عنوان

ساختارهای دور آلاییده

این فایل با فرمت ورد و آماده پرینت می باشد.

فهرست مطالب 

فصل اول : ساختارهاي دورآلاييده 1 

مقدمه  2

1-1 نيمه رسانا 3 

1-2 نيمه رسانا با گذار مستقيم و غير مستقيم 4 

1-3 جرم موثر 4 

1-4 نيمه رساناي ذاتي 6 

1-5 نيمه رساناي غير ذاتي و آلايش 7 

1-6 نيمه رساناهاي Si و Ge  10

1-7 رشد بلور  13

1-7-1 رشد حجمي بلور 15 

1-7-2 رشد رونشستي مواد 15 

1-7-3 رونشستي فاز مايع  16

1-7-4 رونشستي فاز بخار 18 

1-7-5 رونشستي پرتو مولکولي  19

1-8 ساختارهاي ناهمگون 20

 1-9 توزيع حالت‌هاي انرژي الکترون‌ها در چاه کوانتومي 21

1-10 انواع آلايش 23 

1-10-1 آلايش کپه¬اي 24 

1-10-2 آلايش مدوله شده (دورآلاييدگي) 24 

1-10-3 گاز الکتروني دوبعدي  25 

1-10-4 گاز حفره¬اي دوبعدي 26

1- 11 ویژگی و انواع ساختارهاي دور آلاييده  27

1-11-1 انواع ساختارهاي دورآلاييده به¬¬لحاظ ترتيب رشد لايه¬ها  27 

1-11-2 انواع ساختار دور آلاييده به لحاظ نوع آلاييدگي ( n يا p ) 28 

1-11-3 انواع ساختار دور آلاييده دريچه¬دار 29 

1-12 کاربرد ساختارهاي دور آلاييده 33

1-12-1 JFET 33  

1-12-2 MESFET  34 

1-12-3 MESFET پيوندگاه ناهمگون  35

فصل دوم : اتصال فلز نيمه رسانا (سد شاتکي) 38

مقدمه  39  

2-1 شرط ايده آل و حالتهاي سطحي  41

2-2 لايه تهي  44 

2-3 اثر شاتکي  47 

2-4 مشخصه ارتفاع سد 51 

2-4-1 تعريف عمومي و کلي از ارتفاع سد 51

2-4-2 اندازه گيري ارتفاع سد 57 

2-4-3 اندازه گيري جريان – ولتاژ 57 

2-4-4 اندازه گيري انرژي فعال سازي 60  

2-4-5 اندازه گيري ولتاژ- ظرفيت 60 

2-4-6 تنظيم ارتفاع سد  62 

2-4-7 کاهش سد  62 

2-4-8 افزايش سد 63

2-5 اتصالات يکسوساز .  64

2-6 سدهاي شاتکي نمونه   64

فصل سوم : انتقال بار در ساختارهاي دورآلاييده 66

مقدمه 67

 3-1 ساختار دور آلاييده معکوس p-Si/Si1-XGeX/Si . 68

3-2 ساختار نوار ظرفيت ساختار دور آلاييده معکوسp-Si/SiGe/Si 69 

3-3 محاسبه انتقال بار در ساختارهاي دور آلاييده. 71  

3-3-1 آلايش مدوله شده ايده¬آل 71 

3-3-2 محاسبات خود سازگار چگالي سطحي حاملها  74 

3-3-3 اثر بارهاي سطحي بر چگالي گاز حفره¬اي  74

3-4 روشهاي کنترل چگالي سطحي حاملها  76 

3-4-1 تاثير تابش نور بر چگالي سطحي حاملها  77 

3-4-2 تاثير ضخامت لايه پوششي بر چگالي سطحي حاملها 78 

3-4-3 دريچه دار کردن ساختار دور آلاييده  79

3-5 ساختارهاي دورآلاييده معکوس p-Si/SiGe/Si با دريچه بالا  79 

3-6 انتقال بار در ساختارهاي دورآلاييده معکوس با دريچه بالا 82

3-7 تاثير باياسهاي مختلف بر روي چگالي سطحي ¬حفره¬ها  83 

3-8 ملاحظات تابع موج. 86 

3-9 وابستگي Zav به چگالي سطحي حاملها در ساختارهاي بي دريچه 87 

3-10 وابستگي Zav به چگالي سطحي حاملها در ساختارهاي دريچه¬دار 87 

فصل چهارم : نتايج محاسبات   89

مقدمه 90 

4-1 محاسبات نظري ساختارهاي دورآلاييده بي دريچه Si/SiGe/Si  91 

4-1-1 محاسبات نظري ns برحسب Ls  91 

4-1-2 محاسبات نظري ns برحسب NA   96 

4-1-3 محاسبات نظري ns برحسب nc  99 

4-1-4 محاسبات نظري کليه انرژيهاي دخيل برحسب Ls  100

4-2 محاسبات نظري ساختارهاي دورآلاييده دريچه¬دار Si/SiGe/Si  100 

4-2-1 محاسبات نظري ns برحسب vg  100 

4-2-2 بررسي نمونه ها با nsur متغير و تابعي خطي از vg با شيب مثبت  107

4-2-3 بررسي نمونه ها با nsur متغير و  تابعي خطي از vg با شيب منفي 114

فصل پنجم : نتايج  124

5-1مقايسه سد شاتکي با ساختار دورآلاييده دريچه دار p-Si/SiGe/Si  125

5-2 بررسي نمودارهاي مربوط به چهار نمونه  125 

پيوست  129 

چکيده انگليسي (Abstract)  139

منابع 141

فصل اول

ساختارهاي دورآلاييده

مقدمه: 

امروزه قطعات جديدي در دست تهيه¬اند که از لايه¬هاي نازک متوالي نيمه¬رساناهاي مختلف تشکيل مي شوند . هر لايه داراي ضخامت مشخصي است که به دقت مورد کنترل قرار مي گيرد و از مرتبه 10 نانومتر است . اينها ساختارهاي ناهمگون ناميده مي شوند . خواص الکتروني لايه-هاي بسيار نازک را مي توان با بررسي ساده¬اي که برخي از اصول اساسي فيزيک کوانتومي را نشان مي دهد به دست آورد [31] . 

در اين فصل ابتدا به بررسي خواص نيمه¬رسانا مي پردازيم سپس با نيمه¬رساناهاي سيليکان و ژرمانيوم آشنا مي شويم و بعد از آن انواع روشهاي رشد رونشستي و ساختارهاي ناهمگون را مورد بررسي قرار  مي دهيم و همچنين ساختارهاي دورآلاييده را بررسي مي کنيم و در آخر نيز به بررسي کاربرد ساختارهاي دورآلاييده و ترانزيستورهاي اثر ميداني مي پردازيم.    

1-1 نيمه¬رسانا:

در مدل الکترون مستقل الکترون¬هاي نوار کاملاً پر هيچ جرياني را حمل نمي¬کنند اين يک روش اساسي براي تشخيص عايق¬ها و فلزات از هم است . در حالت زمينه يک عايق تمام نوارها يا کاملاً پر يا کاملاً خالي هستند اما در حالت زمينه يک فلز حداقل يک نوار به طور جزئي پر است . روش ديگر تشخيص عايق¬ها و فلزات بحث گاف انرژي است گاف انرژي يعني فاصله بين بالاترين نوار پر و پايين¬ترين نوار خالي .

يک جامد با يک گاف انرژي در    عايق خواهد بود. در نتيجه با گرم کردن عايق همچنانکه دماي آن افزايش مي¬يابد بعضي از الکترون¬ها به طور گرمايي تحريک شده و از گاف انرژي به سمت پايين¬ترين نوار غير اشغال گذار مي¬کنند . جاي خالي الکترون¬ها در نوار ظرفيت را حفره مي¬نامند اين حفره¬ها ماهيتي مانند بار مثبت دارند در نتيجه در روند رسانش هم الکترون¬ها و هم حفره¬ها شرکت مي¬کنند . الکترون¬هاي برانگيخته شده در پايين¬ترين قسمت نوار رسانش قرار مي¬گيرند در صورتيکه حفره¬ها در بالاترين قسمت نوار ظرفيت واقع مي¬شوند .

جامداتي که در   عايق بوده اما داراي گاف انرژي به اندازه¬اي هستند که برانگيزش گرمايي منجر به مشاهده رسانشي در   شود به عنوان نيمه¬رسانا شناخته مي¬شود .

ساده¬ترين عناصر نيمه رسانا از گروه چهارم جدول تناوبي هستند که به آنها نيمه¬رساناهاي تک عنصري مي¬گويند سيليکون و ژرمانيوم دو عنصر مهم نيمه¬رساناها هستند . علاوه بر عناصر نيمه-رسانا ترکيبات گوناگون نيمه¬رسانا هم وجود دارد . GaAsيک نمونه نيمه¬رساناهاي   است که از ترکيب عناصر گروه   (Ga) و گروه (As) بدست آمده¬اند و در ساختار زينک بلند متبلور مي¬شوند . همچنين بلور نيمه¬رسانا از عناصر گروه    و   هم بوجود مي¬آيد که مي¬تواند ساختار زينک¬بلند داشته باشد و به عنوان نيمه¬رساناهاي قطبي شناخته شده¬اند [1].

1-2  نيمه¬رساناي با گذار مستقيم و غير مستقيم:             

 هرگاه کمينه نوار رسانش و بيشينه نوار ظرفيت يک نيمه¬رسانا در يک نقطه فضايk  قرار بگيرند به چنين نيمه¬رسانايي نيمه رساناي با گذار مستقيم مي¬گويند. 

اما اگر کمينه نوار رسانش و بيشينه نوار ظرفيت يک نيمه¬رسانا در يک نقطه فضاي k  قرار نگيرند به چنين نيمه¬رسانايي نيمه¬رساناي با گذار غير مستقيم مي¬گوييم.

الکترون¬ها کمينه نوار رسانش و حفره¬ها بيشينه نوار ظرفيت را اشغال مي¬کنند [1] .

                                  (b)                                                            (a)

شکل(1-1) : نمودار نيمه-رساناي با گذارهاي مستقيم و غير مستقيم . (a) نيمه¬رساناي با گذار مستقيم .(b) نيمه¬رساناي با گذار غير مستقيم [1] .

1-3 جرم موثر : 

الکترون¬ها در بلور بطور کامل آزاد نيستند بلکه با پتانسيل متناوب شبکه برهمکنش دارند . در نتيجه حرکت موج ذره¬اي آنها را نمي توان مشابه الکترون¬ها در فضاي آزاد دانست . براي اعمال معادلات معمولي الکتروديناميک به حامل¬هاي بار در يک جامد بايد از مقادير تغيير يافته جرم ذره استفاده کنيم در اين صورت اثر شبکه منظور شده و مي¬توان الکترون¬ها و حفره¬ها را به صورت حامل¬هاي تقريباً آزاد در بيشتر محاسبات در نظر گرفت . 

جرم موثر يک الکترون در ترازي با رابطه معين (E,K) به صورت زير است :   

(1-1)                                                                                    

پس انحناي نوار تعيين کننده جرم موثر الکترون است . براي نوار متمرکز حول K=0 رابطه (E;K) در نزديکي حداقل معمولاً سهموي است : 

(1-2)                                                                       

اين رابطه نشان مي¬دهد که جرم موثر در نوار سهموي ثابت است . 

   انحناي         در محل حداقل¬هاي نوار رسانش مثبت ولي در محل حداکثرهاي نوار ظرفيت منفي است . بنابراين الکترون¬ها در نزديکي بالاي نوار ظرفيت داراي جرم موثر منفي هستند . الکترون-هاي نوار ظرفيت با بار منفي و جرم منفي در يک ميدان الکتريکي در همان جهت حفره¬هاي با بار و جرم مثبت حرکت مي¬کنند . در جدول زير جرم¬هاي موثر بعضي از مواد آورده شده است . جرم موثر الکترون با   و جرم موثر حفره با   نشان داده مي شود [28] .

GaAs Si Ge

0.067m0 1.1m0 0.55m0

0.48m0 0.56m0 0.37m0

جدول(1-1) : مقادير جرم موثر الکترون و حفره در سه نيمه¬رساناي Si ، Ge ، GaAs . m0 جرم حالت سکون الکترون است .  

1-4 نيمه¬رساناي ذاتي :

يک بلور نيمه¬رساناي کامل فاقد هرگونه ناخالصي يا نقائص بلوري به نام نيمه¬رساناي ذاتي شناخته مي¬شود . در چنين ماده¬اي هيچگونه حامل آزادي در صفر کلوين وجود ندارد زيرا نوار ظرفيت از الکترون¬ها پر شده و نوار رسانش خالي است . در دماهاي بالاتر با برانگيزش گرمايي الکترون-هاي نوار ظرفيت به نوار رسانش از طريق گاف نواري زوج-هاي الکترون حفره توليد مي-شود . اين زوج¬ها تنها حامل¬هاي موجود در ماده ذاتي هستند .

بدليل توليد زوج الکترون¬ها و حفره¬ها تراکم   از الکترون¬هاي نوار رسانش (تعداد الکترون¬ها در هر سانتي متر مکعب ) برابر با تراکم   از حفره-ها در نوار ظرفيت (تعداد حفره¬ها در هر سانتي متر مکعب ) است . هر يک از اين تراکم حامل¬های ذاتي را معمولاً با   نمايش  مي¬دهند . پس براي ماده ذاتي داريم :

(1-3)   

برانگيختي حامل¬هاي ذاتي به طور نمايي به        بستگي دارد که در آن Eg گاف انرژي                   است و اين بستگي به صورت رابطه زير است [38]:

(1-4)  

 مقدار ni در دماي اتاق براي  Si، Ge و GaAs به ترتيب برابر با (cm-3 )1010 × 45/1،          (cm-3 )1012 × 5/2 و (cm-3 )106 × 79/1 است .                                         

 شکل (1-2) : زوج¬هاي الکترون حفره در مدل پيوند کووالانسي از بلور Si

 1-5 نيمه¬رساناي غير ذاتي و آلايش  :

علاوه بر حامل¬هاي ذاتي توليد شده با گرما مي¬توان با وارد کردن تعمدي ناخالصي به بلور حامل¬هاي اضافي در نيمه¬رساناها بوجود آورد . اين فرايند مرسوم به آلايش متداولترين روش براي تغيير رسانايي در نيمه¬رساناهاست .

با عمل آلايش مي¬توان بلور را طوري تغيير داد که داراي اکثريتي از الکترون¬ها يا حفره¬ها بشود . پس توسط آلايش دو نوع نيمه¬رسانا بوجود مي¬آيد : نوع   (اکثريت الکتروني) و نوع  (اکثريت حفره¬اي ). هنگاميکه بر اثر آلايش در يک بلور تراکم حالت تعادل حامل-هاي آن  و   با تراکم ذاتي حامل¬ها   تفاوت داشته باشد گوييم ماده غير ذاتي است .

هنگاميکه ناخالصي¬ها يا نقص¬هاي شبکه در يک بلور تقريباً کامل وارد مي¬شوند ترازهاي اضافي در ساختمان نوار انرژي و معمولاً درون گاف نوار ايجاد مي¬شود.مثلاً يک ناخالصي از ستون پنجم جدول تناوبي (p  و As و Sb ) توليد يک تراز انرژي در نزديکي نوار رسانش از Si يا Ge  مي¬کند. اين تراز در صفر کلوين توسط الکترون¬ها پر شده و انرژي گرمايي خيلي کمي براي برانگيختن اين الکترون¬ها به نوار رسانش لازم است . بنابراين در دماهاي بيش از چند صدکلوين تمام الکترون-ها در تراز ناخالصي در واقع به نوار رسانش " بخشيده " مي¬شوند. يک چنين تراز ناخالصي را تراز دهنده و ناخالصي-هاي ستون پنجم در Ge  يا Si  را ناخالصي-هاي دهنده مي-نامند. از شکل (1-3) پيداست که ماده داراي ناخالصي-هاي دهنده مي¬تواند حتئ در دماهاي پايين که تراکم حامل¬هاي ذاتي زوج الکترون حفره قابل توجه نيست تراکم قابل ملاحظه¬اي از الکترون¬ها در نوار رسانش داشته باشد . بنابراين نيمه رساناهاي ناخالص شده با تعداد قابل توجهي اتم دهنده داراي     در دماي معمولي بوده و يک نيمه¬رساناي نوع   محسوب مي¬شوند.