非晶態半導體的閾值開關機理

摘要：從理論上定性地分析了非晶態半導體的閾值開關機理。利用非均勻模型、熱與熱電理論和電子開關模型等，從3個方面描述非晶態半導體的閾值開關形成的原因，給出非晶態半導體的閾值開關的“開態”和“關態”時的形成過程。對不同狀態下載流子的運動規律、電場強度、電導率進行了較詳盡的分析，從而論述非晶態半導體的閾值開關機理。

關鍵詞：非晶態；閾值開關；電導率；半導體

中圖分類號：TN401

文獻標識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—184—02

非晶態半導體閾值開關器件是指往復開關多次不會破壞的器件。這種器件的I-V曲線如圖1所示，當電壓超過閾值V_ci時，器件進行開關(Switch)。但在“關態”(OFF state)與“開態”(ON state)之間無穩定的操作點，電流降至維持電流I_N以下，器件即轉到原始狀態。

一般觀察的結果表明，非晶半導體閾值開關器件受破壞的原因，多半是由于電極與半導體合金化，引起了大量的電子遷移，導致非晶態半導體分相或部分分相。所以多數器件失效的原因是由于性質變化，而不是徹底破壞，因而在探討閾值開關機理以前，首先應肯定非晶態半導體材料在開關過程中沒有發生性質變化，目前有關閾值開關的機理，有2類模型：一類是非均勻模型，即在兩電極導電絲區域內，非晶態半導體薄膜發生結構變化；另一類是均勻模型，即假定開關過程中，非晶態半導體薄膜基本是均勻的非晶態。

1 非均勻模型(Heterogeneous Model)

在兩電極之間，由于強電流作用產生一條瞬間導電絲(filament)，導電絲結構與母體玻璃結構不同。X射線及電子顯微鏡鑒定結果表明，富Te硫系玻璃的導電絲區域，包含許多嵌入母體中微小樹枝狀的Te晶體，晶體的晶軸取向和電流的取向相同。Bosnell和Thomasc認為，在極快的開關過程中，由于導電絲的電場，以及因電阻產生的較高溫度，使得具有方向性的Te晶體從玻璃母體中分離出來；在關態時，這些微晶體保持孤立狀態，當晶體形成連續相、并具有較高的電導率時，即成為“開態”，伴隨著非晶態半導體的析晶或部分析晶，導電絲區域的性質發生很大變化，因而器件的開關特性取決于導電絲的晶體形貌。然而，選擇適宜的電極材料及非晶態半導體材料，也可以避免導電絲的分相及析晶過程，這種器件的首次開通電壓和以后的閾值電壓基本相同，凡是首次開通電壓和以后的閾值電壓相差小于10％的器件。他的壽命最長。

在室溫條件下，若當電極面積與導電絲截面相差很大時，開關后導電絲組分有少量變化，“關態”時，電阻值顯示不出什么區別。如果在低溫條件下測量，開關后非晶態半導體組分的少量變化可以使“關態”電阻值差幾個數量級。

2 熱和熱電理論(Thermal and Electrothermal Theories)

具有負阻溫度系數的材料，常由于焦耳熱將材料內部的溫度升高，因而電阻值降低，通過更多的電流，轉而增加更多的焦耳熱，使受熱區域通過的電流增加，這樣循環下去，直到產生的焦耳熱與導電絲產生的焦耳熱平衡。但是根據非晶態半導體的“開態”現象，“開態”時器件的電壓與膜厚無關，電壓降應該產生在電極處。然而按照熱理論，電壓降必須在與電極交接處的非晶態半導體冷層中產生，這樣就和實驗相矛盾。因而假定非晶態半導體的電導隨著場強增加而增加，或引入空間電荷注入及隧道過程，以減少靠近電極非晶態半導體冷層的阻抗，使得非晶態半導體薄膜的擊穿電壓及“開態”阻抗大大降低，這就是在熱機理中加入電子校正，稱為電熱理論(Electrathermal Theo—ries)。這種理論和熱機理的熱阻理論不同，因為場致增強電導，不受非晶態半導體冷層的影響，甚至在完全散熱的電極和較低的電壓也能得到負阻溫度系數區域。

非晶半導體的電導率隨著電場強度呈指數關系上升趨勢，圖2所示為“關態”時，不同溫度下場強與電導率的關系。高場強區域的電導可用表示為：

3 電子理論

由于非晶態半導體在擊穿以前場致電導驟增，可能是電子過程，如載流子雪崩、雙注入或強電場隧道效應等導致擊穿。特別是使用薄型非晶態半導體薄膜，或極易散熱的電極結構時，由熱或熱擊穿引起的導通態更不易發生，可是電子運動引起的開關過程，也必須形成電流通道，在通道中也將因焦耳熱而引起溫度上升，所以電子理論也必須包括由熱導致的效應方能全面描述開關現象。

場致載流子從費米能級以下的占有態躍遷至費米能級以上的空態，可用費米能級分裂成兩個準費米能級來表示如圖3所示。伴隨電場強度的增加，電導率以指數上升，這些多余的電流不能完全從電極補充，因而在陰極產生空間正電荷，在電極間建立電場。由于電極附近的場強增大，使注入的載流子更多，這是一個正反饋過程，速度很快，對應的場強使電極附近的勢壘變陡、變薄。當注入的載流子數一定時，便達到穩定狀態，相應于“開態”。這時空間電荷橫貫整個器件，由于陷阱密度高，勢壘薄，載流子很容易從金屬的費米能級隧道進入導電絲的導帶和價帶，加之陷阱已被充滿，遷移率不再受陷阱的限制，器件的導電率將很高，這就是通常的開關過程。

電子開關模型假定：

(1)由玻璃體對電場的依賴性或從電極注入電子來建立過多的電子或空穴；

(2)這些過多的電子或空穴開關后可被靠近電極的高電場所提供；

(3)這些使玻璃體呈現高電導的電子或空穴可用費米能級分裂成2個準費米能級來描述，一個是電子費米能級；另一個是空穴費米能級。

4 結 語

非均勻模型論述了非晶態半導體的閾值開關在關態時，這些微晶體保持孤立狀態，當晶體形成連續相、并具有較高的電導率時，即成為“開態”，器件的開關特性取決于導電絲的晶體形貌。熱和熱電理論給出“關態”時，在不同溫度下，場強與電導率的關系。電子運動引起的開關過程，必須形成電流通道，通道中也將因焦耳熱而引起溫度上升，所以電子理論也必須包括由熱導致的效應方能全面描述開關現象。