تحقیق در مورد سيليسيوم

-1- مواد نيم رسانا

جريان الكتريكي در فلز از حركت بارهاي منفي (الكترونها) و در نيم رساناها از حركت بارهاي منفي (الكترونها) و بارهاي مثبت (حفره ها) ناشي مي شود. مواد نيم رسانا اعم از سيليسيوم و ژرمانيوم مي توانند بوسيله اتم هاي ناخالص چنان آلائيده شوند كه جريان الكتريكي عمدتاً از الكترونها يا حفره ها شود. نيم رساناها گروهي از مواد هستند كه رسانايي الكتريكي آنها بين فلزات و عايق ها قرار دارد. بلور كامل و خالص اغلب نيمه رساناها در صفر مطلق عايق است. ويژگيهاي متخصه نيم رساناها اين است كه رسانايي آنها با تغيير دما، برانگيزش نوري و ميزان ناخالص به نحو قابل ملاحظه اي تغيير مي كند. اين قابليت تغيير خواص الكتريكي، مواد نيمه رسانا را انتخاب مناسبي براي تحقيق در زمينه قطعات الكترونيكي ساخته است. نيم رساناها رساناهاي الكترونيكي هستند كه مقاومت ويژه آنها در دماي اطاق عموماً در گستره^2-10 تا ⁹ 10 واقع است. اين گستره در بين مقادير مقاومت ويژه رساناهاي خوب ^6-10 و عايقها ¹⁴ 10 تا ²² 10 قرار دارد ]1[ و ]2[

مقاومت ويژه نيم رساناها مي تواند قوياً به دما وابسته باشد، وسايلي از قبيل، ترانزيستورها، يكسوسازها، مدوله كننده ها، آشكارسازها، ترميستورها و فوتوسلها براساس ويژگيهاي نيم رساناها كار مي كنند. رسانندگي يك نيم رساناها بطور كلي نسبت به دما، روشنايي، ميدان مغناطيسي، مقدار دقيق ناخالصي اتم ها حساسيت دارد. مطالعه مواد نيم رسانا در اوايل قرن نوزدهم شروع شده در طول سالها نيم رساناهاي فراواني مورد مطالعه قرار گرفته اند.

جدول 1 قسمتي از جدول تناوبي مربوط به نيمه رساناها را نشان مي دهد. نيم رساناهاي عنصري يعني آنهايي كه از نمونه هاي منفرد اتم ها تشكيل مي شوند، نظير سيليسيوم (Si) و ژرمانيوم (Ge) را مي توان در ستون IV پيدا نمود. مع ذلك، نيم رساناهاي مركب بيشماري از دو يا تعداد بيشتري عنصر تشكيل مي گردند. براي مثال گاليوم آرسنيد (GaAs) يك تركيب III-V است كه تركيبي از گاليوم از ستون III و آرستيك (As) از ستون V مي باشد. در جدول 2 ليست بعضي از نيم رساناهاي عنصري و مركب ارائه شده است. ]1[

جدول 1- قسمتي از جدول تناوبي مربوط به نيم رسانه ها

جدول 2- نيمه رساناي عنصري و مركب

نيم رساناهاي بسيار خاص از خود رسانندگي ذاتي نشان مي دهند كه از رسانندگي ناخالصي در نمونه هاي با خلوص كمتر متمايز است.

در گستره دماي ذاتي ويژگيهاي الكتريكي نيم رسانا در اثر ناخالصي هاي بلور اساساً تغيير نمي كند. يك طرح نواري الكتروني كه به رسانندگي ذاتي منجر مي شود.

شكل 1-1- طرح نواري براي رسانندگي ذاتي در نيم رسانا. در صفر كلوين رسانندگي صفر است، زيرا تمام حالتهاي نوار ظرفيت پر و تمام حالتهاي نوار رسانش خالي اند. با افزايش دما الكترونها بطور گرمايي از نوار ظرفيت به نوار رسانش برانگيخته و در آنها متحرك مي شوند.

نوار رسانش در صفر مطلق خالي است و به اندازه گاف انرژياز نوار ظرفيت فاصله دارد. گاف نواري اختلاف انرژي بين پائين ترين نقطه نوار رسانش و بالاترين نقطه نوار ظرفيت است. پائين ترين نقطه نوار رسانش را لبة نوار رسانش مي نامند. بالاترين نقطه در نوار ظرفيت به لبه نوار ظرفيت موسوم است.

با افزايش دما، الكترونها به گونه گرمايي از نوار ظرفيت به نوار رسانش برانگيخته مي‌شوند (شكل 2-1). هم الكترونهاي نوار رسانش و هم اربيتالهاي خالي يا حفره هاي به جا مانده در نوار ظرفيت، در رسانندگي الكتريكي شركت مي كنند. ]2[

 (ب) سيليسيوم، در شرايط ذاتي تراكم حفره ها با تراكم الكترونها برابر است. در يك دماي مفروض تراكم ذاتي در Ge بيشتر از Si است، زيرا گاف انرژي ذر (ev67/0) باريكتر از (ev12/1) Si است.

1-2- سيليسيوم

در اوايل دهه 1950 ژرمانيوم مهمترين ماده نيمه رسانا بود مع ذلك ثابت شد كه ژرمانيوم براي بسياري از كاربردها مناسب نمي باشد. زيرا قطعات ژرمانيوم حتي در دماهايي كه بطور معتدل بالا مي روند نشت جريان بالايي را نشان مي دهند به علاوه اكسيد ژرمانيوم در آب قابل حل است و براي ساخت قطعات مناسب نيست، از اوايل دهه 1960 به بعد سيليسيوم به يك جانشين عملي تبديل شده است و اينك واقعاً ژرمانيوم را به عنوان يك ماده براي ساخت نيمه هادي از ميدان خارج كرده است.

دليل عمده استفاده از سيليسيوم اين است كه قطعات سيليسيومي جريان نشت كمتري را نشان مي دهند و اكسيد سيليسيوم با كيفيت بالا را مي توان به طور گرمايي رشد داد و از طرف ديگر قطعات سيليسيوم اصلاح شده خيلي ارزانتر از مواد نيم رساناي ديگر هستند. سيليسيوم به شكل سيليكا و سيليكاتها 25% پوسته زمين را تشكيل مي دهد، و سيليسيوم بعد از اكسيژن از نظر فراواني دومين ماده است و در حال حاضر، سيليسيوم يكي از آن عناصر جدول تناوبي است كه به مقدار خيلي زياد مورد مطالعه واقع شده است،و تكنولوژي سيليسيوم تا كنون دربين تمام تكنولوژيهاي نيم رسانايي پيشرفته‌ترين مي باشد.

بسياري از نيم رساناهاي مركب داراي خواص الكتريكي و اپتيكي هستند كه سيليسيوم فاقد آن هاست. اين نيم رساناها بويژه گاليوم آرسنيد بطور عمده براي كاربردهاي موج ريز و نوري مورد استفاده قرار مي گيرند. اگرچه ما آنقدر كه درباره تكنولوژي سيليسيوم مي دانيم دربارة تكنولوژي نيم رساناهاي مركب نمي دانيم، بخشي از تكنولوژي نيم رساناهاي مركب بخاطر پيشرفت در تكنولوژي سيليسيوم رشد كرده است.