什麼是非晶矽
沒有長程週期性的矽。以氫終結懸鍵的a-Si:H，用於薄膜電晶體與薄膜太陽能電池。
日文名稱: アモルファスシリコン
「非晶矽」出現在1領域的2道練習題中（玻璃與非晶質材料等）。
這個名詞所屬的領域: 玻璃與非晶質材料
結構的特徵
在非晶矽中，幾乎所有的Si原子都與晶體一樣，和4個Si共價鍵結。但鍵角相對於晶體的109.5°平均有約10°的偏差，鍵長也稍有偏差，因此失去長程週期性。這種結構以四面體一邊無序一邊相連的連續無規網絡表示。由於網絡的應變，部分原子無法滿足4個鍵，留下懸鍵。這些晶體所沒有的無序與懸鍵，是決定電性質的主要因素。
能態密度與電性質
在晶體中，價帶與導帶的邊緣清楚，其間沒有電子的能態。在a-Si:H中，由於網絡的無序，會形成從能帶邊緣以指數函數延伸到能隙中的尾端能態。尾端能態中的電子是局域的而不易移動，與可移動能態的分界之間的能量寬度稱為遷移率能隙。光學能隙約為1.7〜1.8 eV。懸鍵在能隙中央附近形成能階。1975年Spear與LeComber證明，在以氫減少缺陷的膜中添加磷或硼，可以控制導電型，開啟了通往電子元件的道路。
光劣化與太陽能電池的結構
a-Si:H能強烈吸收可見光，但載子能擴散的距離短，因此太陽能電池採用在p層與n層之間夾入不摻雜、厚度數百nm之i層的pin結構，以內部電場取出載子。持續照光時會發生懸鍵增加、效率下降的Staebler-Wronski效應，使用初期效率下降後，最後幾乎維持一定。這種劣化加熱到約150℃就會恢復。單接面電池穩定後的效率，即使是研究階段的最高值也只有約10%，曾以與微晶矽堆疊的串疊型等加以改善。
在顯示器與結晶矽太陽能電池中的角色
a-Si:H能以電漿CVD在約300℃以下，於大型玻璃基板上均勻成膜，因此被用於切換液晶顯示器畫素的薄膜電晶體（TFT）。不過其TFT的場效遷移率約為0.5〜1 cm²/(V·s) 而很小，因此在高解析度與有機EL的驅動上，已改用約10 cm²/(V·s) 的氧化物半導體（IGZO），以及約100 cm²/(V·s) 左右的低溫多晶矽。另一方面，在結晶矽太陽能電池中，以薄的a-Si:H層鈍化表面缺陷的異質接面型電池，支撐著高效率。
練習非晶矽的題目
用於太陽能電池或薄膜電晶體的非晶矽，以矽烷的電漿CVD製作成含氫約10%的a-Si:H，主要理由為下列何者？
- A氫在間隙作為施體，不摻雜磷也能使膜成為n型
- B氫促進Si結晶化，使膜成為遷移率高的多晶矽而提升特性
- C以氫終結Si的懸鍵，減少能隙中的缺陷能階
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正確答案：C. 以氫終結Si的懸鍵，減少能隙中的缺陷能階
不含氫的非晶矽因網絡的無序，沒有鍵結對象的鍵（懸鍵）多達約10¹⁹〜10²⁰ cm⁻³，它們形成的能階位於能隙中央附近，會捕捉電子與電洞。因此即使加入摻雜物，費米能階也幾乎不移動，光產生的載子也很快復合。氫以Si-H鍵終結懸鍵後，缺陷密度降到約10¹⁵〜10¹⁶ cm⁻³，才能用磷或硼做成n型或p型。氫並不是作為施體，在一般的成膜條件下膜仍是非晶質（以氫大量稀釋的矽烷也能形成微晶膜，但那是另一種目的）。持續照光時缺陷增加的Staebler-Wronski效應，也與這些氫有關。
氫化非晶矽（a-Si:H）與結晶矽性質的比較，正確者為下列何者？
- A原子排列無序，因此幾乎不吸收可見光，可取代ITO用於透明電極
- B可見光吸收係數比結晶矽大，1 µm以下的膜即可，但電子遷移率小2〜3個數量級
- C電子遷移率比結晶矽還要大，因此目前取代結晶矽而被廣泛用於高速微處理器的電晶體之中
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正確答案：B. 可見光吸收係數比結晶矽大，1 µm以下的膜即可，但電子遷移率小2〜3個數量級
結晶矽是間接能隙型半導體，對可見光中波長較長的光吸收弱，因此太陽能電池通常使用厚度100 µm以上的基板。a-Si:H沒有長程週期性，躍遷前後動量守恆的限制放寬，因此可見光的吸收係數比晶體大，厚度1 µm以下的膜就能吸收光。另一方面，載子會被無序網絡形成的能帶尾端能階捕捉，因此電子遷移率約為1〜10 cm²/(V·s)，比結晶矽的約1400 cm²/(V·s)小2〜3個數量級。因此不適合高速邏輯電路，而是發揮能在約300℃大面積成膜的優點，用於液晶顯示器畫素的TFT與薄膜太陽能電池。其能隙約1.7 eV，會強烈吸收可見光，不能作為透明電極。
常見問題
非晶矽與多晶矽有什麼不同？
多晶矽是晶粒的集合，晶粒中的原子週期性地排列。非晶矽沒有晶粒，整體沒有長程週期性。多晶矽的遷移率大得多，而非晶矽的優點是容易在低溫下大面積均勻成膜。
加熱非晶矽會怎樣？
加熱到數百℃以上時氫會脫出而缺陷增加，再於約600℃以上長時間保持，或以雷射瞬間熔化時，會結晶化成為多晶矽。低溫多晶矽的TFT，就是以準分子雷射使玻璃基板上的a-Si膜結晶化而製作的。
非晶矽太陽能電池用在哪些地方？
它在室內螢光燈這類弱光下也容易發電，又能做得薄、便宜且大面積，因此廣泛用作計算機與手錶等小型機器的電源。在戶外發電方面，則以效率高的結晶矽太陽能電池為主流。
解析中的「非晶矽」
不含氫的非晶矽因網絡的無序，沒有鍵結對象的鍵（懸鍵）多達約10¹⁹〜10²⁰ cm⁻³，它們形成的能階位於能隙中央附近，會捕捉電子與電洞。
用於太陽能電池或薄膜電晶體的非晶矽，以矽烷的電漿CVD製作成含氫約10%的a-Si:H，主要理由為下列何者？a-Si:H沒有長程週期性，躍遷前後動量守恆的限制放寬，因此可見光的吸收係數比晶體大，厚度1 µm以下的膜就能吸收光。
氫化非晶矽（a-Si:H）與結晶矽性質的比較，正確者為下列何者？