7.1.7: Semiconductores amorfos

Los semiconductores amorfos son formas desordenadas o vítreas de materiales semiconductores cristalinos. Al igual que los vidrios no conductores, son estructuras de red con enlaces principalmente covalentes. El silicio cristalino, que tiene la estructura de diamante, es una disposición ordenada de anillos de silicio fusionados de seis miembros, todo en la conformación “silla”, como vimos en el Ch. 8. El ambiente de unión local de los átomos de silicio es tetraédrico. Los átomos de silicio en el silicio amorfo (a-Si) también están coordinados predominantemente tetraédricamente, pero no hay un orden de largo alcance en la estructura. Además de los anillos de seis miembros, hay anillos de cinco y siete miembros, así como algunos sitios de “enlace colgando” en los que los átomos de Si tienen solo tres vecinos más cercanos.

Ilustración esquemática de las estructuras de silicio cristalino (izquierda), silicio amorfo (centro) y silicio hidrogenado amorfo (derecha)

Dos de los semiconductores amorfos más estudiados son a-Si y selenio amorfo, a-Se. Si y Se pueden hacer ambos en forma vítrea, generalmente por pulverización catódica o evaporación a temperatura relativamente baja. En a-Se, como en a-Si, localmente, la mayoría de los átomos tienen su valencia “normal”, pero hay muchos defectos e irregularidades en la estructura. Los enlaces colgados en semiconductores amorfos tienen energías orbitales en medio de la brecha, y los electrones en estos estados son efectivamente no enlazantes. Debido a que estos sitios de enlace colgando están muy separados entre sí, hay poca superposición orbital entre ellos, y también existen en un rango de energías. Por lo tanto, los electrones en estos estados de brecha media están localizados, un fenómeno conocido como localización de Anderson. El Si amorfo es aislante porque los electrones del nivel Fermi (en el medio de la brecha) no son móviles en la red. Estos estados localizados crean una brecha de movilidad, y solo los electrones en estados que están fuertemente unidos o antiadherentes son deslocalizados. Por lo tanto, el a-Si no modificado no es muy útil como semiconductor. Sin embargo, al hidrogenar el material a medida que se forma (típicamente en un plasma de átomos de H), los átomos de Si subcoordinados están unidos a átomos de hidrógeno. Esto genera orbitales de unión llenos y antiadherentes vacíos, cuyas energías están fuera de la brecha de movilidad. Por lo tanto, la hidrogenación disminuye la densidad de estados en la brecha de movilidad. El silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) es aislante en la oscuridad, pero es un buen fotoconductor porque la absorción de luz crea electrones y agujeros en estados móviles que están fuera de la brecha de movilidad.

Energía vs. DOS para un semiconductor amorfo. El desorden y los lazos colgados dan como resultado estados localizados de brecha media.

La fotoconductividad del Se amorfo se explota en xerografía. Un tambor conductor recubierto con A-Se, que es aislante, se carga con electricidad estática por descarga en corona de un cable. Cuando el tambor se expone a un patrón de luz y oscuridad (la imagen a duplicar), las áreas A-se iluminadas se vuelven conductoras y la carga estática se disipa de esas partes del tambor. Luego, las partículas de tóner que contienen carbono se adhieren mediante carga estática a las áreas que no fueron expuestas a la luz, y se transfieren y se adhieren al papel para hacer la copia. La velocidad del proceso y la alta resolución de transferencia de patrones dependen de la muy baja conductividad de a-Se en la oscuridad y su alta conductividad bajo iluminación.

Carga de Se amorfo y transferencia de patrones en el ciclo xerográfico.

El Si hidrogenado amorfo se utiliza en células solares de película delgada de bajo costo. La brecha de movilidad es de aproximadamente 1.7 eV, que es mayor que la banda prohibida cristalina de Si (1.1 eV). a-Si:H es un material de separación directa y, por lo tanto, las películas delgadas son buenos absorbentes de luz. Las células solares a-Si:H pueden depositarse en vapor en láminas de gran área. Las células p ⁺ Si-a-Si:H-n ⁺ Si tienen alrededor de 10% eficiencia de conversión de energía. Sin embargo, las células solares de Si amorfo pierden gradualmente eficiencia a medida que se exponen a la luz. El mecanismo de esta pérdida de eficiencia, llamado efecto Staebler-Wronski, ^[9], involucra pares electrón-agujero fotogenerados que tienen suficiente energía para provocar cambios químicos en el material. Si bien el mecanismo exacto aún no está claro, se ha propuesto que la energía de la recombinación electrón-agujero rompe un enlace Si-Si débil, y que uno de los enlaces colgando resultantes abstrae un átomo H, dejando un centro Si-H pasivado y un enlace permanente colgando. El efecto se minimiza mediante la hidrogenación de a-Si y se puede revertir parcialmente por recocido.

Una calculadora que funciona con energía solar y de batería

Las capas delgadas de silicio amorfo se utilizan junto con silicio cristalino en células solares de capa delgada intrínseca de heterounión (HIT). ^[10] Debido a que la brecha de movilidad de a-Si es más ancha que la banda prohibida de c-Si, existe una barrera de energía potencial en la interfaz amorfo-cristalina que refleja electrones y agujeros alejados de esa interfaz. En el contacto p ⁺, solo los agujeros pueden hacer un túnel a través de la barrera, mientras que solo los electrones pueden hacer un túnel a través de la barrera hasta el contacto n ⁺. La pasivación de defectos superficiales que son sitios de recombinación electrón-hueco evita un importante mecanismo de pérdida en las células solares, aumentando tanto la fototensión como la fotocorriente en relación con las células convencionales de unión c-Si p-n. Panasonic y Sanyo han anunciado la producción de celdas HIT con eficiencias de conversión de energía de hasta 23%.

Estructura en capas de una célula solar HIT. Las capas no se dibujan a escala. Una gruesa capa cristalina de n-silicio es el absorbedor de luz, y los agujeros fotogenerados, que son los portadores minoritarios, se reflejan lejos del contacto posterior de aluminio por la fina capa intrínseca de a-Si allí.