مي کند چون ترازهاي انرژي با فواصل بين اتمي ارتباط عکس دارند بنابراين زمانيکه فشار يا دما تغيير مي کند، در نتيجه فواصل بين اتمي تراز هاي انرژي و E_g نيز تغيير مي کند بنابراين انرژي گاف چنين بيان مي شود :
(2-12) E_g=E_g^o ?+[?Eg/?p]?_T ?P+[?Eg/?T]_p+[?Eg/?T]_p ?T

در صورتي که E_g^0 انرژي گاف در T=0 و عدم هرگونه فشار خارجي، تغييرات E_g با دما در حدود 0. 1mev/k و تغييرات با فشار در حدود ?10?^(-9) mev/dyn cm^(-2) است. در نيمه هادي ها مختلف اين اعداد مي تواند مثبت يا منفي شود. معمولاً زمانيکه در حال افزايش است گاف انرژي در حال کاهش مي باشد.
2-7 ماهيت نور

نور با ماده از طريق راه هاي مختلف بسياري بر همکنش مي کند . مي دانيم که فلزات براق هستند ولي آب شفاف مي باشد . شيشه هاي آغشته به رنگ و سنگ هاي قيمتي، بضي از رنگ ها را از خود عبور مي دهند و بعضي ديگر را جذب مي کنند. بعضي از مواد مانند شير سفيد به نظر مي رسند، چرا که آنها نور فرودي را در همه جهات پراکنده مي کنند.
در سال 1849 ماکسول دريافت که امواج نور، امواج الکترومغناطيسي مي باشند که از تئوري الکترومغناطيس پيروي مي کنند. در مفهوم کلاسيکي تابش امواج الکترومغناطيس شامل دو مولفه ميدان الکتريکي و ميدان مغناطيسي مي باشد . در يک موج الکترومغناطيسيE ميدان الکتريکي و B بيانگر چگالي شار مغناطيسي است که برهم عمود مي باشند و هر زماني که E=0 باشد در آن صورت B ?=0 مي باشد. اين رفتارها با اين يافته که ميدان هاي B متغير با زمان توليد ميدان الکتريکي E عمود بر B (قانون القاي فارادي) و نيز بر عکس يک ميدان E متغير با زمان توليد B عمود بر E مي کند (قانون آمپر) منطبق و سازگار است. جهت انتشار نور هم بر B و هم بر E عمود مي باشد، و از اين رو در جهت انتشار E ?=B ?=0 است به طور کلي چنين موجي را موج عرضي مي نامند، همچنين سرعت امواج نوري مستقل از طول موج مي باشد و اين مقدار ثابت را با C نشان مي دهند که برابر است با
C=2.99792×?10?^8 m/s ? 3×?10?^8 m/s

2-8 بيان کمي پديده ها اپتيکي

محدوده وسيع خواص اپتيکي مشاهده شده و در مواد حالت جامد را مي توان به چند دسته محدود از پديده ها طبقه بندي کرد که ساده ترين گروه عبارتند از : انعکاس و انتشار و انتقال. وقتي که پرتوي نوري به يک محيط تابيده مي شود، قسمتي از نور از صفحه مقابل منعکس مي شود و بقيه وارد محيط شده و درون آن انتشار مي يابند. اگر قسمتي از اين پرتو بتواند به صفحه پشت برسد، يا دوباره منعکس مي شود و يا به طرف ديگر انتقال مي يابد. مقدار نور عبوري از صفحه پشتي محيط به باز تابندگي صفحه مقابل و پشتي محيط و نيز مسيري که نور در آن منتشر مي شود بستگي دارد. پديده اي که ممکن است در حين انتشار نور در درون محيط رخ دهد. بازتاب از سطح به وسيله بازتابندگي توضيح داده مي شود. بازتاب را معمولاً با R نشان مي دهند و عبارت است از نسبت شدت نور منعکس شده به شدت نور تابشي بر روي سطح. ضريب انتقال را با T نشان مي دهند و آن نيز عبارت است از نسبت شدت نور تراگسيل شده به شدت نور تابشي مي باشد. اگر هيچ گونه جذب و يا پراکندگي وجود نداشته باشد در اثر قانون بقاي انرژي داريم :
(2-13) R+T = 1

2-8-1 فرآيند جذب

در شکل (2-5) مهمترين فرآيند جذب شامل گذار الکترون ها از نوار ظرفيت به نوار رسانش است مشاهده مي شود که به آن فرآيند جذب گفته مي شود. در فرآيند جذب الکترون يک فوتون از باريکه ي فرودي جذب و از نوار ظرفيت به نوار رسانش مي رود.
انرژي فوتون بايد مساوي يا بزرگتر از گاف انرژي باشد پس براي فرکانس خواهيم داشت :
(2-14) ??E_g/h
فرکانس ?_0=E_g/h لبه جذب نام دارد.

شکل (2-5) فرآيند جذب اساسي در نيمه هادي را نشان مي دهد.
بايد انرژي کل و اندازه ي حرکت دستگاه الکترون – فوتون در فرآيند جذب فوتون همواره پايسته باشد پس خواهيم داشت.
(2-15) E_f=E_i+h?
(2-16) k_f=k_i+q
که در آن E_i انرژي هاي اوليه الکترون در نوارهاي ظرفيت و رسانش، ? E?_fانرژي هاي نهايي الکترون در نوارهاي ظرفيت و رسانش،
K_i اندازه حرکت اوليه الکترون، K_f اندازه حرکت نهايي الکترون و q بردار موج براي جذب فوتون مي باشد.
در نتيجه شرط اندازه ي حرکت به صورت زير خواهد بود :
(2-17) k_f=k_i
اندازه حرکت الکترون به تنهايي پايسته است.
ضريب جذب در فرآيند جذب اساسي بايد از روشهاي کوانتومي محاسبه شود به همين دليل خواهيم داشت :
(2-18) ?d=A(h?-E_g )^(1/2)
که در آن A ضريب ثابت شامل خواص نوارها و E_g گاف انرژي مي باشد.
ضريب جذب سهمي شکل با فرکانس در بالاي لبه جذب افزايش مي يابد.
يکي از مهمترين کابرد نتايج بدست آمده استفاده از آنها در اندازه گيري گاف انرژي در نيمه هادي ها است. E_g ارتباط مستقيم به لبه فرکانس دارد E_g=?k??_0.
ضريب جذب مربوط به جذب اساسي، بزرگ و در حدود ?10?^14 cm^(-1) است. در نتيجه ضريب جذب براي نمونه هاي نازک نيز به صورت قابل مشاهده اي وجود دارد.
گاف انرژي در نيمه هادي کوچک است پس لبه ي جذب اساسي عموماً در ناحيه ي فروسرخ اتفاق مي افتد و اين امر باعث توسعه مطالعه ي ناحيه ي فروسرخ در طيف هاي نوري طبق تحقيقات انجام شده در نيمه هادي ها شده است.
فرآيند جذب در نيمه هادي هاي گاف مستقيم رخ مي دهد. در اين مواد، انتهاي نوار رسانش در مبدا يعني K=0 و مستقيماً بالاي قله نوار ظرفيت قرار مي گيرد همچنين فرآيند جذب نيمه هادي هاي گاف غير مستقيم نيز وجود دارد که در آنها انتهاي نوار رسانش در K=0 قرار نمي گيرد. توسط بلت1 فرمول ضريب جذب گاف غير مستقيم بصورت زير محاسبه شده است :
(2-19) ?_i=A^’ (T) (h?-E_g )^2
فرمول ضريب جذب گاف غير مستقيم معمول تر از گاف مستقيم است.
A^’ (T) مقدار ثابتي است که شامل پارامترهاي مرتبط با نوارها و دما است و ?_i با توان دوم (h?-E_g ) افزايش مي يابد.
در نتيجه براي تشخيص نيمه هادي هاي گاف مستقيم و غير مستقيم مي توان از روش هاي اپتيکي استفاده کرد[27-29] .

1. Blatt
2-9 مدل سازي تابع دي الکتريک

به منظور انجام محاسبات نسبت انعکاس هاي مختلط لازم است از مقادير واقعي توابع دي الکتريک به عنوان تابع طول موج استفاده شود. براي عايق ها و نيمه هادي ها، نوسان توابع اپتيکي براي طول موج هاي بزرگتر از گاف انرژي، ضريب ميرايي K نزديک به صفر است، و ضريب شکست n به آرامي با طول موج تغيير مي کند. بالاي گاف انرژي، پديده نقطه بحران براي مواد بلوري ساختار توابع دي الکتريک را ايجاد مي کند. مواد آمورف ساختار کمتري دارند، اما گاف انرژي آنها و توابع دي الکتريک آن به طور چشم گيري با طول موج تغيير مي کند. فلزات مي توانند خصوصيات نقطه بحراني در توابع دي الکتريکشان داشته باشند، اما آنها گاف انرژي ندارند بنابراين هيچ ناحيه اي که در آن k نزديک به صفر باشد را ندارند، k به خاطر حامل هاي آزاد در طول موج هاي بزرگتر تمايل به واگرايي دارد. اثرات حامل هاي آزاد در قسمتي از توابع اپتيکي نيمه هادي هايي که به سختي دوپ مي شوند نقش دارند.

2-9-1 مدل تاک لورنتز

مدل تاک لورنتز1 براي مدل سازي تابع دي الکتريک مواد آمورف به کار مي رود[30] .
پارامترسازي از ترکيب اظهارات تاک و مدل نوسانگر لورنتز براي ?_2 مجموعه اي از اتم هاي غير برهمکنشي بدست آمده است. اين مدل به شکل معادله هاي زير بيان مي شود :
(2-20) ?_2 (E)=2n(E)K(E)=(A(E-E_g )^2)/((E^2-E_0^2 )^2+?^2 ) ?(E-E_g )/E
(2-21) ?_1 (E)=?_1 (?)+2/? P?_Ry^??(?s??_2 (S))/(S^2-E^2 ) ds
در اين قسمت پارامتر هاي E_g، A، E_0 و ? به ترتيب به گاف انرژي، متناسب با عناصر ماتريسي و پارامتر پهن شدگي اشاره دارند و ?_1 (?) که معمولاً برابر 1 مي باشد و تابع ? به صورت زير است :
(2-22) ?(E0)=0 و ?(E?0)=1
1. Tauc Lorentz
2-10 نيمه هادي ZnO

ZnO پودري است که کاربرد گسترده اي در صنايع مختلف از پزشکي تا الکترونيک دارد و به صورت يک ترکيب معدني سفيد مايل به آبي ( تقريباً نقره اي ) غير قابل حل در آب است.
پودر ZnO يک نيمه هادي اکسيد روي با داشتن گاف انرژي بسيار بالا با خاصيت لومينسانس در دماي اتاق و همچنين انرژي برانگيختگي 60 ميلي الکترون ولتي از مهمترين و پرکاربردترين نيمه هادي ها به حساب مي آيد.
ZnO ساختار هاي متفاوتي دارد ولي ساختار ورتزيت آن که از بقيه پايدار تر است شامل ساختار بلوري پايدار شش وجهي که در آن سختار داراي ابعاد شبکه اي a=0. 325 و c=0. 52 نانوتر است.
اتم هاي اکسيژن در مکان هاي شش وجهي و اتم هاي روي در موقعيت هاي چهار وجهي شامل اين ساختار مي باشد.
در اين نيمه هادي لايه هاي نازک ZnO که در طول محور C رشد داده شده به علت ثابت پيزو الکتريک بزرگ آن مي توانند مانند يک موج آکوستيک سطحي عمل کنند. کاربرد گسترده آنها به علت مقاومت خوب اين لايه در برابر پلاسماي هيدروژن در ساختار سلول هاي خورشيدي است. بنابراين مي توان از آنها در حسگر هاي گازي و LED ها استفاده کرد[31-33] .
اين نيمه هادي ها ذاتاً از گاف انرژي بالايي برخوردار هستند. در حالي که با جا نشاني مواد مختلف در ساختار آن ها مي توان گاف انرژيشان را افزايش داد و تا حدود 4 الکترون ولت رساند. اين دليل باعث کاربرد بيشتر آن مي گردد.
در اين نيمه هادي، قابليت حرکت الکترون در شرايط مختلف دمايي متفاوت است.
در دماي 80 درجه کلوين حداکثر آن 2000 cm^2/(v. s) است.
اين زماني است که قابليت حرکت حفره ها مقادير ما بين 5-10 cm^2/(v. s) را انتخاب مي کند. شکل (2-6) ساختار فضايي ZnO داراي ثابت هاي شبکه c,aرا نشان مي دهد. . شکل(2-7) ساختار شش ضلعيZnO را نشان مي دهد[34-35] .

شکل (2-6) ساختار فضايي ZnO داراي ثابت هاي شبکه a , c

شکل (2-7) ساختار شش ضلعي ZnO

ZnO با گاف انرژي بالا در دماي اتاق باعث استفاده آن در صنايع الکترونيکي و اپتوالکترونيکي شده است.
همچنين به علت مقاومت بالاي ZnO در برابر اشعه و شرايط شيميايي خاص در ماموريت هاي فضايي مورد استفاده قرار مي گيرد.
در ضمن به صورت جا نشاني اکسيد روي با آلمينيوم به ترکيب ارزان و بي خطري براي کاربرد در صفحات نمايش بلور مايع تبديل مي شود. که از نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه است[35-37] .
براي توليد لايه هاي نازک ZnO روش هاي مختلفي از قبيل روش کندو پاش، لايه نشاني شيميايي، لايه نشاني به روش بخار ليزري، اسپري و سل ژل وجود دارد. که روش سل ژل از نظر اقتصاد از همه روش هاي ديگر مقرون به صرفه تر است.

جدول 2-1 مشخصات نيمه هادي ZnO

فصل

متن کامل در سایت sabzfile.com

دیدگاهتان را بنویسید