非晶態(tài)半導(dǎo)體閾值開(kāi)關(guān)的機(jī)理

非晶態(tài)半導(dǎo)體閾值開(kāi)關(guān)器件是指往復(fù)開(kāi)關(guān)多次不會(huì)破壞的器件。這種器件當(dāng)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(wěn)定的操作點(diǎn)，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(kāi)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(kāi)關(guān)機(jī)理以前，首先應(yīng)肯定非晶態(tài)半導(dǎo)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(jī)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(kāi)關(guān)過(guò)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(qiáng)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(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(rèn)為，在極快的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于導(dǎo)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(dāng)晶體形成連續(xù)相、并具有較高的電導(dǎo)率時(shí)，即成為“開(kāi)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(kāi)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(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(zhǎng)。

在室溫條件下，若當(dāng)電極面積與導(dǎo)電絲截面相差很大時(shí)，開(kāi)關(guān)后導(dǎo)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(qū)別。如果在低溫條件下測(cè)量，開(kāi)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(gè)數(shù)量級(jí)。

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

具有負(fù)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(guò)更多的電流，轉(zhuǎn)而增加更多的焦耳熱，使受熱區(qū)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(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(kāi)態(tài)”現(xiàn)象，“開(kāi)態(tài)”時(shí)器件的電壓與膜厚無(wú)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(shí)驗(yàn)相矛盾。因而假定非晶態(tài)半導(dǎo)體的電導(dǎo)隨著場(chǎng)強(qiáng)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(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(kāi)態(tài)”阻抗大大降低，這就是在熱機(jī)理中加入電子校正，稱為電熱理論（Electrathermal Theories）。這種理論和熱機(jī)理的熱阻理論不同，因?yàn)閳?chǎng)致增強(qiáng)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(fù)阻溫度系數(shù)區(qū)域。

非晶半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨著電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系上升趨勢(shì)。

3 電子理論

由于非晶態(tài)半導(dǎo)體在擊穿以前場(chǎng)致電導(dǎo)驟增，可能是電子過(guò)程，如載流子雪崩、雙注入或強(qiáng)電場(chǎng)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(shí)，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(yùn)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(dǎo)致的效應(yīng)方能全面描述開(kāi)關(guān)現(xiàn)象。

場(chǎng)致載流子從費(fèi)米能級(jí)以下的占有態(tài)躍遷至費(fèi)米能級(jí)以上的空態(tài)，可用費(fèi)米能級(jí)分裂成兩個(gè)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來(lái)表示如圖3所示。伴隨電場(chǎng)強(qiáng)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(bǔ)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(qiáng)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(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)使電極附近的勢(shì)壘變陡、變薄。當(dāng)注入的載流子數(shù)一定時(shí)，便達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，相應(yīng)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(shì)壘薄，載流子很容易從金屬的費(fèi)米能級(jí)隧道進(jìn)入導(dǎo)電絲的導(dǎo)帶和價(jià)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(kāi)關(guān)過(guò)程。

電子開(kāi)關(guān)模型假定：

（1）由玻璃體對(duì)電場(chǎng)的依賴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(xiàn)高電導(dǎo)的電子或空穴可用費(fèi)米能級(jí)分裂成2個(gè)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)來(lái)描述，一個(gè)是電子費(fèi)米能級(jí)；另一個(gè)是空穴費(fèi)米能級(jí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

非均勻模型論述了非晶態(tài)半導(dǎo)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(dāng)晶體形成連續(xù)相、并具有較高的電導(dǎo)率時(shí)，即成為“開(kāi)態(tài)”．器件的開(kāi)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(shí)，在不同溫度下，場(chǎng)強(qiáng)與電導(dǎo)率的關(guān)系。電子運(yùn)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(dǎo)致的效應(yīng)方能全面描述開(kāi)關(guān)現(xiàn)象。

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