فهم وحساب رموز المواد الكيميائية

ففي السيليكون عند درجة حرارة الغرفة، مثلاً، فإن التنقل الإلكترونية (الميكرومرات - عند الحفز على 1400 سم2/V) يتجاوز كثيراً تنقل الحفر (الميكرومرات - تسارع 450 سم2/V) وكثيراً ما تختلف الحياة الإلكترونية عن الثقوب حسب نوع التكسير والتركيز، وهذه الاختلافات تعني أن طول الجهاز الإلكروني يتجاوز عادة طول الثقوب في أجهزة الاتصال بالوس.

معرض عمل: خلية سيليكون سولار

النظر في خلية شمسية بلورية حيث نحتاج إلى حساب طول نشرة أقلية (الكهرباء) في منطقة القاعدة من النوع الأول، وافتراض أن المادة قد تم وصفها بالممتلكات التالية:

• التنقل الإلكتروني: mix = 1200 cm2/V
• Electron lifetime: hmm = 100 ميكروغرام = 1.0 × 10-4 s
• درجة الحرارة: T = 300 K

أولاً، نحسب معامل الانتشار الكهربائي باستخدام علاقة (آينشتاين)

D n = × ميكرو-ن (kT/q) = 1200 cm2/V × 0.0259 V = 31.1 cm2/

وبعد ذلك، نطبق صيغة طول الانتشار:

L n = √ (D n / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

ويشير طول الانتشار هذا البالغ 560 ميكروغرام إلى أن الإلكترونيات المستخرجة من الصور الفوتوغرافية في قاعدة من النوع p-type يمكن أن تسافر أكثر من نصف ميليمتر قبل إعادة التوحيد، وهو ما ممتاز لتطبيقات الخلايا الشمسية، وهذا طول الانتشار الطويل يسمح بأن تكون منطقة القاعدة سميكة نسبياً (من 200 إلى 300 ميكروغرام في الخلايا التجارية)، مما يتيح قدراً كبيراً من الامتصاص الضوئي بينما لا يزال يجمع معظم أجهزة التحميل ذات السعة الضوئية.

العوامل المؤثرة في دفوسيون لينغث في موصلات شبه جزيرة

Purity and Crystal Quality

ويؤثر نقاء وبلورة المواد شبه الموصلية تأثيرا عميقا على طول الانتشار من خلال آثارها على عمر الناقل، حيث إن النفورات والعيوب والمشقات والحدود الحبوب تستحدث جميعها دولا للطاقة داخل نطاق الترددات تعمل كمراكز لإعادة التكتل عن طريق آلية شوكلي - ريد - هال، ويوفر كل مركز إضافي لإعادة التوحيد مسارا آخر لشركات النقل إلى الأبد، مما يقلل من طولها.

السيلكون ذو الصلصة العالية النقاء، مثل الزعانف، السيلكون المستخدم في الخلايا الشمسية العالية الأداء والإلكترونيات العالية، يمكن أن يحقق الناقلات عمرا يتجاوز 1 مللي ثاني ومتوسطا لعدة مليمترات، وعلى النقيض من ذلك، فإن النسيج المتعدد الكريستالات الذي يحتوي على حدود حبة وكثافة أعلى من العيوب،

إن التلوث بواسطة المعادن الانتقالية مثل الحديد والنحاس والنيكل يُثبت ضراراً خاصاً لأن هذه العناصر تُدخل فخاخاً عميقة المستوى تكون مراكز إعادة التجميع فعالة للغاية، بل إن التركيزات المتبصلة في نطاق القطع لكل مليارات يمكن أن تُحطّم إلى حد كبير عمر الناقل، وهذا الحساسية للتلوث يُفسر سبب احتياج صناعة الموصلات إلى بيئات شديدة التنظيف والمواد النسيج العالية النسيج، مع وضع بروتوكولات لمنع التلوث وإزالته.

Doping Concentration Effects

ويؤثر تركيز المجاري المتعمدة في طول الانتشار من خلال آليات متعددة، ويقلل تركيز التكتل المتزايد عموماً من تنقل الناقلات بسبب تعزيز ناقلات التشتت المؤينة - تقطع بشكل أكثر تواتراً من المناطق المضبوطة، مما يقلل من مسارها الحر وتنقلها، وبما أن معامل الانتشار يمتد بشكل متواز مع التنقل عبر العلاقة بين آينشتاين، فإن هذا الانخفاض في معدلات التنقل

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي زيادة تركيزات التكثيف إلى الحد من عمر الناقل، لا سيما عند مستويات عالية جداً من التكتل حيث تصبح إعادة التكتل في آبقر كبيرة، وفي المناطق التي تكتنفها الكثافة (حوالي 1018 سم - 3 في السليكون)، تزيد معدلات إعادة التجميع بشكل كبير مع تركيزات المضاعفات، مما يحد بشدة من عمر الناقل، مما يؤدي إلى تداول أساسي في تصميم الأجهزة: زيادة السلوكيات والحد من مقاومة السلاسل الإنتاج.

وقد اتسمت العلاقة بين التكتل والتنقل على نطاق واسع بالنسبة لشبه الموصلات المشتركة، ففي السيليكون، تقلّص حركة الإلكترونية من نحو 1400 سم2/V؛ وفي المواد المزروعة بخفة خفيفة إلى نحو 200 سم2/V؛ وفي تركيزات التعبئة البالغة 1019 سم-3؛ وتظهر هذه التخفيضات في طول الطول المميت انخفاضاً من 450 سم2/V إلى ما يقارب 100 سم2/V؛

إعالة مؤقتة

ويؤثر التدرج على طول الانتشار من خلال تأثيره على التنقل والحياة على السواء، رغم أن هذه الآثار كثيرا ما تعمل في اتجاهات معاكسة، فالكيلوت/ف في علاقة اينشتاين تزداد ترابطا مع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى زيادة معامل الانتشار، غير أن التنقل عادة ما ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة في ناقلات شبه المتجانسات غير المتجانسة بسبب ارتفاع حرارة السفينة المحتوية على درجة حرارة أعلى.

وفي السيليكون، تنخفض حركة التنقل إلى ما يقرب من T-2-14 لنقل البطاطا المبعثرة بدرجات حرارة متوسطة إلى مرتفعة، ويهيمن هذا الاعتماد على درجة الحرارة في التنقل عموماً على الزيادة في الفول الحراري، مما يؤدي إلى معامل انتشار يتناقص بدرجة متواضعة مع ارتفاع درجة الحرارة، ويتوقف الأثر الصافي على طول الانتشار على مدى تفاوت عمر الناقل مع درجة الحرارة، وهو ما ينجم عن آثار حرارة ودرجة حرارة معينة.

وبالنسبة لإعادة التكتل عن طريق الحقل الحراري عن طريق الفخ الأوسط، كثيرا ما تزداد عمر الناقل مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب درجة الحرارة التي تعتمد عليها القطع العابرة للناقلات ومعدلات الانبعاثات الحرارية، غير أنه في المواد التي تكون فيها إعادة التجميع للأوغاد كبيرة، قد تنخفض الحياة بدرجة الحرارة، وهذه الآثار المتنافسة تعني أن طول الانتشار يمكن أن يزيد أو ينخفض بدرجة الحرارة تبعا لآلية إعادة التكديس المهيمنة والخصائص المادية، مما يتطلب تفصيل الدقيق لمواد.

الآثار السطحية والقابلية للقطع

وتستحدث الواجهات والوصلات البينية في أجهزة شبه الموصل مسارات إضافية لإعادة التكتل يمكن أن تؤثر تأثيراً كبيراً على طول الانتشار الفعال، ولا سيما في الأفلام الرقيقة والهياكل النانووية حيث تكون نسب سطح إلى الحجم مرتفعة، وفي سطح شبه الموصلات أو واجهة، ينتهي التمرُّد الدوري بالبلورات بشكل مفاجئ، مما ينشئ روابط ووصلات بينية تعمل كمراكز لتقييد عالية الفعالية.

وعندما تنتشر الناقلات نحو سطح ذي سرعة عالية في إعادة التكتل، تُزال بسرعة عند الوصول إلى السطح، مما يقلل بشكل فعال المسافة التي يمكن أن تقطعها، وفي الأفلام الرقيقة التي يصبح فيها سميك الفيلم قابلاً للمقارنة أو أصغر من طول الانتشار السائب، يمكن لإعادة التوحيد السطحي أن تهيمن على السلوك العام لإعادة التكتل، ويصبح طول الانتشار الفعلي محدوداً بسمكة الأفلام والجودة السطحية بدلاً من السمية السطحية.

وتهدف تقنيات التسرب السطحي إلى الحد من سرعة التكتل السطحي عن طريق تعديل سطح الأرض من الناحية الكيميائية أو مادياً للقضاء على السندات المشتعلة والحد من كثافة الدولة في الوصلة البينية، وتشمل نُهج التبريد الحراري (تعريف السيو2 على السيليكون)، وترسيب طبقات الديكل الممتد (مثل النيديكون أو أكسيد الألمنيوم) والعلاج الكيميائي

اعتبارات مستوى الحقن

أما مستوى الحقن - تركيز الناقلات الزائدة مقارنة بتركيز ناقلات التوازن - فينتقد كلاً من التنقل والعمر، مما يؤثر على طول الانتشار، وفي مستويات منخفضة من الحقن، حيث تظل تركيزات الناقلات الزائدة أقل بكثير من تركيزات المفاعلات، والنقل، وإعادة التكدس، تظل ثابتة نسبياً، وتعادل قيمها المنخفضة الحقن، غير أنه عند مستويات التركيز العالية، فإن التأثيرات الفائضة للناقلات، التي تصبح أكثر قابلية للمقارنة.

ويمكن أن تؤدي ظروف الحقن العالية إلى تغيير التنقل الفعال من خلال آثار تحطيم وفحص ناقلات السيارات، والأهم من ذلك أن ارتفاع الحقن يؤثر تأثيراً كبيراً على معدلات إعادة التكتل، ولا سيما بالنسبة لإعادة التكتل الأوقيانوغرافية، التي تُضخ بمساحة تركيز الناقل أو مكعبه تبعاً لعملية الأوجية المحددة، وهذا التبعية القوية على مستوى الحقن في إعادة التكثيق يعني أن عمر الناقل يقل كثيراً في حالة رطوبة العالية.

وتعاني الخلايا الشمسية العاملة تحت ضوء الشمس المركز، على سبيل المثال، من مستويات عالية من الحقن يمكن أن تقلل من طول الانتشار الفعلي مقارنة بالظروف التي تقاس بوحدة واحدة، وبالمثل، تواجه الأجهزة السائلة السائلة ذات الكثافة العالية الحالية قيودا على إعادة التكتل بين الأوقيان مما يقلل من طول نشر الناقل ويمكن أن يحد من كفاءة الجهاز، كما أن وضع النماذج الدقيقة لأداء الأجهزة في ظروف التشغيل يتطلب مراعاة هذه الآثار التي تعتمد على الحقن.

Measurement Techniques for Diffusion Length

Electron Beam Induced Current (EBIC)

(ب) الشعاع الإلكتروني المستخرج (Electron Beam Induced Current) هو تقنية قوية لقياس طول الانتشار في أجهزة شبه موصلة، ويمكن في هذه الطريقة أن يؤدي الشعاع الكهربائي المركّز من مجهر كهربائي مُسحّل الكولونات الإلكترونية في شبه الموصل، وعندما يكون الشعاع مُوضعاً بالقرب من مفترق جمع (مثل مسافات مُفصلة)

ويمكن أن يصل الحل المكاني للشبكة، الذي يحدده قياس الشعاع الإلكتروني وحجم توليد الناقلات، إلى النطاق دون الميكرومتر، مما يتيح رسم خرائط مفصلة للتغيرات في طول الانتشار عبر جهاز ما، وهذه القدرة تثبت قيمتها بالنسبة لتحديد العيوب المحلية، أو حدود الحبوب، أو الضرر الناجم عن التجهيز الذي يخفض طول فترة الانتشار المحلية، ويمكن إجراء قياسات التصنيفات على أجهزة التغيُّر ذات الجودة المتقاطعة من أجل نشر الخرائط.

طريقة التطوع السطحي

وتقيس تقنيات التطويع السطحي طول التفريغ بتحليل مدى تأثير الناقلات المستخرجة من الصور على الإمكانات السطحية لشبه الموصل، وعندما يولد الضوء ناقلات في المواد، ينتج انتشارها نحو السطح تطويع ضوئي يعتمد على طول الانتشار، ومعامل الاستيعاب، والخواص السطحية، وباختلاف نماذج الاختراق الموجية التي تنتج عن الاختراق (التي تغير الجيل).

وتتيح أساليب المعالجة بالمبيدات المتطورة ميزة عدم وجود اتصالات أو غير تدميرية، مما لا يتطلب إعداد عينات خاصة أو اختلاق أجهزة، مما يجعل من المقطعي السداسي مفيداً بشكل خاص لوصف الخيوط الخام أو المواد أثناء التجهيز قبل إتمام الجهاز، غير أن التقنية تتطلب معايرة دقيقة ونموذجاً لحصر آثار إعادة التكتل السطحي، وتتوقف الدقة على معرفة الممتلكات البصرية والظروف السطحية.

انخفاض الناتج التصويري

(ب) أن قياسات التحلل الضوئي تحدد عمر الناقل عن طريق رصد كيفية تحلل طريقة سير عينة شبه الموصل بعد نبض الضوء بعد أن تولد ناقلات زائدة، وبما أن طول الانتشار يعتمد على الجذر المربع للحياة، فإن القياسات الدقيقة مدى الحياة تتيح حساب طول الانتشار إذا كان معامل الانتشار أو التنقل معروفا، وأن العينة مضللة بنبض خفيفي يقاس عندئذ بقيمتها الزمنية الافتراضية.

وينتج هذا الأسلوب أفضل من العينات المتماثلة نسبيا التي يمكن فيها التقليل من التقارب السطحي أو حسابه عن طريق التقلبات السطحية الملائمة، وتشمل التغيرات في هذه الطريقة اختلال القدرة على التصوير بالموجات الدقيقة (ميك-دي)، الذي يستخدم انعكاس الموجات الدقيقة لتغييرات السلوك دون الحاجة إلى الاتصالات الكهربائية، واتباع أسلوب التصوير الضوئي الذي يتراوح بين نصف ثابت في الجسم (Q-PCS).

تحليل الاستجابة السريعة

وبالنسبة للأجهزة الضوئية المكتملة، فإن الاستجابة الطيفية أو قياسات الكفاءة الكمي توفر معلومات عن طول الانتشار من خلال تحليل كفاءة جمع الناقلات التي تعتمد على الموجات المتطاولة، ويستوعب الضوء القصير الموجة بالقرب من السطح، بينما يخترق الضوء الطويل المدى الجهاز، وتتوقف كفاءة جمع الضوء البعيد المدى على ما إذا كانت الناقلات تولدت في أعماق الجهاز.

ومن خلال تجهيز بيانات الاستجابة الطيفية المقاسة لنماذج الأجهزة التي تشمل طول الانتشار كمسبار، يمكن استخراج طول ناقلات الأقليات في مختلف مناطق الجهاز، ويوفر هذا النهج معلومات مطولة عن طريق نشرها في ظروف التشغيل الفعلية للأجهزة، بما في ذلك آثار الحقول الكهربائية المبنية في الظروف السطحية الواقعية، غير أن الاستخراج يتطلب معرفة دقيقة بمعالم أخرى للأجهزة مثل سميكات طبقة، ونتائج التلاعب، والخصائص الضوئية، والخصائص الضوئية.

Diffusion Length in Different Semiconductor Materials

Crystalline Silicon

ولا تزال مادة السيليكون الكريستالين هي المادة شبه الموصلية المهيمنة بالنسبة للتطبيقات الفوتوغرافية وتحتفظ بأهمية في العديد من الأجهزة الإلكترونية، ويمكن لسيليكون الأوكسترال العالي الجودة أن يحقق عمراً استثنائياً للناقلات يتجاوز 1 مللي ثاني وطول مداه لعدة مليمترات من ناقلات الأقليات، وفي التطبيقات العملية للخلية الشمسية تتراوح فترات الانتشار عادة بين 200 ميكروغرام و000 1 ميكروم مجهزة.

ويؤدي الضم غير المباشر للسيليكون إلى ضعف في الامتصاص البصري، وإلى زيادة سميكات الممتصات التي تبلغ 100-300 ميكروم لاستيعاب الضوء بكفاءة، ويثبت طول فترة الانتشار الطويلة التي يمكن تحقيقها في البلورين أن التصاميم المتعددة الأطراف التي تولدت في كامل سميكة الممتص يمكن أن تنتشر إلى الزلازل الذي يُعد من أجل جمعه.

Gallium Arsenide and III-V Semiconductors

وتظهر أشباه الموصلات المركبة من طراز Gallium (GaAs) وما يتصل بها من مركبات من طراز III-V، مجموعات مباشرة، مما يؤدي إلى استيعاب بصري قوي يتيح مستويات أنظف بكثير من الممتصات مقارنة بالسيليكون، بينما يمكن أن تحقق أجهزة الغاز ذات الجودة العالية عمراً من حاملات أقلية من عدة بلورات سميكة إلى ثانيات صغيرة، مع ما يقابلها من طول انتشار في نطاق يتراوح بين 1 و 10 ميكرومرات.

ويوفّر ارتفاع معدل التنقل الإلكتروني في نظام غاس (حوالي 800 سم2/V) مقارنة بالسيليكون معاملاً أكبر لنشر البيانات، ويعوض جزئياً عن أقصر مدة ممكنة.() ويجد الموصلون الشبه الموصلون التطبيقات في خلايا شمسية متعددة الكفاءة عالية، وأجهزة إلكترونية عالية السرعة، وأجهزة الاختراق الضوئية حيث يُسترعى انتباههم المباشر إلى النطاقات وأجهزة النقل الممتازة.

مواد الكادميوم والثين - الفيلم

وتمثل مادة سائلة فوتاتوغرافية ذات مقياس رفيع جداً مجهزة جيداً بالطيف الشمسي، وتستعمل الخلايا الشمسية في الأشعة السيد تي طبقات ممتصة البوليكريستال ميكروغرام فقط، وهي مادة ذات سميكة تبلغ درجة أكبر بكثير من خلايا السيليكون البلوري، وتبدو أطوال سعة الناقلات الصغرى في الزهرة الواحدة تتراوح بين 0.5 و2.

غير أن خلايا الـ (CdTe) تعمل بفعالية على الرغم من هذا التحديد الظاهر لأن حقل الكهرباء المبني يمتد على نطاق طبقة الممتصات الرقيقة، ويوفر مجموعة مُستعمَلة تكمِّل الانتشار، ويظل الامتصاص البصري القوي لـ (CdTe) (معامل الامتصاص يتجاوز 105 سم - 1 بالنسبة للضوء فوق النطاق) يعني أن معظم الناقلات تولد في عدد قليل من مقاييس الترددية المعززة.

Perovskite Solar Cell Materials

وقد ظهرت مفاتيح الفلفلاتينية المميتة كالمواد الفولتاتية الواعدة، مما أدى إلى تحسينات ملحوظة في الكفاءة خلال العقد الماضي، وتظهر هذه المواد إطالة مديدة على نحو مفاجئ في نشر الناقلين على الرغم من كونها أفلاما متعددة الكريستالات المجهزة بالحل، ويمكن للأفلام ذات النوعية العالية أن تحقق إطالة انتشار تتجاوز 1 ميكروغرام، مع بعض التقارير عن طولها في نطاق واسع يصل إلى 10 ميكروغرام أو أكثر.

إن الجمع بين طول الانتشار الطويل والاستيعاب البصري القوي (البسيط إلى غاس) يتيح جمع ناقلات الحاملات بكفاءة في أفلام البروفسكيت فقط من 300 إلى 500 نم، ولا تزال الآليات التي تستند إليها هذه المواد الطويلة الانتشار التي تبعث على الدهشة في المواد التي تعالجها الحلول موضوعا بحثيا نشطا، مع عوامل مثل التسامح إزاء العيوب، والتشكيل الكبير للعمود القطبي، والتحسينات الحكيمة المحتملة.

النواقل الشبه العضوية

وتظهر المواد العضوية شبه الموصلات المستخدمة في المواد العضوية الفولطية والالكترونيات العضوية عادةً فترات قصيرة جداً لنشر الناقلات، وبصفة عامة في نطاق يتراوح بين 5 و20 دقيقة. وتنشأ هذه المدّة القصيرة للغاية من سلاسل الناقلات المنخفضة (من 10 إلى 4 إلى 1 سم2/V) وخصائص العمر القصيرة للمواد العضوية، حيث تكون الناقلات محلية على فرادى الجزيئات أو آليات النقل المتعددة.

وتستلزم فترات الانتشار القصيرة في شبه الموصلات العضوية هياكل مختلفة تماماً عن تركيبات الأجهزة مقارنة بشبه الموصلات العضوية، وتستخدم الخلايا الشمسية العضوية هياكل هباءية للجملة حيث تختلط المواد الكهربائية والمعتمدة بالكهرباء بشكل وثيق على النطاق النانووي، مع ضمان أن تكون المبيدات المستخرجة ذات الصبغة الفموية دائماً في نطاق واسع من واجهة ناقلات المانحين المصممة حيث يمكن أن تفصل فيها.

الاعتبارات المتعلقة بتصميم الأجهزة وتحقيق الاستخدام الأمثل لها

Solar Cell Design Principles

وفي الأجهزة الفولطية الضوئية، تحدد العلاقة بين طول الانتشار وطول مقياس التكوين الجيولوجي أساسا كفاءة جمع الأجهزة والأداء العام، وبالنسبة للجمع الأمثل للناقلات، ينبغي أن يكون سميك كل منطقة في الخلية الشمسية أقل من طول نشر ناقلات الأقليات في تلك المنطقة أو أن يكون مقارنته بذلك، وعندما يتجاوز سميك الموصل بدرجة كبيرة طول الانتشار، فإن الناقلات التي تولد بعيدا عن الصورة الزجري ستعاد احتواءها قبل جمعها.

ويخلق هذا المبدأ التصميمي مبادلات: فالممتصات الأكثر سماكة تلتقط مزيدا من الضوء (وبخاصة بالنسبة لضعف استيعاب المواد مثل السيليكون)، ولكنها تتطلب إطالة أطول في عملية جمع البيانات بفعالية، وتعالج التصميمات المتقدمة للخليات هذه المبادلات من خلال استراتيجيات مختلفة، وتخلق الهياكل الميدانية الخلفية حاجزا محتملا يعكس ناقلات الأقليات بعيدا عن السطح الخلفي ويوسع نطاق منطقة التحصيل بصورة فعالة.

وتقيم خلايا الاتصال الخلفية المترابطة كلا الاتصالين على السطح الخلفي، وتزيل الظل الأمامي، وتسمح بتعظيم السطح الأمامي لاستيعاب الضوء وتوليد الناقلات، غير أن تصميمات شركة آي بي سي تضع متطلبات صارمة على طول الانتشار لأن الناقلين يجب أن يسافروا في وقت لاحق للوصول إلى الاتصالات التجميعية، وتحتاج الخلايا المتتالية للسوائب الوسيطة للسوائب إلى إطلالة تتجاوز 1 ملم، ولا يمكن تحقيقها إلا.

تصميم مترجمين ثنائي القطب

وفي مترجمات التقاطع الثنائي القطب، يشكل نشر ناقلات الأقليات عبر منطقة القاعدة آلية النقل الأساسية التي تتيح إجراء النقل، ولكي تكون عملية النقل فعالة، يجب أن تكون الأسلاك الأساسية أصغر بكثير من طول نشر ناقلات الأقليات في القاعدة، وعندما تكون هذه الحالة راضية، فإن معظم الناقلات بالحقن من المسببة للانتشار عبر القاعدة ويصل إلى المجمع، مما يؤدي إلى ارتفاع في الوقت الراهن.

ويتوقف الكسب الحالي (بيتا) لطائرة من طراز BJT اعتماداً كبيراً على نسبة الأسلاك الأساسية إلى النشر - حيث تقترب الأسلاك الأساسية من طول الانتشار، وتهبط المكاسب الحالية بشكل كبير بسبب تزايد عدد أجزاء الناقلين التي ترتفع طولها بدلاً من الوصول إلى المجمع، وتُستخدم أقل المواظب التي تُستخدم في إطارها كميات كبيرة من الجرعات الصغيرة من المثبطات الأرضية التي تبلغ 100 ميل أو أقل.

التفريغ الأمثل

ويحوّل مُوصلو الصور الضوئية إلى إشارات كهربائية، مع قياسات الأداء بما في ذلك الاستجابة (العملية الحالية لكل وحدة بصرية)، والسرعة (الزوجة)، وخصائص الضوضاء، ويؤثر طول الشدة على كل من المسؤولية والسرعة في أجهزة التصوير، ويستلزم ارتفاع مستوى الاستجابة جمع ناقلات مُضللة، مما يتطلب عدم تجاوز سميكة المُصَبِّين بدرجة كبيرة.

وكثيرا ما تكون سرعة أجهزة التصوير محدودة بسبب وقت عبور الناقلات عبر الجهاز، إذ أن الناقلين الذين يجب أن ينشروا مسافات طويلة يستغرقون وقتا أطول للوصول إلى الاتصالات التي تجمع، مما يحد من نطاق الترددات، مما يؤدي إلى تداول بين المثقفين (المصنوعين من الممتصات الداكنة المتحركة، وطول فترات الانتشار الأطول) والسرعة (المصنوعة من الممصنوعات وصورات القصيرة المستخدمة في النقل).

وتُدخل أجهزة التصوير الفلكية في أفالانشي (APDs) وأجهزة الإفلاس في فوتوون واحد (SPADs) اعتبارات إضافية لأن عملية التكاثر في الأنفلانشي تتطلب من الناقلين أن يجتازوا منطقة متعددة، ولا يزال طول الانتشار في منطقة الاستيعاب يحدد كفاءة جمع المواد، ولكن تصميم الأجهزة يجب أن يُحسب أيضا لخصائص منطقة الفالنشي والرسوم التجارية بين الربح والسرعة والضوضاء.

المواضيع المتقدمة والأبحاث الجارية

آثار الناقلات الساخنة

وتفترض الإجراءات الرسمية الموحدة لطول الانتشار أن الناقلات قد تأثّرت في درجة حرارة التمرّد، مع الطاقات التي تميز بالتوزيع الحراري، إلا أن الناقلات، بعد جيل أو حقن، تمتلك طاقة زائدة، وهي " هت " بالنسبة للممر، وتظهر الناقلات الساخنة خصائص مختلفة للنقل وإعادة التكتل مقارنة بالناقلات المُثَلة، مع احتمال أن تكون أعلى فعالية في معامل التكدس.

وتصبح آثار الناقلات الساخنة هامة بصفة خاصة في الأجهزة العاملة في حقول كهربائية عالية أو في ذروة شديدة وفي المواد التي تخفف من الطاقة، وترمي البحوث في الخلايا الشمسية للناقلات الساخنة إلى استخراج الطاقة من الناقلات قبل أن تُحلّل، وربما تتجاوز الحد الأقصى لكفاءة شوكلي - كويسر، ويمثل فهم طول نشر الناقلات الساخنة واستحداث مواد ذات عمر ناقلات حرارة عالية، خطا حدوديا نشطا في الفيزياء عالية الكفاءة.

آثار المصادرة الكمية

وفي أجهزة النانو الموصلات شبه المهيكلة مثل الآبار الكمي والأسلاك الكمية والنقاط الكمية والكمية، فإن العزل المكاني للناقلات بأبعاد أو أكثر يُحدِّد مستويات الطاقة فيها وممتلكات النقل، وعندما تصبح الأبعاد المادية للهيكل قابلة للمقارنة أو أصغر من مستويات موجة الناقلة (التي تعد عددا قليلا من المقاييس النانومترية)، تصبح آثار العزل الكمي كبيرة، وتُعدِّل مستويات الطاقة.

ويؤثر العزل الكمي على طول الانتشار من خلال التغييرات في معدلات التنقل وإعادة التكتل، وقد تظهر الناقلات المقننة تقلّل من التنقل بسبب تفرقها المتزايد عن الحدود والوصلات البينية، مما يقلل من معامل الانتشار، وعلى العكس من ذلك، يمكن أن يعدل العزل الكمي معدلات التراكم من خلال تغيير التداخل بين الكهرباء وطول الموجات الثقوب وتغيير كثافة الدول.

مواد استئصالية

وقد ظهرت مواد ثنائية الأبعاد مثل الغرافيين، والديكهالوجينات المعدنية المارة بمرحلة انتقالية، والفوسفور الأسود، كمواد واعدة للجيل القادم من الإلكترونيات والبيكرونات الضوئية، وتظهر هذه المواد ذات الصبغة الذرية خصائص نقل فريدة تختلف عن شبه الموصلات، وفي الغرافيا، فإن العلاقة بين التفكك الخطي والتنقل العالي تتيح إطالة طويلة للغاية، حيث توجد تقارير عن وجود خلايا متعددة.

ويظهر الشبه الموصلات التي تستخدمها أجهزة السحب من طراز MS2 و WSe2 سلوكا شبه موصلا تقليديا ولكن مع وجود حبس كمي قوي في الاتجاه غير المخطط له، ويحدث انتشار الناقل في هذه المواد في الخطة أساسا، حيث تتراوح طولها بين مئات المقاييس النانوية وبعض المقاييس حسب نوعية المواد المادية وعدد الطبقات الوسيطة.

Ambipolar Diffusion

وينظر العلاج الموحد لطول الانتشار في الإلكترونية والثقوب بصورة مستقلة، ويناسبها عندما يهيمن نوع ناقل واحد على الناقلات (مثل ناقلات الأقليات في المواد الخاملة أو المزروعة بالضوء) غير أنه في ظروف حقن عالية تكون فيها تركيزات الإلكترونية والثقوب كبيرة، توزع الإلكترونية والثقوب معا للحفاظ على حياد الشحنات، وهي عملية تسمى " انتشار " .

ويختلف معامل انتشار الغامض عن معامل نشر فرادى الناقلات ويعتمد على كل من السائل الكهربائي وأجهزة الحفر، ويصبح طول نشر الغامض، المحسوب باستخدام معامل نشر الغامبي القطبي وعمر اللبس، عادة بين طول كل من الكهرباء وطول فتحة الحفر، ويصبح انتشار البوليتار في أجهزة نقل شمسية هامة مثل أجهزة النقل العضوية.

النهج التعليمية الآلاتية

وقد بدأت البحوث الأخيرة في تطبيق تقنيات التعلم الآلات والاستخبارات الاصطناعية للتنبؤ بأطول فترة الانتشار في المواد شبه الموصلية وتحقيق الحد الأمثل لها، ويمكن أن تحدد نماذج التعلم الآلات التي تم تدريبها على قواعد بيانات الممتلكات المادية المقاسة الروابط بين ظروف التجهيز، والتكوين المادي، والخصائص الهيكلية، وما ينتج عن ذلك من إطالة الانتشار، ويمكن لهذه النماذج أن توجه تطوير المواد بالتنبؤ بالتشكيلات أو نهج المعالجة التي من المرجح أن تسفر عن إطالة طويلة.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لوحدات التعلم الآلي أن تحلل مجموعات بيانات كبيرة من تقنيات التميز المصممة مكانياً مثل التصنيف الإلكتروني الموحد للتعرف تلقائياً على العيوب وتصنيف حدود الحبوب، وتباين طول الخرائط باستخدام مدخل أعلى من التحليل اليدوي، ومع تزايد قواعد البيانات المتعلقة بخواص شبه الموصلات والارتقاء بتقنيات التعلم الآلات، تعد هذه النهج بالتعجيل بوضع مواد جديدة وتحسين ظروف التجهيز من أجل تعزيز طول وأداة الأداء.

المبادئ التوجيهية العملية لتحسين الديموقراطية

اختيار المواد والنمو

ويبدأ تحقيق طول الانتشار الطويل باختيار المواد المناسبة وطرق النمو أو التوليفي، أما بالنسبة لشبه الموصلات الكريستالية، فإن المواد البكتريية الوحيدة توفر عموماً فترات أطول من المواد البوليكريستالية بسبب عدم وجود حدود للحبوب، وأساليب النمو التي تقلل من كثافة العيوب ودمجها في الزوايا الوعية مثل نمو المواد شبه النسيجية أو النسيج الجزيئية - الوبائية.

وعندما يجب استخدام المواد المتعددة الكريستالات لأسباب تتعلق بالتكلفة أو المعالجة، فإن زيادة حجم الحبوب إلى أقصى حد وتجاوز الحدود الحضارية يمكن أن تحسن كثيرا طول الانتشار، وفي المواد ذات الرشاقة، فإن مراقبة ظروف النمو لتشجيع استخدام الحبوب الكبيرة، والتوجهات الكريستالية المفضلة، والكثافة المنخفضة العيوب داخل الحبوب يجب أن تساعد على زيادة عمر الناقلين ومدة الانتشار.

الحصول على المعلومات والجوازات

وتزيل عمليات التغيُّر الشوائب الضارة من مناطق الأجهزة العاملة بتوفير مواقع بديلة تفصل فيها الشوائب بصورة تفضيلية، وتُستخدم عادة في معالجة الخلايا الشمسية في السيليكون، وتخلق طبقة شديدة الفوسفور على السطح تجذب الشوائب المعدنية بعيدا عن السوائب، وتُزال طبقة الطول الممتد من الفوسفور، وتُحدَّد خلفها تركيزات ناقلة مدى الحياة.

ويمثل انتقال الهيدروجين وسيلة قوية أخرى لتحسين طول الانتشار، ويمكن أن تُنقِّل الهيدروجين الذري السندات في العيوب والحدود الحادة، مما يقلل من فعاليتها كمراكز إعادة التكديس، ويُنفَّذ عادة انتقال المواد الهيدروجينية من خلال الطول الممتد في الغلاف الجوي المحتوي على الهيدروجين أو بإيداع أفلام الإثراء الهيدروجيني (مثل النيثان) التي تُؤدّ إلى السوائب.

استراتيجيات القفز السطحي

ومن الضروري تحقيق طول طويل من الانتشار الفعال، لا سيما في الهياكل الرقيقة، ويمكن استخدام آليات متعددة للتسرب، في كثير من الأحيان في مزيج من ذلك، ويقلل التخثر الكيميائي من كثافة الدول البينية من خلال المعالجة السطحية المناسبة وطبقات الوصل البيني، أما بالنسبة للسيليكون، فإن الأوكسيد الحراري ينتج واجهة عالية الجودة من السيو 2 ذات كثافة منخفضة في الدولة، بينما يوفر الديليكوم 2

ويستخدم التسرب من المبيدات الحشرية في الطبقات التغذوية رسوما ثابتة لإبطال نوع ناقل واحد من السطح، مما يقلل من إعادة التكتل السطحي، ويحتوي أكسيد الألومنيوم، على سبيل المثال، على رسوم ثابتة سلبية تبعث على الإلكترونات من السطح، مما يجعلها فعالة بشكل خاص بالنسبة لطول النسيج السطحي.

العملية على الوجه الأمثل

ويمكن أن تؤدي كل خطوة في عملية تصنيع الأجهزة إلى تدهور طول الانتشار عن طريق إدخال عيوب أو شوائب أو أضرار، ويتطلب الحد من تدهور العمليات التدني من التحلل التدريجي الناجع لكل خطوة، وينبغي أن تُجرى العمليات ذات الطابع العالي في بيئات نظيفة ذات غازات عالية النقاء لمنع التلوث، وينبغي أن تستخدم عمليات البلاستيك الظروف التي تقلل من ضرر القصف بالأيون، وينبغي أن تستخدم العمليات الكيميائية الرطبة مواد كيميائية عالية النقاء وتتجنب التلوث من المعدات.

كما أن تسلسل العملية يكتسي أهمية في اتخاذ خطوات للانتقال والتبديد بعد أن يمكن أن تلحق العمليات التي يمكن أن تلحق ضرراً يمكن أن تسترد فترة الانتشار التي ستفقد لولا ذلك، ويساعد تحديد طول الانتشار في نقاط متعددة أثناء التجهيز على تحديد الخطوات التي تسبب التدهور، وتسمح بتحقيق الاستخدام الأمثل، ويمكن أن تحقق المعالجة الحرارية السريعة في بعض الأحيان المعالجة الحرارية اللازمة بأقل من حجم الميزانية الحرارية التي تُقلل من التجهيز التقليدي للفرن.

الشلالات المشتركة والاضطرابات

القياس

ويتطلب التحديد الدقيق لطول الانتشار اهتماما دقيقا لمنهجية القياس والقطع الأثرية المحتملة، ويمكن أن يؤدي إعادة التكتل السطحي إلى قياس طول الانتشار الفعلي بحيث يكون أقصر بكثير من طول الانتشار الحقيقي للجملة، ولا سيما في العينات الرقيقة أو عندما يكون التسرب السطحي ضعيفا، ويتطلب التمييز بين قيود إعادة التكديس بالجملة والسطح قياسات على العينات باستخدام خصائص السوائب أو تقنيات المعالجة السطحية المختلفة.

ويعني الاعتماد على مستوى الحقن طوال العمر ومدة الانتشار أن القياسات التي تجرى على مستوى واحد من كثافة التصوير أو الحقن قد لا تمثل بدقة ظروف تشغيل الأجهزة، وأن وصف طول الانتشار باعتباره وظيفة من وظائف الحقن يوفر معلومات أكمل ويتيح وضع نماذج أكثر دقة للأجهزة، كما أن عدم التوحيد المكاني في الممتلكات المادية يمكن أن يؤدي أيضاً إلى تعقيد قيمة المواد المتعلقة بالتفسير - أي قيمة واحدة من حيث الجودة قد لا تصف على نحو كاف.

قضايا النزاع

ويمثل التلوث بالسلكية أحد أكثر الأسباب شيوعاً لطول الانتشار القصير بشكل غير متوقع في المواد والأجهزة شبه الموصلات، بل إن مستويات التعقب من المعادن الانتقالية يمكن أن تستحدث فخاخاً عميقة المستوى تقلل بشكل كبير من عمر الناقل، ويمكن أن تحدث عملية التطهير خلال النمو البلوري، أو تجهيز الخيوط، أو اختلاق الأجهزة من المواد الكيميائية غير الجاهزة، أو المعدات الملوثة، أو مناولة غير سليمة.

ويتطلب منع التلوث بروتوكولات دقيقة للتنظيف في جميع مراحل تجهيز المواد والأجهزة، إذ يمكن استخدام المواد الكيميائية والغازات العالية النقاء، وصيانة معدات المعالجة النظيفة، ومتابعة إجراءات معالجة الوافر، أن تساعد جميعها على التقليل من التلوث، وعندما يشتبه في أن التلوث، فإن التقنيات التحليلية مثل التصوير المطياف الضوئي العميق المستوى أو المطياف العمري يمكن أن تحدد الملوثات المحددة الموجودة، وتسترشد بها جهود الإصلاحية.

الضرر الناتج عن العملية

ويمكن أن تؤدي خطوات عديدة لمعالجة شبه الموصلات إلى أضرار تتدهور طولها، حيث يؤدي زرع الأنابيب إلى إلحاق أضرار بالتشرد والمناطق الهلامية التي يجب أن تكون محصورة لاستعادة الجودة الكريستالية، ويمكن أن يتسبب البلاسم الخرق في تلف بالقذائف في السطح، ويمكن أن يؤدي تجهيز الليزر إلى الإجهاد والعيوب الحرارية، كما أن العمليات الميكانيكية مثل الشهية، والطخة، والبث تؤدي إلى أضرار سطحية.

ويتطلب الاعتراف بالأضرار الناجمة عن العمليات والتخفيف من حدتها فهم آليات الضرر المرتبطة بكل عملية وتنفيذ خطوات الإصلاح المناسبة، ويمكن أن يصلح التحلل الحراري أنواعاً كثيرة من الضرر، على الرغم من أن الظروف التي تلحق الضرر يجب أن تُحدَّد إلى أقصى حد ممكن من أجل التعافي من الأضرار مع التقليل إلى أدنى حد من آليات التحلل الأخرى، ويمكن أن يستعيد التحول إلى مستويات متضررة من خلال الخرف أو التخصيب طولاشير فترة الانتشار في الحالات التي يُقتصر فيها على مناطق قريبة من السطح.

الاتجاهات المستقبلية والتطبيقات الناشئة

وما زالت أهمية طول الانتشار في أجهزة شبه الموصلات تدفع البحث إلى مواد جديدة، وتقنيات التميز، وهندسة الأجهزة، إذ أن المواد الفولطية الضوئية الناشئة مثل المزلاجات، والهجينات العضوية، وثبات النعناع الكمي، ستتطلب فهما أساسيا للطول المفصل للنقل وإعادة التكتل من أجل استخدام أجهزة التحكم في المواد ذات الكفاءة العالية.

ومن شأن مفاهيم أجهزة التبريد مثل الخلايا الشمسية للناقلات الساخنة، والزنازين الشمسية المتوسطة النطاق، وأجهزة توليد متعددة من أجهزة البيوت على التفوق أن تضع مطالب جديدة على ممتلكات النقل الناقل وقد تتطلب إعادة التفكير في مفاهيم طول الانتشار التقليدي، وقد تستغل الأجهزة الحاسوبية العصبية وغيرها من التطبيقات الإلكترونية الناشئة مواد ذات خصائص محددة من طول الشدة لتحقيق التشغيل المنشود، حيث تستمر أجهزة شبه الموصلات في التقلص وتظهر مواد وأجهزة جديدة وتتحقق أفضل قدر من المصادر.

ويبشر إدماج علوم المواد الحاسوبية، والتجارب العالية المخرجات، ونهج التعلم الآلي بالتعجيل باكتشاف المواد التي تفصل بين مختلف التطبيقات المحددة وبلوغها الأمثل، وبجمع التنبؤات النظرية، والفحص التجريبي السريع، والتفاؤل القائم على البيانات، يمكن للباحثين أن يستكشفوا على نحو أكثر كفاءة الحيز الهائل من المواد الممكنة وشروط التجهيز لتحديد النهج المثلى لتحقيق فترات طويلة من الانتشار وأجهزة عالية الأداء.

خاتمة

ويُعتبر طول التفشي مظلة أساسية يمكن أن تحدد الجسور التي تُستخدم فيها خصائص المواد المجهرية وأداء الأجهزة الكلية في تكنولوجيا شبه الموصلات، إذ إن فهم المنشأ المادي لطول الانتشار، والعلاقات الرياضية التي تحكمه، والعوامل الغامضة التي تؤثر عليه، يمكن أن يوفر معرفة أساسية لأي شخص يعمل في تصميم الأجهزة شبه الموصلة، أو علم المواد، أو الميادين ذات الصلة.

ويتطلب تحقيق طول الانتشار الطويل الاهتمام بالنوعية المادية، وظروف التجهيز، والممتلكات السطحية والواجهة، والاعتبارات المتعلقة بتصميم الأجهزة، ومن اختيار مواد عالية النقاء لبدء تنفيذ استراتيجيات فعالة للتخليص من أجل تحقيق أقصى قدر من المعلومات الجغرافية للأجهزة، فإن كل جانب من جوانب تكنولوجيا الشحذ يمكن أن يؤثر على طول الانتشار وفي نهاية المطاف على أداء الأجهزة، وبما أن أجهزة شبه الموصلات لا تزال تتطور إلى حد أكثر كفاءة وأسرع وأصغر وأكثر تنوعاً في تطبيقاتها.

وبالنسبة للباحثين والمهندسين والطلاب العاملين في المواد والأجهزة شبه الموصلية، فإن وضع حدس بشأن طول الانتشار وآثاره يتيح اتخاذ قرارات تصميمية أفضل، وتشويه اضطرابات أكثر فعالية، وزيادة فهم الفيزياء الفيزيائية للأجهزة، وسواء ما زال استخدام الخلايا الشمسية إلى أقصى درجة من الكفاءة، وتصميم أجهزة نقل ذات سرعة عالية، وتطوير أجهزة تصوير ضوئية حساسة، أو استكشاف مواد وأجهزة متقدمة، فإن المفاهيم والأساليب التي نوقشت في هذا الدليل الشامل توفر ما يلزم من معلومات.

For further reading on semiconductor physics and tool design, the PV Education website] offers excellent resources on photovoltaic tool physics, while ]Ioffe Institute's semiconductor database provides comprehensive material property data. The[FLT optim:4]