Complex conductivity in the presence of long range potential fluctuations. Application to the determination of the gap state density in undoped and boron doped a-Si : H films grown by CVD

In compensated crystalline and amorphous semiconductors long range potential fluctuations (PF), at the scale of the mean free path, largely affect the transport properties : they act on free carriers and they change the average degree of ionization of deep centers. The maximum magnitude of PF varies with the applied field, and the corresponding charge and discharge of deep centers in the bulk, at the frequency of the applied field, contribute to the complex conductivity of the sample. The expressions of the total complex conductivity due to lattice, free carriers and deep centers, and of the complex differential capacitance of a MIS diode, are derived in the general case of a compensated semiconductor with potential fluctuations (PF). These expressions differ significantly from those commonly used when ignoring the existence of PF. This ends up in a new method for the determination of the distribution of gap states which, contrary to other methods, allows to separate the contribution of the localized states from the contribution of band carriers. This method is applied to the interpretation of our data on a-Si: H films grown by CVD. The real and the imaginary parts of the conductivity can be fitted in wide ranges of temperatures and frequencies. The variations of the complex conductivity are completely explained by the action of PF on the transport of free carriers and on the ionization of deep centers. There is no evidence of hopping transport. The density of states shows a discrete series of peaks possibly superposed to a lower continuous density.Dans les semi-conducteurs compensés, à l'état cristallin ou à l'état amorphe, des fluctuations de potentiel s'etendant sur des distances grandes devant le libre parcours moyen des porteurs affectent de façon importante les propriétés de transport : elles agissent sur le déplacement des porteurs libres et changent le degré d'ionisation des centres profonds. L'amplitude maximale des fluctuations de potentiel varie avec le champ électrique appliqué, de sorte que la charge et la décharge de ces centres, à la fréquence du champ appliqué, contribuent à la conductivité complexe du matériau. Nous établissons l'expression de la conductivité complexe totale due au réseau, aux porteurs libres, et aux centres profonds, dans le cas général d'un semiconducteur compense, c'est-à-dire présentant des fluctuations de potentiels. Ces expressions diffèrent considérablement de celles qui sont valables en l'absence de fluctuations. II en résulte une nouvelle méthode de détermination de la densité d'états dans la bande interdite qui, contrairement aux techniques d'effet de champ, permet de séparer la contribution des états localisés de celle des porteurs des bandes. Cette méthode est appliquée à l'interprétation de nos mesures sur des films de a-Si: H déposés par CVD. Les valeurs calculées des parties réelle et imaginaire de la conductivité sont en accord avec les valeurs expérimentales dans de grands intervalles de température et de fr£quence. Les variations de la conductivité complexe sont complètement expliquées par la seule influence des fluctuations de potentiel sur le déplacement des porteurs libres et sur l'ionisation des centres profonds. On ne met pas en évidence une conduction par sauts. La densité d'états présente une série de pics discrets éventuellement superposés à une distribution continue de plus faible densité