تحقیق مقاله ساختار های دورآلاییده

مقدمه:

امروزه قطعات جدیدی در دست تهیه­اند که از لایه­ های نازک متوالی نیمه­رساناهای مختلف تشکیل می شوند . هر لایه دارای ضخامت مشخصی است که به دقت مورد کنترل قرار می گیرد و از مرتبه 10 نانومتر است . اینها ساختارهای ناهمگون نامیده می شوند . خواص الکترونی لایه­ های بسیار نازک را می توان با بررسی ساده­ای که برخی از اصول اساسی فیزیک کوانتومی را نشان می دهد به دست آورد [31] .

در این فصل ابتدا به بررسی خواص نیمه­رسانا می پردازیم سپس با نیمه­ رسانا های سیلیکان و ژرمانیوم آشنا می شویم و بعد از آن انواع روشهای رشد رونشستی و ساختارهای ناهمگون را مورد بررسی قرار  می دهیم و همچنین ساختارهای دورآلاییده را بررسی می کنیم و در آخر نیز به بررسی کاربرد ساختارهای دورآلاییده و ترانزیستور های اثر میدانی می پردازیم.   

1-1 نیمه ­رسانا:

در مدل الکترون مستقل الکترون­های نوار کاملاً پر هیچ جریانی را حمل نمی­کنند این یک روش اساسی برای تشخیص عایق­ها و فلزات از هم است . در حالت زمینه یک عایق تمام نوارها یا کاملاً پر یا کاملاً خالی هستند اما در حالت زمینه یک فلز حداقل یک نوار به طور جزئی پر است . روش دیگر تشخیص عایق­ها و فلزات بحث گاف انرژی است گاف انرژی یعنی فاصله بین بالاترین نوار پر و پایین­ترین نوار خالی .

یک جامد با یک گاف انرژی در   عایق خواهد بود. در نتیجه با گرم کردن عایق همچنانکه دمای آن افزایش می­یابد بعضی از الکترون­ها به طور گرمایی تحریک شده و از گاف انرژی به سمت پایین­ترین نوار غیر اشغال گذار می­کنند . جای خالی الکترون­ها در نوار ظرفیت را حفره می­نامند این حفره­ها ماهیتی مانند بار مثبت دارند در نتیجه در روند رسانش هم الکترون­ها و هم حفره­ها شرکت می­کنند . الکترون­های برانگیخته شده در پایین­ترین قسمت نوار رسانش قرار می­گیرند در صورتیکه حفره­ها در بالاترین قسمت نوار ظرفیت واقع می­شوند .

جامداتی که در  عایق بوده اما دارای گاف انرژی به اندازه­ای هستند که برانگیزش گرمایی منجر به مشاهده رسانشی در  شود به عنوان نیمه­رسانا شناخته می­شود .

ساده­ترین عناصر نیمه رسانا از گروه چهارم جدول تناوبی هستند که به آنها نیمه­رساناهای تک عنصری می­گویند سیلیکون و ژرمانیوم دو عنصر مهم نیمه­رساناها هستند . علاوه بر عناصر نیمه­رسانا ترکیبات گوناگون نیمه­رسانا هم وجود دارد . GaAsیک نمونه نیمه­رساناهای  است که از ترکیب عناصر گروه  (Ga) و گروه(As) بدست آمده­اند و در ساختار زینک بلند متبلور می­شوند . همچنین بلور نیمه­رسانا از عناصر گروه   و  هم بوجود می­آید که می­تواند ساختار زینک­بلند داشته باشد و به عنوان نیمه­رساناهای قطبی شناخته شده­اند [1].

1-2  نیمه ­رسانای با گذار مستقیم و غیر مستقیم:             

 هرگاه کمینه نوار رسانش و بیشینه نوار ظرفیت یک نیمه­رسانا در یک نقطه فضایk  قرار بگیرند به چنین نیمه­رسانایی نیمه رسانای با گذار مستقیم می­گویند.

اما اگر کمینه نوار رسانش و بیشینه نوار ظرفیت یک نیمه­رسانا در یک نقطه فضای k  قرار نگیرند به چنین نیمه­رسانایی نیمه­رسانای با گذار غیر مستقیم می­گوییم.

الکترون­ها کمینه نوار رسانش و حفره­ها بیشینه نوار ظرفیت را اشغال می­کنند [1] 

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)

1-3 جرم موثر :

الکترون­ها در بلور بطور کامل آزاد نیستند بلکه با پتانسیل متناوب شبکه برهمکنش دارند . در نتیجه حرکت موج ذره­ای آنها را نمی توان مشابه الکترون­ها در فضای آزاد دانست . برای اعمال معادلات معمولی الکترودینامیک به حامل­های بار در یک جامد باید از مقادیر تغییر یافته جرم ذره استفاده کنیم در این صورت اثر شبکه منظور شده و می­توان الکترون­ها و حفره­ها را به صورت حامل­های تقریباً آزاد در بیشتر محاسبات در نظر گرفت .

جرم موثر یک الکترون در ترازی با رابطه معین (E,K) به صورت زیر است :  

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)

پس انحنای نوار تعیین کننده جرم موثر الکترون است . برای نوار متمرکز حول K=0 رابطه (E;K) در نزدیکی حداقل معمولاً سهموی است :

(1-2)                                                                      

این رابطه نشان می­دهد که جرم موثر در نوار سهموی ثابت است .

   انحنای         در محل حداقل­های نوار رسانش مثبت ولی در محل حداکثرهای نوار ظرفیت منفی است . بنابراین الکترون­ها در نزدیکی بالای نوار ظرفیت دارای جرم موثر منفی هستند . الکترون-های نوار ظرفیت با بار منفی و جرم منفی در یک میدان الکتریکی در همان جهت حفره­های با بار و جرم مثبت حرکت می­کنند . در جدول زیر جرم­های موثر بعضی از مواد آورده شده است . جرم موثر الکترون با  و جرم موثر حفره با  نشان داده می شود [28] .

-4 نیمه­رسانای ذاتی :

یک بلور نیمه­رسانای کامل فاقد هرگونه ناخالصی یا نقائص بلوری به نام نیمه­رسانای ذاتی شناخته می­شود . در چنین ماده­ای هیچگونه حامل آزادی در صفر کلوین وجود ندارد زیرا نوار ظرفیت از الکترون­ها پر شده و نوار رسانش خالی است . در دماهای بالاتر با برانگیزش گرمایی الکترون-های نوار ظرفیت به نوار رسانش از طریق گاف نواری زوج-های الکترون حفره تولید می­شود . این زوج­ها تنها حامل­های موجود در ماده ذاتی هستند .

بدلیل تولید زوج الکترون­ها و حفره­ها تراکم  از الکترون­های نوار رسانش (تعداد الکترون­ها در هر سانتی متر مکعب ) برابر با تراکم  از حفره-ها در نوار ظرفیت (تعداد حفره­ها در هر سانتی متر مکعب ) است . هر یک از این تراکم حامل­های ذاتی را معمولاً با  نمایش  می­دهند . پس برای ماده ذاتی داریم :

فرمول

برانگیختی حامل­های ذاتی به طور نمایی به        بستگی دارد که در آن Eg گاف انرژی                   است و این بستگی به صورت رابطه زیر است [38]:    

فرمول

 مقدار ni در دمای اتاق برای  Si، Ge و GaAs به ترتیب برابر با (cm-3 )1010 × 45/1،          (cm-3 )1012 × 5/2 و (cm-3 )106 × 79/1 است .                                        

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)

 1-5 نیمه­رسانای غیر ذاتی و آلایش  :

علاوه بر حامل­های ذاتی تولید شده با گرما می­توان با وارد کردن تعمدی ناخالصی به بلور حامل­های اضافی در نیمه­رساناها بوجود آورد . این فرایند مرسوم به آلایش متداولترین روش برای تغییر رسانایی در نیمه­رساناهاست .

با عمل آلایش می­توان بلور را طوری تغییر داد که دارای اکثریتی از الکترون­ها یا حفره­ها بشود . پس توسط آلایش دو نوع نیمه­رسانا بوجود می­آید : نوع  (اکثریت الکترونی) و نوع (اکثریت حفره­ای ). هنگامیکه بر اثر آلایش در یک بلور تراکم حالت تعادل حامل-های آن و  با تراکم ذاتی حامل­ها  تفاوت داشته باشد گوییم ماده غیر ذاتی است .

هنگامیکه ناخالصی­ها یا نقص­های شبکه در یک بلور تقریباً کامل وارد می­شوند ترازهای اضافی در ساختمان نوار انرژی و معمولاً درون گاف نوار ایجاد می­شود.مثلاً یک ناخالصی از ستون پنجم جدول تناوبی (p  و As و Sb ) تولید یک تراز انرژی در نزدیکی نوار رسانش از Si یا Ge  می­کند. این تراز در صفر کلوین توسط الکترون­ها پر شده و انرژی گرمایی خیلی کمی برای برانگیختن این الکترون­ها به نوار رسانش لازم است . بنابراین در دماهای بیش از چند صدکلوین تمام الکترون-ها در تراز ناخالصی در واقع به نوار رسانش " بخشیده " می­شوند. یک چنین تراز ناخالصی را تراز دهنده و ناخالصی-های ستون پنجم در Ge  یا Si  را ناخالصی-های دهنده می­نامند. از شکل (1-3) پیداست که ماده دارای ناخالصی-های دهنده می­تواند حتئ در دماهای پایین که تراکم حامل­های ذاتی زوج الکترون حفره قابل توجه نیست تراکم قابل ملاحظه­ای از الکترون­ها در نوار رسانش داشته باشد . بنابراین نیمه رساناهای ناخالص شده با تعداد قابل توجهی اتم دهنده دارای    در دمای معمولی بوده و یک نیمه­رسانای نوع  محسوب می­شوند.        

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)

اتم­های ستون  (In ,Ga ,Al ,B) در Ge یا Si  ترازهای ناخالصی در نزدیک نوار ظرفیت بوجود می­آورند . ( شکل 1-4) در دماهای پایین الکترون­های نوار ظرفیت انرژی گرمایی کافی برای رفتن به تراز ناخالصی و بر جا گذاشتن حفره­هایی در نوار ظرفیت را دارا هستند . از آنجایی که این نوع تراز ناخالصی الکترون­ها را از نوار ظرفیت "می­پذیرد" به آن تراز گیرنده و ناخالصی­های ستون سوم را ناخالصی­های گیرنده یا پذیرنده در Ge  و Si  می­نامند . همانطور که شکل (1-4) نشان می­دهد آلایش با ناخالصی­های پذیرنده می­تواند یک نیمه-رسانا با تراکم حفره خیلی بیشتر از تراکم الکترون­های ذاتی بوجود آورد (که یک نیمه-رسانای نوع p نامیده می­شود ).

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)

در مدل پیوند کووالانسی اتم­های دهنده و پذیرنده را می­توان مطابق شکل (1-5) تجسم کرد . یک اتم Sb ( از ستون پنجم ) در شبکه Si دارای چهار الکترون ظرفیت لازم برای تکمیل پیوندهای کووالانسی به علاوه یک الکترون اضافی است این الکترون در ساختار پیوندی شبکه جا نگرفته و بنابراین دارای یک پیوند سست با اتم Sb  است . مقدار اندکی انرژی گرمایی می­تواند منجر به غلبه این الکترون اضافی بر پیوند کولنی خود با اتم ناخالصی شده و آن را وارد شبکه کند و در نتیجه برای شرکت در رسانش جریان آزاد خواهد بود . این روند یک مدل کیفی از برانگیختگی الکترونها به خارج از تراز دهنده و به درون تراز رسانش است (شکل 1-3 ). بطور مشابه ناخالصی Al  از ستون  تنها دارای سه الکترون ظرفیت برای مشارکت در پیوند کووالانسی است (شکل 1-5 ) و بنابراین یک پیوند را ناقص می­گذارد. با اندکی انرژی گرمایی این پیوند ناقص می­تواند با جابجایی موقعیت الکترون­های پیوند به اتم­های دیگر منتقل شود [28] .

(نمودار و تصاویر و جداول در فایل اصلی موجود است)