非晶態(tài)半導(dǎo)體的閾值開關(guān)機理

　　非晶態(tài)半導(dǎo)體閾值開關(guān)器件是指往復(fù)開關(guān)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Vei時，器件進行開關(guān)(Switch)。但在“關(guān)態(tài)”(OFF state)與“開態(tài)”(ON state)之間無穩(wěn)定的操作點，電流降至維持電流In以下，器件即轉(zhuǎn)到原始狀態(tài)。

　　一般觀察的結(jié)果表明，非晶半導(dǎo)體閾值開關(guān)器件受破壞的原因，多半是由于電極與半導(dǎo)體合金化，引起了大量的電子遷移，導(dǎo)致非晶態(tài)半導(dǎo)體分相或部分分相。所以多數(shù)器件失效的原因是由于性質(zhì)變化，而不是徹底破壞，因而在探討閾值開關(guān)機理以前，首先應(yīng)肯定非晶態(tài)半導(dǎo)體材料在開關(guān)過程中沒有發(fā)生性質(zhì)變化，目前有關(guān)閾值開關(guān)的機理，有2類模型：一類是非均勻模型，即在兩電極導(dǎo)電絲區(qū)域內(nèi)，非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜發(fā)生結(jié)構(gòu)變化；另一類是均勻模型，即假定開關(guān)過程中，非晶態(tài)半導(dǎo)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(dǎo)電絲(filament)，導(dǎo)電絲結(jié)構(gòu)與母體玻璃結(jié)構(gòu)不同。X射線及電子顯微鏡鑒定結(jié)果表明，富Te硫系玻璃的導(dǎo)電絲區(qū)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(guān)過程中，由于導(dǎo)電絲的電場，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；在關(guān)態(tài)時，這些微晶體保持孤立狀態(tài)，當晶體形成連續(xù)相、并具有較高的電導(dǎo)率時，即成為“開態(tài)”，伴隨著非晶態(tài)半導(dǎo)體的析晶或部分析晶，導(dǎo)電絲區(qū)域的性質(zhì)發(fā)生很大變化，因而器件的開關(guān)特性取決于導(dǎo)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(dǎo)體材料，也可以避免導(dǎo)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(dǎo)電絲截面相差很大時，開關(guān)后導(dǎo)電絲組分有少量變化，“關(guān)態(tài)”時，電阻值顯示不出什么區(qū)別。如果在低溫條件下測量，開關(guān)后非晶態(tài)半導(dǎo)體組分的少量變化可以使“關(guān)態(tài)”電阻值差幾個數(shù)量級。

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

　　具有負阻溫度系數(shù)的材料，常由于焦耳熱將材料內(nèi)部的溫度升高，因而電阻值降低，通過更多的電流，轉(zhuǎn)而增加更多的焦耳熱，使受熱區(qū)域通過的電流增加，這樣循環(huán)下去，直到產(chǎn)生的焦耳熱與導(dǎo)電絲產(chǎn)生的焦耳熱平衡。但是根據(jù)非晶態(tài)半導(dǎo)體的“開態(tài)”現(xiàn)象，“開態(tài)”時器件的電壓與膜厚無關(guān)，電壓降應(yīng)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(dǎo)體冷層中產(chǎn)生，這樣就和實驗相矛盾。因而假定非晶態(tài)半導(dǎo)體的電導(dǎo)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(tài)半導(dǎo)體冷層的阻抗，使得非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜的擊穿電壓及“開態(tài)”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 Theories)。這種理論和熱機理的熱阻理論不同，因為場致增強電導(dǎo)，不受非晶態(tài)半導(dǎo)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(shù)區(qū)域。

　　非晶半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨著電場強度呈指數(shù)關(guān)系上升趨勢，圖2所示為“關(guān)態(tài)”時，不同溫度下場強與電導(dǎo)率的關(guān)系。高場強區(qū)域的電導(dǎo)可用表示為：

3 電子理論

　　由于非晶態(tài)半導(dǎo)體在擊穿以前場致電導(dǎo)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(yīng)等導(dǎo)致?lián)舸?。特別是使用薄型非晶態(tài)半導(dǎo)體薄膜，或極易散熱的電極結(jié)構(gòu)時，由熱或熱擊穿引起的導(dǎo)通態(tài)更不易發(fā)生，可是電子運動引起的開關(guān)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(dǎo)致的效應(yīng)方能全面描述開關(guān)現(xiàn)象。

　　場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準費米能級來表示如圖3所示。伴隨電場強度的增加，電導(dǎo)率以指數(shù)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。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(yīng)的場強使電極附近的勢壘變陡、變薄。當注入的載流子數(shù)一定時，便達到穩(wěn)定狀態(tài)，相應(yīng)于“開態(tài)”。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(dǎo)電絲的導(dǎo)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(dǎo)電率將很高，這就是通常的開關(guān)過程。

　　電子開關(guān)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(guān)后可被靠近電極的高電場所提供；

　　(3)這些使玻璃體呈現(xiàn)高電導(dǎo)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(jié) 語

　　非均勻模型論述了非晶態(tài)半導(dǎo)體的閾值開關(guān)在關(guān)態(tài)時，這些微晶體保持孤立狀態(tài)，當晶體形成連續(xù)相、并具有較高的電導(dǎo)率時，即成為“開態(tài)”．器件的開關(guān)特性取決于導(dǎo)電絲的晶體形貌。熱和熱電理論給出“關(guān)態(tài)”時，在不同溫度下，場強與電導(dǎo)率的關(guān)系。電子運動引起的開關(guān)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(dǎo)致的效應(yīng)方能全面描述開關(guān)現(xiàn)象。