非晶态半导体的阈值开关机理

摘要：从理论上定性地分析了非晶态半导体的阈值开关机理。利用非均匀模型、热与热电理论和电子开关模型等，从3个方面描述非晶态半导体的阈值开关形成的原因，给出非晶态半导体的阈值开关的“开态”和“关态”时的形成过程。对不同状态下载流子的运动规律、电场强度、电导率进行了较详尽的分析，从而论述非晶态半导体的阈值开关机理。

关键词：非晶态；阈值开关；电导率；半导体

中图分类号：TN401

文献标识码：B

文章编号：1004―373X(2008)04―184―02

非晶态半导体阈值开关器件是指往复开关多次不会破坏的器件。这种器件的I-V曲线如图1所示，当电压超过阈值Vci时，器件进行开关(Switch)。但在“关态”(OFF state)与“开态”(ON state)之间无稳定的操作点，电流降至维持电流IN以下，器件即转到原始状态。

一般观察的结果表明，非晶半导体阈值开关器件受破坏的原因，多半是由于电极与半导体合金化，引起了大量的电子迁移，导致非晶态半导体分相或部分分相。所以多数器件失效的原因是由于性质变化，而不是彻底破坏，因而在探讨阈值开关机理以前，首先应肯定非晶态半导体材料在开关过程中没有发生性质变化，目前有关阈值开关的机理，有2类模型：一类是非均匀模型，即在两电极导电丝区域内，非晶态半导体薄膜发生结构变化；另一类是均匀模型，即假定开关过程中，非晶态半导体薄膜基本是均匀的非晶态。

1　非均匀模型(Heterogeneous Model)

在两电极之间，由于强电流作用产生一条瞬间导电丝(filament)，导电丝结构与母体玻璃结构不同。X射线及电子显微镜鉴定结果表明，富Te硫系玻璃的导电丝区域，包含许多嵌入母体中微小树枝状的Te晶体，晶体的晶轴取向和电流的取向相同。Bosnell和Thomasc认为，在极快的开关过程中，由于导电丝的电场，以及因电阻产生的较高温度，使得具有方向性的Te晶体从玻璃母体中分离出来；在关态时，这些微晶体保持孤立状态，当晶体形成连续相、并具有较高的电导率时，即成为“开态”，伴随着非晶态半导体的析晶或部分析晶，导电丝区域的性质发生很大变化，因而器件的开关特性取决于导电丝的晶体形貌。然而，选择适宜的电极材料及非晶态半导体材料，也可以避免导电丝的分相及析晶过程，这种器件的首次开通电压和以后的阈值电压基本相同，凡是首次开通电压和以后的阈值电压相差小于10％的器件。他的寿命最长。

在室温条件下，若当电极面积与导电丝截面相差很大时，开关后导电丝组分有少量变化，“关态”时，电阻值显示不出什么区别。如果在低温条件下测量，开关后非晶态半导体组分的少量变化可以使“关态”电阻值差几个数量级。

2 热和热电理论(Thermal and Electrothermal Theories)

具有负阻温度系数的材料，常由于焦耳热将材料内部的温度升高，因而电阻值降低，通过更多的电流，转而增加更多的焦耳热，使受热区域通过的电流增加，这样循环下去，直到产生的焦耳热与导电丝产生的焦耳热平衡。但是根据非晶态半导体的“开态”现象，“开态”时器件的电压与膜厚无关，电压降应该产生在电极处。然而按照热理论，电压降必须在与电极交接处的非晶态半导体冷层中产生，这样就和实验相矛盾。因而假定非晶态半导体的电导随着场强增加而增加，或引入空间电荷注入及隧道过程，以减少靠近电极非晶态半导体冷层的阻抗，使得非晶态半导体薄膜的击穿电压及“开态”阻抗大大降低，这就是在热机理中加入电子校正，称为电热理论(Electrathermal Theo―ries)。这种理论和热机理的热阻理论不同，因为场致增强电导，不受非晶态半导体冷层的影响，甚至在完全散热的电极和较低的电压也能得到负阻温度系数区域。

非晶半导体的电导率随着电场强度呈指数关系上升趋势，图2所示为“关态”时，不同温度下场强与电导率的关系。高场强区域的电导可用表示为：

3 电子理论

由于非晶态半导体在击穿以前场致电导骤增，可能是电子过程，如载流子雪崩、双注入或强电场隧道效应等导致击穿。特别是使用薄型非晶态半导体薄膜，或极易散热的电极结构时，由热或热击穿引起的导通态更不易发生，可是电子运动引起的开关过程，也必须形成电流通道，在通道中也将因焦耳热而引起温度上升，所以电子理论也必须包括由热导致的效应方能全面描述开关现象。

场致载流子从费米能级以下的占有态跃迁至费米能级以上的空态，可用费米能级分裂成两个准费米能级来表示如图3所示。伴随电场强度的增加，电导率以指数上升，这些多余的电流不能完全从电极补充，因而在阴极产生空间正电荷，在电极间建立电场。由于电极附近的场强增大，使注入的载流子更多，这是一个正反馈过程，速度很快，对应的场强使电极附近的势垒变陡、变薄。当注入的载流子数一定时，便达到稳定状态，相应于“开态”。这时空间电荷横贯整个器件，由于陷阱密度高，势垒薄，载流子很容易从金属的费米能级隧道进入导电丝的导带和价带，加之陷阱已被充满，迁移率不再受陷阱的限制，器件的导电率将很高，这就是通常的开关过程。

电子开关模型假定：

(1)由玻璃体对电场的依赖性或从电极注入电子来建立过多的电子或空穴；

(2)这些过多的电子或空穴开关后可被靠近电极的高电场所提供；

(3)这些使玻璃体呈现高电导的电子或空穴可用费米能级分裂成2个准费米能级来描述，一个是电子费米能级；另一个是空穴费米能级。

4 结 语

非均匀模型论述了非晶态半导体的阈值开关在关态时，这些微晶体保持孤立状态，当晶体形成连续相、并具有较高的电导率时，即成为“开态”，器件的开关特性取决于导电丝的晶体形貌。热和热电理论给出“关态”时，在不同温度下，场强与电导率的关系。电子运动引起的开关过程，必须形成电流通道，通道中也将因焦耳热而引起温度上升，所以电子理论也必须包括由热导致的效应方能全面描述开关现象。