به منظور آشنایی با خواص سیلیکون، در این قسمت مقایسه ای بین سیلیکون (Si) و گالیم آرسنیک (GaAs) که از مواد پرکاربرد در فوتونیک می باشد، انجام خواهیم داد.

تفاوت در خواص الکترونیکی و اپتیکی این دو ماده از تفاوت در ساختارهای کریستالی آنها ناشی می شود. سیلیکون دارای ساختار کریستالی الماس است که در آن دو شبکه مکعبی FCC ، با فاصله  1/4 قطر بدنه مکعب از هم جدا شده اند. در حالیکه گالیم آرسنیک دارای ساختار سولفید روی است که مشابه ساختار الماسی از دو شبکه FCC با فاصله  1/4 قطر بدنه مکعب از یکدیگر تشکیل شده است با این تفاوت که جنس اتم های هر یک از شبکه های FCC یا گالیم است یا آرسنیک.


توضیح: ساختارهای کریستالی مختلفی وجود دارند که نشون دهنده این هست که اتم ها در مواد مختلف چه طور قرار می گیرند. ساده ترین آن ها SC=Simple Cubic

هست. برای اینکه بدونید این شبکه کریستالی چه طور هست یک مکعب رو تصور کنید که روی هر راس اون یه اتم قرار گرفته حالا این مکعب ها در ماده در کنار هم قرار می گیرند و کل ماده رو تشکیل می دهند (آسونه نه؟)

ساختار کریستالی بعدی BCC=Body Cente Cubic هست که مثل همون ساختار SC هست که یه اتم هم دقیقادر مرکز مکعب قرار گرفته :agree:

ساختار نهایی FCC=Face Center Cubic هست این ساختار همون ساختار SC هست که در وسط هر وجه مکعب یه اتم قرار گرفته

اما ساختار الماسی و سولفید روی از دو تا شبکه FCC تشکیل شده اند که از نظر مکانی با هم فاصله 1/4 رو دارند.


بسیار خب ساختار کریستالی سیلیکون:



و ساختار کریستالی گالیم آرسنیک:



سیلیکون دارای باند انرژی غیر مستقیم می باشد، بدین معنی که حداقل باند هدایت و حداکثر باند ظرفیت مقابل یکدیگر قرار نگرفته اند. اگر الکترونی از باند هدایت به باند ظرفیت انتقال یابد، این انتقال و تغییر انرژی همراه با تغییر مومنتوم خواهد بود که به صورت فونون در شبکه کریستالی ظاهر می شود.

این در حالیست که گالیم آرسنیک یک نیمه هادی مستقیم با حداقل باند ظرفیت و حداکثر باند هدایت مقابل هم، می باشد. بنابراین انتقال الکترون از باند هدایت به باند ظرفیت بدون تغییر مومنتوم خواهد بود و تغییر انرژی به صورت فوتون آشکار می شود. ساختار باند های انرژی در شکل زیر می تونید ببینید که در اون خطوط قرمز رو کشیدم تا راحت تر متوجه مستقیم بودن و یا غیر مستقیم بودن بشید:




توضیح: وقتی یه نیمه هادی مستقیم باشه موقعی که یک الکترون از باند هدایت به باند ظرفیت بر می گرده؛ انرژی اش رو به صورت نور (فوتون) آزاد می کنه (تابش خودبخودی). اما در نیمه هادی های غیر مستقیم این انرژی باعث تولید فوتون نمی شه بلکه فونون ایجاد می کنه یعنی اینکه انرژی اضافی به اتم ها داده می شه و باعث ارتعاش اتم ها و ایجاد گرما میشه. این چیزهایی که گفتم به این معنی نیست که در نیمه هادی مستقیم فونون نداریم و یا در نیمه هادی غیر مستقیم فوتون نداریم. اینکه چه میزان فوتون و فونون در هر ماده ای وجود داره با احتمال بیان میشه و گفته میشه که احتمال تولید فوتون در نیمه هادی مستقیم خیلی بیشتر از نیمه هادی غیر مستقیم هست.

به طور کلی احتمال تابش خود بخودی در گالیم آرسنیک بالاست و برای سیلیکون ناچیز است. به عبارت دیگر طول عمر تابشی در سیلیکون طولانی (چند میلی ثانیه) و برای گالیم آرسنیک کوتاه (چند نانو ثانیه) است. پس در سیلیکون بازترکیب غیر تشعشعی غالب است و این مسئله باعث می شود که بازده نورافشانی در آن کم باشد.

بنابراین، سیلیکون برای ساخت منابع نور مناسب نیست و بزرگترین مسئله که در مجتمع سازی الکترونیک و فوتونیک و سیلیکون فوتونیک با آن روبرو هستیم عدم وجود منابع نور سیلیکونی با بازده خوب می باشد.  روش های مختلفی برای تولید نور در سیلیکون استفاده شده که من در اینجا فقط به ذکر نام اکتفا می کنم چون بیان با جزئیات اون ها پیچیده هست:


مهندسی مواد به طور وسیعی برای غلبه بر محدودیت های ناشی از باند انرژی غیر مستقیم سیلیکون در غالب روش های مختلف بکار گرفته شده است، معمولا در روش های مختلف اهداف زیر مد نظر قرار می گیرند:

•   افزایش بازده نور افشانی با افزایش هم پوشانی توابع موج الکترون و حفره، که با روش های مبتنی بر حبس شدگی کوانتومی (Quantum Confinement) یا روش های مبتنی بر مهندسی ساختار باند  (Band structure engineering) انرژی قابل حصول است.

•   تنظیم طول موج انتشار با اضافه کردن آلیاژهای مناسب به ماده.

•   ایجاد مراکز بازترکیب محلی با اضافه کردن ناخالصی به ماده.

•   استفاده از انتقالات درون باندی (Intraband transitions) (برای سیلیکون، انتقالات درون باند ظرفیت )، در این صورت باند انرژی غیر مستقیم سیلیکون نقشی در فرآیند نوردهی ایفا نمی کند.



درسته که دارم در مورد منابع نور صحبت میکنم، ولی به نظرم خوبه که همین جا عیب دیگر سیلیکون مطرح بشه. ساختار کریستالی سیلیکون ساختاری متقارن هست و این مسئله باعث به صفر رسیدن ضرایب الکترو-اپتیک خطی سیلیکون میشه که خودش کاربردهایی داره برای غلبه بر این مشکل از روش مهندسی تنش (Stress Engineering) استفاده شده. در این روش با ایجاد Stress بر روی موجبر سیلیکونی، تقارن کریستالی ور بهم می ریزند تا ضرایب الکترو اپتیک صفر نباشه!! :mrgreen: