ساختارهای دور آلاییده
عنوان
ساختارهای دور آلاییده
چکیده
در ساختارهای Si/SiGe/Si که بوسیله روش رونشانی پرتو مولکولی رشد می¬یابند به دلیل ناپیوستگی نوار ظرفیت یک چاه کوانتومی در نوار ظرفیت و در لایه SiGe شکل می¬گیرد اگر لایه¬های مجاور با ناخالصی¬های نوع p آلاییده شده باشند حفره¬های لایه آلاییده به داخل چاه کوانتومی می¬روند و تشکیل گاز حفره¬ای دوبعدی در میانگاه نزدیک لایه آلاییده می¬دهند اینگونه ساختارها را ساختار دورآلاییده می نامند .به دلیل جدایی فضایی بین حاملهای آزاد دوبعدی و ناخالصی¬های یونیده در ساختارهای دورآلاییده برهمکنش کولنی کاهش یافته و درنتیجه پراکندگی ناشی از ناخالصی¬های یونیده کاهش و به تبع آن تحرک¬پذیری حاملهای آزاد دوبعدی افزایش می¬یابد .چگالی سطحی گاز حفره¬ای دوبعدی به پارامترهای ساختار مثلاً ضخامت لایه جداگر ، چگالی سطحی بارهای لایه پوششی ، ضخامت لایه پوششی ، و غیره وابسته است. علاوه بر این در ساختارهای دورآلاییده دریچه¬دار با تغییر ولتاِژ دریچه چگالی سطحی گاز حفره¬ای قابل کنترل می¬باشد . این ساختارها در ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی مورد استفاده قرار می¬گیرند .
در این پایان نامه ابتدا به تشریح ساختار دورآلاییده Si/SiGe/Siمی¬پردازیم و سپس مدلی نظری که بتواند ویژگیهای الکتریکی گاز حفره¬ای 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 دریچه¬دار با دریچه Al/Ti/Si از این مدل نظری استفاده می¬کنیم و با برازش نتایج تجربی تغییرات چگالی سطحی گاز حفره¬ای بر حسب ولتاژ دریچه توانسته¬ایم چگالی سطحی بارهای میانگاه Ti/Si در این ساختارها را در محدوده (m-2) 1015 × 78/1 تا (m-2) 1015 × 63/4 ارزیابی کنیم .
عنوان
ساختارهای دور آلاییده
این فایل با فرمت ورد و آماده پرینت می باشد.
فهرست مطالب
فصل اول : ساختارهای دورآلاییده 1
مقدمه 2
1-1 نیمه رسانا 3
1-2 نیمه رسانا با گذار مستقیم و غیر مستقیم 4
1-3 جرم موثر 4
1-4 نیمه رسانای ذاتی 6
1-5 نیمه رسانای غیر ذاتی و آلایش 7
1-6 نیمه رساناهای Si و Ge 10
1-7 رشد بلور 13
1-7-1 رشد حجمی بلور 15
1-7-2 رشد رونشستی مواد 15
1-7-3 رونشستی فاز مایع 16
1-7-4 رونشستی فاز بخار 18
1-7-5 رونشستی پرتو مولکولی 19
1-8 ساختارهای ناهمگون 20
1-9 توزیع حالتهای انرژی الکترون‌ها در چاه کوانتومی 21
1-10 انواع آلایش 23
1-10-1 آلایش کپه¬ای 24
1-10-2 آلایش مدوله شده (دورآلاییدگی) 24
1-10-3 گاز الکترونی دوبعدی 25
1-10-4 گاز حفره¬ای دوبعدی 26
1- 11 ویژگی و انواع ساختارهای دور آلاییده 27
1-11-1 انواع ساختارهای دورآلاییده به¬¬لحاظ ترتیب رشد لایه¬ها 27
1-11-2 انواع ساختار دور آلاییده به لحاظ نوع آلاییدگی ( n یا p ) 28
1-11-3 انواع ساختار دور آلاییده دریچه¬دار 29
1-12 کاربرد ساختارهای دور آلاییده 33
1-12-1 JFET 33
1-12-2 MESFET 34
1-12-3 MESFET پیوندگاه ناهمگون 35
فصل دوم : اتصال فلز نیمه رسانا (سد شاتکی) 38
مقدمه 39
2-1 شرط ایده آل و حالتهای سطحی 41
2-2 لایه تهی 44
2-3 اثر شاتکی 47
2-4 مشخصه ارتفاع سد 51
2-4-1 تعریف عمومی و کلی از ارتفاع سد 51
2-4-2 اندازه گیری ارتفاع سد 57
2-4-3 اندازه گیری جریان – ولتاژ 57
2-4-4 اندازه گیری انرژی فعال سازی 60
2-4-5 اندازه گیری ولتاژ- ظرفیت 60
2-4-6 تنظیم ارتفاع سد 62
2-4-7 کاهش سد 62
2-4-8 افزایش سد 63
2-5 اتصالات یکسوساز . 64
2-6 سدهای شاتکی نمونه 64
فصل سوم : انتقال بار در ساختارهای دورآلاییده 66
مقدمه 67
3-1 ساختار دور آلاییده معکوس p-Si/Si1-XGeX/Si . 68
3-2 ساختار نوار ظرفیت ساختار دور آلاییده معکوسp-Si/SiGe/Si 69
3-3 محاسبه انتقال بار در ساختارهای دور آلاییده. 71
3-3-1 آلایش مدوله شده ایده¬آل 71
3-3-2 محاسبات خود سازگار چگالی سطحی حاملها 74
3-3-3 اثر بارهای سطحی بر چگالی گاز حفره¬ای 74
3-4 روشهای کنترل چگالی سطحی حاملها 76
3-4-1 تاثیر تابش نور بر چگالی سطحی حاملها 77
3-4-2 تاثیر ضخامت لایه پوششی بر چگالی سطحی حاملها 78
3-4-3 دریچه دار کردن ساختار دور آلاییده 79
3-5 ساختارهای دورآلاییده معکوس p-Si/SiGe/Si با دریچه بالا 79
3-6 انتقال بار در ساختارهای دورآلاییده معکوس با دریچه بالا 82
3-7 تاثیر بایاسهای مختلف بر روی چگالی سطحی ¬حفره¬ها 83
3-8 ملاحظات تابع موج. 86
3-9 وابستگی Zav به چگالی سطحی حاملها در ساختارهای بی دریچه 87
3-10 وابستگی Zav به چگالی سطحی حاملها در ساختارهای دریچه¬دار 87
فصل چهارم : نتایج محاسبات 89
مقدمه 90
4-1 محاسبات نظری ساختارهای دورآلاییده بی دریچه Si/SiGe/Si 91
4-1-1 محاسبات نظری ns برحسب Ls 91
4-1-2 محاسبات نظری ns برحسب NA 96
4-1-3 محاسبات نظری ns برحسب nc 99
4-1-4 محاسبات نظری کلیه انرژیهای دخیل برحسب Ls 100
4-2 محاسبات نظری ساختارهای دورآلاییده دریچه¬دار Si/SiGe/Si 100
4-2-1 محاسبات نظری ns برحسب vg 100
4-2-2 بررسی نمونه ها با nsur متغیر و تابعی خطی از vg با شیب مثبت 107
4-2-3 بررسی نمونه ها با nsur متغیر و تابعی خطی از vg با شیب منفی 114
فصل پنجم : نتایج 124
5-1مقایسه سد شاتکی با ساختار دورآلاییده دریچه دار p-Si/SiGe/Si 125
5-2 بررسی نمودارهای مربوط به چهار نمونه 125
پیوست 129
چکیده انگلیسی (Abstract) 139
منابع 141
فصل اول
ساختارهای دورآلاییده
مقدمه:
امروزه قطعات جدیدی در دست تهیه¬اند که از لایه¬های نازک متوالی نیمه¬رساناهای مختلف تشکیل می شوند . هر لایه دارای ضخامت مشخصی است که به دقت مورد کنترل قرار می گیرد و از مرتبه 10 نانومتر است . اینها ساختارهای ناهمگون نامیده می شوند . خواص الکترونی لایه-های بسیار نازک را می توان با بررسی ساده¬ای که برخی از اصول اساسی فیزیک کوانتومی را نشان می دهد به دست آورد [31] .
در این فصل ابتدا به بررسی خواص نیمه¬رسانا می پردازیم سپس با نیمه¬رساناهای 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.
1-1 نیمه¬رسانا:
در مدل الکترون مستقل الکترون¬های نوار کاملاً پر هیچ جریانی را حمل نمی¬کنند این یک روش اساسی برای تشخیص عایق¬ها 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 عایق¬ها و فلزات بحث گاف انرژی است گاف انرژی یعنی فاصله بین بالاترین نوار پر و پایین¬ترین نوار خالی .
یک جامد با یک گاف انرژی در عایق خواهد بود. در نتیجه با گرم کردن عایق همچنانکه دمای آن افزایش می¬یابد بعضی از الکترون¬ها به طور گرمایی تحریک شده و از گاف انرژی به سمت پایین¬ترین نوار غیر اشغال گذار می¬کنند . جای خالی الکترون¬ها در نوار ظرفیت را حفره می¬نامند این حفره¬ها ماهیتی مانند بار مثبت دارند در نتیجه در روند رسانش هم الکترون¬ها و هم حفره¬ها شرکت می¬کنند . الکترون¬های برانگیخته شده در پایین¬ترین قسمت نوار رسانش قرار می¬گیرند در صورتیکه حفره¬ها در بالاترین قسمت نوار ظرفیت واقع می¬شوند .
جامداتی که در عایق بوده اما دارای گاف انرژی به اندازه¬ای هستند که برانگیزش گرمایی منجر به مشاهده رسانشی در شود به عنوان نیمه¬رسانا شناخته می¬شود .
ساده¬ترین عناصر نیمه رسانا از گروه چهارم جدول تناوبی هستند که به آنها نیمه¬رساناهای تک عنصری می¬گویند سیلیکون و ژرمانیوم دو عنصر مهم نیمه¬رساناها هستند . علاوه بر عناصر نیمه-رسانا ترکیبات گوناگون نیمه¬رسانا هم وجود دارد . GaAsیک نمونه نیمه¬رساناهای است که از ترکیب عناصر گروه (Ga) و گروه (As) بدست آمده¬اند و در ساختار زینک بلند متبلور می¬شوند . همچنین بلور نیمه¬رسانا از عناصر گروه و هم بوجود می¬آید که می¬تواند ساختار زینک¬بلند داشته باشد و به عنوان نیمه¬رساناهای قطبی شناخته شده¬اند [1].
1-2 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 نیمه¬رسانایی نیمه رسانای با گذار مستقیم می¬گویند.
اما اگر کمینه نوار رسانش و بیشینه نوار ظرفیت یک نیمه¬رسانا در یک نقطه فضای k قرار نگیرند به چنین نیمه¬رسانایی نیمه¬رسانای با گذار غیر مستقیم می¬گوییم.
الکترون¬ها کمینه نوار رسانش و حفره¬ها بیشینه نوار ظرفیت را اشغال می¬کنند [1] .
(b) (a)
شکل(1-1) : نمودار نیمه-رسانای با گذارهای مستقیم و غیر مستقیم . (a) نیمه¬رسانای با گذار مستقیم .(b) نیمه¬رسانای با گذار غیر مستقیم [1] .
1-3 جرم موثر :
الکترون¬ها در بلور بطور کامل آزاد نیستند بلکه با پتانسیل متناوب شبکه برهمکنش دارند . در نتیجه حرکت موج ذره¬ای آنها را نمی توان مشابه الکترون¬ها در فضای آزاد دانست . برای اعمال معادلات معمولی الکترودینامیک به حامل¬های بار در یک جامد باید از مقادیر تغییر یافته جرم ذره استفاده کنیم در این صورت اثر شبکه منظور شده و می¬توان الکترون¬ها و حفره¬ها را به صورت حامل¬های تقریباً آزاد در بیشتر محاسبات در نظر گرفت .
جرم موثر یک الکترون در ترازی با رابطه معین (E,K) به صورت زیر است :
(1-1)
پس انحنای نوار تعیین کننده جرم موثر الکترون است . برای نوار متمرکز حول K=0 رابطه (E;K) در نزدیکی حداقل معمولاً سهموی است :
(1-2)
این رابطه نشان می¬دهد که جرم موثر در نوار سهموی ثابت است .
انحنای در محل حداقل¬های نوار رسانش مثبت ولی در محل حداکثرهای نوار ظرفیت منفی است . بنابراین الکترون¬ها 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 حفره¬های با بار و جرم مثبت حرکت می¬کنند . در جدول زیر جرم¬های موثر بعضی از مواد آورده شده است . جرم موثر الکترون با و جرم موثر حفره با نشان داده می شود [28] .
GaAs Si Ge
0.067m0 1.1m0 0.55m0
0.48m0 0.56m0 0.37m0
جدول(1-1) : مقادیر جرم موثر الکترون و حفره در سه نیمه¬رسانای Si ، Ge ، GaAs . m0 جرم حالت سکون الکترون است .
1-4 نیمه¬رسانای ذاتی :
یک بلور نیمه¬رسانای کامل فاقد هرگونه ناخالصی یا نقائص بلوری به نام نیمه¬رسانای ذاتی شناخته می¬شود . در چنین ماده¬ای هیچگونه حامل آزادی در صفر کلوین وجود ندارد زیرا نوار ظرفیت از الکترون¬ها 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 می-شود . این زوج¬ها تنها حامل¬های موجود در ماده ذاتی هستند .
بدلیل تولید زوج الکترون¬ها و حفره¬ها تراکم از الکترون¬های نوار رسانش (تعداد الکترون¬ها در هر سانتی متر مکعب ) برابر با تراکم از حفره-ها در نوار ظرفیت (تعداد حفره¬ها در هر سانتی متر مکعب ) است . هر یک از این تراکم حامل¬های ذاتی را معمولاً با نمایش می¬دهند . پس برای ماده ذاتی داریم :
(1-3)
برانگیختی حامل¬های ذاتی به طور نمایی به بستگی دارد که در آن Eg گاف انرژی است و این بستگی به صورت رابطه زیر است [38]:
(1-4)
مقدار ni در دمای اتاق برای Si، Ge و GaAs به ترتیب برابر با (cm-3 )1010 × 45/1، (cm-3 )1012 × 5/2 و (cm-3 )106 × 79/1 است .
شکل (1-2) : زوج¬های الکترون حفره در مدل پیوند کووالانسی از بلور Si
1-5 نیمه¬رسانای غیر ذاتی و آلایش :
علاوه بر حامل¬های ذاتی تولید شده با گرما می¬توان با وارد کردن تعمدی ناخالصی به بلور حامل¬های اضافی در نیمه¬رساناها بوجود آورد . این فرایند مرسوم به آلایش متداولترین روش برای تغییر رسانایی در نیمه¬رساناهاست .
با عمل آلایش می¬توان بلور را طوری تغییر داد که دارای اکثریتی از الکترون¬ها یا حفره¬ها بشود . پس توسط آلایش دو نوع نیمه¬رسانا بوجود می¬آید : نوع (اکثریت الکترونی) و نوع (اکثریت حفره¬ای ). هنگامیکه بر اثر آلایش در یک بلور تراکم حالت تعادل حامل-های آن و با تراکم ذاتی حامل¬ها تفاوت داشته باشد گوییم ماده غیر ذاتی است .
هنگامیکه ناخالصی¬ها یا نقص¬های شبکه در یک بلور تقریباً کامل وارد می¬شوند ترازهای اضافی در ساختمان نوار انرژی و معمولاً درون گاف نوار ایجاد می¬شود.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 می¬کند. این تراز در صفر کلوین توسط الکترون¬ها پر شده و انرژی گرمایی خیلی کمی برای برانگیختن این الکترون¬ها به نوار رسانش لازم است . بنابراین در دماهای بیش از چند صدکلوین تمام الکترون-ها در تراز ناخالصی در واقع به نوار رسانش " بخشیده " می¬شوند. یک چنین تراز ناخالصی را تراز دهنده و ناخالصی-های ستون پنجم در Ge یا Si را ناخالصی-های دهنده می-نامند. از شکل (1-3) پیداست که ماده دارای ناخالصی-های دهنده می¬تواند حتئ در دماهای پایین که تراکم حامل¬های ذاتی زوج الکترون حفره قابل توجه نیست تراکم قابل ملاحظه¬ای از الکترون¬ها در نوار رسانش داشته باشد . بنابراین نیمه رساناهای ناخالص شده با تعداد قابل توجهی اتم دهنده دارای در دمای معمولی بوده و یک نیمه¬رسانای نوع محسوب می¬شوند.