User:FatemehEsmaeili82/نیمه هادی با شکاف انرژی گسترده

تنها موادی که دارای بند گپ با فاصله بالا در گروه IV اند، الماس و کاربید سیلیکون (SiC) هستند.

نیمه هادی های مرکب III-V و II-VI زیادی وجود دارد که دارای بندگپ بالا هستند. در خانواده نیمه هادی های III-V، از نیترید آلومینیوم (AlN) برای ساختن LED های فرابنفش با طول موج های کمتر از 200 تا 250 نانومتر ، از نیترید گالیوم (GaN) برای ساخت LED های آبی و دیودهای لیزر استفاده می شود. همچنین نیترید بور (BN) برای LED های آبی پیشنهاد شده است و از آن در این کاربرد استفاده می شود.

باند گپ
 درمواد مکانیک کوانتومی از ماده ای به ماده دیگر متفاوت هست که این مکانیک باعث ایجاد یک سری از سطوح انرژی الکترون یا نوارهای متمایز می شود. هر کدام از این نوارها توانایی این را دارند که تعداد معین و مشخصی الکترون را در خود نگه دارد. اگر اتم الکترون‌های بیشتری داشته باشد، آن‌ها مجبور می‌شوند وارد نوارهای انرژی بالاتر شوند. اگر انرژی خارجی وجود داشته باشد، برخی از الکترون‌های موجود انرژی می‌گیرند و قبل از اینکه آن انرژی را رها کنند و سقوط مجدد به باندهای انرژی داشته باشند، دوباره به سمت باندهای انرژی حرکت می‌کنند. با استفاده مداوم از برخی انرژی های خارجی، همانند انرژی حرارتی موجود در دمای اتاق ، ما به تعادلی خواهیم رسید که در آن جمعیت الکترون هایی که به بالا و پایین باندها حرکت می کنند برابر است.

خواص الکتریکی مواد از ماده ای به ماده دیگر بسیار متفاوت هست و آن هم به دلیل توزیع نوارهای انرژی، و "شکاف باند" بین آنها، هست و از این موارد تاثیر می گیرد. برای نمونه، در دمای اتاق، اکثر فلزات دارای یک سری نوارهای نیمه پر هستند که این نوار ها به الکترون ها این اجازه را می دهد تا با انرژی اعمال شده کمی اضافه یا حذف شوند. وقتی که الکترون‌ها به‌طور محکم در کنار هم قرار می‌گیرند، توانایی این را دارند که به راحتی از اتمی به اتم دیگر حرکت کنند و سبب این شوند که آنها به رسانای عالی تبذیل شوند. در مقایسه، اکثر مواد پلاستیکی دارای سطوح انرژی با فواصل گسترده ای هستند که برای حرکت الکترون ها بین اتم هایشان به انرژی قابل توجهی نیاز دارند و آنها را به عایق های طبیعی تبدیل می کنند. می توان گفت نیمه هادی ها موادی هستند که دارای هر دو نوع باند هستند و در دمای عملیاتی معمولی، تعدادی الکترون در هر دو باند قرار دارند.

در نیمه‌هادی‌ها، اگرمقدار کمی انرژی بیفزاییم، الکترون‌های بیشتری را به نوار رسانایی هل داده می شوند و باعث می‌شود که رسانایی بیشتری داشته باشند و جریان مانند یک رسانا جریان یابد. معکوس کردن قطبیت این انرژی اعمال شده، سبب می شود که الکترون ها را به باندهای جدا شده گسترده تر رانده شوند و آنها را به عایق تبدیل می کند و جریان متوقف می شود. همچنین می توان اشاره کرد که مقدار انرژی مورد نیاز برای فشار دادن الکترون ها بین این دو سطح بسیار ناچیز و کم است، نیمه هادی ها این قابلیت را دارند که با ورود کم انرژی در آنها، فرایند سوئیچینگ رخ دهد. با این حال، این فرآیند سوئیچینگ بستگی به الکترون هایی دارد که به طور طبیعی بین دو حالت توزیع می شوند، در نتیجه می توان گفت که ورودی های کوچک باعث می شوند آمار جمعیت به سرعت تغییر کند. اگر دمای خارجی را تغییر دهیم، به دلیل توزیع ماکسول-بولتزمن ، مشاهده خواهیم کرد که تعداد بیشتری از الکترون‌ها معمولاً در یک حالت یا حالت دیگر قرار می‌گیرند و این سبب می شود که عمل سوئیچینگ به خودی خود یعنی به طور خود به خودی رخ دهد یا به طور کامل متوقف شود.

دو عاملی که با کمک آنها میتوانیم قدرت و طرح بندگپ را پیش بینی کنیم، اندازه اتم ها و تعداد پروتون ها در اتم هست. موادی که دارای اتم‌های کوچک و پیوندهای اتمی قوی با شکاف‌های باند وسیع همراه هستند. با توجه به ترکیبات III-V، می توان گفت که نیتریدها با بزرگترین شکاف نواری و بندگپ همراه هستند. شکاف های باند را می توان با آلیاژسازی مهندسی کرد و طبق قانون وگارد می دانیم که یه رابطه خطی بین ثابت شبکه و ترکیب یک محلول جامد در دمای ثابت وجود دارد. موقعیت حداقل نوار رسانایی در مقابل حداکثرش در ساختار نوار تعیین می کند که آیا یک باند گپ مستقیم یا غیرمستقیم است، جایی که موادی که دارای بند گپ مستقیم هستند نور را به شدت جذب می کنند و ویژگی شکاف های باند غیرمستقیم این است که با شدت کمتری نور را جذب می کنند. به همین ترتیب، مواد باند گپ مستقیم نور را به شدت ساطع می کنند، و در مقایسه با موادی که بندگپ مستقیم دارند، نیمه هادی باندگپ غیرمستقیم ساطع کننده نور ضعیفی هستند، البته می توان مواد ناخالصی که به شدت به نور متصل هستند به نیمه هادی با بندگپ غیر مستقیم اضافه کرد.

خواص نوری
ارتباطی بین طول موج و شکاف باند وجود دارد و آن ارتباط هم این است که انرژی شکاف باند حداقل انرژی مورد نیاز برای برانگیختن یک الکترون به باند رسانش است. اگر بخواهیم یک فوتون بدون کمک این تحریک را ایجاد کند، نیاز هست که حداقل این مقدار انرژی داشته باشد. همچنین در فرآیند مخالف، هنگامی که جفت‌های الکترون-حفره برانگیخته تحت بازآمیزی قرار می‌گیرند، فوتون‌ها با انرژی‌هایی تولید می‌شوند که آنها با بزرگی شکاف نواری تطابق دارد.

شکاف انرژی تعینن کننده دو چیز هست یعنی تعیین کننده طول موجی را که LED ها در آن نور ساطع می کنند و طول موجی که فتوولتائیک ها در آن کارآمدتر عمل می کنند. بنابراین دستگاه‌هایی که دارای شکاف انرژی بزرگ هستند، در طول موج‌های کوتاه‌تر در مقایسه با سایر دستگاه‌های نیمه‌رسانا مفید هستند. فاصله باند برای GaAs 1.4eV، برای نمونه، با طول موج تقریباً 890 نانومتر مطابقت دارد که نور مادون قرمز است (طول موج معادل انرژی نور را می توان با تقسیم ثابت 1240 نانومتر- الکترون ولت تعیین کرد با انرژی در eV، بنابراین nm-eV1240 نانومتر /1.4 eV=886). از آنجایی که بالاترین راندمان از یک سلول فتوولتائیک با لایه‌های تنظیم‌شده برای مناطق مختلف طیف خورشیدی تولید می‌شود، سلول‌های خورشیدی که چند پیوندی و مدرن هستند دارای لایه‌های متعدد با شکاف‌های باند مختلف هستند و نیمه‌رساناهای با شکاف انرژی گسترده جزء کلیدی برای جمع‌آوری بخشی از طیف فراتر از مادون قرمز

اگر بخواهیم از ال ای دی در کاربردهای روشنایی استفاده کنیم، باید توجه داشته باشیم که این استفاده به توسعه نیمه هادی های نیترید با گپ وسیع بستگی دارد.

زمینه خرابی
در اکثر اوقات یونیزاسیون ضربه عاملی هست که به عنوان علت شکست نسبت داده می شود. در نقطه شکست، الکترون های یک نیمه هادی که دارای انرژی جنبشی کافی برای تولید حامل ها در هنگام برخورد با اتم های شبکه همراه هستند.

نیمه هادی هایی که دارای بند گپ بزرگ هستند با ولتاژ شکست بالا همراه هستند. این به دلیل میدان الکتریکی بزرگتر مورد نیاز برای تولید حامل ها از طریق ضربه است.

در میدان های الکتریکی بالا، سرعت رانش به دلیل پراکندگی از فونون های نوری اشباع می شود. انرژی فونون نوری بالاتر منجر به فونون‌های نوری کمتری در دمای خاص می‌شود و بنابراین مراکز پراکندگی کمتری وجود دارد و الکترون‌ها در نیمه‌هادی‌هایی که دارای شکاف انرژِ بزرگی هستند، توانایی این را دارند که به حداکثر سرعت بالایی دست یابند.

سرعت رانش در یک میدان الکتریکی متوسط به بالاترین مقدار خود می رسد و این سرعت رانش در میدان های بالاتر افت کوچکی را تجربه خواهد کرد. پراکندگی بین دره ای یکی از مکانیسم پراکندگی اضافی در میدان های الکتریکی بزرگ است و دلیل آن را می توان اینگونه بیان کرد که جابجایی حامل ها از پایین ترین دره نوار رسانایی به دره های بالایی رخ می دهد، یعنی جایی که انحنای باند پایین باعث افزایش جرم موثر الکترون ها و کاهش تحرک الکترون می شود. . کم شدن سرعت رانش در میدان‌های الکتریکی بالا به دلیل پراکندگی بین دره در مقایسه با سرعت اشباع بالا که از پراکندگی فونون نوری با مقدار کم ناشی می‌شود، مقدار کمی است. در نتیجه سرعت اشباع کلی بالاتری وجود دارد.

خواص حرارتی
سیلیکون و سایر مواد متداول دارای شکاف باندی در حد 1 تا 1.5 الکترون ولت هستند، و به سبب این، می توان چنین دستگاه های نیمه هادی را با ولتاژهای نسبتاً پایین کنترل کرد. با این وجود، ممکن هست در عملکرد صحیح آنها به دلیل اینکه آنها به راحتی توسط انرژی حرارتی فعال می شوند، اختلالاتی به وجود آید. این امر دستگاه های مبتنی بر سیلیکون را به دمای عملیاتی زیر حدود 100 درجه سانتی گراد محدود می کند، فراتر از آن، فعال شدن حرارتی کنترل نشده دستگاهها، عملکرد صحیح آنها را دشوار می کند. موادی که دارای بند گپ بزرگ هستند معمولاً دارای شکاف‌های بین ۲ تا ۴ الکترون وولت هستند، به آنها اجازه می دهد تا در دماهای بسیار بالاتر در حد 300 درجه سانتی گراد کار کنند. به همین دلیل هست که از آنها در کاربردهای نظامی بسیار استفاده می شود و استفاده آنها در این کاربرد جذاب هست.

برخی از خواص مربوط به پیوند در مواد با بند گپ برگ هستند همانند دماهای ذوب، ضرایب انبساط حرارتی و هدایت حرارتی که می توان آنها را به عنوان خواص ثانویه ای در نظر گرفت که در پردازش ضروری هستند.در نتیجه وجود پیوندهای قوی، دمای ذوب بالاتر و ضرایب انبساط حرارتی کمتر خواهد بود. دمای بالای دبای منجر به هدایت حرارتی بالا می شود. با چنین خواص حرارتی، گرما به راحتی حذف می شود.

برنامه های کاربردی با قدرت بالا
یک ویژگی بسیار مفید و خوب نیمه هادی هایی که دارای بند گپ بزرگ هستند، ولتاژ شکست زیاد آنها هست که در کاربردهای پرقدرت که به میدان های الکتریکی بزرگ نیاز دارند، مورد توجه قرار می گیرد.

برای کاربردهای توان بالا و دمای بالا دستگاه های موجود را توسعه داده ایم. برای چنین کاربرد هایی ما میتوانیم از هم نیترید گالیوم و هم کاربید سیلیکون استفاده کنیم که مواد مقاومی هستند و برای این کاربردها مناسب هستند. طبق پیش بینی ها این انتظار را داریم که با توجه به استحکام و سهولت ساخت،نیمه هادی های کاربید سیلیکون به طور گسترده و وسیع مورد استفاده قرار گیرند، و سبب ایجاد شارژ ساده تر و بازده بالاتری را برای وسایل نقلیه هیبریدی و تمام الکتریکی شوند، کاهش اتلاف انرژی، ساخت مبدل های انرژی خورشیدی و بادی با ماندگاری بیشتری داشته باشند و حذف شوند. ترانسفورماتورهای پست شبکه بزرگ نیترید بور مکعبی نیز استفاده می شود. &#x5B; نیاز به منبع  &#x5D; اکثر این موارد برای کاربردهای تخصصی استفاده می شوند از جمله کاربرد آنها در در برنامه های فضایی و سیستم های نظامی. البته این نکته قابل ذکر هست که آنها شروع به جابجایی سیلیکون از جایگاه پیشرو آن در بازار نیمه هادی های قدرت عمومی نکرده اند.

دیودهای ساطع کننده نور
در اکثر اوقات ما از ال ای دی های سفید با ویژگی های روشنایی بیشتر و طول عمر بیشتر به عنوان جایگزین مناسبی برای لامپ های رشته ای استفاده می کنیم. نسل بعدی پخش کننده های DVD (فرمت های Blu-ray و HD DVD ) از لیزرهای بنفش مبتنی بر GaN استفاده می کنند.

مبدل ها
اگر اثرات پیزوالکتریک بزرگ باشد به ما این اجازه را می دهد تا از مواد با شکاف گسترده به عنوان مبدل استفاده شود.

ترانزیستور با تحرک الکترونی بالا
یکی از ویژگی های GaN این است که با سرعت بسیار بالا از پدیده چگالی شارژ رابط بالا استفاده می کند.

با در نظر گرفتن هزینه ها، نیترید آلومینیوم تاکنون بیشتر در کاربردهای نظامی استفاده می شود.

نیمه هادی های مهم با فاصله باند گسترده

 * نیترید آلومینیوم
 * نیترید بور ، h-BN و c-BN می توانند UV-LED را تشکیل دهند.
 * الماس
 * نیترید گالیم
 * کاربید سیلیکون
 * دی اکسید سیلیکون

همچنین ببینید

 * شکاف باند
 * شکاف باند مستقیم و غیر مستقیم
 * نیمه هادی (مواد)
 * دستگاه نیمه هادی
 * فهرست مواد نیمه هادی