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

REJA:

1. 
   Yarim o’tkazgichlar haqida umumiy ma’lumot
   
2. 
   Yarim o’tkazgichlarning fizik va kimyoviy xossalar
   
3. 
   Yarim o’tkazgichda ko’chish hodisalari
   
4. 
   Yarim o’tkazgichlarda kinetik hodisalar
   
5. 
   Yarim o’tkazgichlarda adsorblash hodisasi
   

Yarım ótkezgishler ótkizgishligi tárepinen metall hám dielektrikler arasındaǵı elementlar bolıp, óz fizikalıq qásiyetlerin túrli sırtqı tásirler (mısalı jaqtılandıriw, qizdırıw hám taǵı basqa ) nátiyjesinde keń intervalda ózgertire alıw ózgesheligine iye. Yarım ótkizgishler elektronika hám mikroelektronikada júdá keń qollanilip, zamanagóy elektr úskenelerdiń derlik hámmesi - kompyuterlerden tartıp tap uyalı baylanıs telefonlarına shekem barlıǵı yarım ótkizgishli texnologiyaǵa tiykarlanǵan. Eń keń qollanılatuǵın yarım ótkizgish element kremniy bolıp, basqa elementler de keń qollanıladı.
Yarım ótkizgishler — elektr tokın jaqsı ótkeriwshi elementler (ótkeriwshiler, tiykarlanıp, metallar) hám elektr tokın ámelde ótkermeytuǵın elementler (dielektrikler) arasındaǵı aralıq jaǵdayın iyeleytuǵın elementler. Mendeleyev dáwirli sistemasında II, III, IV, V hám VI gruppalarda jaylasqan kópshilik elementler olardıń bir qatar birikpeleri yarım ótkizgishler turine kiredi. yarım ótkeriwshilerde de metallardaǵı sıyaqlı elektr ótkizgishlik elektronlardıń háreketi sebepli júzege keledi. Biraq elektronlardıń háreketleniw sharayatları metallar hám yarım ótkeriwshilerde túrlishe boladı. Yarım ótkeriwshiler tómendegi tiykarǵı ayrıqshalıqlarǵa iye:
Yarım ótkeriwshilerdiń elektr ótkizgishligi temperatura asıwı menen artıp baradı (mas, temperatura 1 K ga artqanda yarım ótkeriwshilerdiń salıstırma ótkizgishligi 16—17 ret artadı );
Yarım ótkeriwshilerdiń elektr ótkizgishliginde erkin elektronlardan tısqarı atom menen baylanısqan elektronlar da qatnasadı (ayırım jaǵdaylarda baylanısqan elektronlar tiykarǵı rol oynaydı );
Sap yarım ótkeriwshilerge az muǵdarda qosılma kiritip, onıń ótkizgishligin keskin ózgertiw múmkin (mas, 0, 01% qosılma kiritilgende yarım otkizgishlerdiń ótkizgishligi 10000 ret artıp ketedi).
Tómen temperaturalarda yarım ótkeriwshilerdiń salıstırma qarsılıǵı kútá úlken boladı hám ámelde olar bólek ójire esaplanadı, lekin temperatura artıwı menen olarda zaryad tasıwshılardıń konsentraciyası keskin artadı. Saykes, sap kremniyda 20° temperaturada erkin elektronlar konsentraciyası ~1017 m~3 bo'lsa. 700° de 1024 m" 3 ǵa shekem, yaǵnıy million retten kóbirek artadı. Yarım ótkeriwshilerde erkin elektronlar konsentraciyasınıń temperada bunday keskin baylanıslıǵı ótkizgishlik elektronları ıssılıq háreketi tásirinde payda bolıwın kórsetedi. Yarım ótkizgish kristallda atomlar valent elektronları járdeminde óz-ara baylanısqan. Atomlardıń ıssılıq terbelisleri waqtında ıssılıq energiyası valent elektronlar arasında tegis emes bólistiriledi. Ayırım elektronlar óz atomı menen baylanısıwdı úzip, kristallda erkin kóship júriw imkaniyatın beretuǵın jetkilikli muǵdardaǵı ıssılıq energiyasına iye bolıp qalıwı hám erkin elektronlarǵa aylanıwı múmkin.
Sırtqı elektr maydan bolmaǵanda bul erkin elektronlar tartipsiz hareket qıladı. Elektr maydan taʼsirinde bolsa maydonǵa qarsi joʻneliste tartiplengen hareketke kelip, yarım otkizgishte tok payda etedi. Erkin elektronlar juzege keltirgen oʻtkizgishlik elektron yaki p tip oʻtkizgishlik dep ataladi.
Baylanısqan elektrondıń óz atomın " tastap ketiwi" atomniń elektr neytrallıǵın buzadı ol jaǵdayda " ketip qalǵan" elektron zaryadına muǵdarına teń oń zaryad — tesik payda boladı. Sırtqı elektr maydan bolmaǵanda elektronlar da, tesikler de tártipsiz háreketlenedi, sırtqı maydan bolǵanda bolsa elektronlar maydanǵa qarsı, tesikler maydan boylap kóshedi. Tesiklerdiń kóshiwi menen baylanıslı ótkizgishlik tesikli yamasa rtmp ótkizgishlik dep ataladı. Erkin elektronlar sanı menen tesikler sanı bir-birine teńligi túsinikli. Anıqlanıwına qaraǵanda, olardıń háreketleniw tezligi de birdey eken. Sonday eken, yarım otkizgishte tok áyne waqıtta da elektron, da tesikli ótkizgishlikdan payda boladı. Bunday elektronteshikli ótkezgishlik Yarım ótkeriwshilerdiń menshikli ótkizgishligi dep ataladı. Menshikli ótkizgishlik sap yarım otkizgishte baqlanadı. Biraq tábiyaatda sap yarım ótkeriwshilerde joq. Ayırım qosılmalar yarım ótkeriwshilerdi erkin elektronlar menen bayitsa, basqa ayırım qosılmalar tesikler menen bayitadi. Yarım ótkeriwshilerde júzege keletuǵın bunday ótkizgishlik qosılmali ótkizgishlik dep ataladı.
Eger tiykarǵı yarım ótkeriwshiler atomı ornına elementler dáwirli sistemasında odan keyingi gruppada turǵan element atomı kiritilse, bul qosılma atomniń bir valent elektronı atomlar ara baylanısıwda qatnasıw etpeydi hám erkin elektronlar qatarına qosıladı, sonlıqtan, i tip ótkizgishlik artadı. hám, kerisinshe, odan aldınǵı orında turǵan element atomı kiritilse, atomlar ara tolıq baylanısıwda 1 elektron jetispeydi, tesik payda boladı. Bunda r tip ótkizgishlik artadı. Qosımsha birinshi halda donor (elektron beretuǵın ) qosılma, ekinshi halda bolsa akseptor (elektron alıwshı ) qosılma dep ataladı.
Sonday etip, yarim o’tkizgishlerdiń elektr oʻtkiziwsheńligi arnawlı va aralaspali oʻtkiziwsheńlikler jiyindisinan ibarat boladi. Joqarıda temperaturalarda arnawlı oʻtkiziwsheńlik, tomen temperaturalarda bolsa qosımsha oʻtkiziwsheńlik tiyarǵı rol oynaydi.
Yarım ótkeriwshiler hám dielektrikler fizikası házirgi zaman fizikasiniń eń tiykarǵı bólegi bolıp, onıń jetiskenlikleri tiykarında ásbapsazlıq, radiotexnika hám mikroelektronika tarawları rawajlanadı. Yarım ótkeriwshiler elektr ótkizgishligi boyınsha metallar menen dielektrikler aralıǵindaǵı elementlar toparına kiredi hám T=0 de olardıń valent zonası elektronlar menen bánt bolıp qadaǵan etilgen zonasınıń keńligi úlken emes (1 ev). Atom elektron bulti menen oralǵan yadrodan shólkemlesken.
Yarım ótkeriwshilerge sonday materiallar kiredi ham olardıń bólme temperaturasındaǵı salıstırma elektr qarsılıǵı 10 ^-5 ten 10¹⁰ Om sm ge shekem boladı. (yarım ótkizgishli texnikada 1 sm³ kólemdegi materialdıń qarsılıǵın ólshew qabıl etilgen). Yarım ótkeriwshiler sanı metall hám dielektrikler sanınan artıq, júdá kóp jaǵdaylarda kremniy, arsenid galliy, selen, germaniy, tellur hám hár túrlı oksidler, sulfidlar hám karbidlar sıyaqlı yarım ótkizgish materiallardan paydalanıladı.
Yarım ótkizgish materiallarınıń elektrofizik qásiyetlerin úyreniw tiykarında jańa fizikalıq ásbaplar jaratıw múmkinshiligi tuwıladı. Ásirese, qattı deneler fizikasiniń yarım ótkeriwshiler fizikasi bólegin úyrenetuǵın materiallar tiykarında házirgi zaman talaplarına juwap beretuǵın fizikalıq ásbaplar hám qurılmalar jaratıladı.
Elementar yarım ótkizgish bolǵan kremniy hám germaniy elementlerinen, sonıń menen birge quramalı strukturalı yarım ótkeriwshiler qásiyetlerin úyreniw, olardıń sırtqı tásir astında qásiyetleri ózgeriwin baqlaw arqalı da kerekli ózgesheliklerge iye bolǵan ásbaplar jaratıw múmkinshiligi tuwıladı.
Ásirese, kremniy elementi kristallınan ásbapsazlıq hám mikroelektronikada júdá kóp qollanıladı. Sol sebepli de bul elementtiń elektrofizik, mexanik, optikalıq hám basqa qásiyetlerin úyreniw úlken áhmiyetke iye. Sırtqı tásir: nurlanıw, basım, deformasiya hám basqa tásirinlerde kremniydiń qásiyetleri ózgeriwin úyreniw aktual mashqala bolıp tabıladı.
Yarım ótkizgish bolǵan kremniyda erkin zaryad tasıwshılar (elektronlar hám gewekler) konsentrasiyasi (p, r), jıldamlıq (Mr, Mp) di ólshewdiń bir qansha usılları bar. Ol yamasa bul usıldıń qollanılıwı olardıń meterologik xarakteristikasına, ólshenip atırǵan shamalardı túsindiriw maǵlıwmatlarǵa baylıǵı, ólshew usıllarınıń fizikalıq tiykarları, úlginiń elektrofizik ózgeshelikleri, geometriyalıq forması hám ólshemlerine baylanıslı. Bulardıń hámmesi Xoll effektine tiykarlanǵan usıl bolıp tabıladı. Bul usıl menen kremniy úlgisinen pmp nı ólshewden tısqarı, elektr ótkizgishligin de anıqlaw múmkin.
Kremniy Si (Silicimin) Mendeleyev dáwirli sistemasındaǵı IV-gruppa elementi, atom nomeri 14, atom massası 28, 0856 bolıp, metall emesler toparına kiredi. Sonlıqtan, onıń jalǵız atomında 14 elektronı bolıp, 10 i bekkem ishki qabig'ında 5 qáddin toltırǵan, qalǵan 4i eki tábiyiy kremniy 3 ta stabil izotopdan²⁸₁₄ Si (92,28 %), ²⁹₁₄ Si (4,67 %), ³⁰ ₁₄ Si (3,05%) va eki radiaktiv izotopi ²⁷ ₁₄ Si (⁺ , 4.9s), ³¹ ₁₄ Si(^-, 170 min) dan ibarat.
Elektron strukturasi – 1S² 2S² 2P⁶ 3S² 3P² qa teń.
Kremniy Si atominiń kristallı ximiyalıq radiusi 0,134 nm, Si⁺⁴ ioniniń radiusi 0,039 nm. Kremniy Si tarepleri oraylasqan kub fazalıq panjere formada kristallasadi jáne bul kubtıń pánjere turaqlısı =0, 54304 nm. Kremniydıń tıǵızlıǵı -2, 328 g/sm³, eriw temperaturası 14150 S, ıssılıq sıyımlılıqı - 20, 1 kj/mol∙K, eriw ıssılıǵı -49, 8 J/m∙Buyım, puwlanıw ıssılıǵı -355 kj/mol.
Yarım ótkizgishli kremniy kristallarni ósiriwde paydalaniletuǵın birpara zárúrli usılları ústinde qısqasha toqtap ótemiz.
Daslep taza kremniydi onıń birikpelerinen ajıratıp alıw kerek. Bunıń bir neshe usılları bar. Kremniy tetraxloridi SiCI4 di joqarı temperaturada Zn járdeminde qayta tiklew jolı menen odan talay taza kremniy Si ajıratıp alıw múmkin:
SiCI(gaz)|+2Zn(gaz) Si(qatti )+ 2ZnCI₂(gaz)
Kremniy tetroxloridi SiCI4 ni vodorod járdeminde qayta tiklew aldınǵı usılǵa salıstırǵanda taǵı da taza kremniy alıw imkaniyatın beredi. Bul reaksiya 1050⁰ S - 1100⁰ S da amelge asadi.
SiCI₄+2N₂Si +3NCI
Trixlorsilan Si NCI₃ ni vodorod jardeminea tiklash usuli ham joqarı temperaturada (1000-1100⁰ S) keshedi .
Si NCI₃+ N 2Si+3NCI
Kremniy ajıratıp alıwdıń bul usılları jetkilikli dárejedegi tazalıqti bere almaydı, ol jaǵdayda kópten kóp hám har qıylı kirispeler qaladı.
Yarım ótkizgishli materialdı parallellopiped formasında qırqıp alınadı jáne onıń sırtına qoyılǵan elektrodlar arqalı ózgermeytuǵın tok ótkeriledi. Bunıń nátiyjesinde yarım ótkizgish ishinde zaryadlı bóleklerdiń tártipli háreketi júz beredi. Tok ótip atırǵan betlerge perpendikulyar jóneliste ózgermeytuǵın magnit maydanı qoyıladı hám hár túrlı belgili zaryadlı bólekler bul maydan tásirinde óz háreket baǵdarların ózgertiredi. Nátiyjede parallellopiped formasındaǵı yarım ótkizgishtiń keri betlerinde oń hám teris belgili zaryadlı bólekler jıynalıp qaladı jáne bul betler arasında potensiallar parqı júzege keledi. Bilgenimizdey, ózgermeytuǵın magnit maydanında háreket qılıp atırǵan zaryadlı bólekshege maydan Lorens kúshi menen tásir etedi:


∙ V∙ H (1.17)
yoki
∙ V∙ H sin α (1.18)
eger α=90^o bolsa

∙ V∙ H (1.19)
Bul kúsh tásirinde zarayadlar háreket baǵdarın ózgertiredi hám kernewlilgi Ye_x bolǵan kese elektr maydanı payda etedi. Bul maydan da zaryadlı bólekke x kúsh menen tásir etedi:


_x =q∙ Ye_x (1.20)
Lorens kúshi hám elekr maydanı payda etgen x kúshler óz-ara teńleskenge shekem zaryadlı bólekshelerdiń búklemi dawam etedi. Bul kúshler óz-ara teńleskesh tok tasıwshılar burılmay qaladı, yaǵnıy :
Ye_x ∙q = q ∙V∙ H (1.21)
Sonday jaǵdayda A hám v betler ortasında potensiallar parqı júzege keledi:
U_x =E_x∙d=V∙H∙d (1.22)
Bu yerda, d- material qalińliǵi.
Bizga ma’lim, elektronlardıń V - tezligi, tok tıǵızlıǵı - j meen jazsaq boladı:
V= = (1.23)
bunnan:
U_x= = . (1.24)

Bu jerde R= - Xoll koeffisiyenti delinedi.

Elektron ótkizgishlikke iye bolǵan yarım ótkizgish ushın :


(1.25)
yaki

. (1.26)
Eger tok tasıwshılar oń tesiksheler bolsa :

yaki  (1.27)
Sonday etip, Xoll effektin bilgen túrde tok tasıwshılar konsentrasiyasi p ni jáne onıń belgisin bilip alıw múmkin.
(1.28)
Xoll koefficienti arqalı tok tasıwshılardıń jıldamlıǵın da anıqlaw múmkin:


(1.29)
Yarım ótkeriwshiler shamaların ólshew waqtında alınatuǵın nátiyjeler qateligi kem bolıwı ushın yarım ótkizgishge qoyılǵan ózgermeytuǵın magnit maydanınıń ma`nisi kútá úlken bolıwı kerek. Keri jaǵdayda, zaryadlı bólekshelerdiń magnit maydanda búklemi júdá kem boladı hám payda bolatuǵın potensiallar parqın ólshewde qıyınshılıqlar júzege keledi.
Yarım ótkizgish materiallar element quramı boyınsha 5 gruppaǵa
bólinedi.
1. Elementar yarım ótkeriwshiler;
2. A^III B^V yarim o‘tkizgish birikpeler;
3. A^II B^VI yarim o‘tkizgish birikpeler;
4. A^IV B^IV yarim o‘tkizgish materiallar;
5. Quramalı yarım ótkizgish materiallar
Ámelde barlıq elementar yarım ótkeriwshiler hám kópshilik A^III B^V va A^IIB^VI yarım ótkizgish birikpeler, sonıń menen birge quramalı yarım ótkizgish materiallar almaz yamasa rux obmankasi tipidagi kristall dúzılıwǵa iye bolıp, olar - tetraedr fazalarına tiyisli, bul erda hár bir atom uyqas kelgen tetraedr biyikliklerinde jayjashgan tórtew ekvivalent aralıqqa jaqın qońsılaslar menen qorshap alınǵan. Eki jaqın qońsılas atomlar ortasındaǵı baylanısıw keri spinga iye bolǵan elektronlar menen ámelge asıriladı. Sol sebepli elementar yarım ótkeriwshilerde ximiyalıq baylanısıw 100% kovalentli boladı, A^III B^V birikmalarda bog‘lanish ionli - kovalent ko‘rinishga ega. A^III B^V birikmalarda ionli bog‘lanish ulushi oshadi. Yarim o‘tkazgichlarning asosiy fundamental parametri bo‘lib, Ye_d taqiqlangan zona kengligi hisoblanadi. Ye_d 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 Ye_d kattaligi asosan kristall panjarani hosil qiluvchi atomlarning valent elektronlari holati orqali aniqlanadi.
Jadval 1.

Element	Elektron tuzilishi	Eg, eV
C	1s^22s^22p^2	5,48
Si	1s^22s^22p^6 3s^23p^2	1,17
+Ge	1s^22s^22p^6 3s^23p^6 3d^104s^24p^2	0,74
Sn	1s^22s^22p^6 3s^23p^6 3d^104s^24p^64d^105s^25p^2	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, Ye_d taqiqlangan zona kengligini kattaligi juda keskin farqlanishi mumkin. Bunday qonuniyat A^IIIB^V, A^IIB^VI 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) Ye_d 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 Ye_d 2 eV, normal - bunda 2 >Ye_d> 0.6 eV va qisqa zonali Ye_d <0.5 eV kabi turlarga bo‘linadi. Aynan yarim o‘tkazgichlarning Ye_d 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