بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
بهنام خدا
فیزیک قطعات نیمه رسانا
اسلاید 2 :
خواص بنیادی نیمهرساناها
نیروهای پیوندی در نیمهرساناها
ساختار نواری
حاملهای بار
تاثیر ناخالصیها در تولید الکترونها و حفرهها
رسانایی الکتریکی
خواص اپتیکی
پخش (توزیع الکترونها یا حفرهها نایکنواخت باشد)
اسلاید 3 :
نیمهرساناها طیف وسیعی از پدیدهها یعنی خواص کاملا فلزی تا خواص عایقها را نشان میدهند.
شاکلی، باردین و برایتن: کشف ترانریستور، 1940
اسلاید 4 :
نیمهرسانا عنصری(خالص):
بلورهای کووالان شناخته میشود.
پیوند و ساختار بلوری
پیوند کووالانسی
خالص
ساختار الماس
Atomic Mass
Atomic Number
اسلاید 5 :
نیمهرسانا ناخالص :
از ترکیبات ستون سوم و پنجم جدول مندلیف تشکیل شده است.
در نیمهرساناهای خالص، هر پایه شامل دو اتم یکسان است.
در نیمهرساناهای ناخالص، هر پایه شامل دو اتم متفاوت است.
در نیمهرسانای خالص (نیمهرسانای ناخالص) هشت الکترون برای پیوند کووالان توسط اتمهای یکسان چهارظرفیتی (اتمهای متفاوت سهظرفیتی وپنج ظرفیتی، سه الکترون و پنج الکترون بهترتیب به اشتراک میگذارند) ایجاد میشود.
پیوند چهاروجهی GaAs
الکترون با اسپین مخالف
پیوند چندقطبی: Hetropolar
پیوند تکقطبی: Homopolar
اسلاید 6 :
بهدلیل متفاوت بودن اتمها در نیمهرساناهای ناخالص، توزیع الکترونها در امتداد پیوند متقارن نیست و به طرف یکی از اتمها جابهجا میشود. در نتیجه یکی از اتمها بار خالص دارد.
نیمهرسانا ناخالص : : اغلب این مواد با ساختار سولفید روی متبلور میشوند. در این مواد انتقال بار بیشتری اتفاق میافتد، بنابراین دارای پیوند یونی قویتر و همچنین مشخصه قطبیدگی آن هم قویتر است.
ترکیبات نیمهرسانا ی :
پیوند چندقطبی: Hetropolar
این جابهجایی بستگی به الکترونگاتیوی اتمها دارد.
As: -0.46 e
Ga: +0.46 e
بار موثر: مقدار بار انتقال یافته بر اتم
پیوند یونی
در اثر اعمال میدان الکتریکی
شبکه قطبیده (جابهجایی یونها)
تآثیر بر روی تابع دیالکتریک
اسلاید 7 :
الکترونگاتیوی
اتم وقتی در لایه ظرفیت خود الکترون کمتری داشته باشد تمایلش به دادن الکترون بیشتر میشود. هرچه عنصری تمایل بیشتری به گرفتن الکترون داشته باشد الکترونگاتیوتر است.
Electronegativity Chart
پیوند یونی بین غیرفلزات وقتی تشکیل میشود که اختلاف الکترونگاتیوی آنها خیلی زیاد نباشد. در اینگونه موارد، اختلاف الکترونگاتیوی عناصر نشان دهنده میزان قطبی بودن پیوندهای کووالانسی است. اگر اختلاف الکترونگاتیوی صفر یا خیلی کوچک باشد، میتوان گفت که پیوند اساسا غیر قطبی است و اتمهای مربوط ، سهم مساوی یا تقریبا مساوی در الکترونهای پیوند دارند.
هر چقدر اختلاف الکترونگاتیوی بیشتر باشد پیوند کووالانسی قطبیتر خوهد بود (پیوند در جهت اتم الکترونگاتیوتر قطبی میشود). بنابراین با توجه به مقادیر الکترونگاتیوی میتوان پیشگویی کرد کهHF قطبیترین هیدروژن هالیدها است و انرژی پیوندی آن بیشتر از هر یک از این ترکیبات است. البته نوع پیوندی که بین دو فلز تشکیل میشود، پیوند فلزی و در آن اختلاف الکترونگاتیوی نسبتا کم است.
اسلاید 8 :
ساختار نواری
انرژی نوار رسانش
انرژی نوار ظرفیت
جرم در روابط بالا، جرم موثر میباشند و به پارامترهای مختلفی از جمله پهنای نوار بستگی دارد.
گاف انرژی وابسته به پارامترهایی مختلفی از جمله دما و فشار است.
اسلاید 9 :
نوارهای ظرفیت و رسانش از در Si از حالتهای پیوندی و پادپیوندی هیبرید نتیجه میشود (نتیجه مشابه برای C و (Ge.
تحقیق: حفرهای سبک و سنگین
اسلاید 10 :
چگالی حاملها، نیمهرسانای ذاتی
الکترونها و حفرههای آزاد را حاملها گویند و مسئول انتقال جریان الکتریکی هستند.
برای نیمهرسانا، میتوان نوشت:
: احتمال اشغال تراز انرژی E در دمای T
توزیع کلاسیک
چگالی الکترونها در نوار رسانش
چگالی حالات الکترونی: تعداد حالاتی که انرژی آنها بین E تا E+dE است
اسلاید 12 :
تعداد حالاتی که انرژی آنها بین E تا E+dE
با استفاده از انتگرال و تغییر متغیر ، چگالی الکترونی را خواهیم داشت:
اسلاید 13 :
هدف: محاسبه انرژی فرمی
تعداد حفرهها
: احتمال اینکه یک حفره تراز E را اشغال کند
کمیت مثبت
برای نیمهرسانا ذاتی داریم
اسلاید 14 :
حالتهای ناخالصی- اتم بخشنده
نیمهرساناهای ذاتی دارای هر دو حامل یعنی الکترون و حفره هستند. با آلائیدن یا اضافی کردن ناخالصی یعنی عناصر دیگر مناسب به نیمهرساناها، می توان فقط یک نوع حامل بار داشت. ترانزیستورهای پیوندی یکی از این نوع نیمهرسانای ناخالصی است. مثال دیگر آلائیدن Si با As (ناخالصی) ، نمونهای دیگر از این نوع نیمهرساناها است.
توزیع ناخالصیها درون نمونه در تمام شبکه کاتورهای است.
اتم ناخالصی، As، پنج ظرفیتی است و با اتم میزبان، Si (چهار ظرفیتی)، پیوند چهاروجهی تشکیل میدهد.
ایجاد یک الکترون رسانش به دلیل پنجظرفیتی بودن اتم آلائیده شده.
بهدلیل از دست دادن یک الکترون ناخالصی و تبدیل به الکترون آزاد، اتم آلائیده بار مثبت خواهد داشت.
این ناخالصی با توجه به ایجاد کردن یک الکترون، تحت عنوان ناخالصی بخشنده نامیده میشود و این الکترون بدون ایجاد حفره ایجاد شده است.
تمایل به دام انداختن الکترون توسط یون بخشنده یا ناخالصی بخشنده، وضعیتی شبیه به حرکت الکترون در اتم هیدروژن را ایجاد میکند.
پتانسیل کولنی
بهدلیل حضور بلور نیمهرسانا
باعث تضعیف انرژی کولنی (شبیه محیط دیالکتریک)
منجر به کوچک شدن انرژی پیوندی الکترون در جایگاه اتم بخشنده
اسلاید 15 :
تمرین: مقدار تقریبی برای انرژی پیوندی حالت پایه را بهصورت تقریبی محاسبه کنید (به نقش جرم موثر توجه کنید). انرژی پیوندی در حالات برانگیخته به چه صورتی میشود؟
انرژی پیوندی در مدل بوهر در حالت پایه اتم بخشنده
تراز بخشنده در یک نیمهرسانا
گاف انرژی
نزدیک بودن تراز انرژی اتم بخشنده (انرژی پیوندی) به نوار رسانش نیمهرسانای میزبان، آزاد بودن تمامی الکترونهای ایجاد شده بوسیله فرآیند بالا، را کاملا توجیه میکند
تمرین: اثبات کنید شعاع بوهر الکترون اتمهای بخشنده برابر است و همچنین مقدار عددی برای آن بدست آورید.
اتم پذیرنده
شعاع الکترون در اتم هیدروژن
با انتخاب مناسب اتمهای ناخالصی میتوان بهجای الکترون، حفره تولید کرد.
بهطور مثال: Ga سهظرفیتی در نیمهرسانای Si
یک الکترون را میپذیرد تا پیوند چهاروجهی خود را کامل کند
دارای بار منفی
اسلاید 16 :
حفرهای که ایجاد میشود، بار مثبت دارد و توسط اتم پذیرنده جذب میشود و یک انرژی پیوندی بین حفره و اتم پذیرنده شبیه به حالت قبل ایجاد میشود.
در این نمونه هم انرژی پیوندی خیلی کوچک است، از مرتبه 0.01eV. در نتیجه تمامی اتمهای پذیرنده یونیده میشود.
تراز خطچین در شکل صفحه قبل متناظر با حفرهای است که توسط اتم پذیرنده بهدام افتاده است. الکترون بالای نوار ظرفیت این حفره را پر میکند و در این صورت ما یک حفره در بالای نوار ظرفیت داریم، یعنی یک حامل انرژی.
فرآیند یونش با گذار به سمت بالای الکترون یا گذار به سمت پایین حفره بیان میشود.
نکات بسیار مهم: اتمهای پدیرنده و بخشنده، اتمهای ناخالصی هستند و باعث ایجاد حالتهای ناخالصی یا حالتهای مفید یا جایگزیده میشود. این نوع حالتها بر خلاف حالتهای ایجاد شده بوسیله الکترونهای بلوخ هستند که جایگزیده نیستند. بنابراین این حالات جایگزیده یا حالتهای نارسانا میتوانند در داخل گاف انرژی قرار بگیرند. یک مثال بسیار مهم در این رابطه اثر هال کوانتومی است.
اسلاید 17 :
آمار نیمهرسانا
نیمهرساناها معمولا هم شامل اتمهای بخشنده و هم شامل اتمهای پذیرنده هستند.
الکترونها در نوار رسانش را میتوان یا با برانگیختگی حرارتی بیننواری و یا با یونش حرارتی اتمهای بخشنده تولید کرد.
حفرهها در نوار ظرفیت را میتوان یا با برانگیختگی بیننواری و یا با برانگیختگی حرارتی الکترونها از نوار ظرفیت به تراز بخشنده تولید کرد.
ممکن است الکترونها از ترازهای بخشنده به تراز پذیرنده بروند.
چگالی حاملها در ناحیه ذاتی
محاسبه چگالی حاملهای بار با در نظر گرفتن تمامی گذارهای بالا بسیار دشوار است.
گذارهای بیننواری که در اثر گرما ایجاد میشوند، باعث ایجاد چگالی در ناحیه ذاتی میشوند.
چگالی ذاتی
ناخالصی کوچک
چگالی بخشنده
چگالی پذیرنده
: شرط ذاتی
نمونه خالص
از آنجائیکه این ناحیه وابسته به گرما است، در دماهای بالا شرط ذاتی بهتر برآورده میشود و به عبارت بهتر در دماهای بالاتر، تمامی نیمهرساناها ذاتی هستند.
اسلاید 18 :
چگالی حاملها در ناحیه غیرذاتی
افزایش چگالی ذاتی با آلائیدن
برای
چگالی حفرهها کوچک و با توجه به کوچک بودن انرژی یونش اتمهای بخشنده، تمامی این اتمها یونیده میشوند و الکترونهایشان به نوار رسانش میروند.
فقط وابسته به دما
برای ناحیه غیرذاتی
نیمهرسانای نوع n
برای
نیمهرسانای نوع p
