دانلود پروژه رشته برق درباره سیلیسیوم – قسمت اول

دانلود پایان نامه

-1- مواد نیم رسانا

جریان الكتریكی در فلز از حركت بارهای منفی (الكترونها) و در نیم رساناها از حركت بارهای منفی (الكترونها) و بارهای مثبت (حفره ها) ناشی می شود. مواد نیم رسانا اعم از سیلیسیوم و ژرمانیوم می توانند بوسیله اتم های ناخالص چنان آلائیده شوند كه جریان الكتریكی عمدتاً از الكترونها یا حفره ها شود. نیم رساناها گروهی از مواد هستند كه رسانایی الكتریكی آنها بین فلزات و عایق ها قرار دارد. بلور كامل و خالص اغلب نیمه رساناها در صفر مطلق عایق است. ویژگیهای متخصه نیم رساناها این است كه رسانایی آنها با تغییر دما، برانگیزش نوری و میزان ناخالص به نحو قابل ملاحظه ای تغییر می كند. این قابلیت تغییر خواص الكتریكی، مواد نیمه رسانا را انتخاب مناسبی برای تحقیق در زمینه قطعات الكترونیكی ساخته است. نیم رساناها رساناهای الكترونیكی هستند كه مقاومت ویژه آنها در دمای اطاق عموماً در گستره2-10 تا 9 10 واقع است. این گستره در بین مقادیر مقاومت ویژه رساناهای خوب 6-10 و عایقها 14 10 تا 22 10 قرار دارد ]1[ و ]2[

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید

مقاومت ویژه نیم رساناها می تواند قویاً به دما وابسته باشد، وسایلی از قبیل، ترانزیستورها، یكسوسازها، مدوله كننده ها، آشكارسازها، ترمیستورها و فوتوسلها براساس ویژگیهای نیم رساناها كار می كنند. رسانندگی یك نیم رساناها بطور كلی نسبت به دما، روشنایی، میدان مغناطیسی، مقدار دقیق ناخالصی اتم ها حساسیت دارد. مطالعه مواد نیم رسانا در اوایل قرن نوزدهم شروع شده در طول سالها نیم رساناهای فراوانی مورد مطالعه قرار گرفته اند.

جدول 1 قسمتی از جدول تناوبی مربوط به نیمه رساناها را نشان می دهد. نیم رساناهای عنصری یعنی آنهایی كه از نمونه های منفرد اتم ها تشكیل می شوند، نظیر سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم (Ge) را می توان در ستون IV پیدا نمود. مع ذلك، نیم رساناهای مركب بیشماری از دو یا تعداد بیشتری عنصر تشكیل می گردند. برای مثال گالیوم آرسنید (GaAs) یك تركیب III-V است كه تركیبی از گالیوم از ستون III و آرستیك (As) از ستون V می باشد. در جدول 2 لیست بعضی از نیم رساناهای عنصری و مركب ارائه شده است. ]1[

جدول 1- قسمتی از جدول تناوبی مربوط به نیم رسانه ها

دوره ستون II ستون III IV V VI
2   B C N  
    بور كربن نیتروژن  
3 Mg Al Si P S
  منیزیم آلومینیوم سیلیسیوم فسفر گوگرد
4 Zn Ga Ge As Se
  روی گالیوم ژرمانیوم آرسنید سلنیم
5 Cd In Sn Sb Te
  كادمیوم ایندیم قلع آنتیموان تلوریم
6 Hg   Pb    
  جیوه   سرب    

 

جدول 2- نیمه رسانای عنصری و مركب

عنصر IV-IV تركیب III-V تركیب II-VI تركیب IV-VI تركیب
Si Sic AlAs CdS PbS
Ge   AlSb CdSe PbTe
    B-N CdTe  
    GaAs ZnS  
    GaP ZnSe  
    GaSb ZnTe  
    In-As    
    In-P    
    In-Sb    

 

نیم رساناهای بسیار خاص از خود رسانندگی ذاتی نشان می دهند كه از رسانندگی ناخالصی در نمونه های با خلوص كمتر متمایز است.

در گستره دمای ذاتی ویژگیهای الكتریكی نیم رسانا در اثر ناخالصی های بلور اساساً تغییر نمی كند. یك طرح نواری الكترونی كه به رسانندگی ذاتی منجر می شود.

شكل 1-1- طرح نواری برای رسانندگی ذاتی در نیم رسانا. در صفر كلوین رسانندگی صفر است، زیرا تمام حالتهای نوار ظرفیت پر و تمام حالتهای نوار رسانش خالی اند. با افزایش دما الكترونها بطور گرمایی از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته و در آنها متحرك می شوند.

نوار رسانش در صفر مطلق خالی است و به اندازه گاف انرژیاز نوار ظرفیت فاصله دارد. گاف نواری اختلاف انرژی بین پائین ترین نقطه نوار رسانش و بالاترین نقطه نوار ظرفیت است. پائین ترین نقطه نوار رسانش را لبة نوار رسانش می نامند. بالاترین نقطه در نوار ظرفیت به لبه نوار ظرفیت موسوم است.

با افزایش دما، الكترونها به گونه گرمایی از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته می‌شوند (شكل 2-1). هم الكترونهای نوار رسانش و هم اربیتالهای خالی یا حفره های به جا مانده در نوار ظرفیت، در رسانندگی الكتریكی شركت می كنند. ]2[

(ب) سیلیسیوم، در شرایط ذاتی تراكم حفره ها با تراكم الكترونها برابر است. در یك دمای مفروض تراكم ذاتی در Ge بیشتر از Si است، زیرا گاف انرژی ذر (ev67/0) باریكتر از (ev12/1) Si است.

1-2- سیلیسیوم

در اوایل دهه 1950 ژرمانیوم مهمترین ماده نیمه رسانا بود مع ذلك ثابت شد كه ژرمانیوم برای بسیاری از كاربردها مناسب نمی باشد. زیرا قطعات ژرمانیوم حتی در دماهایی كه بطور معتدل بالا می روند نشت جریان بالایی را نشان می دهند به علاوه اكسید ژرمانیوم در آب قابل حل است و برای ساخت قطعات مناسب نیست، از اوایل دهه 1960 به بعد سیلیسیوم به یك جانشین عملی تبدیل شده است و اینك واقعاً ژرمانیوم را به عنوان یك ماده برای ساخت نیمه هادی از میدان خارج كرده است.

دلیل عمده استفاده از سیلیسیوم این است كه قطعات سیلیسیومی جریان نشت كمتری را نشان می دهند و اكسید سیلیسیوم با كیفیت بالا را می توان به طور گرمایی رشد داد و از طرف دیگر قطعات سیلیسیوم اصلاح شده خیلی ارزانتر از مواد نیم رسانای دیگر هستند. سیلیسیوم به شكل سیلیكا و سیلیكاتها 25% پوسته زمین را تشكیل می دهد، و سیلیسیوم بعد از اكسیژن از نظر فراوانی دومین ماده است و در حال حاضر، سیلیسیوم یكی از آن عناصر جدول تناوبی است كه به مقدار خیلی زیاد مورد مطالعه واقع شده است،و تكنولوژی سیلیسیوم تا كنون دربین تمام تكنولوژیهای نیم رسانایی پیشرفته‌ترین می باشد.

بسیاری از نیم رساناهای مركب دارای خواص الكتریكی و اپتیكی هستند كه سیلیسیوم فاقد آن هاست. این نیم رساناها بویژه گالیوم آرسنید بطور عمده برای كاربردهای موج ریز و نوری مورد استفاده قرار می گیرند. اگرچه ما آنقدر كه درباره تكنولوژی سیلیسیوم می دانیم دربارة تكنولوژی نیم رساناهای مركب نمی دانیم، بخشی از تكنولوژی نیم رساناهای مركب بخاطر پیشرفت در تكنولوژی سیلیسیوم رشد كرده است.

1-3- ساختار بلوی سیلیسیوم

در یك بلور اتمها به طریق سه بعدی دوره ای آرایش یافته اند. آرایش دوره ای اتمها در بلور شبكه نامیده می شود. در بلو، یك اتم هرگز دور از یك مكان ثابت، منفرد سرگردان نمی باشد. ارتعاشات گرمایی مربوط به این اتم حول این مكان متمركز می‌شود. برای یك نیم رسانای معین یك یاخته واحد وجود دارد كه نماینده تمام شبكه است، با تكرار یاخته واحد در سرتاسر بلور، می توان تمام شبكه را ایجاد نمود. سیلیسیوم دارای یك ساختار شبكه الماسی با ثابت شبكه A 43/5 آنگستروم می باشد. (شكل 3-1) این ساختار متعلق به خانواده بلور مكعبی هست و می توان آن را به صورت دو زیر شبكه مكعبی fcc كه در یكدیگر نفوذ كرده اند، مشاهده نمود.

بدین طریق كه یك زیر شبكه به اندازه یك چهارم فاصله در راستای قطر مكعب (یعنی تغییر مكانی به اندازه ) نسبت به زیر شبكه دیگر جابجا شده است.

تمام اتمها در شبكه الماسی یكسان هستند و هر اتم در شبكه الماسی با چهار نزدیكترین همسایه كه با فاصله مساوی در گوشه های یك چهار وجهی قرار دارند احاطه شده است. (به كره های متصل شده با خط سیاه در شكل 3-1- الف مراجعه شود). به زبان برداری شبكه الماسی یك شبكه مكعبی مركز وجهی fcc با یك پایه دو اتمی در نقاط و یا به شكل دو شبكه fcc كه در امتداد قطر درهم جابجا شده اند.

سلول بسیط شبكه fcc با بردارهای بسیط:

                       (1-1)

معین می شود. شبكه وارون fcc با ثابت شبكه a یك شبكه مكعبی مركز حجمی bcc با ثابت شبكه با بردارهای بسیط:

(2-1)

می باشند. ]2[

1-4- پیوندهای ظرفیت

هر اتم در شبكه الماسی با چهار نزدیكترین همسایه مجاور احاطه می شود. شكل 4-1-(الف) پیكربندی چهار وجهی شبكه الماسی را نشان می دهد. نمودار پیوند دو بعدی ساده شده برای چهار وجهی در شكل 4-1-(ب) نشان داده شده است هر اتم در مدار خارجی دارای چهار الكترون است و هر اتم این الكترونهای ظرفیت را با چهار همسایه‌اش به اشتراك می گذارد و این اشتراك گذاری الكترونها به پیوند كووالانس مشهور است، هر جفت الكترون یك پیوند كووالانت تشكیل می دهند. پیوند كووالانس بین اتمها یك نوع عنصر و یا بین اتمهای عناصر متفاوت كه دارای پیكربندی یكسانی در پوسته خارجی هستند اتفاق می افتد، هر الكترون با هر هسته، مقدار زمان مساوی صرف می كنند. مع ذلك، هر دو الكترون بیشتر وقت خود را در فاصله میان دو هسته صرف می كنند. نیروی جاذبه هر دو دسته بر الكترونها، دو اتم را به یكدیگر می چسباند.

در دماهای پائین، الكترونها در شبكه چهار وجهی مربوط به خودشان محدود می‌شوند در نتیجه برای رسانش مناسب نیستند. در دماهای بالاتر، ارتعاشات گرمایی ممكن است پیوندهای كووالان را بشكنند. وقتی پیوندی شكسته می شود، یك الكترون آزاد می شود كه می تواند در جریان رسانش شركت كند شكل 5-1 (الف) موقعیت را وقتای كه یك الكترون ظرفیت بر یك الكترون آزاد تبدیل می شود، نشان می دهد. در پیوند كووالان كمبود یك الكترون ایجاد می شود. این كمبود می تواند با یكی از الكترونهای همسایه پر شود كه منجر به سوق كمبود مثلاً از A به محل B در شكل5-1 (ب) می شود. بنابراین می توانیم این كمبود را به صورت یك ذره شبیه الكترون در نظر بگیریم. این ذره غیر واقعی را حفره می گویند. این ذره حامل بار مثبت است و زیر نفوذ میدان الكتریكی اعمال شده در راستای مخالف حركت الكترون حركت می‌كند مفهوم حفره شبیه به حباب در مایع است اگرچه در واقع این مایع است كه حركت می كند اما آسانتر است كه درباره حركت حباب در راستای مخالف صحبت كنیم. ]1[

1-5- نوارهای انرژی

تئوری نوار انرژی براساس مدل كرونیك پنی و مدلهای مفصل‌تر همچون مدل بستگی قوی و یا حل معادله شرودینگر نشان می دهند كه انرژیهایی كه الكترونها در جامد اختیار می كنند در نوارهای مجازی قرار می گیرند كه این نوارها به وسیله ناحیه انرژی ممنوع از هم فاصله دارند. برای یك اتم منفرد مثلاً یك اتم منفرد سیلیكون الكترونهای اتم فقط می توانند دارای ترازهای انرژی مجزا باشند:

                                                                 (3-1)

كه در آن m0 جرم الكترون آزاد- e بار الكترون- h ثابت پلانگ و n یك عدد درست مثبت و عدد كوانتومی اصلی است. انرژیهای مجاز برای تراز پایه n=1 برابر ev6/13- و برای اولین تراز تحریك n=2 برای ev4/3- و همین طور الی آخر می باشند.

برای دو اتم یكسان، وقتی از همدیگر خیلی دور هستند ترازهای انرژی مجاز برای یك عدد كوانتومی اصلی معین (مثلاً n=1) شامل یك سطح تبهگن دوگانه می باشد. یعنی هر اتم دارای انرژی یكسان (مثلاً ev6/13- به ازای n=1) هستند. در این حالت توابع موج الكترونهای دو اتم با اربیتالهای اتمی مجزای بیان می شوند ضمن آنكه دو اتم به یكدیگر نزدیك می شوند، تراز تبهگن ‌دوگانه در اثر برهمكنش بین اتمها به دو تراز تقسیم خواهد شد و توابع موج همپوشانی خواهند داشت و انرژی پتانسیل سیستم دو اتمی فوق به فاز نسبی دو تابع بستگی دارد كه در فاز موافق و در فاز مخالف به صورت خواهد بود ]3[.

وقتی N اتم را برای تشكیل بلور بهم نزدیك می كنیم، ترازهای انرژی تبهگن Nتایی به خاطر برهمكنش اتمی به N تراز اما با فواصل خیلی نزدیك تقسیم می شود. با توجه به تعداد زیاد اتمها در بلور3atm/cm 1022اختلاف انرژی نزدیك به هم از مرتبه ev20-10 می‌باشد كه در اكثر موارد عملی گروه ترازها را به عنوان نوار انرژی و در داخل هر نوار توزیع انرژی را به صورت پیوسته در نظر می گیرند ]4[.

در یك ماده نیم رسانا تعداد الكترونها به اندازه ای است كه تعدادی نوار مجاز را كاملاً پر كرده و بین آخرین نوار مجاز پر شده و اولین نوار مجاز (خالی) بعدی فاصله Eg وجود دارد. Eg در نیمه هادیها كمتر از حدود ev4 و در عایقها بیشتر از ev4 می‌باشد. آخرین نوار اشغال شده را نوار ظرفیت و نوار اشغال نشدة (خالی) بعدی را نوار رسانش می گویند.

به ازای هر الكترونی كه از نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار می كند یك جای خالی (حفره) در نوار ظرفیت ایجاد می شود. الكترون تحریك شده و حفره ایجاد شده هر دو می توانند به عنوان حامل بار عمل كرده و در افزایش هدایت الكتریكی نیمه هادی سهیم باشند:

                                                                    (4-1)

دراین معادله P,n به ترتیب چگالی الكترون و حفره، تحرك الكترون و تحرك حفره، و رسانندگی است.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

با فرمت ورد

Leave a comment