Yarim o’tkazgichlar haqida umumiy ma’lumot Yarim o’tkazgichlarning fizik va kimyoviy xossalar Yarim o’tkazgichda ko’chish hodisalari

Yarimo'tkazgichlarning harakatchanligini aniqlash
REJA:
Yarim o’tkazgichlar haqida umumiy ma’lumot
Yarim o’tkazgichlarning fizik va kimyoviy xossalar
Yarim o’tkazgichda ko’chish hodisalari
Yarim o’tkazgichlarda kinetik hodisalar
Yarim o’tkazgichlarda adsorblash hodisasi
Yarimo'tkazgichlar oʻtkazuvchanligi jihatidan metall va dielektriklar orasidagi moddalar boʻlib, oʻz fizik xususiyatlarini turli tashqi taʼsirlar (masalan yoritish, isitish va hokazo) natijasida keng intervalda oʻzgartira olish xususiyatiga ega. Yarimoʻtkazgichlar elektronika va mikroelektronikada juda keng qoʻllanilib, zamonaviy elektr jihozlarning deyarli hammasi - kompyuterlardan tortib to uyali aloqa telefonlarigacha barchasi yarimoʻtkazgichli texnologiyaga asoslangan. Eng keng qoʻllaniladigan yarimoʻtkazgich modda kremniy boʻlib, boshqa moddalar ham keng qoʻllaniladi.
Yarimoʻtkazgichlar — elektr tokini yaxshi oʻtkazuvchi moddalar (oʻtkazgichlar, asosan, metallar) va elektr tokini amalda oʻtkazmaydigan moddalar (dielektriklar) orasidagi oraliq vaziyatni egallaydigan moddalar. Mendeleyev davriy sistemasida II, III, IV, V va VI guruhlarda joylashgan koʻpchilik elementlar. ularning bir qator birikmalari yarimo'tkazgichlar jumlasiga kiradi. Yarim o’tkazgichlarda ham metallardagi kabi elektr oʻtkazuvchanlik elektronlarning harakati tufayli yuzaga keladi. Biroq elektronlarning harakatlanish sharoitlari metallar va Yarim o’tkazgichlarda turlicha boʻladi. Yarim o’tkazgichlar quyidagi asosiy xususiyatlarga ega: Yarim o’tkazgichlarning elektr oʻtkazuvchanligi temperatura koʻtarilishi bilan ortib boradi (mas, temperatura 1 K ga ortganda Yarim o’tkazgichlarning solishtirma oʻtkazuvchanligi 16—17 marta ortadi); Yarim o’tkazgichlarning elektr oʻtkazuvchanligida erkin elektronlardan tashqari atom bilan bogʻlangan elektronlar ham ishtirok etadi (baʼzi hollarda bogʻlangan elektronlar asosiy rol oʻynaydi); sof Yarim o’tkazgichlarga oz miqdorda qoʻshilma kiritib, uning oʻtkazuvchanligini keskin oʻzgartirish mumkin (mas, 0,01% qoʻshilma kiritilganda Ya. ning oʻtkazuvchanligi 10000 marta ortib ketadi).
Past tralarda Yarim o’tkazgichlarning solishtirma qarshiligi juda katta boʻladi va amalda ular izolyator hisoblanadi, lekin temperatura ortishi bilan ularda zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi keskin ortadi. Mas, sof kremniyda 20° trada erkin elektronlar konsentratsiyasi ~1017m~3boʻlsa. 700° da 1024 m"3gacha, yaʼni million martadan koʻproq ortadi. Yarim o’tkazgichlarda erkin elektronlar konsentratsiyasining traga bunday keskin bogʻlikligi oʻtkazuvchanlik elektronlari issiqlik harakati taʼsirida hosil boʻlishini koʻrsatadi. Yarimoʻtkazgich kristallda atomlar valent elektronlari yordamida oʻzaro bogʻlangan. Atomlarning issiqlik tebranishlari vaqtida issiqlik energiyasi valent elektronlar orasida notekis taqsimlanadi. Ayrim elektronlar oʻz atomi bilan bogʻlanishni uzib, kristallda erkin koʻchib yurish imkonini beradigan yetarli miqdordagi issiqlik energiyasiga ega boʻlib qolishi va erkin elektronlarga aylanishi mumkin.
Tashqi elektr maydon boʻlmaganda bu erkin elektronlar tartibsiz harakat qiladi. Elektr maydon taʼsirida esa maydonga qarshi yoʻnalishda tartiblangan harakatga kelib, Ya.da tok hosil qiladi. Erkin elektronlar yuzaga keltirgan oʻtkazuvchanlik elektron yoki ptip oʻtkazuvchanlik deb ataladi.
Bogʻlangan elektronning oʻz atomini "tashlab ketishi" atomning elektr neytralligini buzadi. unda "ketib qolgan" elektron zaryadiga miqdoran teng musbat zaryad — teshik vujudga keladi. Tashqi elektr maydon boʻlmaganda elektronlar ham, teshiklar ham tartibsiz harakatlanadi, tashqi maydon boʻlganda esa elektronlar maydonga qarshi, teshiklar maydon boʻylab koʻchadi. Teshiklarning koʻchishi bilan bogliq oʻtkazuvchanlik teshikli yoki rtmp oʻtkazuvchanlik deyiladi. Erkin elektronlar soni bilan teshiklar soni bir-biriga tengligi tushunarli. Aniklanishicha, ularning harakatlanish tezligi ham bir xil ekan. Demak, Ya.dagi tok ayni vaqtda ham elektron, ham teshikli oʻtkazuvchanlikdan vujudga keladi. Bunday elektronteshikli oʻtkazuvchanlik Yarim o’tkazgichlarning xususiy oʻtkazuvchanligi deyiladi. Xususiy oʻtkazuvchanlik sof Ya.da kuzatiladi. Biroq tabiatda sof Yarim o’tkazgichlarda yoʻq. Baʼzi qoʻshilmalar Yarim o’tkazgichlarni erkin elektronlar bilan boyitsa, boshqa baʼzi qoʻshilmalar teshiklar bilan boyitadi. Yarim o’tkazgichlarda yuzaga keladigan bunday oʻtkazuvchanlik qoʻshilmali oʻtkazuvchanlik deb ataladi.
Agar asosiy Yarim o’tkazgichlar atomi oʻrniga elementlar davriy sistemasida undan keyingi guruhda turgan element atomi kiritilsa, bu qoʻshilma atomning bitta valent elektroni atomlararo bogʻlanishda ishtirok etmaydi va erkin elektronlar safiga qoʻshiladi, binobarin, itip oʻtkazuvchanlik ortadi. Va, aksincha, undan oldingi oʻrinda turgan element atomi kiritilsa, atomlararo toʻla bogʻlanishda 1 ta elektron yetishmaydi, teshik hosil boʻladi. Bunda rtip oʻtkazuvchanlik ortadi. Qoʻshimcha birinchi holda donor (elektron beruvchi) qoʻshilma, ikkinchi holda esa akseptor (elektron oluvchi) qoʻshilma deb ataladi.
Shunday qilib, Yarim o’tkazgichlarning elektr oʻtkazuvchanligi xususiy va aralashmali oʻtkazuvchanliklar yigʻindisidan iborat boʻladi. Yuqori tralarda xususiy oʻtkazuvchanlik, past tralarda esa qoʻshilmali oʻtkazuvchanlik asosiy rol oʻynaydi.
Yarim o‘tkazgichlar va dielektriklar fizikasi hozirgi zamon fizikasining eng asosiy qismi bo‘lib, uning yutuqlari asosida asbobsozlik, radiotexnika va mikroelektronika sohalari rivojlanadi. Yarim o‘tkazgichlar elektr o‘tkazuvchanligi bo‘yicha metallar bilan dielektriklar oralig‘idagi moddalar guruhiga kiradi va T=0 da ularning valent zonasi elektronlar bilan band bo‘lib taqiqlangan zonasining kengligi katta emas (1eV). Atom elektron buluti bilan o‘ralgan yadrodan tashkil topgan.
Yarim o‘tkazgichlarga shunday materiallar kiradiki, ularning xona haroratidagi solishtirma elektr qarshiligi 10-5 dan 1010 om sm gacha bo‘ladi. (yarim o‘tkazgichli texnikada 1 sm3 hajmdagi materialning qarshiligini o‘lchash qabul qilingan). Yarim o‘tkazgichlar soni metall va dielektriklar sonidan ortiq, juda ko‘p hollarda kremniy, arsenid galliy, selen, germaniy, tellur va har xil oksidlar, sulfidlar va karbidlar kabi yarimo‘tkazgich materiallardan foydalaniladi.
Yarim o‘tkazgich materiallarining elektrofizik xususiyatlarini o‘rganish asosida yangi fizik asboblar yaratish imkoniyati tug‘iladi. Ayniqsa, qattiq jismlar fizikasining yarim o‘tkazgichlar fizikasi qismini o‘rganadigan materiallar asosida hozirgi zamon talablariga javob beradigan fizik asboblar va qurilmalar yaratiladi.
Elementar yarim o‘tkazgich bo‘lgan kremniy va germaniy elementlaridan, shuningdek murakkab strukturali yarim o‘tkazgichlar xususiyatlarini o‘rganish, ularning tashqi ta’sir ostida xususiyatlari o‘zgarishini kuzatish orqali ham kerakli xossalarga ega bo‘lgan asboblar yaratish imkoniyati tug‘iladi.
Ayniqsa, kremniy elementi kristallidan asbobsozlik va mikroelektronikada juda ko‘p qo‘llaniladi. Shuning uchun ham bu elementning elektrofizik, mexanik, optik va boshqa xususiyatlarini o‘rganish katta ahamiyatga egadir. Tashqi ta’sir: nurlanish, bosim, deformasiya va boshqa ta’sirlarda kremniyning xususiyatlari o‘zgarishini o‘rganish dolzarb muammodir.
Yarim o‘tkazgich bo‘lmish kremniyda erkin zaryad tashuvchilar (elektronlar va kovaklar) konsentrasiyasi (p,r), harakatchanlik (Mr,Mp) ni o‘lchashning bir qancha usullari mavjud. U yoki bu usulning qo‘llanilishi ularning meterologik tavsifiga, o‘lchanayotgan kattaliklarni tushuntirish ma’lumotlarga boyligi, o‘lchash usullarining fizik asoslari, namunaning elektrofizik xossalari, geometrik shakli va o‘lchamlariga bog‘liq. Bularning hammasi Xoll effektiga asoslangan usuldir. Bu usul bilan kremniy namunasidan pmp ni o‘lchashdan tashqari, elektr o‘tkazuvchanligini ham aniqlash mumkin.
Kremniy Si (Silicimin) Mendeleyev davriy sistemasidagi IV-gruppa elementi, atom nomeri 14, atom massasi 28,0856 bo‘lib, metallmaslar guruhiga kiradi. Binobarin, uning yakka atomida 14 ta elektroni bo‘lib, 10 tasi mustahkam ichki qobig‘da 5 ta sathni to‘ldirgan, qolgan 4 tasi ikkita tabiiy kremniy 3ta stabil izotopdan 2814 Si (92,28 %), 2914 Si (4,67 %), 30 14 Si (3,05%) va ikkita radiaktiv izotopi 27 14 Si (+ , 4.9s), 31 14 Si(-, 170 min) dan iborat.
Elektron strukturasi – 1S2 2S2 2P6 3S2 3P2 ga teng.
Kremniy Si atomining kristalli kimyoviy radiusi 0,134 nm, Si+4 ionining radiusi 0,039 nm. Kremniy Si tomonlari markazlashgan kub fazoviy panjara shaklida kristallashadi va bu kubning panjara doimiysi =0,54304 nm. Kremniyning zichligi -2,328 g/sm3 , erish temperaturasi 14150S, issiqlik sig‘imi - 20,1kj/mol∙K, erish issiqligi-49,8 J/m∙Mol, bug‘lanish issiqligi -355 kj/mol.
Yarim o‘tkazgichli kremniy kristallarni o‘stirishda foydalaniladigan ba’zi bir muhim usullari ustida qisqacha to‘xtab o‘tamiz.
Dastlab toza kremniyni uning birikmalaridan ajratib olish kerak. Buning bir necha usullari mavjud. Kremniy tetraxloridi SiCI4 ni yuqori haroratda Zn yordamida tiklash yo‘li bilan undan ancha toza kremniy Si ajratib olish mumkin:
SiCI(gaz)|+2Zn(gaz) Si(qattiq )+ 2ZnCI2(gaz)
Kremniy tetroxloridi SiCI4 ni vodorod yordamida tiklash oldingi usulga nisbatan yana ham toza kremniy olish imkonini beradi. Bu reaksiya 10500 S - 11000 S da amalga oshadi.
SiCI4+2N2Si +3NCI
Trixlorsilan Si NCI3 ni vodorod yordamida tiklash usuli ham yuqori haroratda (1000-11000 S) kechadi .
Si NCI3+ N 2Si+3NCI
Kremniy ajratib olishning bu usullari yetarli darajadagi tozalik-ni bera olmaydi, unda ko‘pdan ko‘p va xilma- xil kirishmalar qoladi.
Yarim o‘tkazgichli materialni parallellopiped shaklida qirqib olinadi va uning sirtiga qo‘yilgan elektrodlar orqali o‘zgarmas tok o‘tkaziladi. Buning natijasida yarim o‘tkazgich ichida zaryadli zarralarning tartibli harakati yuz beradi. Tok o‘tayotgan sirtlarga perpendikulyar yo‘nalishda o‘zgarmas magnit maydoni qo‘yiladi va har xil ishorali zaryadli zarralar ushbu maydon ta’sirida o‘z harakat yo‘nalishlarini o‘zgartiradi. Natijada parallellopiped shaklidagi yarim o‘tkazgichning qarama-qarshi sirtlarida musbat va manfiy ishorali zaryadli zarralar yig‘ilib qoladi va bu sirtlar orasida potensiallar farqi yuzaga keladi. Bizga ma’lumki, o‘zgarmas magnit maydonida harakat qilayotgan zaryadli zarrachaga maydon Lorens kuchi bilan ta’sir etadi:
∙ V∙ H (1.17)
yoki
∙ V∙ H sin α (1.18)
agar α=90o bo‘lsa
∙ V∙ H (1.19)
Bu kuch ta’sirida zarayadlar harakat yo‘nalishini o‘zgartiradilar va kuchlanganilgi Yex bo‘lgan ko‘ndalang elektr maydoni hosil qiladi. Bu maydon ham zaryadli zarraga x kuch bilan ta’sir etadi:
x =q∙ Yex (1.20)
Lorens kuchi va elekr maydoni hosil qilgan x kuchlar o‘zaro tenglashguncha zaryadli zarrachalarning burilishi davom etadi. Bu kuchlar o‘zaro tenglashgach tok tashuvchilar burilmay qoladi, ya’ni :
Yex ∙q = q ∙V∙ H (1.21)
Shunday holatda A va V sirtlar o‘rtasida potensiallar farqi yuzaga keladi:
Ux =Ex∙d=V∙H∙d (1.22)
Bu yerda, d- material qalinligi.
Bizga ma’lumki, elektronlarning V - tezligi, tok zichligi - j bilan yozsak bo‘ladi:
V= = (1.23)
bundan:
Ux= = . (1.24)
Bu yerda R= - Xoll koeffisiyenti deyiladi.
Elektron o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan yarim o‘tkazgich uchun:
(1.25)
yoki
. (1.26)
Agar tok tashuvchilar musbat teshikchalar bo‘lsa:
yoki (1.27)
Shunday qilib, Xoll effektini bilgan xolda tok tashuvchilar konsentrasiyasi p ni va uning ishorasini bilib olish mumkin.
(1.28)
Xoll koeffisiyenti orqali tok tashuvchilarning harakatchanligini ham aniqlash mumkin:
(1.29)
Yarim o‘tkazgichlar kattaliklarini o‘lchash paytida olinadigan natijalar xatoligi kam bo‘lishi uchun yarim o‘tkazgichga qo‘yilgan o‘zgarmas magnit maydonining qiymati juda katta bo‘lishi lozim. Aks holda, zaryadli zarrachalarning magnit maydonda burilishi juda kam bo‘ladi va hosil bo‘ladigan potensiallar farqini o‘lchashda qiyinchiliklar yuzaga keladi.
Yarim o‘tkazgich materiallar element tarkibi bo‘yicha 5 guruhga
bo‘linadi.
1. Elementar yarim o‘tkazgichlar;
2. AIII BV yarim o‘tkazgich birikmalar;
3. AII BVI yarim o‘tkazgich birikmalar;
4. AIV BIV yarim o‘tkazgich materiallar;
5. Murakkab yarim o‘tkazgich materiallar
Amalda barcha elementar yarim o‘tkazgichlar va ko‘pchilik AIII BV va AIIBVI yarim o‘tkazgich birikmalar, shuningdek murakkab yarim o‘tkazgich materiallar olmos yoki rux obmankasi tipidagi kristall tuzilishga ega bo‘lib, ular – tetraedr fazalariga tegishli, bu erda har bir atom mos kelgan tetraedr balandliklarida joyjashgan to‘rtta ekvivalent masofaga yaqin qo‘shnilar bilan o‘rab olingan. Ikkita yaqin qo‘shni atomlar o‘rtasidagi bog‘lanish qarama-qarshi spinga ega bo‘lgan elektronlar bilan amalga oshiriladi. Shuning uchun elementar yarim o‘tkazgichlarda kimyoviy bog‘lanish 100% kovalentli bo‘ladi, AIII BV birikmalarda bog‘lanish ionli - kovalent ko‘rinishga ega. AIII BV birikmalarda ionli bog‘lanish ulushi oshadi. Yarim o‘tkazgichlarning asosiy fundamental parametri bo‘lib, Yed taqiqlangan zona kengligi hisoblanadi. Yed kattaligi - kristall panjaraning kimyoviy bog‘lanishidagi qatnashadigan valent elektronni ozod qilish uchun zarur energiya bo‘lib, u material o‘tkazuvchanligini ta’minlashda qatnashadi. Yarim o‘tkazgichlarda Yed kattaligi asosan kristall panjarani hosil qiluvchi atomlarning valent elektronlari holati orqali aniqlanadi.
Jadval 1.
Element
|
Elektron tuzilishi
|
Eg, eV
|
C
|
1s22s22p2
|
5,48
|
Si
|
1s22s22p6 3s23p2
|
1,17
|
+Ge
|
1s22s22p6 3s23p6 3d104s24p2
|
0,74
|
Sn
|
1s22s22p6 3s23p6 3d104s24p64d105s25p2
|
0,082
|
Bu elementlarning hammasi kovalent bog‘lanishli olmossimon kristall panjara hosil qilsa ham, lekin ularning atomlari elektron tuzilishidagi valent elektronlarning joylashishi, panjaradagi energiya bog‘lanishi, Yed taqiqlangan zona kengligini kattaligi juda keskin farqlanishi mumkin. Bunday qonuniyat AIIIBV, AIIBVI yarimo‘tkazgich birikmalarda va murakkab materiallarda ham o‘rinli bo‘ladi. Shuning uchun elemenlarni birikmalarda kombinasiyalash natijasida (ya’ni, atomda valent elektronlarning har xil energetik holati) Yed boshqariladigan yarim o‘tkazgich material olish mumkin. Bu material o‘zining fizik kattaliklariga ko‘ra olmosga juda yaqin bo‘ladi.
Yarim o‘tkazgichlarni shartli ravishda keng zonali, bunda Yed 2 eV, normal - bunda 2 >Yed> 0.6 eV va qisqa zonali Yed <0.5 eV kabi turlarga bo‘linadi. Aynan yarim o‘tkazgichlarning Yed kattaligi mikroelektronikaning har xil foto va optoelektron asboblarni ishlab chiqarishda ularning funksional imkoniyatlarini aniqlaydi.
1 Sirtdagi fazoviy zaryadlar harakatchanliqi Sirt hodisalari tyg avvalo sirtdagi zaryadlar harakatchanlanligiga bog’liq. Oldingi bobda hajmdagi va sirtdagi harakatchanlik birday bo'ladi, deb hisoblangan edi. Agar erkin zaryad tashuvchilarning erkin yugirish yo'li l fazoviy zaryad sohasi L kengligidan ancha kichik (L»l) bo'lganda yuqoridagi faraz to'g'ri bo'ladi. Ammo bu shart qonoatlantirmasligi mumkin. Agar sirt yaqinida zaryad tashuvchilarni ushlab turuvchi potensial chuqur mavjud bo'lsa, bu chuqur kengligi erkin yugirish yo'li uzunligi bilan qiyoslanganda zaryad tashuvchilar bu sohada qo'shimcha sochilishga (to'qnashish- larga) duch keladi. Fazoviy zaryad sohasida zaryad tashuvchilar harakatchanligi sohalar egilishi kattaligiga, ya'ni potensial o'ra chuqurligiga bog'liq bo'ladi. Fazoviy zaryad sohasida sirtdagi sochilish evaziga zaryad tashuvchilar harakatchanligi o'zgarishi, hisob qilingan harakatchanlik va o'tkazuvchanlik orqali qaraladi: n / e d qalinlikdagi namunaga x yo'nalishida kuchsiz elektr maydoni Ex qo'yilgan va u ix tokini beradi (9-rasm). Sirt yaqinidagi fazoviy zaryad Ez maydon paydo qiladi. Sirtdagi tok zichligi integral bo'yicha
hisoblanadi. Bu integral ikki hol uchun hisoblangan:
Adsorblash va uning asosiy qonuniyatlari Endi Lengmyur nazariyasining asosiy farazlari haqida to'xtalib o'tamiz. Yarimo'tkazgich gaz muhit bilan ta'sirlashganda uning sirti gaz molekulalari bilan to'la boshlaydi. Bu jarayon adsorblash (sirtga yopishish yoki so'rilish) deyiladi. Bu jarayon muvozanat sodir bo'lguncha, ya'ni sirtga kelayotgan va undan ketayotgan gaz molekulalari sonlari tenglashguncha davom etadi. Yarimo'tkazgich sirtida adsorb- langan molekulalar paydo bo'lishi uning xossalarini o'zgartiradi. Ba'zi hollarda adsorblash jarayoni juda tez boradi, muvozanat dcyarli bir onda sodir bo'ladi. Boshqa hollarda bu jarayon yetarlicha sckin boradi va sirt bilan gaz muhit orasida muvozanat hosil bo'lguncha ancha vaqt o'tadi. Bu holda adsorblangan zarralar soni N vaqtga bog'liq, ya'ni N(t) bo'ladi. Biz bunda adsorblash kinetikasi haqida gap yuritamiz.
Adsorbsion muvozanat o'rnatilganda sirt birligida yutilgan gaz molekulalari soni bosim P va temperatura T ga bog'liq:
N= N(P, T). (3.12). (3.12) tenglama holat tenglamasi deyiladi. Lengmyurning adsorblash nazariyasi quyidagi farazlarga asoslangan: 1. Adsorblash ayrim adsorbsion markazlarda yuz beradi. Har bir markaz birgina gaz molekulasini tutib tura oladi. Sirt faqat mazkur molekulalarga nisbatan birday bogianish energiyali bir xil adsorbsion markazlarga ega. Bunday sirtni energetik bir jins sirt deyiladi. 2. Adsorblangan molekulalar bir-biri bilan o'zaro ta'sirlashmaydi, ya'ni bog'lanish mustahkamligi faqat markaz va molekula tabiatiga bog'liq. 3. Sirtdagi adsorbsion markazlar soni mazkur sirt uchun doimiy bcrilgan kattalik. U temperaturaga bog'liqmas va sirtning to'ldirilishilini o'zgartirmaydi. 4. Molekula adsorblangan holatda bo'lganda uning adsorbsion markaz bilan bog'lanish energiyasi o'zgarmaydi.
Qattiq jism o'tkazuvchanlik turi bilan farqlanuvchi yoki o‘tkazuvchanlik
turi bil xil boiib, solishtirma qarshiligi bilan farqlanuvchi
sohalari orasidagi kontakt natijasida hosil bo‘ladigan o‘tkinchi qatlamelektr o ‘tish deb ataladi. Yarimo'tkazgich asboblarda elektron - kovak
|