page contents
مقالات في الفيزياء

التيار الكهربي تحت الميكروسكوب

كلما كان بالامكان تصغير شريحة السيليكون الالكترونية لعمل دوائر الكترونية متكاملة ودقيقة في ابعاد الذرة كلما كان من الضروري فهم كيف تتدفق الشحنات الكهربية خلال وصلة الـ p-n.  في العدد الثاني عشر من مجلة Physical Review Letters تمكن العلماء من نشر نتائج بحث علمي يوصف كيف تحمل الشحنة التيار الكهربي داخل المادة وذلك من خلال التصوير باستخدام الميكروسكوب النفقي على مستوى الابعاد الذرية.




كما نعلم انه في حالة وصلة n-type  يتم اضافة ذرات تعمل على زيادة عدد الالكترونات الحرة التي تساهم في التيار الكهربي وتسمى الذرات المضافة بالشوائب. ويتم اضافة ذرات مواد مختلفة في حالة المواد شبه الموصلة من النوع p-type لتعمل على ايجاد عدد من الشحنات الموجبة التي تعرف باسم الفجوات holes والتي والتي تعمل على نقل التيار الكهربي عندما تملؤها الإلكترونات.

وعند توصيل كلا من n-type و p-type معاً يصلح لدينا وصلة p-n حيث تتحرك الالكترونات والفجوات في اتجاهين مختلفين فتنتقل الالكترونات في n-type إلى p-type وتنتقل الفجوات من p-type إلى n-type نتيجة التجاذب الكهربي للشحنات الحرة، ينتج عن ذلك ان تتعادل المنطقة التي تجمع الوصلتين معا وتسمى منطقة الاستنزاف depletion zone وتصبح عازلة للتيار الكهربي.  عند تطبيق فرق جهد امامي على طرفي الوصل p-n فإن منطقة الاستنزاف هذه سوف تقل تدريجياً كلما زاد فرق الجهد الكهربي المطبق على الوصلة وكلما قلت منطقة الاستنزاف كلما زاد التيار الكهربي المار عبر وصلة p-n.  وهذه هي فكرة عمل الديود والتي تعتبر اساس عمل الترانزستور والكثير من القطع الالكترونية الاخرى.

إن النظرية التي تصف مقدار المسافة التي ينتشر خلالها الالكترونات والفجوات في وصلة p-n تعتمد على فرق الجهد المستخدم، وتعتمد القياسات على مقدار كثافة التيار الكلي الذي يعبر الدائرة الكهربية وهذه الطريقة الحسابية تقدر تلك المسافة بدون الاعتماد على المراقبة الفعلية لما يحدث في منطقة الاستنزاف.

ما قام به فريق من العلماء بقيادة العالم Hidemi Shigekawa من جامعة Tsukuba في اليابان هو التحقق من النتائج الحسابية تلك من خلال استخدام الميكروسكوب النفقي scanning tunneling microscopy (STM)  وشعاع الليزر ليرسم مخططاً يتتبع حركة الالكترونات والفجوات داخل منطقة الاستنزاف في وصلة p-n وحصل على صور لحركة التيار الكهربي خلال الوصلة.

يمرر تيار كهربي في مجس الميكرسوب وهو عبارة عن رأس مدبب ربما يحتوي طرفه على ذرة او ذرتين ويتم قياس المجال الكهربي بين الرأس المدبب وكل ذرة من ذرات الوصلة التي يكون فوقه المجس.

تعمل نبضة الليزر على تحرير المزيد من الالكترونات والفجوات في مادة شبه الموصل وهذه الشحنات الاضافية تساعد في احتساب كثافة الشحنة بدقة داخل مادة الوصلة كما لو ان الطرف المدبب للميكروسكوب النفقي غير موجود. وللتوضيح دعنا نفترض ان كثافة الشحنة في مادة الموصل كبيراً فإن الذرات الناتجة عن نبضة الليزر سوف لن يكون لها اثر كبير وبالتالي لن يتغير تيار الرأس المدبب بقدر كبير. ولكن بالمقابل لو كانت كثافة الشحنة للوصلة صغيرة جداً فإن تغير كبير في تيار الرأس المدبب للميكروسكوب قبل نبضة الليزر وبعدها سوف يعطي مؤشراً واضحا على ان كثافة الشحنة في الوصلة صغيراً جداً وبالتالي فإن مقدار التغير في التيار المار في مجس الميكروسكوب النفقي يعطي معلومات عن كثافة التيار في المكان الذي يفحصه المجس وبمسح المجس للوصلة يمكن الحصول على نتائج عملية لكثافة التيار لمقارنتها مع النتائج النظرية.

الجانب على اليمين (الاحمر) يمثل وصلة p-type الجانب على اليسار (الازرق) يمثل وصلة n-type ونلاحظ ان مسافة انتشار الفجوات في اتجاه وصلة n-type يزداد بزيادة فرق الجهد المطبق على الوصلة.وقد تم الحصول على صور دقيقة بابعاد نانوية وستكون اساسا لتطوير ترانزستورات وقطع الكترونية نانوية.

 

قام الباحثون برسم مخطط لتوزيع كثافة الشحنات داخل وصلة p-n من مادة ارسانيد الجاليوم بدقة تصل إلى 10 نانومتر وتمكنوا من التحقق من النظرية التي تحسب نفس المقدار لكثافة الشحنة بالاعتماد على مقدار فرق الجهد المطبق على الوصلة. وقد وجد انه عند زيادة فرق الجهد من 0.5 إلى 0.9 فولت فإن الفجوات تنتقل مسافة من 181 إلى 429 نانومتر داخل وصلة n-type.




ويقول العالم Andreas Heinrich من شركة IBM ان هذه النتائج ليست مفاجأة لنا ولكن الفكرة والطريقة التي تم فيها رصد كثافة الشحنة وعلاقتها مع فرق الجهد المطبق لها اهمية كبيرة عند التعامل مع وصلات p-n نانوية يصل طولها إلى 50 نانومتر.  حيث يكون تصبح الوصلة حساسة جداً لموقع الذرات المطعمة للوصلة (الشوائب) واستخدام الطريقة المبتكرة التي توصل اليها العالم Hidemi Shigekawa سوف تبين لنا رؤية دقيقة لحركة الشحنات والتي ستكون اساسية لتصنيع اجهزة ميكروسكوبية  بتكنولوجيا النانوية.

 الورقة البحثة بعنوان

Microscopic Basis for the Mechanism of Carrier Dynamics in an Operating p-n Junction Examined by Using Light Modulated Scanning Tunneling Spectroscopy

 

Shoji Yoshida, Yuya
Kanitani, Ryuji Oshima, Yoshitaka Okada, Osamu Takeuchi, and Hidemi Shigekawa

Phys. Rev. Lett. 98, 026802 (Issue of 12 January 2007).

المصدر

http://focus.aps.org/story/v19/st2

الوسوم

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

إغلاق
إغلاق