8.Концентрация свободных носителей заряда в примесном полупроводнике. Температурная зависимость концентрации носителей заряда.

Қоспалы жартылайөткізгіштерде еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясы температура мен қоспаның концентрациясына байланысты. Қоспалы жартылайөткізгіштерде еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясы формуламен анықталады.

NД1 – донордың концентрациясы. (1–4аумағында) Жартылайөткізгішті қыздыру кезінде төменгі температурада концентрацияның өсуі донордың ионизация деңгейінің үлкендеуін көрсетеді.

Температура одан әрі көтерілгенде (4 нүкте) барлық электрондар қоспаның деңгейлерінен өткізгіштіктің зонасына өтеді. Бұл ретте шалаөткізгіштің меншікті атомының иондауының мүмкіндігі тағы аз. Сол себептен жеткілікті жоғарғы температуралық диапазонда (4-6 аумақ) зарядтың тасымалдаушының концентрациясы тұрақты болып қалады.

Жартылай өткізгіштерді легірлеу – жартылайөткізгіштерге белгілі мөлшерде қоспа немесе структурасын бұрмалау арқылы электрлік қасиеттерін өзгерту болып табылады.Көп таралған түрі жартылайөткізгіштерді легірлеу болып табылады.Легірленген жартылайөткәзгіштің электрлік қасиеттері енгізіліп жатқан қоспа түріне және концентрациясына тәуелді.Электронды өткізгіштігі бар (n-типті)жартылайөткізгіштерді алу үшін әдетте донорлы қоспаларын қолданады.Олардың кең шектерде өзгеретін өткізгіштік электрондары болады.Донорлы қоспалар тиым салу зонасында немесе өткізгіштік зона түб жағында “майда” энергетикалық деңгейлер түзеді.Ал кемтіктік (р-типті) өткізгіштігі бар жартылайөткізгіштерді алу үші акцепторлі қоспалар қосылады.Олар валентті зонаның жоғарғы жағында энергетикалық деңгей түзеді.Осындай қоспа атомдары бөлме температурасында  (300 К)толықтай иондалған болып табылады.(ионизация энергиясы эВ),сол себепті олардың концентрациясы негізгі заряд тасушылардың концентрациясын құрайды.

9.Компенсированный полупроводник. Орны толтырылған (Компенсированный) шалаөткізгіш-құрамында донорлар да, акцепторлар да бар шалаөткізгіш. Донорлар беретін электрондарды акцепторлардың қарпуы нәтижесінде n қозғалыстағы заряд тасымалдаушылардың концентрациясы азаяды. Орын толтырушы қоспаның аздаған концентрациясының ьолуы негізгі заряд тасымалдаушылардың мөлшері мен температуралық тәуелділігін басқаруға мүмкіндік береді. Акцепторлармен орны толтырылған n типті шалаөткізгіш үшін өткізгіштік зонадағы электрондардың концентрациясы(Nд>Nа Nд-донорлардың концентрациясы, Nа-акцепторлардың концентрациясы) :

n=(

T-абсолют температура

Nc-өткізгіштік зонадағы эффективті күйлердің тығыздығы

I-донордың иондалу энергиясы

–бос және толтырылған донорлық деңгейлердің статикалық салмағы.

Жеткілікті деңгейдегі жоғарғы температурада

Төмен температураларда:

Соңғы формуладан орын басушы акцепторлардың концентрациясы өткізгіш электрондардың концентрациясына әсер ететінін және өзгерте алатынын байқауға болады.Сонымен, сәйкес қоспаларды енгізе отырып, шалаөткізгіштің электрлік және оптикалық қасиеттерін өзгерете аламыз.

10.Вырожденный (азғындалған) жартылайөткізгіш – заряд тасымалдаушылардың энергетикалық таралуы Ферми –Дирак статистикасымен сипатталатын жартылайөткізгіш. Төмен жартылайөткізгіштерде Ферми деңгейі не өткізгіштік зонаның ішінде немесе валенттілік зонада, не осы зоналар айналасында тікелей жақын kT (T – абсолюттік температура) ретті арақашықтықтағы тыйым салынған зонада орналасқан.

Меншікті жартылайөткізгіштер k T  тыйым салынған зонаныңенімен салыстырғанда, жоғары температура кезінде азғындалған жартылайөткізгіш болады. Тар тыйым салынған зоналы (HgSe, HgTe) меншікті жартылайөткізгіштердің бір немесе бірнеше типінің тасымалдаушыларының төмендеуі бөлме температурасында болады. Қоспалы жартылайөткізгіштерде электрон өткішгіштері (кемтіктер) донорлы (акцепторлы) қоспаларында жоғары концентрацияда азғындалған болады. Интенсивті оптикалық қозу кезінде немесе заряд тасымалдаушылардың күшті инжекциясында тасымалдаушылардың әртүрлі азғындалуы болуы мүмкін.

Азғындалудың еркін дәрежесінде жартылайөткізгіштің тепе-теңдік электронды-кемтіктік жүйесінде термодинамика-кинетикалық сипаттамасы Ферми-Дирак интегралы арқылы айтылады:

мұнда ,- химиялық потенциал. Қатты азғындалу (кезінде) мына формулалар қоспалар үшін де айтарлықтай оңайланады. Металдар үшінде төмен жартылайөткізгіштер сол көрініске ие.

Заряд тасымалдаушылардың азғындалуы энергия бойынша тасымалдаушылардың бөлінуі жылулық таралуымен келісімді болған тех-кинетикалық эффекттерінде ерекше байқалады. Мұндай эффекттерге магнитті-резисторлы эффект, электронды-жылуөткікізгішті, Пельтье эффекті, Нернста эффекті, Эттингсхаузена эффектісі және т.б. изотропты энергетикалық спектрлі жартылайөткізгіштер жатады. Толық төмен жартылайөткізгіштерде (T=0K кезінде) Паули принципінің күшінің ауыспалы құбылыстарында мұндай жартылайөткізгіштерде бір энергияға ие болатын және Ферми-бетінде орналасқан заряд тасымалдаушылар ғана қатыса алатын болғандықтан, бұл эффекттер болмайды. T=0K кезінде эффекттердің өз орны болады, бірақ олар аса көп емес – кеңдігі шамамен  немесе болғанда (қарастырып отырған эффектке қатысты) төмен емес жартылайөткізгіштерге қарағанда аз болады.

11.Подвижность носителей заряда. Полевая зависимость подвижности.

Қозғалғыштық деп заряд тасымалдаушыларының кернеулігі 1 В/м электр өрісіндегі орташа жылдамдығын айтады:

,

мұндағы Е-электр өрісінің кернеулігі. Қозғалғыштықтың өлшем бірлігі м²/(В∙с).

Заряд тасымалдаушыларының орташа дрейфтік жылдамдығы:

, бойынша анықталатыны белгілі. Мұндағы τ – екі бірізді шашырау актісі арасындағы уақыттың орташа интервалы және оны еркін жүріс жолының орташа үақыты деп атайды. Оның шамасы заряд тасымалдаушыларының энаргиясына байланысты.

Алдыңғы екі формулалардан:

. (3)

Осыдан, тасымалдаушының қозғалғыштығы жартылай өткізгіште тасымалдаушылардың шашырау процестерімен сипатталатын еркін жүріс жолының орташа уақыты мен эффективті массасы шамаларымен анықталатынын көрүге болады. Заряд тасымалдаушаларының қозғалғыштығы олардың эффективті массасына кері пропорционал болғандықтан, негізгі жартылай өткізгішті материалдарда электрондардың қозғалғыштығы кемтіктердің қозғалғыштығынан артық болады.

Осылайша, бір заттағы электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштықтары әртүрлі болады, ал анизотропты кристалдарда айырмашылықтары түсірілген өріс бағытынада тәүелді өзгереді. Кристалдағы заряд тасымалдаушылар кристалдық тордың жылулық тербелістерінде (фонондарда), кристалдық тордың нейтралды немесе зарядталған ақауларында және т.б. еркін заряд тасымалдаушыларында шашырайды. Заряд тасымалдаушылардың кристалдық тордың жылулық тербелісінде шашырауын (тордағы шашырау) оптикалық және акустикалық фонондарда шашырау деп екіге бөледі. Акустикалық фонондарда шашырау кезінде:

,

ал зарядталған қоспаларда шашыраған кезде:

,

мұндағы: А және В- температураға тәүелсіз коөффициенттер, N- қоспаның концентрациясы, z-қоспа ионының заряды.жәнетемпературалық тәүелділіктері әр-түрлі екендігін көрүге болады:температура бойынша ~өзгереді, ал- ~. Сонымен қатар, қоспаларда шашырау кезінде заряд тасымалдаушылар қозғалғыштығы қоспаның N концентрациясына кері пропорционал.

Жоғары температураларда кристалдық тордың жылулық тербелісінде шашырау басым болатыны анық. Сонымен бірге тесператураның өсуіне байланысты заряд тасымалдаушыларының қозғалғыштығы Т^-3/2 заңдылығы бойынша өзгереді. Температура төмендеген кезде тордың жылулық тербелісінде заряд тасымалдаушыларының шашырау ықтималдылығы кемиді және қоспа иондарында шашырау басымырақ болып келеді. Қозғалғыштық температураның өсуіне байланысты артады. Бұл жағдайда электр өрісінде электрондар мен кемтіктердің дрейфтік жылдамдығын шектеуші процестер олардың зарядталған қоспа атомдарының электростатикалық өрісімен ауытқуы болып табылады. Жартылай өткізгіште қоспа концентрациясы артқанда заряд тасымалдаушыларының қозғалғыштығы төмендеүінің себебі шашыратушы центрлер санының көбейю мен байланысты.Осылайша шашыраудың қай механизмінің басымырақ болуы және заряд тасымалдағыштардың қозғалғыштығының шамасы жартылай өткізгіштікте қоспаның концентрациясы мен температурасына байланысты. 1. Қозғалғыштық - электр өрісінде заряд тасымалдаушыларының орташа жылдамдығының осы өрістің кернеулігі шамасының қатынасына тең.

2. Омдық қозғалғыштық – өткізгіштікті өлшеу арқылы алынған қозғалғыштық, яғни оны формуласы бойынша белгілі заряд тасымалдаушылар концентрациясын қойғанда есептелінүі.

3. Дрейфтік қозғалғыштық – үлгіде белгілі үдетуші өрісте инжекцияланған тепе-теңсіз заряд тасымалдаушылар пакетінің уақыт бойынша орын ауыстыруына байланысты анықталынатын қозғалғыштық:

,

мұндағы х- тасымалдаушылардың өткен жолы, t- инжекцияланған заряд тасымалдаушылардың ұшып өту уақыты. Ұшып өту уақыты – бұл заряд тасымалдаушыға бүкіл үлгіні өту үшін қажетті уақыты. Ол уақыт үлгі бойымен қозғалудағы заряд тасымалдаушының еркін күйіндегі және жабысу центрлерінде орналасуындағы уақыт аралықтарының қосындысына тең толық уақыт. 4. Холлдық қозғалғыштық Холл эффектісін өлшегенде анықталынады, ол R Холл коэффициентінің жартылай өткізгіштіктің σ өткізгіштігіне көбейтіндісі арқылы табылады. Қоспалы өткізгіштік облысында өлшенген холлдық қозғалғыштық - негізгі заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы:

. Холлдық қозғалғыштық дрейфтік қозғалғыштыққа пропорционал, бірақ оған тең емес. 5. Эффективті қозғалғыштық . Ол аралас өткізгіштік облысында Холл эффектісін өлшегенде анықталынады.

6. Микроскопиялық қозғалғыштық . Микроскопиялық қозғалғыштық деп қармап алмайтын бөлшектің қозғалғыштығын ұғамыз. 7. Диффузияық қозғалғыштық –D диффузия коэффициенті белгілі болған кездіндегі Эйнштейн қатынасынан есептелінетін қозғалғыштық:

Заряд тасымалдаушылардың дрейфті қозғалгыштығының сызықтық байланысы (Полевая зависимость подвижности).

μ ∼ E n, E – сыртқы электр өрісінің кернеулігі.