البنى الإلكترونية المكمّاة

بني الكترونيه مكمّاه

Quantized electronic structire (QUEST) -

البنى الإلكترونية المكمّاة

خالد المصري

طرائق التصنيع

المميزات العامة

تطبيقات واستعمالات

البنية الإلكترونية المكمّاة (الكمومية) Quantized Electronic Structure (QUEST) هي أداة تحصر الإلكترونات في حيزٍ صغير من الفضاء لدرجةٍ يصبح عندها سلوكها الموجي مهماً، وتتغير خواصها كثيراً وفق آثار الميكانيك الكمومي. تتوفر هذه البُنى في الطبيعة، كما في حالة الذرات، ويمكن اصطناعها أيضاً، وغالباً ما تُصنَّع هذه البُنى من طبقات من مواد نصف ناقلة، بحيث يكون أحد أبعاد منطقة حصر الإلكترونات بين 1 و100 نانومتر.

تتأثر سويات الطاقة المسموحة للإلكترونات في هذه الأداة وحركة الإلكترونات وخواصها الضوئية تأثراً كبيراً بالميكانيك الكمومي. ويُقال عن البُنى إنها آبار كمومية quantum wells أو أسلاك كمومية أو نقاط كمومية، بحسب ما تكون حركة الإلكترونات محصورة في بُعد واحد أو اثنين أو ثلاثة أبعاد (الشكل1) على الترتيب. وتُسمى مجموعة الآبار الكمومية المتجاورة التي يمكن أن تنتقل الإلكترونات بينها بأثر النفق الكمومي tunneling effect - عبر طبقات رقيقة من المادة بينها- الشبكات الفائقة superlattices.

الشكل (1) التشكيلات الهندسية في: أ- بئر كمومية، ب- أسلاك كمومية، ج- نقاط كمومية.

ومن التطبيقات الرئيسة لهذه البُنى الصنعية الترانزستورات العالية الأداء، مثل ترانزستورات الأمواج المكروية ذات الإلكترونات العالية الحركية High Electron Mobility Transistor (HEMT)، والليزرات الصلبة العالية الأداء؛ مثل ليزرات الآبار الكمومية نصف الناقلة. ولهذه البُنى تطبيقات علمية مهمة في دراسة المسائل الفيزيائية الأساسية ذات الأبعاد الثنائية والأحادية والصفرية، والتي تكون الإلكترونات محصورةً فيها، بحيث تتحرك بحرية في اتجاهين أو اتجاهٍ واحدٍ فقط، أو لا تتحرك في أي اتجاه zero direction. وتُعدّ البلورات النانوية والأنابيب الكربونية النانوية وجزيئات الكربون C60 كلها من البُنى الإلكترونية الكمومية المهمة.

طرائق التصنيع

التقنية الأكثر استعمالاً في تصنيع البُنى الإلكترونية الكمومية هي التنمية التناضدية (الطباقية) epitaxial لطبقات نصف ناقلة رقيقة أحادية البلورة، بوساطة تقنيات التناضد بحزمة جزيئية molecular-beam epitaxy، أو بالتنمية من طور البخار. أمَّا المواد نصف الناقلة المستعملة؛ فهي السليكون والجرمانيوم (الفصيلة الرابعة)، ومركّبات الزرنيخ والفسفور والأنتموان في عائلة أنصاف النواقل III-V، والتلوريدات في عائلة أنصاف النواقل II-VI. وفي التنمية التناضدية بحزمة جزيئية؛ تتشكل حُزَم ذرات وجزيئات نصف الناقل بالتبخير الحراري أو بالقذف الإلكتروني لمنابع عنصرية للذرات والجزيئات في خلاء فائق. أمَّا في التقنيات التي تعتمد على التنمية من الطور البخاري؛ فتتفاعل مركّبات غازية تحتوي على العناصر المرغوبة على سطح ركيزة ساخنة لتشكيل البنى الكمومية. وفي كلتا الحالتين يُمكِن تنمية الغشاء بمعدل توضيع من مرتبة طبقة ذرية واحدة في الثانية، وتكون سطوح الأغشية ناعمةً على المستوى الذري. وتُعدّ النعومة مهمة في البنى الإلكترونية الكمومية؛ لأن للأغشية الناعمة سويات طاقة أكثر حدةً، وسلوكاً كمومياً أقوى. ويُمكن التحكم في سماكة الغشاء بدقة طبقة ذرية بوساطة مغلاق حزمة الجزيئات في الطريقة الأولى، وبفتح صمامات وإغلاقها في الطريقة الثانية. إن التحكم في سماكة الغشاء أمر مهم أيضاً لأنه يُحدِّد كِبَر الطاقات الكمومية وترددات العمل، أو أطوال الموجات للعديد من العناصر الإلكترونية أو الإلكتروبصرية. وتُمكّن التنمية التناضدية من تنمية طبقات فيها انفعالات strained ذات ثوابت شبكة بلورية مختلفة بعضها فوق بعض، ويُستعمل هذا الانفعال غالباً للتوليف الدقيق لخواص البنى الكمومية.

يَفرِض تشكيل النقاط والأسلاك الكمومية تحدّياً خاصاً؛ لأن التحكم في الأبعاد الجانبية في أثناء التناضد أقل دقةً من التحكم في السماكة. ومن الطرائق الذكية التي برهنت على نجاعتها في تحقيق بُنى ذات حصر كمومي جانبي صغير؛ اختلاف سرعة النمو للأوجه البلورية المختلفة عند أطراف الآبار الكمومية المُنفلِقة cleaved، وتنمية جزر صغيرة في أثناء تنمية طبقات رقيقة متناضدة ذات ثوابت شبكة مختلفة عن مادة الركيزة. كما تطوّرت الطرائق الكيميائية لإنتاج جسيمات ذات أبعاد كمومية تطوراً سريعاً، وعلى وجه الخصوص تنمية بلورات الكبريتيدات sulfide والسلينيدات selenide النانوية وتنمية مركبات قفصية cage compound تُشكِّل قوالب لتشكيل الجسيمات أو الأسلاك.

المميزات العامة

يُمكن للإلكترونات المحصورة في بُنى كمومية امتلاك طاقات منفصلة معيَّنة فقط مقابلة لأبعاد الحصر في هذه البنى، عوضاً عن التوزّع المستمر للطاقات التي تستطيع الجسيمات أن تمتلكها في الفضاء الحر أو في البلورة. وفي حالة جسيمات محصورة حصراً عالياً في طبقة وحيدة سمكها L، وعندما تتحرك بحرية في اتجاه موازٍ للطبقة؛ تكون سويات الطاقة المسموحة مقاسة من أسفل البئر:

حيث أعداد صحيحة و h ثابت بلانك و الكتلة الفعالة للإلكترون، ويُلاحظ اعتماد الطاقة على سماكة البئر ومادتها عبر.

تقابل هذه الطاقات الحالات التي تُشكِّل فيها الإلكترونات أمواجاً مستقرة لكثافة الإلكترونات، وتوافق القمم في كثافة الإلكترونات (الشكل 2)، وهي تشبه في ذلك الطاقات المسموحة للذرة الحرة.

الشكل (2) سويات طاقة الإلكترون والأمواج المستقرة له الموافقة للحالات الكمومية في بئر كمومية.

غير أن هذه الحالات المسموحة للإلكترونات المحصورة ممكن التحكم فيها، في حالة إلكترون كتلته الفعالة ، حيث كتلة الإلكترون الحر (وهي قيمة نموذجية في أنصاف النواقل، إذ يتصرف الإلكترون في البلورة كما لو كان أخف وزناً من الإلكترون الحر)، وعند ، تكون طاقات الإلكترون المسموحة . ولهذه السويات الطاقية الكمومية بصمات واضحة في الخطوط المنفصلة لطيف الامتصاص الضوئي للآبار الكمومية العالية الجودة لزرنيخ الغاليوم وغيره من أنصاف النواقل. وتتحدد الطاقة الكامنة لإلكترون في بئر كمومية والطاقة الكامنة للإلكترونات في الحاجز (الشكل 2) على نحو أساسي بالألفة الإلكترونية للمواد التي تتكون منها البئر والحاجز. والألفة الإلكترونية هي الفرق بين طاقة إلكترون في حالة السكون في الخلاء وطاقة إلكترون في أسفل قطاع الناقلية للمادة.

توفّر الآبار الكمومية أيضاً كمونات حصر للإلكترونات في قطاعات تكافؤ البُنى الإلكترونية الكمومية، فعند نزع إلكترونات من قطاع تكافؤ لبئر كمومية نصف ناقلة؛ يؤدي الثقب الناتج في قطاع التكافؤ إلى ظاهرة ثقب كمومية تُماثل كل الآثار السابقة للإلكترونات.

يمكن تصنيع آبار كمومية ذات أشكال غير مربعة أو مستطيلة بتنمية خلائط من أنصاف النواقل بثخانات مختلفة. ومن الأمثلة الأساسية البئر الكمومية المكافئة (لمجموعة آبار) التي يتغيّر فيها كمون حصر الإلكترونات؛ مثل مربع المسافة عن مركز البئر، ومن ثمَّ فهو يحاكي تماماً كمونَ هزازٍ توافقيٍ بسيط لحصر الإلكترون. يمكن أيضاً تغيير شكل البئر بتطبيق حقل كهربائي عمودي على البئر الكمومية. ويمكن أيضاً تغيير شكل الكمون في البُنى الإلكترونية الكمومية بوساطة الحقول الكهربائية للإيونات المشحونة المانحة والآخذة، وتشكيل ما يُعرف بتطعيم الشبكات الفائقة n-i-p-i.

توفر الأسلاك والنقاط الكمومية حصراً إضافياً للإلكترونات في البنى الإلكترونية الكمومية مقارنة بالآبار الكمومية، وتزيد حدة طيف سويات الطاقة المسموحة. ويُمكن تشكيل الأسلاك والنقاط في طبقة بئر كمومية بحفر الطبقة lithographic etching أو بوضع مساري بوابة معدنية أعلى الطبقة.

تطبيقات واستعمالات

للبنى الإلكترونية الكمومية تطبيقات رئيسية في المجال البصري إضافة إلى المجال الإلكتروني.

1-التطبيقات البصرية: تعتمد التطبيقات البصرية على التفاعل بين الضوء والإلكترونات في البنى الكمومية. ففي الليزر يؤدي امتصاص إلكترون في بئر كمومية لفوتون؛ إلى ارتفاع الإلكترون من حالات كمومية مشغولة إلى حالات كمومية فارغة. ويمكن تحريض الإلكترونات والثقوب على الاتحاد، مصدرةً فوتونات مترابطة (نتيجة هبوط الإلكترون من حالة طاقة أعلى إلى حالة أدنى). وهذا الإصدار للفوتونات هو أساس عمل الليزرات نصف الناقلة المُكوّنة من بئر كمومية، والتي وجدت تطبيقات واسعة في الاتصالات بالألياف البصرية والأقراص المُدمجة وأقراص التسجيل الضوئي الليزري.

تعمل ليزرات البئر الكمومية بحقن أو ضخ الإلكترونات كهربائياً في أخفض حالة في قطاع ناقلية البئر الكمومية ()، إذ تعود إلى الاتحاد مع ثقوب أعلى حالة في قطاع تكافؤ البئر (أي إن الإلكترونات تهبط إلى حالة فارغة في قطاع التكافؤ) كما يبيّن الشكل (3-أ)، و يؤدي ذلك إلى إصدار الفوتونات، وتُحرِّض هذه الفوتونات إصدار فوتونات أخرى وحدوث الفعل الليزري بمردودٍ عالٍ.

ويمثل امتصاص الفوتونات أساس عمل الكواشف والمُعدِّلات الضوئية، ففي كواشف الأشعة تحت الحمراء التي تعتمد على بئر كمومية؛ يُرفَع إلكترون من حالة كمومية منخفضة (ولتكن) إلى حالة أعلى (ولتكن) في قطاع ناقلية البئر نتيجة امتصاصه لفوتون تحت أحمر، كما يبيّن الشكل (3-ب). ويُمكن لإلكترون في سوية أعلى الانتقال بحرية أكبر عبر الحواجز، وهذا ما يُمكِّنه من الإفلات من البئر والتجمع في دارة الكاشف. كما يُمكن لتغيرات أشكال البئر الكمومية الناتجة من تطبيق حقول كهربائية خارجية؛ تغيير أطوال أمواج الضوء المُمتَص في بنية إلكترونية كمومية. يُعرف انزياح طول موجة الامتصاص نتيجة تطبيق حقل كهربائي باسم أثر ستارك المحصور كمومياً quantum-confined Stark effect، وهو يُشكِّل أساس مُعدِّلات الضوء نصف الناقلة والعناصر المنطقية الضوئية نصف الناقلة.

الشكل (3) مبادئ عمل عناصر الآبار الكمومية. أ- ليزر ببئر كمومية. ب- كاشف أشعة تحت حمراء ببئر كمومية. ج- ترانزستور بإلكترونات ذات حركية عالية HEMT أو MODFET. تتحرك الإلكترونات- في بئر الكموم- التي تأتي من الذرات المانحة في الحاجز، بحركية كبيرة في الاتجاه المعامد للصفحة. د- عنصر نفقي تجاوبي.

2- التطبيقات الكهربائية

يُستعمل تعديل التطعيم لإدخال الإلكترونات في الآبار الكمومية بغرض التطبيقات الكهربائية، إذ تأتي الإلكترونات من الذرات المانحة القريبة من طبقات الحاجز (الشكل 3-ج). ويتميز تعديل التطعيم عن التطعيم التقليدي المنتظم بأنه يُوَلِّد حوامل شحنة في بئر الكموم من دون إدخال ذرات شوائب التطعيم في البئر. ونظراً لعدم توفر ذرات شوائب في البئر؛ فإن الإلكترونات تتحرك في البئر بحركية كبيرة في الاتجاهات الموازية لطبقة البئر الكمومية. ومن ثمَّ تكون المقاومة الكهربائية صغيرة جداً بالنسبة إلى قيمتها في أنصاف النواقل التقليدية. يُعزِّز ذلك استعمال الآبار الكمومية في التطبيقات المنخفضة الضجيج والعالية السرعة، وهو أساس الترانزستورات ذات الإلكترونات العالية الحركية HEMT، والتي تُعرَف أيضاً باسم ترانزستورات الأثر الحقلي ذات التطعيم المُعدَّل Modified Doping Field-Effect Transistors (MODFT).

تُستعمل ترانزستورات HEMT على نطاق واسع في مستقبلات الأمواج المِكروية للاستقبال المباشر للبث التلفزي من السواتل. كما أبدت البنى المُعدَّلة التطعيم تكمية ظاهرة لمقاومة هول (RH) Hall، والمعروفة بأثر هول الكمومي. وفي هذا الأثر الكمومي تكون الفلطية الجانبية التي يولدها حقل مغنطيسي في تدفق غاز من الإلكترونات؛ مقسومةً على شدة التيار الطولاني على طول غاز الإلكترونات ذي البعدين، مُكمَّاة تماماً وتأخذ القيم:

حيث .

إن هذه النسبة قابلة للقياس ومُحدّدة بدقة، لدرجة أنه جرى تَبَنِّيها أساساً لمعيار المقاومة والأوم.

تظهر الناقلية الكهربائية النوعية في الأنابيب الكربونية النانوية من دون تطعيم، وتنتج من غياب فجوة طاقية في بنية قطاعات الطاقة الإلكترونية للأنابيب النانوية، ومن وجود حالات مسموحة عند طاقة فرمي Fermi. يمكن وضع تماسات كهربائية على أنبوب مفرد من الأنابيب النانوية، وبذلك يمكن تشكيل ترانزستورات سلك كمومي بسيط.

إن أثر النفق الكمومي هو خاصة مهمة أخرى للبنى الإلكترونية الكمومية. ويُعدّ عبور الإلكترونات بأثر النفق لطبقات الحاجز الرقيقة بين الآبار الكمومية أثراً صرفاً للميكانيك الكمومي. ويعود ذلك إلى الخواص الموجية للإلكترونات، وإلى قدرة أمواج الجسيمات على اختراق طبقات الحاجز. ويتناقص احتمال اختراق الإلكترونات أسّياً مع سماكة الحاجز، ويكون أثر النفق أكبر في الحواجز الرقيقة والمنخفضة، ولهذا الأثر تطبيق في العناصر النفقية التجاوبية، والتي تُبدي مقاومة سالبة كبيرة في خواصها الكهربائية. في هذه العناصر (الشكل 3-د) تخترق إلكترونات من منطقة مشوبة من النوع n طبقات حاجز بئر كمومية بأثر النفق. ويكون التيار النفقي أكبر عندما يكون للإلكترونات التي تعبر بأثر النفق نفس طاقة البئر الكمومية نفسها، ويمكن التحكم في هذه السوية بتطبيق جهد كهربائي. وبالفعل يتناقص تيار النفق عند تطبيق جهد كهربائي كبير؛ إذ عندها لا تحافظ الإلكترونات الواردة على طاقة مساوية لطاقة الحالة الكمومية، وهذا ما يُولِّد مقاومة سالبة في المنحني المميز للثنائي (الديود) النفقي التجاوبي.

التصنيف : كهرباء وحاسوب

النوع : كهرباء وحاسوب

المجلد: المجلد الخامس

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية