مقاله رایگان درباره تجانس

نوامبر 30, 2018 0 By admin4

حائز اهمیت دیگری از میدان الکتریکی قوی با عنوان کلیدزنی خواهیم پرداخت.
2-9) معرفی پدیده کلیدزنی
برای مشاهده پدیده کلیدزنی می توان از اثر یک میدان الکتریکی dc قوی بر نمونههای آمورف و شیشه ها با بهره گیری از پیکربندی الکترود گاف گونه یا ساندویچ نمونه بین دو الکترود استفاده نمود. در میدان های الکتریکی پایین، منحنی جریان – ولتاژ خطی است در حالیکه در میدان های الکتریکی بالا (بزرگتر از V/cm 103 ) نمونه ها ممکن از رفتاری غیرخطی از خود نشان دهند. هنگاميكه اختلاف پتانسیل اعمالی به نمونه به مقدار معين آستانه مي رسد، مقاومت الكتريكي نمونه ممکن است بطور ناگهاني و بسيار زيادي افت نموده و نمونه در زماني بسيار كوتاه (حدود 10-10 ثانيه) از حالت مقاومت الكتريكي بالا به حالت رسانش الكتريكي بالا گذار مي كند. حال با كاهش ولتاژ اعمال شده به نمونه، ممكن است نمونه حالت رسانشي خود را حفظ نموده يا به حالت مقاومت الكتريكي بالا برگردد كه اين وضعيت بستگي به نوع شيشه، ضخامت نمونه، فاصله الکترودی و… دارد همانگونه که توضیح داده خواهد شد تغییر سریع وضعیت رسانشی نمونه، کلیدزنی نام دارد.
مورین87 (1952) در اندازه‏گيري رسانش‏الكتريكي بلورهاي VO2، تغييرناگهاني با دو مرتبة بزرگي مشاهده كرد كه اين تغيير ناگهاني ناشي از تغيير ساختار ماده از حالت تك ميلي88 به حالت راستگوشه89 بود.
انز90 و بنجرز91 استفاده از اين اثر را در ساخت وسايل كليدزنی از حالت مقاومت الكتريكي بالا به حالت مقاومت الكتريكي پايين پيشنهاد كردند كه به دنبال آن در سال 1968، كليدزني92 در لايه نازك VO2 گزارش ‏شد و اين تلاشها انگيزه‏اي براي مطالعه بيشتر در مورد شيشه‏هاي حاوي واناديم گرديد [49].
پديدة كليدزني مواد آمورف در سال 1968 توسط اوشینسکی93 گزارش شد و به انجام مطالعات گسترده‏اي در زمينة فيزيك نیمرساناها انجاميد و توجيه تبديلات ساختاري برگشت پذير در موارد مـــذكور با مطالعاتي در زمينة شيـمي، شكل‏شناسی94 و نظريه جدايي فــاز بين حالات بلوري و شيشه‏اي در سالهاي (1970و1969،1966) توسط هیابرز95 ، ایوانز96 و اوشینسکی ادامه يافت [54و55].
2-10) مقاومت ديفرانسيلي منفي
سيستمهايي كه مقاومت ديفرانسيلي منفي از خود نشان ميدهند دو دستهاند:
i) Current – Controlled Negative Resistance (CCNR) (S- Type)
ii) Voltage – Controlled Negative Resistance (VCNR) (N- Type) منحنيهاي مشخصه ولتاژ – جريان براي دو حالت فوق در شكل (a, b (2-8)) نشان داده شده است.
شکل2-8) مقاومت دیفرانسیلی منفی]46[.
مقاومت ديفرانسيل منفي ممكن است به دو علت پدیدار شود:
ناشي از گرماي ژول الكترونهاي رسانشي باشد كه تحرك حاملها را تغيير مي دهد.
فرآيندي را شامل تغيير فاز يا نظم مجدد اتمي ماده در نظر بگيريم [46].
2-11) شكست‏ دي‏الكتريك ‏و فرآيند ‏تشكيل
در اين بخش بين شكست به عنوان پديدهاي مخرب و تشكيل به عنوان پديدهاي مفيد تمايز قائل ميشويم.
اعمال ولتاژي بزرگ در ساختار(فلز – عايق – فلز)، ممكن است تغيير عمدهاي در خواص الكتريكي ايجاد كند كه ناشي از تغيير ساختار عايق باشد و آنرا فرآيند تشكيل مي‏ناميم.
تفاوت شكست دی الکتریک و فرایند تشكيل اين است كه عليرغم شباهتهاي ظاهري اين دو فرآيند، نظريه بلوري شكست مبتني بر الكترونهاي بهمني است كه از ميدان الكتريكي انرژي بالاي را كسب مينمايند و هر رخداد شكست، بخشي از عايق را از بين ميبرد [52].
2-12) رسانش- كليد زني و پديده هاي حافظه ‏اي (شبه پايدار)
به طور كلي براي پديده كليدزني پنج حالت مذكور در شكل ((a-e) 2-9) نشان داده شده است.
حالت a) براي برخي قطعات منحني مشخصهی ولتاژ- جريان مطابق شكل(a (2-9))مي‏باشد كه در اين حالت، كليدزني بين نقاط A و B انجام ميشود [56].
حالت b) وضعيتي كه مقاومت منفي با اثر حافظهاي ظاهر ميشود و دو حالت پايدار دارد. حالت اوّل مشابه حالت a و دومين حالت، وضعيت رسانشي است. وضعيت رسانشي با اعمال يك جريان باز گرداننده97 از بين رفته و قطعهی مورد نظر به حالت‏ غير رسانشي برمي‏گردد(شكل (b (2-9)) را ببینید).
شكل2-9) طبقهبندي حالات مختلف كليدزني]23و56[.
حالت c) كليدزني از مقاومت الكتريكي بالا به مقاومت الكتريكي پايين.
در اين حالت نقطه عمل پايداري بين حالات مقاومت الكتريكي بالا (Off) و مقاومت الكتريكي پايين (ON) وجود ندارد. در اين حالت وقتي اختلاف پتانسيل دو سر نمونه به مقدار معين آستانه VTh، ميرسد يا بعبارت ديگر ولتاژ اعمال شده به نمونه به حد معيني مي‏رسد، نمونه عمل كليد زني را انجام مي‏دهد و نمونه در صورتي به حالت غيررسانشي (Off) برمي‏گردد كه جريان عبوري از آن به جريانهاي پايينتر ازجريان نگهدارنده Ih، كاهش يابد. اين نوع كليدزني را كليدزني آستانه‏اي مينامند] 54و56، 57-59[. ( شكل (c (2-9)) را ببینید).
حالت d) كليدزني همراه با حالت حافظهاي كه در آن حالت OFF، مشابه حالت C است و حالت رسانشي (ON)، حتي با افت كامل ولتاژ، حفظ ميشود. حالت OFF، با اعمال يك پالس جريان، دوباره برقرار ميشود.حالت اخير را كليدزني حافظهاي مينامند [58-60، 54و56]. ) شكل (d (2-9))را ببینید).
حالت e) مقاومت منفي با ولتاژ كنترل شده (VCNR):
در اين حالت، نمونه با مقاومت الكتريكي پايين، فعاليت خود را آغاز كرده، سپس با عبور از يك ناحيه مقاومت منفي در بالاي Vc، به حالت مقاومت بالا گذار مي‏كند. حتي وقتي كه ولتاژ به سرعت كاهش مييابد، حالت مقاومت الكتريكي بالا حفظ ميشود.( شكل (e (2-9)) را ببینید) [56].
مواد آمورف را با دو حالت كلي متمايز مي كنيم:
نوع A: شيشهی پايداري كه در طول عمل، ساختار و تركيب آن تغيير نميكند كه در كليدزني آستانهاي با آن روبرو ميشويم.
نوع B: ماده‏اي كه ساختار آن در وضعيتي تجديدپذير، تغيير مي‏كند. اين حالت در كليدزني حافظه‏اي مشاهده مي‏شود [56].
2-13) كليدزني حافظه ‏اي و آستانه اي
با توجّه به آنچه كه در بخش قبل ذكر شد، ميتوان گفت كه وجه اشتراك دو فرآيند كليدزني حافظهاي و آستانهاي98، وجود يك ولتاژ آستانه (VTh )، براي شرح عمل كليدزني ميباشد و اختلاف آنها در اين است كه در كليدزني آستانه‏اي، برخلاف كليدزني حافظه‏اي كه حالت رسانشي (ON) حتي در جريانهاي پايين‏تر از Ih، جریان نگهدارنده99حفظ مي‏شد، حالت رسانشي (ON) حفظ نشده و نمونه به حالت غيررسانشي (OFF) برمي‏گردد.
در حالت حافظهاي، عمل كليدزني حافظهاي از تغيير ساختار برگشتپذير بين مادهی آمورف با مقاومت الكتريكي بالا و حالت ميكروبلوری با مقاومت الكتريكي پايين ناشي ميشود كه اين تغيير ساختار در ناحيه فيلماني جريان اتفاق ميافتد و تبديل ماده به حالت ميكروبلوری در زماني كوتاه پس از عمل كليدزني صورت ميگيرد[56]. يك پالس با جريان بالا و پريود كم ممكن است ناحيهی فيلماني جريان را دوباره از حالت بلوري به حالت شيشهاي برگردانده سيستم بلوري به حالت بينظم تبديل شود [56و57].
کوهن100 در سال 1972 با توجه به مشاهدات ميكروسكپي فرآيند بلوري شدن را قوت بخشيد [61]، كه به طور كلي ميتوان بلوري شدن قسمتي از ماده را ناشي از گرماي ژول ايجاد شده در نمونه، ميدان الكتريكي قوي يا تمركز حاملهاي اضافي در مسير جريان دانست [56و57].
براي روشن شدن موضوع به شكلهاي ((a-b-c) ( 2-9)) توجّه كنيد.
با توجه به شكلهاي زير، عمل كليدزني از حالت OFF به حالت ON با يك تأخير زماني tD، اتفاق افتاده و حالت حافظهاي بعد از يك بازهی زماني مخفي tlock-ON، پس از كليدزني برقرار میشود.
در حالت (a) نمونه بعد از پايان اعمال پالس ولتاژ Vp، به حالات غيررسانشي OFF برمي‏گردد در صورتيكه در حالت (b)، براي برگشت به حالت OFF، يك پالس جريان بازگرداننده مورد نياز است. پس به طور كليtLO، زمان مورد نياز براي بلوري شدن شيشه در طول فيلمان جريان است كه در اين فرآيند ايجاد ميشود [56].
شکل 2-10) نمایش پاسخ زمانی نمونه به پالس V_PV_th
a).کلیدزنی آستانهای b).کلیدزنی حافظهای c).تغییرات جریان عبوری از نمونه در کلیدزنی حافظهای]56[.
بنابراين، ميتوان چنين نتيجه گرفت كه تغيير در رسانندگي نمونه، ناشي از تغيير رسانش ناحيهی فيلمان جريان (ناحيه تشكيل) ميباشد و ولتاژ آستانهی ثابت در عمل كليدزني، دليلي بر فقدان فرآيند تشكيل خواهد بود [57].
ولتاژ آستانهیVth، عموماً بين 3 تا 1000 ولت قرار دارد و در فواصل جدايي چند ميكرون، با فاصلهی جدايي الكترودها متناسب است.
به دليل شرايط مرزي الكتريكي و حرارتي ناشي از نوع و شكل ماده‏اي كه با الكترودها اتصال دارد در فواصل الكترودي بزرگتر، وابستگي تابعي يكنواختي وجود ندارد.
بطور كلي ميدان الكتريكي آستانه و ولتاژ آستانه با افزايش ضخامت لايهی نیمرسانای آمورف افزايش مييابد و با افزايش دماي نمونه، كاهش مييابد [56و57و60].
2-14) مکانیسم کلیدزنی
فرآيند كليدزني در نیمرساناهای آمورف، تنها توسط شكست حالت مقاومت الكتريكي بالا مشخص نمي‏شود بلكه مکانیزم هايي بايد اين فرآيند را توجيه نمايند.
برخي [22و62و64] كوشيده‏اند اين فرآيند را براساس فرآيندهاي گرمايي توجيه كنند و برخي ديگر [23و54] معتقدند فرآيند كليدزني اساس الكتروگرمايي دارد و گروهي فرآيندهاي الكترونيكي را مسئول پديده مذكور مي دانند [63].
بطور كلي دو مدل در توجيه فرآيند كليدزني مطرح مي شود:
الف) مدل هموژن (متجانس)
ب) مدل نامتجانس
در ابتدا فرض اینکه لايه‏هاي نیمرسانا، در طول فرآيند كليدزني، يكدست و آمورف باقي مي‏مانند، وجود داشت. اما با آگاهي از تشكيل فيلمان جريان در داخل لايه نیمرسانای آمورف (تغيير ساختار لايه) مدل نامتجانس مطرح شد. در مدل متجانس دو راهبرد وجود دارد، يكي در نظر گرفتن فرآيند كليدزني به عنوان فرآيند گرمايي با تصحيحات الكترونيكي و ديگر اينكه آنرا فرآيندي الكترونيك با تصحيحات گرمايي در نظر بگيريم.
همچنانكه در بخشهاي گذشته بيان شد، پديده كليدزني ممكن است در ناحيهی فيلماني با چگالي بالاي جريان، ساختار ماده را به صورتي تغيير دهد كه حتي با برگشت ماده به حالت OFF، ساختار اصلي تجديد نشود.
مهاجرت الكتروني و تشكيل نواحي بار فضايي نيز ممكن است به تغيير ساختار ماده بيانجامد كه بعد از اينچنين فرآيندهايي، مادهی مورد آزمايش معمولاً ولتاژ آستانه و مقاومت الكتريكي كمتري نسبت به حالت اصلي در حالت غيررسانشي OFF از خود نشان ميدهد و در واقع ماده مشابه حالت همگن خود، عمل نميكند. ميتوان توسط پراش الكترون و ميكروسكوپ الكتروني ناحيه بلوري محاط شده در زهدان شيشهاي101 را در نیمرساناهای آمورف مطالعه كرد، همچنانكه بلورهاي سوزني Te در جهت عبور جريان در آزمايشي در سال1927 ميلادي توسط تماس102 و باسنل103مشاهده شد و آنها اين موضوع را ناشي از دماي بسيار بالا و ميدان الكتريكي بالا در ناحيه فيلمان جريان عنوان كردهاند [64].
به طور كلي رفتار مقاومت منفي در نیمرساناها و همهی موادي كه مقاومت الكتريكي آنها با افزايش دما به سرعت كاهش مييابد، دور از انتظار نيست، چرا كه گرماي ژول، دماي داخل نیمرسانا را بالا برده و در اثر افزايش رسانش و تحرك حاملها، فلوي بيشتري از جريان مجاز به شارش از طريق ناحيه داغ مي‏باشد. حالت پايا زماني حاصل ميشود كه گرماي هدايت شده به نواحي دور از فيلمان جريان، معادل گرماي ژول توليد شده در ناحيهی فيلمان جريان باشد يا به عبارت ديگر مقدار گرماي ژول توليد شده به تعادل برسد[65]. در اين صورت ميتوان معادلهی انتقال گرما را نوشته و