يک عنصر 5 ظرفيتي تزريق1 شود، چهار الکترون مدار آخر با چهار اتم مجاورنيمه هادي تشکيل پيوند اشتراکي داده و الکترون پنجم آن به صورت آزاد باقي مي ماند.
نيمه هادي هايي که ناخالصي آن از اتم هاي پنج ظرفيتي باشد، نيمه هادي نوع N نام دارد. در نيمه هادي نوع N، چون تعداد الکترونها خيلي بيشتر از تعداد حفره هاست لذا عمل هدايت جريان را انجام مي دهند به حامل هدايت فوق حامل اکثريت و به حفره ها حامل اقليت مي گويند.
1. Dopping

شکل (2-1) باند هاي انرژي براي نيمه هادي نوع n

هرگاه به عناصر نيمه هادي، يک ماده 3 ظرفيتي تزريق شود، سه الکترون مدار آخر با سه الکترون سه اتم هادي مجاور، تشکيل پيوند اشتراکي مي دهند. پيوند چهارم داراي کمبود الکترون است و در واقع يک حفره تشکيل يافته است.
هر اتم سه ظرفيتي، باعث ايجاد يک حفره مي شود، بدون آنکه الکترون آزاد ايجاد شده باشد.
در اين نيمه هادي ناخالص شده، الکترونها فقط در اثر شکسته شدن پيوند ها به وجود مي آيند. نيمه هادي هايي که نا خالصي آنها از اتم هاي سه ظرفيتي باشد، نوع P مي نامند. حفره ها در اين نيمه هادي به عنوان حامل هاي اکثريت و الکترونها به عنوان حامل هاي اقليت وجود دارند.

شکل (2-2) باندهاي انرژي براي نيمه هادي نوع P

2-3 گاف انرژي

در فيزيک حالت جامد نوار ممنوعه1 به مناطقي گفته مي شود که هيچ حالت الکترونيکي نمي تواند وجود داشته باشد، واژه هاي معادل آن گاف نواري، گاف انرژي و نوار بدون انرژي است. در نارسا ناها و نيمه رساناها نوار ممنوعه اختلاف انرژي ميان حد پايين نوار رسانش و حد بالاي نوار ظرفيت است. اين انرژي در واقع انرژي لازم براي آزاد کردن يک الکترون است که در خارجي ترين لايه الکتروني قرار دارد.

شکل (2-3) نمايش باندهاي انرژي
2-4 نظريه نوار ها

در يک اتم تنها، الکترونها در سطوح انرژي مجزا و کوانتيده قرار دارند. اين سطوح انرژي يا اربيتال ها از انرژي پايين تر شروع به پر شدن مي کنند. وقتي اتم ها در کنار يکديگر قرار مي گيرند. . حالت هاي مجاز انرژي به حالت هاي نزديک به هم تقسيم مي شوند و شکل اربيتال ها تغيير مي کند. اربيتال هاي يک مولکول با اربيتال هاي اتم هاي تشکيل دهنده اش متفاوت است. در جامدات (که اکثراً به شکل بلور هستند) اين حالت هاي تقسيم شده به صورت پيوسته در مي آيند و نوار هاي پهني از انرژي تشکيل مي دهند.

2-4-1 نوار هاي الکترونيکي

وقتي اتم ها يک مولکول تشکيل مي دهند، اربيتال هاي جديد پيوندي و ضد پيوندي شکل مي گيرند که سطح انرژي آنها با اربيتال هاي اتمي متفاوت است. تشکيل اربيتال هاي جديد باعث به وجود آمدن چندگانگي در سطوح انرژي مي شود، با شکل گيري جامد و
1. Band gap
نزديکي زياد از حد اربيتال ها. اربيتال هاي پيوندي نوار ظرفيت و اربيتال هاي ضد پيوندي نوار رسانش را به وجود مي آورند. اربيتال ها يا سطوح انرژي مجزا در جامد تبديل به يک نوار پيوسته مي شوند که شامل N سطح انرژي است. N از مرتبه ?10?^23 است يا جامدات حالت هاي الکترونيکي مکان خاصي ندارند و به علت تفاوت بلور نسبت به حرکت انتقالي ناوردا هستند.
خصوصيات اپتيکي مواد به چگونگي پر شدن اين نوار ها توسط الکترونها بستگي دارد.

بر حسب پر شدن اين باندها سه گروه اصلي داريم :
فلزات، نارساناها و نيمه رساناها
در فلزات نوار ظرفيت تکميل است و قسمتي از نوار رسانش نيز توسط الکترونها پر شده است. اما قسمت خالي نوار رسانش اين اجازه را به الکترونها مي دهد که با بدست آوردن کمي انرژي بتوانند آزادانه حرکت کنند. در نارسانا ها باند ظرفيت تکميل است و هيچ الکتروني در باند رسانش وجود ندارد. چون اختلاف انرژي بين بالاترين حد نوار ظرفيت و پايين ترين حد نوار رسانش زياد است (نوار ممنوعه)، الکترونها نمي توانند به باند رسانش بروند و آزادانه حرکت کنند. در نيمه رسانا ها باند ظرفيت پر است(در دماي صفر کلوين)، اما به علت کم بودن پهناي نوار ممنوعه، الکترونها با بدست آوردن کمي انرژي (مثلاً از طريق حررات )مي توانند به باند رسانش بروند و آزادانه حرکت کنند، نيمه رسانا ها با بالا رفتن دما به رسانا تبديل مي شوند.

2-4-2 جابه جايي بين نواري

وقتي يک بلور فوتوني جذب مي کند، الکترون ها با جذب آن به انرژي هاي بالاتر مي رود. اگر انرژي فوتون بيشتر از پهناي نوار ممنوعه باشد الکترون مي تواند از نوار ظرفيت به نوار رسانش برود. بازگشت الکترون به انرژي قبلي باعث تابيده شدن يک فوتون مي شود[25].

2-5 مواد از نظر گسيل فوتوني

2-5-1 گاف انرژي مستقيم و غير مستقيم :

مطابق خواص بر همکنش الکترون و حفره در شبکه بلوري يا ترکيب زوج الکترون حفره در ساختار هاي نيمه هادي نحوه تغييرات تراز الکتروني درباندظرفيت و باند هدايت به دو صورت انجام مي گيرد :
در گاف انرژي مستقيم بردار تکانه براي الکترون در مبدأ و مقصد يکسان بوده و بنابراين تغيير تراز حتماً با جذب يا گسيل فوتون همراه خواهد بود.
در گاف انرژي غير مستقيم، الکترون از باند هدايت به باند ظرفيت منتقل مي شود. منتهي ضمن انتقال دچار تغيير در اندازه حرکت يا تکانه مي شود. و انرژي به جاي انتشار فوتون عموماً به صورت گرما به شبکه داده مي شود. در اين نيمه رسانا مينيمم باند هدايت در مقابل ماکزيمم باند ظرفيت قرار نگرفته است.
در يک نيمه هادي با گاف مستقيم، حداکثر باند ظرفيت و حداقل باند رسانش در مرکز K=0 رخ مي دهد. که در شکل (2-4) نشان داده شده است. براي گذار الکترون ها به سمت پايين و يا بالا، لازم نيست اندازه حرکت يا درگير شدن يک فوتون تغيير کند.
در نتيجه، در نيمه هادي با گاف مستقيم به وسيله جذب يک فوتون الکترون به باند رسانش مي رود. اندک زماني ساکن مي ماند و نهايتاً با يک حفره باند ظرفيت باز ادغام مي شود تا نوري با انرژي برابر با گاف منتشر شود. اين فرآيند در نيمه هادي هاي غير مستقيم کاملاً متفاوت است.
دياگرام باند نمايش داده شده نشان مي دهد کمينه باند رسانش در K=0 نمي باشد. لازم است براي گذار حامل ها به قسمت پايين و يا بالا اندازه حرکت و يا درگير شدن يک فوتون تغيير کند. به اين صورت که ساکن شدن الکتروني که در حداقل باند رسانش K?0 است نمي تواند با يک حفره در K=0 دوباره ادغام شود. فقط در صورتي امکان پذيراست که يک فوتون با انرژي حقيقي و تکانه مورد نظر موجود باشد.

شکل (2-4) تصوير گاف انرژي نيمه هادي ها به صورت : الف) غير مستقيم ب) مستقيم
فرآيند هاي جذب و تابش فوتون هردو به گذار روبه قسمت پايين کمک مي کنند. چون هيچ بلوري بي نقص نيست، در نتيجه جهت برخورد فوتون مناسب، مدت زمان سکون الکترون در باند ظرفيت افزايش مي يابد.

نقص هايي در شبکه تحت عنوان تله و مراکز باز ترکيب وجود دارد. احتمال زيادي دارد که در ميان يک مرکز ناخالص الکترون و حفره به صورت غير تابش باز ترکيب شوند و انرژي اضافي در شبکه بصورت گرما تلف شود.
فرآيند هاي غير تشعشعي احتمال باز ترکيب تشعشعي در مواد با گاف غير مستقيم را کاهش مي دهند معمولاً نيمه هادي جهت تحقق منابع نوري از قبيل ديود هاي نوري و ليزر ها مناسب نمي باشند.
فرآيند هاي جذب و تابش فوتون بايد همواره با پايداري اندازه حرکت و انرژي باشد پس به اين صورت گذار قوانين بقا و پايدار داده مي شود.
(2-1) ?_i+?w=?_f بقا قانون انرژي
(2-2) ??k?_i+?q=??k?_f
در اين رابطه ?_i انرژي هاي اوليه الکترون، ?_f انرژي هاي نهايي الکترون، K_f بردار موج هاي نهايي الکترون، ?w انرژي و q بردار موج فوتون مي باشد.
با مقايسه (~?10?^5 cm^(-1) )q باعدد موجي الکترون در منطقه ي بريلوئن مشخص مي شود که (~?10?^5 cm^(-1) )q کوچک است. بنابراين از اندازه حرکت فوتون ?q در مقايسه با اندازه حرکت الکترون ??k?_i صرف نظر مي شود پس قوانين بقا به صورت زير بيان مي شوند :
(2-3 ) ?w=?_f-?_i?E_g
و
(2-4) k_f?k_i
معادله (2-3) نشان ميدهد يک نيمه هادي در برابر نور توانايي شفافيت دارد، اگر انرژي فوتون از گاف انرژي نيمه هادي کمتر باشد اما در صورت بالاتر بودن از انرژي آستانه E_g جاذب نور مي شود.
معادله (2-4) بيان کننده اين است که اگر فقط فوتون ها در گذار شرکت داشته باشند تنها گذار هاي عمودي بين نوار رسانش و نوار ظرفيت مجاز هستند. در فرايند جذب فوتون حالتي نهايي الکترون در نوار رسانش حالتي اوليه الکترون در نوار ظرفيت است.
در صورتيکه انرژي صفر الکترون را در قسمت بالاي نوار ظرفيت انتخاب کنيم انرژي هاي نوار رسانش و نوار ظرفيت را براي نوار هاي سهمي شکل به صورت زير مي نويسيم :
(2-5) ?_c=E_g+(?^2 k^2)/?2m?_e
(2-6) ?_?=-(?^2 k^2)/?2m?_h
که در آن m_e=m_e^* جرم موثر الکترون، m_h=m_h^* جرم موثر حفره است و بدليل بقاي اندازه حرکت K_e=K_h=K خواهد بود.
معادله (2-4) تقريب سهمي براي نوار هاي انرژي براي اين گذار مستقم را نشان ميدهد که برابر است با
(2-7) ?_w=?_c-?_?=E_g+(?^2 k^2)/?2m?_r
m_r جرم کاهش يافته الکترون حفره است و به صورت زير بيان مي شود :
(2-8) 1/m_r =1/m_e +1/m_h

در صورتيکه بين کمينه نوار رسانش و بيشينه نوار ظرفيت از اينکه بقاي اندازه ي حرکت و انرژي به طور همزمان صادق باشند، جلوگيري مي کند.
به صورت قوانين بقا براي گذار غير مستقيم چنين بيان مي شود :
(2-9) ?_f=?_i+?w± ??
(2-10) K_f=K_i±K
که در آن ?? انرژي فوتون و K بردار موج مي باشد.
براي ?_f-?_i=E_g^ind که در آن E_g^ind گاف انرژي غير مستقيم است. بقاي انرژي به صورت زير نوشته مي شود :

(2-11) ?w±??=E_g^ind
علامت + براي جذب فوتون و علامت – براي گسيل فوتون بکار برده مي شود.
در نيمه هادي هاي با گاف غير مستقيم نيز، گذار هاي مستقيم با انرژي هاي فوتوني بيشتر از گذارهاي غير مستقيم امکان پذير است.
ضريب جذب مربوط به لبه ي جذب اصلي در يک نيمه هادي گاف مستقيم اغلب بسيار بزرگ و داراي اندازه اي حدود
??10?^4 cm^(-1) تا ?10?^5 cm^(-1) است.
در نتيجه يک نيمه هاي با ضخامت حدود چند ميکرون در برابر فوتون هايي با انرژي کمتر شفاف اما در مقابل فوتون هايي با انرژي بيشتر کدر و تاريک هستند[26] .

2-6 وابستگي گاف انرژي به دما و فشار

گاف انرژي در نيمه هادي ها هم با فشار وهم با دما تغيير

متن کامل در سایت sabzfile.com

دیدگاهتان را بنویسید