصلاح نشده به عنوان یک نیمه هادی بسیار مفید نیست . با این حال ، با هیدروژنه سازی مواد هنگام تشکیل (به طور معمول در یک پلاسما از اتم های H) ، اتم های Si هماهنگ نشده به اتم های هیدروژن پیوند می خورند . این امر باعث ایجاد پیوندهای پرو اوربیتال های ضد پیوند خالی، می شود که انرژی آنها خارج از شکاف تحرک است . بنابراین هیدروژناسیون تراکم حالات موجود در شکاف حرکتی را کاهش می دهد . سیلیکون آمورف هیدروژنه (a-Si: H) در تاریکی عایق است ، اما در نور رسانای خوبی است زیرا جذب نور باعث ایجاد الکترونها و سوراخهایی در حالت متحرک می شود که خارج از شکاف تحرک است .

انرژی در مقابل DOS برای یک نیمه هادی آمورف. پیوندهای بی نظمی و آویزان ، منجر به حالت موضعی شکاف میانی می شوند .

photoconductivity لایه آمورف در xerography مورد استفاده قرار می‌گیرد . یک درام رسانا پوشش داده شده با a-Se ، که عایق است ، با تخلیه تاج از سیم با برق ساکن شارژ می شود . وقتی درام در معرض الگویی از نور و تاریکی قرار می گیرد (تصویری که باید کپی شود) ، مناطق a-Se روشن شده رسانا شده و بار ساکن از آن قسمت های درام پخش می شود . ذرات تونر حاوی کربن , سپس از طریق بار استاتیک به مناطقی که در معرض نور قرار ندارند , می‌چسبند و به کاغذ متصل می‌شوند تا کپی شوند . سرعت فرآیند و وضوح بالای انتقال الگو به هدایت بسیار کم a-Se در تاریکی و هدایت زیاد آن در زیر نور بستگی دارد.

شارژ آمورف Se و انتقال الگو در چرخه Xerographic

Si هیدروژنه آمورف در سلولهای خورشیدی با فیلم نازک ارزان قیمت استفاده می شود . شکاف حرکتی حدود 1.7 ولت است که بزرگتر از کریستالی باند گپ Si(1.1 ولت) است . a-Si: H ماده ای با شکاف مستقیم است و بنابراین فیلم های نازک ، جاذب نور خوبی هستند . H a-Si: سلولهای خورشیدی می توانند بخار در ورقهای با مساحت زیاد رسوب کنند. سلول های  p+Si-a-Si:H-n+Si حدود 10٪ بازده تبدیل نیرو دارند . با این وجود سلولهای خورشیدی بی شکل Si در معرض نور به تدریج کارایی خود را از دست می دهند . مکانیسم این افت کارایی ، اثر Staebler-Wronski نامیده می شود ، شامل جفت های الکترون-سوراخ فوتوژنی شده است که انرژی کافی برای ایجاد تغییرات شیمیایی در مواد دارند . در حالی که مکانیسم دقیق آن هنوز مشخص نیست ، پیشنهاد شده است که انرژی نوترکیبی سوراخ الکترون پیوند ضعیف Si-Si را می شکند ، و یکی از پیوندهای آویزان حاصل یک اتم H را انتزاع می کند ، یک مرکز Si-H منفعل و یک پیوند آویز دائمی را ترک میکند . این اثر با هیدروژنه سازی a-Si به حداقل می ،رسد و می تواند با بازپخت تا حدی معکوس شود .

یک ماشین حساب که با انرژی خورشیدی و باتری کار می کند

لایه‌های نازک سیلیکون آمورف در ارتباط با سیلیکون کریستالی در heterojunction نازک درونی و سلول خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند . از آنجا که فاصله تحرک a-Si از باند c-Si گسترده تر است ، یک رابط انرژی بالقوه در رابط آمورف-کریستالی وجود دارد که الکترون ها و سوراخ های دور از آن رابط را منعکس می کند . در تماس با p+ ، فقط سوراخ ها می توانند از طریق مانع عبور کنند ، در حالی که فقط الکترون ها می توانند از طریق مانع به n+ تماس داده شوند . انفعال نقص سطحی که مکانهایی برای ترکیب مجدد حفره الکترونها هستند ، از ایجاد یک مکانیسم از دست دادن عمده در سلولهای خورشیدی جلوگیری می کند ، هم ولتاژ فتو و هم جریان الکتریکی را نسبت به سلولهای اتصال c-Si p-n معمولی افزایش می دهد . پاناسونیک و سانیو تولید سلولهای HIT با بازده تبدیل توان تا 23٪ را اعلام کرده اند .

ساختار لایه ای یک سلول خورشیدی HIT . لایه ها به مقیاس رسم نمی شوند . یک لایه ضخیم کریستالی n- سیلیکون جاذب نور است و سوراخهای فتوژنیزه شده ، که حامل اقلیت هستند ، توسط لایه نازک ذاتی a-Si در آنجا از تماس برگشتی آلومینیوم منعکس می شوند .

مترجم : ستایش ابراهیمی
سرچشمه:
https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Inorganic_Chemistry/Book%3A_Introduction_to_Inorganic_Chemistry/10%3A_Electronic_Properties_of_Materials_-_Superconductors_and_Semiconductors/10.08%3A_Amorphous_Semiconductors