پارس پروژه پرتال خدمات دانشگاهی
متن کامل مقاله موجود نیست
فهرست
پیشگفتار ۱
فصل اول: ترابرد حامل¬ها
مقدمه ۶
۱-۱ ساختار نوار رسانش سیلیسیوم ۷
۱-۱-۱ ساختار نواری (۱۰۰)SI در لایه وارونی ۸
۱-۲ گاز الکترون دو بعدی ۹
۱-۳ چاه کوانتومی ۱۱
۱-۴ ترابرد حامل ۱۲
۱-۵ تحرک¬پذیری حامل ۱۳
۱-۵-۱ خصوصیات تحرک وابسته به میدان در ناحیه میدان¬های ضعیف ۱۴
۱-۵-۲ خصوصیات تحرک وابسته به میدان در ناحیه میدان¬های خیلی بالا ۱۹
فصل دوم: فرمول¬بندی تحرک در میدانهای متوسط در نیم¬رساناهای چند لایه¬ای
مقدمه ۲۷
۲-۱ تاریخچه¬ای از مطالعات انجام شده بر روی خصوصیات ترابرد۲DEG در دماهای پایین ۲۸
۲-۲ ویژگی¬های ترابرد در دماهای پایین شبکه ۲۹
۲-۳ احتمال پراکندگی فونون اکوستیکی درون دره¬ای ۳۰
۲-۴ محاسبه تحرک وابسته به میدان ۳۴
۲-۴-۱ خصوصیات تحرک میدان ضعیف در تقریب دمای مؤثر ۳۴
۲-۴-۲ فرمول¬بندی تحرک میدان ضعیف با استفاده از معادله¬ی بولتزمن ۳۸
فصل سوم: نتایج و محاسبات
مقدمه ۴۷
۳-۱ محاسبه تغییرات تحرک¬پذیری با فرض دمای مؤثر وابسته به میدان الکترون¬های غیر تعادلی ۴۸
۳-۱-۱ نمودار تغییرات میدان الکتریکی و تحرک¬پذیری نسبت به دمای الکترون در دماهای مختلف شبکه ۴۸
۳-۱-۲ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در دماهای مختلف شبکه ۵۱
۳-۱-۳ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجارشده نسبت به میدان الکتریکی در دماهای مختلف شبکه ۵۳
۳-۱-۴ نمودار تغییرات میدان الکتریکی و تحرک¬پذیری نسبت به دمای الکترون در غلظت¬های مختلف ۵۵
۳-۱-۵ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در غلظت¬های مختلف الکترونی ۵۸
۳-۱-۶ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده نسبت به میدان الکتریکی در غلظت¬های الکترونی مختلف ۵۹
۳-۲ محاسبه تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان از حل معادله بولتزمن به روش تحلیلی ۶۱
۳-۲-۱ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان در دماهای شبکه مختلف ۶۱
۳-۲-۲ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده نسبت به میدان در دماهای مختلف شبکه ۶۳
۳-۲-۳ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان در غلظت¬های الکترونی مختلف ۶۴
۳-۲-۴ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده نسبت به میدان در غلظت¬های الکترونی مختلف ۶۶
۳-۳ محاسبه تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی از حل معادله بولتزمن به روش عددی ۶۷
۳-۳-۱ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در دماهای مختلف شبکه ۶۸
۳-۳-۲ نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در غلظت¬های الکترونی مختلف ۶۹
۳-۴ مقایسه نتیجه تجربی با نتیجه از حاصل از حل معادله بولتزمن به روش تحلیلی ۷۱
۳-۵ بحث و نتیجه¬گیری ۷۲
مراجع ۷۵
فهرست شکل¬ها
شکل (۱-۱-الف): ساختار نوار رسانش Si 7
شکل (۱-۱-ب): سطح ثابت انرژی نوار رسانش Si با شش دره در جهت [۱۰۰] در فضای ممنتم ۸
شکل(۱-۲): چگونگی تشکیل گاز الکترون دو بعدی در مادفت¬ها ۱۰
شکل (۱-۳): چگونگی تشکیل گاز الکترون دو بعدی در ماسفت¬ها ۱۰
شکل (۱-۴): چاه کوانتومی منفرد ۱۱
شکل (۱-۵): تحرک وابسته به دما در میدان¬های ضعیف ۱۸
شکل (۱-۶):مقادیر تجربی تحرک وابسته به میدان حاملهای غیر تعادلی در دماهای شبکه ۱۳، ۲۵، ۴۰، ۶۰، ۷۷ و ۱۰۰ کلوین در ناحیهی میدان خیلی بالا نمونه Si. 22
شکل (۱-۷): تحرک بهنجار شده نسبت به میدان الکتریکی بهنجار شده برای نمونه Si در دمای شبکه ۱۳. خط پر تحرک محاسبه شده به وسیله¬ی لی و تینگ و نقاط مربوط به تحرک تجربی است ۲۳
شکل (۱-۸): مقادیر تجربی تحرک وابسته به میدان حامل غیر تعادلی در دمای شبکه ۲/۴ کلوین در ناحیه میدان قوی ۲۴
شکل (۲-۱): وابستگی سرعت پراکندگی به انرژی حامل در دماهای شبکه متفاوت برای یک ۲DEG در لایه(۱۰۰) Si با . منحنی¬های a و b و c به ترتیب در دماهای ۱و۴و۲۰ می¬باشند . ۳۳
شکل (۳-۱): نمایی از نمونه به کار گرفته شده برای انجام محاسبات ۴۸
شکل(۳-۲): نمودار تغییرات میدان برحسب دمای الکترون در Si(2) 49
شکل (۳-۳): نمودار تغییرات میدان بر حسب دمای الکترون در Si(4) 49
شکل(۳-۴): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به دمای الکترون در Si(2) 50
شکل(۳-۵): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به دمای الکترون در Si(4) 50
شکل(۳-۶): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بر حسب میدان الکتریکی در Si(2) 52
شکل (۳-۷): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بر حسب میدان الکتریکی در Si(4) 52
شکل (۳-۸): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده بر حسب میدان الکتریکی در Si(2) 53
شکل (۳-۹): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده بر حسب میدان الکتریکی در Si(4) 54
شکل(۳-۱۰): نمودار تغییرات میدان برحسب دمای الکترون در Si(2) 56
شکل(۳-۱۱): نمودار تغییرات میدان برحسب دمای الکترون در Si(4) 56
شکل(۳-۱۲): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بر حسب دمای الکترون در Si(2) 57
شکل(۳-۱۳): نمودار تغییرات تحرک بر حسب دمای الکترون در Si(4) 57
شکل (۳-۱۴): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(2) 58
شکل (۳-۱۵): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(4) 59
شکل(۳-۱۶): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده بر حسب میدان الکتریکی در Si(2) 60
شکل(۳-۱۷): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده بر حسب میدان الکتریکی در Si(4) 60
شکل (۳-۱۸): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(2) 62
شکل (۳-۱۹): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(4) 62
شکل (۳-۲۰): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده بر حسب میدان الکتریکی درSi(2) 63
شکل(۳-۲۱): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده بر حسب میدان الکتریکی در Si(4) 64
شکل (۳-۲۲): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(2) 65
شکل (۳-۲۳): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(4) 65
شکل(۳-۲۴): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده نسبت به میدان الکتریکی در Si(2) 66
شکل(۳-۲۵): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری بهنجار شده نسبت به میدان الکتریکی در Si(4) 67
شکل (۳-۲۶): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(2) 68
شکل (۳-۲۷): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(4) 69
شکل (۳-۲۸): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(2) 70
شکل (۳-۲۹): نمودار تغییرات تحرک¬پذیری نسبت به میدان الکتریکی در Si(4) 71
شکل(۳-۳۰): مقایسه مدل نظری با مدل تجربی. خط پر نتیجه حاصل از تئوری و نقاط توخالی نتیجه حاصل از تجربه در دمای K 13. 72
پیشگفتار
نیم¬رساناها از جالب¬ترین و مفیدترین گروه جامدات هستند. رسانندگی این گروه از مواد بین رسانا و نارسانا قرار گرفته است و به طور کلی رسانندگی یک نیم¬رسانا نسبت به دما، روشنایی، میدان مغناطیسی و مقدار دقیق ناخالصی اتم¬ها حساسیت دارد که این حساسیت در رسانندگی، نیم¬رسانا را به یکی از مهم¬ترین مواد در کاربردهای الکترونیکی تبدیل کرده است. نیم¬رساناها طیف وسیعی از پدیده¬ها را نشان می¬دهند (از خواص کاملاً فلزی تا خواص عایق¬ها) و کاربردهای فراوانی دارند و در انواع مختلف قطعات و وسایل فیزیکی به کار می¬روند.
گرچه از سال¬های ۱۹۲۰ و برای مدتی طولانی، نیم¬رساناها مورد مطالعه قرار گرفته بودند، در واقع بعد از اواخر دهه¬ی ۱۹۴۰ که شاکلی ، باردین و براتین ترانزیستور را اختراع کردند، نیم¬رساناها جایگاه واقعی خود را یافتند. به دلیل این اختراع و نیز به دلیل تکامل و توسعه¬ی قطعات مرتبط با آن¬ها، نیم¬رساناها از جالب¬ توجه¬ترین موضوع¬ها در فیزیک حالت جامد درآمدند. بنابراین مطالب بسیاری درباره¬ی خواص بنیادی این جامدات و چگونگی استفاده از آن¬ها برای ساخت قطعات جدیدتر و با کارآیی بیشتر ارائه شد.
در اوایل دهه¬ی ۱۹۵۰، از ژرمانیوم به عنوان مهم¬ترین ماده نیم¬رسانا در قطعات الکترونیکی استفاده می¬شد. ولی به دلیل کاستی¬هایی نظیر این¬که در دماهایی که به طور متعادل بالا می¬رفت نشت جریان بالایی را نشان می¬داد، کنار گذاشته شد. از اوایل دهه¬ی ۱۹۶۰ به بعد، سیلسیوم به عنوان یک جانشین عملی مورد استفاده قرار گرفت، به این دلیل که قطعات سیلسیومی جریان نشت کمتری را از خود نشان می¬دهند و اکسید سیلسیوم با کیفیت بالا را می¬توان به طور گرمایی رشد داد. سیلسیوم به شکل سیلیکا و سیلیکات¬ها ۲۵ درصد از پوسته زمین را تشکیل می¬دهد و سیلسیوم بعد از اکسیژن از نظر فراوانی به عنوان دومین ماده شناخته شده است. امروزه از سیلسیوم در اکثر یکسوسازها، ترانزیستورها و مدارهای مجتمع استفاده می¬شود.
ترانزیستور یک قطعه¬ی نیم¬رساناست که برای تقویت کردن و سویچ کردن سیگنال¬های الکترونیکی استفاده شده است. در حالت کلی ترانزیستورهای جدید به دو دسته کلی، ترانزیستورهای اتصال دو قطبی و ترانزیستورهای اثر میدان دسته¬بندی می¬شوند. در ترانزیستورهای اتصال دو قطبی اعمال جریان و در ترانزیستورهای اثر میدان اعمال ولتاژ بین ورودی و ترمینال مشترک باعث افزایش رسانایی بین خروجی و ترمینال مشترک می شود. مشخصات و ویژگی¬های ترانزیستورها بستگی به نوع آن¬ها دارد.
در سه دهه¬ی اخیر مطالعه¬ی خواص ترابردی و الکتریکی حامل¬های گاز الکترونی و حفره¬ای دو بعدی یکی از شاخه¬های بسیار فعال در فیزیک نیم¬رسانا می¬باشد[۴]. این مطالعات به ویژه در ساختارهای ناهمگون به لحاظ کاربردهای الکترونیکی آن¬ها از اهمیّت خاصی برخوردار است.
اگر میدان الکتریکی به سطح یک نیم¬رسانا به عنوان مثال در ساختار فلز- اکسید- نیم¬رسانا اعمال شود نوار رسانش (و یا نوار ظرفیت) خمیده شده و لایه¬ی وارونی و توده در سطح نیم¬رسانا شکل ¬می¬گیرد. هنگامی¬که نوارها به طور قوی خمیده می¬شوند چاه پتانسیل به وسیله¬ی سطح نیم¬رسانا- عایق شکل گرفته و پتانسیل الکتریکی در نیم¬رسانا می¬تواند به اندازه کافی محدود شده که اثرهای مکانیک کوانتومی در چاه مهم در نظر گرفته شود. حرکت الکترون¬ها (و یا حفره¬های) به دام افتاده در چاه پتانسیل در جهت عمود به سطح برای باقی ماندن داخل چاه کوانتومی تحمیل شده است. اگر ضخامت چاه قابل مقایسه با طول موج الکترون باشد، سطح¬های انرژی الکترون¬ها در زیر نوارهای الکتریکی گروه¬بندی می¬شوند که هر کدام با یک سطح انرژی کوانتیزه شده برای حرکت در جهت عمود به سطح مرتبط می¬شوند سپس حامل¬های ذکر شده برای تشکیل گاز الکترون (و یا حفره) دو بعدی در ناحیه¬ای با ضخامت چند ده آنگسترومی در فصل مشترک نیم¬رسانا- عایق محدود شده¬اند. ترابرد حامل¬ها در لایه وارونی به وسیله¬ی مراکز پراکندگی در فصل مشترک نیم¬رسانا- عایق تحت تأثیر واقع شده همانند فونون¬های اکوستیکی که تحت تأثیر واقع می¬شوند[۵و۶].
در فصل اول این پایان¬نامه نحوه¬ی تشکیل گازهای الکترون دو بعدی، ساختار نواری سیلسیوم، ترابرد حامل¬ها و تحرک میدان¬های الکتریکی خیلی ضعیف و میدان¬های الکتریکی قوی را مورد ارزیابی قرار داده¬ایم.
در فصل دوم تحرک گازهای الکترون دوبعدی در نیم¬رساناهای چند لایه¬ای در میدان¬های متوسط با در نظر گرفتن انرژی فونون اکوستیکی مورد بررسی قرار داده¬ایم.
و در انتها در فصل سوم محاسبات و نتایج عددی مربوط به تغییرات تحرک نسبت به میدان¬های ضعیف در دماهای شبکه و غلظت¬های الکترونی مختلف نمایش و مورد ارزیابی قرار داده¬ایم