Дәріс №9

Дәріс №9.Жартылай өткiзгiштердiң электрөткiзгiштiгi,p-n-ауысудың түзiлуi және қасиетi.

1.     Жартылайөткiзгiштердiң электрөткiзгiштiгi, p-n-ауысудыңтүзiлуi және қасиетi.

&&&

            $$$002-009-001$3.2.9.1 Жартылай өткiзгiштердiңэлектрөткiзгiштiгi, p-n-ауысудың түзiлуi жәнеқасиетi.

Жартылайөткізгіштердеп өзінің меншікті электрлік кедергісі өкізгіштер мендиэлектриктердің аралығында болатын  материалдардың кеңтараған тобын айтамыз. Негізінде жартылайөткізгіштіматериалдарға меншікті кедергісі ρ = (10^-3... 10⁹) Ом·см,өткізгіштерге(материалдарға) меншікті кедергісі ρ< 10^-4 Ом·см, ал диэлектриктерге (оқшаулағыштар) ρ>10¹⁰ Ом·смменшікті кедергісіндегі материалдар жатады. Шарттардың толық осылайтоптасуы, өйткені жартылайөткізгіштер мен диэлектриктердіңарасында принципиалды айырмашылықтар жоқ.

Осызаманғыжартылайөткізгіш аспаптарды жасауда, әсіресе интегралдықмикросхемаларды жасауда көбінесе кремний қолданылады, өйткеніоның кристалл торлары алмаздық типте, текшелік түрде реттеліпорналасқан қатты денедегі монокристалл болып табылады.(2.1-сурет)

Бұлкристаллдық тордың негізгі ерекшелігі, әрбір атом өзіменкөршілес төрт атоммен өзара ковалентті байланысқан.

2.1-сурет– Жартылайөткізгіштердің құрылымы

Атомдытастаған және валентті байланысты бұзған электрон  текбелгілі уақытта бос күйінде бола алады. Басқа кристаллатомдарымен соқтығысқан кезде ол өз энергиясынжоғалтады және тесік жонасына түскен кезде басқаатомның босаған валенттік байланысын толтыра алады. Бұлпоцесс рекомбинация деп аталады, ал бос электрон мен тесіктің бар болуорташа уақыты – заряд тасымалдаушының өмірлік уақытыдеп аталады. Жартылайөткізгіштер және тесіктердіңқозғалысы екі процесспен өтеді: диффузия және дрейф.Диффузиялық токтың пайда болу себебі тасымалдаушыконцентрациларының айырмашылығы болып табылады. Дрейфтық токэлектр өрісінің әсерімен байланысты.

өзіндікжартылай өткізгіштің электр өткізу сипаты заттың атомынқосқанда өзгереді. Жалтылайөткізгішті аспаптардажәне интегралды сұлбаларда Менделеев кестесінің V жәнеIII топ элементтері ретінде қолданатын қоспалар тек қоспалыжартылай өткізгіштер қолданады.

Жартылай өткізгішті материал

V топқоспасының кремний атомын кристаллға енгізгенде оныңтек төрт валентті электроны өзіндік жартылайөткізгіштің4 көршілес атомымен қатты байланысқа түседі.

Сульманыңбесінші валентті электроны ядромен нашар байланыста болады және олөту жонасына оңай өтеді. Бұл жағдайдақоспалы атом жылжымайтын оң оинға айналады. Қоспалыатомнан үзілген бос электрондар өзіндік бос электрондарғақосылады. Бұл жағдайда жартылай өткізгіштіңөткізгіштігі электрондармен айқындала бастайды.  Мұндайжартылайөткізгіштен n- типті жартылайөткізгіштер деп аталады(отанглийского слова negative — отрицательный).. Электронды электрөткізгішті шартталған қосылыстар донорлы деп аталады.

Кристалға 3-ші группалы кремний атомыненгізгенде өзіндік жартылайөткізгіштің атомы менқоспаның атомы арасындағы 4 байланыстың біреуітолтырылмаған болып шығады, ол тесіктің пайда болуынажәне жылжымайтын теріс ионға эквивалент болады. Бұндайқоспалы жартылайөткізгіштердің электр өткізгіштігітесіктердің орын ауыстыру салдарынан қамтамасыз етіледі, алжартылайөткізгіштердің өздері р-типтіжартылайөткізгіштер деп аталады. Тесікті электрөткізгіштішартталған қоспалар акцепторлы деп аталады. Nд атомыныңдонорлық қоспасы болғанда, nn қозғалмалыэлектрондардың пайда болуына әкеледі, мұндағы nn ≈ Nд. 

а) с донорной примесью; б) с акцепторнойпримесью р-n өтудің вольт-амперлікқұрылымы және сипаттамасы.

Рисунок 2.2– Структура примесныхполупроводников

р-nөту, оның құрлымы.

p-n өтуін жасауда диффузиялықәдіс арқылы қорғайтын қышқылдыққабаты бар жартылай өткізгішті пластинкалар алдын алафотолитографиялық өңдеуге шалдығады. Пластинаныңбетінде берілген конфигурация ауданы құрылады. Фотолитографияданкейін бұл «терезелер» арқылы жартылай өткізгішті пластинағақоспалардың диффузиясын өткізеді және p-n өтуіналады.

            Электрлік сипаттамалары берілгенжартылай өткізгішті құралдарды жасау үшінэлектроөтімділіктің әр түрлі типімен кристалауданының өлшемі өте дәл болу керек. Кристалдыңжеке аудандарының конфигурациясы балқыма өтудетемператураның тұрақты дәлділігіне, пластинкақалыңдығына, балқу уақытына жәнеқоспалар санына байланысты болады. Кез келген көрсеткіштіңауытқуы номиналды мәнінен жартылай өткізгіштіқұралдардың электрлік параметрлерін үлкеншашырауға әкеледі. Диффузия көмегімен жақсы p-nөтулер құрастыруға болады, өйткенідифузиялық үрдіс өте ақырын және жақсыбасқарылады.

   Әр түрлі типтіэлектроөтімділікті жартылай өткізгіштердің шекарасыныңарасында электронды – тесікті өтуді құрастыру кезіндезарядтардың жылжымалы тасушыларында үлкен концентрацияның градиенттеріпайда болады. Бұл p және n – типті жартылайөткізгіштердің арасындағы шекарасы арқылы диффузиондытоқтар (электронды n – ауданнан, тесікті p – ауданнан) өтуінеәкеп соқтырады. Негізгі тасымалдаушылардың кетунәтижесінде n – ауданында донорлы атомдардың оңзарядталған иондары, ал p – ауданында акцепторлы атомдардың терісзарядталған иондары болатын жартылай өткізгіштер шекарасындаэлектрөтімділіктің әр түрлі типтерімен біріктірілгенқабат жасалады. Микрометр созылуының ондық бөлігіндебұл екі қабат p-n өтуі болып табылады. (2.3, а - сурет). 

Сурет 2.3 – р-п отуінің құрылымыжәне вольт-амперлік сипаттамасы (г)

Р-п өтуінеорналасқан екі қабат қозғалмайтын электрлік зарядтарішкі электрлік өрісін тудырады. әр түрліэлектрөтімділігі бар жартылай өткізгіштердің шегінеп-аумақтық бөлігі оң зарядталады, ал р-аумақтықбөлігі теріс зарядталады. Соның арқасында п және раудандарының арысында потенциалдар айырымы, яғни жартылайөткізгішті кристалдың тасмалдаушыларыныңқозғалысына кедергі келтіретін және негізгі еместасмалдаушылардың қозғалысына әсер ететінпотенциалдық кедергі пайда болады. Р-п өтуінің электрлікөрісі әсерінен тесіктер п-ауданыныа р-ауданына, ал электрондар керібағытта жеңіл орын ауыстырады. Бірақ тесітер р-ауданынанп-ауданына және электрондардың п-ауданынан р-ауданыа өтуіқиындатылған, яғни п-р өтуінің электрлікөрісі дифузиялық тоқтың ұлғаюына кедергікелтіріді және п-р өтуі арқылы өтетін дрейфтіктоққа кедергі келтірілмейді. Сыртқы кедергі болмағанжағдайдадонорлық және акцептрлық иондардыңзаряттары, теріс бағытта өтетін дрейфтік және дифузиялықтоқтар өзара концепциоланатын тепе-теңдік орнатылады.Бұл жағдайда р-п өтуі электрлік нейтралды болып табылады, алоның бойымен өетін тоқ нөлге тең.

Егер электронды –тесіктік өтуі құрылғанжартылай өткізгішті р-пөтуінесырты кернеуді жалғасақ, онда өтудіңүлкен кедергісіне байланысыты кристалдың басқабөлігінің кедергісімен салыстырғанда ол тек қана р-пөтуіне ғана оң болады.Сыртқы кернеу электронды-тесіктікөтуінде тепе-теңдік бұзылады да тоқ пайда болады.

Егер сыртқыкернеу көзінің оң полюсін р-п ауданғақоссақ, онда потенциалдық кедергінің биіктігі кішіриеді. Ал зарядтардың негізгі тасмалдаушыларыныңдифузиялық тоғы күрт өседі. Бұндай р-пауданының қосылуын тура деп атайды. (2,3 б - сурет) р-пөтуінің тура қосылуында заряттардыңтасмалдаушылардың  олардың негізгі емес болып табылатын жартылайөткізгішті кристалды ауданына басым өтуі жүреді,сондықтан р-п өтуінің осы жұмыс істеу режимін негізгіемес тасмалдаушылардыңинжекция режимі деп атайды. Егер сыртқыкернеудің полярлығын өзгертсек онда р-п өтуіндегіпотенциалдық кедергісінің биіктігі төмендейді. U = -0.5Bболған жағдайда дифузиялық тоқ тоқтатыладыжәне сыртқы кернеу өскенде р-п өтуінентек қанакері деп аталатын дрейфті тоқ өтеді. Негізгі еместасмалдаушылардың саны негізгі тасмалдаушыларғақарағанда аз болғандықтан переход арқылыөтетін тоқтың шамасы тура қосылғанбайланыстағы тоққа қарағанда үлкен болмайдыжәне сыртқы кернеудің өзгеруінің кеңшектерінде тұрақты болады.

Осы негізде p-nөту симетриялы емес вольт – амперлі сипаттамаға ие болады (3.3 г суреті).

Тікелейқосқанда оның бойынан үлкен тік тоқ өтеді,ал кері қосқанда білінбейтін кері тоқ өтеді, яғниөткізгіштің өзіндік электр өтімділігімен анықталатын және ортаның температурасына тікелейтәуелді болатын ток. Мысалы, германилі  жартылай өткізгішті аспаптардаp-n өтудің кері тогі әр бір 100 С температураныңкөтерілуінде екі еседей өседі.

p-n өтуіндекері кернеуде кері токтың тез өсуі бақыланады. Бұлқұбылыс p-n өтудің пробойы деп аталады.өтудің пробойы жеткілікті күшті электрлік аймақта,негізгі емес заряд тасымалдаушылар жартылай өткізгіштің атомытездеткен кезде пайда болады.

Иондауда электронмен тесіктер пайда болады, олар жылдамдықтарды көбейтіп, атомдардықайта иондатады және т.б., соның салдарынан диффузиялықток өту арқылы тез өседі, ал p-n өтудің вольт-амперліксипататамсында үлкен кері кернеудің аумағында керітоктың секіруі пайда болады. Пробойдан кейін өту шамасынан тысжылыту кезінде оның құрылымының қайтымсызөзгеруі болған кезде реттен шығады,жылулық пробойдабайқалатынын айтып өтуі керек. Егер де p-n өтудебөлінетін қуат рұқсат етілген деңгейдежарайтындай болса, ол пробойдан кейінде жұмыс істеу қабілетінсақтайды. Осындай пробой электрлік (қалыпқа келетін) депаталады.

p-n өтуінжасауда диффузиялық әдіс арқылы қорғайтынқышқылдық қабаты бар жартылай өткізгіштіпластинкалар алдын ала фотолитографиялық өңдеуге шалдығады.Пластинаның бетінде берілген конфигурация ауданы құрылады.Фотолитографиядан кейін бұл «терезелер» арқылы жартылайөткізгішті пластинаға қоспалардың диффузиясынөткізеді және p-n өтуін алады.

            Электрлік сипаттамалары берілгенжартылай өткізгішті құралдарды жасау үшінэлектроөтімділіктің әр түрлі типімен кристалауданының өлшемі өте дәл болу керек. Кристалдыңжеке аудандарының конфигурациясы балқыма өтуде температураныңтұрақты дәлділігіне, пластинка қалыңдығына,балқу уақытына және қоспалар санына байланысты болады.Кез келген көрсеткіштің ауытқуы номиналды мәніненжартылай өткізгішті құралдардың электрлік параметрлерінүлкен шашырауға әкеледі. Диффузия көмегімен жақсыp-n өтулер құрастыруға болады, өйткенідифузиялық үрдіс өте ақырын және жақсыбасқарылады.

            Әр түрлі типтіэлектроөтімділікті жартылай өткізгіштердің шекарасыныңарасында электронды – тесікті өтуді құрастыру кезіндезарядтардың жылжымалы тасушыларында үлкен концентрацияның градиенттеріпайда болады. Бұл p және n – типті жартылай өткізгіштердіңарасындағы шекарасы арқылы диффузионды тоқтар (электронды n –ауданнан, тесікті p – ауданнан) өтуіне әкеп соқтырады.Негізгі тасымалдаушылардың кету нәтижесінде n – ауданында донорлыатомдардың оң зарядталған иондары, ал p – ауданындаакцепторлы атомдардың теріс зарядталған иондары болатын жартылайөткізгіштер шекарасында электрөтімділіктің әртүрлі типтерімен біріктірілген қабат жасалады. Микрометрсозылуының ондық бөлігінде бұл екі қабат p-nөтуі болып табылады. (2.3, а - сурет). 

Егер сыртқы кернеукөзінің оң полюсін р-п ауданға қоссақ, ондапотенциалдық кедергінің биіктігі  кішіриеді. Ал зарядтардыңнегізгі тасмалдаушыларының дифузиялық тоғы күртөседі. Бұндай р-п ауданының қосылуын тура деп атайды.(2,3 б - сурет) р-п өтуінің тура қосылуында заряттардыңтасмалдаушылардың  олардың негізгі емес болып табылатын жартылайөткізгішті кристалды ауданына басым өтуі жүреді,сондықтан р-п өтуінің осы жұмыс істеу режимін негізгіемес тасмалдаушылардыңинжекция режимі деп атайды. Егер сыртқыкернеудің полярлығын өзгертсек онда р-п өтуіндегіпотенциалдық кедергісінің биіктігі төмендейді. U = -0.5Bболған жағдайда дифузиялық тоқ тоқтатыладыжәне сыртқы кернеу өскенде р-п өтуінентек қанакері деп аталатын дрейфті тоқ өтеді. Негізгі еместасмалдаушылардың саны негізгі тасмалдаушыларғақарағанда аз болғандықтан переход арқылыөтетін тоқтың шамасы тура қосылғанбайланыстағы тоққа қарағанда үлкен болмайдыжәне сыртқы кернеудің өзгеруінің кеңшектерінде тұрақты болады.

Осы негізде p-nөту симетриялы емес вольт – амперлі сипаттамаға ие болады (3.3 г суреті).

Тікелейқосқанда оның бойынан үлкен тік тоқ өтеді,ал кері қосқанда білінбейтін кері тоқ өтеді, яғниөткізгіштің өзіндік электр өтімділігімен анықталатын және ортаның температурасына тікелейтәуелді болатын ток. Мысалы, германилі  жартылай өткізгіштіаспаптарда p-n өтудің кері тогі әр бір 100 Стемператураның көтерілуінде екі еседей өседі.

p-n өтуіндекері кернеуде кері токтың тез өсуі бақыланады. Бұлқұбылыс p-n өтудің пробойы деп аталады.өтудің пробойы жеткілікті күшті электрлік аймақта,негізгі емес заряд тасымалдаушылар жартылай өткізгіштің атомытездеткен кезде пайда болады.

Иондауда электронмен тесіктер пайда болады, олар жылдамдықтарды көбейтіп, атомдардықайта иондатады және т.б., соның салдарынан диффузиялықток өту арқылы тез өседі, ал p-n өтудіңвольт-амперлік сипататамсында үлкен кері кернеудің аумағындакері токтың секіруі пайда болады. Пробойдан кейін өту шамасынан тысжылыту кезінде оның құрылымының қайтымсызөзгеруі болған кезде реттен шығады,жылулық пробойдабайқалатынын айтып өтуі керек. Егер де p-n өтудебөлінетін қуат рұқсат етілген деңгейдежарайтындай болса, ол пробойдан кейінде жұмыс істеу қабілетінсақтайды. Осындай пробой электрлік (қалыпқа келетін) депаталады. 

&&&  

 Өзін-өзітексеру сұрақтары:

1. Жартылайөткізгіштерге қандай  заттар жатады?

2. Жартылай өткізгіштің өзіндік жәнеқоспалы электрөтімділігі дегеніміз не?

3. Жартылай өткізгіштердің «донорлық» және«акцепторлық» бөлінуін түсіндіріңіз.

4. Жартылай өткізгіште диффузияны тасушылар деген не?

5. р-п өту дегеніміз не және оның қасиеттеріқандай?

6. р-п өтудің шекті электрлік параметрлері қалайаталады?

7. р-п өтудің қандай түрлері бар?