1. ‫أه ل ً و‬
‫سه ل ً‬

2. ‫المفارق الهجينة‬
‫المفارق الهجينة‬
‫اعداد سرمد صبيح‬
‫اعداد :: سرمد صبيح‬
‫الجامعة المستنصرية/‬
‫الجامعة المستنصرية/‬
‫كلية التربية /‬
‫كلية التربية /‬
‫قسم الفيزياء‬
‫قسم الفيزياء‬

3. ‫المفرق الهجيصن يعرف علصى انهص اتصصال حميمي‬
‫ ُ‬
‫)‪ (Intimate contact‬بيصصصن مادتيصصصن شبه‬
‫موصصلتين أصو بتعصبير آخصر )ثنائصي وصصلة ناتصج عن‬
‫تماس حميمصي( مختلفتيصن فصي فجوة الطاقة ‪،Eg‬‬
‫ثابصصت العزل الكهربائي‪ ، ε‬اللفة اللكترونية‪χ‬‬
‫ودالصة الشغصل ‪ .ϕ‬ويعصد )‪ (Anderson‬اول من‬
‫وضع مفهوم المفرق الهجين وذلك عام 0691‬

4. ‫الشكل يبين مخطط الطاقة لمادتين شبه موصلتين معزولتين احداهما من النوع القابل‬
‫)‪ (p-type‬يشار له ب )1 ‪ (Semiconductor‬يتميز بزيادة في عدد الفجوات ويقع‬
‫مستوي فيرمي1‪ EF‬بالقرب من حزمة التكافؤ1‪ EV‬والخرى من النوع المانح )-‪n‬‬
‫‪ (type‬يشار له ب )2 ‪ (Semiconductor‬يتميز بزيادة في عدد اللكترونات ويقع‬
‫مستوي فيرمي 2‪ EF‬بالقرب من حزمة التوصيل2‪ .EC‬طاقة مستوي فيرمي ‪)EF‬هو ذلك‬
‫المستوى الذي تكون احتمالية انشغاله من قبل اللكترون نصف )5.0((.ونلحظ ايضا‬
‫ان موقع مستوي فيرمي للمادة الثانية 2‪ EF‬هو اعلى من مستوي فيومي للمادة الولى‬
‫1‪EF‬‬
‫2 ‪Semiconductor‬‬

5. ‫مخطط الطاقة للمفرق الهجين‬
‫ان دراسصة تركيصب حزم الطاقصة للمفرق الهجيصن يعصد عامل مهمصا في‬
‫تحديصد خواصصه المتمثلصة بخواص )تيار – جهد( والخواص الفولتائية.‬
‫في حالة حصول اتصال حميمي ما بين المادتين شبه الموصلتين يودي‬
‫الصى الوصصول إلصى حالصة التوازن. ل يمكصن اسصتمرار هذا الفرق في‬
‫مسصتوي فيرمصي لكل المادتيصن إصذ يحدث انتقال لللكترونات مصن شبه‬
‫الموصصل )2( إلصى شبصه الموصصل )1( ممصا يؤدي إلصى هبوط مستويات‬
‫الطاقة إلى السفل، ولكن عند انتقال الشحنات من شبه الموصل )1(‬
‫إلصى شبصه الموصصل )2( يحدث ارتفاع لمسصتويات الطاقصة نحصو العلى‬
‫وكما مبين في الشكل التالي‬

6. ‫مخطط الطاقة للمفرق الهجين‬

7. ‫ان مقدار الزاحصة فصي مسصتوي فيرمصي )1‪ (EF2-EF‬يمكصن اعطاؤهصا بالمعادلة‬
‫التية‬
‫2 ‪EF 2 − EF1 = ( χ 2 + Eg2 − δ e 2 ) − ( χ 1 − δ h1 ) = VD1 + VD‬‬
‫حيث 1‪ δh‬و 2‪ δe‬تمثل ن المسافة الفاصلة بين مستوي فيرمي وحافة حزم التكافؤ للمادة ‪p-type‬‬
‫وحافة حزمة التوصيل للمادة ‪ n-type‬على الترتيب. 1‪VD‬و 2‪ VD‬تمثل ن جهد البناء الداخلي على‬
‫كل جانب من جانبي المفرق الهجين ومجموعهما يساوي جهد البناء الداخلي الكلي ‪VD‬‬
‫.‬
‫ان جهد البناء الداخلي الكلي يحدد بسبب الختلف في دالة الشغل بين المادتين‬
‫والذي يعطى بالعلقة التية‬
‫2 ‪qVD = φ1 − φ‬‬ ‫‪ q‬شحنة اللكترو ن‬
‫ان عدم الستمرارية في حواف حزمة التوصيل ‪ ΔEc‬تعطى بدللة الفرق بين‬
‫اللفة اللكترونية 1‪ χ‬و 2‪ χ‬للمادتين شبه الموصلة الولى والثانية‬
‫2 ‪∆ Ec = χ 1 − χ‬‬

8. ‫ان عدم السصتمرارية في حزمصة التكافؤ ‪ ΔEV‬يعتمصد علصى الختلف في الفجوة‬
‫المحظورة وتعطى بالعلقة‬
‫‪∆ EV = ( χ 2 + E g 2 ) − ( χ 1 + E g1 ) = ∆ E g − ∆ χ‬‬
‫ويمكن استنتاج المعادلة التالية من المعادلتين السابقتين‬
‫‪∆Ec + ∆EV = ∆E g‬‬

9. ‫: انواع المفارق الهجينة‬
‫المفرق الهجين الحاد )‪ (abrupt‬والمتدرج )‪(graded‬‬ ‫1‬
‫استنادا إلى المسافات إثناء النتقال من المادة شبه الموصلة‬
‫ ً‬
‫الولى إلى الخرى‬
‫المتدرج‬ ‫الحاد‬

10. ‫المفرق الهجين المتماثل )‪Isotype‬‬
‫2‬
‫‪ (Heterojunction‬مثل ‪ n-n‬و ‪ p-p‬و المفرق الهجين‬
‫غير متماثل )‪ (Anisotype Heterojunction‬مثل‬
‫‪ p-n‬و ‪. n-p‬استنادا الى نوع التوصيلية الكهربائية على كل‬
‫جانب من جانبيه‬
‫3‬
‫مفارق ذات التطابق الشبيكي )‪(lattice matched‬‬
‫ومفارق ذات عدم التطابق الشبيكي )‪lattice‬‬
‫‪. (mismatch‬استنادا الى ثابت الشبيكة )‪.(a‬‬

11. ‫4‬
‫المفارق الهجينة المتلبسة )‪ (straddling‬وهوا لشائع في‬
‫أغلب المفارق الهجينة.والمفارق الهجينة المائلة بشدة‬
‫)‪ .(stagger‬والمفارق الهجينة المكسورة الفجوة )‪broken‬‬
‫‪ .(gap‬استنادا الى اصطفاف الحزمة.‬

12. ‫العوامل النظرية المؤثرة على خصائص المفرق الهجين‬
‫1- عدم التطابق الشبيكي )‪(Lattice Mismatch‬‬ ‫•‬
‫ان احد اهم الشروط في عملية انماء المفرق الهجين هو ان تمتلك كل المادتين‬ ‫•‬
‫ثابت الشبيكة نفسه اذ أن أي اختل ف فيه يقود الى مفهوم عدم التطابق‬
‫الشبيكي. وتعطى قيمته ولمادتين شبه موصلتين لهما ثابتي شبيكة 1‪ a‬و2‪a‬‬
‫بالعلقة التية:‬
‫= ‪• Lattice Mismatches‬‬
‫2- عدم التطابق الحراري )‪(Thermal Mismatch‬‬ ‫•‬
‫ينشأ هذا العامل عندما تمتلك مادتا المفرق الهجين معاملي تمدد حراري‬ ‫•‬
‫مختلفين.‬
‫3- النتشار الداخلي )‪(Intediffusion‬‬ ‫•‬
‫ان المفارق الهجينة المصنعة بدرجات حرارة عالية يظهر فيها النتشار الداخلي‬ ‫•‬

14. ‫الخصائص الكهربائية للمفرق الهجين‬
‫لجصل معرفصة الداء الجيصد للمفرق الهجيصن فل بصد مصن دراسصة خصائصه‬
‫الكهربائيصة والمتمثلصة بخصصائص تيار – جهصد وخصصائص سصعة – جهد وهذه‬
‫الخصائص هي التي تميز المفرق الهجين.‬
‫ ُ‬
‫1 خصائص تيار-جهد )‪Current –Voltage‬‬
‫‪(Characteristics‬‬
‫الخصائص هذه تمكننا من ايضاح آلية التوصيل الكهربائي، ويمكن تصنيف‬
‫هذه الخصائص بالعتماد على قطبية الفولتية المسلطة إلى نوعين: انحياز‬
‫امامي )‪ (Forward bias‬وانحياز عكسي .)‪ (Reverse bias‬فاذا كانت‬
‫قطبية الفولتية المسلطة مماثلة إلى قطبية شبهي الموصل المكونان للمفرق‬
‫عندئذ يعمل المفرق بالنحياز المامي وهذا بدوره يؤدي إلى تقليل جهد البناء‬
‫الداخلي )‪ (Built-in potential‬للمفرق والعكس صحيح بالنسبة للنحياز‬
‫العكسي .‬

15. ‫خصائص سعة-جهد)‪(Capacitance-Voltage characteristics‬‬ ‫2‬
‫من خلل خصائص سعة-جهد يمكن ايجاد تركيز الشوائب وجهد البناء‬
‫الداخلي وعرض منطقة النضوب)الستنزاف( وإعطاء صورة واضحة لتوزيع‬
‫الشحنة في المفرق. وفي حالة المفرق الهجين وعند انتقال حاملت الشحنة‬
‫من المادة شبه الموصلة الولى إلى الثانية او بالعكس تتكون منطقة ذات‬
‫مقاومة كهربائية عالية وهذه المنطقة تسمى بمنطقة النضوب وعندها يمكن‬
‫اعتبار المفرق متسعة إذ تتجمع الذرات المتأينة على طرفيها ولحساب سعة‬
‫الوصلة)المتسعة( لوحدة المساحة المتكونة في حالة النحياز العكسي نستخدم‬
‫المعادلة التية‬
‫‪εs‬‬
‫= ‪C‬‬ ‫حيث ‪ :εs‬سماحية شبه الموصل‬
‫‪W‬‬
‫عرض منطقة النضوب :‬ ‫‪W‬‬

16. ‫الخصائص الكهروبصرية للمفرق الهجين‬
‫عند سقوط الضوء )الشعاع الكهرومغناطيسي( على مادة شبه موصلة سوف‬
‫يتجزأ الضوء إلى ثلثة اجزاء: جزء ينعكس من سطح المادة، وجزء ينفذ من‬
‫خلل المادة والجزء الثالث من الضوء هو الجزء الممتص داخل المادة وهو‬
‫الجزء الساس لفهم هذه الخصائص. يعتمد امتصاص الفوتونات خلل المادة‬
‫شبه الموصلة على الطول الموجي لتلك الفوتونات‬
‫ان الخصائص الكهروبصرية للمفارق الهجينة يمكن تصنيفها إلى مجموعتين‬
‫1. المجموعة الولى: تهتم بتوليد تيارات ضوئية جراء امتصاص الفوتونات.‬
‫2. المجموعة الثانية: تهتم بانبعاث فوتوني كنتيجة للتهيج اللكتروني.‬

17. ‫والشكل يوضح علقة تيار- جهد قبل وبعد الضاءة‬
‫ل لمفرق ال هجين‬

19. ‫الكواشف )‪(Detectors‬‬
‫الكواشف هي أجهزة أو نبائط يتم تصنيعها من أشباه الموصلت مثل السيلكون ،‬
‫تعمل على تحويل الطاقة الضوئية الممتصة إلى اشارة كهربائية يمكن قياسها.‬
‫يمكن تقسيم الكواشف بالعتماد على آلية تحول طاقة الشعة الساقطة الى‬
‫لّ‬
‫كواشف حرارية‬ ‫1‬
‫وكواشف فوتونية‬ ‫2‬

20. ‫الخلية الشمسية )‪(Cell Solar‬‬
‫هي نبائط تقوم بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية مستفيدة‬
‫من الخصائص اللكترونية لنوع معين من المواد تعرف بأشباه الموصلت‬
‫)‪.(semiconductors‬والشكل يوضح الخلية الشمسية مع طرائق ترتيبه.‬

21. ‫ليزرات أشباه الموصلت )‪(Semiconductor Lasers‬‬
‫تستخدم المفارق الهجينة في أجهزة الليزرات وتحديدا ليزر أشباه‬
‫الموصلت الدايود ) .)‪ diode‬وله تطبيقات جدا واسعة من هذه‬
‫التطبيقات هي مشغلت السي دي )‪(CD‬و الدي في دي )‪(DVD‬‬
‫ويستخدم ايضا في ضخ ليزرات اخرى مثل ليزرات الحالة الصلبة.والشكل‬
‫يوضح ثنائي ليزر مثالي‬

22. ‫شكرا لصغائكم‬