Жартылай өткізгіштердің (ЖӨ) ерекше қасиеті – олардың сыртқы әсерлерге (температура, электр және магнит өрістері, гидростатикалық қысым, жарық және т.б.) өте жоғары сезімталдылығы. Осы факторлардың әсерінен ЖӨ сипаттамалары, мысалы электр өткізгіштігі есе өзгереді. Металдар да, қыш материалдар да мұндай сезімтал емес. Бұл ЖӨ-тің кристалл торында атомдардың берік ковалентті байланыспен байланысқандығымен түсіндіріледі. Бұл жағдайда атомдардың барлық валентті электрондары валенттік аумақ деп аталатын ортақ ұжым түзеді. Энергиялар шкаласы бойынша валенттік аумақтан жоғары электрондары жоқ өткізгіштік аумағы орналасады. Аумақтар арасындағы энергияға электрондар ие бола алмайды. Бұл – тыйым салынған аумақтар. Нәтижесінде барлық қатты денелер аумақтық энергетикалық құрылымымен өзгешеленеді.
ЖӨ-де электр өрісінің әсерінен электрондардың орын ауыстыруы электрондарды валенттік аумақтан өткізгіштік аумағына қандай да бір тәсілмен, мысалы қыздырып көшірмейінше жүзеге аспайды. Бұл жағдай электрөткізгіштігі температура өскенде өсетін кристалдарды сипаттайды. Тоқтың жүруін анықтайтын электрондар концентрациясы: , мұндағы - тыйым салынған аумақ ені. Бұл өрнек кемтіктер үшін де дұрыс. Нақты ЖӨ-терде заряд тасушылардың концентрациясы нүктелік ақаулар, ең бастысы – қоспа атомдардың болуымен анықталады. Олар ЖӨ-тің тыйым салынған аумағына қосымша энергетикалық деңгейлер қосады. Қоспа атомдардың табиғатына байланысты олардың кристалл атомдарымен әрекеттесу ерекшеліктері әртүрлі, бұл ЖӨ электронды спектрімен бейнеленеді.
ЖӨ-тердегі маңызды құбылыс – заряд тасушылардың электрондар мен кемтіктердің кристалда қозғалғанда шашырауы. Шашырау – бөлшектердің қандай да бір ақаумен әрбір соқтығысуынан соң траекторияларының қисаюы. Осындай соқтығысулар нәтижесінде электрондар мен кемтіктер қозғалысы броундыққа ұқсас, бірақ берілген «тартушы» электр өрісінің жағына қарай бағытталған. Мұндай қозғалыс сандық түрде электрондар қозғалғыштығымен сипатталады: , өлшем бірлігі . Заряд тасушылар соқтығысатын басты ақаулар – қоспа иондар мен кристалл тордың тербелетін атомдары: фонондар. Жиі жартылай өткізгіштерге сыртқы күштермен (мысалы, жарықпен) әсер етеді. Бұл жағдайда ЖӨ-терде рұқсат етілген аумақтарда электрондар мен кемтіктер концентрациясы тепе-теңдік концентрациядан асып кетеді. Сыртқы күш әсерін тоқтатқанда ЖӨ тепе-теңдікке ұмтылады да, артық концентрациялар электрондардың валенттік аумаққа кері қайтуы есебінен уақыт бойынша азаяды. Бұл процесс рекомбинация деп аталады. Энергия сақталу заң бойынша кері ауысу кезінде сыртқы әсерден тура ауысу кезінде кристалл алған энергия шығуы керек. Көп жағдайда рекомбинация кезінде шығатын энергия фонондар, яғни атомдар тербелісін күшейтетін жылу түрінде шығады. Кейде белгілі бір жағдайларда энергия рекомбинация кезінде жарық түрінде шығуы мүмкін. Мұндай люминесценция ЖӨ жарық көздері – жарық диодтары мен ЖӨ лазерлерінің негізін құрайды.
ЖӨ техникада қолданылуы п және р – типті кристалдардан тұратын құрылымды қолданумен байланысты. Р-п ауысу деп аталатын құрылым 10.1- суретте бейнеленген. ЖӨ қолданылу мәселесін түсіну үшін қысқаша р-п ауысуларды дайындаудың тәсілдерін қарастырамыз. Оларға балқыту, диффузия және эпитаксия әдістері жатады. Балқыған р-п ауысуын түзу үшін ЖӨ пластина бетіне электрод материал орналастырады. Әдетте ол – арнайы құйма. Оған қойылатын негізгі талап – бетке жақсы жұғуы. «Кристалл-құйма» жүйесін балқу температурасына дейін қыздырып, біраз уақыт ұстаған соң, суытады. Балқыту кезінде келесі процестер өтеді: құйманың ЖӨ бетіне жұғуы, ЖӨ біршама көлемінің электронды құймада еруі, суыту кезінде еріген ЖӨ зат кристалданғанда р-п ауысудың түзілуі. Р-п ауысу алу үшін балқытылатын металл п-типті ЖӨ үшін акцептор және р-типті ЖӨ үшін донор болу керек. Кейде өткізгіштер айырымын күшейту үшін немесе бейтарап құйма қолданғанда құймаға жақсы донор және акцептор болатын элементтерді, мысалы р-типті және үшін және немесе р-типті үшін қосады.
Диффузия арқылы р-п – ауысудың түзілуі қарапайым және 10.1-суреттен түсінікті.
Вакуумда жабық жүйеде өтетін технологиялық диффузиялық процестер бар. Бұл кезде ЖӨ пластинкасы (1) мен диффузияланатын зат көзі (3) алдын-ала газ сорылған ампулаға (2) салады. Ампуланы 4 пеште қыздырады (10.2,а-сурет). Атмосферасы бар ашық түтіктерде диффузантты қаптама ретінде пластинаға орналастырады (10.2,б-сурет) немесе газды фаза ретінде пластиналар үстіне жібереді (10.2, в-сурет).
10.2-сурет. Диффузия процесін жүргізу тәсілдері
Мысалы, - ті - мен әрекеттесіп, диссоцияланады, бор атомдары газ фазадан ЖӨ пластиналарға диффузияланады (10.2, г-сурет). 3 тәсіл - газды эпитаксия (10.3-сурет). Кварц контейнер пешпен қыздырылады. Контейнер арқылы пен қоспасын жібереді. 1500-1580 К – да газдар әрекеттеседі: . бөлшектері төсемелерде тұнып, булары контейнерден шығарылады.
Өскен кремний қабықшасы легирлеу үшін және (оңай ұшқыш қосылыстар) қолданылады. Бұл кезде кремний атомдарына қосылыстар айрылған кезде түзілетін бор немесе фосфор атомдары тұнады. Нәтижесінде р-п ауысулар алынады. Р-п ауысудағы физикалық құбылыстарды түсіну үшін металл-ЖӨ жанасуын қарастырамыз. Тығыз жанасқан денелердің өзінде саңылау болады, оны деп белгілейміз.
10.4-сурет. Жартылай өткізгіштің металмен жанасу аумағында өтетін құбылыстар: а, б – потенциалдардың жанасу айырымыныңпайда болуы; в – бекіткіш қабаттың түзілуі
Жанасу аумағындағы энергетикалық сызба 10.4-суретте бейнеленген. Басында (10.4 , а-сурет) ЖӨ-тен металға электрон тогы келеді, оның тығыздығы шығу жұмысы -мен анықталады. болсын. Онда және металл беті ЖӨ бетіне қатысты келетін электрондармен теріс зарядталады. Бұл заряд саңылауында электр өрісі орнағанша жинала береді, электрондардың металл бетіне жиналуына кедергі жасайды.
ЖӨ пен металл беттерінің арасында потенциалдар айырымы пайда болады. Осылайша енді (10.4,б-сурет) термодинамикалық (ТД) шығу жұмысы шамасына көбейеді де, ЖӨ-тен электрондар тоғының тығыздығы: өзгермейді. Стационар жағдайда . Бұл қатынасына алып келеді, бұл метал мен ЖӨ арасында потенциалдардың айырымының пайда болатының көрсетеді. Ол жанасушы денелерден шығу жұмыстарының айырымына тең. Бұл кезде саңылауда электр өрісінің кернеулігі ,мұндағы - диэлектрлік өтімділік. 1 см2 беттегі артық электрондар тығыздығы . Осы артық электрондар шығатын (немесе кіретін)зат қабатының қалыңдығы :
,
мұндағы - зат көлеміндегі электрондар концентрациясы. үлкен болса және кіші, яғни үлкен саңылауда заряд тасушылар концентрациясының өзгерістері тек бетте өтеді ( см болса маңызы жоқ). ЖӨ металмен тікелей жанасатын болса, см, онда аз, бірақ 50 мкм-ге дейін үлкейеді. Яғни, ЖӨ- те электрондары кеткен қалыңдығы жеткілікті қабат түзіледі. Бұл қабаттағы бос электрондар концентрация ЖӨ тереңінен жанасу шекарасына қарай , заңы бойынша кемиді, мұндағы - ЖӨ тереңіндегі электрондар концентрпциясы, онда . қойсақ . Бұдан жанасу шекарасына жақындаған сайын кедей қабатта электрондар энергиясы өседі (10.4, в-сурет).
10.5-сурет. Шығу жұмысының әртүрлі қатынасында металдың п-(а, в)және р- (б, г) жартылай өткізгіштермен жанасу аумағында бекіткіш және антибекіткіш қабаттардың түзілуі (М - металл, Д – донорлар, А – акцепторлар)
Энергия өсуі жанасуға жақын жерде өткізгіштік аумағының түбінің қисаюына алып келеді. ЖӨ-тің тыйым салынған аумағының ені өзгермеу керек болғандықтан, бөліну бетіне жақын жерде валенттік зона төбесі де қисаяды.
Қарастырылған жағдайда п- типті ЖӨ-пен шартымен жанасу жүзеге асады. Бұл кездегі энергетикалық аумақтардың қисаюы 10.5 суретте көрсетілген.
10.5 а,г-суреттегі жағдайларында жанасу қабатында заряд тасушылар концентрациясы ЖӨ- көлеміндегіден аз, яғни кедейленген қабаттың меншікті кедергісі бастапқы ЖӨ кедергісінен жоғары. Мұндай қабат бекіткіш деп аталады. 10.5 б,в-суреттегі жағдайларында жанасу қабаттары заряд тасушылармен байытылған. Мұндай қабаттар – антибекіткіш. 10.5-суреттен жанасу қабатында не электрондардың, не кемтіктердің көлемдік заряды пайда болатыны көрінеді.
Студенттердің өз білімдерін тексеруге арналған сұрақтар:
Материалтану. Пәнді оқыту мақсаты
Қазіргі таңдағы технологияның дамуы мен жүзеге асуы жаңа материалдардың алынуы мен енуінсіз мүмкін емес. Техникалық материалдардың қ
Негізгі химиялық түсініктер
Химия қандай да бір агрегаттық күйдегі әртекті химиялық заттардың жиынтығын зерттейді. Қоршаған ортадан ойша бөлініп алынған ж|
Атты денелердің жіктелуі
«Қатты» ұғымы заттың бізге белгілі төрт агрегаттық күйлерінің: газтәрізді (бу тәрізді), сұйық, қатты және плазмал
Физика-химиялық талдау негіздері
Физика – химиялық талдау «құрам – қасиет» немесе күй диаграммаларын құруға негізделген. Мұндай диаграмманың дербес жағдайы – бал
Молекулалық процестердің кинетикасының заңдылықтары
Алдымен процесс жылдамдығын уақыт бірлігінде пайда болатын немесе жойылатын бөлшектердің саны ретінде анықтаймыз. Есеп шартына байланысты бұл шама заттың к
Табиғаттағы және қатты денелердегі симметрия
Табиғатта адамның денесі айналық симметрияға мысал болады (Леонардо да Винчидің суреті): дененің ортасы арқылы өткен тік сызық бойымен орналас&
Зоналарды электрондармен толтыру
Электрондардың энергиясының мүмкін мәндері қарастырылып, электрондар ие бола алатын энергетикалық деңгейлердің барлығы зоналарда орналасатыны а
С және С байланысын табамыз.
Тұрақты қысымда денеге қандай да бір жылу мөлшері dQ берілсін. Оның ішкі энергиясы U жоғарылайды да, бір уақытта ұлғаю жұмысы жасал
Электр өткізгіштігі
Меншікті электр өткізгіштігі келесі өрнекпен анықталады: , мұндағы n - өткізгіштік зонасындағы бос электрондардың концентрациясы, e – электрондар зар
Металдар мен металл құймаларындағы вакансиялар
Вакансиялар түзілуінің физикалық табиғаты кристалл атомдарының жылулық тербелістерімен байланысты. Тепе-теңдік орталықтарының (тор түйінд
Оспалық нүктелік ақаулар
Тегі бөтен қоспа атомдар негізгі кристалл матрицасымен не орын басу қатты ерітінділерін, не ену қатты ерітінділерін түзе алады. Бірінші жағдайда қоспа атом
Дислокациялар энергетикасы
Дислокация аумағында атомдардың бір қатары өзінің көршілеріне қатысты ығысқан жағдайда орналасады. Сондықтан дислокация кристалда&#
Жазық ақаулар
Кристалл құрылымының маңызды жазық (екі өлшемді) ақаулары-дәндердің шекаралары, ұқсастар және қабатталу ақаулары.
Көлемдік ақаулар
Қатты денелердегі көлемдік ақаулар барлық үш бағытта да тор периодынан көп созылғыштығымен сипатталады. Олар негізінен қатты дене қ
Беттің құрылымы
Нақты кристалл бетінің құрылымы күрделі: 1- қатты дененің беті – ол өте жұқа көлемдік қабат; 2 – бетте әртүрлі а&
Бет энергетикасы
5.2-сурет. Кристалды аумақтардың әртүрлі жазықтықтарында жұпты атомдық әрекеттесулердің сызбанұсu
Жұғу және ағу құбылыстары.
Көптеген технологиялық процестерде сұйықтың қатты дене бетімен жанасқанда өтетін құбылыстар үлкен роль атқарады. Мысалы, мета
Хемосорбция
Табиғаты химиялық күштер әсер еткенде кристалдың адсорбцияланатын атомдары мен беттік атомдар арасында химиялық реакция жүреді. Бұл хемосорбцияны
Сұйық фазадан адсорбция
Ғылым мен техниканың әртүрлі облыстары үшін сұйық ерітіндімен шекараласатын қатты дене бетіндегі адсорбциялық құбылыстар маңы
Беттік (Фольмер) диффузия
Фольмер тәжірибесінде сынап жоғары вакуумда қатты салқындатылған бетке буланады. Түзілген кристалдардың пішіні пластина тәрізді болған. Фольмер
Көлемдік айналулардың түрлері
Қатты денелердегі көлемдік айналулар фазалық айналуларға жатады, ол туралы ең 1-дәрісте айтылған. Фазалық айналу нүктесінде фазалардың те
Аллотропиялық айналулар
«Аллотропия» термині химиялық элементтің немесе қатты қосылыстың бірнеше модификацияларда болуын сипаттау үшін енгізілген. Бұл құбылысты сипатт
Мартенситті айналулар
Кейбір металдар мен құймаларда көлемдік айналулардың өздеріне тән ерекшеліктері бар. Ең бастысы – олар берілген температурада аяқталмайды және
Атты денелердегі реакциялардың типтері
Қатты денелердегі химиялық реакцияға қатысатын компоненттердің біреуі қатты күйде болу керек. Сондықтан оларды келесі түрде жіктеуге болады: &#
Атты дене – сұйықтық реакциялары
Қатты денелердің сұйықтықтармен типті химиялық реакция – қатты дененің желіну процесі. Химиялық желіну жылдамдығы кристалл атомдары мен ж
Атты дене – газ реакциялары
Қатты денелердің газдармен реакцияларына оксидтеу және сульфидтеу реакциялары жатады. Мысалы: . Бұл реакциялар жиі металл бетін қаптап тұратын оксид немесе сульф
Атты дене – қатты дене реакциялары
Қатты денелер арасындағы химиялық реакциялар газды және сұйық фазалардағы реакциялардан айтарлықтай ерекшеленеді. Бұл өзгешелік кристалл
Атты денелерді активтендіру
Қатты денелерді активтендірудің мақсаты - олардың реакцияға түсу қабілетін арттыру. Қатты денелердің активтенуін оның кристалдық к&
Атты дене ішіндегі реакциялар
Материалтануда металдар мен құймаларды дисперсті беріктеу маңызды орын алады. Бұл үшін балқыған металға қиынырақ балқитын бөл
Ймалардағы интерметалдық қосылыстар
Құймаларда түзілетін фазаларды Н.С.Курнаков зерттеген. Ол металдық фазалардың «құрам-қасиет» қисықтарының 2 негізгі түрі бар
Металдар мен құймалардың электр өткізгіштігі
Ең электрөткізгіштігі жоғары металдар : Cu, Ag, Au, Al. Бұл таза металдар иілгіш және берік емес. Cu, Ag, Au иілгіштігі 40-50%, Al - 30-40%.
Күміс пен а
Асқын өткізгіш металдар мен құймалар
1911 ж. Голландияда Камерлинг-Оннес сұйық гелийдің қайнау температурада (4.2 К) сынаптың меншікті электр кедергісінің нольге дейін азаятынын ашты. Асқын
Металл қатты денелердің магнетизмі
Егер кез келген денені сыртқы магнит өрісіне орналастырса , онда денеде магнит өрісі туындайды, оның кернеулігі . Кейбір денелерде векторы векторымен бағыттас болады (
Ыш материалдар туралы жалпы мәліметтер
Қыш материалдар (ҚМ) бүгінде өте кең қолданылады және сан алуан- құрылыс кірпішінен бастап жаңа жоғары температуралық асu
Конструкциялық қыш
Қыштың конструкциялық материал ретінде екі бағалы қасиеттері бар: химиялық және термиялық тұрақтылық. Бұл екеуі де күшт
Ыш фериттер
Ферримагнетиктерден қыш технологиясы бойынша жасалытын материалдар – фериттер деп аталады. Ферримагнетиктің қосынды магниттік моментінің температураға тәуелді ре
Сегнето- және пироэлектрлік қыш
Сегнетоэлектриктер (батыс әдебиеттерде ферроэлектриктер) кристалл диэлектриктерге жатады. Диэлектриктерде электрондар атомдар мен иондармен берік байланысқан. Оларда бос электрондар жо&
Асқын өткізгіш қыш
1986 ж. басында IBM-ның Швейцария бөлімінің қызметкерлері Г.Беднорц пен А.ММюллер негізінде қыш алды, оның асқын өткізгіштік температурасы өте
Матрица және талшық материалдарын талдау
Матрица материалына қойылатын талап: композиттің қызмет ету температуралар облысында жұмыс қабілетін қамтамасыз ету. Температура 2000С жоғары об
Материалтану. Пәнді оқыту мақсаты
1ХИМИЯ, ФИЗИКА ЖӘНЕ ФИЗИКАЛЫҚ ХИМИЯДАН КЕЙБІР МӘЛІМЕТТЕР
1.1 Негізгі химиялық тұсініктер 6
1.2. Қатты денелердің жіктелу
АТТЫ ДЕНЕЛЕР БЕТІНДЕГІ ҚҰБЫЛЫСТАР
5.1. Қатты денелердің беті туралы жалпы тұсініктер 66
5.2. Беттің құрылымы. 66
5.3. Жұғу және ағу құбылыста
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов