S.Asokan

فصل دوم
بررسی مصداقی مدل الکتروگرمایی در پدیده کلیدزنی و اثرات میدان الکتریکی قوی بر رسانش نیمرساناهای آمورف (معرفی اثر پول-فرنکل و پدیده کلیدزنی)
۲-۱ ) مقدمه
با مطالعه رسانندگی الکتریکی هر محیط اطلاعاتی از فرایندهای انتقال حامل های بار به دست می آید؛ این رسانش می تواند ناشی از عوامل زیر باشد[۴۱و۴۲]:
حرکت حاملهای آزاد (الکترونها) در نوار رسانش
حرکت حاملهای آزاد (حفره ها) در نوار ظرفیت
توسط حرکت حاملهای نیمه جایگزیده به عنوان جهش حاملهای مقید بین حالات جایگزیده در دی الکتریکها
توسط پلارونها یا یونها.
حرکت حاملها در نوار ظرفیت و رسانش نیازمند انرژی فعال سازی[۶۴] است تا یک حامل بار بتواند به نوار مورد نظر برانگیزش انجام دهد که این انرژی بطور گرمایی و یا توسط حاملهای آزاد دیگری که از میدان الکتریکی انرژی بالایی را کسب کرده اند - فرایند بهمنی[۶۵]- تأمین می شود. انرژی فعال سازی، ممکن است همانند اثر پول – فرنکل[۶۶] به وسیله میدان الکتریکی تأمین شود.
فرایند سوم نیازمند انرژی جهشی[۶۷] است. که این فرایند نیازمند انرژی کمتری نسبت به انرژی فعال سازی به نوار آزاد می باشد . انرژی جهشی در حد بالای چگالی مراکز جایگزیده به سمت صفر میل می کند[۴۲]. این فرایند در مورد جامدات به شدت بی نظم مانند آمورف ها، صدق می کند.
برای کارتجربی و تحلیل نظری، معمولاً از وضعیت میدان ضعیف[۶۸] شروع می کنیم. هنگام بحث در مورد یک سیستم از حاملهای آزاد، از قبیل یک نیمرسانا یا فلز، روابطی برای تحرک حامل ها و رسانندگی آنها در میدان ضعیف ارائه می شود که بکار بردن میدان الکتریکی بالا روی این موارد اثر می گذارد[۴۱].
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

افزایش کاربرد لایه‏های نازک و ضخیم از دی‏الکتریکها و نیمرساناهای آمورف[۶۹] یا به شدت بی نظم، همچنین کشف پدیده کلید زنی بین حالات با مقاومتهای بالا و پایین در بسیاری از مواد آمورف، ما را به مطالعه در زمینه اثرات میدانهای الکتریکی بالا وامی‏دارد. در ادامه فصل به مطالعه این اثرات خواهیم پرداخت.
۲-۲) پدیده های میدان قوی
در زمینه جامدات با تحرک پایین، ممکن است چهار گروه از پدیده‏هایی را که در حضور میدانهای الکتریکی قوی در سیستم رخ می دهند متمایز کنیم[۴۱]:
الف) اثرات القایی اتصال[۷۰]، از جمله اثرات القایی می توان تزریق حاملها، اثرات سد پتانسیل و تونل زنی از سد را نام برد.
ب) اثرات صرفاًَ گرمایی، که این اثرات نیز ناشی از گرمای ژول در نمونه مورد بررسی است.
ج) اثرات حجمی[۷۱] ، که به خاطر افزایش رسانندگی در اثر میدانهای الکتریکی قوی اتفاق می افتد.
د) اثرات حجمی غیر عادی[۷۲] که منجر به رسانش فیلمانی می شود که این رسانش ممکن است همراه یا بدون اثرات گرمایی و تغییر ساختار و کلید زنی باشد.
۲-۳) سرعت رانشی حامل ­ها در میدان ­های الکتریکی قوی
در میدان­های پایین برای نیمرساناهای بلوری ، سرعت رانشی سوق، رابطه­ خطی به صورت، با میدان الکتریکی دارد که در آن ، تحرک حامل می­باشد همچنین برای میدان­های بالا، این رابطه­ خطی دیگر برقرار نیست و هر چه این میدان بیشتر افزایش یابد، سرعت سوق آرام تر افزایش یافته و نتایجی که در موردGaAs ، Si و Ge به دست آمده است نشانگر این است که جدای از تحرک دیفرانسیلی منفی که در GaAs، دیده می­ شود، سرعت سوق در میدان­های بالا تمایل به اشباع دارد.
میدان الکتریکی بالا در نیمرساناهای بلوری به دو اثر منجرمی‏شود، یکی یونش برخوردی[۷۳] و دیگری تونل­زنی از سد پتانسیل می­باشد. که در یونش برخوردی، انرژی ای که توسط حامل بار از میدان الکتریکی کسب می شود، صرف تولید جفت­های الکترون- حفره می­ شود در صورتیکه در تونل­زنی مسافتی که الکترون باید برای رسیدن به نوار رسانش طی کند، کاهش می­یابد.
در تونل­زنی بدلیل اینکه فرایند یک الکترون را شامل می­ شود، انرژی جنبشی برای آن دارای بقا است اما این مطلب در مورد الکترون فرودی در فرایند یونش برخوردی صحیح نیست. در فرآیندهای یونش برخوردی و تونل­زنی کمیت­هایی که برای ما مهم هستند نرخ تولید جفت­های الکترون- حفره و احتمال تونل­زنی است. تعداد جفت­های الکترون- حفره تولید شده بر واحد مسافت طی شده توسط یک حامل پر انرژی را ضریب یونش[۷۴] Me، می­نامیم و پدیده­ یونش برخوردی که در واقع پدیده­ تکثیر حامل[۷۵] است که در حد Me → ∞ می تواند به ریزش بهمنی[۷۶] منجر شود.
با این توضیحات میدان الکتریکی بالا در جامدات آمورف نیز با توجّه به آنچه که به آن اشاره خواهد شد رسانش و در واقع تحرک حامل­ها را افزایش خواهد داد [۴].
۲-۴) اثرات حجمی میدان قوی
مبحث اثرات حجمی میدان قوی را می توان با مروری بر انواع ترازهای جایگزیده محتمل­الوجود در نوار ممنوعه­ی جسم جامد آمورف دنبال کرد. ترازهای جایگزیده در نیمرساناهای بی‏نظم (بی نظمی جایگزینی) بصورت پیکهایی در نوار ممنوعه می باشند و الکترونهای اشغال کننده این ترازها آزاد نیستند.
در این حالت دو تراز را می توان نام برد یک نمونه از این ترازها وقتی که سرشار از الکترون است، تراز مرکز خنثی[۷۷] است و وقتی الکترون از دست بدهد دارای بار مثبت می شود. این حالت بطور نمادی به صورت رابطه زیر نمایش داده می شود [۴۳,۴۴]:
(۲-۱)
در این وضعیت، حالت خنثی را با و حالت یونیزه را با نشان داده ایم که این مرکز بطور کلی دهنده[۷۸] نامیده می شود. انرژی فعال سازی حاملها به نوار رسانش را در این نوع تراز با εd نمایش می دهیم که همیشه کوچکتر از عرض نوار ممنوعه εg است.
یک تراز انرژی دهنده در نوار ممنوعه وقتی ایجاد می شود که توسط نقص محلی که این تراز انرژی در شبکه تولید میکند به سیستم الکترون وارد شود. که از طریق جایگزینی اتمی که ظرفیت بالاتری نسبت به اتمهای سیستم دارد، از قبیل فسفر در سیلیکان ایجاد می شود.
نوع دوم این تراز ها، یک تراز مرکز خنثی است وقتی کمبود الکترون داشته و وقتی توسط الکترون اشغال می شود دارای بار منفی می­ شود. و به صورت رابطه­ زیر نشان داده می­ شود:
(۲-۲)
که و به ترتیب حالت­های خنثی و غنی از الکترون را نمایش می­دهد که این مرکز را به عنوان تله[۷۹] می­شناسیم. تراز تله وقتی نقص محلی که این تراز انرژی در شبکه به وجود می آورد، هیچ الکترون اضافی در سیستم بر جای نگذارد.
اختلاف اساسی بین مراکز دهنده و تله از طبیعت نیروهای بستگی الکترون به مرکز ناشی می شود که این نیروی بستگی در یک مرکز دهنده نیروی کولمبی است که نسبتاً بلند برد می باشد در صورتی که در مورد تله، نیرو غیر کولمبی و کوتاه برد است. یک جامد آمورف ممکن است توزیع گسترده ای از هر دو مرکز را داشته باشد[۴۱].
در شکل (۲-۱) چنین توزیعی نشان داده شده است که در آن مراکز دهنده با مربع و تله ها با دایره نشان داده شده اند و اشکال سایه دار شده مراکز پر را نشان می دهند.
شکل۲-۱) گذارهای الکترونیک در جامدات آمورف [۴۱[.
هر گاه گذارها شامل کمترین تغییر در انرژی باشند، مناسبترین و مساعدترین گذارها هستند. برای انتقال حامل در میدان ضعیف، همه گذارهای نشان داده شده در جریان شرکت کرده و نمیتوان تله ها و مراکز دهنده را از هم جدا و متمایز کرد.اما در میدان‏های بالا تله ها و مراکز دهنده را میتوان از هم متمایز کرد.
پس بطور کلی گذارهای الکترونیکی در جامدات آمورف بصورت زیرند:

  • i) → + ii) → conduction band → +

iii) → O iv) - → O v) - →+
همه این گذارها به عنوان جهش حامل بین مراکز جایگزیده توصیف می شوند بجز حالت (ii) که گذار از طریق نوار آزاد صورت می گیرد. بطور کلی سه حالت زیر را می توان متمایز کرد:

  • i) Donor – Donor Hopping
  • ii) Trap – Trap Hopping
موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...