کاربردهای اتصالات نانوالکترونیکی 1

1- مقدمه

از بین کاربردهای گسترده اتصالات یادشده در قطعات الکترونیکی و نانوالکترونیکی می‎توان به دیودهای یکسوکننده، سلول‎های خورشیدی (photodiods)، دیودهای ساطع‌کننده نور (LEDs) و ترانزیستورها اشاره کرد. در این مقاله به بررسی و تشریح این کاربردها و مبنای عملکرد آنها پرداخته خواهد شد.

2- دیودهای یکسوکننده

یکسوکننده‎های ایده‎آل مبتنی بر نیمه‎هادی (اتصالات p-n)، در برابر بایاس مستقیم، مقاومت صفر و در برابر بایاس معکوس، مقاومت بی‎نهایت (از ولتاژ صفر تا ولتاژ شکست) از خود نشان می‌دهند. اما در عمل، دیودهای نیمه‎هادی ایده‎آل نیستند. در حالت بایاس مستقیم، دیود نیمه‎هادی تا یک ولتاژ خاصی که به آن ولتاژ روشن شدن (turn on) یا ولتاژ cut-in می‎گویند، نارسانا است و با افزایش ولتاژ بیش از این مقدار بحرانی، رفتار رسانا از خود نشان می‌دهد. در این حالت نیز جریان با ولتاژ، رابطه خطی دارد و شیب آن، مقاومت اتصال را نشان می‎دهد. این درحالی است که در حالت ایده‎آل، رابطه جریان و ولتاژ مستقیم و به صورت نمایی است. همچنین در حالت بایاس معکوس (در ولتاژهای کمتر از ولتاژ شکست)، مقداری جریان موسوم به «جریان نشتی» (leakage current) وجود دارد که مقدار آن قابل توجه است.
یکی از تفاوت‎های مهم دیود شاتکی و p-n، زمان بازیابی معکوس (reverse recovery time, t_rr) است. t_rr مدت زمانی است که دیود از حالت رسانا به حالت نارسانا تغییر می‎کند. در دیودهای p-n، این مدت زمان از چندین میکروثانیه تا 100 نانوثانیه (در دیودهای سریع) است. در مقابل، دیودهای شاتکی زمانی برای بازیابی نیاز ندارند، زیرا بازیابی برای آنها موضوعیت ندارد. در واقع، در دیود شاتکی لایه تهی ایجاد نمی‎شود.
امروزه با پیشرفت‌های به‌دست آمده در حوزه نانوالکترونیک، تعداد بسیار زیادی نانودیود مبتنی بر اتصالات مختلف توسعه یافته است. از مهم‌ترین این اتصالات می‌توان به «اتصال بین هتروساختارهای مبتنی بر نانولوله کربنی»، «نانوسیم‎های سیلیکونی نوع p وn» و «اتصالات بین نوک پروب فلزی STM و سطح نیمه‎هادی» اشاره کرد. برای نمونه می‎توان اتصالات p-n را بر پایه نانولوله کربنی ساخت. نانولوله‎های کربنی بسته به ساختار خود می‎توانند رفتار فلزی و نیمه‎رسانایی از خود نشان دهند. همچنین می‎توان با اضافه کردن عناصر ناخالصی مانند آنچه در نیمه‎هادی‎های متداول اتفاق می‎افتد، نانولوله کربنی نیمه‎هادی را به نوع p یا n تبدیل کرد. لذا با ترکیب این دو می‎توان نانودیود p-n مبتنی بر نانولوله کربنی تولید کرد. شکل 2 شمایی از این نوع نانودیود و نمودارهای جریان-ولتاژ مربوط به آن را نشان می‎دهد.

با کوچک کردن گیت‎های اتصال، می‎توان از نانولوله کربنی منفرد برای ساخت اتصالات p-n و دیودهای مبتنی بر آنها استفاده کرد. شکل 3 نمودار ولتاژ-جریان دیود مبتنی بر نانولوله کربنی منفرد را نشان می‎دهد.

به‌طور نظری، در نانودیودهای شاتکی، ضخامت مانع پتانسیل، تابعی از اندازه دیود است. لذا با کاهش ابعاد دیود به مقیاس نانومتری، اندازه ضخامت مانع نیز کاهش یافته و سهم تونل‌زنی در هدایت الکتریسیته بیشتر می‎شود. همچنین با کوچک شدن اندازه دیود، نمودار جریان-ولتاژ دیود مانند شکل 4 تغییر می‎کند. در واقع، در دیودهای شاتکی بزرگ، جریان-ولتاژ شکل نمایی دارد. با کوچکتر شدن دیود، جریان معکوس افزایش یافته تا حدی که در اندازه‎های بسیار کوچک (1 نانومتر)، جریان معکوس از جریان مستقیم بیشتر می‎شود.

3- سلول‎های خورشیدی (دیودهای نوری)

زمانی که انرژی نور برخوردی کمتر از انرژی نوار ممنوعه نیمه‎هادی باشد، توسط آن جذب نشده و نور عبور می‎کند. نتیجه این کار، شفاف بودن نیمه‎هادی نسبت به نور تابیده شده است. اما اگر انرژی نور برخوردی برابر و بزرگتر از انرژی باند ممنوعه نیمه‎هادی باشد، الکترون‎های نوار ظرفیت تهییج شده و جفت الکترون-حفره به‌وجود می‎آید. این الکترون‎ها در لایه تهی به‌سمت نیمه‎هادی n مهاجرت می‎کنند و حفره‌ها نیز به‌سمت ناحیه p می‎روند. نیروی محرکه مهاجرت الکترون‏ها و حفره‎ها در فصل مشترک، وجود میدان الکتریکی موجود در لایه تهی است. این موضوع در مقاله قبلی با عنوان «مبانی و فیزیک اتصالات نانوالکترونیکی 2» به‌تفصیل مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. حامل‎های بار تولید شده، توسط الکترودهای خارجی جمع می‎شوند و در مدار خارجی مورد استفاده قرار می‎گیرند.
برای افزایش سطح موثر سلول خورشیدی، نیمه‎هادی نوع p معمولاً بسیار نازک ساخته می‎شود (معمولاً 1 میکرون). نور خورشید با عبور از نیمه‎هادی p به مرز اتصال (یا اطراف آن) می‎رسد (شکل 5-الف). الکترون‎ها معمولاً توسط الکترودهای فلزی نازک از جنس آلومینیوم که به صورت ردیف‎های متناوب مانند شکل 5-ب در سطح نیمه‎هادی قرار گرفته اند، جمع می‎شوند.

آن دسته از اتصالات منفرد p-n که از یک نیمه‌هادی سیلیکونی نوع n و یک نیمه‌هادی سیلیکونی نوعp تشکیل شده است، دارای ولتاژ مدارباز (open circuit voltage) حدود 0/6 ولت و ولتاژ بار (Voltage load) حدود 0/45 ولت است. لازم به ذکر است که ولتاژ مدارباز در حالتی است که مدار خارجی به اتصال اعمال نشده و ولتاژ بار برای حالتی است که مدار خارجیِ دارای مقاومت، اعمال شود. استفاده از سلول‎های خورشیدی چندلایه (اتصالات متوالی p-n) مانند شکل 5-پ می‎تواند مقادیر ولتاژ تولیدی را افزایش دهد. نیمه‎هادی‌ها فقط آن بخش از نور خورشید را جذب می‎کنند که انرژی آن، برابر و یا بیشتر از انرژی نوار ممنوعه آنها باشد. حال با اتصال چندین نیمه‎هادی با نوارهای ممنوعه مختلف، انرژی خورشید در طیف وسیع‎تری جذب می‎شود و ولتاژ تولیدی افزایش می‎یابد. در این حالت، ولتاژ تولیدی مجموع ولتاژ هر تک اتصال خواهد بود.

در سلول‎های خورشیدی چندلایه، هر «سلول خورشیدی منفرد» (یعنی یک اتصال p-n) توسط یک اتصال تونلی با نوار ممنوعه بزرگ، به سلول‎ خورشیدی منفرد کناری متصل می‎شود. سلول خورشیدی بالایی (یعنی اولین سلول خورشیدی مقابل نور)، بزرگترین نوار ممنوعه را دارد. لذا اولین سلول می‌تواند آن بخش از نور خورشید را که انرژی زیادی دارد جذب کند. فوتون‎هایی که انرژی کمتری داشته و جذب سلول خورشیدی بالایی نمی‎شوند، از آن عبور می‌کنند و به اتصال پایین‌تر (سلول خورشیدی منفرد دومی با نوار ممنوعه کوتاه‌تر) می‎رسند. این اتصال، از یک نیمه‎هادی با نوار ممنوعه باریکتر نسبت به نوار ممنوعه نیمه‎هادی‌‎های اتصال بالایی تشکیل می‌شود. از این‌رو، این سلول منفرد، قابلیت جذب طیف نور با انرژی کمتر را دارد. در سلو‎ل خورشیدی چندلایه، نیمه‎هادی‎های هر اتصال، از بالا به پایین، دارای نوارهای ممنوعه کوچکتری نسبت به اتصال بالاتر هستند. در نهایت، آن بخش از نور خورشید که انرژی آن از کوچک‎ترین نوار ممنوعه سیستم (آخرین نیمه‎هادی) کمتر است، از سیستم خارج شده و جذب نمی‎شود.

جفت الکترون-حفره‎هایی که در فاصله دور از لایه تهی در اتصال n-p تشکیل می‎شوند، قبل از رسیدن به لایه تهی و جدایش توسط میدان الکتریکی آن، دوباره با متضاد خود ترکیب می‎شوند و از بین می‎روند. از این‌رو، این دسته از جفت الکترون-حفره‌‌ها نمی‎توانند نقشی در تولید جریان الکتریسیته داشته باشند. اما الکترون‎ها یا حفراتی که در لایه تهی و یا در فاصله کمتر از طول نفوذی حامل‌های بار (Carrier diffusion length) در اطراف لایه تهی تشکیل می‎شوند می‎توانند به لایه تهی نفوذ کرده و در جریان الکتریسیته نقش داشته باشند. طول نفوذی مقداری است که یک الکترون (حفره) می‎تواند در نیمه‎هادی نوع p (n) نفوذ کند بدون اینکه با یک حفره (الکترون) از زمینه ترکیب شود. طول نفوذی حدود چند میکرومتر است.

امروزه در کنار انواع گسترده سلول‎های خورشیدی، طیف وسیعی از سلول‎های خورشیدی مبتنی بر مواد نانوساختار مانند فیلم‎های نازک نانوساختار CdS، CIS، CdTe و Cu₂S، سلول‎های خورشیدی رنگ‎دانه‎ای مبتنی بر TiO₂، و سلول‎های خورشیدی مبتنی بر مولکول‎های آلی توسعه یافته‎اند. هدف اصلی از به‌کارگیری نانوساختارها در تولید سلول‎های خورشیدی، افزایش کارایی و بازده تولید انرژی است.

در کنار اتصال p-n که مبنای اصلی اکثر سلول‎های خورشیدی است، از اتصال فلز-نیمه‎هادی (نوع اتصال اهمی) برای انتقال الکترون‎ها به مدار خارجی استفاده می‎شود. دلیل اهمی بودن نوع اتصال، انتقال راحت الکترون‎ها بدون حضور هیچ مانع پتانسیلی است. یکی از کاربردهای نانومواد در سلول‎های خورشیدی، استفاده از نقاط کوانتومی (quantum dots) در اتصالات بین فلز و نیمه‎هادی است. به این نوع از اتصالات، اتصالات انتخابی انرژی (selective energy contacts) می‎گویند. این اتصالات در سلول‎های خورشیدی مبتنی بر حامل‌های‎ داغ (hot carrier solar cells) کاربرد دارد. سلول‎های مبتنی بر حامل‌های‎ داغ، به دلیل انرژی بیشتر حامل‎ها، دارای بازده بیشتری نسبت به سلول‎های معمولی هستند. برای مطالعه بیشتر در مورد این دسته از سلول‌های خورشیدی به مقاله «Energy selective contacts for hot carrier solar cells» مراجعه کنید.

با برخورد نور خورشید یا هر پرتوی نوری دیگری به نیمه‎هادی، اگر انرژی نور برابر با انرژی باند ممنوعه نیمه‎هادی باشد، باعث تهییج آن و انتقال الکترون‎ها از لایه ظرفیت به نوار هدایت می‎شود. حال اگر انرژی نور بیشتر از انرژی باند ممنوعه نیمه‌هادی باشد، الکترون تهییج‌شده، انرژی بیشتری در نوار هدایت می‌گیرد و از لبه پایینی نوار ظرفیت به ترازهای بالاتر صعود می‌کند. به‌طور مشابه، حفره به‎جای مانده در نوار ظرفیت نیز در ترازهای پایین‌تر نسبت به لبه بالایی نوار ظرفیت قرار می‎گیرد (شکل 6). به این الکترون‎ها (یا حفره‎ها) که نسبت به الکترون‌های عادی، انرژی بیشتری دارند، «حامل‌های داغ» (Hot carriers) گفته می‎شود. این حامل‎ها به سرعت با ماده زمینه و با یکدیگر برخورد می‎کنند و دمای آنها به‎سرعت با زمینه یکسان می‎شود. در این حالت، گفته می‌شود که حامل‌های داغ سریعاً به تعادل می‌رسند. منظور از تعادل دمایی، رسیدن به انرژی تعادلی است (شکل 6-الف).

حامل‎های بار با گذشت زمان بسیار کوتاه به تعادل می‎رسند. با گذشت زمان بیشتر، حامل‎های بار (جفت الکترون-حفره‎ها) با یکدیگر ترکیب شده و از بین می‎روند. به همین دلیل، در سلول‎های خورشیدی معمولی تلاش می‌شود که حامل‎ها بعد از رسیدن به تعادل دمایی و قبل از ترکیب شدن با یکدیگر، از سیستم خارج شوند و در مدار الکتریکی خارجی قرار گیرند. اما سلول‎های خورشیدی حامل داغ، در زمان‎های کوتاه‌تر عمل کرده و حامل‎ها را قبل از رسیدن به تعادل دمایی، از نیمه‎هادی خارج می‎کنند. به‌طور معمول، الکترون‎ها با طی فاصله‌ای در حدود 10 نانومتر، به تعادل دمایی می‎رسند. لذا اندازه سلول‎ها در سلول‎های خورشیدی مبتنی بر حامل‎های داغ باید در حدی باشد که حامل‎ها فاصله کمتری را در نیمه‎هادی طی کنند.
نکته مهم دیگر، نحوه اتصال سلول به مدار است. از آنجایی که حامل‎ها در محل اتصال با زمینه، به تعادل دمایی می‎رسند، لذا باید از فعل و انفعالات شدید آنها با حامل‎های بار جلوگیری شود. می‌توان با استفاده از اتصالاتی که تنها اجازه عبور یک سری حامل‌های مشخص با انرژی معین را می‎دهند، از واکنش بین حامل‎های داغ (دارای انرژی معین) و دیگر حامل‎ها جلوگیری کرد. امروزه این عمل با استفاده از اتصالات مبتنی بر نقاط کوانتومی (شکل 7) امکان‎پذیر شده ‎است. در واقع، در نقاط کوانتومی، انرژی نوار ممنوعه به اندازه نقاط بستگی دارد. لذا با استفاده از نقاط کوانتومی با اندازه‌های معین می‎توان اتصالات را به‎گونه‎ای مدیریت کرد که فقط یک سری حامل‎های بار با انرژی کاملاً دلخواه امکان عبور داشته باشند.

4- دیودهای ساطع‌کننده نور

LEDهای مبتنی بر اتصال p-n، بسیار شبیه سلول‌های خورشیدی هستند؛ با این تفاوت که با اعمال جریان مستقیم (بایاس مستقیم) خارجی، الکترون‎ها با حرکت از ناحیه n و رسیدن به ناحیه p، از باند هدایت به ظرفیت منتقل شده و با حفره‎های موجود در ناحیه p ترکیب می‎شوند (شکل 8). انرژی نور تولیدی در حالت ایده‎آل برابر اختلاف تراز نوار هدایت نیمه‎هادی نوع n و نوار ظرفیت نیمه‎هادی نوع p است. در عمل، به دلیل اتلاف انرژی، مقداری از انرژی به صورت گرما ساطع می‌شود و انرژی نور تولیدی معمولاً کمتر است.

در کنار اتصال p-n، اتصال مانع شاتکی (نوعی از اتصال فلز-نیمه‎هادی) نیز می‎تواند در شرایط خاصی نور از خود ساطع کند. زمانی‌که یک اتصال شاتکی با نیمه‎هادی نوع n تحت بایاس مستقیم و با شدت بالا قرار گیرد (شکل 9-پ)، الکترون‎ها و حفره‎ها در مرز اتصال ترکیب شده و از خود فوتون ساطع می‎کنند. مبانی این اتصالات در مقاله قبلی با عنوان «مبانی و فیزیک اتصالات نانوالکترونیکی 1» به‌تفصیل مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

با سنتز آرایه‌ای از نانودیودهای ساطع‌کننده نور به‌صورت ردیفی در کنار یکدیگر می‎توان یک دیود میکروسکوپی ساخت که نسبت به نوع معمولی، کارایی و بازده بسیار بالاتری داشته باشد.

نتیجه ‎گیری

امروزه بسیاری از قطعات الکترونیکی در صنعت میکروالکترونیک و نانوالکترونیک، از اتصالات فلز-نیمه‎هادی و نیمه‎هادی-نیمه‎هادی ساخته می‌شوند. این اتصالات با ساختارهای نواری خاص، تأثیر بسزایی بر روی انتقال جریان الکتریکی و خواص قطعات تولید شده دارند. از کاربردهای گسترده این اتصالات می‌توان به دیود‎های یکسوکننده، سلول‎های خورشیدی و دیودهای ساطع‌کننده نور اشاره کرد. دیودهای یکسوکننده که قابلیت عبور جریان الکتریکی در یک جهت خاص را دارند، می‎توانند از اتصالات p-n یا اتصالات فلز-نیمه‎هادی (از نوع مانع شاتکی) ساخته شوند. سلول‎های خورشیدی نیز از اتصالات نیمه‎هادی-نیمه‎هادی ساخته می‎شوند. همچنین سلول‎های خورشیدی توسط اتصالات اهمی به مدار خارجی متصل می‎شوند تا الکترون‎ها بدون هیچ مزاحمتی به مدار خارجی منتقل شوند. نوعی از سلول‎های خورشیدی به نام «سلول‎های خورشیدی مبتنی بر حامل‌های‎ داغ» نیز وجود دارند که با اتصالات مبتنی بر نقاط کوانتومی (اتصالات انتخابی انرژی) به مدار خارجی متصل می‌شوند تا حامل‎های داغ که انرژی بالایی دارند بدون مزاحمت به مدار خارجی منتقل شوند. دیودهای ساطع‌کننده نور نیز مانند سلول‎های خورشیدی، از اتصالات p-n ساخته می‌شوند. در این اتصالات، با ایجاد ولتاژ مستقیم، حامل‎های بار با یکدیگر ترکیب می‌شوند و نور تولید می‎کنند. همچنین، این نوع واکنش می‎تواند در اتصالات فلز-نیمه‎هادی از نوع مانع شاتکی که به بایاس مستقیم و با شدت بالا وصل است، اتفاق بیافتد.