بخشی از مقاله
چکیده :
با استفاده از شبیهسازي آنسامبلی مونتکارلو ، سرعت سوق الکترونها در ماده نیمرسانايZnO در مقایسه با GaN محاسبه شده است . این شبیهسازي بر اساس مدل سه درهاي بوده و اثرات غیرسهوي بودن نوارها نیز منظور شده است . هم چنین در این شبیهسازي عوامل مختلف و پراکندگی الکترونها از فونونها و اتمهاي ناخالصی در نظر گرفته شده است. مشخصه-هاي ترابرد الکترونها در نیمرسانايZnO نشان می دهد که ماکزیمم سرعت سوق الکترونها در این ماده از مرتبه105 ms-1 در میدان شکستی از مرتبه107vm -1 است . سرعت سوق و میدان شکست بالا در ZnO کاربردهاي این ماده در طراحی قطعات الکترونیکی در توانها و دماهاي بالا را پیشنهاد میکند.
مقدمه :
امروزه اکسیدروي به عنوان یک ماده مناسب براي دماهاي بالا ، ساخت وسایل الکترونی توان بالا و همچنین در ساخت زیرلایههاي مناسب در ترکیبات دوتایی نیتریدهاي گروه ш بسیارمورد توجه است .[3-8] این نیمرسانا داراي گاف انرژي مستقیم از مرتبه 3,4 ev و ساختار بلوري وورتسایت است. مطالعات ساختار نواري در این ماده نشان میدهد که در اولین نوار انرژي ، پایین درهها درموقعیت هاي Г ، U ، K قرار میگیرند. این درهها ي انرژي غیرسهموي بوده و لذا لازم است که در محاسبات خواص ترابرد الکترونها در این مواد عامل غیرسهموي بودن نواري و تاثیر آن بر روي جرم موثر الکترونها در هر دره در نظر گرفته شود. در این پژوهش نتایج شبیهسازي مونتکارلو از خواص ترابرد الکترونها در حجم ماده نیمرساناي ZnO درمقایسه با GaN در دماي اتاق و دماهاي بالاتر بررسی شده است.اثرات در نظر گرفتن درههاي بالاترانرژي U - و - K در ترابرد الکترونها بررسی شده و سپس تحركپذیري الکترونها در میدانهاي ضعیف نیز محاسبه شدهاند .در بخشهاي بعدي ابتدا روش شبیهسازي به کار برده شده[1-2] ،توضیح داده شده و در پایان نتایج به دست آمده بررسی میگردد .
روش شبیهسازي مونتکارلو :
در مدل بکاربرده شده ، فرض می شود که در ابتدا پنچ هزار شبه ذره در فضاي اندازه حرکت ، درههاي انرژي غیرسهوي را در اولین نوار رسانش مطابق با آمار مکسول- بولتزمن اشغال کردهاند. معادلات میدان الکتریکی بطور خود سازگار با استفاده از روش اختلاف معین حل شده است و درطی هر برخورد زمانی شبهذرات ، پتانسیل شبکهاي در ماده نیمرسانا محاسبه گردیده است.در این شبیهسازي ، پراکندگی الکترونها توسط عوامل ناخالصی یونیزه شده و فونونهاي نوري و صوتی درون درهاي و بین درهاي در نظر گرفته شده است. پارامترهاي الکتریکی و ساختار نواري نیمرساناي ZnOکه در شبیهسازي مورد استفاده قرار گرفتهاند در جداول 1و2گردآوري شده است.
نتایج شبیهسازي :
در این بخش نتایج شبیهسازي مونتکارلو در دو نیمرساناي ZnO و GaN در حضور میدانهاي الکتریکی شدید نشان داده میشود.شکل 1 مشخصه سرعت سوق الکترونها برحسب میدان الکتریکی اعمالی در دماي اتاق و با چگالی الکترونی از مرتبه1017 cm-3را براي دو ماده نشان میدهد. چنانچه از این شکل ملاحظه میشود. پیک سرعت سوق براي ZnO در حدود.1/98×105 ms-1 و براي GaNدر حدود 2×105ms-1 است. در میدانهاي الکتریکی بالاتر ، به دلیل وجود پراکندگی بیندرهاي ناشی از فونونهاي نوري ، سرعت سوق براي دو ماده به حد اشباع 1/3×105 ms-1 میرسد. میدان هاي اشباع آستانه براي پراکندگی الکترونها از دره مرکزي Г به درههاي بالاتر انرژي براي ZnO و GaN به ترتیب در حدود 3×107 Vm -1 و2/35×105 Vm -1 است.
سرعت سوق الکترونی کمتر ZnO نسبت به GaN ناشی از جرم مؤثر بیشتر الکترونها در درههاي مجاورU - و - K و همچنین فواصل بیندرهاي بیشتر در این ماده نسبت به GaN است.همچنین ملاحظه میشود که ماکزیمم سرعت سوق با افزایش دماکاهش یافته و به سمت میدانهاي الکتریکی بزرگتر متمایل میشود.شکل3 در صد اشغال الکترونها را در درههاي انرژي بر حسب میدان الکتریکی اعمالی نشان میدهد. میدان آستانه براي انتقال الکترونها از دره مرکزي Г به درههاي بالاتر در هر ماده تابعی از فاصله جدایی بیندرهاي و چگالی حالات الکترونی در آن دره انرژي است. چنانچه از شکل ملاحظه میشود ، قبل از میدان بحرانی تمامی الکترونها در دره مرکزي Г بوده و سپس با افزایش میدان الکتریکی اعمالی ، الکترونها به درههاي بالاتر انرژي پراکنده میشوند.
دماي اتاق.
شکل 2 اثر دما بر روي سرعت سوق الکترونها را در حجم نیمرساناهاي ZnO و GaN نشان میدهد. همانطور که از شکل مشاهده میشود ، با افزایش دما ، سرعت سوق کاهش مییابد. چنین اثري ناشی از افزایش آهنگ پراکندگی دروندرهاي و بیندرهاي است.
