۲-۴-۱ نوار های الکترونیکی
وقتی اتم ها یک مولکول تشکیل می دهند، اربیتال های جدید پیوندی و ضد پیوندی شکل می گیرند که سطح انرژی آنها با اربیتال های اتمی متفاوت است. تشکیل اربیتال های جدید باعث به وجود آمدن چندگانگی در سطوح انرژی می شود، با شکل گیری جامد و
-
- Band gap
نزدیکی زیاد از حد اربیتال ها. اربیتال های پیوندی نوار ظرفیت و اربیتال های ضد پیوندی نوار رسانش را به وجود می آورند. اربیتال ها یا سطوح انرژی مجزا در جامد تبدیل به یک نوار پیوسته می شوند که شامل N سطح انرژی است. N از مرتبه است یا جامدات حالت های الکترونیکی مکان خاصی ندارند و به علت تفاوت بلور نسبت به حرکت انتقالی ناوردا هستند.
خصوصیات اپتیکی مواد به چگونگی پر شدن این نوار ها توسط الکترونها بستگی دارد.
بر حسب پر شدن این باندها سه گروه اصلی داریم :
فلزات، نارساناها و نیمه رساناها
در فلزات نوار ظرفیت تکمیل است و قسمتی از نوار رسانش نیز توسط الکترونها پر شده است. اما قسمت خالی نوار رسانش این اجازه را به الکترونها می دهد که با بدست آوردن کمی انرژی بتوانند آزادانه حرکت کنند. در نارسانا ها باند ظرفیت تکمیل است و هیچ الکترونی در باند رسانش وجود ندارد. چون اختلاف انرژی بین بالاترین حد نوار ظرفیت و پایین ترین حد نوار رسانش زیاد است (نوار ممنوعه)، الکترونها نمی توانند به باند رسانش بروند و آزادانه حرکت کنند. در نیمه رسانا ها باند ظرفیت پر است(در دمای صفر کلوین)، اما به علت کم بودن پهنای نوار ممنوعه، الکترونها با بدست آوردن کمی انرژی (مثلاً از طریق حررات )می توانند به باند رسانش بروند و آزادانه حرکت کنند، نیمه رسانا ها با بالا رفتن دما به رسانا تبدیل می شوند.
۲-۴-۲ جابه جایی بین نواری
وقتی یک بلور فوتونی جذب می کند، الکترون ها با جذب آن به انرژی های بالاتر می رود. اگر انرژی فوتون بیشتر از پهنای نوار ممنوعه باشد الکترون می تواند از نوار ظرفیت به نوار رسانش برود. بازگشت الکترون به انرژی قبلی باعث تابیده شدن یک فوتون می شود[۲۵].
۲-۵ مواد از نظر گسیل فوتونی
۲-۵-۱ گاف انرژی مستقیم و غیر مستقیم :
مطابق خواص بر همکنش الکترون و حفره در شبکه بلوری یا ترکیب زوج الکترون حفره در ساختار های نیمه هادی نحوه تغییرات تراز الکترونی درباندظرفیت و باند هدایت به دو صورت انجام می گیرد :
در گاف انرژی مستقیم بردار تکانه برای الکترون در مبدأ و مقصد یکسان بوده و بنابراین تغییر تراز حتماً با جذب یا گسیل فوتون همراه خواهد بود.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
در گاف انرژی غیر مستقیم، الکترون از باند هدایت به باند ظرفیت منتقل می شود. منتهی ضمن انتقال دچار تغییر در اندازه حرکت یا تکانه می شود. و انرژی به جای انتشار فوتون عموماً به صورت گرما به شبکه داده می شود. در این نیمه رسانا مینیمم باند هدایت در مقابل ماکزیمم باند ظرفیت قرار نگرفته است.
در یک نیمه هادی با گاف مستقیم، حداکثر باند ظرفیت و حداقل باند رسانش در مرکز رخ می دهد. که در شکل (۲-۴) نشان داده شده است. برای گذار الکترون ها به سمت پایین و یا بالا، لازم نیست اندازه حرکت یا درگیر شدن یک فوتون تغییر کند.
در نتیجه، در نیمه هادی با گاف مستقیم به وسیله جذب یک فوتون الکترون به باند رسانش می رود. اندک زمانی ساکن می ماند و نهایتاً با یک حفره باند ظرفیت باز ادغام می شود تا نوری با انرژی برابر با گاف منتشر شود. این فرایند در نیمه هادی های غیر مستقیم کاملاً متفاوت است.
دیاگرام باند نمایش داده شده نشان می دهد کمینه باند رسانش در نمی باشد. لازم است برای گذار حامل ها به قسمت پایین و یا بالا اندازه حرکت و یا درگیر شدن یک فوتون تغییر کند. به این صورت که ساکن شدن الکترونی که در حداقل باند رسانش است نمی تواند با یک حفره در دوباره ادغام شود. فقط در صورتی امکان پذیراست که یک فوتون با انرژی حقیقی و تکانه مورد نظر موجود باشد.
شکل (۲-۴) تصویر گاف انرژی نیمه هادی ها به صورت : الف) غیر مستقیم ب) مستقیم
فرایند های جذب و تابش فوتون هردو به گذار روبه قسمت پایین کمک می کنند. چون هیچ بلوری بی نقص نیست، در نتیجه جهت برخورد فوتون مناسب، مدت زمان سکون الکترون در باند ظرفیت افزایش می یابد.
نقص هایی در شبکه تحت عنوان تله و مراکز باز ترکیب وجود دارد. احتمال زیادی دارد که در میان یک مرکز ناخالص الکترون و حفره به صورت غیر تابش باز ترکیب شوند و انرژی اضافی در شبکه بصورت گرما تلف شود.
فرایند های غیر تشعشعی احتمال باز ترکیب تشعشعی در مواد با گاف غیر مستقیم را کاهش می دهند معمولاً نیمه هادی جهت تحقق منابع نوری از قبیل دیود های نوری و لیزر ها مناسب نمی باشند.
فرایند های جذب و تابش فوتون باید همواره با پایداری اندازه حرکت و انرژی باشد پس به این صورت گذار قوانین بقا و پایدار داده می شود.
(۲-۱)
(۲-۲)
در این رابطه انرژی های اولیه الکترون، انرژی های نهایی الکترون، بردار موج های نهایی الکترون، انرژی و بردار موج فوتون می باشد.
با مقایسه باعدد موجی الکترون در منطقه ی بریلوئن مشخص می شود که کوچک است. بنابراین از اندازه حرکت فوتون در مقایسه با اندازه حرکت الکترون صرف نظر می شود پس قوانین بقا به صورت زیر بیان می شوند :
(۲-۳ )
و
(۲-۴)
معادله (۲-۳) نشان میدهد یک نیمه هادی در برابر نور توانایی شفافیت دارد، اگر انرژی فوتون از گاف انرژی نیمه هادی کمتر باشد اما در صورت بالاتر بودن از انرژی آستانه جاذب نور می شود.
معادله (۲-۴) بیان کننده این است که اگر فقط فوتون ها در گذار شرکت داشته باشند تنها گذار های عمودی بین نوار رسانش و نوار ظرفیت مجاز هستند. در فرایند جذب فوتون حالتی نهایی الکترون در نوار رسانش حالتی اولیه الکترون در نوار ظرفیت است.
در صورتیکه انرژی صفر الکترون را در قسمت بالای نوار ظرفیت انتخاب کنیم انرژی های نوار رسانش و نوار ظرفیت را برای نوار های سهمی شکل به صورت زیر می نویسیم :
(۲-۵)
(۲-۶)
که در آن جرم موثر الکترون، جرم موثر حفره است و بدلیل بقای اندازه حرکت خواهد بود.
معادله (۲-۴) تقریب سهمی برای نوار های انرژی برای این گذار مستقم را نشان میدهد که برابر است با
(۲-۷)
جرم کاهش یافته الکترون حفره است و به صورت زیر بیان می شود :
(۲-۸)
در صورتیکه بین کمینه نوار رسانش و بیشینه نوار ظرفیت از اینکه بقای اندازه ی حرکت و انرژی به طور همزمان صادق باشند، جلوگیری می کند.
به صورت قوانین بقا برای گذار غیر مستقیم چنین بیان می شود :
(۲-۹)
(۲-۱۰)
که در آن انرژی فوتون و بردار موج می باشد.
برای که در آن گاف انرژی غیر مستقیم است. بقای انرژی به صورت زیر نوشته می شود :
(۲-۱۱)
علامت + برای جذب فوتون و علامت – برای گسیل فوتون بکار برده می شود.
در نیمه هادی های با گاف غیر مستقیم نیز، گذار های مستقیم با انرژی های فوتونی بیشتر از گذارهای غیر مستقیم امکان پذیر است.
ضریب جذب مربوط به لبه ی جذب اصلی در یک نیمه هادی گاف مستقیم اغلب بسیار بزرگ و دارای اندازه ای حدود
