Mechanisms of temperature- and field-dependent effective drift mobilities and impact ionization coefficients in amorphous selenium

Abstract

The mechanisms of electric-field-and temperature-dependent effective drift mobility and impact ionization coefficient of both holes and electrons in amorphous selenium (a-Se) are investigated in this paper. An analytical model for the microscopic mobility, momentum relaxation mean free path, and hence the effective drift mobility and impact ionization coefficient of carriers, is proposed in this paper by considering the density of states distribution, field enhancement release rate from the shallow traps, and carrier heating. The results of the model are fitted with the published experimental results on effective mobility and impact ionization coefficient with wide variations of the applied electric field and temperature. A better fitting considering thermally activated tunneling for the field-enhancement release rate indicates that the effective drift mobility at extremely high fields is mainly controlled by the neutral defect states near the band edges. The density of state function near the band edges, consisting of an exponential tail and a Gaussian peak, can successfully describe the electric-fieldand temperature-dependent effective drift mobility characteristics in a-Se. The momentum relaxation mean free path decreases with increasing field and decreasing temperature, which is required to describe the electric-field-and temperature-dependent behaviors of impact ionization coefficient in a-Se. PACS Nos.: 72.20.Jv, 72.20.Ht, 71.23.An.Résumé : Nous étudions ici les mécanismes de dépendance en champs électriques et en température de la mobilité de dérive efficace et du coefficient d'ionisation par impact des trous et des électrons dans le sélénium amorphe (a-Se). Nous tenons compte de la distribution de densité d'états, de la libération du renforcement du champ des pièges peu profonds et du réchauffement des porteurs, afin de proposer un modèle analytique pour la mobilité microscopique, le libre parcours moyen de relaxation d'impulsion et ainsi la mobilité de dérive efficace et le coefficient d'ionisation par impact. Les résultats du modèle sont ajustés avec les résultats expérimentaux publiés sur la mobilité efficace et le coefficient d'ionisation par impact avec de grandes variations du champ électrique et de la température. Un meilleur ajustement qui tient compte d'un effet tunnel dans la libération de renforcement du champ indique que la mobilité de dérive aux valeurs élevées de champ est surtout contrôlée par les états défauts près des bords de bande. La fonction de densité d'états près du bord de bande qui consiste en un pic gaussien et une queue exponentielle peut décrire avec succès les caractéristiques de la dépendance sur le champ électrique et la température de la mobilité de dérive dans le a-Se. Le libre parcours moyen de relaxation de l'impulsion diminue lorsque le champ croît et que la température baisse, ce qui est nécessaire pour décrire correctement la dépendance en température du coefficient d'ionisation par impact dans a-Se. [Traduit par la Rédaction]

Non-Markovian Hole Excess Noise in Avalanche Amorphous Selenium Thin Films

“…Kasap and Rubel implemented a modified lucky-drift model for a -Se. , A feature of the modified lucky-drift model is an explicit treatment of elastic scattering due to the disorder potential inherent to amorphous solids, in addition to the inelastic scattering by nonpolar optical and acoustic phonons. The scattering by a disorder potential is assumed to be the dominant mechanism of the momentum relaxation for energetic electrons. − In this work, we use an MC-based multiscale simulation framework, see Supporting Information (SI) section S1, to calculate the ENF as a function of gain and thickness in bulk a -Se films. Our work for the first time laid down quantum mechanical formulations using Fermi’s golden rule to calculate energy dependent phonon scattering (acoustic, polar optical emission/absorption, and nonpolar optical emission/aborption), hole-dipole scattering (caused by valence alternate pair type defects as scattering centers), disorder scattering (to account for the lack of long-range order in the amorphous phase), and impact ionization scattering rates in a -Se, as shown in Figure a. , The energy and momentum relaxation dynamics of the individual scattering mechanisms are summarized in Table .…”

A Polaronic View of Impact Ionization in Amorphous Se Films

“…To this problem, Canadian groups (with coworkers) have applied a lucky‐drift model for crystalline semiconductors after some modifications . They assumed, following the conventional carrier‐transport formulation under so‐called frozen‐lattice approximation, that holes, which are more mobile than electrons in a‐Se, gain sufficient kinetic energies for impact ionization through elastic collisions with disordered potentials .…”