نویسنده و مترجم: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
افزایش تقاضا برای وسایل الکترونیکیِ حالت جامد که کیفیت بهتر و سرعت بیشتری نسبت به نمونه‌های موجود داشته باشند سبب توجه زیاد به گالیوم آرسناید (GaAs) شده است. این ماده که نخستین بار در اواخر دهه‌ی 1920 میلادی به دست آمد ترکیبی از عنصرهای گروه‌های 3 و 5 جدول تناوبی عناصر است و راهی طولانی را در جاده‌ی پژوهش برای رسیدن به بازار نیمه رساناها پیموده است. پاسخ به این پرسش که آیا این ماده جای سیلیسیوم را در این بازار خواهد گرفت یا نه به راستی مشکل است.
با استفاده از گالیوم آرسناید، بسیاری از اسباب‌ها و قطعات الکترونیکی قادرند در بدترین و سخت‌ترین شرایط، به خوبی کار کنند. مقاومت آن در برابر تابش و کارایی خوب آن در دماهای زیاد، استفاده از آن را در بسیاری از کاربردهای فن‌آوری امروزه که در آنها عامل جا یا فضا نقشی اساسی بازی می‌کند، امکان پذیر ساخته است. تحرک بسیار زیاد الکترون‌ها در این ماده، طراحی و ساخت اَبَرکامپیوترهای سریع‌تر و کارآمدتر را ممکن ساخته است.
مطمئناً این ماده ویژگی‌هایی دارد که برای قطعات الکترونیکی امروزی مورد نیاز است. گالیوم آرسناید در ساختاری مشابه با شبکه‌ی بلوری اسفالریت (سولفید روی-آهن طبیعی) متبلور می‌شود که در آن هر اتم (اعم از گالیوم یا آرسنیک) در یک شبکه‌ی چهار وجهی توسط چهار تا از نزدیک‌ترین همسایه‌هایش در شبکه‌های مشابه دیگر احاطه شده است و با آنها پیوند شیمیایی دارد. این ساختار به ساختار شبکه‌ی بلوری الماس بسیار شبیه است، اما در الماس فقط یک نوع اتم (کربن) وجود دارد در حالی که در این ماده هر موضع اتمی به تناوب توسط یکی از اتم‌های آرسنیک یا گالیوم اشغال می‌شود. پیوندهای شیمیایی مانع فروریختن این شبکه‌ی بلوری می‌شوند.
در نیمه رساناهای ذاتی، الکترون‌های رسانشیِ اتم‌ها تحت تأثیر تحریکاتی مثل افزایش دما می‌توانند آزاد شده و در رسانش الکتریکی ماده نقش ایفا کنند. در نیمه رساناهای غیر داتی، به طور تصنعی با افزودن ناخالصی‌هایی به شکل اتم‌های خارجی به ماده‌ی پایه، الکترون‌های رسانشی فراوانی که به راحتی آزاد می‌شوند را در اختیار ماده قرار می‌دهیم. اگر اتمی دارای یک الکترون بیش از اندازه‌ی لازم برای کامل کردن پیوند چهار وجهی باشد آن را اتم دهنده می‌نامند. ورود این اتم به ماده‌ی پایه سبب تولید نیمه رسانای نوع n می‌شود. اما اگر اتم خارجی یک الکترون کم‌تر از اندازه‌ی لازم برای کامل کردن پیوند چهار وجهی داشته باشد آن‌گاه آن اتم را گیرنده یا پذیرنده می‌نامند. ورود این اتم به ماده‌ی پایه، سبب تولید نیمه رسانای نوع p می‌شود. با انتخاب ناخالصی‌های مناسب، خواص الکتریکی ماده‌ی نیمه رسانای غیرذاتی را می‌توان تغییر داد.
در گروه 6 جدول تناوبی، متداول‌ترین دهنده‌های مورد استفاده، سلنیوم و تلوریم هستند. این‌ها جایگزین اتم‌های پنج ظرفیتی آرسنیک می‌شوند و در این فرایند یک الکترون اضافه به جا می‌گذارند. حلالیت این عنصرها در حدود 10 اتم در سانتیمتر مکعب است.
منیزیوم ناخالصی جالب توجهی به شمار می‌آید و در مورد رفتار آن در گالیوم آرسناید عقاید مختلفی ابراز می‌شود. بعضی پژوهش‌گران معتقدند که اگر گالیوم آرسناید با 1019×7/5 میلیگرم اتم منیزیوم در سانتیمتر مکعب تحریک شود منیزیوم به صورت دهنده رفتار می‌کند. اما بعضی از پژوهش‌گران بر این عقیده‌اند که منیزیوم یک اتم پذیرنده است. فقط در غلظت‌های کمِ منیزیوم است که گالیوم آرسناید نیمه رسانای نوع n می‌شود، اما هرگاه میزان اتم دهنده به 1018×4/4 میلیگرم اتم در سانتیمتر مکعب برسد گالیوم آرسناید نیمه رسانایی از نوع p می‌شود.
ناخالصی‌های گروه‌های 2 و 6 را می‌توان ناخالصی‌های جای‌گزینی (استخلافی) نامید. اما در باره‌ی عنصرهای گروه 4 چه می‌توان گفت؟ این‌ها نیز وقتی در یکی از زیرشبکه‌های مناسب وارد شوند دارای یک الکتروالانس زیادتر یا کم‌ترند. معلوم شده است که این ناخالصی‌ها از سه قاعده پیروی می‌کنند: 1- این اتم‌های گروه 4 فقط یک زیر شبکه را اشغال می‌کنند که در آن می‌توانند به عنوان دهنده یا پذیرنده عمل کنند. 2- اتم‌ها در دو موقعیت شبکه‌ای همسایه قرار می‌گیرند و از لحاظ الکتریکی خنثی باقی می‌مانند. 3- اتم‌های ناخالصی به طور پراکنده در هر دو زیرشبکه پخش می‌شوند. در نهایت، شرایط خارجی تعیین می‌کند که کدام زیرشبکه بیشترین غلظت را خواهد داشت. معلوم شده است که ناخالصی‌های گروه 4 ترجیح می‌دهند در شبکه‌ای بمانند که شعاع اتم‌های آن بزرگ‌تر است چون در این شبکه فضای خالی بیشتری وجود دارد.
در تمام موارد، اتم‌های خارجی همواره یک زیرشبکه را بر دیگری ترجیح می‌دهند. آزمایش‌های انجام شده برای حل کردن سیلیسیوم در گالیوم آرسناید نشان داده‌اند که این مطلب درست است. پژوهش‌گران با افزودن اتم‌های رادیواکتیو سیلیسیوم به داخل شبکه‌ی گالیوم آرسناید توانسته‌اند رابطه‌ی بین افزایش غلظت الکترون ناشی از سیلیسیوم و مقدار سیلیسیوم حل شده را پیدا کنند، در غلظت 1017 اتم در سانتیمتر مکعب، تقریباً همه‌ی اتم‌های سیلیسیوم به عنوان دهنده رفتار می‌کنند، اما در غلظت‌های زیادتر، همه‌ی اتم‌ها به عنوان دهنده رفتار نمی‌کنند. برای توجیه این رفتار باید گفت که با افزایش غلظت سیلیسیوم، بخشی از اتم‌های سیلیسیوم جایگزین اتم‌های آرسنیک می‌شوند. این پذیرنده، بخشی از دهنده‌ها یا موقعیت‌های اتم‌های گالیوم را جبران می‌کند.
با تحریک کردن دو انتهای یک ماده با دو ناخالصی مختلف و مناسب نیز می‌توان یک پیوندگاه p-n ساخت. چون غلظت ناخالصی‌های استفاده شده در این مورد بسیار کم است ساختار بلوری یا فاصله‌ی نواری ماده تغییر نمی‌کند. در حالی که یک انتهای این جفت نیمه رسانای p-n حاوی مقدار زیادی حفره‌ی الکترونی و انتهای دیگر حاوی مقدار زیادی الکترون است تعداد حفره‌ها و الکترون‌ها در مرکز ماده مساوی است و ماده را اساساً می‌توان نیمه رسانای ذاتی دانست.
پیوندگاه p-n بر اساس دو نوع حرکت حامل کار می‌کند. یک نوع حرکت عبارت است از مهاجرت الکترون‌ها از ناحیه‌ی n به ناحیه‌ی p و به همین ترتیب، مهاجرت حفره‌ها از ناحیه‌ی p به ناحیه‌ی n. این حرکت را که ناشی از شیب (تفاوت) غلظت هر دو حامل (حفره و الکترون) در پیوندگاه است جریان نفوذ یا پخش می‌نامند. در این حرکت، بیشتر حامل‌ها شرکت دارند. نوع دیگر حرکت حامل‌ها، جریان الکترون‌ها به عقب به سوی ناحیه‌ی n و جریان حفره‌ها به عقب به سوی ناحیه‌ی p است. این حرکت را جریان سوقی می‌نامند. این حرکت، اقلیت حامل‌ها را در بر می‌گیرد. در یک نیمه رسانای در حال تعادل (یعنی نیمه رسانایی که میدان الکتریکی خارجی بر آن اِعمال نمی‌شود) این چهار جریان جابه‌جایی یک‌دیگر را خنثی می‌کنند. ناحیه‌ی مرکزی که به طور عمده عاری از حامل است لایه‌ی سدی یا تهی لایه نامیده می‌شو.د. ولتاژ طبیعی پیوندگاه در حالت تعادل در این ناحیه واقع است.
اگر میدانی الکتریکی به پیوندگاه اعمال شود حالت جالب‌تری پیش می‌آید. برای مثال فرض کنید که سمت p را به پایانه‌ی مثبت و سمت n را به پایانه‌ی منفی باتری وصل کنیم. بر اثر این اتصال، جریان قابل توجهی برقرار می‌شود چون باتری با ولتاژ پیوندگاه که تمایل به باریک کردن تهی لایه دارد مخالفت می‌کند. این پیوندگاه در حالت بایاس مستقیم (یا ولتاژ پیشین رفت) کار می‌کند. اگر قطب‌ها معکوس شوند به طوری که پایانه‌ی مثبت باتری به ناحیه‌ی n و پایانه‌ی منفی باتری به ناحیه‌ی p وصل شود ولتاژ اعمال شده بر ماده، ولتاژ پیوندگاه را تقویت و تهی لایه را گسترده‌تر می‌کند. در نتیجه فقط اقلیت کوچکی از حامل‌ها از پیوندگاه عبور خواهند کرد. این جریان اقلیت حامل‌ها را جریان معکوس یا نشتی می‌نامند. در این حالت، پیوندگاه تحت بایاس معکوس است.
قطعات الکترونیکی امروزیِ حالت جامد بر اساس پیوندگاه p-n (که دیود نیز نامیده می‌شود) پایه گذاری شده‌اند. این مطلب به ویژه در رابطه با اختراع ترانزیستور، و به ویژه ترانزیستور دو قطبی، صادق است. ترانزیستور دو قطبی دارای دو پیوندگاه p-n متصل به یک‌دیگر است. سیستم‌های کامپیوتری وابستگی زیادی به ترانزیستور برای تلفات کمترِ توان و کلیدزنی سریع‌تر (زمان کوتاه‌تر) دارند. برای مثال، یک ریزپردازنده‌ی سیلیسیومی می‌تواند یک کار نسبتاً ساده را در مدت چند هزارم ثانیه انجام دهد که متناظر با فرکانس کاری در حدود ده تا بیست میلیون هرتز است. اگر به سرعت‌های بیشتر نیاز باشد سیلیسیوم می‌تواند تا سرعت صد میلیون هرتز را تأمین کند که در این صورت زمان پردازش در حد چند نانو ثانیه می‌شو.د. اما در بعضی از کاربردها، مثلاً در پیش بینی وضع آب و هوا، این سرعت کافی نیست. آن‌چه مورد نیاز است نیمه رسانایی است که بتواند سرعت دویست میلیون هرتز را به راحتی تأمین کند و رسیدن به سرعتی در حدود دو گیگا هرتز در آن امکان پذیر باشد. راه حل، استفاده از گالیوم آرسناید است.
گالیوم آرسناید در برابر تابش‌های الکترومغناطیسی و رادیاکتیو نیز مقاوم است، و به همین سبب ماده‌ی مهمی در کاربردهای نظامی و فضایی است. مقاومت گالیوم آرسناید در برابر تابش ذرات باردار، حداقل ده برابر مقاومت سیلیسیوم است. هم‌چنین، چون گالیوم آرسناید فاصله‌ی نواری پهن‌تری دارد، در دماهای خیلی کم یا خیلی زیاد (از 200- تا 200+ درجه‌ی سانتیگراد) نیز می‌تواند کار کند. فاصله‌ی نواری پهن‌تر، یعنی تعداد کم‌تری از حامل‌های رسانش ذاتی. در حقیقت با تکنیک‌های خاصی می‌توان شرایطی فراهم آورد که تراشه‌های گالیوم آرسناید در دماهایی در حدود 300 تا 400 درجه‌ی سانتیگراد بتوانند کار کنند.
تنها عیب گالیوم آرسناید، که تاکنون معلوم شده است، رسانندگی گرمایی کم آن در مقایسه با نیمه رساناهای دیگر است. رسانندگی گرمایی گالیوم آرسناید و سیلیسیوم به ترتیب تقریباً 46/0 و 5/1 وات بر سانتیمتر بر درجه‌ی سانتیگراد است. این امر باعث بروز مسائل و دشواری‌هایی می‌شود زیرا لازم می‌شود که برای خنک نگاه داشتن پیوندگاه، طول قطعه در حداقل مقدار ممکن طراحی شود. برای جبران کم بودن رسانندگی گرمایی این ماده، فن‌آوری ویژه‌ای به کار گرفته می‌شود تا جریان گرما را به حداقل برساند.
در ساختار نواری بلوری مشاهده شده است که اگر به یک الکترون انرژی کافی داده شود تا نوار والانس را ترک کند و وارد نوار رسانش شود یک حفره‌ی الکترونی ایجاد می‌شود. اکنون فرض کنید که این الکترون رسانش بخواهد دوباره به نوار والانس بازگردد و با حفره‌ای که ایجاد کرده است ترکیب شود. در این صورت انرژی داده شده در مرحله‌ی اول کجا می‌رود؟ مطابق قانون بقای انرژی یک فوتون نور گسیل خواهد شد که دقیقاً برابر است با انرژی فاصله‌ی نواری ماده‌ی مورد نظر. در مورد بعضی از مواد مثل گالیوم آرسناید همین اتفاق می‌افتد. اما در موارد دیگر دشواری‌های دیگری پیش می‌آید. برای مثال، مواردی مثل سیلیسیم مقدار زیادی از انرژی خود را به صورت فونون گسیل می‌کنند. (فونون‌ها کوانتوم‌هایی از ارتعاش‌های اتم‌های بلوری‌اند که به مصرف گرم کردن شبکه می‌رسند.)
چگونگی گسیل شدن این انرژی به چه چیزی بستگی دارد؟ گاهی، مثلاً در مورد گالیوم آرسناید، نقطه‌ی کمینه‌ی نوار رسانش به طور کامل هم‌تراز با نقطه‌ی بیشینه‌ی نوار والانس است. در چنین مواردی الکترون برای بازگشت به نوار والانس به انرژی اضافی نیاز ندارد و کوتاه‌ترین مسیر را انتخاب می‌کند و گذاری مستقیم انجام می‌دهد. این نوع مواد را به همین سبب نیمه رسانای فاصله (گاف) مستقیم می‌نامند. در فرایند گذار الکترون، یک فوتون گسیل می‌شود. اما گاهی، مثلاً در سیلیسیم، الکترون آن دسترسی آسان به نوار والانس که قبلاً داشت را دیگر ندارد. اکنون الکترون باید تکانه‌اش را تغییر دهد و مسیری غیر مستقیم، یعنی فاصله‌ای (یا گافی) غیر مستقیم را به سوی نوار والانس در پیش گیرد. این تغییر اندازه حرکت با گسیل یک فوتون همراه است.
با اعمال کردن یک بایاس (ولتاژ پیشین) الکتریکی خارجی به پیوندگاه p-n برای مقابله با ولتاژ طبیعی پیوندگاه، حامل‌های بار الکتریکی اضافی در مرز تهی لایه تزریق می‌شوند، و ترکیب دوباره‌ی حفره و الکترون را امکان پذیر می‌سازند.
در گالیوم آرسناید، این ترکیب شدن دوباره، همراه با آزاد شدن 43/1 الکترون ولت انرژی (انرژی فاصله‌ی نواری) است. این انرژی را می‌توان با استفاده از یک رابطه به طول موج تبدیل کرد: طول موج=240/1 تقسیم بر AE، که در آْن AE انرژی فاصله‌ی نواری است. وقتی که این طول موج برای گالیوم آرسناید محاسبه شود 910 نانومتر به دست می‌آید که متناظر با ناحیه‌ی فروسرخ در طیف نوری است. به این سبب گالیوم آرسناید ماده‌ای بسیار عالی برای ساختن قطعات نورساز یا گسیل کننده‌ی نور است، به ویژه برای ساختن دیود نورساز (LED). این نور در تمام جهت‌ها گسیل می‌شود و بنابراین ناهمدوس (incoherent) نامیده می‌شود، مانند منابع معمولی نور.
فرض کنید که یک چشمه‌ی نور با همین طول موج بر پیوندگاه p-n تابانده شود. انرژی آزاد شده بر اثر نابودی حفره-الکترون به انرژی تابیده شده اضافه می‌شود و سبب شدیدتر شدن نور می‌شود. در این حالت، پیوندگاه مانند تقویت کننده‌ی نور (آمپلی فایر نور) عمل می‌کند. به جای یک فوتون از تابش اولیه، چندین فوتون وجود خواهد داشت که انرژی، فرکانس و فاز هر یک از آنها مانند فوتون تابیده شده است. این فرایند به «تقویت نور با گسیل القایی تابش» یا همان لیزر معروف است.
دیود لیزری را که به طور عمده از گالیوم آرسناید ساخته می‌شود می‌توان از طریق اعمال ولتاژ بایاس به دیود در جهت جلو، برای دادن اجازه‌ی عبور و جریان از پیوندگاه، کنترل کرد. با افزایش این جریان، اتم‌های بیشتری تحریک می‌شوند و با بازگشت این اتم‌ها به انرژی‌های پایین‌ترشان تعداد زیادتری فوتون گسیل می‌شود. با تولید تعداد زیلدتری فوتون به زودی این فوتون‌ها شروع به برخورد به دو انتهای دیود نیمه رسانا می‌کنند. این دو انتها به خوبی پرداخت شده‌اند تا نور تولید شده را دوباره به پیوندگاه بازتابانند. امواج نور همدوس تولید شده، به القای تابش (یا تحریک تابش) از دیگر جفت‌های حفره-الکترون ادامه می‌دهند که این به نوبه‌ی خود به افزایش شدت نور کمک می‌کند. نور تقویت شده از طریق یکی از دو انتها از دیود خارج می‌شود.
از آنجا که باریکه‌های لیزری، انرژی را بر روی یک طول موج واحد حمل می‌کنند و کاملاً جهت‌دار هستند کاربردهای مفید زیادی دارند. از لیزر در سیستم‌های ارتباطاتی و مخابراتی که در آنها لازم است مقدار زیادی اطلاعات منتقل شود استفاده می‌شود. لیزر کاربرهای زیادی از جمله در پزشکی و عکاسی، به ویژه در تکنیک هولوگرافی برای ارائه‌ی اطلاعات سه بعدی در تصویری دو بعدی، یافته است. از لیزر در کامپیوتر هم، برای افزایش بسیار زیاد سرعت برای حمل مقدار زیادی اطلاعات، استفاده می‌شود.
گالیوم آرسناید حقیقتاً ماده‌ی قابل توجهی است. این که گالیوم آرسناید جایگزین سیلیسیوم خواهد شد یا نه، پرسشی است که هنوز پاسخ قاطعی نیافته است. هنوز باید پژوهش بیشتری انجام شود و مسائل زیادتری، به ویژه در زمینه‌ی خالص‌سازی و رشد دادن تک بلورهای بزرگ، حل گردد. قیمت تراشه‌ی گالیوم آرسناید نیز مانع مهم دیگری است که باید برطرف شود.
اگرچه بازار گالیوم آرسناید تاکنون بیشتر در کنترل صنایع نظامی بوده است اما اخیراً رقبایی جدی در ارتباطات و مخابرات و پردازش الکترونیکی داده‌ها یافت شده‌اند. یکی دیگر از عوامل محدود کننده‌ی بازار قطعات ساخته شده از گالیوم آرسناید، مثلاً در مدارهای مجتمع یا IC، کم بودن تعداد افراد باتجربه در این زمینه است.
گالیوم آرسناید در رقابت و مسابقه‌ی نیمه رساناها چه موقعیتی خواهد داشت؟ این ماده تنها ترکیب موجود از عناصر گروه‌های 3 و 5 جدول تناوبی نیست. ترکیب‌هایی مانند ایندیوم فسفید و ایندیوم آنتیمونید نیز در صنعت میکروالکترونیک، خوش آتیه جلوه می‌کنند. آینده، مطالب بیشتری برای عرضه به ما دارد.
مطمئناً این ماده ویژگی‌هایی دارد که برای قطعات الکترونیکی امروزی مورد نیاز است. گالیوم آرسناید در ساختاری مشابه با شبکه‌ی بلوری اسفالریت (سولفید روی-آهن طبیعی) متبلور می‌شود که در آن هر اتم (اعم از گالیوم یا آرسنیک) در یک شبکه‌ی چهار وجهی توسط چهار تا از نزدیک‌ترین همسایه‌هایش در شبکه‌های مشابه دیگر احاطه شده است و با آنها پیوند شیمیایی دارد. این ساختار به ساختار شبکه‌ی بلوری الماس بسیار شبیه است، اما در الماس فقط یک نوع اتم (کربن) وجود دارد در حالی که در این ماده هر موضع اتمی به تناوب توسط یکی از اتم‌های آرسنیک یا گالیوم اشغال می‌شود. پیوندهای شیمیایی مانع فروریختن این شبکه‌ی بلوری می‌شوند.
بازی کردن با اتم‌ها
با وارد کردن اتم‌های خارجی از گروه‌های مختلفِ جدول تناوبیِ عناصر در یک ماده‌ی نیمه رسانا، می‌توان قطعاتی مثل دیودهای یک‌سوکننده و ترانزیستور را ساخت. در گالیوم آرسناید، تحریک کننده‌های گوناگونی را می‌توان اضافه کرد که انتخاب نوع آنها به محصول نهایی مورد نظر بستگی دارد. در همه‌ی ترکیب‌های تشکیل شده از گروه 3 و گروه 5 جدول تناوبی، متداول‌ترین پذیرنده‌ها در گروه 2، روی و کادمیوم هستند. هر دو این اتم‌ها جایگزین اتم سه ظرفیتی گالیوم می‌شوند و پیوند چهار وجهی ناقصی به جای می‌گذارند. هر دو اتم در نقطه‌ی ذوب، قابلیت انحلال زیادی دارند به طوری که حل شوندگی کادمیوم تقریباً 1019 و حل شوندگی روی تقریباً 1020 اتم در سانتیمتر مکعب است.در گروه 6 جدول تناوبی، متداول‌ترین دهنده‌های مورد استفاده، سلنیوم و تلوریم هستند. این‌ها جایگزین اتم‌های پنج ظرفیتی آرسنیک می‌شوند و در این فرایند یک الکترون اضافه به جا می‌گذارند. حلالیت این عنصرها در حدود 10 اتم در سانتیمتر مکعب است.
منیزیوم ناخالصی جالب توجهی به شمار می‌آید و در مورد رفتار آن در گالیوم آرسناید عقاید مختلفی ابراز می‌شود. بعضی پژوهش‌گران معتقدند که اگر گالیوم آرسناید با 1019×7/5 میلیگرم اتم منیزیوم در سانتیمتر مکعب تحریک شود منیزیوم به صورت دهنده رفتار می‌کند. اما بعضی از پژوهش‌گران بر این عقیده‌اند که منیزیوم یک اتم پذیرنده است. فقط در غلظت‌های کمِ منیزیوم است که گالیوم آرسناید نیمه رسانای نوع n می‌شود، اما هرگاه میزان اتم دهنده به 1018×4/4 میلیگرم اتم در سانتیمتر مکعب برسد گالیوم آرسناید نیمه رسانایی از نوع p می‌شود.
ناخالصی‌های گروه‌های 2 و 6 را می‌توان ناخالصی‌های جای‌گزینی (استخلافی) نامید. اما در باره‌ی عنصرهای گروه 4 چه می‌توان گفت؟ این‌ها نیز وقتی در یکی از زیرشبکه‌های مناسب وارد شوند دارای یک الکتروالانس زیادتر یا کم‌ترند. معلوم شده است که این ناخالصی‌ها از سه قاعده پیروی می‌کنند: 1- این اتم‌های گروه 4 فقط یک زیر شبکه را اشغال می‌کنند که در آن می‌توانند به عنوان دهنده یا پذیرنده عمل کنند. 2- اتم‌ها در دو موقعیت شبکه‌ای همسایه قرار می‌گیرند و از لحاظ الکتریکی خنثی باقی می‌مانند. 3- اتم‌های ناخالصی به طور پراکنده در هر دو زیرشبکه پخش می‌شوند. در نهایت، شرایط خارجی تعیین می‌کند که کدام زیرشبکه بیشترین غلظت را خواهد داشت. معلوم شده است که ناخالصی‌های گروه 4 ترجیح می‌دهند در شبکه‌ای بمانند که شعاع اتم‌های آن بزرگ‌تر است چون در این شبکه فضای خالی بیشتری وجود دارد.
در تمام موارد، اتم‌های خارجی همواره یک زیرشبکه را بر دیگری ترجیح می‌دهند. آزمایش‌های انجام شده برای حل کردن سیلیسیوم در گالیوم آرسناید نشان داده‌اند که این مطلب درست است. پژوهش‌گران با افزودن اتم‌های رادیواکتیو سیلیسیوم به داخل شبکه‌ی گالیوم آرسناید توانسته‌اند رابطه‌ی بین افزایش غلظت الکترون ناشی از سیلیسیوم و مقدار سیلیسیوم حل شده را پیدا کنند، در غلظت 1017 اتم در سانتیمتر مکعب، تقریباً همه‌ی اتم‌های سیلیسیوم به عنوان دهنده رفتار می‌کنند، اما در غلظت‌های زیادتر، همه‌ی اتم‌ها به عنوان دهنده رفتار نمی‌کنند. برای توجیه این رفتار باید گفت که با افزایش غلظت سیلیسیوم، بخشی از اتم‌های سیلیسیوم جایگزین اتم‌های آرسنیک می‌شوند. این پذیرنده، بخشی از دهنده‌ها یا موقعیت‌های اتم‌های گالیوم را جبران می‌کند.
افزودن ناخالصی‌ها
موفقیت قابل توجه نیمه رساناها امروزه به طور عمده به خاطر ناخالصی‌هایی است که به آنها افزوده می‌شود. علاوه بر این، اگر دو نیمه رسانا، یکی از نوع p و دیگری از نوع n، به یک‌دیگر متصل شوند یک پیوندگاه یا به طور دقیق‌تر یک پیوندگاه p-n تشکیل می‌دهند.
پیوندگاه p-n بر اساس دو نوع حرکت حامل کار می‌کند. یک نوع حرکت عبارت است از مهاجرت الکترون‌ها از ناحیه‌ی n به ناحیه‌ی p و به همین ترتیب، مهاجرت حفره‌ها از ناحیه‌ی p به ناحیه‌ی n. این حرکت را که ناشی از شیب (تفاوت) غلظت هر دو حامل (حفره و الکترون) در پیوندگاه است جریان نفوذ یا پخش می‌نامند. در این حرکت، بیشتر حامل‌ها شرکت دارند. نوع دیگر حرکت حامل‌ها، جریان الکترون‌ها به عقب به سوی ناحیه‌ی n و جریان حفره‌ها به عقب به سوی ناحیه‌ی p است. این حرکت را جریان سوقی می‌نامند. این حرکت، اقلیت حامل‌ها را در بر می‌گیرد. در یک نیمه رسانای در حال تعادل (یعنی نیمه رسانایی که میدان الکتریکی خارجی بر آن اِعمال نمی‌شود) این چهار جریان جابه‌جایی یک‌دیگر را خنثی می‌کنند. ناحیه‌ی مرکزی که به طور عمده عاری از حامل است لایه‌ی سدی یا تهی لایه نامیده می‌شو.د. ولتاژ طبیعی پیوندگاه در حالت تعادل در این ناحیه واقع است.
اگر میدانی الکتریکی به پیوندگاه اعمال شود حالت جالب‌تری پیش می‌آید. برای مثال فرض کنید که سمت p را به پایانه‌ی مثبت و سمت n را به پایانه‌ی منفی باتری وصل کنیم. بر اثر این اتصال، جریان قابل توجهی برقرار می‌شود چون باتری با ولتاژ پیوندگاه که تمایل به باریک کردن تهی لایه دارد مخالفت می‌کند. این پیوندگاه در حالت بایاس مستقیم (یا ولتاژ پیشین رفت) کار می‌کند. اگر قطب‌ها معکوس شوند به طوری که پایانه‌ی مثبت باتری به ناحیه‌ی n و پایانه‌ی منفی باتری به ناحیه‌ی p وصل شود ولتاژ اعمال شده بر ماده، ولتاژ پیوندگاه را تقویت و تهی لایه را گسترده‌تر می‌کند. در نتیجه فقط اقلیت کوچکی از حامل‌ها از پیوندگاه عبور خواهند کرد. این جریان اقلیت حامل‌ها را جریان معکوس یا نشتی می‌نامند. در این حالت، پیوندگاه تحت بایاس معکوس است.
قطعات الکترونیکی امروزیِ حالت جامد بر اساس پیوندگاه p-n (که دیود نیز نامیده می‌شود) پایه گذاری شده‌اند. این مطلب به ویژه در رابطه با اختراع ترانزیستور، و به ویژه ترانزیستور دو قطبی، صادق است. ترانزیستور دو قطبی دارای دو پیوندگاه p-n متصل به یک‌دیگر است. سیستم‌های کامپیوتری وابستگی زیادی به ترانزیستور برای تلفات کمترِ توان و کلیدزنی سریع‌تر (زمان کوتاه‌تر) دارند. برای مثال، یک ریزپردازنده‌ی سیلیسیومی می‌تواند یک کار نسبتاً ساده را در مدت چند هزارم ثانیه انجام دهد که متناظر با فرکانس کاری در حدود ده تا بیست میلیون هرتز است. اگر به سرعت‌های بیشتر نیاز باشد سیلیسیوم می‌تواند تا سرعت صد میلیون هرتز را تأمین کند که در این صورت زمان پردازش در حد چند نانو ثانیه می‌شو.د. اما در بعضی از کاربردها، مثلاً در پیش بینی وضع آب و هوا، این سرعت کافی نیست. آن‌چه مورد نیاز است نیمه رسانایی است که بتواند سرعت دویست میلیون هرتز را به راحتی تأمین کند و رسیدن به سرعتی در حدود دو گیگا هرتز در آن امکان پذیر باشد. راه حل، استفاده از گالیوم آرسناید است.
ویژگی‌های مورد توجه
علت موفقیت گالیوم آرسناید به عنوان نیمه رسانای پرسرعت، همانا تحرک الکترونیِ زیاد آن، از 107×4/1 تا 107×5 سانتیمتر در ثانیه، در مقایسه با سیلیسیوم است که تحرک الکترونی آن تقریباً 106×6 سانتیمتر در ثانیه است. این سرعت زیاد الکترونی به سبب جرم مؤثر الکترون قابل دست‌یابی است که مقدار آن در گالیوم آرسناید هفت درصد مقدار آن در سیلیسیوم است.گالیوم آرسناید در برابر تابش‌های الکترومغناطیسی و رادیاکتیو نیز مقاوم است، و به همین سبب ماده‌ی مهمی در کاربردهای نظامی و فضایی است. مقاومت گالیوم آرسناید در برابر تابش ذرات باردار، حداقل ده برابر مقاومت سیلیسیوم است. هم‌چنین، چون گالیوم آرسناید فاصله‌ی نواری پهن‌تری دارد، در دماهای خیلی کم یا خیلی زیاد (از 200- تا 200+ درجه‌ی سانتیگراد) نیز می‌تواند کار کند. فاصله‌ی نواری پهن‌تر، یعنی تعداد کم‌تری از حامل‌های رسانش ذاتی. در حقیقت با تکنیک‌های خاصی می‌توان شرایطی فراهم آورد که تراشه‌های گالیوم آرسناید در دماهایی در حدود 300 تا 400 درجه‌ی سانتیگراد بتوانند کار کنند.
تنها عیب گالیوم آرسناید، که تاکنون معلوم شده است، رسانندگی گرمایی کم آن در مقایسه با نیمه رساناهای دیگر است. رسانندگی گرمایی گالیوم آرسناید و سیلیسیوم به ترتیب تقریباً 46/0 و 5/1 وات بر سانتیمتر بر درجه‌ی سانتیگراد است. این امر باعث بروز مسائل و دشواری‌هایی می‌شود زیرا لازم می‌شود که برای خنک نگاه داشتن پیوندگاه، طول قطعه در حداقل مقدار ممکن طراحی شود. برای جبران کم بودن رسانندگی گرمایی این ماده، فن‌آوری ویژه‌ای به کار گرفته می‌شود تا جریان گرما را به حداقل برساند.
چگونگی گسیل شدن این انرژی به چه چیزی بستگی دارد؟ گاهی، مثلاً در مورد گالیوم آرسناید، نقطه‌ی کمینه‌ی نوار رسانش به طور کامل هم‌تراز با نقطه‌ی بیشینه‌ی نوار والانس است. در چنین مواردی الکترون برای بازگشت به نوار والانس به انرژی اضافی نیاز ندارد و کوتاه‌ترین مسیر را انتخاب می‌کند و گذاری مستقیم انجام می‌دهد. این نوع مواد را به همین سبب نیمه رسانای فاصله (گاف) مستقیم می‌نامند. در فرایند گذار الکترون، یک فوتون گسیل می‌شود. اما گاهی، مثلاً در سیلیسیم، الکترون آن دسترسی آسان به نوار والانس که قبلاً داشت را دیگر ندارد. اکنون الکترون باید تکانه‌اش را تغییر دهد و مسیری غیر مستقیم، یعنی فاصله‌ای (یا گافی) غیر مستقیم را به سوی نوار والانس در پیش گیرد. این تغییر اندازه حرکت با گسیل یک فوتون همراه است.
با اعمال کردن یک بایاس (ولتاژ پیشین) الکتریکی خارجی به پیوندگاه p-n برای مقابله با ولتاژ طبیعی پیوندگاه، حامل‌های بار الکتریکی اضافی در مرز تهی لایه تزریق می‌شوند، و ترکیب دوباره‌ی حفره و الکترون را امکان پذیر می‌سازند.
در گالیوم آرسناید، این ترکیب شدن دوباره، همراه با آزاد شدن 43/1 الکترون ولت انرژی (انرژی فاصله‌ی نواری) است. این انرژی را می‌توان با استفاده از یک رابطه به طول موج تبدیل کرد: طول موج=240/1 تقسیم بر AE، که در آْن AE انرژی فاصله‌ی نواری است. وقتی که این طول موج برای گالیوم آرسناید محاسبه شود 910 نانومتر به دست می‌آید که متناظر با ناحیه‌ی فروسرخ در طیف نوری است. به این سبب گالیوم آرسناید ماده‌ای بسیار عالی برای ساختن قطعات نورساز یا گسیل کننده‌ی نور است، به ویژه برای ساختن دیود نورساز (LED). این نور در تمام جهت‌ها گسیل می‌شود و بنابراین ناهمدوس (incoherent) نامیده می‌شود، مانند منابع معمولی نور.
دیود لیزری را که به طور عمده از گالیوم آرسناید ساخته می‌شود می‌توان از طریق اعمال ولتاژ بایاس به دیود در جهت جلو، برای دادن اجازه‌ی عبور و جریان از پیوندگاه، کنترل کرد. با افزایش این جریان، اتم‌های بیشتری تحریک می‌شوند و با بازگشت این اتم‌ها به انرژی‌های پایین‌ترشان تعداد زیادتری فوتون گسیل می‌شود. با تولید تعداد زیلدتری فوتون به زودی این فوتون‌ها شروع به برخورد به دو انتهای دیود نیمه رسانا می‌کنند. این دو انتها به خوبی پرداخت شده‌اند تا نور تولید شده را دوباره به پیوندگاه بازتابانند. امواج نور همدوس تولید شده، به القای تابش (یا تحریک تابش) از دیگر جفت‌های حفره-الکترون ادامه می‌دهند که این به نوبه‌ی خود به افزایش شدت نور کمک می‌کند. نور تقویت شده از طریق یکی از دو انتها از دیود خارج می‌شود.
از آنجا که باریکه‌های لیزری، انرژی را بر روی یک طول موج واحد حمل می‌کنند و کاملاً جهت‌دار هستند کاربردهای مفید زیادی دارند. از لیزر در سیستم‌های ارتباطاتی و مخابراتی که در آنها لازم است مقدار زیادی اطلاعات منتقل شود استفاده می‌شود. لیزر کاربرهای زیادی از جمله در پزشکی و عکاسی، به ویژه در تکنیک هولوگرافی برای ارائه‌ی اطلاعات سه بعدی در تصویری دو بعدی، یافته است. از لیزر در کامپیوتر هم، برای افزایش بسیار زیاد سرعت برای حمل مقدار زیادی اطلاعات، استفاده می‌شود.
گالیوم آرسناید حقیقتاً ماده‌ی قابل توجهی است. این که گالیوم آرسناید جایگزین سیلیسیوم خواهد شد یا نه، پرسشی است که هنوز پاسخ قاطعی نیافته است. هنوز باید پژوهش بیشتری انجام شود و مسائل زیادتری، به ویژه در زمینه‌ی خالص‌سازی و رشد دادن تک بلورهای بزرگ، حل گردد. قیمت تراشه‌ی گالیوم آرسناید نیز مانع مهم دیگری است که باید برطرف شود.
اگرچه بازار گالیوم آرسناید تاکنون بیشتر در کنترل صنایع نظامی بوده است اما اخیراً رقبایی جدی در ارتباطات و مخابرات و پردازش الکترونیکی داده‌ها یافت شده‌اند. یکی دیگر از عوامل محدود کننده‌ی بازار قطعات ساخته شده از گالیوم آرسناید، مثلاً در مدارهای مجتمع یا IC، کم بودن تعداد افراد باتجربه در این زمینه است.
/ج
