نوع جدید از ترانزیستورها که به ترانزیستورهای نوع (MODFET)1 مشهور میباشد به کار گرفته میشود و این ترانزیستورها عمدتأ در مدارهای مجتمع خصوصأ در تراشه های دیجیتال مورد استفاده قرار میگیرند.
اثر جوزفسون در ساختارهای ابررساناگاز الکترونی دو بعدیابر رسانا با حضور بر همکنش اسپین- مدار در لایهَ نرمال مطالعه شده است]1و2[ در مرجع 1 بر همکنش اسپین- مدار راشبا واثرشکافتگی زیمان اعمال شده وبا در نظر گرفتن مرزهای کاملآ شفاف، نشان داده شده است که اثر بر همکنش اسپین- مدار روی جریان جوزفسون تنها موقعی قابل مشاهده است که اثر شگافتکی زیمان هم وجود داشته باشد.در این صورت اثر جوزفسون به بر همکنش اسپین- مدار وابسته است.در مرجع 2 نیز یک اتصال ابر رسانا- گاز الکترونی دو بعدی ابررسانا با مرزهای کاملآ شفاف در نظر گرفته شده است.با اعمال بر همکنش اسپین- مدار راشبا وبرهمکنش الکترون- الکترون اثبات شده است که تنها زمانی که برهمکنش الکترون- الکترون در محاسبات وارد شود، جریان جوزفسون وابسته به برهمکنش اسپین- مدار راشبا خواهد بود.
1-2 گاز الکترونی دو بعدی
دو صفحه رسانای موازی به دو قطب یک باطری متصل میکنیم صفحه متصل به قطب منفی دارای چگالی بار منفی است. در صورتی که ضخامت صفحه به اندازه کافی کوچک باشد الکترونها تنها میتواننددر یک صفحه جابجا شوند و به عبارت دیگر در دو بعد تحرک داشته باشندو به این صورت میتوانیم الکترونهای دو بعدی را تجسم نماییم.
شکل(1) نمایی ازگازالکترونی دوبعدی را نشان میدهد. دراین حالت الکترون ها مقید به حرکت در یک صفحه اند.
شکل1-1: نمایشی از گاز الکترونی دو بعدی. دراین حالتالکترونها مقید به حرکت در یک صفحهاند.
1-3 گازحفره ای دوبعدی
در صورتی که ماده نیمرسانا آلاییده نوع p باشد در آن صورت جایگاه تراز فرمی در ناحیه ممنوع و بالاتر از مرکزگاف انرژی است. حال اگر یک نیمرسانا با گاف نواری کم بین دو ماده نیمرسانای آلایش یافته نوع p ساندویچ شوددر آن صورت تغییر تراز ظرفیت مطابق شکل زیر خواهد بود و تراز فرمی نوار ظرفیت را قطع می کند . در این حالت نیز یک چاه پتانسیل کوانتومی شکل می گیرد که حفره ها در آن تجمع نموده و گاز حفره ای دو بعدی تشکیل می گردد و همچنان که ذکر شد میزان تحرک پذیری این حفره ها در چاه بسیار زیاد است، اما کمتر از تحرک پذیری الکترونهای دو بعدی است در شکل ( 2 ) ساختار مدوله آلاییده شده که به روش برآراستی پرتو مولکولی فراهم شده
شکل1-2:گاز حفره ای دو بعدیدر فصل مشترک لایهی سیلسکان و لایهی سیلیکان ژرمانیم تشکیل میشود
.
است نشان داده شده و لبه نوار ظرفیت و رسانش نیز نمایش داده شده است . تراز فرمی نوار ظرفیت را قطع نموده و چاه کوانتومی مثلثی شکل ایجاد شده است که گاز حفره ای دو بعدی در این چاه کوانتومی تشکیل می گردد. از ساختار های چند لایه ای که به این روش تهیه شده اند برای مطالعه ترابرد حاملهای گاز دو بعدی در چاه کوانتومی استفاده می شود یکی از کاربرد های این گونه ساختارها ایجاد ترانزیستور های اثر میدانی آلاییده مدوله شده (MODFET ) میباشد . به ترانزیستورهایی که با استفاده از این تکنیک ساخته می شوند و در آنها گاز الکترونی دو بعدی در فصل مشترک دو لایه مجاور تشکیل می شود ترانزیستورهای با تحرک الکترونی زیاد (HEMT) 2نیز گفته می شود. در یک چنین ترانزیستوری لایه گاز الکترونی دو بعدی به عنوان کانال عبور جریان مورد استفاده قرار می گیرد ، جریان عبوری از ناحیه کانال با استفاده از پتانسیل اعمال شده به دریچه فلزی که باعث تغییر چگالی بار سطحی می گردد قابل کنترل است. با مثبت تر شدن پتانسیل گیت شاتکی ، به دلیل افزایش میزان خمیدگی نوار ،سد پتانسیل ایجاد شده در ناحیه پیوند افزایش یافته و چاه پتانسیل مثلثی شکل عمیق تر می گردد که این امر سبب افزایش چگالی بار سطحی حاملها در گاز الکترونی دو بعدی و در نتیجه باعث افزایش جریان کانال می گردد برعکس با کاهش پتانسیل مثبت گیت شاتکی) منفی تر شدن پتانسیل گیت) سد پتانسیل در ناحیه گاز دو بعدی کاهش یافته و چگالی سطحی حاملها تا جایی که چاه پتانسیل مثلثی حذف گردیده و جریان کانال قطع می گردد. همچنین در ترانزیستور های اثر میدانی دریچه دار با کانال نوع p می توان با تغییر پتانسیل دریچه چگالی گاز حفره ای دو بعدی ایجاد شده در کانال SiGe را کنترل نمود .در مدار های کلید و یا مدار های منطقی معمولاً با قطع و وصل ترانزیستور سروکار داریم . در این موارد باید به محدودیت سرعت قطع و وصل ترانزیستور توجه نموده و با توجه به فرکا نس قطع و وصل مورد نظر ، قطعه مناسب را انتخاب نمود . هر چه میزان تحرک پذیری حاملهای گازی(الکترون یا حفره) در لایه فعال بیشتر باشد ، سرعت ترانزیستور بیشتر و زمان سوییچینگ ترانزیستور نیز کوتاهتر خواهد بود. در این نوع ترانزیستور ها گاز حفره ای دو بعدی با تحرک بالا در لایه فعال ایجاد می شود . فرکانس قطع این ترانزیستور گیگا هرتز است .
.
شکل1-3: ترانزیستوراثرمیدانی آلاییده مدوله شده باکانال نوعpکه گازحفره ای دوبعدی درآن تشکیل میشود . لبه نوارظرفیتنیز نمایش داده شده است.
1-4 مروری بر کارهای انجام شده
خواص فیزیکی گاز الکترونی دو بعدی زمانی که در میدان مغناطیسی عمودبر صفحهی حرکت قرار میگیرند توسط پیتر]3[ و همکارانش بررسی شد. این گروه اثرات برهمکنش اسپین مدار راشبا و خواص فیزیکی گاز الکترونی دو بعدی مربوط به نیمه رساناهایی که تحت تاًثیر پتانسیل دورهای ضعیف یک بعدی قرار دارند (1DPP) را بررسی کردند. آنها نشان دادند که اثر اصلی پتانسیل ضعیف یک بعدی در این سیستمها گسترش ترازهای انرژی در نوار بوده و پهنای نوار به شدت میدان مغناطیسی اعمالی بستگی دارد]5-4 .[ اخیرا راموس [6] و همکارانش خواص ترمودینامیکی و ترابردی گاز الکترونی شبه دو بعدی (Q2DEG) تحت تاثیر میدان مغناطیسی مایل را بررسی کردهاند. در این تحقیق آنها اثر راشبا و زیمن را بر این سیستم مشاهده نمودند. آنها مشاهده کردند که میدان مغناطیسی سبب ترکیب حالتهای اسپینی و برهمکنش راشبا سبب ترکیب سطوح لاندائو می شود. توسط اثر زیمان این ترکیب شدنها باعث برداشتن تبهگنی شده و شکل جدیدی از رسانندگی هال تولید میکند. آنها همچنین مشاهده کردند که این اثر در دماهای بالاتر از 15 کلوین و نیز در میدانهای بالاتر از 8 تسلا ناپدید میشود. راموس و همکارانش دریافتند که اثر پتانسیل دورهای ضعیف یک بعدی سبب هموار شدن پله ها در اثر کوانتومی هال میشود [7]. تاثیر پهنای محدود گاز الکترونی دو بعدی بر روی پلاسمونهای طولی توسط بکس [ 8] و همکارانش در سال 1992 بررسی گردید. تاثیر پهنای گاز الکترونی دو بعدی بر خواص فیزیکی توسط راموس و همکارانش در سال 2011 تحقیق شده است.
در این پایان نامه قصد بررسی تاثیر همزمان میدان مغناطیس مایل، دما و پهنای گاز الکترونی دو بعدی بر خواص فیزیکی این سیستمها نظیر پتانسیل شیمیایی، تراوایی مغناطیسی، انرژی آزاد هلمهولتز و … را داریم. در این راستا این پایان نامه به فصلهای زیر دسته بندی میشود.
1-5 مرور اجمالی بر فصل های آینده
در فصل اول به معرفی گاز الکترونی دو بعدی پرداخته و تحقیقات انجام شده تاکنون بر روی آنها را بطور مختصر بیان نمودهایم.
فصل دوم با عنوان ویژگیهای گاز الکترونی دو بعدی به معرفی انواع گازهای الکترونی پرداخته و برخی از ویژگیهای مهم این سیستم ها را بیان میکنیم.
در فصل سوم نخست به معرفی سیستم مورد نظر در این پایان نامه پرداخته و سپس به بیان معادلات مورد نیاز و اثبات روابط میپردازیم. فصل چهارم تحت عنوان محاسبه خواص ترمودینامیکی گاز الکترونی دو بعدی آورده شده و نتایج حاصل از محاسبات و شکلهای مورد نیاز ترسیم و مورد بحث قرار گرفتهاند. در فصل پنجم بطور اجمالی نتایج و پیشنهادات ذکر شده است.
فصل دوم
ویژگیهای گاز الکترونی دو بعدی
2-1 مقدمه
گاز الکترونی فقط بخشی از یک دنیای بزرگ از سیستمهای دو بعدی دینامیکی است که اخیراً مورد توجه زیادی قرار گرفتهاند. با استفاده ازمفاهیم دینامیک دو بعدی میتوان برای این سیستمها یک حرکت آزاد در دو بعد و یک حرکت اجباری در بعد سوم در نظر گرفت ]16[.
2-2 ساختار چند لایهای آلاییده مدوله شده
ساختار مدوله آلاییده(یا دور الاییده شده)برای نخستین بار توسط Dingleو Stomerبر پایه ساختار چندلایهای (ناهمگن) GaAs/Ga_(1-x) Al_x Asجهت ایجاد گاز الکترونی دو بعدی با تحرک بسیار زیاد ابداع گردید]9[.این ساختار ناهمگون به (MOSFET)3شباهت دارد،ساختار ماسفت نیز نوعی ترانزیستور اثر میدانی است که در آن به ترتیب از لایههای نیم رسانا به عنوان کانال فعال، لایهّ نارسانا مانند اکسید سیلیکان به عنوان لایهّ جداگر و لایهّ فلزی ساخته میشود وبا تغییر ولتاژ لایهّ فلزی تحرک حاملها در نیم رسانا کنترل میشود. در ساختارهای مدوله الاییده به جای عایق،نیم رسانایی با شکاف انرژی بزرگ رشد داده میشود. در ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-نیم رسانا که با استفاده ترکیبات V-III ساخته میشود باید رسانندگی کانال تا حد ممکن زیاد باشد.دراین ترازیستور ها برای افزایش رسانش کانال باید چگالی ناخالصیها در کانال افزایش یابد و این در حالی است که افزایش این چگالی اغلب سبب افزایش پراکندگی کولنی توسط یونهای ناخالصی و در نتیجه کاهش میزان تحرک پذیری حاملهای بار میشود.بنابر این باید با روشی غیر از روش آلایش معمولی (مستقیم)،میزان تراکم حاملها را در کانال افزایش داد. یکی از روشهای موجود برای انجام این کار، رشد یک لایه نازک آلایش نیافته (لایه بدون نا خالصی)با گاف انرژی کم به عنوان چاه کوانتومی که توسط لایههای آلاییده با گاف نواری بزرگتر احاطه شده است میباشد.به عبارت دیگر یک لایه نازک آلایش نیافته با گاف انرژی کمتر بین دو لایه آلاییده با گاف انرژی پهن تر قرار میگیرد.به این گونه ساختارها، مدوله آلاییده شده گفته میشود.گاز الکترونی یا حفرهای در فصل مشترک بسیار کامل و صاف دو لایه تشکیل میشود.بر خلاف ماسفت، در این سیستمها، چگالی حاملهای بار در حالت کلی ثابت است. در واقع به علت اختلافی که بین فاصله باندهای انرژی این دو نیم رسانای ناهمگون وجود دارد، ناخالصیهای موجود در قسمت 〖 Si〗_x G_(1-x ) نزدیک به محل اتصال، یونیزه میشوند و الکترونهای آنها به قسمتSi ،در نزدیکی فصل مشترک دو نیم رسانا منتقل میشوند. این انتقال بار سبب ایجاد میدانهای الکتریکی قوی و خمیدگی لبه باند هدایت در نزدیکی فصل مشترک میشود که در نتیجه آن گاز الکترونی دو بعدی تولید میشود]10[.
2-3 ساختارهای چند لایهایی سیلیکان – ژرمانیم
در شکل(2-الف) ساختار نامتجانسی نمایش داده شده است و گاز الکترونی دو بعدی در بالای لایه سیلیکان (که تحت کرنش کشش قراردارد) تشکیل شده است ]11[. نوار رسانش این ساختار در محل لایه سیلیکون به صورت یک چاه کوانتومی است والکترونهای ناخالصیهای نوع n در لایه مجاور به ترازهای انرژی پایین درون چاه کوانتومی منتقل میشوند و گاز الکترونی دو بعدی را تشکیل میدهند.شکل ( 2-ب) ساختار نامتجانس متفاوتی را نشان میدهد که گاز حفرهای دو بعدی در بالای چاه کوانتومی SiGe (لایه آلیاژی که تحت کرنش فشاری قرار دارد) تشکیل شده است ولی در ساختار دریچه دار شکل (2-ج) گاز حفرهای دو بعدی در پایین چاه کوانتومی تشکیل میگردد وبا اعمال ولتاژ مناسب به دریچه میتوان چگالی سطحی (n_s) آن را تغییر داد.
.

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود تحقیق با موضوعلایه، کرنش، بلوری
دسته‌ها: No category

دیدگاهتان را بنویسید