آلایش کیست؟ توضیح بده.
آلایش یا دوپینگ در تولید نیم‌رسانا، به واردکردن عمدی ناخالصی‌ها به یک نیم‌رسانای ذاتی به منظور تغییر در ویژگی‌های الکتریکی، نوری و ساختاری آن است. مادهٔ آلاییده به عنوان یک نیم‌رسانای غیرذاتی نامیده می‌شود. تعداد کمی از اتم های ناخالص می توانند توانایی یک نیمه هادی برای هدایت الکتریسیته را تغییر دهند. هنگامی که به ترتیب یک اتم ناخالص به هر 100 میلیون اتم اضافه شود، آلایش(دوپینگ) کم یا سبک است. هنگامی که تعداد زیادی اتم ناخالص اضافه می شود، به ترتیب یک در ده هزار اتم، آلایش(دوپینگ) به عنوان زیاد یا سنگین نامیده می شود. این اغلب به صورت n+ برای دوپینگ نوع n یا p+ برای دوپینگ نوع p نشان داده می شود.(برای توضیح دقیق تر مکانیسم دوپینگ به مقاله نیمه هادی ها مراجعه کنید.) نیمه هادی که تا حد بالایی دوپ شده باشد که بیشتر شبیه هادی عمل می کند تا نیمه هادی، نیمه هادی منحط نامیده می شود. یک نیمه هادی را می توان نیمه هادی ذاتی در نظر گرفت که در مقادیر مساوی p و n آلایش(دوپ) شده باشد. در زمینه فسفر و سوسوزن، آلایش به عنوان فعال سازی شناخته می شود. این را نباید با فعال سازی ناخالصی در نیمه هادی ها اشتباه گرفت. آلایش همچنین برای کنترل رنگ در برخی از رنگدانه ها استفاده می شود. تاریخچه.اثرات ناخالصی ها در نیمه هادی ها (دوپینگ) مدت هاست که به طور تجربی در دستگاه هایی مانند آشکارسازهای رادیویی کریستالی و یکسو کننده های سلنیوم شناخته شده بود. به عنوان مثال، در سال 1885 شلفورد بیدوول و در سال 1930 دانشمند آلمانی برنهارد گودن، هر یک به طور مستقل گزارش دادند که خواص نیمه هادی ها به دلیل ناخالصی های موجود در آنها است. یک فرآیند آلایش(دوپینگ) به طور رسمی توسط جان رابرت وودیارد که در شرکت اسپری ژیروسکوپ در طول جنگ جهانی دوم کار می کرد، ایجاد شد. اگرچه کلمه دوپینگ(doping) در آن به کار نمی رود، اما ثبت اختراع او در ایالات متحده که در سال 1950 صادر شد، روش هایی را برای افزودن مقادیر بسیار کمی از عناصر جامد از ستون نیتروژن جدول تناوبی به ژرمانیوم برای تولید دستگاه های اصلاح کننده توصیف می کند. درخواسته او برای کار بر روی رادار مانع از ادامه تحقیقات وودیارد در مورد آلایش(دوپینگ) نیمه هادی شد.کار مشابهی در آزمایشگاه‌های بل توسط گوردون کی تیل و مورگان اسپارکس انجام شد، با ثبت اختراع ایالات متحده که در سال 1953 صادر شد. ثبت اختراع قبلی وودیارد دلیل دعوی قضایی گسترده توسط اسپری رند بود.غلظت حامل.غلظت ماده ناخالص مورد استفاده بر بسیاری از خواص الکتریکی تأثیر می گذارد. از همه مهمتر غلظت حامل بار ماده است. در یک نیمه هادی ذاتی تحت تعادل حرارتی، غلظت الکترون ها و حفره ها معادل هستند. یعنی:formula_1در یک نیمه هادی غیر ذاتی تحت تعادل حرارتی، این رابطه تبدیل می شود (برای دوپینگ کم):formula_2که در آن n0 غلظت الکترون های رسانا، p0 غلظت حفره رسانا، و ni غلظت حامل ذاتی ماده است. غلظت حامل ذاتی بین مواد متفاوت است و به دما بستگی دارد.به عنوان مثال، نیکل سیلیکون تقریباً 1010×1.08 سانتی متر مکعب در 300 کلوین است، تقریباً دمای اتاق. به طور کلی افزایش دوپینگ به دلیل غلظت بیشتر حامل ها منجر به افزایش رسانایی می شود. نیمه هادی های منحط (بسیار دؤپ شده) دارای سطوح رسانایی قابل مقایسه با فلزات هستند و اغلب در مدارهای مجتمع به عنوان جایگزینی برای فلز استفاده می شوند.اغلب از نمادهای اضافه و منفی برای نشان دادن غلظت نسبی دوپینگ در نیمه هادی ها استفاده می شود. به عنوان مثال، n+ نشان دهنده یک نیمه هادی نوع n با غلظت دوپینگ بالا، اغلب منحط شده است. به طور مشابه، p- نشان دهنده یک ماده از نوع p بسیار کم دوپ شده است. حتی نمونه های منحط دوپینگ نشان دهنده غلظت کم ناخالصی ها نسبت به نیمه هادی پایه است. در سیلیکون کریستالی ذاتی، تقریباً 1022×5 اتم بر سانتی متر مکعب وجود دارد. غلظت دوپینگ برای نیمه هادی های سیلیکونی ممکن است از 1013 3-cm تا 1018 3-cm باشد. غلظت دوپینگ بالای حدود 1018 3-cm در دمای اتاق منحط در نظر گرفته می شود. سیلیکون منحط دوپ شده دارای نسبتی از ناخالصی به سیلیکون به ترتیب جزء در هزار است. این نسبت ممکن است در سیلیکون بسیار کم دوپ شده به قسمت در میلیارد کاهش یابد. مقادیر غلظت معمولی جایی در این محدوده قرار می گیرند و برای ایجاد خواص مطلوب در دستگاهی که نیمه هادی برای آن در نظر گرفته شده است، تنظیم می شود.تاثیر بر ساختار نوار ممنوعه(Band gap).دوپینگ یک نیمه رسانا در یک کریستال خوب، حالات انرژی مجاز را در داخل شکاف نواری ایجاد می کند، اما بسیار نزدیک به نوار انرژی که با نوع ناخالصی مطابقت دارد. به عبارت دیگر، ناخالصی های دهنده الکترون حالت هایی را در نزدیکی نوار رسانایی ایجاد می کنند در حالی که ناخالصی های گیرنده الکترون حالت هایی را در نزدیکی باند ظرفیت ایجاد می کنند. شکاف بین این حالات انرژی و نزدیکترین باند انرژی معمولاً به عنوان انرژی پیوند محل ناخالصی یا EB نامیده می شود و نسبتاً کوچک است. به عنوان مثال، EB برای بور در حجم سیلیکون 0.045eV است، در مقایسه با فاصله باند سیلیکون حدود 1.12eV. از آنجایی که EB بسیار کوچک است، دمای اتاق به اندازه‌ای گرم است که عملاً تمام اتم‌های ناخالص را از نظر حرارتی یونیزه کند و حامل‌های بار آزاد در نوارهای رسانایی یا ظرفیت ایجاد کند.ارتباط با غلظت حامل (دوپینگ کم).برای سطوح پایین دوپینگ، حالات انرژی مربوطه به صورت پراکنده توسط الکترون ها (باند رسانایی) یا حفره ها (باند ظرفیت) پر می شوند. نوشتن عبارات ساده برای غلظت الکترون و حامل حفره، با نادیده گرفتن طرد پائولی امکان پذیر است (از طریق آمار ماکسول-بولتزمن):formula_3که در آن EF سطح فرمی، EC حداقل انرژی نوار رسانایی و EV حداکثر انرژی باند ظرفیت است. اینها با مقدار غلظت ذاتی از طریقی مرتبط هستند:formula_4عبارتی مستقل از سطح دوپینگ، زیرا EC - EV شکاف باند(بند گپ) با دوپینگ تغییر نمی کند.فاکتورهای غلظت NC(T) و NV(T) توسط فرمول زیر به‌دست می آیند:formula_5که در آن *"me"و*"mh" به ترتیب چگالی حالت‌های جرم مؤثر الکترون‌ها و حفره‌ها هستند، مقادیری که تقریباً در دما ثابت هستند.تکنیک های دوپینگ و سنتز.دوپینگ در طول رشد کریستال.برخی از مواد ناخالص اضافه می شوند زیرا کریستال (معمولاً سیلیکون) توسط فرآیند چکرالسکی رشد می کند، که به ویفر دوپینگ اولیه تقریباً یکنواختی می دهد.[8]متناوبا، سنتز نمونه های نیمه هادی ممکن است شامل استفاده از اپیتاکسی فاز بخار باشد. در اپیتاکسی فاز بخار، یک گاز حاوی پیش ساز ناخالصی می تواند وارد راکتور شود. به عنوان مثال، در مورد گاز دوپینگ نوع n از آرسنید گالیم، سولفید هیدروژن اضافه می شود و گوگرد در ساختار گنجانده می شود.[9] این فرآیند با غلظت ثابت گوگرد در سطح مشخص می شود.[10] در مورد نیمه هادی ها به طور کلی، فقط یک لایه بسیار نازک از ویفر باید دوپ شود تا خواص الکترونیکی مورد نظر به دست آید.دوپینگ پس از رشد.برای تعریف عناصر مدار، نواحی انتخاب شده - که معمولاً با فوتولیتوگرافی کنترل می شوند - بیشتر توسط فرآیندهایی مانند انتشار و کاشت یون دوپ می شوند، روش دوم به دلیل افزایش قابلیت کنترل در تولیدات بزرگ محبوب تر است.دوپینگ تبدیل نوترون.همچنین ببینید: فعال سازی نوترونیدوپینگ تبدیل نوترون (NTD) یک روش دوپینگ غیر معمول برای کاربردهای خاص است. معمولاً برای دوپ کردن سیلیکون نوع n در آشکارسازهای نیمه رسانا و نیمه هادی پرقدرت استفاده می شود. این بر اساس تبدیل ایزوتوپ Si-30 به اتم فسفر توسط جذب نوترون به شرح زیر است:formula_6در عمل، سیلیکون معمولاً در نزدیکی یک راکتور هسته ای قرار می گیرد تا نوترون ها را دریافت کند. همانطور که نوترون ها از طریق سیلیکون عبور می کنند، اتم های فسفر بیشتر و بیشتری در اثر تغییر شکل تولید می شوند و بنابراین دوپینگ بیشتر و قوی تر از نوع n می شود. روش دوپینگ NTD بسیار کمتر از انتشار یا کاشت یون است، اما مزیت ایجاد توزیع ناخالصی بسیار یکنواخت را دارد. معمولاً در هنگام ساخت ویفر عنصرهای ناخالصی به نیم‌رسانا افزوده می‌شوند. اگر نیاز باشد، سپس مقداری ناخالصی دیگر نیز به روش نفوذ یا کاشت یون افزوده می‌گردد. روش کاشت یون در تولید انبوه کاربرد بیشتری دارد زیرا کنترل‌پذیرتر است.عناصر ناخالصی‌ها.نیمه هادی های گروه چهارم.برای نیمه هادی های گروه IV مانند الماس، سیلیکون، ژرمانیوم، کاربید سیلیکون و سیلیکون ژرمانیوم، رایج ترین مواد ناخالص پذیرنده های گروه III یا اهداکنندگان عناصر گروه V هستند. از بور، آرسنیک، فسفر و گاهی گالیم برای دوپ کردن سیلیکون استفاده می شود. بور ناخالصی نوع p انتخابی برای تولید مدار مجتمع سیلیکونی است زیرا با سرعتی پخش می شود که عمق اتصالات را به راحتی قابل کنترل می کند. فسفر معمولاً برای دوپینگ فله ای ویفرهای سیلیکونی استفاده می شود، در حالی که آرسنیک برای پخش اتصالات استفاده می شود، زیرا کندتر از فسفر پخش می شود و بنابراین قابل کنترل تر است.با دوپینگ سیلیکون خالص با عناصر گروه V مانند فسفر، الکترون‌های ظرفیت اضافی اضافه می‌شوند که از اتم‌های منفرد نامحدود می‌شوند و به ترکیب اجازه می‌دهند تا یک نیمه‌رسانای n نوع رسانای الکتریکی باشد. دوپینگ با عناصر گروه III، که الکترون چهارم ظرفیت را ندارند، "پیوندهای شکسته" (حفره) را در شبکه سیلیکونی ایجاد می کند که حرکت آزاد دارند. نتیجه یک نیمه هادی از نوع p رسانای الکتریکی است. در این زمینه، عنصر گروه V به عنوان دهنده الکترون و عنصر گروه III به عنوان پذیرنده گفته می شود. این یک مفهوم کلیدی در فیزیک یک دیود است.یک نیمه هادی بسیار دوپ شده بیشتر شبیه یک رسانا خوب (فلز) رفتار می کند و بنابراین ضریب حرارتی مثبت خطی بیشتری را نشان می دهد. چنین اثری برای مثال در حسگرها استفاده می شود. دوز کمتری از دوپینگ در انواع دیگر ترمیستورها (NTC یا PTC) استفاده می شود.ناخالصی های سیلیکون.پذیرنده ها، نوع P:اهدا کنندگان، نوع N:دیگر :سایر نیمه هادی ها.در لیست زیر، "(جایگزین X)" به همه مواد قبل از پرانتز اشاره دارد.جبران خسارت.در بیشتر موارد، انواع مختلفی از ناخالصی ها در نیمه هادی دوپینگ حاصل وجود دارند. اگر تعداد مساوی دهنده و پذیرنده در نیمه هادی وجود داشته باشند، الکترون های هسته اضافی ارائه شده توسط اولی برای ارضای پیوندهای شکسته ناشی از دومی مورد استفاده قرار می گیرند، به طوری که دوپینگ هیچ حامل آزاد از هر دو نوع تولید نمی کند. این پدیده به عنوان جبران شناخته می شود و در اتصال p-n در اکثریت قریب به اتفاق دستگاه های نیمه هادی رخ می دهد.جبران جزئی، در جایی که تعداد اهداکنندگان از پذیرنده ها بیشتر است یا برعکس، به سازندگان دستگاه اجازه می دهد تا به طور مکرر نوع لایه خاصی را در زیر سطح یک نیمه هادی حجیم با پخش یا کاشت دوزهای بالاتر از مواد ناخالص، که اصطلاحاً ضد دوپینگ نامیده می شود، معکوس کنند (معکوس کنند). اکثر دستگاه های نیمه هادی مدرن با مراحل متوالی ضد دوپینگ انتخابی برای ایجاد نواحی لازم از نوع P و N در زیر سطح سیلیکون حجیم ساخته می شوند. این جایگزینی برای رشد متوالی چنین لایه‌هایی با اپیتاکسی است.اگرچه می توان از جبران برای افزایش یا کاهش تعداد دهنده ها یا پذیرنده ها استفاده کرد، تحرک الکترون و حفره همیشه با جبران کاهش می یابد زیرا تحرک تحت تأثیر مجموع یون های دهنده و گیرنده قرار می گیرد.دوپینگ در پلیمرهای رسانا.مقاله اصلی: پلیمر رساناپلیمرهای رسانا را می‌توان با افزودن واکنش‌دهنده‌های شیمیایی برای اکسید کردن، یا گاهی کاهش دادن سیستم، دوپ کرد تا الکترون‌ها به اوربیتال‌های رسانا در سیستم رسانای بالقوه از قبل فشار داده شوند. دو روش اصلی برای دوپینگ پلیمر رسانا وجود دارد که هر دو از فرآیند کاهش اکسیداسیون (به عنوان مثال ردوکس) استفاده می کنند.دوپینگ N بسیار کمتر رایج است زیرا جو زمین غنی از اکسیژن است، بنابراین یک محیط اکسید کننده ایجاد می کند. یک پلیمر غنی از الکترون و دوپ شده با n فوراً با اکسیژن عنصری واکنش می دهد تا پلیمر را از بین ببرد (یعنی به حالت خنثی دوباره اکسید شود). بنابراین، n-doping شیمیایی باید در محیطی از گاز بی اثر (به عنوان مثال، آرگون) انجام شود. دوپینگ الکتروشیمیایی n در تحقیقات بسیار رایج تر است، زیرا حذف اکسیژن از یک حلال در یک فلاسک مهر و موم شده آسان تر است. با این حال، بعید است که پلیمرهای رسانا با n دوپ شده به صورت تجاری در دسترس باشند.دوپینگ در نیمه هادی های مولکولی آلی.آلاینده های مولکولی در نیمه هادی های مولکولی دوپینگ به دلیل سازگاری آنها با میزبان ترجیح داده می شوند، یعنی دمای تبخیر مشابه یا حلالیت قابل کنترل. ) عموماً مفید هستند و محصور فضایی عالی را برای استفاده در ساختارهای چندلایه مانند OLED و سلول‌های خورشیدی ارگانیک ایجاد می‌کنند. ناخالصی های معمولی نوع p شامل F4-TCNQ و Mo(tfd)3 می باشد. با این حال، مشابه مشکلی که در پلیمرهای رسانای دوپینگ با آن مواجه می‌شویم، ناخالصی های n پایدار در هوا مناسب برای مواد با میل الکترون خواهی کم (EA) هنوز گریزان هستند. اخیراً، فعال‌سازی نوری با ترکیبی از ناخالصی‌های دیمری قابل جداسازی، مانند 2[RuCp∗Mes]، مسیر جدیدی را برای تحقق n-دوپینگ مؤثر در مواد با EA پایین پیشنهاد می‌کند.دوپینگ مغناطیسی.مقاله اصلی: نیمه هادی مغناطیسی(به انگلیسی: )تحقیقات روی دوپینگ مغناطیسی نشان داده است که تغییرات قابل توجهی در برخی خواص مانند گرمای ویژه ممکن است تحت تأثیر غلظت های کوچک یک ناخالصی باشد. به عنوان مثال، ناخالصی های ناخالص در آلیاژهای فرومغناطیسی نیمه رسانا می توانند خواص متفاوتی را ایجاد کنند که اولین بار توسط White، Hogan، Suhl و Nakamura پیش بینی شده است. گنجاندن عناصر ناخالص برای ایجاد مغناطیس رقیق در زمینه نیمه هادی های مغناطیسی از اهمیت رو به رشدی برخوردار است. وجود گونه‌های فرومغناطیسی پراکنده، کلید عملکرد اسپینترونیک در حال ظهور است، کلاسی از سیستم‌هایی که علاوه بر بار، از اسپین الکترون نیز استفاده می‌کنند. با استفاده از نظریه تابعی چگالی (DFT) می توان رفتار مغناطیسی وابسته به دما مواد ناخالص در یک شبکه معین را برای شناسایی سیستم های نیمه هادی زیر نظر مدل کرد.ناخالصی منفرد در نیمه هادی ها.وابستگی حساس خواص نیمه هادی به مواد ناخالص، طیف گسترده ای از پدیده های قابل تنظیم را برای کاوش و اعمال در دستگاه ها فراهم کرده است. شناسایی اثرات یک ناخالصی منفرد بر عملکرد دستگاه تجاری و همچنین بر روی خواص اساسی یک ماده نیمه هادی امکان پذیر است. کاربردهای جدیدی در دسترس قرار گرفته اند که به شخصیت مجزای یک ناخالصی نیاز دارند، مانند دستگاه های تک اسپین در حوزه اطلاعات کوانتومی یا ترانزیستورهای تک ناخالص. پیشرفت‌های چشمگیر در دهه گذشته به سمت مشاهده، ایجاد کنترل‌شده و دستکاری مواد ناخالص منفرد، و همچنین کاربرد آن‌ها در دستگاه‌های جدید، امکان باز کردن زمینه جدید سولوترونیک (اپتوالکترونیک ناخالص انفرادی) را فراهم کرده است.دوپینگ مدولاسیون.الکترون‌ها یا حفره‌هایی که توسط دوپینگ وارد می‌شوند متحرک هستند و می‌توانند از نظر فضایی از اتم‌های ناخالصی که از آنها جدا شده‌اند جدا شوند. با این حال، اهداکنندگان و گیرنده‌های یونیزه شده الکترون‌ها و حفره‌ها را جذب می‌کنند، بنابراین این جداسازی فضایی به تغییرات ناگهانی سطوح ناخالصی، شکاف نواری (مثلاً یک چاه کوانتومی)، یا میدان‌های الکتریکی داخلی (مثلاً در مورد کریستال‌های غیرمتقارن) نیاز دارد. این روش دوپینگ مدولاسیون نامیده می‌شود و به دلیل سرکوب پراکندگی حامل- اهداکننده سودمند است و امکان تحرک بسیار بالا را می‌دهد.منابع.ویکی‌پدیای انگلیسی