1. Полупроводники. Специфика электронных свойств полупроводниковых материалов.

Жартылай өткізгіштер — өзінің электрлік қасиеті жағынан өткізгіштермендиэлектриктердің(мысалы,германий,кремний) арасынан орын алатын элементтер. Металдармен салыстырғанда жартылай өткізгіштер элексир тоғын аз өткізеді, ол сәулелену кезінде жарық энергиясының ағымымен өзгере алады.Радиолампаларменсалыстырғанда жартылай өткізгіштер құралдардың көлемі мен салмағы аз, электрлік және механикалық беріктігі жоғары болады, олар ұзақ уақыт қызмет ете алады жәнеэлектр энергиясыназ пайдаланады. Осындай қолайлы қасиеттеріне орай жартылай өткізгіштерді әскери радиотехникалык аппаратураларда жиі қолданады.

Жартылай өтккізгіштердің 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. Шалаөткізгіш материалдар — ШӨ аспаптарды жасау үшін қолданылатын, барлық температурада, соның ішінде белме температурасында шалаөткізгіштік қасиеттері айқын байқалатын заттардың жиынтығы. Металдар мен диэлектриктер аралығында жататын үлестік электрөткізгіштік мәндерімен сипатталады. Металдарға қарағанда шалаөткізгіш материалдардың электр өткізгіштігі температура жоғарылаған сайын артады. Шалаөткізгіш материалдар мынадай негізгі топтарға бөлуге болады:

1) Қарапайым шалаөткізгіш материалдар Ge, Si, көміртегі (алмаз және графит), В, сүр қалайы, Те, Se;\

2) Аш Bv типті қосылыстар (периодты жүйенің III және V топ элементтерінің қосылыстары), негізінен, сфалерит типті кристалды құрылымы бар. Негізгі екілдері: GaAs, ZnP, ZnAs, FnSb,GaP;

3) периодты жүйенің VI топ элементтерінің (О, S, Se, Те) I—V тобы элементтерімен және сирек жер металдарымен қосылыстары. Бұған CdTe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnO, ZnS жатады;

4) A11 B1V C2V типті үштік қосылыстар. Олар CdSnAs2, CdGeAs2, ZnSnAs2;

5) Кремний карбиды (SiC);

6) Кристалл емес шалаөткізгіш материалдар oсы топқа халькогенидті және тотықты шыны тәріздес шалаөткізгіш материалдар жатады. Бұлар As2Se3 — As2Te3, TL2Se - As2Se3, Y205 - P205 - RO (R— I—VI топтағы металл).

2.Особенности ковалентной связи атомов в кристаллах. Электронные свойства материалов с ковалентной связью атомов.Коваленттік байланыс – ортақ электрон жұбын түзу арқылы пайда болатын химиялық байланыс. Атомдық кристалдық тордың түйіндерінде атомдар орналасқан, олар озара бір-бірімен ковалентті полюссіз байланысқан, оларға бор В, көміртек С, кремний Sі, т.б. жатады.

Мысалы кремний(Si) мен германий (Ge) Менделеев кестесінің периодтық жуйесінде Si Ge бір топшада орналасқан көміртек.

Электрондарының орналасу күйі:

Ge ^{( 32)} (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p² )

Si ⁽¹⁴⁾ (1s²2s²2p⁶3s²3p² )

Электронның сыртқы қабықшасы осы атомдарда жартылай толтырылған:оның ішінде 4 электрон 2s 2p- күйлері.

Кристтал түзілу барысында 4 валенттің әр куйі 3s²3p² кремний гибридті антипаралельдік sp³ күйге 4 ковалеттік түзіліс түзеді.Нәтижесінде әр атом жақын көрші 4 атоммен қоршалған және тетраэдра орналасқан.Мұндай кристалдық тор кубтық және алмас торы деген атты алады

Ковалеттік байланыста бос орын кемтік деп аталады.Негізінде кристал электронейтролды, себебі әрбір түзілген оң заряд кемтік әсерінен бос электронға сәйкес келеді.

Жеке жартылай өткізгіштік яғни ковалеттік байланыс бұзылған кезде бірдей қатынастағы бос электрондар мен кемтіктер саны бірдей болады.Бөлме температурасында бос электрондар концентрациясы мен кемтіктері Ge да құрайды 10¹³см^-3; Si 10¹⁰см^-3

Жартылайөткізгіштің температурасы өскен сайын ковалеттік бұзылу саны артады.Бұл дегеніміз жартылайөткізгіштің бос электрондары мен кемтіктердің концентрациясының өсуін кемітеді.

Коваленттік байланыстың негізгі қасиеттеріне қанығуы, полюстенуі, бағытталуы жатады. Коваленттік байланыстың қанығуы әр атомға тән ортақ электрон жұптарының санымен анықталады. Химиялық байланыстың ерекшелігі – қанығуға қабілеті бар, яғни атом өзінің валенттік орбитальдарын толық пайдалануға тырысады. Қанығуына сай молекулалық байланыстың да белгілі құрамы болады. Коваленттік байланыстың полюстенуі молекулалардың өздерінің және олардағы жеке байланыстардың полюстігінің сыртқы электр өрісінің әсерінен өзгеру қабілетімен сипатталады. Мысалы, атомдық кристалдық торлы алмаз тек көміртек атом- дарынан түратын өте берік зат, қатты, суда ерімейді және балқу температурасы ете жоғары. Графит электртехникалық өнеркөсіпте жогары бағаланады, себебі электр генераторлардың және электр қозгалтқыштардың түйіспе щеткаларын жасауға қажет. Электр пісіруде графит электрод ретінде қолданылады. Негізгі қасиеттері:

1. Қатты

2. Қайнау және балқу температурасы жоғары

3. Электр өткізгіштігі - диэлектрлі жартылай өткізгіш

4. Жылуөткізгіштігі мен электрөткізгіштігі төмен

3.Модельные представления о механизме проводимости собственных полупроводников. Понятие дырки.

Шалаөткізгіштің меншікті өткізгіштігі деп еркін электрондардың немесе кемтіктердің қозғалысы нәтижесінде

валентті зонаның электрондарының деңгейлерінің өткізгіштіктің зонасына өтуінен туады.

Сонымен бірге ni = pi = A exp(-DE/2kT),

Мұндағы  A=4,82Ч1015T 3/2(mn*mp*/m2)3/4;

mn*, mp* - электрон мен кемтіктің эффектифті массасы

m - масса электрона;

k - постоянная Больцмана;

DE – шалаөткізгіштің тыйым салынған зонасының ені;

Меншікті өткізгіштіктің ені:

Шалаөткізгіштерде меншікті өткізгіштіктің еркін электрондарының концентрациясы "кемтіктің" концентрациясына теңеледі.

Өткізгіштік бөлшектің қозғыштығымен келесі қатынаста:

Кемтік — шалаөткізгіштіңваленттік аймагындагы толтырылмағанэлектрондықкүйді (бос орын) көрсететін квазибөлшек. Кемтіктің заряды он және электрон зарядына тең деп алынады. Әдетте, Кемтіктің өткізгіштік электронға қарағанда эффективтік қозгалғыштыгы аз.

Кемтік түсінігі шалаөткізгіштің электрондық жүйесі қасиеттерін, оның ішіндегі құбылыстарды сипаттау үшін енгізілген.

Кемтіктік өткізгіштік — немесе р- типті өткізгіштіктіңнегізгі заряд тасымалдаушылары кемтіктер болып табылатын шалаөткізгіштің өткізгіштігі.

Мөлшер жағынан үлестік өткізгіштік σ_p=eμ_pρ формуласымен анықталады, мұндагы е — еркін кемтіктердің заряды,μ_p — қозғалғыштыгы, ρ— концентрациясы. Кемтіктік өткізгіштік шалаөткізгіш ішіндегі қоспаларатомдарыарқасында, акңепторлар конңентраңиясы донорлар қоспасынан артық жағдайда пайда болады.

4.Модельные представления о механизме проводимости примесных полупроводников. Акцепторные и донорные примеси.

Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі.

Егер балқытылған таза германийге немесе кремнийге Менделеев кестесіндегі үшінші топтың элементтерінің атомдарының (Іn, Al, Ga, B және басқалар) аздаған мөлшерде қосса, мысалы Іn, онда қатайғаннан кейін Іn атомдары кристалдық тордың кейбір түйіндерінен орын алып, кристалдық құрамына енеді. In атомдары кристалда төрт көрші Ge атомдарымен ортақ электрондық жұп құрайды. Алайда индий Іn атомында сыртқы электрондық қабатта үш қана электрон болғандықтан, сегіз электроннан тұратын орнықты қабат құру үшін, оған бір ортақ электрон жетіспейді. Іn атомы жетіспейтін электронды көрші германийдің Ge атомынан қамтып алуы мүмкін. Сонда ол теріс зарядталады да, ал қандай да бір орында жылжымалы кемтік пайда болады.

Кристалл электронейтраль болып қала береді, бірақ ондағы теріс зарядталған In атомдары тормен байланысқан (локалданылған), ал оң зарядталған кемтіктер электр тогына қатысуы мүмкін. Мұндай

кристалдың өткізгіштігі негізінен кемтік болады, өйткені кристалда пайда болған кемтіктердің саны, аздаған қоспаны ендіргеннің өзінде (10^-4 – 10^-6 %), қоспасыз жартылай өткізгіштегі «электрон-кемтік» жұбының санынан едәуір көп болады.

Егер жартылай өткізгіште атомдары электрондарды қамтып алатын, Менделеев кестесіндегі ІІ топтағы элементтердің қоспасы болса, онда мұндай қоспаны р-типті қоспа деп атайды («позитив» - оң деген сөз) немесе акцепторлық (аламан) қоспа, ал кристалл р-типті жартылай өткізгіш деп аталынады. р- типті жартылай өткізгіштерде негізгі электр өткізгіштіктің рөлін – жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары – кемтіктер атқарады.

Сонымен, германий кристалының торына V топтың атомдарын ендірген кезде тордың түйіндерінде оң зарядталған «қозғалмайтын» қоспаның иондары және еркін электрондар пайда болады (17-сур.). Мұндай жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі негізінен электрондық болады. Бұл жағдайда

кристалды n-типті жартылай өткізгіш деп атайды («негатив» - теріс деген сөз), ал қоспаны n-типті қоспа немесе донорлық (беремен) деп атайды.

n – типті жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның жоғарғы жартысына орналасса, ал p – типті жартылай өткізгіште – тыйым салынған зонаның төменгі жартысында орналасады. Температура артқан кезде жартылай өткізгіштердің екі түріндеде Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның ортасына ығысады.

Егер донорлық деңгейлер валенттік зонаның төбесінен алыс орналаспаса, олар кристалдың электрлік қасиетіне мәнді әсер ете алмайды. Мұндай деңгейлердің өткізгіштік зонаның түбінен қашықтығы, тыйым салынған зонаның енінен едәуір аз болған жағдайда басқаша болады. Бұл жағдайда қалыпты температураның өзінде жылулық қозғалыс энергиясы, донорлық деңгейден өткізгіштік зонаға ауыстыру үшін жеткілікті болады.

Акцепторлық деңгейлер кристалдың электрлік қасиетіне, егер олар валенттік зонаның төбесіне жақын орналасса мәнді әсер етеді. Кемтіктің пайда болуына электронның валенттілік зонадан акцепторлық деңгейге ауысуы сәйкес келеді.

5. Энергетический спектр электронов в твердом теле. Металлы, полупроводники, диэлектрики по зонной модели.Кристалдағы энергияның мүмкін болатын мәндері зоналарға топталады. Атомдар жақындаған сайын күшейе түсетін өзара әсер пайда болады. Барлық атом үшін бірдей болатын бір деңгейдің орнына өте жақын орналасқан, бірақ бір-біріне дәл келмейтін бірнеше деңгей пайда болып, оңашаланған деңгейге ажыратылады да, зона түзеледі. Нашар ажырасқан деңгейлерден пайда болған төменгі зоналар электрондармен толықтырылады, сөйтіп олар кристалда өздерінің атомдарымен берік байланысын сақтайды. Валенттік электрондар энергиясын рұқсат етілген мәндері кристалда аралықтарымен бөлінген валенттік зоналарға бірігеді де, ал осы аралықтарда энергияның рұқсат етілмеген мәндері болады (сурет 1). Бұл аралықтар тыйым салынған немесе рұқсат етілмеген электронсыз зоналар деп аталады. Валенттік зона атомның негізгі күйінде валенттік электрондар болатын деңгейлерден пайда болады. Рұқсат етілген аса жоғары зоналар электрондардан бос болады, яғни бос зона түзеледі. Валенттік зонаны электрондар толық толтырмайды. Электр өрісінің электрондарға әсер етуінен туған қосымша энергия электронды бос жоғары деңгейге көшіруге жеткілікті. Сондықтан электрондар электр өрісінде үдетіліп, өрістің бағытына қарама-қарсы бағытта қосымша жылдамтыққа ие болады да, тоқ пайда болады.