فیزیک الکترونیک

فیزیک الکترونیک

اسلاید 1: فیزیک الکترونیکمقدمه ای بر فیزیک حالت جامدخواص بلور، نوارهای انرژی و باربرها در نیمه رساناها

اسلاید 2: جدول تناوبی عناصر(Periodic Table of Elements) انواع نیمه رسانا: تک عنصری (Elemental) و مرکب یا بین فلزی(compound)مواد نیمه رسانای تک عنصری متعلق به گروه چهارم جدول تناوبی میباشند (Si، Ge). اکثر 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 مانند: SiCنیمه رساناهای سه تایی: AlGaAs؛ نیمه رساناهای چهارتایی: InGaAsP

اسلاید 3: جدول تناوبی عناصر

اسلاید 4: طبقه بندی جامدات بر اساس آرایش اتمی براساس آرایش اتمی جامدات به سه نوع بلوری(crystalline)، نیمه بلوری(polycrystalline)، و بی شکل (amorphous)تقسیم میشوند.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 (SiO2) فاقد ساختار تناوبی هستند.جامدات چند بلوری یا نیمه بلوری مانند polysilicon 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. بی شکل نیمه بلوری (چند کریستالی)بلوری

اسلاید 5: شبکه بلوریبلور ماده جامدی است که در آن موقعیت اتمها دقیقا تناوبی باشد. برای ساختار دو بعدی زیر اتمهای A ، B و C معادل هستند، زیرا برای یک ناظر در هریک از این سه موضع اتمی، بلور کاملا یکسان به نظر میرسد.بعبارت دیگر بلور تقارن انتقالی یا (translational symmetry) دارد. یعنی اگر بلور بوسیله برداری که هریک از دو اتم (برای مثال T) را به یکدیگر متصل میکند انتقال یابد ظاهر ساختار حاصل دقیقا با ظاهر بلور پیش از انتقال یکسان خواهد بود.

اسلاید 6: شبکه های بلوری(Crystal Lattices)آرایش متناوب اتمی در یک بلور شبکه یا Lattice نامیده 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 cubic (به اختصار sc) دارای یک اتم در هر گوشه از سلول یکه است. بنابراین، سلول یکه شامل یک اتم (8x1/8) میباشد.

اسلاید 7: ساختار مکعبی سادهتعداد اتمهای موجود در سلول یکه برابر با یک می باشد.

اسلاید 8: شبکه های بلوری( ادامه)برای شبکه sc فاصله بین اتمهای همسایه برابر با ثابت شبکه یا a میباشد. بنابراین چگالی اتمی این شبکه برابر با 1/a3 میباشد. میتوان بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را با تقریب اتمها به صورت کره های سخت محاسبه کرد. شعاع این کره ها برای مقدار بیشینه این کسر برابر با نصف فاصله بین نزدیکترین اتمهای همسایه است. در این حالت اتمها تا حد ممکن متراکم میشوند، بطوریکه فضای بین لبه های بیرونی نزدیکترین همسایه ها صفر خواهد بود. بنابراین مقدار این کسر برای شبکهsc برابر است با = =0.52حجم سلول یکه/(حجم هر کره X تعداد کره ها) شبکه مکعبی با وجه مرکزدار، face-centered cubic (به اختصار fcc) دارای اتمهایی در هریک ازهشت گوشه و در مرکز شش وجه است. بنابراین، سلول یکه شامل چهار اتم میباشد (8x1/8+6X1/2). در این شبکه فاصله بین نزدیکترین اتمهای همسایه برابربا یا است. بنابراین بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها برابر با یا 74% می باشد. شبکه مکعبی بدنه مرکزدار، bcc، دارای اتمهایی در هر یک از هشت گوشه و یک اتم اضافی در مرکز مکعب است. بنابراین، سلول یکه شامل دو اتم میباشد (8x1/8+1). بهمین ترتیب میتوان نشان داد که بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه bcc توسط اتمها 68% است.

اسلاید 9: شبکه های مکعبی بدنه مرکزدار و وجه مرکزدار

اسلاید 10: شبکه های بلوری الماسیساختار شبکه پایه اغلب نیمه رساناهای مهم شبکه الماسی است که مشخصه نیمه رساناهای تک عنصری، Si و Ge، 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 (ZnS) یا زینک بلند (Zincblende) مینامند. شبکه سولفید روی نمونه ترکیبهای III-V است.شبکه الماسی را میتوان به شکل یک ساختار fcc در نظر گرفت که یک اتم اضافی در فاصله از هر یک از اتمهای تشکیل دهنده fcc دارد، در جاییکه a برابر با ثابت شبکه است.این فاصله برابر یک چهارم قطر بدنه ای مکعب است.

اسلاید 11: ساختار شبکه بلوری الماسیDiomond Lattice Structure

اسلاید 12: شبکه بلوری الماسی: سیلیسیمشبکه الماسی Si همانند شبکه fcc 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 fcc قرار دارند. مثال: اگرثابت شبکه Si 5.43x10-8cm باشد، چگالی اتمی، چگالی، و بیشترین کسر قابل اشغال از حجم شبکه توسط اتمها را برای Si محاسبه 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

اسلاید 13: نیروهای پیوندی در جامداتکنش متقابل بین الکترونها در اتمهای همسایه یک جامد عامل بسیار مهمی در بهم چسبیدگی بلور است. در شبکه بلوری NaCl این پیوند از نوع یونی است. هر کاتیون Na بر روی شش آنیون Cl همسایه 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 shell) و 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 کووالانسی 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 GaAs). برای 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.

اسلاید 14: 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 Gaps) که 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 continuous) از انرژی های قابل دسترس است که توسط یک شکاف انرژی EG از هم جدا شده اند.اگر N اتم مجزای کربن را در نظر بگیریم تعداد حالتهای انرژی برای ترازهای 2s و 2p بترتیب 2N و 6N میباشد. با نزدیک شدن فاصله بین اتمها به فاصله بین اتمی حالت تعادل الماس حالتهای قابل دسترس برای دو تراز 2s و 2p به دو نوار پیوسته تقسیم میگردد که توسط یک شکاف انرژی از هم جدا شده اند. نوار بالایی موسوم به نوار هدایت و نوار پایینی موسوم به نوار ظرفیت هریک شامل 4N حالت میباشندشکاف انرژی به پهنای EG فاقد 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 4N الکترون (2N در حالات 2s و 2N در حالات 2p) وجود 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 کاملا خالی از الکترونهاست. تولید جفت الکترون-حفره (EHP) نیازمند برانگیزش با مقداری برابر با شکاف انرژی EG است 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 انرژی فوتونی برابر با قابلیت تولید EHP را دارا میباشد (اندازه گیری نیمه رساناها در پاره ای از موارد در تاریکی صورت میگیرد).

اسلاید 15:

اسلاید 16: طبقه بندی جامدات: فلزات، نیمه رساناها، و عایقهاخواص 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 کاملا پر و کاملا 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 (1.12eV در سیلیسیم) می باشد. درعایقها تعداد باربرهای آزاد بسیار ناچیز بوده که سبب رسانایی ناچیز آنها میشود.در فلزات معمولا این 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 میشوددر 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 EHP در دمای اتاق در این نیمه رساناست.

اسلاید 17: ساختار باند انرژی و رسانایی

اسلاید 18: نیمه رسانای ذاتی (خالص)نیمه رسانای ذاتی: یک نیمه رسانای کامل و فاقد هرگونه ناخالصی یا نقائص بلوری؛ دردمای 0K (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 الکترونهای نوار ظرفیت به نوار هدایت، EHP تولید میشود.تولید EHP: 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.

اسلاید 19: نیمه رسانای ذاتی

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

اسلاید 21: اهمیت کیفیت ماده اولیه در ساخت مدارهای مجتمعپیشرفت فن آوری مدارهای مجتمع نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات حالت جامد، بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده استساخت مدارهای مجتمع امروزی نتیجه موفقیت بزرگی است که در رشد سیلیسیم تک-بلوری خالص در اواسط دهه 1950 حاصل شد.نیمه رسانای مورد نیاز برای تولید قطعات IC نه تنها باید بصورت تک بلورهای بزرگی موسوم به پولک (wafer) در 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-3) است!

اسلاید 22: رشد بلور سیلیسیوم: ماده اولیه برای مدارهای مجتمعماده خام اولیه برای بلور سیلیسیم، دی اکسید سیلیسیم است.از واکنش (احیاء) دی اکسید سیلیسیم با کربن بصورت کک در کوره قوسی در دمای 1800C سیلیسیم در رده متالورژیک، MGS حاصل میشود که دارای ناخالصیهایی مانند آهن و آلومینیوم است.از پالایش بیشتر MGS، سیلیسیم در رده الکترونیکی، EGS بصورت تری کلروسیلان (SiHCl3) با 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 1ppb یا 5x1013 cm-3است.

اسلاید 23: رشد بلور سیلیسیوم (ادامه)از واکنش SiHCl3 با گاز هیدروژن EGS بسیار خالص بدست می آید که بصورت چندکریستالی (یا پلی سیلیسیم) است.اگرچه میزان ناخالصی EGS 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 کریستالی (single crystal ingots) تبدیل میشود.

اسلاید 24: روش چکرالسکیCzochralski Method

اسلاید 25: روش چکرالسکیاین روش برای رشد سیلیسیم، ژرمانیوم، و پاره ای از نیمه رساناهای مرکب بکار میرود.رشد سیلیسیم تک کریستالی: برای این منظور لازم است از یک دانه کریستال تک بلوری بعنوان الگو (template) برای رشد استفاده شود. در این فرآیند EGS در یک ظرف آزمایشگاهی (crucible) گرافیتی که جداره آن به کوراتز آغشته شده است، ذوب میشود (دمای فرآیند برابر با نقطه ذوب سیلیسیم یا 1412 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.

اسلاید 26: شمش حاصل از روش چکرالسکیSi Ingot grown by the Czochralski Method

اسلاید 27: رشد لایه همبافته اپیرشد لایه همبافته اپی (Epitaxial growth): روشی فراگیردر ساخت قطعات برای رشد یک لایه نازک بلوری بر روی یک پولک (ویفر) ساخته شده از بلوری همساز در این روش ویفر تشکیل دهنده زیرلایه بعنوان یک دانه کریستالی بکار میرود که بلور جدید بر روی آن رشد داده میشودلایه 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 زیر لایه صورت می گیرد.روشهای گوناگونی برای تامین اتمهای مناسب در سطح لایه در حال رشد وجود دارد. اپیتاکسی حالت بخار (vapor phase epitaxy, VPE) روشی 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.

اسلاید 28: رشد اپیتاکسیال سیلیسیمهنگامیکه لایه های اپیتاکسیال سیلیسیمی بر روی یک زیر لایه سیلیسیمی رشد داده میشوند یک تطابق طبیعی بین شبکه بلوری زیرلایه و لایه همبافته اپی بوجود خواهد آمد و لایه های تک بلوری با کیفیت بالا حاصل خواهد شد.لایه های اپیتاکسیال سیلیسیمی با نشست دادن کنترل شده سیلیسیم بر روی سطح در فرآیند VPE با استفاده از واکنش تتراکلرید سیلیسیم با گاز هیدروژن صورت میگیرد: