الوصلة غير المتجانسة

الوصلة غير المتجانسة هي سطح فاصل بين طبقتين أو منطقتين من أشباه موصلات مختلفة . تتميز هذه المواد شبه الموصلة بفجوات طاقة غير متساوية ، على عكس الوصلة المتجانسة . غالبًا ما يكون من المفيد هندسة نطاقات الطاقة الإلكترونية في العديد من تطبيقات الأجهزة الصلبة، بما في ذلك ليزرات أشباه الموصلات والخلايا الشمسية والترانزستورات. يُطلق على تجميع عدة وصلات غير متجانسة في جهاز واحد اسم البنية غير المتجانسة ، على الرغم من أن المصطلحين يُستخدمان عادةً بشكل متبادل. إن اشتراط أن تكون كل مادة شبه موصلة بفجوات طاقة غير متساوية ليس شرطًا دقيقًا، خاصةً على المقاييس الصغيرة، حيث تعتمد الخصائص الإلكترونية على الخصائص المكانية. التعريف الحديث للوصلة غير المتجانسة هو السطح الفاصل بين أي مادتين صلبتين، بما في ذلك البنى البلورية وغير البلورية للمواد المعدنية والعازلة والموصلة الأيونية السريعة وشبه الموصلة.

التصنيع والتطبيقات

يتطلب تصنيع الوصلات غير المتجانسة عمومًا استخدام تقنيات الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) [ 1 ] أو الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) للتحكم بدقة في سُمك الترسيب وإنشاء سطح بيني حاد متطابق الشبكة البلورية. ومن البدائل الحديثة قيد البحث التراص الميكانيكي للمواد الطبقية في هياكل فان دير فالس غير المتجانسة . [ 2 ]

على الرغم من تكلفتها الباهظة، فقد وجدت الوصلات غير المتجانسة استخدامًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات المتخصصة حيث تكون خصائصها الفريدة بالغة الأهمية:

محاذاة نطاقات الطاقة

الأنواع الثلاثة من الوصلات غير المتجانسة لأشباه الموصلات مرتبة حسب محاذاة النطاقات.
مخطط نطاق الطاقة لوصلة غير متجانسة من أشباه الموصلات من النوع n - n ذات فجوة متداخلة عند التوازن.

يعتمد سلوك وصلة أشباه الموصلات بشكلٍ أساسي على اصطفاف نطاقات الطاقة عند السطح البيني. يمكن تصنيف أسطح أشباه الموصلات البينية إلى ثلاثة أنواع من الوصلات غير المتجانسة: فجوة متداخلة (النوع الأول)، وفجوة متناوبة (النوع الثاني)، وفجوة متقطعة (النوع الثالث)، كما هو موضح في الشكل. [ 9 ] بعيدًا عن الوصلة، يمكن حساب انحناء النطاقات باستخدام الإجراء المعتاد لحل معادلة بواسون .

توجد نماذج مختلفة للتنبؤ بمحاذاة النطاقات.

  • أبسط النماذج (وأقلها دقة) هو قاعدة أندرسون ، التي تتنبأ بمحاذاة نطاقات الطاقة بناءً على خصائص واجهات الفراغ-أشباه الموصلات (وخاصةً ألفة الإلكترون في الفراغ ). ويتمثل القيد الرئيسي في إهمالها للروابط الكيميائية.
  • تم اقتراح قاعدة الأنيون المشترك التي تفترض أنه بما أن نطاق التكافؤ مرتبط بالحالات الأنيونية، فإن المواد التي تحتوي على نفس الأنيونات يجب أن يكون لها فروق صغيرة جدًا في نطاق التكافؤ. ومع ذلك، لم تفسر هذه القاعدة البيانات، ولكنها مرتبطة بالاتجاه السائد بأن المواد التي تحتوي على أنيونات مختلفة تميل إلى أن يكون لها فروق أكبر في نطاق التكافؤ مقارنةً بفروق نطاق التوصيل .
  • اقترح تيرسوف [ 10 ] نموذجًا لحالة الفجوة يعتمد على وصلات المعدن-شبه الموصل الأكثر شيوعًا ، حيث يُحدد انزياح نطاق التوصيل بفرق ارتفاع حاجز شوتكي . يتضمن هذا النموذج طبقة ثنائية القطب عند السطح البيني بين شبهي الموصل، تنشأ من نفق الإلكترونات من نطاق التوصيل لأحد المادتين إلى فجوة الأخرى (على غرار حالات الفجوة المستحثة بالمعادن ). يتوافق هذا النموذج جيدًا مع الأنظمة التي تتطابق فيها المادتان شبكيًا بشكل وثيق [ 11 مثل GaAs / AlGaAs .
  • تُعد قاعدة 60:40 قاعدةً تقريبيةً لحالة الوصلات بين أشباه الموصلات GaAs وسبائك أشباه الموصلات AlₓGa₁₋ₓAs . فعندما تتغير قيمة x في جانب AlₓGa₁₋ₓAs من 0 إلى 1 ، تتغير النسبة .Δهـج/ΔهـV{\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}}يميل إلى الحفاظ على القيمة 60/40. وللمقارنة، تتنبأ قاعدة أندرسون بـΔهـج/ΔهـV=0.73/0.27{\displaystyle \Delta E_{C}/\Delta E_{V}=0.73/0.27}بالنسبة لوصلة GaAs/AlAs ( x = 1). [ 12 ] [ 13 ]

تتمثل الطريقة المعتادة لقياس إزاحات النطاق في حسابها من قياس طاقات الإكسيتون في أطياف التألق . [ 13 ]

عدم تطابق الكتلة الفعال

عند تكوين وصلة غير متجانسة من مادتين شبه موصلتين مختلفتين ، يمكن تصنيع بئر كمومي نتيجةً لاختلاف بنية النطاقات . ولحساب مستويات الطاقة الساكنة داخل البئر الكمومي المُحقق، يصبح فهم تباين أو عدم تطابق الكتلة الفعالة عبر الوصلة غير المتجانسة أمرًا بالغ الأهمية. ويمكن اعتبار البئر الكمومي المُحدد في الوصلة غير المتجانسة بمثابة بئر جهد محدود بعرضلw{\displaystyle l_{w}}بالإضافة إلى ذلك، في عام 1966، أبلغ كل من كونلي وآخرون [ 14 ] وبيندانيل ودوك [ 15 ] عن شرط حدودي لدالة الغلاف في البئر الكمومي، يُعرف باسم شرط بيندانيل-دوك الحدودي. ووفقًا لهم، يجب أن تحقق دالة الغلاف في البئر الكمومي المصنّع شرطًا حدوديًا ينص على أنψ(z){\displaystyle \psi (z)}و1م*zψ(z){\displaystyle {\frac {1}{m^{*}}}{\partial \over {\partial z}}\psi (z)\,}كلاهما متصلان في مناطق التداخل.

تم التوصل إلى التفاصيل الرياضية لمثال البئر الكمومي .

باستخدام معادلة شرودنغر لبئر محدود بعرضلw{\displaystyle l_{w}}وإذا كان المركز عند الصفر، فيمكن كتابة معادلة البئر الكمومي المحقق على النحو التالي:

-22مب*د2ψ(z)دz2+Vψ(z)=هـψ(z) ل z<-لw2(1){\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2}}{2m_{b}^{*}}}{\frac {\mathrm {d} ^{2}\psi (z)}{\mathrm {d} z^{2}}}+V\psi (z)=E\psi (z)\quad \quad {\text{ لـ }}z<-{\frac {l_{w}}{2}}\quad \quad (1)}
-22مw*د2ψ(z)دz2=هـψ(z) ل -لw2<z<+لw2(2)\displaystyle \quad \quad -{\frac {\hbar ^{2}}{2m_{w}^{*}}}{\frac {\mathrm {d} ^{2}\psi (z)}{\mathrm {d} z^{2}}}=E\psi (z)\quad \quad {\text{ لـ }}-{\frac {l_{w}}{2}}<z<+{\frac {l_{w}}{2}}\quad \quad (2)}
-22مب*د2ψ(z)دz2+Vψ(z)=هـψ(z) ل z>+لw2(3){\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2}}{2m_{b}^{*}}}{\frac {\mathrm {d} ^{2}\psi (z)}{\mathrm {d} z^{2}}}+V\psi (z)=E\psi (z)\quad {\text{ لـ }}z>+{\frac {l_{w}}{2}}\quad \quad (3)}

حلول المعادلات المذكورة أعلاه معروفة جيدًا، ولكن بقيم مختلفة (معدلة) لـ k وκ{\displaystyle \kappa }[ 16 ]

ك=2مwهـκ=2مب(V-هـ)(4){\displaystyle k={\frac {\sqrt {2m_{w}E}}{\hbar }}\quad \quad \kappa ={\frac {\sqrt {2m_{b}(VE)}}{\hbar }}\quad \quad (4)}.

عند z =+لw2{\displaystyle +{\frac {l_{w}}{2}}}يمكن الحصول على حل التكافؤ الزوجي من

أكوس(كلw2)=بخبرة(-κلw2)(5){\displaystyle A\cos({\frac {kl_{w}}{2}})=B\exp(-{\frac {\kappa l_{w}}{2}})\quad \quad (5)}.

بأخذ مشتقة (5) وضرب كلا الطرفين في1م*{\displaystyle {\frac {1}{m^{*}}}}

-كأمw*الخطيئة(كلw2)=-κبمب*خبرة(-κلw2)(6){\displaystyle -{\frac {kA}{m_{w}^{*}}}\sin({\frac {kl_{w}}{2}})=-{\frac {\kappa B}{m_{b}^{*}}}\exp(-{\frac {\kappa l_{w}}{2}})\quad \quad (6)}.

بقسمة (6) على (5)، يمكن الحصول على دالة الحل الزوجية،

و(هـ)=-كمw*لون برونزي(كلw2)-κمب*=0(7){\displaystyle f(E)=-{\frac {k}{m_{w}^{*}}}\tan({\frac {kl_{w}}{2}})-{\frac {\kappa }{m_{b}^{*}}}=0\quad \quad (7)}.

وبالمثل، بالنسبة للحل ذي الزوجية الفردية،

و(هـ)=-كمw*سرير أطفال(كلw2)+κمب*=0(8){\displaystyle f(E)=-{\frac {k}{m_{w}^{*}}}\cot({\frac {kl_{w}}{2}})+{\frac {\kappa }{m_{b}^{*}}}=0\quad \quad (8)}.

للحصول على الحل العددي ، فإن اشتقاق المعادلتين (7) و(8) يعطي

التكافؤ التام:

دودهـ=1مw*دكدهـلون برونزي(كلw2)+كمw*ثانية2(كلw2)×لw2دكدهـ-1مب*دκدهـ(9-1){\displaystyle {\frac {df}{dE}}={\frac {1}{m_{w}^{*}}}{\frac {dk}{dE}}\tan({\frac {kl_{w}}{2}})+{\frac {k}{m_{w}^{*}}}\sec ^{2}({\frac {kl_{w}}{2}})\times {\frac {l_{w}}{2}}{\frac {dk}{dE}}-{\frac {1}{m_{b}^{*}}}{\frac {d\kappa }{dE}}\quad \quad (9-1)}

الزوجية الفردية:

دودهـ=1مw*دكدهـسرير أطفال(كلw2)-كمw*csc2(كلw2)×لw2دكدهـ+1مب*دκدهـ(9-2){\displaystyle {\frac {df}{dE}}={\frac {1}{m_{w}^{*}}}{\frac {dk}{dE}}\cot({\frac {kl_{w}}{2}})-{\frac {k}{m_{w}^{*}}}\csc ^{2}({\frac {kl_{w}}{2}})\times {\frac {l_{w}}{2}}{\frac {dk}{dE}}+{\frac {1}{m_{b}^{*}}}{\frac {d\kappa }{dE}}\quad \quad (9-2)}

أيندكدهـ=2مw*2هـدκدهـ=-2مب*2V-هـ{\displaystyle {\frac {dk}{dE}}={\frac {\sqrt {2m_{w}^{*}}}{2{\sqrt {E}}\hbar }}\quad \quad \quad {\frac {d\kappa }{dE}}=-{\frac {\sqrt {2m_{b}^{*}}}{2{\sqrt {V-E}}\hbar }}}.

يؤدي الاختلاف في الكتلة الفعالة بين المواد إلى اختلاف أكبر في طاقات الحالة الأرضية .

الوصلات غير المتجانسة النانوية

صورة لوصلة غير متجانسة نانوية بين أكسيد الحديد (Fe3O4 - كرة  ) وكبريتيد الكادميوم (CdS  - قضيب) تم التقاطها بواسطة مجهر إلكتروني نافذ . تم تصنيع هذه الوصلة ذات الفجوة المتداخلة (النوع الثاني) بواسطة هنتر ماكدانيال والدكتور مونسوب شيم في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين عام 2007.

في النقاط الكمومية، تعتمد طاقات النطاق على حجم البلورة نتيجة لتأثيرات الحجم الكمومي . وهذا يُتيح هندسة إزاحة النطاق في البنى النانوية غير المتجانسة. من الممكن [ 17 ] استخدام المواد نفسها مع تغيير نوع الوصلة، مثلاً من وصلة متداخلة (النوع الأول) إلى وصلة متداخلة (النوع الثاني)، وذلك بتغيير حجم أو سُمك البلورات المُستخدمة. يُعد نظام ZnS على CdSe (CdSe@ZnS) أكثر أنظمة البنى النانوية غير المتجانسة شيوعاً، حيث يتميز بإزاحة فجوة متداخلة (النوع الأول). في هذا النظام، تعمل فجوة النطاق الأكبر بكثير في ZnS على تخميل سطح لب CdSe المُتألق ، مما يزيد من كفاءة التألق الكمومي . كما يُوفر النظام ميزة إضافية تتمثل في زيادة الاستقرار الحراري بفضل الروابط الأقوى في غلاف ZnS، كما يُشير إليه اتساع فجوة النطاق. ولأن كلاً من CdSe وZnS ينموان في طور بلورة الزنكبلند ، ويتطابقان شبكياً بشكل كبير، يُفضل نمو اللب والغلاف. في أنظمة أخرى أو في ظل ظروف نمو مختلفة، قد يكون من الممكن تنمية هياكل غير متجانسة مثل تلك التي تظهر في الصورة على اليمين.

القوة الدافعة لانتقال الشحنة بين نطاقات التوصيل في هذه البنى هي إزاحة نطاق التوصيل. [ 18 ] من خلال تقليل حجم بلورات CdSe النانوية النامية على TiO₂ ، وجد روبيل وآخرون [ 18 ] أن الإلكترونات تنتقل بسرعة أكبر من نطاق التوصيل الأعلى لـ CdSe إلى TiO₂ . في CdSe ، يكون تأثير الحجم الكمي أكثر وضوحًا في نطاق التوصيل نظرًا لصغر الكتلة الفعالة مقارنةً بنطاق التكافؤ، وهذا هو الحال في معظم أشباه الموصلات. ونتيجةً لذلك، يكون التحكم في إزاحة نطاق التوصيل أسهل بكثير في الوصلات غير المتجانسة النانوية. بالنسبة للوصلات غير المتجانسة النانوية ذات الإزاحة المتداخلة (النوع الثاني)، يمكن أن يحدث فصل الشحنة المحفز ضوئيًا ، حيث قد تكون أدنى حالة طاقة للثقوب على أحد جانبي الوصلة، بينما تكون أدنى حالة طاقة للإلكترونات على الجانب المقابل. وقد تم اقتراح [ 18 ] أنه يمكن استخدام الوصلات غير المتجانسة النانوية ذات الفجوة المتداخلة غير المتناحية (النوع الثاني) في التحفيز الضوئي ، وتحديداً لتحليل الماء باستخدام الطاقة الشمسية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 سميث، سي جي (1996). "الأجهزة الكمومية منخفضة الأبعاد". تقرير التقدم في الفيزياء 59 (1996) 235282، صفحة 244.
  2. ^ جيم، أيه كيه؛ غريغوريفا الرابع (2013). “هياكل فان دير فالس المتغايرة”. طبيعة . 499 (7459): 419– 425. أرخايف : 1307.6718 . دوى : 10.1038 / طبيعة 12385 . ISSN 0028-0836 . بميد 23887427 . S2CID 205234832 .   
  3. ليو، سيلفير؛ سونتاج، ديتليف (2020)، "الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون البلوري: خلايا الوصلات غير المتجانسة" ، في شاه، أرفيند (محرر)، الخلايا والوحدات الشمسية ، المجلد 301، تشام: دار نشر سبرينغر الدولية، الصفحات 163-195 ، doi : 10.1007/978-3-030-46487-5_7 ، ISBN   978-3-030-46485-1تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 أبريل 2023
  4. أوكودا، كوجي؛ أوكاموتو، هيروآكي؛ هاماكاوا، يوشيهيرو (1983). "خلية شمسية مكدسة من السيليكون غير المتبلور/السيليكون متعدد التبلور بكفاءة تحويل تزيد عن 12%". المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية . 22 (9): L605– L607. Bibcode : 1983JaJAP..22L.605O . doi : 10.1143/JJAP.22.L605 . S2CID 121569675 . 
  5. ياماموتو، كينجي؛ يوشيكاوا، كونتا؛ أوزو، هيساشي؛ أداتشي، دايسوكي (2018). "خلايا شمسية من السيليكون البلوري ذات وصلة غير متجانسة عالية الكفاءة". المجلة اليابانية للفيزياء التطبيقية . 57 (8S3) 08RB20. Bibcode : 2018JaJAP..57hRB20Y . doi : 10.7567/JJAP.57.08RB20 . S2CID 125265042 . 
  6. "خلايا شمسية ذات وصلة غير متجانسة (HJT)" . ألواح الطاقة الشمسية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-03-2022 .
  7. كرومر، هـ. (1963). "فئة مقترحة من ليزرات الحقن ذات الوصلات غير المتجانسة". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . 51 (12): 1782-1783 . doi : 10.1109/PROC.1963.2706 .
  8. أورتيز-كوينونيز، خوسيه لويس؛ بال، أومابادا (أكتوبر 2024). "هياكل نانوية ذات وصلات غير متجانسة من أكاسيد المعادن مُهندسة الواجهة في اختزال ثاني أكسيد الكربون التحفيزي الضوئي: التقدم والآفاق" . مراجعات كيمياء التنسيق . 516 215967. doi : 10.1016/j.ccr.2024.215967 .
  9. إهن، توماس (2010). "الفصل 5.1 هندسة النطاقات". هياكل أشباه الموصلات النانوية ، الحالات الكمومية، والنقل الإلكتروني . الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة جامعة أكسفورد. ص 66. ISBN  978-0-19-953443-2.
  10. ج. تيرسوف (1984). "نظرية الوصلات غير المتجانسة لأشباه الموصلات: دور ثنائيات الأقطاب الكمومية". مجلة Physical Review B. 30 ( 8): 4874–4877 . Bibcode : 1984PhRvB..30.4874T . doi : 10.1103/PhysRevB.30.4874 .
  11. بالاب، بهاتاشاريا (1997)، أجهزة أشباه الموصلات الكهروضوئية، برنتيس هول، ISBN 0-13-495656-7
  12. أداتشي، ساداو (1993-01-01). خواص زرنيخيد الألومنيوم والغاليوم . ISBN 978-0-85296-558-0.
  13. 1 2 ديبار، ن.؛ بيسواس، ديبانكار؛ بهاتاشاريا، بالاب (1989). "انزياحات نطاق التوصيل في الآبار الكمومية InxGa1-xAs/Al0.2Ga0.8As شبه المتماثلة (0.07≤x≤0.18) المقاسة بواسطة مطيافية المستويات العميقة العابرة". مجلة Physical Review B. 40 ( 2): 1058–1063 . Bibcode : 1989PhRvB..40.1058D . doi : 10.1103/PhysRevB.40.1058 . PMID 9991928 . 
  14. كونلي، ج.؛ ديوك، س.؛ ماهان، ج.؛ تيمان، ج. (1966). "نفق الإلكترون في حواجز المعدن-أشباه الموصلات". مجلة Physical Review . 150 (2): 466. Bibcode : 1966PhRv..150..466C . doi : 10.1103/PhysRev.150.466 .
  15. بيندانييل، د.؛ ديوك، س. (1966). "تأثيرات الشحنة الفضائية على نفق الإلكترون". مجلة Physical Review . 152 (2): 683. Bibcode : 1966PhRv..152..683B . doi : 10.1103/PhysRev.152.683 .
  16. غريفيث، ديفيد ج. (2004). مقدمة في ميكانيكا الكم (الطبعة الثانية). برنتيس هول. ISBN 0-13-111892-7
  17. إيفانوف، سيرجي أ.؛ بيرياتينسكي، أندريه؛ ناندا، جاغجيت؛ تريتياك، سيرجي؛ زافاديل، كيفن ر.؛ والاس، ويليام أو.؛ ​​فيردر، دون؛ كليموف، فيكتور إي. (2007). "بلورات نانوية من النوع الثاني ذات بنية لب/غلاف من كبريتيد الكادميوم/سيلينيد الزنك: التركيب، والبنى الإلكترونية، والخواص الطيفية". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 129 (38): 11708-11719 . doi : 10.1021/ja068351m . PMID 17727285 . 
  18. روبيل ، إستفان ؛ كونو، ماسارو؛ كامات، براشانت ف. (2007 ) . "حقن الإلكترون المعتمد على الحجم من النقاط الكمومية المثارة من سيلينيد الكادميوم إلى جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 129 (14): 4136-4137 . doi : 10.1021/ja070099a . PMID 17373799 . 

للمزيد من القراءة

  • باستارد، جيرالد (1991). ميكانيكا الموجات المطبقة على الهياكل غير المتجانسة لأشباه الموصلات . وايلي-إنترساينس . ISBN 978-0-470-21708-5.
  • فويشت، د. ليون؛ ميلنز، أ.ج. (1970). الوصلات غير المتجانسة ووصلات المعدن-أشباه الموصلات . مدينة نيويورك ولندن : دار النشر الأكاديمية .، ISBN 0-12-498050-3. مرجع قديم نوعًا ما فيما يتعلق بالتطبيقات، ولكنه دائمًا ما يكون مقدمة جيدة للمبادئ الأساسية لأجهزة الوصلات غير المتجانسة.
  • آر. تسو؛ إف. زيبمان (1990). "رؤى جديدة في فيزياء النفق الرنيني". علوم الأسطح . 228 ( 1-3 ): 418. رمز Bibcode : 1990SurSc.228..418T . doi : 10.1016/0039-6028(90)90341-5 .
  • كورهيكار، أنيل سودهاكار (2018). "المعالجة الحرارية تُحسّن الخصائص الكهربائية للثنائي ذي الوصلة غير المتجانسة". المؤتمر الدولي لأبحاث وتعليم الطاقة المتجددة (RERE-2018) . وقائع مؤتمر AIP. المجلد  1992. ص  040027. Bibcode : 2018AIPC.1992d0027K . doi : 10.1063/1.5047992 .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بمخططات نطاقات الوصلات غير المتجانسة على ويكيميديا ​​كومنز