دانلود تحقیق سیلیسیوم

سیلیسیوم

1-1- مواد نیم رسانا
جریان الکتریکی در فلز از حرکت بارهای منفی (الکترونها) و در نیم رساناها از حرکت بارهای منفی (الکترونها) 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 که جریان الکتریکی عمدتاً از الکترونها یا حفره ها شود.

نیم رساناها گروهی از مواد هستند که رسانایی الکتریکی آنها بین فلزات و عایق ها قرار دارد.

بلور کامل و خالص اغلب نیمه رساناها در صفر مطلق عایق است.

ویژگیهای متخصه نیم رساناها این است که رسانایی آنها با تغییر دما، برانگیزش نوری و میزان ناخالص به نحو قابل ملاحظه ای تغییر می کند.

این قابلیت تغییر خواص الکتریکی، مواد نیمه رسانا را انتخاب مناسبی برای تحقیق در زمینه قطعات الکترونیکی ساخته است.

نیم رساناها رساناهای الکترونیکی هستند که 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[
مقاومت ویژه نیم رساناها می تواند قویاً به دما وابسته باشد، وسایلی از قبیل، ترانزیستورها، یکسوسازها، مدوله کننده ها، آشکارسازها، ترمیستورها و فوتوسلها براساس ویژگیهای نیم رساناها کار می کنند.

رسانندگی یک نیم رساناها بطور کلی 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 که از نمونه های منفرد اتم ها تشکیل می شوند، نظیر سیلیسیوم (Si) و ژرمانیوم (Ge) را می توان در ستون IV پیدا نمود.

مع ذلک، نیم رساناهای مرکب بیشماری از دو یا تعداد بیشتری عنصر تشکیل می گردند.

برای مثال گالیوم آرسنید (GaAs) یک ترکیب III-V است که ترکیبی از گالیوم از ستون III و آرستیک (As) از ستون V می باشد.

در جدول 2 لیست بعضی از نیم رساناهای عنصری و مرکب 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 کربن 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
کادمیوم ایندیم قلع آنتیموان تلوریم
6 Hg Pb
جیوه سرب

جدول 2- نیمه رسانای عنصری و مرکب
عنصر IV-IV ترکیب III-V ترکیب II-VI ترکیب IV-VI ترکیب
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 که از رسانندگی ناخالصی در نمونه های با خلوص کمتر متمایز است.

در گستره دمای ذاتی ویژگیهای الکتریکی نیم رسانا در اثر ناخالصی های بلور اساساً تغییر نمی کند.

یک طرح نواری الکترونی که به رسانندگی ذاتی منجر می شود.

شکل 1-1- طرح نواری برای رسانندگی ذاتی در نیم رسانا.

در صفر کلوین رسانندگی صفر است، زیرا تمام حالتهای نوار ظرفیت پر و تمام حالتهای نوار رسانش خالی اند.

با افزایش دما الکترونها بطور گرمایی از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته و در آنها متحرک می شوند.

نوار رسانش در صفر مطلق خالی است و به اندازه گاف انرژی از 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 لبه نوار رسانش می نامند.

بالاترین نقطه در نوار ظرفیت به لبه نوار ظرفیت موسوم است.

با افزایش دما، الکترونها به گونه گرمایی از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته می‌شوند (شکل 2-1).

هم الکترونهای نوار رسانش و هم اربیتالهای خالی یا حفره های به جا مانده در نوار ظرفیت، در رسانندگی الکتریکی شرکت می کنند.

]2[
(ب) سیلیسیوم، در شرایط ذاتی تراکم حفره ها با تراکم الکترونها برابر است.

در یک دمای مفروض تراکم ذاتی در Ge بیشتر از Si است، زیرا گاف انرژی ذر (ev67/0) باریکتر از (ev12/1) Si است.

1-2- سیلیسیوم
در اوایل دهه 1950 ژرمانیوم مهمترین ماده نیمه رسانا بود مع ذلک ثابت شد که ژرمانیوم برای بسیاری از کاربردها مناسب نمی باشد.

زیرا قطعات ژرمانیوم حتی در دماهایی که بطور معتدل بالا می روند نشت جریان بالایی را نشان می دهند به علاوه اکسید ژرمانیوم در آب قابل حل است و برای ساخت قطعات مناسب نیست، از اوایل دهه 1960 به بعد سیلیسیوم به یک جانشین عملی تبدیل شده است و اینک واقعاً ژرمانیوم را به عنوان یک ماده برای ساخت نیمه هادی از میدان خارج کرده است.

دلیل عمده استفاده از سیلیسیوم این است که قطعات سیلیسیومی جریان نشت کمتری را نشان می دهند و اکسید سیلیسیوم با کیفیت 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 شکل سیلیکا و سیلیکاتها 25% پوسته زمین را تشکیل می دهد، و سیلیسیوم بعد از اکسیژن از نظر فراوانی دومین ماده است و در حال حاضر، سیلیسیوم یکی از آن عناصر جدول تناوبی است که به مقدار خیلی زیاد مورد مطالعه واقع شده است،و تکنولوژی سیلیسیوم تا کنون دربین تمام تکنولوژیهای نیم رسانایی پیشرفته‌ترین می باشد.

بسیاری از نیم رساناهای مرکب دارای خواص الکتریکی و اپتیکی هستند که سیلیسیوم فاقد آن هاست.

این نیم رساناها بویژه گالیوم آرسنید بطور عمده برای کاربردهای موج ریز و نوری مورد استفاده قرار می گیرند.

اگرچه ما آنقدر که درباره تکنولوژی سیلیسیوم می دانیم درباره تکنولوژی نیم رساناهای مرکب نمی دانیم، بخشی از تکنولوژی نیم رساناهای مرکب بخاطر پیشرفت در تکنولوژی سیلیسیوم رشد کرده است.

1-3- ساختار بلوی سیلیسیوم در یک بلور اتمها به طریق سه بعدی دوره ای آرایش یافته اند.

آرایش دوره ای اتمها در بلور شبکه نامیده می شود.

در بلو، یک اتم هرگز دور از یک مکان ثابت، منفرد سرگردان نمی باشد.

ارتعاشات گرمایی مربوط به این اتم حول این مکان متمرکز می‌شود.

برای یک نیم رسانای معین یک یاخته واحد وجود دارد که نماینده تمام شبکه است، با تکرار یاخته واحد در سرتاسر بلور، می توان تمام شبکه را ایجاد نمود.

سیلیسیوم دارای یک ساختار شبکه الماسی با ثابت شبکه A 43/5 آنگستروم می باشد.

(شکل 3-1) این ساختار متعلق به خانواده بلور مکعبی هست و می توان آن را به صورت دو زیر شبکه مکعبی fcc که در یکدیگر نفوذ کرده اند، مشاهده نمود.

بدین طریق که یک زیر شبکه به اندازه یک چهارم فاصله در راستای قطر مکعب (یعنی تغییر مکانی به اندازه ) نسبت به زیر شبکه دیگر جابجا شده است.

تمام اتمها در شبکه الماسی یکسان هستند و هر اتم در شبکه الماسی با چهار نزدیکترین همسایه که با فاصله مساوی در گوشه های یک چهار وجهی قرار دارند احاطه شده است.

(به کره های متصل شده با خط سیاه در شکل 3-1- الف مراجعه شود).

به زبان برداری شبکه الماسی یک شبکه مکعبی مرکز وجهی fcc با یک پایه دو اتمی در نقاط و یا به شکل دو شبکه fcc که در امتداد قطر درهم جابجا شده اند.

سلول بسیط شبکه fcc با بردارهای بسیط: (1-1) معین می شود.

شبکه وارون fcc با ثابت شبکه a یک شبکه مکعبی مرکز حجمی bcc با ثابت شبکه با بردارهای بسیط: (2-1) می باشند.

]2[ 1-4- پیوندهای ظرفیت هر اتم در شبکه الماسی با چهار نزدیکترین همسایه مجاور احاطه می شود.

شکل 4-1-(الف) پیکربندی چهار وجهی شبکه الماسی را نشان می دهد.

نمودار پیوند دو بعدی ساده شده برای چهار وجهی در شکل 4-1-(ب) نشان داده شده است هر اتم در مدار خارجی دارای چهار الکترون است و هر اتم این الکترونهای ظرفیت را با چهار همسایه‌اش به اشتراک می گذارد و این اشتراک گذاری الکترونها به پیوند کووالانس مشهور است، هر جفت الکترون یک پیوند کووالانت تشکیل می دهند.

پیوند کووالانس بین اتمها یک نوع عنصر و یا بین اتمهای عناصر متفاوت که دارای پیکربندی یکسانی در پوسته خارجی هستند اتفاق می افتد، هر الکترون با هر هسته، مقدار زمان مساوی صرف می کنند.

مع ذلک، هر دو الکترون بیشتر وقت خود را در فاصله میان دو هسته صرف می کنند.

نیروی جاذبه هر دو دسته بر الکترونها، دو اتم را به یکدیگر می چسباند.

در دماهای پائین، الکترونها در شبکه چهار وجهی مربوط به خودشان محدود می‌شوند در نتیجه برای رسانش مناسب نیستند.

در دماهای بالاتر، ارتعاشات گرمایی ممکن است پیوندهای کووالان را بشکنند.

وقتی پیوندی شکسته می شود، یک الکترون آزاد می شود که می تواند در جریان رسانش شرکت کند شکل 5-1 (الف) موقعیت را وقتای که یک الکترون ظرفیت بر یک الکترون آزاد تبدیل می شود، نشان می دهد.

در پیوند کووالان کمبود یک الکترون ایجاد می شود.

این کمبود می تواند با یکی از الکترونهای همسایه پر شود که منجر به سوق کمبود مثلاً از A به محل B در شکل5-1 (ب) می شود.

بنابراین می توانیم این کمبود را به صورت یک ذره شبیه الکترون در نظر بگیریم.

این ذره غیر واقعی را حفره می گویند.

این ذره حامل بار مثبت است و زیر نفوذ میدان الکتریکی اعمال شده در راستای مخالف حرکت الکترون حرکت می‌کند مفهوم حفره شبیه به حباب در مایع است اگرچه در واقع این مایع است که حرکت می کند اما آسانتر است که درباره حرکت حباب در راستای مخالف صحبت کنیم.

]1[ 1-5- نوارهای انرژی تئوری نوار انرژی براساس مدل کرونیک پنی و مدلهای مفصل‌تر همچون مدل بستگی قوی و یا حل معادله شرودینگر نشان می دهند که انرژیهایی که الکترونها در جامد اختیار می کنند در نوارهای مجازی قرار می گیرند که این نوارها به وسیله ناحیه انرژی ممنوع از هم فاصله دارند.

برای یک اتم منفرد مثلاً یک اتم منفرد سیلیکون الکترونهای اتم فقط می توانند دارای ترازهای انرژی مجزا باشند: (3-1) که در آن m0 جرم الکترون آزاد- e بار الکترون- h ثابت پلانگ و n یک عدد درست مثبت و عدد کوانتومی اصلی است.

انرژیهای مجاز برای تراز پایه n=1 برابر ev6/13- و برای اولین تراز تحریک n=2 برای ev4/3- و همین طور الی آخر می باشند.

برای دو اتم یکسان، وقتی از همدیگر خیلی دور هستند ترازهای انرژی مجاز برای یک عدد کوانتومی اصلی معین (مثلاً n=1) شامل یک سطح تبهگن دوگانه می باشد.

یعنی هر اتم دارای انرژی یکسان (مثلاً ev6/13- به ازای n=1) هستند.

در این حالت توابع موج الکترونهای دو اتم با اربیتالهای اتمی مجزای بیان می شوند ضمن آنکه دو اتم به یکدیگر نزدیک می شوند، تراز تبهگن ‌دوگانه در اثر برهمکنش 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 که در فاز موافق و در فاز مخالف به صورت خواهد بود ]3[.

وقتی N اتم را برای تشکیل بلور بهم نزدیک می کنیم، ترازهای انرژی تبهگن Nتایی به خاطر برهمکنش اتمی به N تراز اما با فواصل خیلی نزدیک تقسیم می شود.

با توجه به تعداد زیاد اتمها در بلور3atm/cm 1022اختلاف انرژی نزدیک به هم از مرتبه ev20-10 می‌باشد که در اکثر 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 یک ماده نیم رسانا تعداد الکترونها به اندازه ای است که تعدادی نوار مجاز را کاملاً پر کرده و بین آخرین نوار مجاز پر شده و اولین نوار مجاز (خالی) بعدی فاصله Eg وجود دارد.

Eg در نیمه هادیها کمتر از حدود ev4 و در عایقها بیشتر از ev4 می‌باشد.

آخرین نوار اشغال شده را نوار ظرفیت و نوار اشغال نشده (خالی) بعدی را نوار رسانش می گویند.

به ازای هر الکترونی که از نوار ظرفیت به نوار رسانش گذار می کند یک جای خالی (حفره) در نوار ظرفیت ایجاد می شود.

الکترون تحریک شده و حفره ایجاد شده هر دو می توانند به عنوان حامل بار عمل کرده و در افزایش هدایت الکتریکی نیمه هادی سهیم باشند: (4-1) دراین معادله P,n به ترتیب چگالی الکترون و حفره، تحرک الکترون و تحرک حفره، و رسانندگی است.

حفره ها و الکترون های تولید شده اگرچه می توانند در تمام حجم بلور آزادانه حرکت کنند ولی تا زمانی که باز ترکیب نشده اند، و چون تحت تاثیر پتانسیل تناوبی فلزهای اتمی باردار قرار دارند حرکت آنها مشابه حرکت یک الکترون آزاد در خلاء نمی‌باشد.

روش جالبی که برای حل این مشکل وجود دارد این است که به جای حل معادله شرودینگر با استفاده از