ملاحظات علمية عن إلكترونيات الطاقة: زرنيخيد الغاليوم شبه العازل

تتيح لنا الصيغة الرياضية التي تم تطويرها في البرنامج التعليمي السابق اكتشاف الخصائص غير النمطية لزرنيخيد الغاليوم (GaAs) التي تجعله مثيرًا للاهتمام من الناحية التكنولوجية.

أسئلة وأجوبة حول الحالة المكثفة للمادة

تسعى فيزياء الحالة الصلبة إلى الإجابة على السؤال التالي: ما يجمع الصلبة معا؟ يمكن إعادة صياغة هذا السؤال المهم بطريقة وحشية ولكن فعالة: ماذا نختبر عندما نثقب جدارًا (أو أي سطح صلب)؟ إجابة: القوى الكهربائية للتماسك الصلب. ولكي نكون أكثر دقة، فإننا نختبر التفاعل الكهروستاتيكي الجذاب بين الجسيمات المشحونة بشكل معاكس: الإلكترونات والنوى. ومع ذلك، فإن القوى ذات الطبيعة المختلفة (المغناطيسية والجاذبية) لا تذكر.

سؤال: ماذا يمكن أن تخبرنا ميكانيكا الكم عن الحالة المكثفة؟ ونشير بشكل خاص إلى الدور الذي يلعبه الدوران الإلكتروني ومبدأ استبعاد باولي. الإجابة الإرشادية موجودة في القسم التالي.

الرابطة التساهمية مقابل الرابطة الأيونية

تتكون الرابطة التساهمية من إلكترونين، واحد لكل ذرة تشارك في الرابطة. فيما يتعلق بالزخم الزاوي للدوران، فإن النظام المكون من الإلكترونين يكون في حالة القميص¹، والتي تُترجم في لغة الميكانيكا الكلاسيكية (غير الدقيقة) إلى “معاكسة التوازي” لمتجهات الدوران التي تدور إلكترونًا واحدًا. تذكر أن الإلكترونات تخضع لمبدأ استبعاد باولي، لذا لا يمكن أن يكون لدينا أكثر من إلكترون واحد في كل حالة كمومية. بالنظر إلى درجات الحرية المغزلية، نرى أن إلكترونات الرابطة التساهمية المفردة تحتل حالات مختلفة، وبالتالي احترام مبدأ الاستبعاد.

وفيما يتعلق بدرجات الحرية المدارية نجد أن الإلكترونات تميل إلى التمركز بين الذرتين. ومع ذلك، فإن التوطين جزئي، وإلا فإن الإلكترونات ستبتعد بسبب مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ. إن التحديد الدقيق لموضع أحد الإلكترونين يعني عدم يقين لا نهائي بشأن الزخم، وبالتالي على سرعة الجسيم الذي يتم قياسه. في شكلية ميكانيكا الموجات نتوقع حلول معادلة شرودنجر لنوع الموجة المستقرة؛ يضمن غياب الانتشار التوطين الجزئي المذكور أعلاه لإلكترون واحد، وبالتالي استقرار الرابطة التساهمية، وتحدد الحالة المكثفة المقابلة ما يسمى الكريستال التساهمي.

في الرابطة الأيونيةومع ذلك، فهو التجاذب الكهروستاتيكي بين الأيونات ذات الإشارة المعاكسة لذلك

يوفر طاقة التماسك للمادة الصلبة، وهذا يشمل البلورات الأيونية. هناك أنواع أخرى من السندات التي تتجاوز هذه المناقشة. ومع ذلك، من المهم أن نلاحظ أن طاقة التماسك لا تزال كهروستاتيكية حتى لو تم إنشاء الروابط عن طريق تأثيرات كمومية نموذجية.

حالة زرنيخيد الغاليوم

من الصعب تجريبيًا التمييز بين البلورة الأيونية والبلورة التساهمية. على سبيل المثال، زرنيخيد الغاليوم (GaAs) عبارة عن بلورة تساهمية في الغالب، مما يعني أن الرابطة التساهمية هي الرابطة السائدة في التركيب البلوري لهذا المركب غير العضوي. تركيبها البلوري هو كبريتيد الزنك (ZnS).

يتبلور كبريتيد الزنك في بنية الماس، مع توزيع ذرات الزنك (Zn) والكبريت (S) بشكل مناسب (الشكل 1).

على الرغم من وجود فجوة نطاقية، فإن GaAs النقي في درجة حرارة الغرفة يتصرف مثل العازل بسبب تركيزه الداخلي المنخفض للغاية. ومع ذلك، فمن الممكن تعديل الموصلية عن طريق تطعيم GaAs. تتصرف ذرات الأكسجين التي تدخل المواقع الشبكية كجهات مانحة بمستويات طاقة في حدود ε_د = .70.7 فولت وضعنا صفر الطاقة في الجزء السفلي من نطاق التوصيل). من ناحية أخرى، تعمل ذرات الكروم كمستقبلات مع ε_أ = .80.81 فولت³.

استناداً إلى نتائج العدد السابق، إذا كانت تركيزات المتقبلين والمانحين بنفس الحجم، يتم وضع الإمكانات الكيميائية عند نصف فجوة النطاق تقريبًا، حتى في درجة حرارة الغرفة. ويترتب على ذلك أن أشباه الموصلات تكون في الوضع الجوهري مهما كانت درجة حرارة العمل. تسمى GaAs ذات التركيز المنخفض من حاملات الشحنة GaAs شبه عازلة لأنها تستخدم كركيزة عازلة في إنشاء الدوائر الإلكترونية.

مراجع

¹ ساكوراي جي جي, ميكانيكا الكم الحديثة.
² Kittel C. Kroemer H. Termodinamica statistica.
³ زوكا R.، J. التطبيق. فيز، 48، 1987 (1977).
⁴ بورن م.، هوانغ ك.، النظرية الديناميكية للشبكات البلورية (أكسفورد، 1954)
⁵ بولينج ل. طبيعة الرابطة الكيميائية (مطبعة جامعة كورنيل، إيثاكا، 1960).
⁶ توسي النائب, تماسك المواد الصلبة الأيونية في النموذج المولود“فيزياء الحالة الصلبة”، 1964.
⁷ ملاحظات علمية على إلكترونيات الطاقة.

التدوينة ملاحظات علمية عن إلكترونيات الطاقة: زرنيخيد الغاليوم شبه العازل ظهرت لأول مرة على أخبار إلكترونيات الطاقة.