عنوان ساختارهای دور آلاییده
چکيده در ساختارهاي Si/SiGe/Si که بوسيله روش رونشاني پرتو مولکولي رشد مي¬يابند به دليل ناپيوستگي نوار ظرفيت يک چاه کوانتومي در نوار ظرفيت و در لايه SiGe شکل مي¬گيرد اگر لايه¬هاي مجاور با ناخالصي¬هاي نوع p آلاييده شده باشند حفره¬های لايه آلاييده به داخل چاه کوانتومي مي¬روند و تشکيل گاز حفره¬اي دوبعدي در ميانگاه نزديک لايه آلاييده مي¬دهند اينگونه ساختارها را ساختار دورآلاييده مي نامند .به دليل جدايي فضايي بين حاملهاي آزاد دوبعدي و ناخالصي¬هاي يونيده در ساختارهاي دورآلاييده برهمکنش کولني کاهش يافته و درنتيجه پراکندگي ناشي از ناخالصي¬هاي يونيده کاهش و به تبع آن تحرک¬پذيري حاملهاي آزاد دوبعدي افزايش مي¬يابد .چگالي سطحي گاز حفره¬اي دوبعدي به پارامترهاي ساختار مثلاً ضخامت لايه جداگر ، چگالي سطحي بارهاي لايه پوششي ، ضخامت لايه پوششي ، و غيره وابسته است. علاوه بر اين در ساختارهاي دورآلاييده دريچه¬دار با تغيير ولتاِژ دريچه چگالي سطحي گاز حفره¬اي قابل کنترل مي¬باشد . اين ساختارها در ساخت ترانزيستورهاي اثر ميداني مورد استفاده قرار مي¬گيرند . در اين پايان نامه ابتدا به تشريح ساختار دورآلاييده Si/SiGe/Siمي¬پردازيم و سپس مدلي نظري که بتواند ويژگيهاي الکتريکي گاز حفره¬اي دوبعدي درون چاه کوانتومي ساختارp-Si/SiGe/Si و همچنین ميزان انتقال بار آزاد به درون چاه و بستگي آن به پارامترهاي ساختار را توجيه کند ارائه می دهیم . در ساختار دورآلاييده معکوس p-Si/SiGe/Si دريچه¬دار با دريچه Al/Ti/Si از اين مدل نظري استفاده مي¬کنيم 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 : 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. |
خرید و دانلود | 14,700 تومان نوع فایل :WORD | تعداد صفحات :150 گزارش تخلف به پلیس سایت |