يمكن تفسير دورية الهياكل البلورية ، التي تم فحصها بمزيد من التفصيل في مقالة سابقة ، من منظور “الاقتصاد الحسابي” ، بمعنى أنه من “الاقتصادي” تكرار بنية أولية إلى أجل غير مسمى ، بدلاً من إنتاجها في كل خطوة. . في هذه المقالة ندرس الهياكل البلورية الأكثر صلة بفيزياء أجهزة أشباه الموصلات.
قوى التماسك. الرابطة التساهمية
في الأساس ، البلور هو بقوة فتح و تنظيميا هيكل مغلق (فكر في الظاهرة المعروفة لنمو البلورات ، إن لم تكن حتى الشهيرة بلورات الوقت).
من المهم فهم طبيعة القوى المتماسكة بين الذرات / الأيونات الفردية (أو الجزيئات) التي تقوم بالتنظيم الداخلي لمثل هذا الهيكل. نظرًا لأن الذرات تتكون من جسيمات مشحونة كهربائيًا (إلكترونات وبروتونات) ، فإننا نتوقع طبيعة كهروستاتيكية للقوى المذكورة أعلاه (قانون كولوم). في الواقع ، تتدخل أيضًا قوى ذات طبيعة مختلفة ، أي ناتجة عن التأثيرات الكمومية عادةً. بهذا نشير إلى مبدأ استبعاد باولي، والذي يثبت في حالة الإلكترونات أن الحالة الكمومية المفردة يمكن أن يشغلها إلكترون واحد على الأكثر. علاوة على ذلك ، فإن الحالة الكمومية لإلكترون واحد لا تشير فقط إلى الطاقة (التي تحدد “المدار” بالمعنى الكمي للمصطلح) ولكن أيضًا إلى دوران الإلكترون. نظرًا لأن الإلكترون يمكن أن يكون له حالتان فقط من الدوران (لأعلى / لأسفل) ، فإن مبدأ باولي يسمح بوجود ما يصل إلى إلكترونين في كل مدار ، إلكترون يدور لأعلى والآخر يدور لأسفل. في مصطلحات الفيزياء الكلاسيكية ، يقال أن الإلكترونات لها دوران مضاد للتوازي. تسمى الحالة الكمومية للنظام المكونة من الإلكترونين بالنسبة لدرجات الحرية المغزلية أ تدور القميص (صفر دوران إجمالي).
دعونا الآن نتخيل الجمع بين ذرتين بقذيفة مغلقة. من خلال هذا المصطلح نشير إلى حقيقة أن جميع الحالات الكمومية مشغولة وأن كل واحد يستضيف إلكترونين في حالة المغزلي المفرد. من السهل أن يقنع المرء نفسه بأن تقليل المسافة بين الذرتين تقاومه “قوة طاردة” بسبب مبدأ الاستبعاد. يحذرنا استخدام علامات الاقتباس من أنها ليست قوة بمعنى الفيزياء الكلاسيكية.
ماذا يحدث إذا جمعنا ذرتين بقذيفة مفتوحة وكان لإلكتروناتهما تدور معاكسة؟ لنكون أكثر دقة ، دعنا نجمع ذرتين من الهيدروجين معًا حيث يدور الإلكترون الوحيد في الأولى ، بينما في الثانية يدور لأسفل. لا يعيق مبدأ باولي النهج التدريجي فحسب ، بل يفضله أيضًا لأن الإلكترونين يميلان إلى تحقيق القشرة المغزلية أو حالة جديدة للذرتين اللتين ترتبط بهذه الطريقة بتفاعل غير إلكتروستاتيكي ، ولكن تبادل واحد. (يبدو الأمر كما لو تم تبادل الإلكترونين). في كتب فيزياء المادة نتحدث ، على وجه التحديد ، عن تفاعل التبادل. هذه العملية موضحة في الشكل 1
كيميائيا ، سنقول أن الذرتين تبادل الرابطة التساهمية.
لقد فكرنا في حالة الهيدروجين الذري لكن الاستنتاجات تعمم على ذرة ذات عدد ذري عشوائي Z.
يبحث بيأس عن إلكترون
من السهل أن نفهم أن الرابطة التساهمية يمكن أن تنتشر إلى ذرات أكثر ، بشرط أن يتم التحقق من ظروف معينة. لنفترض أن ذرتين A و B تتبادلان رابطة التكافؤ ؛ إذا كانت الذرة الثالثة C تحتوي على إلكترون واحد فقط في المدار الخارجي ، فلن تكون قادرة على الارتباط تساهميًا مع A + B لأنها منخرطة بالفعل في هذا النوع من الروابط. باستخدام لغة موحية ولكن فعالة ، سوف نفعل ذلك
قل أن أ (أو ب) لا يوجد لديه غير زوجي لإقران الإلكترون مع C. من الناحية الفنية ، سنقول أن الرابطة التساهمية هي مشبع. ولكن إذا كان لدى A (أو B) إلكترونات غير مقترنة ، فسيولد الهيكل المركب A + B + C.
التركيب البلوري للماس
كما ثبت في الأرقام السابقة ، فإن الرابطة التساهمية مهمة للغاية: ترتبط إلكترونات التكافؤ لذرة واحدة بتلك الموجودة في الذرات المتجاورة. على سبيل المثال ، يتكون الماس من ذرات كربون تشكل 4 روابط تساهمية مع أربع ذرات متجاورة. نفس الهيكل موجود في السيليكون والجرمانيوم. تشرح الطبيعة التساهمية للرابطة السلوك الكهربائي الخاص لهذه البلورات. كما هو معروف ، على عكس الماس الذي هو عازل ، فإن السيليكون والجرمانيوم هما من أشباه الموصلات. علاوة على ذلك ، يمكن لذرات السيليكون والكربون أن تربط هياكل تشكيل مهمة للتطبيقات في إلكترونيات الطاقة. نحن نتحدث عن كربيد السيليكون (SiC) المكون من عدد متساوٍ من ذرات السيليكون / الكربون والذي يحدث بشكل طبيعي في المويسانتي، معدن نادر.
يوجد تركيبة معينة من ذرات الزنك وكبريتيد الحديد في وورتزيت، وهو معدن نادر بنفس القدر. بالمناسبة ، يُظهر نيتريد الغاليوم (GaN) بنية بلورية مماثلة.
ندرة المعادن المذكورة أعلاه تعني الحاجة إلى إنتاج اصطناعي ل SiC / GaN.
- التركيب البلوري لكربيد السيليكون ونتريد الغاليوم
من وجهة نظر هندسية ، فإن الهياكل البلورية الأكثر إثارة للاهتمام لفيزياء أشباه الموصلات هي: 1) الهيكل المكعب المتمركز على الوجه (fcc) ؛ 2) الهيكل السداسي المضغوط (hcp). كلاهما موضح في الشكل 2.
في الطبيعة ، يُستمد الانتشار الملحوظ لهذين النوعين من الهياكل من خاصية طوبولوجية: فهي تمثل الطرق الوحيدة الممكنة لتعبئة عدد معين من المجالات المتماثلة مع تقليل الحجم الخلالي (الكرات تقوم بتخطيط الذرات أو الجزيئات). على سبيل المثال ، الماس له هيكل مكعب محوره الوجه ؛ يتبلور الجرمانيوم والسيليكون في مثل هذا الهيكل (الشكل 3).
يتبلور كبريتيد الزنك في هيكل الماس ، مع توزيع ذرات الزنك (Zn) والكبريت (S) بشكل مناسب (الشكل 4).
يمكن أن يتبلور كل من SiC و GaN في بنية كبريتيد الزنك ، من الواضح أن ذرات مختلفة وتعديل طبقة الشبكة. على سبيل المثال ، بالنسبة لكبريتيد الزنك ، يكون الملعب الشبكي هو 5.41 أنجستروم ، بينما بالنسبة للكربريتيد هو 4.35 أنجستروم [1].
تحدد طاقة الربط الأعلى بالإضافة إلى تعديل الملعب الشبكي زيادة في عرض فجوة النطاق لهذه أشباه الموصلات. بتعبير أدق ، بالنسبة إلى SiC ، تكون فجوة النطاق 3.26 فولت ؛ بالنسبة إلى GaN هو 3.4 فولت.
مراجع
- كيتل سي ، مقدمة في فيزياء الجوامد.
- Davydov AS ، تيوريا ديل سوليدو طبعة مير.
- فرانشتي أ. رانفاني أ ، موغناي د. Elementi di struttura della materia. زانيشيلي
