非晶态半导体
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第238页（2811字）
非晶态或称无定形态是相对于晶态而言的不具备结晶状态的物质，亦即一种缺乏原子周期性结构的固体材料。
最早论证非晶态材料可以具有半导体性质的是前苏联科学院院士约飞(A．F．Yoffe)，他在1947年前后就提出，决定物质的半导性的最基本结构特点是其近程序特性，并在实验上证实了一些半导体材料在玻璃态甚至液态的情况下，尽管没有周期性结构的长程有序性，但由于保留着其原来的短程序特点而使其半导性仍然存在。比较完整而又沿用至今的非晶态半导体电子结构模型是在1968年前后提出的，这就是所谓Mott-CFO模型(CFO是Cohen、Fritzsche与Ovsinsky的缩写)，其基本出发点是，如果短程序特性在非晶态中与晶态相同，晶态的电子结构的一些基本特征(即电子态密度按能量分布形成由能隙隔开的导带和价带；以及能隙的平均宽度)就保留下来，而非晶态的长程无序性(起因于短程序的无规起伏和在实际非晶固体中大量存在的结构缺陷如空位、悬键等)则对其电子结构产生两个重要的效果：一是相对于晶态的鲜明的带边的向带隙伸延的带尾，这与晶态半导体(重掺杂)由于杂质附加势产生的导带尾或价带尾相似。另一个是使电子态定域化，被定域化的电子与轻度掺杂的晶态半导体中由杂质在禁带中引入的非本征电子态相似，处于这些状态中的电子，其波函数被定域于某个原子的平衡位置附近，在绝对零度下永无出现于其它原子附近的可能。
这与在能带中的电子态具有扩展态特性是截然不同的，在扩展态的电子不定域于某一确定的空间位置，即使在绝对零度下，仍有一定几率出现于空间各处。上述的由近程序起伏引起的带尾态和由结构缺陷引起的带隙态就都是被定域化的。因此非晶态半导体的电子结构模型就可以归结为：它既保有基本的能带特征(价带与导带)，但又不存在真正的能隙(禁带)，而代之以存在一个赝能隙亦称迁移率隙，利用这个图像就可以分析种种存在于非晶态固体中的半导体特性，如电导与光电导、光学性质和发光现象，等等。
直到70年代初期，人们对这种半导体材料是否有技术应用价值，还持怀疑态度。其基本原因除了这类材料特性存在稳定性与重复性的问题外，更重要的是对外来杂质极不敏感而不能有效和可控地实现P型与N型掺杂。
当时较普遍的看法是：非晶态半导体不可能具有掺杂效应，原因是长程无序本身为外来杂质原子提供了饱和价键的足够机会所致，而外来杂质取正常价键结构与非晶固体的无规网络结合，使系统处于能量最低的状态。1975年英国Dundee大学的Spear与LeComber研究组，首先对用辉光放电法制备的非晶硅实现了灵敏的磷(N型)、硼(P型)代位掺杂，使其室温电导率的改变达到十个数量级。事实上，是辉光放电分解硅烷(SiH4)淀积非晶硅薄膜时在材料中引进了大量的氢原子(约5%～10%)。而氢原子则起了补偿通常在非晶硅中大量的悬键的作用，大大地降低了带隙态的密度，消除了费米能级的被“钉札”情况，从而使外来的代位杂质有效地起掺杂作用。
而这种有用的非晶硅材料亦从此被赋予一个恰当的表达形式：a-Si∶H，意思是一种硅氢合金。
非晶硅实现掺杂效应之后，应用这种材料研制的各种器件相继出现。
在众多的应用可能之中，实际起主导作用的是两种器件，首先是曾以为可以解决当时能源问题困扰的非晶硅太阳电池，随后是更具实际市场潜力的非晶硅薄膜晶体管a-Si∶HTFT。
非晶硅太阳电池，相对于晶态硅具有两个明显优点，首先是与太阳光光谱十分匹配的光吸收特性，其次是加工工艺上的优点，即它以薄膜形式构成。然而非晶硅有其固有的弱点，一是由能隙定域态的存在而导致的载流子迁移率与寿命偏低，使在开始时非晶硅太阳电池的光电转换效率极低(1%左右，而当时晶态硅电池效率已大于15%)；另一个弱点是稳定性较差。1977年就发现了一种a-si∶H固有的光诱导亚稳效应(其后以发现者名字称为Staebler-Wronski效应)，非晶硅经强光照射后会使隙态增大(退火可以复回原状)，从而使电池效率一般都会下降10%左右，经过努力，到80年代中期，非晶硅电池光电转换效率，在小面积样品上已达13%，而工业性较大面积的光电池亦也接近10%，而探用宽带隙与窄带隙材料相结合以充分利用太阳光谱能量的异质结层叠式电池，则在理论上其光电转换效率可超过20%。
目前，非晶硅光电池已充分占领了消费商品电源市场(如计算器、手表、干电池充电器等)；在电力系统方面，亦已开始向一些供电装置方面发展。特别是作为辅助能源在发展环保性电动车(electric vehicle)中很有吸引力。
当前，最主要的趋势是在发展以非晶硅为主的各种非晶半导体电子器件的基础上，研究非晶态半导体在办公室自动化的应用。办公室自动化发展要求提高业务信息处理机的输入／输出设备的性能，利用非晶硅可大面积制成薄膜的优点，通过大面积光刻技术，在其上制作场效应管、CCD器件、光电二极管等。因而由这些器件组成以大面积a-Si∶HTFT阵列为中心的非晶态半导体电子器件全新型的输入／输出设备。在图文显示器方面，由它们制成的大规模集成电路驱动的液晶显示屏，由于控制单元(TFT)制造在每一像素之上，因此不存在限制显示大型化的因素。
可以预期，以a-Si∶H TFT为中心的非晶态半导体电子器件，较之太阳电池，更具有近期的明显的经济益。有人认为，非晶半导体将以大面积电子学(large area electronics)迈进21世纪。
。【参考文献】：1 Joffe A F, Regel A R. Progr Semicond,1960,4:237
2 Mott NF. Adv Phys,1967,16:49
3 Cohen M H, Fritzsche H, Ovshinsky S R. Phys Rev Lett, 1969,22:1065
4 Spear W E, Leeomber P G. Solid St. Commun ,1975,17:9
5 Staebler D L, Wronski C R. J Appl Lett,1977,31:292
6 Lecomber P G. J. Non-Cryst. Solids, 1989,115:1
(中山大学彭少麒教授撰)