1. Теориялық бөлім
Жартылай өткізгіштердің ерекшеліктері
жүктеу/скачать 1,38 Mb.
|
| Жартылай өткізгіштердің ерекшеліктері. Жартылай өткізгіштердің кәдімгі температурадағы электрөткізгіштігі металдардың электрөткізгішітігі мен салыстырғанда аз. Өте төмен температурада олар диэлектриктерге ұқсайды. Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі температура мен жарық әсерінен қатты өзгереді, яғни температура артып және Жартылай өтккізгіш неғұрлым қаттыр жарықталынса, оның электрөткізгіштігі де соғұрлым жоғары болады. Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі оның құрамына өте аз шамада қоспалар енгізу жолымен басқарыларды.
1.2. Жартылай өткізгіш құралдардың физикалық негіздері. Қазіргі электроникада қолданылатын құрылғылар жартылай өткізгіш материалдардан жасалады. Жартылай өткізгіштерге бөлме температурасында меншікті электрлік кедергісі 10-5 нен 1010 Ом*см-ге дейін жететін материалдарды жатқызады. Жартылай өткізгіштердің саны металдар мен диэлектриктердің санынан артық. Ең жиі қолданылатын жартылай өткізгіштер: кремний, германий, галлий арсениді, селен, теллур, әртүрлі оксидтер, сульфидтер, нитридтер және карбидтер. Егер әртүрлі элементтердің атомдарының құрылысын қарастырсақ онда электрондармен толыққан (ішкі) және толықпаған қабықшаларын (сыртқы) бөлуге болады. Соңғысы ядромен әлсіз байланыста болғандықтан басқа атомдармен оңай әсерлеседі. Сондықтанда сыртқы толықпаған қабықтағы электрондарды валентті деп атайды. Молекула құрғанда жеке атомдардың арасында әртүрлі типтегі байланыстар болады. Жартылай өткізгіштер үшін ең көп тарағаны ковалентті байланыс. Егер атомдар байланысқан күйде болса, онда валентті электрондарға көрші атомдардың электрондар мен ядро өрісі әсер етеді, осының нәтижесінде әрбір рұқсат етілген энергетикалық деңгей жаңа энергетикалық деңгейлерге бөлінеді. Осы деңгейлердің әрқайсысында тек қана екі электрон ғана бола алады. Электрон бола алатын, деңгейлердің жиынтығы рұқсат етілген зона деп аталады. Рұқсат етілген зоналардың арасындағы аралық рұқсат етілмеген зона деп аталады. Қатты дененің энергетикалық спектрінде үш түрлі зонаны бөлуге болады: рұқсат етілген (толығымен электронмен толтырылған), рұқсат етілмеген және өткізгіштік зонасы.Рұқсат етілген зонада 0 К температурада барлық деңгейлер электрондармен толтырылған. Жоғары толтырылған зонаны валенттік зона деп атайды. Рұқсат етілмеген зонаның шегінде электрон бола алатын энергетикалық деңгей жоқ. Өткізгіштік зонасындағы электрондар қатты дененің ішінде қозғала алатын, атоммен байланысын үзуге мүмкіндік беретін энергияға ие. Жартылай өткізгіштерде температураның нөлден өзгеше бір мәнінде электрондардың белгілі бір бөлігінің энергиясы өткізгіштік зонасына өтетіндей энергияға ие болады. Мұндай электрондар еркін деп аталады, ал жартылай өткізгіш – электр өткізгіш болады. Жартылай өткізгіштердің басты қасиеті және түрлері. Жартылай өткізгіштің ең басты қасиеті : температура жоғарлаған сайын электр өткізгіштігі артуымен қатар меншіктік кедергісі кеміп отырады. Ал металдарда керісінше электр өткізгіштігі температура жоғарлаған сайын артуымен қатар меншіктік кедергісі де артып отырады. Жартылай өткізгіштердің саны металдар мен диэлектриктердің санынан артық. Ең жиі қолданылатын жартылай өткізгіштер: кремний, германий, галлий арсениді, селен, теллур, әртүрлі оксидтер, сульфидтер, нитридтер және карбидтер. Жартылай өткізгіштік интегралдық микросхема – ол барлық элементтері мен электродаралық қосылыстары көлемді болып және қалыңдығы 200-300 мкм кремний пластинкасынан жасалған жартылай өткізгіштің бетінде жасалған интегралдық микросхема. Элементтердің арасындағы изоляция ретінде n-p ауысу, диэлектрлік қабат, сапфирдағы кремний қолданылады. Жартылай өткізгіштік интегралдық микросхемаларды жасағанда әдетте планарлық технологияны пайдаланады. Ж.ө.и.м. активті және пассивті элементтерін жартылай өткізгіштің бір монокристалында таңдап құрады. Ж.ө.и.м. элементтерді өзара қосу көлемді болып жасалуы мүмкін және жартылай өткізгіштің монокристалының бетінде жартылай өткізгіштің тотыққан бетінде ток жүргізу жолдарын, мысалы, металды вакуумдық шаң жағу әдісімен орындалуы мүмкін. Конденсатор ретінде микросхемаларда кері ығысқан p-n-ауысулар немесе Si-SiO2-металл конденсаторлық құрылымдар қолданылады. Резистерлердің рөлін жартылай өткізгіш кристалы беттерінің бөліктері немесе түзу немесе кері бағытта ауытқыған p-n-ауысу, сонымен қатар МДЖ (металл-диэлектрлік жартылай өткізгіш)-транзисторлар орындайды. Интегралдық микросхемаларда жеке элементтер арасындағы шекараны үнемі көрсету мүкін емес. Мысалы, конденсатордың түйіні бір уақытта конденсатордың электроды да болып табылуы мүмкін. Электродаралық қашықтықтардың аздығы және микросхемалардағы кристалдың барлық элементтеріне жалпы түрде байланыстың күрделі паразиттік болуы, сонымен қатар паразиттік элементтердің пайда болуы микросхеманың барлық параметрлерін, радиоэлектрондық аппаратураның байланысқан түйіндерін нашарлатады. Өткізгіштер мен диэлектриктерден басқа, өткізгіштігі олардын арасында жататын бір топ заттар бар. Бұл заттарды жартылай өткізгіштер деп атайды. Өткізгіштерден жартылай өткізгіштердің айырмашылығы, олардың электр өткізгіштігінің температураға тәуелділік сипаты арқылы. Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің механизмін,оның ішкі құрылысы арқылы түсіндіруге болады. Мысалы кремний- төрт валенттік элемент. Бұл атомның сыртқы қабатшасында , ядромен әлсіз байланысқан, төрт электрон бар екендігін білдіреді. Кремнийдің әрбір атомының жақын көршілерінің саны да төртке тең. Жартылай өткізгіштердің, онда еркін электрондарының болуы салдарынан өткізгіштігін, электрондық өткізгіштік деп атайды.Байланыс үзілген кезде электрон жетіспейтін бос орын пайда болады. Оны кемтік деп атайды.Кемтікте басқа қалыпты байланыстарға салыстырғанда артық оң заряд пайда болады.Кристалда кемтіктердің орны тұрақты болып қалмайды. Атомдардың байланысын қамтамасыз ететін бір электрон,пайда болған кемтікке секіріп көшіп орналасады, ал ол электронның тұрған орнында жаңа кемтік пайда болады. Сонымен , кемтіктер бүкіл кристалл бойымен орын ауыстыруы мүмкін. Жартылай өткізгіштердің маңызды ерекшелігі ,онда қоспалар болғанда өзіндік өткізгішпен бірге қосымша –қоспалық өткізгіштік пайда болады. Электрлік қасиеті бойынша жартылай өткізгіштер диэлектрик және өткізгіштер арасындағы аралас орынды алады. Өткізгіштердің меншікті кедергісі -106-т- 10s Ом/м, диэлектриктердін,-108-т- 10шОм/м, жартылай өткізгіштердің -0,1 -т-108 Ом/м. Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі бірнеше факторларға байланысты: температураға, жиілікке, жарыңқа және құрамындағы қоспаларға. Температура өскен сайын жартылай өткізгіштердің кедергісі азаяды. Жартылай өткізгішті құралдарды құру үшін германий, кремний, арсений, галий кристалдары және селена жиі қолданылады. Жартылай өткізгіштерде екі түрлі заряд тасымалдаушылары бар: теріс зарядталған электрондар жөне оң зарядталған саңылаулар. Әрбір төрт валентті атом электрондары көрші атомдармен жалпы электрондық жұп құрады (коваленттік байланыс).00Ктемпературасында жартылай өткізгіштің барлық валентті электрон кристалдары ковалентті байланысқан, сондықтан бос электрондар болмайды, яғни жартылай өткізгіш диэлектрик болып табылады. Температураны жоғарылатқанда кейбір электрондар ковалентті байланысты бұзатын кинетикалық энергияға ие болады. Мұндай электрондар өз атомдарын тастап, бос болады. Кристалдағы бос электрондар өткізгіш электрондары болып табылады, егер жартылай өткізгіште электрлік өріс әрекет етсе, онда бос электрондар жартылай өткізгіште токты туғыза отырып, бағыт бойынша жылжиды. Жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі электронды өткізгіш немесе п түрдегі өткізгіш деп аталатын бос электрондардың бағыт бойынша жылжуына негізделген. Электронның жоғалтқан атом бос орынды (саңылау қалыптастырады. Бұл орынға көрші атомнан валентті: электрон ауысуы мүмкін, оның орнына саңылау пайда болады, яғни саңылау электрон сияқты кристаллішінде адасып жүреді. Сыртқы электрлік өріс болған кезде саңылау бағыттары электрон бағыттарына қарама-қарсы болады. Саңылаулардың бағыттары электрлік токтың өтуін туғызады. Саңылаулардың жылжуы электрондардьщ жылжуынан аз. Саңылаулардың жылжу бағытына байланысты пайда болған жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі, саңылау өткізгіштігі немесе р түрдегі өткізгіш деп аталады. п түрдегі жартылай өткізгіштегі электрондарды негізгі ток тасушылар деп атайды, ал саңылаулар - негізгі емес ток тасушылар. р түрдегі өткізгішке саңылаулар негізгі тасымалдаушыға, ал электрондар негізгі емес тасымалдаушыға жатады. Таза жартылай өткізгіштер жартылай өткізгішті құралдарда тәжірибе жүзінде пайдаланылмайды, себебі өткізгіштікті жөне біржақты өткізгіштікті қамтамасыз етпейді. Жартылай өткізгішті құралдар жасау үшін өткізгіштің бір түрі басым болуы қажет. Ол үшін химиялың таза жартылай өткізгішке периодтық жүйенің V (2.1, а-сурет) немесе III (2.1, б-сурет) топтық элементтерінің қоспасын ендіреді. Жартылай өткізгішті құралдардың жұмысы әр түрлі түрдегі өткізгіштігі бар аудандардың өзара жанасу: электрондық және саңылаулық құбылысына негізделген. р- жане п- түрдегі жартылай өткізгіштер арасындағы шекара электронды саңылаулық өту немесе р-n өту деп аталады (2.4, а-сурет). a) жұқарланган қабаттың щрылымы; б) зарядтың таралуы; в) өріс кернеулігі; г) потенциалдың таралуы Жартылай өткізгізштің басқа түрдегі өткізгіштермен жанасуында, диффузия әсерінен электрондар р- аймағында, ал саңылаулар п- аймағына ауыса бастайды, нәтижесінде п- аймағының шекаралық қабаты оң, ал р-аймағы теріс зарядталады. Аймақтар арасында электрлік өpic пайда болады, ол негізгі ток тасымалдаушыларға тосқауыл көрсетеді, соның арқасында р- п- өтуде зарядтар концентрациясы төмен аймақ құрылады. Бұл аймақта тасымалдаушылар (электрондар мен саңы-лаулар) жоқ, сондықтан аймақты жұқарланған қабат деп атайды. р- п- өтудегі электрлік өрісті потенциалды тосқауыл; ал р- п- өтуді жабу қабаты деп атайды. Егер сыртқы электрлік өpic бағыты, р- п- өтудің (« + » жүктеу/скачать 1,38 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|