« Жартылай өткізгішті материалдар» курсының лекциялар жоспары

1 слайд
« Жартылай өткізгішті материалдар » курсының лекциялар жоспары 1. Жартылай өткізгішті материалдар. Жартылай өткізгішті материалдардың физикасы мен жартылай өткізгішті құрылғыларды құраудың тарихи кезеңдері. 2. Жартылай өткізгіштер электөткізгіштігінің механизмдері туралы моделдік ұғымдар. 3. Қатты дененің аумақтық теориясының элементтері. 4. Меншікті және қоспалы жартылай өткізгішті материалдағы еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясы. 5. Жартылай өткізгіштер заряд тасымалдаушыларының қозғалғыштығы. Электөткізгіштіктің кернеулікке тәүелділігі. 6. Жартылай өткізгіштердегі тепетеңсіз заряд тасымалдаушылар. Тепетеңсіз заряд тасымалдаушылар параметрлері. 7. Жартылай өткізгішті материалдардың оптикалық және фотоэлектрлік қасиеттері. 8. Осы күндегі негізгі жартылай өткізгішті материалдар.

1 слайд

2 слайд
Лекция 1. Электрөткізгіштігі бойынша заттардың классификациялануы. Жартылай өткізгіштер. Бөлме ( 22 °C ) температурасындағы заттардың меншікті кедергісі ρ , [Ом см] Металлдар Жартылай өткізгіштер Диэлектриктер 10 -6 – 10 -4 10 -4 – 10 10 > 10 10 Ag – 1,58* 10 -6 NiCr - 1, 0 5* 10 -4 Ge - 10 -4 – 47 CdSe - 10 - 3 – 10 12 шыны - 10 8 – 10 1 5 слюда - 10 1 3 – 10 1 6

2 слайд

3 слайд
Т пл – балқу температурасы Тѳ - Дебай температурасы Т кр – асқын өткізгіштік күйіне өтү температурасы жартылай өткізгіш металл

3 слайд

4 слайд

4 слайд

5 слайд
қорғасын кремний ˂

5 слайд

6 слайд
• Бөлме температурасында меншікті электрөткізгіштігі 10 -10 – 10 4 (Ом*см) -1 аралығында жататын заттар жартылай өткізгіштер деп аталады. • Жартылай өткізгіштердің ерекшеліктері : меншікті электрөткізгіштігі заттың құрылымына, қоспаның түріне және мөлшеріне, температураның, қысымның, жарықтануыдың, ядролық бөлшектермен сәулелендірүдің, электр және магнит өрістерінің әсеріне аса жоғары сезімталдығы .

6 слайд

7 слайд

7 слайд

8 слайд
In the beginning of the 50-ies Professors B.T.Kolomiets and N.A.Gorunova from A.F. Ioffe Institute have synthesized the first chalcogenide glassy semiconductor – TlSbSe 2 . Today we have a lot of different chalcogenide glassy semiconductor (CGS) Binary compounds S-Se Si-S(Se,Te) S-Te Ge-S(Se,Te) Se-Te As-S(Se,Te)    Ternary compounds   Li-As-Se Si-As-Se(Te) P-Cu-Se Te-Tl-V(Ni,Si) Na(Ka)-As-S(Se) Si-Sb-S(Se) P-Ag-S Te-In-Ge(Ni) Au(Cu)-As-S(Se) Ge-Tl-S(Se) P-As-Se Se-Ge-In(Mn,Ni) (Zn, Cd, Hg, Ge-Sb-S As-S-Se(Te) Se-Li-Ni In, Ga, Tl)- Ge-Bi-S(Se) As-(Sb, Bi, J, Se-V-Ti - As-S(Se) Sn-As-S(Se) Br)-S(Se) S-Ge-Ni Ge-As-S(Se, Te)    Quarternary compounds   As-S-Se-Te Tl-As-Se(S)-Te As-Ag-Se-J Si-Te-As-Ge As-S-Ag-J Sb-S-J-Pb(Sn) ( Б.Т.Коломиец. Препринт ФТИ РАН, Ленинград 1981 ). What does unite all these and many others chalcogenide glassy semiconductors ?    UNIQUE SET of PROPERTIES !     

8 слайд

9 слайд
Аморфты ж. ө. - төсеніш температурасы белгілі Т кр -дан жоғары емес болса коптеген заттардың ( Si, Ge, B, C, P, S, As, Te және т. б. ) аморфты күйін вакумда конденсациялау арқылы жұқа (бірнеше жүз ангстрем) қабыршақтарын алуға болады. Сұйық ж. ө. – балқытылған Se және көптеген металлдардың сульфидтері мен оксидтері. Жартылай өткізгішті қасиеттері бар органикалық заттар – фталлоцианиндар мен полициклдік көмірсулар (мысалы бензол, нафталин, антрацен, нафтацен, коронен және т.б.).

9 слайд

10 слайд
Алмаз

10 слайд

11 слайд
Si

11 слайд

12 слайд
Ge

12 слайд

13 слайд
As-S

13 слайд

14 слайд

14 слайд

15 слайд
GaAs

15 слайд

16 слайд
CdS

16 слайд

17 слайд
CdSe

17 слайд

18 слайд
P

18 слайд

19 слайд
Жартылай өткізгішті материалдарға қойылатын талаптар  Құрылымының монокристаллдығы  Легирлеуші қоспалардың біртекті орналасуы  Атмосфералық қысымға төземділігі  Тепература әсеріне төземділігі

19 слайд

20 слайд
Жартылай өткізгішті құрылғылар  Тербелістерді күшейтү және генерациялау - транзисторлар  Айнымалы токты түзету - диодтар  Жылу және күн энергиясын электрлікке айналдыру – термо, фотоэлемент  Электр энергиясын жарыққа айналдыру – лазерлер, жарық диодтары  Температура датчиктері - термисторлар  корпускулалар сәулелерінің датчиктері – фоторезисттар, дозиметрлер  Қысым өлшеуіштер - тензодатчиктер  Магнит өрісін өлшеу – Холл датчиктері Жартылай өткізгішті өндірістің технологиясы. Кәзіргі кезде жартылай өткізгішті өндірістің технологиясы фото және электронолитография, оксидтау, ионды-плазмалық тозаңдату, иондық имплантация, диффузия, термокомпрессия деген көптеген күрделі процесстерге негізделген. Микросхемалар және құрылғыларды жасауда қолданылатын материалдарға тазалығы мен құрылымына жоғары сұраныс қойылады. Негізгі технологиялық процесстерді орындау үшін оптико- механикалық, термиялық, ионды-сәүлелік қондырғыларды қолданады. Процесстер температурасы және ылғалдылығы белгілі, шаңнан тазартылған бөлмелерде жүзеге асырылады.

20 слайд

21 слайд

21 слайд

22 слайд
Si Ge

22 слайд

23 слайд
Технологиялық бағдар - берілген типті жартылай өткізгішті құрылғыны немесе интегралды микросхеманы жасаудағы жартылай өткізгішті пластинаны өндеүдің технологиялық операциялар тізбегі. Типтік бағдар: 1. Пластиналарды дайындау – тазалау, жуу, ерітіндімен өндеу ( 1.1 сүр. а ) . 2. Топологиял суретті жасау ( 1.1 сүр. б ) . 3. База – коллектор p – n ауысуды алу ( 1.1 сүр. в ) . 4. Эмиттер – база p – n ауысуды алу ( 1.1 сүр. г ) . 5. Металлдық контакттілеү ( 1.1 сүр. д ) . 6. Жинақтау және гермитизациялау ( 1.1 сүр. е ) . 7. Құрылғыны сынақтан өткізү.

23 слайд

24 слайд
Лекция 3, 4 Меншікті және қоспалы жартылай өткізгішті материалдың электрөткізгіштігі. Кемтік ұғымы. Элементар ж. ө. материалдардың электрөткізгіштік механизмын қарастырайық. Кремний кристаллы түзелүде әр-бір атомның төрт валентті электроны 3 s 2 3p 2 күйінен спиндары қосарланбаған гибридты sp 3 күйне өтіп кеңістікте экви валентты төрт байланыс құрайды. Кубтық алмазтәріздес кристалдық тор түзеледі (1 сүр.). 1 сүр. Алмазтәріздес кристалдық тор а – тор тұрақтысы.

24 слайд

25 слайд
2 сүр. Кремний торындағы байланыстардың орналасуын жазықтықта бейнеленүі. Байланыстағы электронның еркін электронға айналу процессы генерация процессы деп аталады. Еркін электронның байланыстағы электронға айналу процессы рекомбинация процессы деп аталады. Валенттік байланыстағы бос орын кемтік деп аталады.

25 слайд

26 слайд
Егер ж. ө. валенттік байланыстардың үзілүі нәтижесінде пайда болған еркін электрондармен кемтіктердің саны тең болса ол меншікті деп аталады. Ge : 10 13 см -3 бөлме температурасындағы еркін электрондар мен кемтіктердің Si : 10 10 см -3 саны. Еркін жолының ұзындығы Жылулық энергия ( а ) және сыртқы электр өрісінің (б) әсерінен еркін электрон қозғалысының схемасы. Электрон жылдамдықтарының электр өрісіндегі ( а ) және электр өрісі жоқ болғандағы (б) схемалық бейнеленүі.

26 слайд

27 слайд
Еркін заряд тасымалдаушының екі соқтығысу арасындағы жүріп өтетін арақашықтығын еркін жолының ұзындығы деп, ал соқтығысулар арасындағы уақыт еркін жолының уақыты деп аталады. λ = v 0 τ , мұндағы λ - еркін жолының ұзындығы; τ - еркін жолының уақыты; v 0 – еркін заряд тасымалдаушысы жылулық қозғалысының орташа жылдамдығы. Ж. ө. бөлме температурасында электрондар үшін v 0 шамасымен 10 7 см/с.

27 слайд

28 слайд
Электр өрісіндегі еркін заряд тасымалдаушылар жиынтығының бағытты қоз- -ғалысы дрейф деп, ал олардың бағытты қозғалысының жылдамдығы дрейф -тік жылдамдық деп аталады.

28 слайд

29 слайд
Байланыстағы электродардың бос байланыстар арқылы қозғалу нәтижесінде жүзеге асырылатын өткізү механизмы кемтікті өткізгіштік деп аталады. Құрамында қоспасы жоқ, таза ж. ө. электронды және кемтікті өткізгіштік жүзеге асырылады. Сондықтан, меншікті ж. ө. электр тоғы екі құраушыдан турады – бірдей бағытталған электрондар мен кемтіктердің тоғынан .

29 слайд

30 слайд
Өткізгіштік аумағы Валенттік аумағыТыйым салынған аумағының ені Тыйым салынған аумақтың ені кристал- -дық торды түзейтін атомдардың сортына және химиялық байланыстарының тәбиға- -тына тәүелді болады.

30 слайд

31 слайд
Қоспасы бар ж. ө. қоспалы деп, ал электрөткізгіштігі қоспалы электрөткізгіш- тік деп аталады. Донорлық ( а ) және акцепторлық (б) ж. ө. кристаллдық торының схемалық бейнесі.

31 слайд

32 слайд
Электронды брертін қоспа донорлық деп аталады, ж. ө. электронды , немесе n – типті болады. Ж. ө. өткізгіштігінде басым ролді электрондар атқаратын болғандықтан олар негізгі , ал кемтіктер негізгі емес заряд тасымалдаушылар болып табылады. Электронды қармап алатын қоспа акцепторлық деп аталады, ж. ө. кемтікті немесе p – типті болады. Ж. ө. өткізгіштігінде басым ролді кемтіктер атқара тын болғандықтан олар негізгі , ал элкетрондар негізгі емес заряд тасымалдау -шылар болып табылады.

32 слайд

33 слайд
Торда қоспаның бар болуы энергетикалық диаграмманың тыйым слаынған аумағында орналасатын локалды деңгейдің пайда болуымен сипатталады. Донорлық ( а ) және акцепторлық (б) жартылай өткізгіштердің энергетиаклық диаграммасы.

33 слайд

34 слайд
Лекция 5. Қатты дененің аумақтық теориясының элементтері. Аумақтық теория келесі негізгі ұйғарулардан тұрады: 1) Электрондардың қозғалысын қарастыруда атом ядролары қозғалмайтын, массалары үлкен үлкен болғандықтан, электрондарға әсер етүші өріс көздері болып есептеледі. 2) Ядролардың кеңістікте орналасуы периодты болып есептеледі: олар берілген кристаллдың идеал торының түйіндерінде орналасады. 3) Электрондардың бір – брімен әсерлесүі қайсыбір сыртқы эффективті өрісімен ауыстырылады. Басқаша айтқанда, Кулон заңы бойынша атом ядроларымен және бір – бірімен әсерлесетін электрондар жүйесі қайсыбір берілген сыртқы өрісте қозғалатын бір – бірімен әсерлеспейтін электрондар жүйесімен ауыстырылады. Сыртқы өріс атом ядроларының өрісі және электрондардың әсерлесүін жұықтап бейнелйтін өрісі қосындылары болып табылады.

34 слайд

35 слайд

35 слайд

36 слайд

36 слайд

37 слайд
Гейзенберг принципы

37 слайд

38 слайд

38 слайд

39 слайд

39 слайд

40 слайд

40 слайд

41 слайд

41 слайд

42 слайд

42 слайд

43 слайд

43 слайд

44 слайд

44 слайд

45 слайд

45 слайд

46 слайд

46 слайд

47 слайд
Химиялық байланыстардың типтері. Екі атомның U потенциалдық энергияла- -рының олардың ядролары арасындағы R қашықтыққа тәүелділігі. 2 қисығы бөлік- -терге жіктелген, ( ) тартылыс күш- -тері, ( ) тебіліс күштері. ( R= ∞ ) әсерлесү жоқ болғандағы атомдардың энергиясы бастапқы нүктесі ретіде алынады. 1 жағыдайында энергия өң таңбалы және ара- -қашықтық артқанда азаяды.Сондықтан, R -дың кезкелген мәнінде атомдар тебіледі, молекула түзелүі мүмкін емес. 2 жағыдайында потенциалдық энергия кашық- -тық R 0 болғанда минимумға жетеді, осы нүкте- -де тұрақты екіатомдық молекула түзелүі мүм- -кін. 2 қисығы екі қосындыдан тұрады.

47 слайд

48 слайд
Химиялық байланыстардың келесі негізгі типтерін айырады: а) иондық , немесе гетерополярлық ; Иондық байланыс жағыдайында тартылыс күштері - кулондық электростатикалық күштері . б) коваленттік , немесе гомеополярлық ; Байланыстытың бұл түрі бірдей, зарядталмаған атомдар арасында түзеледі. в) ван – дер – ваальс (дисперсиондық) байланысы; Арақашықтық артуымен жылдам азаятын, тәбиғаты квантты – механикалық нейтрал атомдардың арасында түзелетін байланыс. г) металлдық ; Метал кристаллдарындағы оң зарядталған иондардың арасында еркін қозғалатын электрондармен тартылыс күштері.

48 слайд

49 слайд
Коваленттік баланыстың түзелү механизмын анықтайық. Мысал ретінде сутегі молекуласын қарастырайық. Сутегі атомының негізгі күйіндегі электрондық тығыздығының таралуы. Әсерлесүдегі сутегі атомдарының электрондық тығыздығының таралуы: а) электрондық спиндері параллель (тебілү); б) электрондық спиндері антипараллель (тартылу).

49 слайд

50 слайд
Көміртегі атомының 2 s және 2 p – электрондарының электрондық бұлты мен оның төрт бағытталған валенттілігі. Коваленттік байланыстың ерекшеліктері: Толықтануы – белгілі бір атомда түзелетін қосэлектронды байланыстар санының шектелуі Поляризациялануы – сыртқы электр өрісінің әсерінен молекуланың өз полярлығын өзгертуі Бағыттануы - атомның р-, d - и f -орбитальдарының кеңістікте белгілі бағыт алуы

50 слайд

51 слайд
Лекция 6. Электрондардың энергетикалық күйлерде орналасуы. Ферми деңгейінің физикалық мағынасы. Тыйым салынған аумақтың температураға тәүелділігі. Паули принципіне бағынатын, спины (+1/2, -1/2) жылулық тепетеңдіктегі бөлшектер үшін Ферми – Дирак жіктелуі орындалады Мұндағы k – Больцман тұрақтысы; T – абсолюттік температура; F – Ферми энергиясы немесе химиялық потенциал, жүйедегі бөлшектер санын бір бөлшекке көбейту ушін орындалатын жұмысы.

51 слайд

52 слайд
Ферми – Дирак жіктелү функциясының түрін әр – түрлі температурада қарастырайық. T = 0 0 ≤ E < F үшін f 0 = 1 E > F үшін f 0 = 0 Металлдарда абсолюттік ноль температурасында электрондар энергиясының ең максимал мәні Ферми энергиясы болып табылады. T > 0 E = F үшін f 0 = l/2 Ферми деңгейі темпреатура абсолюттік нольдан жоғары болғанда толықтыру ықтималдылығы ½ тең деңгейіне сәйкес келеді. ±kT f 0 (Е) (1+e) -1 = 0,27 және (1+1/e) -1 =0 , 73 ± 2 kT 0, 118 және 0,882 ± 3 kT 0, 047 0,953 Ферми – Дирак жіктелү функциясының түрі.

52 слайд

53 слайд
Кемтіктер үшін Ферми – Дирак жіктелү функциясы электрондарға аналогия бойынша табылады: E-F»kT энергеикалық күйлерінде орналасатын электрондар үшін f 0 функциясы келесі түрде жазылады: яғни, классикалық заңдарға бағынатын, Стефан – Больцман жіктелү функциясымен сәйкес келеді.

53 слайд

54 слайд
Қоспалы деңгейлердің толықтану дәрежесі. Концентрациясы N d донорлық қоспасы бар жартылай өткізгішті қарастырайық. Мысалы, Si -дегі As атомдары. Өткізгіштікке қатыса алатын донорлық қоспаның электроны 1 болғандықта...

54 слайд