Semiconductors The Eleventh Lecture

1. أشباه موصلاتالمحاضرة الحادي عشر SemiconductorsThe Eleventh Lecture الثلاثاء 15/ 6/ 1435 ھ الاولى والثانية أ / سمر السلمي

2. Outline for today • انتشار والتحام الالكترونات والثقوب الموجية • الانتشار • القياس باستخدام الانتشار • الانتشار في اشباه الموصلات • حساب كثافة الانتشار في اشباه الموصلات • كثافة الكلية في اشباه الموصلات • علاقة اينشتين • الالتئام والتوليد • انواع الالتئام • انواع التوليد

3. الواجب الثاني • وضعت الواجب في موقعي و سوف يكون اخر موعد لتسليم الواجب يوم 22 / 6 / 1435 هـ في موعد المحاضرة ولن اقبل بأي تأخير بالنشاط لجميع الطالبات • واخر موعد لتسليم النشاط لجميع الطالبات يوم 22/ 6 / 1435 هـ للنشاطات الفردية لن اقبل بايتاخير • تذكير بموعد الاختبار الدوري الثاني • سوف يكون ان شاء الله يوم 7/7/ 1435 هـ

4. انتشار والتحام الالكترونات والثقوب الموجية • Diffusion and recombination of electrons and positive holes • الانتشار(diffusion): • الانتشار: هو هجرة الحوامل من التركيز الاكثر الىالتركيزالاقل • فهنا الانتشار يعتمد على التركيزات • يعتمد هنا الانتشار على الحركة العشوائية (الحركة او السرعة الحرارية) او بالأصح سبب الانتشار هو الحركة الحرارية بين الجسيمات • مثال من الكتاب صفحة 115 الى 117 (العطر – الغرف الاربعة في بعد واحد) • صفحة 118 خوارزمية لتصوير عملية الانتشار محذوف =

5. القياس باستخدام الانتشار (Diffusion Measurement) القياس بمجس النقطة الساخنة Hot-point probe measurement يستخدم لتحديد المادة من النوع n-type أو p-type يعمل المجس الساخن على توليد حوامل نشطة بسبب ارتفاع درجة حرارتها في n-type تكون الكترونات وفي p-type تكون ثقوب وتكون في الحاليتين الحوامل تركيزها عالى عند النقطة الساخنة مما يؤدي الى ظاهرة الانتشار ويسبب نقصا للشحنة عند المجس الساخن =

6. الانتشار في اشباه الموصلات (Diffusion in semiconductor) • حركة الالكترونات والثقوب حركة في 3-D ثلاثة ابعاد • حركة الانتشار حركة متصلة زمنياً ومكانياً • الحوامل تهاجر هجرة جماعية من مناطق التركيز العالي الى مناطق التركيز المنخفض • الالكترونات والثقوب تكون مشحونة كهربياً • رياضيا • انتشار الحوامل تعتمد على انحدار • تركيزات الحوامل • نفترض ان n(x) تركيز الالكترونات • عند زمن t • وهنا نستطيع تقسيم x الى اجزاء • صغيرة او مستطيلات صغيرة • عرض هو l (متوسط المسار الحر • بين تصادمين) • τهو زمن الترخي او • متوسط الزمن الحر =

7. حساب كثافة الانتشار في اشباه الموصلات • Calculation Diffusion current in semiconductor • في البداية نحسب كثافة الفيض الالكتروني (electron flux density)وهو معدل او نسبة الالكترونات التي تجاوز Xo على وحدة الزمن على وحدة المساحة من اليسار الى اليمين والتي تتألف من الالكترونات القادمة من منطقة اليسار و الالكترونات القادمة من منطقة اليمين • بالتعويض واخذ النهاية لـ Δx • بحيث هو معامل الانتشار =

8. حساب كثافة الانتشار في اشباه الموصلات • Calculation Diffusion current in semiconductor • كثافة فيض الالكترونات والثقوب تعطي بالعلاقتين التاليتين • ونلاحظ الاشارة السالبة بسبب اتجاه الانحدار عكس اتجاه الفيض • وهذا العلاقات تعبر قانون فيك Fick law • والآن كثافة تيار الانتشار هو مضروب كثافة الفيض بشحنة الحوامل =

9. كثافة الكلية في اشباه الموصلات • total currents in semiconductor • كثافة تيار الكلي هو كثافة الانسياق وكثافة الانتشار للالكترونات والثقوب • بينما التيار الكلي المار في شبة موصل =

10. كثافة الكلية في اشباه الموصلات • total currents in semiconductor = Hole drift current Electron drift current

11. علاقة اينشتين(Einstein relation) • نأخذ شبه موصل غير منتظم الاشابة في حالة الاتزان • مثال n-typeالاشابةND تعتبر كدالة في x • وايضا من الفصل السابق تعلمنا ان مستوي • فيرمي يقترب من شريط التوصيل بزيادة الاشابه • ولكن مستوي فيرمي ثابتا أي يرسم بخط مستقيم في حالة الاتزان • بالتالي لابد ان مخطط انثناء بالنطاق ليحقق ان • يتناقص مع تزايد تركيز المانحات =

12. علاقة اينشتين(Einstein relation) • في حالة الاتزان يعني ان التيار الكلي يساوي صفر •  • تيار الانسياق يساوي في المقدار ويعاكس في الاتجاه للتيار الانتشار • ايضا في السابق عرفنا ان المجال الكهربي يساوي وايضا • وبالتالي • ولتبسيط الامر نفترض الحركة او الانتشار في بعد واحد x وبالتعويض في • <= <= =

13. علاقة اينشتين(Einstein relation) • في حالة الاتزان يعني ان التيار الكلي يساوي صفر •  • تيار الانسياق يساوي في المقدار وفي الاتجاه للتيار الانتشار • ايضا في السابق عرفنا ان المجال الكهربي يساوي وايضا • وبالتالي • ولتبسيط الامر نفترض الحركة او الانتشار في بعد واحد x وبالتعويض في • <= <= =

14. انتشار والتحام الالكترونات والثقوب الموجية • Diffusion and recombination of electrons and positive holes • الالتئام – التوليد (recombination - generation): • الالتئام: هي العملية التي بموجبها يتقابل إلكترون • مع الثقب ويصيران الى فناء أو زوال مع انطلاق • طاقة • التوليد: هي العملية التي تؤدى الى خلق زوج • إلكترون – ثقب بعد امتصاص طاقة =

15. أنواع الالتئام (recombination types): • 1- التئام من نطاق الى نطاق band to band recombination • هو أبسط أنواع الالتحام أو الالتئام (ويعبر عن هذا النوع بالتحام المباشر) • يحدث عندما تقع إلكترون في شريط التوصيل مباشرة فوق ثقب في • شريط التكافؤ بحيث يلتحم الالكترون بالثقب وينفي أو يخرج على شكل • طاقة ضوئية أي فوتونPhoton وهي كمه من الضوء • 2- التئام عند مركز التئام R-GR-G center recombination • يحدث عند وجود مراكز التئام R-G عند مستوي طاقة ET والتي تقع • قريب من منتصف شريط الفجوة (وهو ناتج من عيوب الشبيكة أو ذرات • شوائب خاصة) تتم أما أن يمكث نوع من الحاملات عند مراكز الالتئام • بانتظار التحامه مع الحامل من النوع الاخر لفناء أو عند انتقال الالكترون • الى مركز التئام ومن ثم انتقاله الى شريط التكافؤ لالتحامه مع الثقب • ويخرج طاقة حرارية هنا على شكل فونونPhonon وهي طاقة حرارية • ناتج عن اهتزازات الشبيكة (ويعبر عن هذا النوع بالتحام الغير مباشر) =

16. أنواع الالتئام (recombination types): • 4- التئام عبر مستويات الضحلة Recombination via Shallow Levels • وهو مثل ما يحصل على عند مراكز التئام R-G ولكن الفرق في • الشوائب والتي تحدث المستوي المتقبلة او المستوي المانحة او • كليهما معا فعند انتقال الالكترون من شريط التوصيل الى • المستوي المتقبلة او المستوي المانحة ومن ثم انتقاله الى شريط • التكافؤ لالتحامه مع الثقب ويخرج أشعاع مثل الفوتون • 5- التئام بإشراك الإكسيتونRecombination Involving Excitons • وهو مثل ما يحصل على عند مراكز التئام R-G ولكن الفرق في • الشوائب والتي تحدث المستوي المتقبلة او المستوي المانحة او • كليهما معا فيحدث بأن يمكث نوع من الحاملات عند المستوي • المتقبلة او المستوي المانحة بانتظار التحامه مع الحامل من النوع • الاخر ليشكل الاكسيتون وهو زوج من الكترون - ثقب =

17. أنواع الالتئام (recombination types): • 5- التئام أوجيه Auger recombination • يحدث بالتئام نطاق الى نطاق او التئام عن طريق مراكز الالتئام R-G. ولكن لا يخرج طاقة ضوء (فوتون) • عندما ينفي زوج الالكترون – الثقب وانما تذهب الطاقة الى الكترون اخر قريب من عملية الالتئام ليكسبه طاقة حركية لفترة زمنية قصيرة 10-12 s بعد يفقد هذه الطاقة للشبيكة على هيئة اهتزازات ( فونونات) وهنا يعبر بالسلم النازل ومايسمي بالإحرارthermlization =

18. أنواعالتوليد (generation types): • 1- توليد من نطاق الى نطاق band to band generation • وهو عكس عملية الالتئام من نطاق الى نطاق حيث يحتاج الى طاقة • ضوئية او طاقة حرارية ليستثار الالكترون من شريط التكافؤ الى • شريط التوصيل فإذا كان من طاقة حرارية يسمي بالتوليد الحراري • المباشر وإذا كان من طاقة ضوئية يسمي بالتوليد الضوئي • 2- توليد عند مركز التوليد R-GR-G center generation • وهي مثل العملية العكسية للالتئام عند مركز الالتئام والتوليد R-G • ولكن هنا تحتاج فقط الى طاقة حرارية لاستثار الالكترون من • شريط التكافؤ الى مركز التوليد اولا ومن ثم الى استثاره الى شريط • التوصيل =

19. أنواعالتوليد (generation types): • 3- توليد ضوئي من مراكز شريط الفجوة Photoemission from band gap centers • وهي شبيه بعملية التوليد عند مراكز التوليد R-G ولكن هنا • نحتاج الى طاقة ضوئية لتحريك الالكترون الموجود عند مركز • التوليد R-G الى شريط التوصيل وتحريك الثقب الى شريط التكافؤ • 4- توليد حاملات خلال تأين تصادمى carriergeneration via impact ionization • وهي العملية العكسية للالتئام أوجيه وهنا شرط حدوثها وجود • مجال كهربي وعند وجود مجال كهربي يكتسب حامل الشحنة • طاقة حركية ناتجة من تصادمها مع اهتزازات الشبيكة (فونونات) • وبالتالي الطاقة الحركية للحامل يكون هو الطاقة التي تؤدي • الى توليد الكترون اخر او انتقاله الى شريط التوصيل =

20. اعتبارات كمية الحركة (momentum considerations): • كل هذه الانواع من العمليات الالتئام – التوليد بصفة مستمرة في كل اشباه الموصلات حتي الموجود في حالة اتزان. ولكن هناك عمليات تحدث في ظروف خاصة او معدل حدوثها كبيرة او صغيرة حساب ظروف معينة • مثلا : التئام أوجيه يحدث عند زيادة تركيزات الحوامل أي بزيادة الاشابة • التوليد التأين الصدمي يحدث عن وجود مجال كهربي • التوليد الضوئي عندما يتعرض لضوء ونفس العملية للتوليد الحراري عند تعرضه للطاقة حرارية • وأيضا التوليد او الالتئام المباشر(نطاق الى نطاق) يحدث لشبه الموصل المباشر GaAs • والعكس في حالة التوليد او الالتئام الغير مباشر(عن طريق مراكز الالتئام والتوليد) يحدث لشبه الموصل • الغير مباشر Si =

21. اعتبارات كمية الحركة (momentum considerations): • التوليد او الالتئام المباشر(نطاق الى نطاق) يحدث لشبه الموصل المباشر GaAs • والعكس في حالة التوليد او الالتئام الغير مباشر(عن طريق مراكز الالتئام والتوليد) يحدث لشبه الموصل • الغير مباشر Si. العلاقة بين الزخم P او العدد الكمي k وبين الطاقة E • الالكترونات تشغل الوادي • الاكثر انخفاضا في شريط • التوصيل مثل الكرة في • الحفرة • بينما تشغل الثقوب الوادي • او حالات الذروة العليا • بشريط التكافؤ مثل البالون • في سقف الغرفة =

22. اعتبارات كمية الحركة(momentum considerations): • صفحة 130 الى 133 والشكل 3-18 • لان كمية التحرك للفوتون صغيرة فهي قادرة • على الانتقال الالكتروني مباشرة من نطاق الى • نطاق اي عملية التوليد او الالتئام المباشر • ولكن لان كمية التحرك الفونون كبيرة بسبب كتلتها • الكبيرة ( كتلة الذرات) فهي قادرة على انتقال • الالكتروني الغير مباشر الى مركز التوليد والالتئام • R-G و ثم تستطيع الفوتون اتم عملية الانتقال • الالكتروني • لسهولة ظهور ضوء في شبه الموصل المباشر فهي • تصنع في LED والليزر الديود وغيرها =

23. Next class review