عنوان :

پایان نامه تعیین چگالی بارهای سطحی میان – گاه

تعداد صفحات :۱۵۰

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

در این پایان نامه ابتدا به تشریح ساختار دورآلاییده  Si/SiGe/Siمی­پردازیم و سپس مدلی نظری که بتواند ویژگیهای الکتریکی گاز حفره­ای دوبعدی درون چاه کوانتومی ساختارp-Si/SiGe/Si  و همچنین میزان انتقال بار آزاد به درون چاه و بستگی آن به پارامترهای ساختار را توجیه کند ارائه می دهیم  .  در ساختار دورآلاییده معکوس p-Si/SiGe/Si دریچه­دار با دریچه Al/Ti/Si از این مدل نظری استفاده می­کنیم و با برازش نتایج تجربی تغییرات چگالی سطحی گاز حفره­ای بر حسب ولتاژ دریچه توانسته­ایم چگالی سطحی بارهای میانگاه Ti/Si در این ساختارها را در محدوده (m^-2) 10¹⁵ × ۷۸/۱ تا (m^-2) 10¹⁵ × ۶۳/۴  ارزیابی کنیم  .

مقاله شامل  فصل که فصل اول ساختارهای دورآلاییده : در این فصل ابتدا به بررسی خواص نیمه­رسانا می پردازیم سپس با نیمه­رساناهای سیلیکان و ژرمانیوم آشنا می شویم و بعد از آن انواع روشهای رشد رونشستی و ساختارهای ناهمگون را مورد بررسی قرار  می دهیم و همچنین ساختارهای دورآلاییده را بررسی می کنیم و در آخر نیز به بررسی کاربرد ساختارهای دورآلاییده و ترانزیستورهای اثر میدانی می پردازیم.

فصل دوم : اتصال فلز نیمه رسانا (سد شاتکی): قطعات تک قطبی قطعات نیمه رسانایی هستند که در آنها فقط یک نوع حامل بطور غالب در روند رسانش شرکت دارد . پنج قطعه تک قطبی به صورت زیر وجود دارد :

۱- اتصال فلز نیمه- رسانا

۲- ترانزیستور اثر میدان- پیوندگاه

۳- ترانزیستور اثر میدان- فلز- نیمه رسانا

۴- دیود فلز-اکسید-نیمه رسانا

۵- ترانزیستور اثر میدان- فلز- اکسید- نیمه رسانا

ما در این بحث فقط اتصال فلز نیمه رسانا را بررسی می­کنیم .

فصل سوم : انتقال بار در ساختارهای دورآلاییده: در این فصل ابتدا ساختار دور آلاییده معکوس p-Si/SiGe/Si  و نوار ظرفیت آن را مورد بررسی قرار می­دهیم و سپس چگونگی محاسبه انتقال بار در این ساختارها را بیان می­کنیم  و در ادامه اثر دریچه­دار نمودن ساختارهای دور آلاییده بر چگالی سطحی حامل­ها و انتقال بار در ساختارهای دور آلاییده دریچه­دار Si/SiGe/Si  و همچنین بارهای میانگاه Ti/Si  در ساختارهای دریچه­دار معکوس p-Si/SiGe/Si  را ارزیابی می­کنیم  .

فصل چهارم : نتایج محاسبات : در این فصل نتایج محاسبات مربوط به تغییرات چگالی سطحی حامل­های دوبعدی برحسب پارامترهای ساختار برای ساختارهای بدون دریچه و همچنین برحسب ولتاژ دریچه در ساختارهای دریچه دار توسط نمودار نمایش داده شده و با مقایسه با نتایج تجربی و محاسباتی مدل نظری خودسازگار ارزیابی می­شود ساختارهای دورآلاییده­ای  که مورد بررسی قرار می­گیرند عبارتند از :

۱-ساختارهای دورآلاییده بی دریچه Si/SiGe/Si

۲-ساختارهای دورآلاییده دریچه دار Si/SiGe/Si (دارای سد شاتکی )

فصل پنجم : نتایج

واژه های کلیدی: ساختار دورآلاییده ، فلز نیمه رسانا، انتقال بار

 فهرست مطالب

فصل اول : ساختارهای دورآلاییده   ۱
مقدمه    ۲
۱-۱ نیمه رسانا   ۳
۱-۲ نیمه رسانا با گذار مستقیم و غیر مستقیم   ۴
۱-۳ جرم موثر   ۴
۱-۴ نیمه رسانای ذاتی   ۶
۱-۵ نیمه رسانای غیر ذاتی و آلایش   ۷
۱-۶ نیمه رساناهای Si و Ge    ۱۰
۱-۷ رشد بلور    ۱۳
۱-۷-۱ رشد حجمی بلور   ۱۵
۱-۷-۲ رشد رونشستی مواد   ۱۵
۱-۷-۳ رونشستی فاز مایع    ۱۶
۱-۷-۴ رونشستی فاز بخار   ۱۸
۱-۷-۵ رونشستی پرتو مولکولی    ۱۹
۱-۸ ساختارهای ناهمگون   ۲۰
۱-۹ توزیع حالت‌های انرژی الکترون‌ها در چاه کوانتومی   ۲۱
۱-۱۰ انواع آلایش   ۲۳
۱-۱۰-۱ آلایش کپه¬ای   ۲۴
۱-۱۰-۲ آلایش مدوله شده (دورآلاییدگی)   ۲۴
۱-۱۰-۳ گاز الکترونی دوبعدی    ۲۵
۱-۱۰-۴ گاز حفره¬ای دوبعدی   ۲۶
۱- ۱۱ ویژگی و انواع ساختارهای دور آلاییده    ۲۷
۱-۱۱-۱ انواع ساختارهای دورآلاییده به¬¬لحاظ ترتیب رشد لایه¬ها    ۲۷
۱-۱۱-۲ انواع ساختار دور آلاییده به لحاظ نوع آلاییدگی ( n یا p )   ۲۸
۱-۱۱-۳ انواع ساختار دور آلاییده دریچه¬دار   ۲۹
۱-۱۲ کاربرد ساختارهای دور آلاییده   ۳۳
۱-۱۲-۱ JFET   ۳۳
۱-۱۲-۲ MESFET    ۳۴
۱-۱۲-۳ MESFET پیوندگاه ناهمگون    ۳۵
فصل دوم : اتصال فلز نیمه رسانا (سد شاتکی)   ۳۸
مقدمه    ۳۹
۲-۱ شرط ایده آل و حالتهای سطحی    ۴۱
۲-۲ لایه تهی    ۴۴
۲-۳ اثر شاتکی    ۴۷
۲-۴ مشخصه ارتفاع سد   ۵۱
۲-۴-۱ تعریف عمومی و کلی از ارتفاع سد   ۵۱
۲-۴-۲ اندازه گیری ارتفاع سد   ۵۷
۲-۴-۳ اندازه گیری جریان – ولتاژ   ۵۷
۲-۴-۴ اندازه گیری انرژی فعال سازی   ۶۰
۲-۴-۵ اندازه گیری ولتاژ- ظرفیت   ۶۰
۲-۴-۶ تنظیم ارتفاع سد    ۶۲
۲-۴-۷ کاهش سد    ۶۲
۲-۴-۸ افزایش سد   ۶۳
۲-۵ اتصالات یکسوساز .    ۶۴
۲-۶ سدهای شاتکی نمونه     ۶۴
فصل سوم : انتقال بار در ساختارهای دورآلاییده   ۶۶
مقدمه   ۶۷
۳-۱ ساختار دور آلاییده معکوس p-Si/Si1-XGeX/Si .   ۶۸
۳-۲ ساختار نوار ظرفیت ساختار دور آلاییده معکوسp-Si/SiGe/Si   ۶۹
۳-۳ محاسبه انتقال بار در ساختارهای دور آلاییده.   ۷۱
۳-۳-۱ آلایش مدوله شده ایده¬آل   ۷۱
۳-۳-۲ محاسبات خود سازگار چگالی سطحی حاملها    ۷۴
۳-۳-۳ اثر بارهای سطحی بر چگالی گاز حفره¬ای    ۷۴
۳-۴ روشهای کنترل چگالی سطحی حاملها    ۷۶
۳-۴-۱ تاثیر تابش نور بر چگالی سطحی حاملها    ۷۷
۳-۴-۲ تاثیر ضخامت لایه پوششی بر چگالی سطحی حاملها   ۷۸
۳-۴-۳ دریچه دار کردن ساختار دور آلاییده    ۷۹
۳-۵ ساختارهای دورآلاییده معکوس p-Si/SiGe/Si با دریچه بالا    ۷۹
۳-۶ انتقال بار در ساختارهای دورآلاییده معکوس با دریچه بالا   ۸۲
۳-۷ تاثیر بایاسهای مختلف بر روی چگالی سطحی ¬حفره¬ها    ۸۳
۳-۸ ملاحظات تابع موج.   ۸۶
۳-۹ وابستگی Zav به چگالی سطحی حاملها در ساختارهای بی دریچه   ۸۷
۳-۱۰ وابستگی Zav به چگالی سطحی حاملها در ساختارهای دریچه¬دار   ۸۷
فصل چهارم : نتایج محاسبات     ۸۹
مقدمه   ۹۰
۴-۱ محاسبات نظری ساختارهای دورآلاییده بی دریچه Si/SiGe/Si    ۹۱
۴-۱-۱ محاسبات نظری ns برحسب Ls    ۹۱
۴-۱-۲ محاسبات نظری ns برحسب NA     ۹۶
۴-۱-۳ محاسبات نظری ns برحسب nc    ۹۹
۴-۱-۴ محاسبات نظری کلیه انرژیهای دخیل برحسب Ls    ۱۰۰
۴-۲ محاسبات نظری ساختارهای دورآلاییده دریچه¬دار Si/SiGe/Si    ۱۰۰
۴-۲-۱ محاسبات نظری ns برحسب vg    ۱۰۰
۴-۲-۲ بررسی نمونه ها با nsur متغیر و تابعی خطی از vg با شیب مثبت    ۱۰۷
۴-۲-۳ بررسی نمونه ها با nsur متغیر و  تابعی خطی از vg با شیب منفی   ۱۱۴
فصل پنجم : نتایج    ۱۲۴
۵-۱مقایسه سد شاتکی با ساختار دورآلاییده دریچه دار p-Si/SiGe/Si    ۱۲۵
۵-۲ بررسی نمودارهای مربوط به چهار نمونه    ۱۲۵
پیوست    ۱۲۹
چکیده انگلیسی (Abstract)    ۱۳۹
منابع   ۱۴۱

منابع

 [۱] Ashcroft , N. W. , Mermin , N. D, , Solid state physics. , (1976).

[۲] Ando , T. , J. Phys. Soc. Japan , Vol . 51 , . NO. 12 , PP. 3900 (1982).

[۳] Ando , T. , Fowler , A. B. , Stern , F. , Reviews . Modern physics , Vol. 54 ,     NO. 2 , PP. 437(1982) .

[۴] Bardeen , J., Phys. Rev . PP. 717(1947).

[۵] Bastard , G. , Surface science , 142, PP. 284(1984).

[۶] Coleridge , P.T., Williams , R.L., Feng , Y., Zawadzki, P. , Phys. Rev. , B56, PP.      ۱۲۷۶۴(۱۹۹۷)

[۷]  Emeleus , C. J. , Whall , T. E. , Smith , D. W. , Kubiak , R. A. , Parker , E. H.       C., Kearney , M. J. , J. Appl . phys. , 73(8), PP. 3852(1993).

[۸] Emeleus , C. J . , Sadeghzadeh , M. A. , Phillips , P. J. , Parker , E. H. C. ,     Whall , T. E. , Pepper , M. Evans , A. G. R. , Appl. Phys. Lett. , 70(14) ,      PP.1870(1997).

[۹] Fang , F. F. , Howard , W. E. , Phys. Rev. Lett. , 16 , PP.797(1966).

[۱۰] Hamilton, A. R., Frost , J. E. F. , Smith , C. G., Kelly , M. J. , Linfield , E. h.,        Ford, C. J. B., Ritchie, D. A. C. , Papper, M., Hasko , D. G., Ahmed , H. Appl.       Phys. Lett. , 60(22), PP.2782(1992).

[۱۱] Hirakawa , D. C. , Sakaki , Yoshino , J. , Phys. Lett. , 45(3) , PP. 253(1984).

[۱۲] Houghton , D. C., Baribea, J. M. , Rowell , N. L. , J. Mat. Sci., Material in Elect.       , ۶, PP. 280(1995) .

[۱۳] HUANG , l. J., Lau , W. M., Vac, J., Sci.Technol. , A10 , PP. 812(1992).

[۱۴] Ismail , K. Arafa , M. , Stern , F. , Chu , J. O. , Meyerson , B. S. , Appl. Phys.       Lett. , 66(7) , PP. 842(1995) .

[۱۵] Koing , U., Schaffler , F. , Electron. Lett. , 29 , PP. 486(1993) .

[۱۶]  Lee , M .L. , Fitzgerald , Bolsara , M. T. , Carrier , M. T. , J. ,Appl. Phys. , 97 ,         ۰۱۱۱۰۱(۲۰۰۵)

[۱۷] Pearson , G. L. , Bardeen , J. , Phys .Rev. , Vol . 75, NO.5, PP.865(1949).

[۱۸] People , R. , Been , J. C. , Lang, D. V. , Sargent , A. M. , Stomer, H. L. ,           Wecht , K. W. , Lynch , R. T. , Baldwin , K. , Appl. Phys. Lett. , 45(11),        PP.1231(1984).

[۱۹] Sadeghzadeh , M. A.  Electrical Properties of Si/SiGe/Si Inverted        Modulation Doped Stractures , Ph . D. Thesis , University of Warwick ,

       (۱۹۹۸) .

[۲۰] Sadeghzadeh , M. A.  , Parry , C.P. , Phillips , P. J. , Parker , E. H. C. ,         Whall , T. E. , Appl. Phys. Lett. , 74(4) , PP. 579 (1999) .

[۲۱] Sadeghzadeh , M. A. , Appl. Phys. Lett. Vol. 76 , NO.3, PP. 348(2000).

[۲۲] Simmons, M. Y., Hamilton , A. R.,Stevens, S. J., Ritchie, D. A., Pepper , M. ,        Kurobe , A., Appl.Phys.Lett., 70(20) , PP.2750(1997) .

[۲۳] Stern , F. , Sankar , D. S. , Phys . Rev. B, VOL. 30 NO. 2 , PP. 840(1984).

[۲۴] Sze , S. M. , Physics of semiconductors . , PP. 12(1996).

[۲۵] Sze , S. M. , Physics of semiconductor Devices . , PP. 245(1981) .

[۲۶] Verdenckt Vandebroec, S. , Crabbe, E. F. , Meyerson , B. S. , Harame, D. L.         Restle, P. J. , Stork, J.M.C. , Jonson, J.B.,IEEE.ED41,PP.90(1994) .

[۲۷] Whall , T. E. , Thin Solid Films,294 ,PP. 160(1997).

[۲۸] استریتمن, بن جی , فیزیک الکترونیک , رویین تن لاهیجی , غلامحسن ,            صمدی , سعید , دانشگاه علم و صنعت ایران , تهران , ۱۳۷۶ .

[۲۹] ادیبی , اکبر , فیزیک الکترونیک و تکنولوژی نیمه هادیها , مرکز نشر دانشگاهی         صنعتی امیر کبیر , تهران , ۱۳۷۵ .

[۳۰] بهاتاچاریا , پالاب , قطعات نیمه هادی الکترونیک نوری , محمد نژاد , شهرام ,         دانشگاه امام حسین(ع) , موسسه چاپ و انتشارات , تهران , ۱۳۸۱ .

[۳۱] روزنبرگ , فیزیک حالت جامد , عشقی , حسین , عزیزی , حسن , مرکز نشر           دانشگاهی , تهران, ۱۳۷۶٫

[۳۲] زی , اس. ام . , فیزیک و تکنولوژی قطعات نیمرسانا , سدیر عابدی , غلامحسین ,       موسسه چاپ و انتشارات آستان قدس رضوی , مشهد , ۱۳۷۵ .

[۳۳]  صادق زاده , محمد علی , انصاری پور , قاسم , مقاله نامه ششمین کنفرانس ماده          چگال , ۱۳۸۱ , ص ۹ .

[۳۴] صادق زاده , محمد علی , انصاری پور , قاسم , کنفرانس فیزیک ایران , ۱۳۸۰ ,         ص ۷۸ .

[۳۵] صادق زاده , محمد علی , کنفرانس فیزیک ایران , ۱۳۷۹ , ص ۷۴ .

[۳۶] صادق زاده , محمد علی , فخارپور ,مهسا ,مقاله نامه دومین کنفرانس علوم و         تکنولوژی سطح , ۱۳۸۵ ,ص ۱ .

[۳۷] عمر , علی , فیزیک حالت جامد , نبیونی , غلامرضا , دانشگاه اراک , اراک ,         ۱۳۸۱ , جلد دوم .

[۳۸] کیتل , چارلز , آشنایی با فیزیک حالت جامد , پور قاضی , اعظم , صفا , مهدی ,         عمیقیان , جمشید , مرکز نشر دانشگاهی, تهران , ۱۳۷۳ .

مقدمه:

امروزه قطعات جدیدی در دست تهیه­اند که از لایه­های نازک متوالی نیمه­رساناهای مختلف تشکیل می شوند . هر لایه دارای ضخامت مشخصی است که به دقت مورد کنترل قرار می گیرد و از مرتبه ۱۰ نانومتر است . اینها ساختارهای ناهمگون نامیده می شوند . خواص الکترونی لایه­های بسیار نازک را می توان با بررسی ساده­ای که برخی از اصول اساسی فیزیک کوانتومی را نشان می دهد به دست آورد [۳۱] .

در این فصل ابتدا به بررسی خواص نیمه­رسانا می پردازیم سپس با نیمه­رساناهای سیلیکان و ژرمانیوم آشنا می شویم و بعد از آن انواع روشهای رشد رونشستی و ساختارهای ناهمگون را مورد بررسی قرار  می دهیم و همچنین ساختارهای دورآلاییده را بررسی می کنیم و در آخر نیز به بررسی کاربرد ساختارهای دورآلاییده و ترانزیستورهای اثر میدانی می پردازیم.

۱-۱ نیمه ­رسانا:

 در مدل الکترون مستقل الکترون­های نوار کاملاً پر هیچ جریانی را حمل نمی­کنند این یک روش اساسی برای تشخیص عایق­ها و فلزات از هم است . در حالت زمینه یک عایق تمام نوارها یا کاملاً پر یا کاملاً خالی هستند اما در حالت زمینه یک فلز حداقل یک نوار به طور جزئی پر است . روش دیگر تشخیص عایق­ها و فلزات بحث گاف انرژی است گاف انرژی یعنی فاصله بین بالاترین نوار پر و پایین­ترین نوار خالی .

یک جامد با یک گاف انرژی در   عایق خواهد بود. در نتیجه با گرم کردن عایق همچنانکه دمای آن افزایش می­یابد بعضی از الکترون­ها به طور گرمایی تحریک شده و از گاف انرژی به سمت پایین­ترین نوار غیر اشغال گذار می­کنند . جای خالی الکترون­ها در نوار ظرفیت را حفره می­نامند این حفره­ها ماهیتی مانند بار مثبت دارند در نتیجه در روند رسانش هم الکترون­ها و هم حفره­ها شرکت می­کنند . الکترون­های برانگیخته شده در پایین­ترین قسمت نوار رسانش قرار می­گیرند در صورتیکه حفره­ها در بالاترین قسمت نوار ظرفیت واقع می­شوند .

جامداتی که در  عایق بوده اما دارای گاف انرژی به اندازه­ای هستند که برانگیزش گرمایی منجر به مشاهده رسانشی در  شود به عنوان نیمه­رسانا شناخته می­شود .

ساده­ترین عناصر نیمه رسانا از گروه چهارم جدول تناوبی هستند که به آنها نیمه­رساناهای تک عنصری می­گویند سیلیکون و ژرمانیوم دو عنصر مهم نیمه­رساناها هستند . علاوه بر عناصر نیمه­رسانا ترکیبات گوناگون نیمه­رسانا هم وجود دارد . GaAsیک نمونه نیمه­رساناهای  است که از ترکیب عناصر گروه  (Ga) و گروه(As) بدست آمده­اند و در ساختار زینک بلند متبلور می­شوند . همچنین بلور نیمه­رسانا از عناصر گروه   و  هم بوجود می­آید که می­تواند ساختار زینک­بلند داشته باشد و به عنوان نیمه­رساناهای قطبی شناخته شده­اند [۱].

۱-۲  نیمه ­رسانای با گذار مستقیم و غیر مستقیم:             

  هرگاه کمینه نوار رسانش و بیشینه نوار ظرفیت یک نیمه ­رسانا در یک نقطه فضایk  قرار بگیرند به چنین نیمه­رسانایی نیمه رسانای با گذار مستقیم می­گویند.

اما اگر کمینه نوار رسانش و بیشینه نوار ظرفیت یک نیمه­رسانا در یک نقطه فضای k  قرار نگیرند به چنین نیمه­رسانایی نیمه­رسانای با گذار غیر مستقیم می­گوییم.

الکترون­ها کمینه نوار رسانش و حفره­ها بیشینه نوار ظرفیت را اشغال می­کنند [۱] .

۱-۳ جرم موثر :

 الکترون­ها در بلور بطور کامل آزاد نیستند بلکه با پتانسیل متناوب شبکه برهمکنش دارند . در نتیجه حرکت موج ذره­ای آنها را نمی توان مشابه الکترون­ها در فضای آزاد دانست . برای اعمال معادلات معمولی الکترودینامیک به حامل­های بار در یک جامد باید از مقادیر تغییر یافته جرم ذره استفاده کنیم در این صورت اثر شبکه منظور شده و می­توان الکترون­ها و حفره­ها را به صورت حامل­های تقریباً آزاد در بیشتر محاسبات در نظر گرفت .

جرم موثر یک الکترون در ترازی با رابطه معین (E,K) به صورت زیر است :

پس انحنای نوار تعیین کننده جرم موثر الکترون است . برای نوار متمرکز حول K=0 رابطه (E;K) در نزدیکی حداقل معمولاً سهموی است :

(۱-۲)

این رابطه نشان می­دهد که جرم موثر در نوار سهموی ثابت است .

   انحنای         در محل حداقل­های نوار رسانش مثبت ولی در محل حداکثرهای نوار ظرفیت منفی است . بنابراین الکترون­ها در نزدیکی بالای نوار ظرفیت دارای جرم موثر منفی هستند . الکترون-های نوار ظرفیت با بار منفی و جرم منفی در یک میدان الکتریکی در همان جهت حفره­های با بار و جرم مثبت حرکت می­کنند . در جدول زیر جرم­های موثر بعضی از مواد آورده شده است . جرم موثر الکترون با  و جرم موثر حفره با  نشان داده می شود [۲۸] .

۱-۴ نیمه ­رسانای ذاتی :

 یک بلور نیمه­رسانای کامل فاقد هرگونه ناخالصی یا نقائص بلوری به نام نیمه­رسانای ذاتی شناخته می­شود . در چنین ماده­ای هیچگونه حامل آزادی در صفر کلوین وجود ندارد زیرا نوار ظرفیت از الکترون­ها پر شده و نوار رسانش خالی است . در دماهای بالاتر با برانگیزش گرمایی الکترون-های نوار ظرفیت به نوار رسانش از طریق گاف نواری زوج-های الکترون حفره تولید می­شود . این زوج­ها تنها حامل­های موجود در ماده ذاتی هستند .

بدلیل تولید زوج الکترون­ها و حفره­ها تراکم  از الکترون­های نوار رسانش (تعداد الکترون­ها در هر سانتی متر مکعب ) برابر با تراکم  از حفره-ها در نوار ظرفیت (تعداد حفره­ها در هر سانتی متر مکعب ) است . هر یک از این تراکم حامل­های ذاتی را معمولاً با  نمایش  می­دهند . پس برای ماده ذاتی داریم :

(۱-۳)

برانگیختی حامل­های ذاتی به طور نمایی به        بستگی دارد که در آن E_g گاف انرژی                   است و این بستگی به صورت رابطه زیر است [۳۸]:

(۱-۴)

 مقدار n_i در دمای اتاق برای  Si، Ge و GaAs به ترتیب برابر با (cm^-3 )10¹⁰ × ۴۵/۱،          (cm^-3 )10¹² × ۵/۲و (cm^-3 )10⁶ × ۷۹/۱است .                                        

شکل (۱-۲) : زوج­های الکترون حفره در مدل پیوند کووالانسی از بلور Si

 ۱-۵ نیمه­ رسانای غیر ذاتی و آلایش  :

 علاوه بر حامل­های ذاتی تولید شده با گرما می­توان با وارد کردن تعمدی ناخالصی به بلور حامل­های اضافی در نیمه­رساناها بوجود آورد . این فرایند مرسوم به آلایش متداولترین روش برای تغییر رسانایی در نیمه­رساناهاست .

با عمل آلایش می­توان بلور را طوری تغییر داد که دارای اکثریتی از الکترون­ها یا حفره­ها بشود . پس توسط آلایش دو نوع نیمه­رسانا بوجود می­آید : نوع  (اکثریت الکترونی) و نوع (اکثریت حفره­ای ). هنگامیکه بر اثر آلایش در یک بلور تراکم حالت تعادل حامل-های آن و  با تراکم ذاتی حامل­ها  تفاوت داشته باشد گوییم ماده غیر ذاتی است .

هنگامیکه ناخالصی­ها یا نقص­های شبکه در یک بلور تقریباً کامل وارد می­شوند ترازهای اضافی در ساختمان نوار انرژی و معمولاً درون گاف نوار ایجاد می­شود.مثلاً یک ناخالصی از ستون پنجم جدول تناوبی (p  و As و Sb ) تولید یک تراز انرژی در نزدیکی نوار رسانش از Si یا Ge  می­کند. این تراز در صفر کلوین توسط الکترون­ها پر شده و انرژی گرمایی خیلی کمی برای برانگیختن این الکترون­ها به نوار رسانش لازم است . بنابراین در دماهای بیش از چند صدکلوین تمام الکترون-ها در تراز ناخالصی در واقع به نوار رسانش ” بخشیده ” می­شوند. یک چنین تراز ناخالصی را تراز دهنده و ناخالصی-های ستون پنجم در Ge  یا Si  را ناخالصی-های دهنده می­نامند. از شکل (۱-۳) پیداست که ماده دارای ناخالصی-های دهنده می­تواند حتئ در دماهای پایین که تراکم حامل­های ذاتی زوج الکترون حفره قابل توجه نیست تراکم قابل ملاحظه­ای از الکترون­ها در نوار رسانش داشته باشد . بنابراین نیمه رساناهای ناخالص شده با تعداد قابل توجهی اتم دهنده دارای    در دمای معمولی بوده و یک نیمه­رسانای نوع  محسوب می­شوند.

 اتم­های ستون  (In ,Ga ,Al ,B) در Ge یا Si  ترازهای ناخالصی در نزدیک نوار ظرفیت بوجود می­آورند . ( شکل ۱-۴) در دماهای پایین الکترون­های نوار ظرفیت انرژی گرمایی کافی برای رفتن به تراز ناخالصی و بر جا گذاشتن حفره­هایی در نوار ظرفیت را دارا هستند . از آنجایی که این نوع تراز ناخالصی الکترون­ها را از نوار ظرفیت “می­پذیرد” به آن تراز گیرنده و ناخالصی­های ستون سوم را ناخالصی­های گیرنده یا پذیرنده در Ge  و Si  می­نامند . همانطور که شکل (۱-۴) نشان می­دهد آلایش با ناخالصی­های پذیرنده می­تواند یک نیمه-رسانا با تراکم حفره خیلی بیشتر از تراکم الکترون­های ذاتی بوجود آورد (که یک نیمه-رسانای نوع p نامیده می­شود ).

 در مدل پیوند کووالانسی اتم­های دهنده و پذیرنده را می­توان مطابق شکل (۱-۵) تجسم کرد . یک اتم Sb ( از ستون پنجم ) در شبکه Si دارای چهار الکترون ظرفیت لازم برای تکمیل پیوندهای کووالانسی به علاوه یک الکترون اضافی است این الکترون در ساختار پیوندی شبکه جا نگرفته و بنابراین دارای یک پیوند سست با اتم Sb  است . مقدار اندکی انرژی گرمایی می­تواند منجر به غلبه این الکترون اضافی بر پیوند کولنی خود با اتم ناخالصی شده و آن را وارد شبکه کند و در نتیجه برای شرکت در رسانش جریان آزاد خواهد بود . این روند یک مدل کیفی از برانگیختگی الکترونها به خارج از تراز دهنده و به درون تراز رسانش است (شکل ۱-۳ ). بطور مشابه ناخالصی Al  از ستون  تنها دارای سه الکترون ظرفیت برای مشارکت در پیوند کووالانسی است (شکل ۱-۵ ) و بنابراین یک پیوند را ناقص می­گذارد. با اندکی انرژی گرمایی این پیوند ناقص می­تواند با جابجایی موقعیت الکترون­های پیوند به اتم­های دیگر منتقل شود [۲۸] .

۱-۶  نیمه رساناهای Si  و Ge  :

 Si در طبیعت به صورت سیلیکا و سیلیکات به وفور یافت می­شود و لذا می­توان آن را به عنوان مهمترین نیمه-رسانا برای صنایع الکترونیک در نظر گرفت همچنین می­توان از Ge هم در این صنعت استفاده کرد [۲۸] .

حال به بررسی Si  می­پردازیم :

سیلیکون دارای ساختار بلوری الماسی است که این ساختار به وسیله دو شبکه FCC در هم فرو­رفته که به اندازه یک چهارم قطر اصلی و در امتداد آن نسبت به­هم جابجا شده­اند تشکیل شده است . در نتیجه اولین منطقه بریلوئن آن یک هشت ضلعی ناقص است .

 در ساختار سیلیکون نوار رسانش دارای شش کمینه است و در امتداد <100> و به فاصله­ای به اندازه ۸۰% از مرکز منطقه قرار دارند[۱] . لبه نوار ظرفیت در بلور در K=0 است و از حالت­های P_3/2 وp_1/2  اتم­های آزاد بدست می­آید . P_3/2 دارای واگنی چهارتایه است . این چهار حالت به مقادیر۲/۳و۲/۱ m_j=  مربوطند. تراز P_1/2 با ۲/۱m_j= به طور دوگانه واگن است . حالتهای P_3/2 از نظر انرژی از حالتهای p_1/2  بالاترند . اختلاف انرژی  مقیاسی از برهمکنش اسپین- مدار است . حفره­هایی که در نزدیکی لبه نوار قرار دارند با دو جرم موثر سبک و سنگین مشخص می­شوند . این حفره­ها از دو نواری که از تراز P_3/2 ناشی می­شوند به وجود می­آیند . همچنین یک نوار شکافتی اسپین – مدار وجود دارد که از تراز p_1/2  ناشی می شود .به طور تقریبی جرم حفره­های سبک و سنگین در سیلیسیم برابرm 16/0  وm 52/0 است [۳۸] .  در نتیجه. به حفره­های متعلق به نوار بالاتر حفره­های سنگین (HH) و حفره­های متعلق به نوار زیرین حفره سبک (LH)  و حفره­های مربوط به نوار پایین­تر و سومین زیر نوار حفره اسپین مدار (SOH) می­گویند . سومین زیر نوار فقط به اندازه ۰۴۴/۰ الکترون ولت پایین­تر از بیشینه نوار ظرفیت است . این زیر نوار تنها به علت جفت شدگی اسپین مدار از دو نوار دیگر جدا شده است . گاف انرژی در Si در  (دمای اتاق) برابر ۱۲/۱ الکترون ولت است [۱] .

 ساختار بلوری و منطقه بریلوئن Ge مانند Si است . به طور تقریبی جرم حفره­ های سبک و سنگین در ژرمانیوم برابر m 43/0 وm 34/0 است [۳۲] . اما تفاوت­هایی دارد که یکی از آنها این است که کمینه نوار رسانش در Ge در مرزهای منطقه بریلوئن در امتداد <111> اتفاق می­افتد . همچنین نوار رسانش آن دارای هشت کمینه است و دارای سه زیر نوار ظرفیت است که دو تا از آنها تبهگن و سومین زیر نوار (SOH)  ۳/۰ الکترون ولت پایین­تر از بیشینه نوار ظرفیت است فاصله کم بین SOH و HH در سیلیکان که برابر ۰۴۴/۰ الکترون ولت است باعث برهمکنش حفره­ها و پراکندگی آنها خواهد شد که این امر تحرک­پذیری و در نتیجه رسانش را کاهش می­دهد در صورتیکه در ژرمانیوم این فاصله برابر ۳/۰ الکترون  ولت است در نتیجه تحرک­پذیری آن بیشتر است . فاصله گاف انرژی Ge در  (دمای اتاق) برابر ۶۷/۰ است . می­بینیم که هر دو ماده Si و Ge نیمه­رساناهایی با گاف غیر مستقیم هستند [۱] .

۱-۷ رشد بلور :

 از هنگام اختراع ترانزیستور دز سال ۱۹۴۸ پیشرفت قطعات حالت جامد نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات الکترونیکی بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است . برای مثال واقعیت توانایی کنونی در ساخت مدارهای مجتمع حاصل پیشرفت­های علمی قابل ملاحظه در زمینه رشد سیلیسیوم تک بلور در آغاز و میانه دهه ۱۹۵۰ بوده است . شرایط رشد بلورهای نیمه­رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می­شود بسیار دقیق­تر و مشکل­تر از شرایط سایر مواد است . علاوه بر اینکه نیمه­رساناها باید به صورت تک بلورهای بزرگ در دسترس باشند باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود . مثلاً تراکم بیشتر ناخالصی­های مورد استفاده در بلورهای Si  فعلی از یک قسمت در ده میلیارد کمتر است . چنین درجاتی از خلوص مستلزم دقت بسیار در استفاده و بکارگیری مواد در هر مرحله از فرایند ساخت است .

نیمه رساناهای تک عنصری Ge و Si از تجزیه شیمیایی ترکیب­هایی مانند GeO₂ و SiCl₄و SiHCl₃ به دست می­آیند . پس از جداسازی و انجام مراحل اولیه خالص سازی ماده نیمه­رسانا را ذوب کرده و به صورت شمش­هایی در می­آورند . Si یاGe  بدست آمده بعد از مرحله سردسازی به صورت چند بلوری است .

اتم­ها در مناطق کوچکی از شمش به شکل ساختار طبیعی ماده یعنی شبکه الماسی قرار می­گیرند . در صورت عدم کنترل فرایند سرمایش نواحی بلوری دارای جهت­های کاملاً تصادفی خواهند بود . برای رشد بلور فقط در یک جهت لازم است که کنترل دقیقی در مرز بین ماده مذاب و جامد در هنگام سرد کردن انجام پذیرد .

یک تفاوت عمده بین رشد تک عنصری و رشد نیمه رساناهای مرکب کنترل نسبت­ها یعنی نسبت صحیح عناصر تشکیل دهنده ترکیب در شرایطی که همزمان باید مولفه-های حرارتی را برای دستیابی به یک بلور کامل تعیین نمود می­باشد این مواد معمولاًا دارای یک جزء فرارند و این جزء در دماهای زیاد به آسانی از دست می-رود .

مواد تک بلور که بطور متعارف مورد استفاده قرار می­گیرند به دو دسته تقسیم شده­اند :

۱-    زیر لایه یا بلورهای حجمی

۲-    لایه ­های رونشستی

بلور زیر لایه در مرحله اول ساخته می-شود و سپس لایه-های رونشستی بر روی آن رشد داده می-شود . در ادامه رشد حجمی بلور و رشد رونشستی مواد را بررسی می­کنیم [۳۰و ۲۸] .

۱-۷-۱ رشد حجمی بلور :

 بلورهای حجمی نیمه­رساناهای مرکب بوسیله دو روش متعارف تولید می-شود که هر دوی آنها نیز به فن­آوری رشد مذاب لقب گرفته­اند . در روش اول ماده اولیه و بلور شکل دهنده پایه در یک لوله شیشه ­ای کوارتز قرار داده شده و سپس همه آنها در داخل یک کوره گذاشته می­شوند . در روش دوم بلور پایه را به درون ماده مذابی که در داخل یک ظرف تحت فشار قرار دارد فرو برده و سپس همزمان با چرخاندن آن بتدریج به بیرون کشیده می­شود . به این ترتیب شمش تک بلور زیر لایه رشد داده می­شود . در هر دو مورد به منظور مهار عناصر فرارتر و جلوگیری از تلف شدن آنها فرایند رشد در یک محیط پوشیده صورت می­پذیرد .

۱-۷-۲ رشد رونشستی مواد :

 یکی از مهمترین و متنوع­ترین روش-های رشد بلور که در ساخت قطعات کاربرد دارد رشد یک لایه نازک بلور روی پولکی از یک بلور همسان است . بلور بستر می­تواند پولکی از همان ماده لایه رشد داده شده و یا ماده دیگری با ساختمان مشابه باشد . در این فرایند بستر همچون یک دانه بلور است که روی آن ماده بلوری جدید رشد می-یابد . نشاندن لایه تک بلوری جهت دار روی پولک بستر رشد رونشستی یا رونشینی نامیده می­شود . روش-های مختلفی برای تامین اتم­های مورد نظر روی سطح لایه رشد کننده وجود دارد این روش­ها عبارتند از:

۱- رونشستی فاز بخار [۱](VPE)

۲- رونشستی فاز مایع [۲](LPE)

۳- رونشستی پرتو مولکولی [۳](MBE)

 با این حوزه وسیع از روش­های رشد رونشستی می توان برای کاربردهای مختلف بلورهای گوناگونی را رشد داد که دارای ویژگی-های طراحی خاص همان قطعه الکترونیکی یا اپتوالکترونیکی در حال ساخت می-باشند .

۱-۷-۳ رونشستی فاز مایع :

---