النوع الثاني من الاندماج هو ما يسمى باندماج Auger

في الاندماج Auger، يعيد الإلكترون والفجوة الاندماج، ولكن بدلاً من انبعاث الطاقة كفوتون، يتم نقلها إلى إلكترون آخر. نظرًا لأن الإلكترون الآخر يتم نقله إلى مستوى أعلى داخل نطاق التوصيل، يمكنه بسهولة نقل طاقته الإضافية إلى المادة كحرارة عن طريق العودة إلى حافة النطاق مع العديد من القفزات الصغيرة للطاقة.

على غرار الاندماج الإشعاعي، يعتمد معدل الاندماج Auger أيضًا على تركيز حاملات الشحنة، حيث أن المزيد من حاملات الشحنة تؤدي إلى المزيد من الفرص للاندماج:

مماثلة لإعادة التركيب الإشعاعي، نتوقع أنه نظرًا لأن إعادة التركيب أوجيه تتطلب وجود الإلكترونات والثقوب، يجب أن يزداد معدل إعادة التركيب أوجيه مع زيادة تركيز الإلكترونات والثقوب. ومع ذلك، على عكس إعادة التركيب الإشعاعي، تشمل إعادة التركيب أوجيه ثلاث حملة شحن — الإلكترون والثقب اللذان يعيدان التركيب بالإضافة إلى الإلكترون الثاني الذي يتم نقل الطاقة إليه. نظرًا لأن المزيد من الإلكترونات مطلوبة لهذه العملية من الثقوب، نتوقع أن يكون معدل إعادة التركيب أوجيه له تبعية أقوى على n من p. من الخيارات المعطاة، الخيار الوحيد الذي يلبي كل من المعايير هو R Aug​ =n²p.

نظرًا لأن الاندماج Auger ينطوي على إلكترونين وفجوة واحدة فقط، فإن معدل الاندماج Auger يعتمد بشكل أكبر على تركيز الإلكترونات مقارنةً بتركيز الفجوات.

يمكن أن يحدث الاندماج Auger أيضًا عندما يعيد الإلكترون والفجوة الاندماج وينقلان الطاقة المنبعثة إلى فجوة أخرى. في هذه الحالة، يعتمد معدل الاندماج بشكل أكبر على تركيز الفجوات مقارنةً بتركيز الإلكترونات:

حتى الآن، لم نعتبر أي مواد يجب أن يكون لها تركيزات مختلفة للإلكترونات والفجوات، حيث يجب أن يؤدي كل فوتون امتصاص إلى إلكترون جديد واحد وفجوة جديدة واحدة (ويجب أن يؤدي أي حدث إعادة اندماج إلى إلكترون وفجوة أقل). سنتناول المواد التي يمكن أن تختلف فيها تركيزات الإلكترونات والفجوات في درس لاحق حول أشباه الموصلات المشوبة.

شرح:

• اعتماد الاندماج Auger على التركيز:

  • في حالة الاندماج Auger التي ناقشتها سابقًا، يشارك إلكترونان وفجوة واحدة. لذلك، يعتمد معدل الاندماج بشكل أكبر على تركيز الإلكترونات (موجودان في التعبير على الأس ^ 2) مقارنةً بتركيز الفجوات (موجود مرة واحدة فقط في التعبير).

  • يمكن أن يحدث نوع آخر من الاندماج Auger حيث يتم نقل الطاقة إلى فجوة بدلاً من إلكترون. في هذه الحالة، سيعكس معدل الاندماج اعتمادًا أكبر على تركيز الفجوات.

• المواد ذات التركيزات المختلفة:

  • حتى الآن، افترضنا أن كل عملية امتصاص للفوتون تؤدي إلى إلكترون جديد واحد وفجوة جديدة واحدة، مما يعني أن تركيزا الإلكترونات والفجوات سيكونان متساويين دائمًا.

  • في الدرس التالي، سنتعلم عن أشباه الموصلات المشوبة، وهي مواد يمكن تعديلها لتحتوي على تركيزات مختلفة للإلكترونات والفجوات عمدًا.

ملاحظة:

• تم ترجمة المصطلحات الفنية والمفاهيم العلمية إلى العربية قدر الإمكان مع الحفاظ على الدقة العلمية.

إعادة الاندماج Shockley-Read-Hall (SRH) واعتماده على تركيز حاملات الشحن

إعادة الاندماج SRH، المعروف أيضًا باسم إعادة الاندماج Shockley-Read-Hall، هي عملية إعادة اندماج إلكترون وفجوة من خلال حالة فخ داخل فجوة النطاق لشبه موصل. على عكس إعادة الاندماج الإشعاعي وإعادة الاندماج Auger، التي تنطوي على انتقالات مباشرة بين نطاق التوصيل ونطاق التكافؤ، تحدث إعادة الاندماج SRH من خلال مستويات الطاقة المتوسطة التي تم إنشاؤها بواسطة:

• الشوائب: هي شوائب يتم إضافتها عن قصد إلى شبه الموصل لتغيير خصائصه الكهربائية. سنستكشفها بالتفصيل لاحقًا.

• العيوب: هي عيوب في البنية البلورية للمادة. على الرغم من أنها لا يمكن تجنبها في الأجهزة الواقعية، إلا أنه يمكن تقليل وجودها.

تسمح هذه المستويات المتوسطة للإلكترونات والفجوات "بالنزول" في قفزات طاقة أصغر، مما يؤدي إلى تحرير الطاقة في شكل:

• فوتونات: يُعرف هذا باسم إعادة الاندماج الإشعاعي SRH.

• حرارة: يُعرف هذا باسم إعادة الاندماج غير الإشعاعي SRH.

على غرار الاندماج الإشعاعي، يعتمد معدل الاندماج Auger أيضًا على تركيز حاملات الشحنة، حيث أن المزيد من حاملات الشحنة تؤدي إلى المزيد من الفرص للاندماج:

مماثلة لإعادة التركيب الإشعاعي، نتوقع أنه نظرًا لأن إعادة التركيب أوجيه تتطلب وجود الإلكترونات والثقوب، يجب أن يزداد معدل إعادة التركيب أوجيه مع زيادة تركيز الإلكترونات والثقوب. ومع ذلك، على عكس إعادة التركيب الإشعاعي، تشمل إعادة التركيب أوجيه ثلاث حملة شحن — الإلكترون والثقب اللذان يعيدان التركيب بالإضافة إلى الإلكترون الثاني الذي يتم نقل الطاقة إليه. نظرًا لأن المزيد من الإلكترونات مطلوبة لهذه العملية من الثقوب، نتوقع أن يكون معدل إعادة التركيب أوجيه له تبعية أقوى على n من p. من الخيارات المعطاة، الخيار الوحيد الذي يلبي كل من المعايير هو R Aug​ =n²p.

آلية الاندماج الأكثر ترجيحًا في عينة السيليكون

آلية الاندماج الأكثر ترجيحًا في عينة السيليكون

في عينة السيليكون المُعدة بهذه الطريقة، نتوقع أن يكون إعادة الاندماج SRH هو آلية الاندماج الأكثر ترجيحًا.

السبب:

• ظروف العينة:

  • عينة السيليكون غير محرّفة نحو الإلكترونات أو الفجوات، مما يعني أن تراكيز الإلكترونات والفجوات متساوية (n = p).

  • تحتوي العينة على عيوب عديدة، مما يؤدي إلى وجود مستويات طاقة متوسطة قليلة مسموح بها في فجوة النطاق.

• اعتماد آليات الاندماج على الظروف:

  • الاندماج الإشعاعي: هذا النوع من الاندماج مستقل عن تركيز حاملات الشحنة، مما يعني أنه لا يتأثر بحقيقة تساوي تركيز الإلكترونات وتركيز الفجوات.

  • الاندماج Auger: يعتمد معدل الاندماج Auger على مربع حاصل ضرب تركيز الإلكترونات وتركيز الفجوات (n^2p). عندما يكون تركيز الإلكترونات مساويًا لتركيز الفجوات، يصبح n^2p = n^2، وهو لا يزال يعتمد بشكل كبير على تركيز الإلكترونات (أو الفجوات).

  • الاندماج SRH: يعتمد معدل الاندماج SRH على حاصل ضرب تركيز الإلكترونات وتركيز الفجوات (np). في هذه الحالة، عندما يكون تركيز الإلكترونات مساويًا لتركيز الفجوات (n = p)، يصبح np = n^2، مما يعني أن معدل الاندماج SRH سيكون مساويا لمعدل الاندماج Auger في هذه الظروف المحددة.

استنتاج:

نظرًا لأن وجود العيوب يؤدي إلى وجود مستويات طاقة متوسطة في فجوة النطاق، فإن ذلك يوفر مسارات فعالة لإعادة الاندماج من خلال آلية SRH. بالإضافة إلى ذلك، عندما تكون تراكيز الإلكترونات والفجوات متساوية، فإن معدل الاندماج SRH يتطابق مع معدل الاندماج Auger. لذلك، من المتوقع أن يكون إعادة الاندماج SRH هو الآلية المهيمنة في هذه العينة من السيليكون.

ملحوظة:

• الاندماج الإشعاعي، على الرغم من استقلاليته عن تركيز حاملات الشحنة، لن يكون مهيمنًا بسبب غياب العيوب التي من شأنها تسهيل هذا النوع من الاندماج بشكل فعال.

• الاندماج Auger، على الرغم من احتمال حدوثه بسبب اعتماد جزئي على تركيز الإلكترونات، سيكون أقل ترجيحًا من SRH بسبب غياب مسارات فعالة للاندماج من خلال العيوب.

تحديد تركيز الالكترونات في التوازن

شرح:

يحدث تركيز الإلكترونات في التوازن عندما يتساوى معدلا توليد حاملات الشحنة وإعادة الاندماج. في هذه الحالة، يُعطى معدل توليد حاملات الشحنة (G) بـ 10^21 سم^-3 ثانية^-1، ومعامل إعادة الاندماج (k) بـ 100 سم^3/ثانية. وبالإضافة إلى ذلك، نفترض أن تركيز الإلكترونات (n) يساوي تركيز الفجوات (p).

خطوات الحل:

1. استخدام معادلة التوازن: في حالة التوازن، يتساوى معدل توليد حاملات الشحنة (G) مع معدل إعادة الاندماج (R). يُعبر عن معدل إعادة الاندماج بالمعادلة: R = knp حيث k ثابت يمثل معامل إعادة الاندماج، و n و p يمثلان تركيز الإلكترونات والفجوات على التوالي.

2. إدخال المعادلات في معادلة التوازن: استبدال قيم G و R في معادلة التوازن: 10^21 سم^-3 ثانية^-1 = 100 سم^3/ثانية n n

3. حل المعادلة التربيعية: بما أن n = p، فإن المعادلة تصبح: 10^21 سم^-3 ثانية^-1 = 100 سم^3/ثانية * n^2 n^2 = 10^19 سم^-3 n = ± 10^9.5 سم^-3

4. استبعاد القيمة السالبة: نظرًا لأن تركيز الالكترونات لا يمكن أن يكون سالبًا، فإن الإجابة الصحيحة هي: n = 10^9.5 سم^-3

الإجابة:

تركيز الإلكترونات في التوازن هو 10^9.5 سم^-3.

ملحوظات:

• تم افتراض أن G = 10^21 سم^-3 ثانية^-1 و k = 100 سم^3/ثانية كما ورد في نص المسألة.

• تم استخدام معادلة التوازن لحل تركيز الإلكترونات (n) في التوازن، مع الأخذ في الاعتبار أن تركيز الإلكترونات يساوي تركيز الفجوات (n = p).

المعطيات:

• معامل إعادة الاندماج الجديد (k) = 5 سم^3/ثانية

• معدل توليد حاملات الشحنة (G) = 1 × 10^21 سم^-3 ثانية^-1

المطلوب:

• تركيز الإلكترونات في التوازن (n) بوحدة سم^-3

الحل:

1. استخدام معادلة التوازن: في حالة التوازن، يتساوى معدل توليد حاملات الشحنة (G) مع معدل إعادة الاندماج (R). يُعبر عن معدل إعادة الاندماج بالمعادلة: R = knp حيث k يمثل معامل إعادة الاندماج، و n و p يمثلان تركيز الإلكترونات والفجوات على التوالي.

2. إدخال المعادلات في معادلة التوازن: استبدال قيم G و R في معادلة التوازن: 1 × 10^21 سم^-3 ثانية^-1 = 5 سم^3/ثانية n n

3. حل المعادلة التربيعية: بما أن n = p، فإن المعادلة تصبح: 1 × 10^21 سم^-3 ثانية^-1 = 5 سم^3/ثانية * n^2 n^2 = 2 × 10^20 سم^-2 n = ± 1.41 × 10^10 سم^-3

4. استبعاد القيمة السالبة: نظرًا لأن تركيز الالكترونات لا يمكن أن يكون سالبًا، فإن الإجابة الصحيحة هي: n = 1.41 × 10^10 سم^-3

الإجابة:

تركيز الإلكترونات في التوازن هو 1.41 × 10^10 سم^-3.

بناءً على معدل توليد معين، يؤدي خفض معدل إعادة الاندماج إلى تركيز إلكترونات توازن أعلى، وهو أمر مفيد إذا كنا نحاول جمع تلك الإلكترونات النشطة.

بالطبع، هذا ليس السبب الوحيد الذي يجعلنا نرغب في إعادة اندماج ضئيلة في خلية الطاقة الشمسية (PV). عندما يعيد الإلكترون والفجوة الاندماج، يُفقد جزء من الطاقة التي تم تخزينها مسبقًا في الإلكترون من الفوتون الذي أثارها، وبالتالي لم يعد بإمكاننا جمعها لاستخدامها في عمل مفيد. لتشغيل خلية الطاقة الشمسية، نحتاج إلى جمع الإلكترونات النشطة قبل أن تفقدها بسبب إعادة الاندماج. سنتعلم في الدرس التالي كيفية اكتمال عملية جمع هذه الإلكترونات في خلية الطاقة الشمسية.