كيفية تعزيز الكفاءة الضوئية للجرمانيوم؟

على الرغم من أن الجرمانيوم لديه فجوة نطاق مباشرة تبلغ 0.8 إلكترون فولت، إلا أنه في الأساس مادة ذات فجوة نطاق غير مباشرة بسبب وجود النطاق الموصل L.

كما هو موضح في الشكل (أ)، فإن هذا الاختلاف في الطاقة يجعل الجرمانيوم باعثًا غير فعال للضوء لأن معظم الإلكترونات المحقونة خارجيًا ستشغل وديان نطاق التوصيل L ذات الطاقة المنخفضة. عندما يكون معدل تراكم الفوتونات المنبعثة منخفضًا، لا يمكن تجميع الإلكترونات الموجودة في وديان التوصيل L إلا مع الثقوب بمساعدة الفونونات، ولكن عن طريق ملء وديان L غير المباشرة في نطاق التوصيل، يمكننا ملاحظة التجميع المباشر عند نقطة r.

من ناحية أخرى، يمكن أن تتشكل معقدات للإلكترونات الموجودة في الوديان الموصلة للتيار r مع الثقوب بمعدل تعقيد أعلى. وبالتالي، من خلال جعل الجرمانيوم باستخدام مادة ذات فجوة نطاق مباشرة أو شبه مباشرة، نزيد معدل تكوين الناقل من وادي التركيبة r ونجعل Ge باعثًا للضوء موفرًا للطاقة.

الجرمانيوم

إن عملية تكوين فجوة بصرية مباشرة في الجرمانيوم هي عملية سريعة للغاية مع معدل تراكم إشعاعي أعلى بخمس مراتب من معدل تكوين الفجوة غير المباشرة. وهذا يعني أن انبعاث الفجوة المباشرة في الجرمانيوم بنفس كفاءة أشباه الموصلات ذات الفجوة المباشرة. ويمكن تعزيز تألق الجرمانيوم بشكل كبير من خلال الاستفادة من قفزة الفجوة النطاقية المباشرة في الجرمانيوم. 

عادةً، يمكن تحويل Ge من مادة ذات فجوة نطاق غير مباشرة إلى مادة ذات فجوة نطاق مباشرة عن طريق إدخال إجهاد الشد أو التطعيم من النوع r أو سبيكة Ge مع القصدير، كما هو موضح في الشكل (ب) أعلاه. تعمل كلتا الطريقتين على تقليل فجوة النطاق في الصدع، أي أن فجوة النطاق عند الوديان المباشرة تقل بمعدل أعلى من الوديان L غير المباشرة، بحيث يتغير هيكل فجوة النطاق لـ Ge، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل Ge إلى مادة ذات فجوة نطاق مباشرة قادرة على امتصاص أو إصدار الضوء.

يوضح الشكل أعلاه مخطط فجوة نطاق الجرمانيوم: (أ) هندسة نطاق الطاقة لـ Ge السائب و (ب) Ge باستخدام إجهاد الشد والتشويب من النوع n. يقلل إجهاد الشد من فرق الطاقة بين واديي T و L، بينما يعوض التشويب من النوع n عن فرق الطاقة المتبقي. يحفز الإجهاد أيضًا انقسام نطاقات التجويف الخفيفة والثقيلة، مع توقع سطوع أكبر مع زيادة إجهاد الشد.

لقد ثبت نظرياً أن الجرمانيوم يمكن هندسته عن طريق الإجهاد الشد والتشويب من النوع n لتحقيق انبعاث ضوئي مباشر أفضل للفجوة النطاقية في درجة حرارة الغرفة. إن هندسة الفجوة النطاقية الخاطئة عن طريق الإجهاد الشد يفتح المجال أمام تطوير أجهزة بصرية إلكترونية جديدة متوافقة تمامًا مع تكنولوجيا السيليكون، مثل مصابيح LED الباعثة للضوء، والليزر، والمعدلات البصرية. لقد تم استخدام الجرمانيوم في مجموعة متنوعة من الأجهزة التي تتراوح من حصادات الضوء القابلة لضبط الطاقة (على سبيل المثال، أجهزة الكشف الضوئية) إلى الأجهزة البصرية الإلكترونية عالية الكفاءة.

تعليقات

مدونة ذات صلة

مرحباً بكم في مدونتنا المخصصة لعالم الجرمانيوم الجذاب والمواد الضوئية الكهربائية الأخرى. 

احصل على عرض الأسعار الخاص بنا

يرجى إعلامنا بطلبك، وسوف نرد عليك خلال ساعة.