| 10.1-сурет.Диффузия әдісімен n-типті кристалда p–n-ауысудың түзілуі |
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).
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 айырымының пайда болуы; в – бекіткіш қабаттың түзілуі |
| 10.3-сурет. Газды фазадан эпитаксияға арналған қондырғының принциптік сызбанұсқасы: 1 – үлгі; 2 – графитті төсеме; 3 – кварц түтікшесі; 4 – пеш |
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:
1.Жартылай өткізгіштер туралы жалпы түсініктер.
2.Р-п-ауысуларды алу тәсілдері.
3.Бекіткіш және антибекіткіш қабаттар.