فیزیک الکترونیک

صفحه 1:
فیزیک الکترونیک مقدمه ای بر فیزیک ‎dale Cilla‏ خواص بلور نوارهای انرژی و باربرها در نیمه رساناها 

صفحه 2:
جدول تناوبی عناصر(/ه 12016 ۳۵006 ‎(Elements‏ انواع نیمه رسانا: تک يري لوي ) و مركب يا بين 38 ‎(compound).‏ ‏۶ مواد نیمه رسانای تک به گروه چهارم جدول تناوبی میباشند ‎(Sic Ge)‏ کتر یمه رساناهای مرکب دوتلیی از ترکیب عناصر گروه سوم و پنجم و یا گروه دوم و ششم (گروههایی که بصورت متقارن در مجاورت گروه چهارم قرار دارند) حاصل میشوند. مثال: ترکیبهای دوتایی 105 62۵56۰ : 111-۷ ترکیبهای دوتایی 0066 »216 :11-۷1 * نیمه رساناهای مرکب دوتایی از ترکیب سیلیسیم وسایر عناصر گروه چهارم نیزبدست می آیند مانند: 56 * نیمه رساناهای سه تایی: ۸16656/؛ نیمه رساناهای چهارتایی: ‎InGaAsP‏ 

صفحه 3:


صفحه 4:
طبقه بندی جامدات بر اساس آرایش اتمی براساس آرايش اتمی جامدات به سه نوع بلوری(0۳751۵11186) نیمه بلوری(116ه 01175 ۰)00[[7 و بى شكل (21110170120115)تقسيم ميشوند. بى شكل نیمه بلوری (چند کریستالی) اتمهای تشکیل دهنده جامدات تک بلوری مانند نیمه رساناها و فلزات دارای آرایش تناوبی می باشند» بدین معنا که آرایش خاصی از اتمها در تمام جامد تکرار شده و با مشخص شدن تناوب اصلی ساختار بلوری در یک سری نقاط معادل شکلی یکسان دارد. جامدات بی شکل مانند دی اکسید سیلیسیم (,5[00) فاقد ساختار تناوبی هستند. جامدات چند بلوری یا نیمه بلوری مانند 001375111000 از تعداد زیادی ناحیه کوچک تک بلوری تشکیل یافته اند. نیمه رساناهای مورد استفاده در قطعات الکترونیکی انحراف ناچیزی از حالت تناوب دارند که ناشی از افزودن اتمهای ناخالصی (مانند فسفر و بور) به منظور کنترل خواص الکتریکی نیمه رسانا می باشد. 

صفحه 5:
شبکه بلوری بلور ماده جامدی است که در آن موقعیت اتمها دقیقا تناوبی باشد. برای ساختار دو بعدی زير اتمهای ۰08 9) و <) معادل هستند. زیرا برای یک ناظر در هریک از این سه موضع اتمی» بلور كاملا یکسان به نظر میرسد. بعبارت دیگر بلور نقارن انتقالی یا ([1ط0ن12وص۳] 126157 دارد. يعنى اكر بلور بوسيله بردارى كه هريى از دو اتم (براى مثال 1) را به يكديكر متصل ميكند انتقال يابد ظاهر ساختار حاصل دقيقا با ظاهر بلور بيش از انتقال يكسان خواهد بود. 

صفحه 6:
(Crystal Lattices)s sh wa 488 آرایش متناوب اتمی در يك بلور ‎Lattice b 48h‏ نامیده میشود. خواص تناوبی شبکه بلوری تعیین کننده خواص مکانیکی بلوراست بلکه بدلیل وابستگی انرژی مجاز الکترونهای شرکت کننده در فرآیند رسانش به خواص تناوبی» خواص الکتریکی بلور را نیز مشخص میسازد. شبکه دارای حجمی موسوم به سلول یکه است که نماینده تمام شبکه بوده و بصورت منظم درون بلور تکرار ميشود. با استفاده از سلول يكه ميتوان كل بلور را تحليل کرد. برای مثال سلول يكه را ميتوان براى تعيين نزديكترين فاصله بين اتمهاى مجاورء جكالى اتمى شبكه (تعداد اتمهاى موجود در واحد حجم سلول یکه)» و كسرى از حجم سلول يكه كه توسط اتمها اشغال شذه است» بكار برد. در ساده ترين شبكه هاى سه بعدى سلول يكه يك حجم مكعبى است. بعد م براى يك سلول يكه مكعبى ثابت شبكه ناميده ميشود. ساختار مكعبى ساذه» ‎simple cubic‏ (به اختصار 50) داراى يك اتم در هر كوشه از سلول يكه است. بنابراين» سلول یکه شامل یک ‎pil‏ (8361/8) میباشد. 

صفحه 7:
ساختار مکعبی ساده * تعداد اتمهای موجود در سلول ‎ASG‏ برابر با یک می باشد. simple 

صفحه 8:
شبکه های بلوری( ادامه) برای شبکه 50 فاصله بین اتمهای همسایه برابر با ثابت شبکه یا ی میباشد. بنابراین چگالی اتمی اين شبكه برابر با 05/1 ميباشد. میتوان بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را با تقریب اتمها به صورت كره های سخت محاسبه کرد. شعاع اين كره ها برای مقدار بيشینه این کسر برابر با نصف فاصله بین نزدیکترین اتمهای همسایه است. در این حالت اتمها تا حد ممکن متراکم میشوند» بطوریکه فضای ‎al‏ های بیروتی نزدیکترین همتنایه ها صقر خواهد بود. بنابراين مقدار این کسر برای شبکهیو برابر است با 0.5250 حجم سلول يكه/[حجم هر كره ‎٠)‏ تعداد كره ها) شيكه مكعبى با وجه مركزدارء 10طناهت 78806-06266160 (به اختصار ©50]) داراى اتمهایی در هریک ازهشت گوشه و در مرکز شش وجه است. بنابراين» سلول يكه شامل جهار اتم ‎{@x1/84681/2) coos‏ در اين شبكه فاصله بين نزديكترين اتمهای همسایه 12 9674 ‏بنابراین بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها برابر با 5 يا‎ seul می باشد. شبكه مكعبى بدنه مركزدارء ۰1000 دارای اتمهایی در هر یک از هشت گوشه و یک اتم اضافی در مرکز مکعب است. بنابراين» سلول یکه شامل دو اتم میباشد (0061/8+1). بهمین ترتیب میتوان نشان داد که بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه 06 توسط اتمها 68 است. 

صفحه 9:
شبکه های مکعبی بدنه مرکزدار و وجه مرکزدار 2 body-centered face-centered 

صفحه 10:
شبکه های بلوری الماسی ساختار شبکه پایه اغلب نیمه رساناهای مهم شبکه الماسی است که مشخصه نیمه رساناهای تک عنصری؛ 51 و 666 می باشد. بسیاری از نیمه رساناهای مرکب نیز شبکه الماسی دارند که در آن اتمها بصورت یک در میان متفاوت هستند که دراینصورت شبکه الماسی را شبکه سولفید روی (2۳05) یا زینک بلند (21۳01016۴06) مینامند. شبکه سولفید روی نمونه ترکیبهای 17-۷ است. شبکه الماسی را میتوان بدإشكل+ 14 ساختار 100 در نظر كرفت که یک اتم اضافی در فاصله از هر یک از اتمهای تشکیل دهنده 700 دارد» در جاییکه , برابر با ثابت شبکه است. این فاصله برابر یک چهارم قطر بدنه ای مکعب است. 

صفحه 11:
ساختار شبکه بلوری الماسی * Diomond Lattice Structure 

صفحه 12:
شبکه بلوری الماسی: سیلیسیم ۰ شبکه الماسی 5 همانند شبکه ۲66 دارای اتمهایی در هریک ازهشت گوشه و در مرکز شش وجه است. بعلاوه این شبکه دارای 4 اتم در داخل حجم مکعبی است که در فاصله ای بطول یک چهارم قطر بدنه ای مکعب از هر یک از اتمهای ۶060 قرار دارند. ۰ مثال: اگرثابت شبکه 0۰600 5.43261 51 باشد» چگالی اتمی» چگالی» و بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را برای 5 محاسبه کنید. ۰ نتیجه کلی: قرار گرفتن اتمهای بلور در صفحه های معین ویژگیهای مکانیکی وشیمیایی آنها را تعیین میکند؛ بلورها را میتوان در راستای صفحات اتمی معینی برش داد تا به سطوح صاف منحصر بفردی مانند آنچه در نگین های الماس مشاهده میشود» دست يافت 

صفحه 13:
نیروهای پیوندی در جامدات متقابل بين الكترونها ذر اتمهاى همسايه يك جامد عامل بسيار مهمئ در بهم چسبیدگی بلور است. در شبکه بلوری 713001 اين بيوند از نوع يونى است. هر كاتيون 712 بر روى شش أنيون 01) همسايه أن نيروى جاذبه الكتروستاتيكي اعمال ميكند و بالعكس. اين نيروهاى كولنى يون ها را در شبكه به سوى يكديكر كشيده تا اينكه بر اثر نيروهاى دافعه حالت تعادل بوجود آيد. در فلزات» الكترونهاى بيرونى (ظرفيت) هر اتم به كل بلور تعلق دارد؛ نيروى بيوندى در جامد ناشى از نيروى كولنى بين يونهاى مثبت با يوسته هاى بسته ‎(closed shell)‏ و الكترونهاى آزاد است. يونهاى شبكه در دريايى از ترونهای آزاد ‎us‏ ور هستند. اين نوع ييوند را پیوند فلزی مینامند. هر اتم در شبکه الماسی توسط چهارنزدیکترین همسایه که هر یک حاوی چهار الکترون در مدار بیرونی است احاطه شده است. پیوند بین نزدیکترین اتمهای همسایه از نوع کووالانسی است. اين پیوند بين یک زوج الکترون بوجود می آید و در أن الكترونها يا بطور مساوى به هردو اتم تعلق دارند (سيليسيم) وايا ابرالكترونى در مجاورت اتمى كه از الكترونكاتيوى بيشترى برخوردار است» تراكم بيشترى دارد (اتم 5لثردر شبكه سولفيد روى 03/5)). براى تامين اصل انحصار يائولى زوج الكترون مى بايست داراى اسبين مخالف باشند. يكى از الکترونهاً ميتواند بر اثر برانگیزش گرمایی یا نوری از پیوند خارج شده و برای شرکت در فرآیند رسانش آزاد شود. 

صفحه 14:
# ‏ای‎ a ساختار نوار انرژی آتمی در یک اتم مجزا الکترونها به مجموعه ای از ترازهای انرژی گسسته در درون اتم محدود شده اند. شکافهای بزرگی در مقیاس انرژی وجود 22 ‎4S (Energy Gaps)‏ فاقد مرگونه حالت انرژی هستند. با گرد هم آمدن اتمهای منفرد به منظور تشکیل یک جامد نیروهای جاذبه (بین الکترونهای یک اتم و هسته اتمهای مجاور) و دافعه (بین الکترونهای اتمهای مجاور) در فاصله بین اتمی معینی در بلور به حالت تعادل میرمند. تفاوت اساسی بین الکترون در یک جامد و الکترون در یک اتم مجزا: در جامد الکترون دارای یک گستره یا نوار پیوسته ‎(band continuous)‏ !5 انرژی های قابل دسترس است که توسط یک شکاف انرژی 3[ از هم جدا شده اند. أكر ‎١!‏ اتم مجزاى كربن را در نظر بكيريم تعداد حالتهای انرژی برای ترازهای 25 و 20 611 ميباشد. با ديك شدن فاصله بين اتمها به فاصله بين اتمى حالت تعادل الماس حالتهاى قابل دسترس براى دو تراز 25 و 20 به دو نوار بيوسته تقسيم ميكردد كه توسط يك شكاف انرؤى أز هم جدا شده ان نوار بالایی موسوم به نوار هدايت و نوار بايينى موسوم به نوار ظرفيت هريك شامل ]42 حالت ميباشند شکاف انرژی به پهنای م7 فاقد هرگونه تراز انرزى مجاز براى اشغال توسط الكترونهاست و باين علت اين شکاف نوار ممنوعه نیز گامیده میشود. توضیع الکترونها: در پوسته های ظرفیت در اتمهای منفرد اولیه 41۷ لکترون (2 در حلات 25 و 21۷ ۵ حالات 28) وجود دارد. اين الكترونها بايد حالتهاى موجود در نوار ظرفیت یا در نواز هدایت بلور را اشغال كنند. در صفر درجه كلوين الكترونها بايين ترين حالت انرزى قابل دسترسء يعنى همه حالتها درنوار ظرفيت را اشغال میکنند در حالیکه نوار هدایت کاملاً خالی از الکترونهاست. توليد جفت الكترون-حفره (17۳) نیازمند برانگیزش با مقداری برابر با شکاف انرژی .15 است که سبب صعود الکترون به لبه باند هدایت و بجای ماندن یک حفره در باند ظرفیت ميشود. انرژی جلبشی این الکترون يرابر با صفر ميياشد. ‎Pe) Sap pede ee‏ انرزى فوتونى برابر يا إرا دارا ميباشد (اندازه أى ان موارد در كاريك سورت ميكيرد). 0 

صفحه 15:
(Outer shett Midale shell Inner she Relative spacing of atoms —————= AN States st OBlectrons aie. 2N Electrons EN States IN Electrons 2NStates ‘TN Electrons 5000 i bein! INStates ‏اه اه‎ ANStates Relative energy of electrons 

صفحه 16:
طبقه بندی جامدات: فلزات» نیمه رساناهاه و عایقها خواص الکتریکی جامدات بوسیله ساختار نوار انرژی آنها تعیین میشود. جاری شدن جریان در جامدات که ناشی از شتاب یافتن الکترونها در یک میدان الکتریکی است مستلزم در دسترس بودن حالت های انرژی خالی است. ابراين» ميزان رسانايى جامدات به پهنای شکاف انرژی وابسته است. این واب اشى از رابطه بين نوارهاى انرزى كاملا ير و كاملا خالى ميباشد. در عايقها حتى در دماى اتاق نوار هدايت تقريبا بطور كامل خالى و نوار ظرفيت تقريبا بطور كامل ير استء زيرا يهناى شكاف انرذى درعايقها 5617 براى الماس) بسيار بزركتر از نیمه رسانا ها (1.1201 در سیلیسیم) می باشد. درعایفها تعداد باربرهای آزاد بسیار ناچیز بوده که سبب رسانایی ناچیز آنها میشود. در فلزات معمولا اين دو نوار همپوشانی کرده و فقط بطور نسبی پر می شوند و دریایی از الکترونهای آزاد وجود دارد که سبب رسانایی بالایی است که در فلزات مشاهده میشود در نیمه رساناها میزان اشغال حالتها در هر یک از دو نوار مابین اين میزان برای عایقها و نیمه رساناها می باشد. شکاف انرژی نسبتا کوچک در سیلیسیم ذاتی سبب وجود ۳۲۲۳ 010 1.4521 در دمای اتاق در اين نیمه رساناست. 

صفحه 17:
p-type] (partaly filled) (partial ited) ساختار باند انرژی و رسانایی 

صفحه 18:
نیمه رسانای ذاتی (خالص) + نیمه رسانای ذاتی: یک نیمه رسانای کامل و فاقد هرگونه ناخالصی یا نقالص بلوری؛ دردمای 016 (صفر مطلق)هیچگونه باربری در آن وجود ندارد؛ نوار ظرفیت کاملا از الکترونها پر و نوار هدایت خالی است؛ در دماهای بالاتر» براثر برانگیزش گرمایی :2« الکترونهای نوار ظرفیت به نوار هدایت؛ ۳ تولید میشود. ۰ تولید 111۳: با گسستن هر پیوند کووالانسی بواسطه برانگیزش گرمایی یک الکترون از اتم مادر جدا شده» بار مثبتی هم اندازه با بار الکترون بر جا میماند. این بار مثبت» الکترونی را از اتم مجاور جذب و آن را از اتم مادر جدا میکند. به این ترتیب حفره ناشی از یونش اتم پر میشود ولی حفره دیگری در اتم مجاور ایجاد میشود. حاصل حرکت یک بار مثبت به نام حفره در خلاف جهت حرکت الکترون جذب شده در شبکه بلوری سیلیسیم است. بنابراین» تعداد حفره های آزاد شده در اثر یونش گرمایی با تعداد الکترونهای آزاد شده در این فرآیند برابر است. 

صفحه 19:


صفحه 20:
شاخص های میلر * قرار گرفتن اتمهای بلور در صفحه های معین ویژگیهای مکانیکی وشیمیایی آنها ربا تعیین میکند. * در بررسی بلورها قابلیت مشخص نمودن صفحات و جهات در شبکه بلوری بسیار مفید است. 

صفحه 21:
اهمیت کیفیت ماده اولیه در ساخت مدارهای مجتمع پیشرفت فن آوری مدارهای مجتمع نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات حالت جامد» بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است ساخت مدارهای مجتمع امروزی نتیجه موفقیت بزرگی است که در رشد سییسیم تک-بلوزی خالص در اواسط دهه 10000 حاصل تيمه:رساتاى موزد دياز يراق تولید قطعات :)1 نه تنها باید بصورت تک بلورهای بزرگی موسوم به يولك (1873161) در دسترس باشند بلکه خلوص آ انها می بایست در محدوده بسیار باریکی قابل کنترل باشد. برای مثال رشد بلورهای سیلیسیم که اکنون در قطعات مورد استفاده قرار می گیرند مستلزم دستیابی به چگالی ناخالصی در گستره ای کمتر از یک قسمت در ده بیلیون ‎foul (GxdD ra?)‏ 

صفحه 22:
رشد بلور سیلیسیوم: ماده اولیه برای مدارهای ماده خام اولیه برای بلور سیلیسیم» دی اکسید سیلیسیم است. از واکتش (احیاء) دی اکسید سیلیسیم با كربن بصورت كك در کوره قوسی در دمای 10600060 سیلیسیم در رده متالورژیک؛ 5 حاصل میشود که دارای ناخالصیهایی مانند آهن و آلومینیوم لت وو«بوومریه مچهلمی20+ونک از پالایش بیشتر ‎(MGS‏ سیلیسیم در رده الکترونیکی» ۳05 بصورت تری کلروسیلان (,[5]70) با نقطه جوش 5600 بدست مى أيد كه جزئى أز دك سخلو است. با استفاده ازتقطیر جزء به جزء از ناخالصيهايى مانند كلرايد آهن جدا ميشود. سطح ناخالصيها در يك قسمت در بیلیون 1000 یا عم ©00))كاست. ‎S{MGS+3HCLlL SiHC]+ Ay‏ 

صفحه 23:
رشد بلور سیلیسیوم (ادامه) از واکنش ,57707 با گاز هیدروژن :17:6 بسیار خالص بدست می آید که بصورت چندکریستالی (یا پلی سیلیسیم) اسث. ]617 +۳01 251۳05 مد ‎2SiHC]+ 2H,‏ اگرچه میزان ناخالصی 11638 بسیار پایین است» ولی برای استفاده در ساخت مدارهای مجتمع سیلیسیم باید از صورت چند کریستالی به شمش های تک کریستالی تبدیل شود. ‎EGS‏ ‏در فرآیندی موسوم به روش چکرالسکی به شمشهای تک كريستالى ‎Assy Js (Single crystal ingots)‏ 

صفحه 24:
روش چکرالسکی مكاج () كاواه عاو م02 ‎٠‏ 

صفحه 25:
روش چکرالسکی این روش برای رشد سیلیسیم» ژرمانیوم» و پاره ای از نیمه رساناهاى مركب بكار ميرود. رشد سيليسيم تك كريستالى: براى اين منظور لازم است از يك دانه كريستال تى بلورى بعنوان الكو (6]6120212186) براى رشد استفاده شود. در اين فرآيند 7805 در يك ظرف آزمايشكاهى (012101516) گرافیتی که جداره آن به کورانز آغشته شده استء ذوب ميشود (دمای فرآیند برابر با نقطه ذوب سیلیسیم یا 6<08) درجه است. دانه کریستال در داخل ماده ذوب شده قرار داده میشود و به آرامی بالا آورده میشود تا امکان رشد بلور بر روی دانه فراهم شود. بلور عموما به آرامی چرخانده میشود تا سیلیسیم ذوب شده هم زده شود و تغییرات دما بطور متوسط جبران شود. باین ترتیب از جامد شدن ناهمگن سیلیسیم ذوب شده جلوگیری بعمل می آید. 

صفحه 26:
شمش حاصل از روش چکرالسکی ٠ Si Ingot grown by the Czochralski Method 

صفحه 27:
رشد لایه همبافته اپی رشد لایه همبافته اپی (6 0۳01۷ ۳011026101): روشی فراگیردر ساخت قطعات برای رشد یک لایه نازک ‎Gosh‏ بر روی یک پولک (ویفر) ساخته شده از بلوری همساز در اين روش ویفر تشکیل دهنده زیرلایه بعنوان یک دانه کریستالی بکار میرود که بلور جدید بر روی آن رشد داده میشود لایه بلور رشد کننده ساختار و جهت بلوری زیر لایه را حفظ می کند. رشد لایه همبافته اپی در دماهایی بسیار پایین تر از نقطه ذوب بلور زير لایه صورت مى كيرد. روشهاى كوناكونى براى تامين اتمهاى مناسب در سطح لايه در حال رشد وجود دارد. 4s) (vapor phase epitaxy, VPE) ‏اپیتاکسی حالت بخار‎ مرسوم برای رشد لایه های بلوری یک نیمه رسانا برروی یک زیر لایه با استفاده از بخار شیمیایی نیمه رسانای مورد نظر یا ترکیبی از بخارهای شیمیای حاوی نیمه رسانا است. 

صفحه 28:
رشد اپیتاکسیال سیلیسیم هنگامیکه لایه های اپیتاکسیال سیلیسیمی بر روی یک زير لایه سیلیسیمی رشد داده میشوند یک تطابق طبیعی بین شبکه بلوری زیرلایه و لایه همبافته اپی بوجود خواهد آمد و لایه های نک بلوری با کیفیت بالا حاصل خواهد شد. لایه های اپیتاکسیال سیلیسیمی با نشست دادن کنترل شده سیلیسیم بر روی سطح در فرآیند ۷۳4 با استفاده از واکنش نتراکلرید سیلیسیم با گاز هیدروژن صورت میگیرد: SiC] +2H) > Sit 4HCI 

فیزیک الکترونیک مقدمه ای بر فیزیک حالت جامد خواص بلور ،نوارهای انرژی و باربرها در نیمه رساناها جدول تناوبی عناصر(Periodic Table of )Elements انواع نیمه رسانا :تک عنصری ( )Elementalو مرکب یا بین فلزی()compound • مواد نیمه رسانای تک عنصری متعلق به گروه چهارم جدول تناوبی میباشند ( .)Si، Geاکثر نیمه رساناهای مرکب دوتایی از ترکیب عناصر گروه سوم و پنجم و یا گروه دوم و ششم (گروههایی که بصورت متقارن در مجاورت گروه چهارم قرار دارند) حاصل میشوند. مثال :ترکیبهای دوتایی III-V : GaAs، InSb ترکیبهای دوتایی II-VI: ZnS، CdSe • نیمه رساناهای مرکب دوتایی از ترکیب سیلیسیم وسایر عناصر گروه چهارم نیزبدست می آیند مانندSiC : • نیمه رساناهای سه تاییAlGaAs :؛ نیمه رساناهای چهارتایی: ‏InGaAsP جدول تناوبی عناصر طبقه بندی جامدات بر اساس آرایش اتمی • براساس آرایش اتمی جامدات به سه نوع بلوری( ،)crystallineنیمه بلوری( ،)polycrystallineو بی شکل ()amorphousتقسیم میشوند. بی شکل نیمه بلوری (چند کریستالی) • • • • بلوری اتمهای تشکیل دهنده جامدات تک بلوری مانند نیمه رساناها و فلزات دارای آرایش تناوبی می باشند ،بدین معنا که آرایش خاصی از اتمها در تمام جامد تکرار شده و با مشخص شدن تناوب اصلی ساختار بلوری در یک سری نقاط معادل شکلی یکسان دارد. جامدات بی شکل مانند دی اکس:ید سیلیسیم ( )SiO2فاقد ساختار تناوبی هستند. جامدات چند بلوری یا نیمه بلوری مانند polysiliconاز تعداد زیادی ناحیه کوچک تک بلوری تشکیل یافته اند. نیمه رساناهای مورد استفاده در قطعات الکترونیکی انحراف ناچیزی از حالت تناوب دارند که ناشی از افزودن اتمهای ناخالصی (مانند فسفر و بور) به منظور کنترل خواص الکتریکی نیمه رسانا می باشد. شبکه بلوری • بلور ماده جامدی است که در آن موقعیت اتمها دقیقا تناوبی باشد. برای ساختار دو بعدی زیر اتمهای A ، Bو Cمعادل هستند، زیرا برای یک ناظر در هریک از این سه موضع اتمی ،بلور کامال یکسان به نظر میرسد. • بعبارت دیگر بلور تقارن انتقالی یا (translational )symmetryدارد .یعنی اگر بلور بوسیله برداری که هریک از دو اتم (برای مثال )Tرا به یکدیگر متصل میکند انتقال یابد ظاهر ساختار حاصل دقیقا با ظاهر بلور پیش از انتقال یکسان خواهد بود. شبکه های بلوری()Crystal Lattices • • • • • آرایش متناوب اتمی در یک بلور شبکه یا Latticeنامیده میشود. خواص تناوبی شبکه بلوری نه تنها تعیین کننده خواص مکانیکی بلوراست بلکه ،بدلیل وابستگی انرژی مجاز الکترونهای شرکت کننده در فرآیند رسانش به خواص تناوبی ،خواص الکتریکی بلور را نیز مشخص میسازد. شبکه دارای حجمی موسوم به سلول یکه است که نماینده تمام شبکه بوده و بصورت منظم درون بلور تکرار میشود. با استفاده از سلول یکه میتوان کل بلور را تحلیل کرد .برای مثال سلول یکه را میتوان برای تعیین نزدیکترین فاصله بین اتمهای مجاور ،چگالی اتمی شبکه (تعداد اتمهای موجود در واحد حجم سلول یکه) ،و کسری از حجم سلول یکه که توسط اتمها اشغال شده است ،بکار برد. در ساده ترین شبکه های سه بعدی سلول یکه یک حجم مکعبی است .بعد a برای یک سلول یکه مکعبی ثابت شبکه نامیده میشود .ساختار مکعبی ساده، ( simple cubicبه اختصار )scدارای یک اتم در هر گوشه از سلول یکه است .بنابراین ،سلول یکه شامل یک اتم ( )8x1/8میباشد. ساختار مکعبی ساده • تعداد اتمهای موجود در سلول یکه برابر :با یک می باشد. شبکه های بلوری( ادامه) • • • برای شبکه scفاصله بین اتمهای همسایه برابر با ث:ابت شبکه یا aمیباشد .بنابراین چگالی اتمی این شبکه برابر با a3/1میباشد. میتوان بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را با تقریب اتمها به صورت کره های سخت محاسبه کرد .شعاع ای:ن کره ها برای مقدار بیشینه این کسر ب:رابر با نصف فاصله بین نزد:یکترین اتمهای همسایه است .:در این حالت اتمها تا حد ممکن متراکم میشوند ،بطوریکه فضای بی:ن لبه های بیرونی نزدیکترین همسایه ها صفر خواهد بود. بنابراین مقدار این کسر برای شبکه scبرابر است با 4 a ) ( = 1x 0.52حجم سلول یکه(/حجم هر کره Xتعداد کره ها) = 3 2 شبکه مکعبی با وجه aمرکزدار( face-centered cubic ،به اختصار )fccدارای اتمهایی در هریک ازهشت گوشه و در مرکز شش وجه است .ب:نابرای:ن ،سلول یکه شامل چهار اتم میباشد .)8x1/8+6X1/2( :در این شبکه فاصله بین نزدیکترین اتمهای همسایه برابرباa ‏a ) (( )  2 2 ‏ 2 2یا a 2است .بنابراین بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها ب:رابر با 6یا %74 می باشد. شبکه مکعبی بدنه مرکزدار ، bcc ،دارای اتمهایی در هر یک از هشت گوشه و یک اتم اضافی در مرکز مکعب است .بناب:راین ،سلول یکه شامل دو اتم میباشد ( .)8x1/8+1بهمین ترتیب میتوان ن:شان داد که بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه bccتوسط اتمها %68است. 3 • 3 2 • • 2 شبکه های مکعبی بدنه مرکزدار و وجه مرکزدار شبکه های بلوری الماسی • ساختار شبکه پایه اغلب نیمه رساناهای مهم شبکه الماسی است که مشخصه نیمه رساناهای تک عنصری Si ،و ،Geمی باشد. بسیاری از نیمه رساناهای مرکب نیز شبکه الماسی دارند که در آن اتمها بصورت یک در میان متفاوت هستند که دراینصورت شبکه الماسی را شبکه سولفید روی ( )ZnSیا زینک بلند ( )Zincblendeمینامند .شبکه سولفید روی نمونه ترکیبهای III-Vاست. ˆ ˆ ˆ 1 شکلa (i  • شبکه الماسی را میتوان به )j  k یک 4ساختار fccدر نظر گرفت از هر یک از اتمهای که یک اتم اضافی در فاصله تشکیل دهنده fccدارد ،در جاییکه aبرابر با ثابت شبکه است. • این فاصله برابر یک چهارم قطر بدنه ای مکعب است. ساختار شبکه بلوری الماسی • Diomond Lattice Structure شبکه بلوری الماسی :سیلیسیم • شبکه الماسی Siهمانند شبکه fccدارای اتمهایی در هریک ازهشت گوشه و در مرکز شش وجه است .بعالوه این شبکه دارای 4اتم در داخل حجم مکعبی است که در فاصله ای بطول یک چهارم قطر بدنه ای مکعب از هر یک از اتمهای fccقرار دارند. • مثال :اگرثابت شبکه Si 5.43x10-8cmباشد ،چگالی اتمی، چگالی ،و بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را برای Siمحاسبه کنید. • نتیجه کلی :قرار گرفتن اتمهای بلور در صفحه های معین ویژگیهای مکانیکی وشیمیایی آنها را تعیین میکند؛ بلورها را میتوان در راستای صفحات اتمی معینی برش داد تا به سطوح صاف منحصر بفردی ،مانند آنچه در نگین های الماس مشاهده میشود ،دست یافت نیروهای پیوندی در جامدات • کنش متقابل بین الکترونها در اتمهای همسایه یک جامد عامل بسیار مهمی در بهم چسبیدگی بلور است .در شبکه بلوری NaClاین پیوند از نوع یونی است. هر کاتیون Naبر روی شش آنیون Clهمسایه آن نیروی جاذبه الکتروستاتیکی اعمال میکند و بالعکس .این نیروهای کولنی یون ها را در شبکه به سوی یکدیگر کشیده تا اینکه بر اثر نیروهای دافعه حالت تعادل بوجود آید. • در فلزات ،الکترونهای بیرونی (ظرفیت) هر اتم به کل بلور تعلق دارد؛ نیروی پیوندی در جامد ناشی از نیروی کولنی بین یونهای مثبت با پوسته های بسته ( )closed shellو الکترونهای آزاد است .یونهای شبکه در دریایی از الکترونهای آزاد غوطه ور هستند .این نوع پیوند را پیوند فلزی مینامند. • هر اتم در شبکه الماسی توسط چهارنزدیکترین همسایه که هر یک حاوی چهار الکترون در مدار بیرونی است ،احاطه شده است .پیوند بین نزدیکترین اتمهای همسایه از نوع کوواالنسی است .این پیوند بین یک زوج الکترون بوجود می آید و در آن الکترونها یا بطور مساوی به هردو اتم تعلق دارند (سیلیسیم) و یا ابرالکترونی در مجاورت اتمی که از الکترونگاتیوی بیشتری برخوردار است، تراکم بیشتری دارد (اتم Asدر شبکه سولفید روی .)GaAsبرای تامین اصل انحصار پائولی زوج الکترون می بایست دارای اسپین مخالف باشند .یکی از الکترونها میتواند بر اثر برانگیزش گرمایی یا نوری از پیوند خارج شده و برای شرکت در فرآیند رسانش آزاد شود. ساختار نوار انرژی • • • • • • • • مطابق نظریه اتمی در یک اتم مجزا الکترونها به مجموعه ای از ترازهای انرژی گسسته در درون اتم محدود شده اند .شکافهای بزرگی در مقیاس انرژی وجود دارد ( )Energy Gapsکه فاقد هرگونه حالت انرژی هستند. با گرد هم آمدن اتمهای منفرد به منظور تشکیل یک جامد نیروهای جاذبه (بین الکترونهای یک اتم و هسته اتمهای مجاور) و دافعه (بین الکترونهای اتمهای مجاور) در فاصله بین اتمی معینی در بلور به حالت تعادل میرسند. تفاوت اساسی بین الکترون در یک جامد و الکترون در یک اتم مجزا :در جامد الکترون دارای یک گستره یا نوار پیوسته ( )band continuousاز انرژی های قابل دسترس است که توسط یک شکاف انرژی EG از هم جدا شده اند. اگر Nاتم مجزای کربن را در نظر بگیریم تعداد حالتهای انرژی برای ترازهای 2sو 2pبترتیب 2Nو 6Nمیباشد .با نزدیک شدن فاصله بین اتمها به فاصله بین اتمی حالت تعادل الماس حالتهای قابل دسترس برای دو تراز 2sو 2pبه دو نوار پیوسته تقسیم میگردد که توسط یک شکاف انرژی از هم جدا شده اند. نوار باالیی موسوم به نوار هدایت و نوار پایینی موسوم به نوار ظرفیت هریک شامل 4Nحالت میباشند شکاف انرژی به پهنای EGفاقد هرگونه تراز انرژی مجاز برای اشغال توسط الکترونهاست و باین علت این شکاف نوار ممنوعه نیز نامیده میشود. توضیع الکترونها :در پوسته های ظرفیت در اتمهای منفرد اولیه 4Nالکترون ( 2Nدر حاالت 2sو 2Nدر حاالت )2pوجود دارد .این الکترونها باید حالتهای موجود در نوار ظرفیت یا در نوار هدایت بلور را اشغال کنند .در صفر درجه کلوین الکترونها پایین ترین حالت انرژی قابل دسترس ،یعنی همه حالتها درنوار ظرفیت را اشغال میکنند در حالیکه نوار هدایت کامال خالی از الکترونهاست. تولید جفت الکترون-حفره ( ) EHPنیازمند برانگیزش با مقداری برابر با شکاف انرژی EGاست که سبب صعود الکترون به لبه باند هدایت و بجای ماندن یک حفره در باند ظرفیت میشود .انرژی جنبشی این الکترون برابر با صفر میباشد .در دمای اتاق انرژی حرارتی عامل تولید جفت های الکترون-حفره میباشد .همجنین یک ‏EEHPرا دارا میباشد (اندازه گیری نیمه رساناها در پاره قابلیت تولید انرژی فوتونی برابر با ‏ph hc/   EG ای از موارد در تاریکی صورت میگیرد). طبقه بندی جامدات :فلزات ،نیمه رساناها ،و عایقها • • • • • • خواص الکتریکی جامدات بوسیله ساختار نوار انرژی آنها تعیین میشود. جاری شدن جریان در جامدات که ناشی از شتاب یافتن الکترونها در یک میدان الکتریکی است مستلزم در دسترس بودن حالت های انرژی خالی است. بنابراین ،میزان رسانایی جامدات به پهنای شکاف انرژی وابسته است .این وابستگی ناشی از رابطه بین نوارهای انرژی کامال پر و کامال خالی میباشد. در عایقها حتی در دمای اتاق نوار هدایت تقریبا بطور کامل خالی و نوار ظرفیت تقریبا بطور کامل پر است ،زیرا پهنای شکاف انرژی درعایقها (5eV برای الماس) بسیار بزرگتر از نیمه رسانا ها ( 1.12eVدر سیلیسیم) می باشد .درعایقها تعداد باربرهای آزاد بسیار ناچیز بوده که سبب رسانایی ناچیز آنها میشود. در فلزات معموال این دو نوار همپوشانی کرده و فقط بطور نسبی پر می شوند و دریایی از الکترونهای آزاد وجود دارد که سبب رسانایی باالیی است که در فلزات مشاهده میشود در نیمه رساناها میزان اشغال حالتها در هر یک از دو نوار مابین این میزان برای عایقها و نیمه رساناها می باشد .شکاف انرژی نسبتا کوچک در سیلیسیم ذاتی سبب وجود 1.45x1010 EHPدر دمای اتاق در این نیمه رساناست. ساختار باند انرژی و رسانایی نیمه رسانای ذاتی (خالص) • نیمه رسانای ذاتی :یک نیمه رسانای کامل و فاقد هرگونه ناخالصی یا نقائص بلوری؛ دردمای ( 0Kصفر مطلق)هیچگونه باربری در آن وجود ندارد؛ نوار ظرفیت کامال از الکترونها پر و نوار هدایت خالی است؛ در دماهای باالتر، براثر برانگیزش گرمایی Eth  EGالکترونهای نوار ظرفیت به نوار هدایت، EHPتولید میشود. • تولید :EHPبا گسستن هر پیوند کوواالنسی بواسطه برانگیزش گرمایی یک الکترون از اتم مادر جدا شده ،بار مثبتی هم اندازه با بار الکترون بر جا میماند. این بار مثبت ،الکترونی را از اتم مجاور جذب و آن را از اتم مادر جدا میکند. به این ترتیب حفره ناشی از یونش اتم پر میشود ولی حفره دیگری در اتم مجاور ایجاد میشود .حاصل حرکت یک بار مثبت به نام حفره در خالف جهت حرکت الکترون جذب شده در شبکه بلوری سیلیسیم است .بنابراین ،تعداد حفره های آزاد شده در اثر یونش گرمایی با تعداد الکترونهای آزاد شده در این فرآیند برابر است. نیمه رسانای ذاتی شاخص های میلر • قرار گرفتن اتمهای بلور در صفحه های معین ویژگیهای مکانیکی وشیمیایی آنها ر:ا تعیین میکند. • در بررسی بلورها قابلیت مشخص نمودن صفحات و جهات در :شبکه بلوری بسیار مفید است. اهمیت کیفیت ماده اولیه در ساخت مدارهای مجتمع • • • • پیشرفت فن آوری مدارهای مجتمع نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات حالت جامد ،بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است ساخت مدارهای مجتمع امروزی نتیجه موفقیت بزرگی است که در رشد سیلیسیم تک-بلوری خالص در اواسط دهه 1950حاصل شد. نیمه رسانای مورد نیاز برای تولید قطعات ICنه تنها باید بصورت تک بلورهای بزرگی موسوم به پولک ( )waferدر دسترس باشند بلکه خلوص آنها می بایست در محدوده بسیار باریکی قابل کنترل باشد. برای مثال رشد بلورهای سیلیسیم که اکنون در قطعات مورد استفاده قرار می گیرند مستلزم دستیابی به چگالی ناخالصی در گستره ای کمتر از یک قسمت در ده بیلیون ( )5x1012 cm-3است! رشد بلور سیلیسیوم :ماده اولیه برای مدارهای مجتمع • ماده خام اولیه برای بلور سیلیسیم ،دی اکسید سیلیسیم است. • از واکنش (احیاء) دی اکسید سیلیسیم با کربن بصورت کک در کوره قوسی در دمای 1800Cسیلیسیم در رده متالورژیک، MGSحاصل میشود که دارای ناخالصیهایی مانند آهن و آلومینیوم است. ‏SiO2  2C(coke )  Si(MGS)  2CO • از پاالیش بیشتر ،MGSسیلیسیم در رده الکترونیکیEGS ، بصورت تری کلروسیالن ( )SiHCl3با نقطه جوش 32C بدست می آید که جزئی از یک مخلوط است .با استفاده ازتقطیر جزء به جزء از ناخالصیهایی مانند کلراید آهن جدا میشود .سطح ناخالصیها در یک قسمت در بیلیون 1ppbیا 5x1013 cm-3است. ‏Si(MGS)  3HCl SiHCl 3  H2 رشد بلور سیلیسیوم (ادامه) • از واکنش SiHCl3با گاز هیدروژن EGSبسیار خالص بدست می آید که بصورت چندکریستالی (یا پلی سیلیسیم) است. 2SiHCl3  2H2  2Si(EGS, PolySi)  6HCl • اگرچه میزان ناخالصی EGSبسیار پایین است ،ولی برای استفاده در ساخت مدارهای مجتمع سیلیسیم باید از صورت چند کریستالی به شمش های تک کریستالی تبدیل شودEGS . در فرآیندی موسوم به روش چکرالسکی به شمشهای تک کریستالی ( )single crystal ingotsتبدیل میشود. روش چکرالسکی • Czochralski Method روش چکرالسکی • • • • این روش برای رشد سیلیسیم ،ژرمانیوم ،و پاره ای از نیمه رساناهای مرکب بکار میرود. رشد سیلیسیم تک کریستالی :برای این منظور الزم است از یک دانه کریستال تک بلوری بعنوان الگو ( )templateبرای رشد استفاده شود. در این فرآیند EGSدر یک ظرف آزمایشگاهی ()crucible گرافیتی که جداره آن به کوراتز آغشته شده است ،ذوب میشود (دمای فرآیند برابر با نقطه ذوب سیلیسیم یا 1412درجه است. دانه کریستال در داخل ماده ذوب شده قرار داده میشود و به آرامی باال آورده میشود تا امکان رشد بلور بر روی دانه فراهم شود .بلور عموما به آرامی چرخانده میشود تا سیلیسیم ذوب شده هم زده شود و تغییرات دما بطور متوسط جبران شود .باین ترتیب از جامد شدن ناهمگن سیلیسیم ذوب شده جلوگیری بعمل می آید. شمش حاصل از روش چکرالسکی • Si Ingot grown by the Czochralski Method رشد الیه همبافته اپی • • • • • • رشد الیه همبافته اپی ( :)Epitaxial growthروشی فراگیردر ساخت قطعات برای رشد یک الیه نازک بلوری بر روی یک پولک (ویفر) ساخته شده از بلوری همساز در این روش ویفر تشکیل دهنده زیرالیه بعنوان یک دانه کریستالی بکار میرود که بلور جدید بر روی آن رشد داده میشود الیه بلور رشد کننده ساختار و جهت بلوری زیر الیه را حفظ می کند. رشد الیه همبافته اپی در دماهایی بسیار پایین تر از نقطه ذوب بلور زیر الیه صورت می گیرد. روشهای گوناگونی برای تامین اتمهای مناسب در سطح الیه در حال رشد وجود دارد. اپیتاکسی حالت بخار ( )vapor phase epitaxy, VPEروشی مرسوم برای رشد الیه های بلوری یک نیمه رسانا برروی یک زیر الیه با استفاده از بخار شیمیایی نیمه رسانای مورد نظر یا ترکیبی از بخارهای شیمیای حاوی نیمه رسانا است. رشد اپیتاکسیال سیلیسیم • هنگامیکه الیه های اپیتاکسیال سیلیسیمی بر روی یک زیر الیه سیلیسیمی رشد داده میشوند یک تطابق طبیعی بین شبکه بلوری زیرالیه و الیه همبافته اپی بوجود خواهد آمد و الیه های تک بلوری با کیفیت باال حاصل خواهد شد. • الیه های اپیتاکسیال سیلیسیمی با نشست دادن کنترل شده سیلیسیم بر روی سطح در فرآیند VPEبا استفاده از واکنش تتراکلرید سیلیسیم با گاز هیدروژن صورت میگیرد: ‏SiCl4  2H2  Si 4HCl