Heterojunction
एक हेटेरोजंक्शन दो परत (इलेक्ट्रॉनिक्स) एस या डिसिमिलर सेमीकंडक्टर्स के क्षेत्रों के बीच एक इंटरफ़ेस है।इन अर्धचालक सामग्रियों में एक होमोजंक्शन के विपरीत असमान बैंड अंतराल होते हैं।यह अक्सर कई ठोस-राज्य डिवाइस अनुप्रयोगों में इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा बैंड को इंजीनियर करने के लिए फायदेमंद होता है, जिसमें अर्धचालक लेजर, सौर कोशिकाओं और ट्रांजिस्टर सहित।एक डिवाइस में एक साथ कई हेटेरोजंक्शन के संयोजन को एक हेटरोस्ट्रक्चर कहा जाता है, हालांकि दो शब्दों को आमतौर पर परस्पर उपयोग किया जाता है।आवश्यकता है कि प्रत्येक सामग्री असमान बैंड अंतराल के साथ एक अर्धचालक हो, कुछ हद तक ढीली होती है, विशेष रूप से छोटी लंबाई के तराजू पर, जहां इलेक्ट्रॉनिक गुण स्थानिक गुणों पर निर्भर करते हैं।हेटेरोजंक्शन की एक अधिक आधुनिक परिभाषा किसी भी दो ठोस-राज्य सामग्रियों के बीच इंटरफ़ेस है, जिसमें मेटालिक, इन्सुलेटिंग, फास्ट आयन कंडक्टर और अर्धचालक सामग्री के क्रिस्टलीय और अनाकार संरचनाएं शामिल हैं।
निर्माण और अनुप्रयोग
हेटेरोजंक्शन विनिर्माण में आम तौर पर आणविक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) के उपयोग की आवश्यकता होती है[1] या रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) प्रौद्योगिकियों को बयान की मोटाई को ठीक से नियंत्रित करने और एक साफ-सुथरी जाली-मिलान अचानक इंटरफ़ेस बनाने के लिए प्रौद्योगिकियां।अनुसंधान के तहत एक हालिया विकल्प वैन डेर वेल्स हेटरोस्ट्रक्चर में स्तरित सामग्री का यांत्रिक स्टैकिंग है।[2] उनके खर्च के बावजूद, हेटेरोजंक्शन ने विभिन्न प्रकार के विशेष अनुप्रयोगों में उपयोग किया है जहां उनकी अनूठी विशेषताएं महत्वपूर्ण हैं:
- सौर कोशिकाएं: हेटेरोजंक्शन आमतौर पर एक क्रिस्टलीय सिलिकॉन सब्सट्रेट के इंटरफ़ेस और सौर कोशिकाओं में एक अनाकार सिलिकॉन पासेशन परत के माध्यम से बनते हैं।आंतरिक पतली-परत (HIT) सौर सेल संरचना के साथ हेटोजंक्शन पहली बार 1983 में विकसित किया गया था[3] और सानो/पैनासोनिक द्वारा व्यवसायिक।हिट सौर कोशिकाएं अब 26.7%की रूपांतरण दक्षता के साथ सबसे कुशल एकल-जंक्शन सिलिकॉन सौर सेल के लिए रिकॉर्ड रखती हैं।[4][1][5]
- लेज़र्स: लेज़रों में हेटेरोजंक्शन का उपयोग करना पहले प्रस्तावित किया गया था[6] 1963 में जब इस क्षेत्र के एक प्रमुख वैज्ञानिक हर्बर्ट क्रॉमर ने सुझाव दिया कि जनसंख्या उलटा हेटरोस्ट्रक्चर द्वारा बहुत बढ़ाया जा सकता है।Alas जैसे दो बड़े बैंड गैप परतों के बीच GAAS जैसी छोटी प्रत्यक्ष बैंड गैप सामग्री को शामिल करके, अर्धचालकों में चार्ज वाहक को सीमित किया जा सकता है ताकि कम दहलीज धाराओं के साथ कमरे के तापमान पर लासिंग हो सकती है।हेटरोस्ट्रक्चर फैब्रिकेशन के भौतिक विज्ञान को क्रॉमर के विचारों के साथ पकड़ने में कई साल लग गए, लेकिन अब यह उद्योग मानक है।बाद में यह पता चला कि बैंड गैप को क्वांटम अच्छी तरह से हेट्रोस्ट्रक्चर में क्वांटम आकार के प्रभावों का लाभ उठाकर नियंत्रित किया जा सकता है।इसके अलावा, हेटरोस्ट्रक्चर को चरण-सूचकांक प्रोफ़ाइल के लिए वेवगाइड के रूप में उपयोग किया जा सकता है जो इंटरफ़ेस में होता है, सेमीकंडक्टर लेज़रों में उनके उपयोग के लिए एक और प्रमुख लाभ।सीडी और डीवीडी खिलाड़ियों और फाइबर ऑप्टिक ट्रान्सीवर में उपयोग किए जाने वाले सेमीकंडक्टर डायोड लेजर को विभिन्न सेमीकंडक्टर सामग्री की वैकल्पिक परतों का उपयोग करके निर्मित किया जाता है। III-V और अर्धचालक सामग्री | II-VI यौगिक अर्धचालक लासिंग हेटरोस्ट्रक्चर बनाने के लिए।
- द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर: जब एक हेटेरोजंक्शन का उपयोग द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर के बेस-एमिटर जंक्शन के रूप में किया जाता है, तो अत्यधिक उच्च फॉरवर्ड लाभ (इलेक्ट्रॉनिक्स) और कम रिवर्स गेन परिणाम।यह बहुत अच्छे उच्च आवृत्ति ऑपरेशन (दसियों में सैकड़ों GHz में मान) और कम रिसाव धाराओं में अनुवाद करता है।इस उपकरण को एक द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर (एचबीटी) कहा जाता है।
- फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर: हेटेरोजंक्शन का उपयोग HEMT (HEMT) में किया जाता है जो काफी अधिक आवृत्तियों (500 से अधिक & nbsp; GHz) पर संचालित हो सकता है।उचित डोपिंग (सेमीकंडक्टर्स) प्रोफाइल और बैंड संरेखण एक आंतरिक अर्धचालक के भीतर 2deg बनाकर अत्यधिक उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता को जन्म देता है जहां बहुत कम प्रकीर्णन हो सकता है।
ऊर्जा बैंड संरेखण
एक अर्धचालक जंक्शन का व्यवहार इंटरफ़ेस में ऊर्जा बैंड के संरेखण पर महत्वपूर्ण रूप से निर्भर करता है।
सेमीकंडक्टर इंटरफेस को तीन प्रकार के हेटेरोजंक्शन में व्यवस्थित किया जा सकता है: स्ट्रैडलिंग गैप (टाइप I), स्टैग्ड गैप (टाइप II) या टूटी हुई गैप (टाइप III) जैसा कि आंकड़ा में देखा गया है।[7] जंक्शन से दूर, बैंड झुकने की गणना पॉइसन के समीकरण को हल करने की सामान्य प्रक्रिया के आधार पर की जा सकती है।
बैंड संरेखण की भविष्यवाणी करने के लिए विभिन्न मॉडल मौजूद हैं।
- सबसे सरल (और कम से कम सटीक) मॉडल एंडरसन का नियम है, जो वैक्यूम-सेमिकंडक्टर इंटरफेस (विशेष रूप से वैक्यूम इलेक्ट्रॉन आत्मीयता) के गुणों के आधार पर बैंड संरेखण की भविष्यवाणी करता है।मुख्य सीमा रासायनिक संबंध की उपेक्षा है।
- एक सामान्य आयनों का नियम प्रस्तावित किया गया था, जो अनुमान लगाता है कि चूंकि संयोजी बंध आयनिक राज्यों से संबंधित है, इसलिए समान आयनों वाली सामग्रियों में बहुत छोटे वैलेंस बैंड ऑफसेट होने चाहिए।हालांकि यह डेटा की व्याख्या नहीं करता है, लेकिन इस प्रवृत्ति से संबंधित है कि विभिन्न आयनों वाली दो सामग्रियों में चालन बैंड ऑफसेट की तुलना में बड़े वैलेंस बैंड ऑफसेट होते हैं।
- Tersoff[8] अधिक परिचित धातु -सेमिकंडक्टर जंक्शनों के आधार पर एक गैप स्टेट मॉडल का प्रस्ताव किया, जहां चालन बैंड ऑफसेट को स्कोटी बैरियर ऊंचाई में अंतर से दिया जाता है।इस मॉडल में दो अर्धचालकों के बीच इंटरफ़ेस में एक द्विध्रुवीय परत शामिल है जो एक सामग्री के चालन बैंड से इलेक्ट्रॉन टनलिंग से दूसरे के अंतराल (धातु-प्रेरित गैप राज्यों के अनुरूप) में उत्पन्न होती है।यह मॉडल उन प्रणालियों के साथ अच्छी तरह से सहमत है जहां दोनों सामग्री बारीकी से मिलान कर रहे हैं[9] जैसे गैस/अल्गा।
- 60:40 नियम अर्धचालक गैस और मिश्र धातु सेमीकंडक्टर अल के बीच जंक्शनों के विशिष्ट मामले के लिए एक अनुमानी हैxगा1−xजैसा।अल में एक्स के रूप मेंxगा1−xजैसा कि पक्ष 0 से 1 तक भिन्न होता है, अनुपात मूल्य 60/40 को बनाए रखने के लिए जाता है।तुलना के लिए, एंडरसन का नियम भविष्यवाणी करता है एक GAAS/ALAS जंक्शन (x = 1) के लिए।[10][11]
बैंड ऑफसेट को मापने के लिए विशिष्ट विधि उन्हें चमक स्पेक्ट्रा में एक्सिटॉन ऊर्जा को मापने से गणना करके है।[11]
प्रभावी द्रव्यमान बेमेल
जब दो अलग -अलग अर्धचालकों द्वारा एक हेटेरोजंक्शन का गठन किया जाता है, तो बैंड संरचना में अंतर के कारण एक क्वांटम कुएं को अच्छी तरह से गढ़ा जा सकता है।प्राप्त क्वांटम अच्छी तरह से स्थिर ऊर्जा स्तरों की गणना करने के लिए, हेटेरोजंक्शन के पार प्रभावी द्रव्यमान (ठोस-राज्य भौतिकी) की भिन्नता या बेमेल को समझना पर्याप्त हो जाता है।हेटेरोजंक्शन में अच्छी तरह से परिभाषित क्वांटम को चौड़ाई के साथ एक परिमित अच्छी क्षमता के रूप में माना जा सकता है ।इसके अलावा, 1966 में, कॉनले एट अल।[12] और बेंडैनियल और ड्यूक[13] एक क्वांटम कुएं में लिफाफे (गणित) के लिए एक सीमा स्थिति की सूचना दी, जिसे बेंडैनियल -ड्यूक सीमा स्थिति के रूप में जाना जाता है।उनके अनुसार, एक गढ़े हुए क्वांटम में लिफाफा समारोह को एक सीमा स्थिति को संतुष्ट करना चाहिए जो बताता है कि और दोनों इंटरफ़ेस क्षेत्रों में निरंतर हैं।
की चौड़ाई के साथ एक परिमित कुएं के लिए Schrödinger समीकरण का उपयोग करना और 0 पर केंद्र, प्राप्त क्वांटम के लिए समीकरण अच्छी तरह से लिखा जा सकता है:
उपरोक्त समीकरणों के लिए समाधान अच्छी तरह से जाना जाता है, केवल अलग (संशोधित) k और के साथ [14]
- ।
Z = पर समान-समता समाधान से प्राप्त किया जा सकता है
- ।
(5) के व्युत्पन्न लेने और दोनों पक्षों को गुणा करके
- Failed to parse (Conversion error. Server ("cli") reported: "SyntaxError: Expected "-", "[", "\\", "\\begin", "\\begin{", "]", "^", "_", "{", [ \t\n\r], [%$], [().], [,:;?!'], [/|], [0-9], [><~], [\-+*=], or [a-zA-Z] but "ग" found.in 1:154"): {\displaystyle -\ frac {ka} {m_w^*} \ sin (\ frac {k l_w} {2}) = -\ frac {\ kappa b} {m_b^*}} \ exp ( -\ frac {\ \ _ kappa l_w} {2}) \ quad \ quad (6) </गणित>। विभाजित (6) (5), सम-समरूप समाधान फ़ंक्शन प्राप्त किया जा सकता है, ::<Math>f (e) = -\ frac {k} {m_w^*} \ tan (\ frac {k l_w} {2}) -\ frac {\ kappa} {m_b^*} = 0 \ _ क्वाड (7)</गणित>। इसी तरह, विषम-समता समाधान के लिए, ::<Math>f (e) = -\ frac {k} {m_w^*} \ cot (\ frac {k l_w} {2}) +\ frac {\ _ kappa} {m_b^*} = 0 \ _ क्वाड (8)</गणित>। [[संख्यात्मक समाधान]] के लिए, (7) और (8) का डेरिवेटिव लेना देता है यहां तक कि समता भी: ::<math> \frac {df}{dE} = \frac {1}{m_w^*} \frac {dk}{dE} \tan(\frac {k l_w} {2}) + \frac {k} {m_w^*} \sec^2(\frac {k l_w} {2}) \times \frac {l_w} {2} \frac {dk} {dE} - \frac {1}{m_b^*} \frac {d \kappa} {dE} \quad \quad (9-1)}
अजीब समता:
कहाँ पे ।
सामग्री के बीच प्रभावी द्रव्यमान में अंतर जमीनी राज्य ऊर्जा में एक बड़ा अंतर होता है।
नैनोस्केल हेटेरोजंक्शन
क्वांटम डॉट्स में बैंड ऊर्जा क्वांटम आकार के प्रभावों के कारण क्रिस्टल आकार पर निर्भर होती है।यह नैनोस्केल हेटरोस्ट्रक्चर में बैंड ऑफसेट इंजीनियरिंग को सक्षम बनाता है।हो सकता[15] समान सामग्री का उपयोग करने के लिए, लेकिन जंक्शन के प्रकार को बदलें, इसमें शामिल क्रिस्टल के आकार या मोटाई को बदलकर, स्ट्रैडलिंग (टाइप I) से कंपित (प्रकार II) तक कहें।सबसे आम नैनोस्केल हेटरोस्ट्रक्चर सिस्टम CDSE (CDSE@ZNS) पर ZNS है जिसमें एक स्ट्रैडलिंग गैप (टाइप I) ऑफसेट है।इस प्रणाली में फ्लोरोसेंट सीडीएसई कोर की सतह बहुत बड़ा बैंड गैप Zns पासेशन (रसायन विज्ञान) जिससे ल्यूमिनेशन की क्वांटम दक्षता बढ़ जाती है।ZNS शेल में मजबूत रासायनिक बंधन के कारण बढ़ी हुई थर्मल स्थिरता का एक अतिरिक्त बोनस है जैसा कि इसके बड़े बैंड गैप द्वारा सुझाया गया है।चूंकि CDSE और ZNs दोनों जिंकब्लेंडे (क्रिस्टल स्ट्रक्चर) क्रिस्टल चरण में बढ़ते हैं और बारीकी से जाली से मेल खाते हैं, कोर शेल ग्रोथ को पसंद किया जाता है।अन्य प्रणालियों में या विभिन्न विकास स्थितियों के तहत एनिस्ट्रोपिक संरचनाओं को उगाना संभव हो सकता है जैसे कि दाईं ओर छवि में देखा गया।
यह दिखाया गया है[16] इन संरचनाओं में चालन बैंड के बीच अंतराल चार्ज हस्तांतरण के लिए ड्राइविंग बल चालन बैंड ऑफसेट है।टाइटेनियम डाइऑक्साइड पर उगाए गए सीडीएसई नैनोक्रिस्टल के आकार को कम करके | Tio2, रॉबेल एट अल।[16]पाया गया कि इलेक्ट्रॉनों को उच्च CDSE चालन बैंड से TIO में तेजी से स्थानांतरित किया गया2।सीडीएसई में क्वांटम आकार का प्रभाव वैलेंस बैंड की तुलना में छोटे प्रभावी द्रव्यमान के कारण चालन बैंड में बहुत अधिक स्पष्ट है, और यह अधिकांश अर्धचालक के साथ मामला है।नतीजतन, इंजीनियरिंग चालन बैंड ऑफसेट आमतौर पर नैनोस्केल हेटेरोजंक्शन के साथ बहुत आसान होता है।कंपित (टाइप II) के लिए नैनोस्केल हेटेरोजंक्शन ऑफसेट, photoinduced प्रभार पृथक्करण हो सकता है क्योंकि इलेक्ट्रॉन होल के लिए सबसे कम ऊर्जा की स्थिति जंक्शन के एक तरफ हो सकती है जबकि इलेक्ट्रॉनों के लिए सबसे कम ऊर्जा विपरीत दिशा में होती है।यह सुझाव दिया गया है[16]उस अनिसोट्रोपिक डगमगाए हुए गैप (टाइप II) नैनोस्केल हेटेरोजंक्शन का उपयोग फोटोकैटलिसिस के लिए किया जा सकता है, विशेष रूप से सौर ऊर्जा के साथ पानी के विभाजन के लिए।
यह भी देखें
- होमोजंक्शन, पी -एन जंक्शन- एक जंक्शन जिसमें दो प्रकार के एक ही अर्धचालक शामिल हैं।
- धातु -सेमिकंडक्टर जंक्शन - एक अर्धचालक को एक धातु का एक जंक्शन।
संदर्भ
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