非晶態(tài)半導體的閾值開(kāi)關(guān)機理

　　非晶態(tài)半導體閾值開(kāi)關(guān)器件是指往復開(kāi)關(guān)多次不會(huì )破壞的器件。這種器件的I-V曲線(xiàn)如圖1所示，當電壓超過(guò)閾值Vei時(shí)，器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)(Switch)。但在“關(guān)態(tài)”(OFF state)與“開(kāi)態(tài)”(ON state)之間無(wú)穩定的操作點(diǎn)，電流降至維持電流In以下，器件即轉到原始狀態(tài)。

　　一般觀(guān)察的結果表明，非晶半導體閾值開(kāi)關(guān)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(tài)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(zhì)變化，而不是徹底破壞，因而在探討閾值開(kāi)關(guān)機理以前，首先應肯定非晶態(tài)半導體材料在開(kāi)關(guān)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生性質(zhì)變化，目前有關(guān)閾值開(kāi)關(guān)的機理，有2類(lèi)模型：一類(lèi)是非均勻模型，即在兩電極導電絲區域內，非晶態(tài)半導體薄膜發(fā)生結構變化；另一類(lèi)是均勻模型，即假定開(kāi)關(guān)過(guò)程中，非晶態(tài)半導體薄膜基本是均勻的非晶態(tài)。

1 非均勻模型(Heterogeneous Model)

　　在兩電極之間，由于強電流作用產(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于導電絲的電場(chǎng)，以及因電阻產(chǎn)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(lái)；在關(guān)態(tài)時(shí)，這些微晶體保持孤立狀態(tài)，當晶體形成連續相、并具有較高的電導率時(shí)，即成為“開(kāi)態(tài)”，伴隨著(zhù)非晶態(tài)半導體的析晶或部分析晶，導電絲區域的性質(zhì)發(fā)生很大變化，因而器件的開(kāi)關(guān)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(tài)半導體材料，也可以避免導電絲的分相及析晶過(guò)程，這種器件的首次開(kāi)通電壓和以后的閾值電壓基本相同，凡是首次開(kāi)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(cháng)。

　　在室溫條件下，若當電極面積與導電絲截面相差很大時(shí)，開(kāi)關(guān)后導電絲組分有少量變化，“關(guān)態(tài)”時(shí)，電阻值顯示不出什么區別。如果在低溫條件下測量，開(kāi)關(guān)后非晶態(tài)半導體組分的少量變化可以使“關(guān)態(tài)”電阻值差幾個(gè)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(guò)更多的電流，轉而增加更多的焦耳熱，使受熱區域通過(guò)的電流增加，這樣循環(huán)下去，直到產(chǎn)生的焦耳熱與導電絲產(chǎn)生的焦耳熱平衡。但是根據非晶態(tài)半導體的“開(kāi)態(tài)”現象，“開(kāi)態(tài)”時(shí)器件的電壓與膜厚無(wú)關(guān)，電壓降應該產(chǎn)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(tài)半導體冷層中產(chǎn)生，這樣就和實(shí)驗相矛盾。因而假定非晶態(tài)半導體的電導隨著(zhù)場(chǎng)強增加而增加，或引入空間電荷注入及隧道過(guò)程，以減少靠近電極非晶態(tài)半導體冷層的阻抗，使得非晶態(tài)半導體薄膜的擊穿電壓及“開(kāi)態(tài)”阻抗大大降低，這就是在熱機理中加入電子校正，稱(chēng)為電熱理論(Electrathermal Theories)。這種理論和熱機理的熱阻理論不同，因為場(chǎng)致增強電導，不受非晶態(tài)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(zhù)電場(chǎng)強度呈指數關(guān)系上升趨勢，圖2所示為“關(guān)態(tài)”時(shí)，不同溫度下場(chǎng)強與電導率的關(guān)系。高場(chǎng)強區域的電導可用表示為：

3 電子理論

　　由于非晶態(tài)半導體在擊穿以前場(chǎng)致電導驟增，可能是電子過(guò)程，如載流子雪崩、雙注入或強電場(chǎng)隧道效應等導致?lián)舸?。特別是使用薄型非晶態(tài)半導體薄膜，或極易散熱的電極結構時(shí)，由熱或熱擊穿引起的導通態(tài)更不易發(fā)生，可是電子運動(dòng)引起的開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)現象。

　　場(chǎng)致載流子從費米能級以下的占有態(tài)躍遷至費米能級以上的空態(tài)，可用費米能級分裂成兩個(gè)準費米能級來(lái)表示如圖3所示。伴隨電場(chǎng)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(chǎn)生空間正電荷，在電極間建立電場(chǎng)。由于電極附近的場(chǎng)強增大，使注入的載流子更多，這是一個(gè)正反饋過(guò)程，速度很快，對應的場(chǎng)強使電極附近的勢壘變陡、變薄。當注入的載流子數一定時(shí)，便達到穩定狀態(tài)，相應于“開(kāi)態(tài)”。這時(shí)空間電荷橫貫整個(gè)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(jìn)入導電絲的導帶和價(jià)帶，加之陷阱已被充滿(mǎn)，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(kāi)關(guān)過(guò)程。

　　電子開(kāi)關(guān)模型假定：

　　(1)由玻璃體對電場(chǎng)的依賴(lài)性或從電極注入電子來(lái)建立過(guò)多的電子或空穴；

　　(2)這些過(guò)多的電子或空穴開(kāi)關(guān)后可被靠近電極的高電場(chǎng)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(gè)準費米能級來(lái)描述，一個(gè)是電子費米能級；另一個(gè)是空穴費米能級。

4 結 語(yǔ)

　　非均勻模型論述了非晶態(tài)半導體的閾值開(kāi)關(guān)在關(guān)態(tài)時(shí)，這些微晶體保持孤立狀態(tài)，當晶體形成連續相、并具有較高的電導率時(shí)，即成為“開(kāi)態(tài)”．器件的開(kāi)關(guān)特性取決于導電絲的晶體形貌。熱和熱電理論給出“關(guān)態(tài)”時(shí)，在不同溫度下，場(chǎng)強與電導率的關(guān)系。電子運動(dòng)引起的開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)現象。