59、氢化非晶硅薄膜晶体管（a-Si:H TFT）的器件物理特性

氢化非晶硅薄膜晶体管（a-Si:H TFT）的器件物理特性

1. a-Si:H的态密度、电子输运与掺杂

在探讨a-Si:H TFT的特性之前，了解该材料的态密度与晶体硅的差异十分必要。

1.1 晶体硅与a-Si:H的结构差异

晶体硅是间接带隙半导体，其导带底与价带顶之间的带隙为1.1 eV。这是因为晶体硅中的原子具有长程的四面体有序结构，每个原子通过sp³电子杂化形成四个共价键（即四配位）。共价键中电子与原子核电荷之间的库仑相互作用，使得成键电子的能量低于反键电子，分别形成了价带和导带的连续态。

相比之下，a-Si:H被认为由硅原子的连续随机网络组成。尽管这些原子总体上具有四面体键合结构，但键长和键角分别有±10%和±2%的显著变化。因此，该材料没有长程有序结构，且键能也存在一定分布。在某些情况下，局部网络应变过大，导致原子无法形成四个Si - Si键，从而出现配位不足和悬空键。悬空键和弱Si - Si键的存在对a-Si:H的态密度、电子特性以及TFT的运行产生了深远影响。

1.2 a-Si:H的电子态

在理想的晶体晶格中，与导带和价带相关的所有电子态都是扩展态，它们在整个固体体积内空间扩展。而非晶半导体中的无序性使得一些电子态不是空间扩展的，而是局域态，其波函数从特定点开始指数衰减。这些局域态只能存在于低于某个临界能量（称为“迁移率边缘”）的区域，高于该能量的态通常为扩展态。这些与最受应变（因此最弱）的Si - Si键相关的局域态位于导带底部和价带顶部，形成延伸到原本禁带中的带尾，如图1所示。这些带尾态的宽度称为“乌尔巴赫能量”（有时也称为“乌尔巴赫斜率”），在a-Si:H中通常约为50 meV。无序性的另一个影响是引入了许多