Лабораторная работа №2 Исследование биполярного транзистора

1-LABORATORIYA ISHI.
Chaxranch usulida kremniy materiallarini olish usulini o‘rganish. Diffuziya usuli yordamida fotoelementlarni olish texnologiyasini o‘rganish.
Kremniyga VI guruh elementlarini diffuziya qilish texnologiyasi Yarim o‘tkazgichli materiallarning taqiqlangan zonasida chuqur sath hosil qiladigan kirishmalar har doim fan nuqtai nazaridan katta qiziqish bildirib kelingan. Jumladan VI guruh elementlarini (S, Se, Te) kirishma sifatida ishlatilib, uning atomlarini ion yoki diffuziya yo‘li bilan legirlash orqali Si da chuqur sathlar hosil qilishga erishilgan. Bunday yangi turdagi materiallar hozirgacha kam o‘rganilgan fizik hodisalarni yuzaga keltiradi – katta darajadagi qoldiqli o‘tkazuvchanlik, sezgirlik, infra qizil va temperaturali fotoo‘tkazuvchanlikning yuqolishini misol keltirish mumkin. Adabiyotlar tahlili shuni ko‘rsatdiki, hozirgi kungacha bir qancha kirishmalar kremniyda o‘rganilganiga qaramasdan shular qatorida Se bilan kompensastiyalangan kremniy haqida ma’lumotlar juda kam keltirilgan.
Ma’lumki, diffuziya zarrachalar konstentrasttyasi mavjud bo‘lganda sodir bo‘ladi. Diffuziya Fik konuni orqali ifodalanadi. Fikning birinchi konuni quyidagicha ifodalanadi:

bunda ј- konstentrastiya gradienti bilan bog‘lik bo‘lgan dN/dx yo‘nalish bo‘yicha birlik vakt ichida birlik yuzani kesib o‘tuvchi zarrachalar oqimi (N). D-kesib o‘tuvchi zarrachalarning diffuziya koeffistienti. Uning o‘lchov birligi [sm²/s].
Belgilangan vaqt bo‘yicha va ma’lum bir masofa bo‘yicha kesib o‘tuvchi zarrachalarning konstentrastiyasi FIKning ikkinchi qonuni orqali hisoblanadi:

Yarim o‘tkazgichlarga kirishmalarning diffuziyasi gaz fazasidan (agar bug‘ bosimi yetarlicha bo‘lsa) yoki material yuzasiga kiritilgan qatlamdan amalga oshiriladi. Diffuziyaning asosiy parametri kirishmalar diffuziya koffitsienti D hisoblanadi, uning qiymati haroratga quyidagicha bog‘lik:

Bunda Q- panjara kirishma atomining biror muvozanat holatdan boshqa holatga sakrab o‘tishi uchun zarur bo‘lgan energiyani ko‘rsatuvchi kirishmalarning aktivlash energiyasi. D0- o‘zgarmas kattalik, u T~ ∞ bo‘lganda kirishma diffuziya koeffitsientini ko‘rsatuvchi qiymat.
Q ning kiymati kirishma atomining fizik parametrlariga boғlik holda keng intervalda o’zgaradi. Odatda yarimo’tkazgichlarda kirishma atomlarining diffo’ziyasi cheksiz manbadan yoki chekli manbadan olib boriladi.
(2) tenglamaning yechimi cheksiz manbadan diffuziya uchun kirishma atomlari konstentrastiyasining kristall ichiga quyidagicha taksimlanishiga olib keldi:



Cheklangan manbadan diffo’ziyalashda esa:

Bunda t- diffuziya vaqti, x- qatlamdan diffuziyagacha bo‘lgan masofa, D –berilgan haroratda diffuziya koeffitsienti.
Agar berilgan haroratda kirishmalarning diffuziya koeffitsienti va diffuziya vaqti ma’lum bo‘lsa, kirishmalarning maksimal diffuziyalanish chuqurligi L ni aniqlash mumkin:

Diffuziya vaqtida konstentrastiyaning taqsimlanishini rasmda ko‘rsatamiz.



2.7-rasm. t₁23 doimiy manbadan diffuziya qilingan kristall hajmidagi kirishma atomlarining taqsimoti.

2.8-rasm. t1

Kremniyda (a) va arsenid galleyda (b) bir qancha kirishma asosiy diffuzton kattaliklari 3- jadvalda keltirilgan.

3-jadval

3- jadvaldan ko‘rinib turibdiki diffuziyalanuvchi kirishmalarning energiya aktivastiyasi bir biridan keskin farq qilmoqda. Shuning uchun sharoitga ajratish mumkin: ( Q>2 eV) bo‘lsa sekin diffuziyalanuvchi kirishmalar va ( Q<2 eV) bo‘lsa sekin diffuziyalanuvchi kirishmalar deyiladi.

Ma’lumotlarga qaraganda diffuziyali yo‘li bilan legirlash vaqtida diffuziya koeffistenti (D=10^-12 sm²/sek) hisobiga katta bo’lmagan chuqurlikda Se kirishma atomlari kiritilgan Si na’munalarini olish mumkinligi va Si namunasi sirtida juda kuchli bo’lgan emirilish erroziya hodisasi ro’y berishi mumkin.
Yuqoridagi malumotlardan kelib chiqib Si ni Se kirishma atomlari bilan duffuziya usuli bilan legirlashda quyudagilarni maqsad qilib oldik.
1. Se kirishma atomlari bilan Si ni diffuziyali legirlash davomida Si ning sirtida silistid qatlamlarni hosil bo’lishini oldini olish.
2. Se kirishma atomlari bilan Si ni diffuziyali legirlash davomida Si ning sirtida hosil bo’ladigan erroziyani oldini olish.
3. Se elementining Si dagi diffuziya koffistienti kichikligini hisobga olgan holda yoqori harorat va diffuziya vaqti mutanosibligiga erishish.
4. Si sirtida maksimal konstentrastiyadagi Se kirishma atomlarini hosil qilish va uning chuqurligini aniqlash.
5. Se kirishma atomlarining Si kristall panjarasidagi chuqurligini hisoblash va taqsimotini aniqlash.
Se atomlari Si ni bilan kompensastiya qilish uchun dastlabki material sifatida, borning konstentrastiyasi NB=2·10¹⁷ sm^-3, NB=4·10¹⁶ sm^-3 va NB=2·10¹⁶ sm^-3 bo’lgan KDB-0,1; KDB-0,5 va KDB-1 markali monokristall kremniydan foydalanildi.
Boshlang’ich Si na’munasi 8x4x1 mm o’lchamga ega bo’lgan pallelopeped shakilda, Si shaybasidan olmosli disklar yordamida kesib olinadi. Parallelopeped shakilda kesib olingan na’munalarga M-14, M-5 olmosli mikroporoshoklar yordamida Si sirtining g’adir budurliklarini tekislash maqsadida mexanik ishlov beriladi.
O’tkaziladigan diffuziya jarayonining ishonchli va aniq bo’lishi uchun boshlang’ich Si na’munalarga mexanik ishlov berishdan so’ng, na’munaning sirtidagi ifloslik va yog’lardan xoli qilish maqsadida na’munalarga kimyoviy ishlov beriladi.
Kimyoviy tozalashni amalga oshirishda ishlatilayotgan kislotalarning xususiyatlaridan kelib chiqqan holda shisha yoki plastmassali idishlardan va plastmassali pinstetlardan foydalanish lozim.
Si sirtiri yog’sizlantirish maqsadida quyidagi kimyoviy eritmalardan foydalaniladi.

H2O2 + NH4OH + H2O=1 : 1 : 5

H2O2 - Perekis vodorod
NH4OH – Amiyak
H2O – distillangan suv.
Si na’munalariga kimyoviy ishlov birilgandan so’ng, diffziya jarayoni uchun ishlatiladigan kvarst trubkalarni ham kimyoviy tozalash lozim buning uchun quyidagi kimyoviy eritmalardan foydalaniladi.
HCl+HNO3= 3 : 1
HCl – Xlorid kislota
HNO3 – Azot kislotasi

Har bir kislotaning o’zirga xos tabiati mavjud: HNO3 – Azot kislotasi Si ning sirtida oksid qatlam hosil qiladi. HF-(Ftorid) kislotasi faqat Si sirtidagi oksid qatlamlarni emirish xususiyatiga ega.

Bizga Sining sirtini kimyoviy sayqallash kerak bo’lib qolsa bu ikala kislotalarning eritmalaridan turli nisbatlaridan foydalanish mumkin.
HNO3+HF=3 : 1.
Si na’munasini qalinligini kamaytirishga ehtiyoj tug’ilsa, shu eritmadan Si sirtini kimyoviy emrish sifatida foydalanish mo’mkin. Agar bizga reakstiyaning tezligini oshirish kerak bo’lib HF kislotaning miqdorini oshirish kerak, aksincha reakstiya ezligini kamaytirish kerak bo’lsa HNO3 kislotaning miqdorini oshirish kerak bo’ladi. Bu eritma yordamida 20 ºS haroratda 10 minut davomida Sining sirtidan 50 mkm emirish mumkin.
Agarda yanada reakstiyaning tezligini yanada kerak bo’lib qolsa ya’ni Si sirtini juda yuqori darajada saysqallash kerak bo’lsa HNO3+HF=3 : 1 bu eritmaga sirka kislotasini qo’shish kerak bo’ladi.
HNO3+HF+SNZSOON=3 : 1 :8.
SNZSOON – Sirka kislotasi.
Elektron va kovaklarning diffuziya koeffistienti Eynshteyn munosabati orqali topiladi
Yarimo’tkazgichlarda elektronlarning diffuziya koeffistienti:

Kovaklarning diffuziya koeffistienti:

bunda k – Bolstmana doismiysi. k =0,86·10^-4 EV/°K;
t-harorat (°K);
e – elektron zaryadi;
μ_n va μ_p - berilgan haroratda elektron va kovaklarning harakatchanligi.
Elektron va kovaklarning diffuziya chuqurligi:

Jadvalda elektron va kovaklarning diffuziya koeffistientining qiymatlari keltirilgan.
2-jadval. Harorat T=300 °K bo’lganda ba’zi muhim yarimo’tkazgichlar elektron va kovaklariningdiffuziya koeffistienti.

Yarimo’tkazgich	Dn sm/c	Dp sm/c
Si	35-39	9-11
Ge	95-100	45-50
GaAs	200-220	9-10