دانلود مقاله چگونگی شتاب دار کردن ذرات

در این تحقیق ابتدا به بیان جزئیات ومقدماتی در مورد چگونگی شتاب دار کردن ذرات پرداخته میشود و سپس به بررسی کلی شتاب دهنده ها و بیان انواع آنها وضرورت وجود آنها پرداخت خواهد شد.

نوار های انرژی وحاملها:

الکترون نمی تواند یک طیف پیوسته از انرژی را به خود  اختصاص دهد و دارای سطوح گسسته ای از انرژی است که به این سطوح اربیتال گفته می شود.

مقدار انرژی جنبشی که یک اربیتال دارد بستگی به انرژی الکترون آن دارد.

پیوند های کووالانسی:

در یک شبکه کریستالی هر دو جفت الکترون تشکیل یک پیوند کوالانسی می دهند. پیوندهای کوولانسی می توانند بین اتمهای یک عنصر یا اتمهای عناصر متفاوت شکل بگیرند. وقتی پیوندهای کووالانسی به هم متصل میشوند یک شبکه کریستالی ایجاد می شود.

الکترون با شرکت در پیوند به سطوح انرژی پایین تری می رود و بنابراین برای رهایی از پیوند کووالانسی باید مقداری انرژی مصرف کنیم.

دردمای صفر کلوین در شبکه کریستالی تمام الکترونها در پیوندهای کووالانسی محبوس می شوند ولی در دمای محیط بعضی از پیوندها این شانس را دارند که از محیط اطراف به اندازه کافی انرژی دریافت کنند و از پیوند رها شوند.

نوارهای انرژی در نیمه هادی:

می توان ثابت کرد که الکترونها انرژیهای گسسته و محدودی دارند وشکافهایی از انرژی وجود دارد که در آنها هیچ حالت مجازی برای الکترون وجود ندارد.

اتمهای منفرد و جامدات:

در اینجا رفتار ویک اتم در حالتی را که در همسایگی هیچ اتم دیگری قرار ندارد و بصورت کاملا منفرد یعنی در خلا کامل است بررسی می کنیم.(شکل 1)

ابتدا الکترون سطوح کم انرژی تر را پر می کند.

با کم شدن فاصله اتمی بدلیل نیروهای جاذبه دافعه اتمی تغییرات مهمی ازشکل تراز الکترونها رخ می دهد که این تغییرات خود سبب تعیین خواص الکتریکی جامدات است. میتوان گفت در فاصله اتمی معینی نیروهای جاذبه ودافعه به تعادل میرسد.

با تجمع اتمها اصل انحصار پائولی اهمیت پیدا می کند. طبق این اصل هیچ دو الکترونی نمی تواند در حالت کوانتومی انرژی یکسانی داشته باشد. بنابراین انتظار می رود که با نزدیک شدن اتمهای منفرد ترازهای انرژی تغییر کند.

با کاهش فاصله اتمی ترازهای مجزای انرژی به نوارهای انرژی تبدیل می شود که این نوارها خود از ترازهای بسیارنزدیک به هم تشکیل شده اند.

تقسیم بندی نیمه هادی ها وعایقها:

                   هدایت (نیمه پر)                                              نوار هدایت (خالی)

                       Eg~lev                                                         Eg~5ev

                   ظرفیت (نیمه خالی)                                            ظرفیت (پر)

                      نیمه هادیها                                                      عایقها

                    شکل(2)                                                       شکل(3)

حاملها در نیمه هادی:

دردمای صفر کلوین تمام الکترونها در باند ظرفیت قرار دارند. با افزایش دما تعدادی از این الکترونها شانس حضور در باند هدایت را خواهندداشت 10 الکترونهایی که به نوار انرژی هدایت می روند میتوانند به عنوان باربریا حامل، جریان الکتریکی را هدایت کنند.

هر الکترون منتقل شده به نوار هدایت یک جای خالی الکترون باقی می گذارد که اصطلاحا حفره نام دارد. به این زوج الکترون حفره تولید شده (EHP) یا Electoron  Hole Pair گویند.

باید توجه شود که تعداد زوج الکترون حفره های تولید شده در دمای اتاق در مقایسه با چگالی اتمها بسیار ناچیز است.

براین اساس نیمه هادی ذاتی و نیمه هادی غیرذاتی را تعریف می کنیم.

نیمه هادی ذاتی:

به یک بلور نیمه هادی که دارای چگونه ناخالصی یا نقص شبکه بلوری نباشد می گویند. بنابراین تنها حاملهای موجود در یک نیمه هادی زوج الکترونها حفره ها می باشند. به این ترتیب می توان انتظار داشت تعداد حفره ها والکترونها در یک نیمه هادی ذاتی با هم برابرند.

Ni =P =تعداد حفره ها=n= تعداد الکترونها

با توجه به ثابت بودن تعداد الکترون حفره ها در یک نیمه هادی ذاتی می توان انتظار داشت که نرخ تولید زوج الکترون حفره با نرخ باز ترکیب با هم برابرند.

نیمه هادی غیرذاتی:

با استفاده از عناصر خاصی به عنوان ناخالصی می توان تراکم باربرها را در یک نیمه هادی تغییرداد یعنی می توان شبکه بلوری را طوری تغییر داد که دارای اکثریتی از الکترون یا حفره باشد بنابراین نیمه هادی غیرذاتی به نیمه هادی گفته می شود که تعدادالکترونها وحفره ها در آن برابر نباشد.

با افزودن ناخالصی به یک نیمه هادی ترازهای انرژی جدیدی (معمولا در شکاف باند انرژی ممنوع) شکل می گیرد.

این ترازهای انرژی در دمای صفر کلوین توسط الکترونها کاملا پر می شوند.

تراکم باربرها:

در یک نیمه هادی تراکم باربرها خصوصیات نیمه هادی را تعیین می کند.با استفاده از ناخالصی می توان باربر ساخت مهمترین باربرها الکترونها هستند.

توزیع آماری فرمی دیراک:

توزیع الکترونها در مواد جامد را میتوان با استفاده از تابع توزیع آماری فرمی دیراک مدل کرد. به عبارت دیگر توزیع الکترونها روی محدوده ای از ترازوهای انرژی مجاز درشرایط تعادل گرمایی از تابع احتمال زیر بدست می آید.

F(E) : احتمال اینکه تراز انرژی E توسط الکترون اشغال شود (به شرطیکه انرژی E مجازباشد)

E: تراز انرژی مجاز              

EF: سطح انرژی فرمی                            

K: ثابت بولتزمن

T: دمای کلوین

احتمال اشغال حفره در یک تراز انرژی برابر است با: شکل 4

محاسبه تراکم الکترونها وحفره ها در حالت تعادل:

می توان ثابت کرد که با افزایش انرژی چگالی ترازهای مجاز انرژی افزایش می یابد.

با دقت در رابطه توزیع احتمال فرمی متوجه می شویم که با افزایش انرژی احتمال اشغال الکترون به شدت به صورت نمایی کاهش می یابد.

برای ساده شدن محاسبات کلیه ترازهای انرژی اشغال شده در نوار هدایت را با یک مقدار موثر نمایش می دهیم.

: چگالی حالتهای موثر یا مقدار موثر ناشی از تمامی حالتهای اشغال شده در نوار هدایت

= تراکم الکترون

: جرم موثر الکترون

h: ثابت پلانک

K:ثابت بولتزمن

= چگالی حالتهای موثر در نوار ظرفیت

نیمه هادی ذاتی:

:جرم موثر حفره

وابستگی تراکم باربرها به دما:

افزایش دما انرژی جنبشی الکترونها را زیاد می کند به طوریکه الکترونهای بیشتری شانس حضور در نوار هدایت راخواهند داشت. بنابراین انتظار داریم که با افزایش دما ni زیاد شود. به همین ترتیب Ef هم تابعی از دما است.(شکل 5)

قابلیت تحرک (Mobility):

قابلیت تحرک عبارت است از میانگین سرعت رانش ذرات در واحد میدان الکتریکی.

Mobility :Mn یا قابلیت تحرک

با استفاده از Mobility میتوان چگالی جریان ناشی از تحرک الکترونها را نیز تعریف کرد.

این چگالی جریان در صورتی وجود داردکه حاملهای جریان فقط الکترون باشند در صورتی که هم الکترون و هم حفره در هدایت جریان داشته باشند می توان نوشت:

:هدایت

اثر دما و ناخالصی روی :

وقتی دما زیاد شود برخورد الکترونی زیاد وفاصله متوسط فضای آزاد اطراف الکترون کم میشود والکترون به راحتی نمی تواند حرکت کند و قابلیت تحرک کم می شود ولی در جایی با افزایش با قابلیت تحرک زیاد می شود که در قبل از ناحیه عملکردذاتی باشد و آن جایی است که تمام باربرها یونیزه نشده اند. گاهی وقتها انرژی جنبشی الکترون را با دما نشان می دهند.

اثر تراکم روی قابلیت تحرک:

همواره با افزایش تراکم باربرها انتظار می رودکه قابلیت تحرک آنها کمتر شود.

تغییر ناپذیری تر از انرژی فرعی:

به طور کلی درمواد نیمه هادی اعم از همگون یا ناهمگون حتی در پیوندهای نیمه هادی هیچگونه ناپیوستگی یا شیب در تراز فرمی وجود ندارد یعنی است.

حاملهای اضافی در نیمه هادی:

اساس بر پایه عملکرد قطعات نیمه هادی وابسته به چگونگی توزیع حاملهای اضافی در این قطعات است به عبارت دیگر برای تغییر رفتار الکتریکی یک نیمه هادی از حاملهای اضافی استفاده میکنیم.

حاملهای اضافی:

حاملهایی هستند که علاوه بر حاملهای موجود در حالت تعادل به نیمه هادی تزریق می شوند. اضافه کردن این حاملها به روش های مختلفی امکان پذیر است از جمله این روشها به روشهای زیر می توان اشاره کرد:

1-برانگیزش نوری

2-بمباران الکترونی

3-تزریق الکتریکی

برانگیزش نوری:

با ورود یک فوتون به ماده نیمه هادی و بر هم کنش بین فوتون والکترون در صورتیکه  باشد فوتون قادر خواهد بود که پیوند کووالانسی را بشکند و یک الکترون را از نوار ظرفیت به نوار هدایت ببرد.بنابراین جذب هر فوتون یک بار اضافی بوجود می آورد. الکترون حفره تولید شده را اصطلاحا حاملهای اضافی می نامیم.

اگر  باشد احتمال جذب فوتون بسیار کم است لذا می توان گفت برخی از نیمه هادی ها در مقابل طول موجهای خاصی کاملا شفاف هستند.

2-بمباران الکترونی:

الکترون های اضافی بوسیله بمباران الکترونی بوجود می آیند.ماهیت جرقه، تخلیه بار است. اگر اختلاف پتانسیل شدیدی داشته باشیم بمباران بوجود می آید و الکترونها داخل نیمه هادی بازترکیب می شوند (با حفره ها باز ترکیب می شوند) ونور بوجود می آید. نور افشانی باربرها (حاملهای اضافی) توسط بمباران ماده با الکترونهای پرانرژی صورت می گیرد مثل عمده لامپهای CRT موجود در تلویزیون یا اسیلسکوپ .