گالیم آرسنید

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
گالیم آرسنید
Samples of gallium arsenide
Gallium arsenide crystal.jpg
شناساگرها
شماره ثبت سی‌ای‌اس 1303-00-0 YesY
پاب‌کم 14770
کم‌اسپایدر 14087 YesY
شمارهٔ ئی‌سی 215-114-8
شمارهٔ یواِن 1557
MeSH gallium+arsenide
شمارهٔ آرتی‌ئی‌سی‌اس LW8800000
جی‌مول-تصاویر سه بعدی Image 1
خصوصیات
فرمول مولکولی GaAs
جرم مولی 144.645 g/mol
شکل ظاهری Very dark red vitreous crystals
بوی garlic-like when moistened
چگالی 5.3176 g/cm3
دمای ذوب ۱٬۲۳۸ درجه سلسیوس (۲٬۲۶۰ درجه فارنهایت; ۱٬۵۱۱ کلوین)
انحلال‌پذیری در آب insoluble
انحلال‌پذیری soluble in HCL
insoluble in ethanol methanol acetone
نوار ممنوعه 1.424 eV (at 300 K)
تحرک‌پذیری 8500 cm2/(V·s) (at 300 K)
رسانندگی گرمایی 0.55 W/(cm·K) (at 300 K)
ضریب شکست (nD) 3.8[۱]
ساختار
ساختار بلوری Zinc blende
گروه فضایی T2d-F-43m
ثابت شبکه a = 565.35 pm
Tetrahedral
شکل مولکولی Linear
خطرات
GHS pictograms The skull-and-crossbones pictogram in the Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS) The environment pictogram in the Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS)
GHS signal word DANGER
GHS hazard statements H301, H331, H410
GHS precautionary statements P261, P273, P301+310, P311, P501
لوزی آتش
Flammability code 1: Must be pre-heated before ignition can occur. Flash point over 93 °C (200 °F). E.g., canola oilHealth code 3: Short exposure could cause serious temporary or residual injury. E.g., chlorine gasReactivity code 2: Undergoes violent chemical change at elevated temperatures and pressures, reacts violently with water, or may form explosive mixtures with water. E.g., phosphorusSpecial hazard W: Reacts with water in an unusual or dangerous manner. E.g., cesium, sodiumNFPA 704 four-colored diamond
1
3
2
به استثنای جایی که اشاره شده‌است در غیر این صورت، داده‌ها برای مواد به وضعیت استانداردشان داده شده‌اند (در 25 °C (۷۷ °F)، ۱۰۰ kPa)
 N (بررسی) (چیست: YesY/N؟)
Infobox references

گالیم آرسنید(GaAs) یک ترکیب از عناصر گالیم و آرسنیکاست. این ترکیب یک نیمه هادی بوده و ساختار بلوری آن مشابه سولفید روی است.

گالیم آرسنید در تولید دستگاه های مانند مایکروویو ،دیودهای ساطع کننده نور مادون قرمز، دیود های لیزر و سلول های خورشیدی استفاده میشود.

گالیم آرسنید است اغلب به عنوان یک ماده بستر برای رشد اپیتاکسیال دیگر نیمه هادی ها استفاده میشود از  از جمله indium gallium arsenideهای آلومینیوم gallium arsenide وغیره.

آماده سازی و شیمی[ویرایش]

در این ترکیب، گالیم دارای غدد اکسیداسیون 3+است.تک کریستال های گالیم آرسنید را می توان توسط نوع سه فرآیند صنعتی تولید کرد:[۲]

  • فرآیندیخ زدگی با افت حرارت عمودی (VGF) (اکثر ویفرهای گالیم آرسنید با استفاده از این فرایند تولید میشوند).[۳]
  • رشد بلور با استفاده از یک کوره افقی  و با استفاده از روش Bridgman-Stockbarger که در آن بخارات گالیم و آرسنیک واکنش نشان می دهند و مولکول‌های آزاد شده در یک دانه کریستال در خنک کننده ای که در انتهای کوره قرار دارد ته نشین میشوند.
  • روش رشد مایع محصور (فرایند چکرالسکی) برای تولید با خلوص بالا تک کریستال ها است.

روش های جایگزین برای تولید صفحه گالیم آرسنید عبارتند از:[۴]

اکسیداسیون گالیم آرسنیددر هوا رخ می دهد عملکرد این نیمه هادی را پایین می آورد. برای مقاوم کردن سطح ماده می توان یک لایه  گالیم(II) سولفید بر روی آن با استفاده از یکی از ترکیبات tert-بوتیل گالیم سولفید ته نشین کرد .[۵]

یک قطعه بکر تک کریستال از گالیم آرسنید با جهتگیری سطحی 100%

نیمه عایق کریستال[ویرایش]

اگر یک کریستال گالیم آرسنید در حضور مقدار زیادی  آرسنیک رشد کند, در آن برخی از نقص ها  به وجود می آید،به ویژه نقوص anti-site  آرسنیک  (یک اتم آرسنیک درجای یک اتم گالیم در شبکه بلور). خواص الکترونیکی این نقوص (در تعامل با دیگران) باعث می‌شود که سطح فرمی به نزدیکی مرکز نوار ممنوعه متصل شود، به طوری که  کریستال گالیم آرسنید دارای غلظت بسیار کم الکترون و حفره شود. این غلظت حامل پایین شبیه به کریستال طبیعی است, اما در عمل رسیدن به آن بسیار ساده تر است. این کریستال ها "نیمه عایق" نام دارند،که مقاومت بالای 107-109 Ω·سانتی متر را دارا می باشند (که بسیار بالا برای یک نیمه هادی است, اما هنوز هم بسیار پایین تر از یک عایق واقعی مانند شیشه است).[۶]

قلم زنی[ویرایش]

قلم زنی خیس گالیم آرسنید به صورت صنعتی با استفاده از یک عامل اکسید کننده مانند آب اکسیژنه یا آب برم[۷] انجام می شود، و همان استراتژی قبلی در ثبت اختراع مربوط به پردازش ضایعات قطعات حاوی گالیم آرسنید که در آن Ga3+
 با اسید هیدروکسام("HA")مخلوط میشود استفاده می شود. برای مثال:[۸]

GaAs + H2O2 + "HA" → "GaA"  + H3AsO4 + H2O4 

این واکنش آرسنیک اسید تولید می کند.

الکترونیک[ویرایش]

گالیم آرسنید منطق دیجیتال[ویرایش]

گالیم آرسنید می‌تواند برای انواع زیادی ترانزیستور استفاده شود:[۹]

 HBT می‌تواند در منطق تزریق یکپارچه استفاده شود. اولین گیت های منطقی گالیم آرسنید  از منطق بافر(FET) استفاده می کردند.

از ~1975 تا 1995 خانواده های اصلی منطق مورد استفاده عبارت بودند از:

  • منطق منبع-همراه (FET)  (SCFL) سریعترین و پیچیده ترین کار (مورد استفاده توسط TriQuint و Vitesse)
  • منطق خازن دیود (FET)  (CDFL) (مورد استفاده توسط Cray)
  • منطق مستقیم همراه (FET) (DCFL) ساده ترین و کمترین قدرت (مورد استفاده توسط Vitesse برای VSLI دروازه آرایه ها)

 مقایسه با سیلیکون در الکترونیک[ویرایش]

مزایای گالیم آرسنید[ویرایش]

برخی از خواص الکترونی گالیم آرسنید نسبت به  سیلیکون برتر هستند. گالیم آرسنید سرعت اشباع الکترون بالاتر و تحرک‌پذیری بالاتری دارد،که اجازه می دهد ترانزیستورهای گالیم آرسنید در فرکانس های بیش از 250 GHz نیز عملکرد خوبی داشته باشند. دستگاه های گالیم آرسنید نسبتا غیر حساس به حرارت بالا، با توجه به انرژی منطقه ممنوعه گسترده تر، و آنها نیز تمایل به ایجاد نویز کمتری در مدارهای الکترونیکی نسبت به دستگاه های سیلیکون به خصوص در فرکانس های بالا دارند.این ویژگی های برتر گالیم آرسنید دلایل قانع کننده ای برای استفاده از GaAs در مدارات گوشی های موبایل،ارتباطات ماهواره ای، مایکروویو لینک های نقطه به نقطه  و سیستم های  رادار  با فرکانس بالاتر است. گالیم آرسنید همچنین در ساخت دیود گان برای نسل مایکروویو  استفاده می‌شود .

یکی دیگر از مزایای استفاده از گالیم آرسنید این است که آن گاف مستقيم دارد, که بدان معنی است که گالیم آرسنید می‌تواند برای جذب و تابش نور به صورت موثر استفاده شود. سیلیکون گاف غيرمستقيم داردو بنابراین در ساطع کردن نور نسبتا ضعیف است.

به عنوان گسترده ای مستقیم گاف مواد با نتیجه مقاومت به تابش آسیب GaAs یک ماده بسیار عالی برای فضای بیرونی الکترونیک نوری و ویندوز در قدرت بالا برنامه های کاربردی.


مزایای سیلیکون [ویرایش]

سیلیکون دارای سه مزیت عمده نسبتبه گالیم آرسنید در ساخت مدار مجتمع  است . نخست، سیلیکون فراوان است وفرآیند تبدیل به شکل مواد معدنیسیلیکات برای آن ارزان است.

در ضمن یک کریستال سیلیکون دارای ساختار  بسیار پایدار است و کریستال آن می‌تواند تا قطر بسیار بزرگ رشد کندو پردازش آن عملکرد بسیار خوبی را دارا است. سیلیکون نیز هادی نسبتا خوب حرارتی است، بنابراین امکان متراکم سازی و بسته بندی ترانزیستورهایی که نیاز به خلاص شدن از گرمای خود را دارند فراهم می کند، بنابراین بسیار مطلوب برای طراحی و ساخت Ic های بسیار بزرگ می باشند . چنین  ویژگی های خوب مکانیکی نیز آن را به ماده مناسب برای زمینهدر حال توسعه نانو تبدیل کرده است. به طور طبیعی, سطح گالیم آرسنید نمی تواند در برابر دمای بالا مورد نیاز برای نفوذ مقاومت کند.[۱۰]

دومین مزیت عمده ی سیلیکون وجود یک  اکسید بومی (دی اکسید سیلیکونبا SiO2) است،که به عنوان یک عایق در دستگاه های الکترونیکی استفاده شده است . دی اکسید سیلیکون به راحتی می تواند بر روی مدار سیلیکون گنجانیده شده  و این چنین لایه هایی لایه های چسبنده به زمینه ی سیلیکون هستند. SiO2  نه تنها عایق خوبی است(با یک گاف از 8.9 eV)، بلکه سطح Si-SiO2  به راحتی می‌تواند مهندسی شود تا به خواص الکتریکی عالی برسد. گالیم آرسنید اکسید بومی ندارد،  به راحتی لایه عایق پایدار چسبنده را پشتیبانی نمی کند و دارای قدرت دی الکتریک یا خواص رویینگی سطح سیلیکون یا سیلیکون دی اکسید نیست.

سوم مزیت سیلیکون  آن است که سیلیکون  دارای سوراخ تحرک بالاتر در مقایسه با گالیم آرسنید (500 مقابل 400 سانتی متر2V-1s-1)است.[۱۱] این تحرک بالا اجازه می دهد که سرعت ساخت ترانزیستور اثر میدان  (FET) بالاتر رود ،که مورد نیاز برای منطق CMOS  است.

منابع[ویرایش]

  1. Refractive index of GaAs. Ioffe database
  2. Moss, S. J.; Ledwith, A. (1987). The Chemistry of the Semiconductor Industry. Springer. ISBN 0-216-92005-1. 
  3. Scheel, Hans J.; Tsuguo Fukuda. (2003). Crystal Growth Technology. Wiley. ISBN 0471490598. 
  4. Smart, Lesley; Moore, Elaine A. (2005). Solid State Chemistry: An Introduction. CRC Press. ISBN 0-7487-7516-1. 
  5. "Chemical vapor deposition from single organometallic precursors" A. R. Barron, M. B. Power, A. N. MacInnes, A. F.Hepp, P. P. Jenkins U.S. Patent ۵٬۳۰۰٬۳۲۰ (1994)
  6. McCluskey, Matthew D. and Haller, Eugene E. (2012) Dopants and Defects in Semiconductors, pp. 41 and 66, شابک: ‎۹۷۸-۱۴۳۹۸۳۱۵۲۶
  7. Brozel, M. R.; Stillman, G. E. (1996). Properties of Gallium Arsenide. IEEE Inspec. ISBN 0-85296-885-X. 
  8. "Oxidative dissolution of gallium arsenide and separation of gallium from arsenic" J. P. Coleman and B. F. Monzyk U.S. Patent ۴٬۷۵۹٬۹۱۷ (1988)
  9. Dennis Fisher; I. J. Bahl (1995). Gallium Arsenide IC Applications Handbook 1. Elsevier. p. 61. ISBN 978-0-12-257735-2.  'Clear search' to see pages
  10. Morgan, D. V.; Board, K. (1991). An Introduction To Semiconductor Microtechnology (2nd ed.). Chichester, West Sussex, England: John Wiley & Sons. p. 137. ISBN 0471924784. 
  11. Appendix G, Sze, S. M. (1985). Semiconductor Devices Physics and Technology, John Wiley & Sons شابک: ‎۰-۴۷۱-۸۷۴۲۴-۸