شیمی مواد نیمهرسانا
شیمی مواد نیمهرسانا به مطالعه جامداتی میپردازد که رسانایی آنها بین فلزات و عایقها قرار دارد و میتوان آن را با ترکیب و آلایش (دُپینگ) به دقت کنترل کرد. این مواد، سازنده قطعات الکترونیکی و اپتوالکترونیکی هستند.
Definition
نیمهرسانا جامدی است با گاف نواری متوسط که رسانایی الکتریکی آن را میتوان در گسترهای وسیع از مرتبههای بزرگی با دما و به ویژه با آلایش کنترل کرد؛ شیمی مواد نیمهرسانا به مطالعه ترکیب، عیوب، و آمادهسازی چنین جامداتی میپردازد.
Scope
این موضوع به شیمی جامدات نیمهرسانا میپردازد: گاف نواری که یک نیمهرسانا را تعریف میکند، رسانایی ذاتی در مقابل رسانایی غیرذاتی، و آلایش نیمهرساناهای عنصری مانند سیلیکون و ژرمانیوم با دهنده و پذیرنده. این مبحث به نیمهرساناهای ترکیبی — خانوادههای III-V و II-VI — که گافهای مستقیم قابل تنظیم آنها برای گسیل نور مناسب است، و همچنین به روشهای خالصسازی، رشد بلور، و لایهنشانی نازک که مواد با کیفیت دستگاهی را تولید میکنند، گسترش مییابد.
Core questions
- چه محدودهای از گاف نواری یک نیمهرسانا را تعریف میکند؟
- آلایندههای دهنده و پذیرنده چگونه رسانایی و نوع حامل را کنترل میکنند؟
- نیمهرساناهای ترکیبی چگونه دامنه گافهای نواری موجود را گسترش میدهند؟
- مواد نیمهرسانای با کیفیت دستگاهی چگونه خالصسازی و رشد داده میشوند؟
Key concepts
- گاف نواری
- نیمهرساناهای ذاتی و غیرذاتی
- آلایش دهنده و پذیرنده
- ترکیبات III-V و II-VI
- گافهای مستقیم و غیرمستقیم
- رشد و خالصسازی بلور
Key theories
- رسانایی ذاتی و غیرذاتی
- در یک نیمهرسانای ذاتی، رسانایی به جفتهای الکترون-حفره تولید شده حرارتی در سراسر گاف متکی است؛ آلایش با اتمهای دهنده یا پذیرنده، حالتهای کمعمق (shallow states) را اضافه میکند که حاملهایی با علامت انتخابی را فراهم میآورند و رسانایی را با ترکیب قابل کنترل میسازند.
- نیمهرساناهای ترکیبی و مهندسی گاف نواری
- ترکیب عناصر از گروههای III و V یا II و VI، نیمهرساناهایی را تولید میکند که گاف نواری آنها و اینکه آیا مستقیم است یا غیرمستقیم، میتواند با ترکیب تنظیم شود، که این امر امکان طراحی موادی را فراهم میآورد که با عملکردهای الکترونیکی و نورگسیل خاص مطابقت دارند.
Mechanisms
آلایندههای دهنده الکترونها را درست زیر نوار رسانش و آلایندههای پذیرنده حفرهها را درست بالای نوار ظرفیت قرار میدهند، بنابراین انرژی حرارتی متوسط آنها را یونیزه میکند و غلظت حامل را تثبیت مینماید؛ بازترکیب حاملها در یک گاف مستقیم نور گسیل میکند که اساس منابع نوری نیمهرسانا است.
Clinical relevance
مواد نیمهرسانا اساس میکروالکترونیک و اپتوالکترونیک هستند: سیلیکون آلایششده ترانزیستورها و مدارهای مجتمع را میسازد، نیمهرساناهای ترکیبی دیودهای نورگسیل، دیودهای لیزری، و آشکارسازهای نوری را میسازند، و خلوص و کمال بلوری که با شیمی دقیق به دست میآید، عملکرد دستگاه را تعیین میکند.
History
درک نیمهرساناها در حدود اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷ متبلور شد، که نشان داد آلایش کنترلشده سیلیکون و ژرمانیوم میتواند یک دستگاه قابل سوئیچینگ و تقویتکننده ایجاد کند. توسعه تصفیه منطقهای (zone refining) و رشد تکبلور سپس مواد فوقخالص را فراهم کرد، و نیمهرساناهای ترکیبی این حوزه را به گسیل نور و الکترونیک پرسرعت گسترش دادند.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- callister2018
- kittel2005
Frequently asked questions
- چگونه آلایش یک بلور به ظاهر عایق را به یک رسانای مفید تبدیل میکند؟
- افزودن مقدار ناچیزی از یک عنصر با یک الکترون ظرفیت بیشتر یا کمتر از میزبان، سطوح انرژی کمعمق را نزدیک لبههای نوار معرفی میکند. این سطوح، الکترونها یا حفرههایی را آزاد میکنند که به راحتی فعال میشوند و رسانایی را چندین مرتبه بزرگی افزایش میدهند و تعیین میکنند که رسانایی توسط حاملهای منفی یا مثبت انجام شود.
- چرا دستگاههای نورگسیل به جای سیلیکون از نیمهرساناهای ترکیبی استفاده میکنند؟
- سیلیکون دارای گاف نواری غیرمستقیم است، بنابراین بازترکیب الکترون-حفره به ندرت فوتون گسیل میکند. بسیاری از نیمهرساناهای ترکیبی دارای گافهای مستقیم هستند، که در آنها بازترکیب به طور کارآمد نور تولید میکند، و این امر آنها را به مواد ترجیحی برای دیودهای نورگسیل و دیودهای لیزری تبدیل میکند.