بخشی از پاورپوینت
--- پاورپوینت شامل تصاویر میباشد ----
اسلاید 1 :
مواد نیمه رسانای تک عنصری متعلق به گروه چهارم جدول تناوبی میباشند (Si، Ge). اکثر نیمه رساناهای مرکب دوتایی از ترکیب عناصر گروه سوم و پنجم و یا گروه دوم و ششم (گروههایی که بصورت متقارن در مجاورت گروه چهارم قرار دارند) حاصل میشوند.
مثال: ترکیبهای دوتایی III-V : GaAs، InSb
ترکیبهای دوتایی II-VI: ZnS، CdSe
نیمه رساناهای مرکب دوتایی از ترکیب سیلیسیم وسایر عناصر گروه چهارم نیزبدست می آیند مانند: SiC
نیمه رساناهای سه تایی: AlGaAs؛ نیمه رساناهای چهارتایی: InGaAsP
اسلاید 2 :
براساس آرایش اتمی جامدات به سه نوع بلوری(crystalline)، نیمه بلوری(polycrystalline)، و بی شکل (amorphous)تقسیم میشوند.
اتمهای تشکیل دهنده جامدات تک بلوری مانند نیمه رساناها و فلزات دارای آرایش تناوبی می باشند، بدین معنا که آرایش خاصی از اتمها در تمام جامد تکرار شده و با مشخص شدن تناوب اصلی ساختار بلوری در یک سری نقاط معادل شکلی یکسان دارد.
جامدات بی شکل مانند دی اکسید سیلیسیم (SiO2) فاقد ساختار تناوبی هستند.
جامدات چند بلوری یا نیمه بلوری مانند polysilicon از تعداد زیادی ناحیه کوچک تک بلوری تشکیل یافته اند.
نیمه رساناهای مورد استفاده در قطعات الکترونیکی انحراف ناچیزی از حالت تناوب دارند که ناشی از افزودن اتمهای ناخالصی (مانند فسفر و بور) به منظور کنترل خواص الکتریکی نیمه رسانا می باشد.
اسلاید 3 :
بلور ماده جامدی است که در آن موقعیت اتمها دقیقا تناوبی باشد. برای ساختار دو بعدی زیر اتمهای A ، B و C معادل هستند، زیرا برای یک ناظر در هریک از این سه موضع اتمی، بلور کاملا یکسان به نظر میرسد.
بعبارت دیگر بلور تقارن انتقالی یا (translational symmetry) دارد. یعنی اگر بلور بوسیله برداری که هریک از دو اتم (برای مثال T) را به یکدیگر متصل میکند انتقال یابد ظاهر ساختار حاصل دقیقا با ظاهر بلور پیش از انتقال یکسان خواهد بود.
اسلاید 4 :
آرایش متناوب اتمی در یک بلور شبکه یا Lattice نامیده میشود.
خواص تناوبی شبکه بلوری نه تنها تعیین کننده خواص مکانیکی بلوراست بلکه، بدلیل وابستگی انرژی مجاز الکترونهای شرکت کننده در فرآیند رسانش به خواص تناوبی، خواص الکتریکی بلور را نیز مشخص میسازد.
شبکه دارای حجمی موسوم به سلول یکه است که نماینده تمام شبکه بوده و بصورت منظم درون بلور تکرار میشود.
با استفاده از سلول یکه میتوان کل بلور را تحلیل کرد. برای مثال سلول یکه را میتوان برای تعیین نزدیکترین فاصله بین اتمهای مجاور، چگالی اتمی شبکه (تعداد اتمهای موجود در واحد حجم سلول یکه)، و کسری از حجم سلول یکه که توسط اتمها اشغال شده است، بکار برد.
در ساده ترین شبکه های سه بعدی سلول یکه یک حجم مکعبی است. بعد a برای یک سلول یکه مکعبی ثابت شبکه نامیده میشود. ساختار مکعبی ساده، simple cubic (به اختصار sc) دارای یک اتم در هر گوشه از سلول یکه است. بنابراین، سلول یکه شامل یک اتم (8x1/8) میباشد.
اسلاید 5 :
تعداد اتمهای موجود در سلول یکه برابر با یک می باشد.
اسلاید 6 :
برای شبکه sc فاصله بین اتمهای همسایه برابر با ثابت شبکه یا a میباشد. بنابراین چگالی اتمی این شبکه برابر با 1/a3 میباشد.
میتوان بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را با تقریب اتمها به صورت کره های سخت محاسبه کرد. شعاع این کره ها برای مقدار بیشینه این کسر برابر با نصف فاصله بین نزدیکترین اتمهای همسایه است. در این حالت اتمها تا حد ممکن متراکم میشوند، بطوریکه فضای بین لبه های بیرونی نزدیکترین همسایه ها صفر خواهد بود.
بنابراین مقدار این کسر برای شبکهsc برابر است با
= =0.52حجم سلول یکه/(حجم هر کره X تعداد کره ها)
شبکه مکعبی با وجه مرکزدار، face-centered cubic (به اختصار fcc) دارای اتمهایی در هریک ازهشت گوشه و در مرکز شش وجه است. بنابراین، سلول یکه شامل چهار اتم میباشد (8x1/8+6X1/2). در این شبکه فاصله بین نزدیکترین اتمهای همسایه برابربا یا
است. بنابراین بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها برابر با یا 74% می باشد.
شبکه مکعبی بدنه مرکزدار، bcc، دارای اتمهایی در هر یک از هشت گوشه و یک اتم اضافی در مرکز مکعب است. بنابراین، سلول یکه شامل دو اتم میباشد (8x1/8+1). بهمین ترتیب میتوان نشان داد که بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه bcc توسط اتمها 68% است.
اسلاید 7 :
ساختار شبکه پایه اغلب نیمه رساناهای مهم شبکه الماسی است که مشخصه نیمه رساناهای تک عنصری، Si و Ge، می باشد. بسیاری از نیمه رساناهای مرکب نیز شبکه الماسی دارند که در آن اتمها بصورت یک در میان متفاوت هستند که دراینصورت شبکه الماسی را شبکه سولفید روی (ZnS) یا زینک بلند (Zincblende) مینامند. شبکه سولفید روی نمونه ترکیبهای III-V است.
شبکه الماسی را میتوان به شکل یک ساختار fcc در نظر گرفت که یک اتم اضافی در فاصله از هر یک از اتمهای تشکیل دهنده fcc دارد، در جاییکه a برابر با ثابت شبکه است.
این فاصله برابر یک چهارم قطر بدنه ای مکعب است.
اسلاید 8 :
شبکه الماسی Si همانند شبکه fcc دارای اتمهایی در هریک ازهشت گوشه و در مرکز شش وجه است. بعلاوه این شبکه دارای 4 اتم در داخل حجم مکعبی است که در فاصله ای بطول یک چهارم قطر بدنه ای مکعب از هر یک از اتمهای fcc قرار دارند.
مثال: اگرثابت شبکه Si 5.43x10-8cm باشد، چگالی اتمی، چگالی، و بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را برای Si محاسبه کنید.
نتیجه کلی: قرار گرفتن اتمهای بلور در صفحه های معین ویژگیهای مکانیکی وشیمیایی آنها را تعیین میکند؛ بلورها را میتوان در راستای صفحات اتمی معینی برش داد تا به سطوح صاف منحصر بفردی، مانند آنچه در نگین های الماس مشاهده میشود، دست یافت
اسلاید 9 :
کنش متقابل بین الکترونها در اتمهای همسایه یک جامد عامل بسیار مهمی در بهم چسبیدگی بلور است. در شبکه بلوری NaCl این پیوند از نوع یونی است. هر کاتیون Na بر روی شش آنیون Cl همسایه آن نیروی جاذبه الکتروستاتیکی اعمال میکند و بالعکس. این نیروهای کولنی یون ها را در شبکه به سوی یکدیگر کشیده تا اینکه بر اثر نیروهای دافعه حالت تعادل بوجود آید.
در فلزات، الکترونهای بیرونی (ظرفیت) هر اتم به کل بلور تعلق دارد؛ نیروی پیوندی در جامد ناشی از نیروی کولنی بین یونهای مثبت با پوسته های بسته (closed shell) و الکترونهای آزاد است. یونهای شبکه در دریایی از الکترونهای آزاد غوطه ور هستند. این نوع پیوند را پیوند فلزی مینامند.
هر اتم در شبکه الماسی توسط چهارنزدیکترین همسایه که هر یک حاوی چهار الکترون در مدار بیرونی است، احاطه شده است. پیوند بین نزدیکترین اتمهای همسایه از نوع کووالانسی است. این پیوند بین یک زوج الکترون بوجود می آید و در آن الکترونها یا بطور مساوی به هردو اتم تعلق دارند (سیلیسیم) و یا ابرالکترونی در مجاورت اتمی که از الکترونگاتیوی بیشتری برخوردار است، تراکم بیشتری دارد (اتم Asدر شبکه سولفید روی GaAs). برای تامین اصل انحصار پائولی زوج الکترون می بایست دارای اسپین مخالف باشند. یکی از الکترونها میتواند بر اثر برانگیزش گرمایی یا نوری از پیوند خارج شده و برای شرکت در فرآیند رسانش آزاد شود.
اسلاید 10 :
مطابق نظریه اتمی در یک اتم مجزا الکترونها به مجموعه ای از ترازهای انرژی گسسته در درون اتم محدود شده اند. شکافهای بزرگی در مقیاس انرژی وجود دارد (Energy Gaps) که فاقد هرگونه حالت انرژی هستند.
با گرد هم آمدن اتمهای منفرد به منظور تشکیل یک جامد نیروهای جاذبه (بین الکترونهای یک اتم و هسته اتمهای مجاور) و دافعه (بین الکترونهای اتمهای مجاور) در فاصله بین اتمی معینی در بلور به حالت تعادل میرسند.
تفاوت اساسی بین الکترون در یک جامد و الکترون در یک اتم مجزا: در جامد الکترون دارای یک گستره یا نوار پیوسته (band continuous) از انرژی های قابل دسترس است که توسط یک شکاف انرژی EG از هم جدا شده اند.
اگر N اتم مجزای کربن را در نظر بگیریم تعداد حالتهای انرژی برای ترازهای 2s و 2p بترتیب 2N و 6N میباشد. با نزدیک شدن فاصله بین اتمها به فاصله بین اتمی حالت تعادل الماس حالتهای قابل دسترس برای دو تراز 2s و 2p به دو نوار پیوسته تقسیم میگردد که توسط یک شکاف انرژی از هم جدا شده اند.
نوار بالایی موسوم به نوار هدایت و نوار پایینی موسوم به نوار ظرفیت هریک شامل 4N حالت میباشند
شکاف انرژی به پهنای EG فاقد هرگونه تراز انرژی مجاز برای اشغال توسط الکترونهاست و باین علت این شکاف نوار ممنوعه نیز نامیده میشود.
توضیع الکترونها: در پوسته های ظرفیت در اتمهای منفرد اولیه 4N الکترون (2N در حالات 2s و 2N در حالات 2p) وجود دارد. این الکترونها باید حالتهای موجود در نوار ظرفیت یا در نوار هدایت بلور را اشغال کنند. در صفر درجه کلوین الکترونها پایین ترین حالت انرژی قابل دسترس، یعنی همه حالتها درنوار ظرفیت را اشغال میکنند در حالیکه نوار هدایت کاملا خالی از الکترونهاست.
تولید جفت الکترون-حفره (EHP) نیازمند برانگیزش با مقداری برابر با شکاف انرژی EG است که سبب صعود الکترون به لبه باند هدایت و بجای ماندن یک حفره در باند ظرفیت میشود. انرژی جنبشی این الکترون برابر با صفر میباشد. در دمای اتاق انرژی حرارتی عامل تولید جفت های الکترون-حفره میباشد. همجنین یک انرژی فوتونی برابر با قابلیت تولید EHP را دارا میباشد (اندازه گیری نیمه رساناها در پاره ای از موارد در تاریکی صورت میگیرد).
