بخشی از مقاله
چکیده -
امروزه دیودهاي نور گسیل نقش مهمی را در زندگی روزمره بازي میکنند. از دیودهاي نور گسیل جهت روشنایی و همچنین در کارهاي مخابراتی به عنوان فرستنده نوري میتوان استفاده نمود. دیودهاي مورد پژوهش در این مقاله داراي کاربرد مخابراتی میباشد و نوري ساطعشده در پنجره طول موج نور نامرئی µm1/55 خواهد بود.
در این مقاله، یک دیود مبتنی بر مواد InP/InGaAsP یا سایر مواد گروه III-V طراحی خواهد. طراحی نیمههاديها با استفاده از مواد گروه III-V وابستگی زیادي به ابعاد و نوع توزیع ماده دارند. در این پژوهش، براي انجام بهینهسازي با استفاده از ابزار محاسبات عددي SILVACO حالتهاي مختلف چینش و ابعاد مختلف مواد بررسی شده است. نتایج حاصل نشان میدهد که با اضافه کردن بعضی از ناخالصیها و تغییر توزیع مواد میتوان کارایی در این دیودها را افزایش داد.
-1 مقدمه
نیمههاديها عناصري هستند که ازلحاظ هدایت، مابین هادي و عایق قرار دارند. مدار آخر نیمههاديها، داراي 4 الکترون است. ژرمانیم و سیلیکون دو عنصري هستند که خاصیت نیمههاديها را دارا میباشند و به دلیل داشتن شرایط فیزیکی خوب، براي ساخت نیمههادي دیود ترانزیستور، آي سی - IC - و .... مورداستفاده قرار میگیرد. ژرمانیم داراي عدد اتمی32 میباشد
.این نیمههادي ، در سال 1886 توسط ونیکلر کشف شد. همچنین نیمههادي سیلیکون، در سال 1810 توسط گیلوساك و تنارد کشف شد. اتمهاي نیمههادي ژرمانیم و سیلیسیم بهصورت یک بلور سهبعدي است که با قرار گرفتن بلورها در کنار یکدیگر، شبکه کریستالی آنها پدید میآید. امروزه قطعات مبتنی بر نیمههاديهاي گروه III-V به دلیل خواص ذاتی و کاربردهاي مخابراتی مورد توجه محققان قرار گرفته است.
یکی از قطعات الکترونیکی پایه، دیود پیوند PN است. از بارزترین مشخصههاي دیود، خاصیت غیرخطی جریان-ولتاژ آن است . براي مثال، مقاومت داراي یک رابطهي خطی بین جریان گذرنده از آن و ولتاژ دو سرش است. دیود نیز یک قطعهي دوپایه است، اما رابطهي i-v آن غیرخطی است. جریان در یکجهت،تابعی نمایی از ولتاژ و در جهت دیگر مقدار آن صفر است. همانطور که خواهیم دید این مشخصهي غیرخطی تولید یک ولتاژ dc یا طراحی مدارهاي منطقی دیجیتالی را ممکن میسازد. هدف از این پژوهش نیز طراحی و بهینهسازي دیودهاي نورگسیل مبتنی بر مواد گروه III-V میباشد. بنابراین در ادامه این بخش به بررسی کارهاي مرتبط انجام شده با موضوع تحقیق پرداخته می-شود.
در مرجع [1] بازدهی بالا، قابلیت اطمینان و قیمت پایین ازجمله مزیتهاي مهم گسیلکننده نوري مبتنی بر مواد InP در طولموج1.55 µmمطرح شده است. این موضوع باعث شده این مواد اهمیت زیادي در گسترش مخابرات فیبر نوري در طولموجهاي بلند داشته باشند. در مرجع [2]، کاربردهایی از این مواد را براي لیزرهاي مادونقرمز مانند حسگرهاي پزشکی، جراحی و سنسورهاي گاز با حساسیت بالا را برشمرده است و ویژگیهاي مهمی از ایندیوم فسفید را براي استفاده در لیزرهاي مادونقرمز بیان کرده است. همچنین مقاله [3] براي بهینهسازي و افزایش بازده این دیودهاي نوري مبتنی بر InP ترکیبهایی را معرفی کرده است.
عموم تحقیقات معرفیشده که تئوريها در آنها معرفی شدهاند، [9-4]، بر روي طولموج تولیدشده بهعنوان یک واحد اندازهگیري براي بهینه شدن دیودهاي مبتنی بر InP تأکیددارند و سعی بر آن داشتهاند که بدون بزرگ کردن ابعاد این دیودها، بازدهی آنها را بالاتر ببرند. ضمن اینکه تمامی این تحقیقات بر روي کاواكها قرار دارند و نقش InP را در سیستمهاي با انرژي بالا بررسی کردهاند . کاواكها تشدیدکنندههاي باز هستند که تنها دو طرف آنها توسط دو آینه بسته است. میان دو آینه یک محیط فعال وجود دارد، محیط فعال از مادهاي جامد، مایع و یا گاز تشکیلشده است که الکترونهاي آن براثر عمل برانگیختگی مقدار معین انرژي نشر میکنند و این انرژي باید تجمع پیدا کند و زیاد شود بنابراین براي تقویت این انرژي در دو طرف کاواك دو آینه قرار داده میشود.
با گسترش روزافزون فنآوريهاي مرتبط با پردازش کوانتومی اهمیت دسترسی به ادواتی براي حصول تزویج قوي میان ذرات هرچه بیشتر نمایان میگردد. در این میان زیر ساختار مبتنی بر فنآوري فوتونیک از اهمیت فوقالعادهاي برخوردار است و در حقیقت بهترین دستاوردها در این خصوص توسط این فنآوري بهدست آمدهاند. امکان تشخیص و گسیل تک فوتونها، و نیز تولید حالات درهمتنیده میان فوتونها و الکترونها در ساختارهاي حالتجامد میسر است مشروط بدان که ذرات باردار اصطلاحاً در تزویج قوي با میدان الکترومغناطیس فوتونها قرار بگیرد.
یکی از موفقترین مسیرهاي حصول این هدف در دنیاي امروز توسط جاسازي نقاط کوانتومی در کاواكهاي بلور فوتونی است. [10] البته باوجوداینکه فنآوري و فرآیندهاي ساخت این ادوات بسیار پیشرفته و دشوار هستند، در حال حاضر در انحصار معدودي از گروههاي پژوهشی دنیاست .علاوه بر این موارد که کاربردها را براي لیزر بررسیکردهاند تعدادي از تحقیقات نیز به روشهاي مختلف بهینهسازي ساخت این دیودها پرداختهاند . بعضی از این مقالات فرایندي جدید را معرفی کردهاند.[
همچنین تعدادي نیز روشهاي قبلی را تصحیح و بهینهسازي کردهاند و نتایج شبیهسازي را ارائه کردهاند. [13-12] علاوه بر این موارد کاربردهایی از دیودهاي مبتنی بر ایندیوم فسفید مانند سلولهاي خورشید نیزارائه شده است9]، [14 و یکی از دلایلی که میبایست براي آن بهینهسازي صورت گیرد در آنها مطرحشده است. با اینحال طراحی و بهینهسازي این دیودها کلمه کلیدي مشترك بین تمامی تحقیقات است و ابداع و تغییر عملکرد این دیودهایکی از مواردي است که مطرح میشود.
مقاله[15] بیشتر مروري را بر کاربرد یکی از نیمه هادي هاي عضو گروه III-V یعنی ایندیوم فسفید - - InP با تاکید بر فیبرهاي نوري انجام داده است که به عنوان یکی از کاربردهاي مهم این ترکیب شناخته می شود. ساختار ناکاواك کاربرد گسترده اي را در طراحی نیمه هادي هاي نوري در فرکانس بالا دارد. همچنین یکی دیگر از کارهاي جدید و مناسب مقاله بالا پیادهسازي تئوري حالت کوپل براي بررسی سازگاري نیمه هادي است.
مرجع [15] یک مثال مشابه با موضوع تحقیق است که شبیهسازي عددي را بر روي یک دیود لیزري مبتنی بر گروه III-V با زیر لایه InP انجام داده است. این مقاله در اصل یک کار توسعهاي را انجام داده است. مرجع بیان میکند. همچنین نمونه کاري که قبلا در این زمینه انجام شده است را توسعه داده و بهبودي بیشتري را در بازده ایجاد کرده است. از ویژگی هاي برجسته مقاله این است که تمامی اثبات ها با شبیه سازي عددي تائید شده اند و در مورد هر یک نیز تا حدودي بحث شده است. هدف از ان تحقیق نیز انجام کاري مشابه مقاله مذکور براي طراحی دیودهاي نور گسیل مبتنی بر گروه III-V میباشد.
هدف از این مقاله بهینهسازي و شبیهسازي دیودهاي نور گسیل مبتنی بر گروه III-V میباشد. بنابراین در ادامه به توضیح مواد نیمه هادي و نیمه رسانا مرتبط با گروه III-IV پرداخته میشود. در ادامه بهینهسازي و شبیهسازي دیود مورد مطالعه قرار گرفته میشود. در انتها نیز نتیجهگیري انجام شده است.
-2 مواد نیمههادي گروه III-V
بسیاري از قطعات الکترونیکی با بهکارگیري مواد نیمههادي همراه با هاديها و عایقها ساخته و تولید میشوند. براي داشتن درك بهتري از رفتار قطعات الکترونیکی در مدارها، ابتدا باید با برخی از مشخصههاي مواد نیمههادي آشنا شویم. سیلیکون در مقیاس وسیع رایجترین مادهي نیمههادي مورداستفاده براي ساخت قطعات و مدارهاي مجتمع نیمههادي به شمار میرود. سایر مواد نیمههادي در کاربردهاي ویژه مورد استفاده قرار میگیرند. براي مثال گالیم – آرسناید و ترکیبات وابسته به آن در قطعات بسیار سریع و قطعات نوري به کار میروند. مواد نیمه هادي را میتوان به دو بخش ذاتی و غیر ذاتی تقسیمبندي کرد. در ادامه مقاله به توضیح هر کدام از این گروهها بطور خلاصه پرداخته میشود.
-1-2 نیمه هاديهاي ذاتی
یک اتم از نوکلئونها تشکیلشده است، که عبارتاند از پروتونهاي با بار مثبت، نوترونهاي بدون بار و الکترونهاي با بار منفی که در برداشت کلاسیک به دور نوکلئونها میچرخند. الکترونها در لایههاي گوناگون با فواصل مختلفی از نوکلئونها توزیع شدهاند. انرژي الکترون با افزایش شعاع لایه، کاهش مییابد. الکترونهاي خارجیترین لایه، الکترونهاي والانس یا ظرفیت نامیده میشوند. فعالیت شیمیایی یک ماده در وهلهي اول بهوسیلهي تعداد این الکترونها تعیین میگردد.
عناصر موجود در جدول تناوبی را میتوان برحسب تعداد الکترونهاي والانس گروهبندي نمود. جدول - - 1 قسمتی از جدول تناوبی را نشان میدهد که بیشتر نیمههاديهاي رایج را میتوان در آن یافت. سیلیکون - Si - و ژرمانیوم - Ge - که در گروه چهارم قرار دارند، نیمههاديهاي عنصري هستند. برخلاف آنها، گالیم آرسناید یکنیمه هادي مرکب از گروه سوم-پنجم است. لازم بذکر است که عناصر گروههاي سوم و پنجم نیز در بحث نیمههاديها از اهمیت خاصی برخوردارند.
جدول - : - 1 عناصر مختلف مربوط به گروه III-V
-2-2 نیمههاديهاي غیر ذاتی گروه III-V
ازآنجاکه غلظت الکترونها و حفرهها در یکنیمه هادي ذاتینسبتاً کم است فقط جریانهاي بسیار کوچک در آنها برقرار میشود. با اینوجود، این غلظتها را میتوان با افزودن مقادیر کنترل شدهاي از ناخالصیها بهشدت افزایش داد. یک ناخالصی مطلوب آن است که به درون شبکهي بلورهاي وارد و جانشین یکی از اتمهاي نیمههادي شود، حتی اگر اتمهاي ناخالصی داراي همان ساختار الکترونی لایهي والانس نباشند.
ناخالصی مطلوبی که براي سیلیکون از میان عناصر گروه پنجم به این مقصود استفاده میشوند، فسفر و آرسنیک میباشند. این نیمههاديها بعنوان نیمههاي غیرذاتی در نظر گرفته میشوند. براي مثال هنگامیکه یک اتم فسفر جایگزین یک اتم سیلیکون میگردد، جهت برآورده نمودن الزامات پیوند کووالانسی، پنجمین الکترون والانس، پیوند ضعیفتري با اتم فسفر دارد. در دماي اتاق این الکترون انرژي گرمایی کافی براي شکستن پیوند را دارد، بنابراین آزاد میگردد تا در میان بلوره به حرکت درآید و سهمی در جریان الکترونی درون نیمههادي داشته باشد.
با توجه به اینکه در این مقاله از ماده InP براي طراحی دیود استفاده شده است در ادامه به توضیح خلاصه نیمهرساناي گروه III-V پرداخته میشود.
-3 نیمهرساناي گروه III-V
مواد InP، GaAs، AlSb و GaP نیمهرساناهايIII-V نامیده میشوند. اتمهاي این مواد در بلور با هر دو نوع پیوند کئووالان - مانند گروه - V و یونی باهم پیوند دارند. در این مواد یک عنصر گروه VI مثل Te، Se یا S مانند یک دهنده و عنصري از گروه II مانند Cd یا Zn مثل یک پذیرنده عمل میکند. عناصر گروهIV در این نیمهرساناها میتوانند هم مانند دهنده و هم مانند پذیرنده عمل نمایند اگر اتمی مانند Si در یک بلورIII-V در محل اتم III قرار گیرد مانند پذیرنده و اگر در محل اتم V قرار گیرد همچون دهنده رفتار خواهد کرد .[6] با توجه به محدودیت موجود در مقاله، در این قسمت از توضیح بیشتر این موضوع صرف نظر میشود.
-4 طراحی و شبیهسازي دیود مبتی بر InP
در این بخش موضوع مدلسازي و شبیهسازي دیودهاي مبتنی بر ایندیم – فسفید - InP - بررسیشده است . این دیودها براي کاربردهاي نوري و لیزري میتواند شبیهسازي شود. ولی در اینجا با توجه به طولموج موردنظر، دیود در حالت لیزري شبیهسازي شده است. نتایج این شبیهسازي براي بررسی بهینهسازي استفادهشده است.
نرم افزار مورد استفاده در این تحقیق براي انجام شبیهسازي SILVACO است. لازم به ذکر است که در ساختار مذکور، نوع مواد و میزان ناخالصی از اهمیت بالایی برخوردار است. ساختار دیود شامل تعیین مکان مشها و عمق هر ماده تشکیلدهنده است. این مواد شامل خود ماده InP و مواد ناخالصی هستند که در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده اند . در این تحقیق، در دو ساختار یکبار از آرسناید و یکبار هم از آلومینیوم - همراه با گالیوم - استفادهشده است . در ادامه این بخش نتایج این شبیهسازيهاي ساختاري توضیح داده میشود. لازم بذکر است که این ماده ویژگیهایی دارد که براي قطعات الکترونیکی امروزي مورد نیاز هستند.
