Жартылай өткізгішті электрониканың физикалық негіздері

басқа да электрлік тізбек элементтерінен құралған интегралды микросұлбалар 
саналды. Олардың пайда болуы барысында (АҚШ, 1959 ж.) интегралды 
микросұлбалар үнемі жаңашаланып, күрделене түсті. Заманауи алпауытты 
интегралды сұлбаларда ондаған және жүздеген милионды транзисторлар мен 
басқа да элементтер қолданыла бастады.
Қазіргі кезде көптеген мәселелерді шешуде (энергия түрін түрлендіру, 
сигналдарды күшейту, қуатты сәулеленуді өндіру, электрқозғалтқыштарды 
басқару, сандық ақпаратты өңдеу және оны бейнелу және т.б.) электронды 
аспаптардың барлық түрлері қолданылады, алайда жартылай өткізгіш 
аспаптар мен микросұлбалардың үлесі азаяр емес.
Барлық заттар оң зарядталған ядролар мен олардың айналасындағы 
қозғалмалы теріс зарядталған электрондардан тұратын атомдардан құралған. 
Ядро электрлік нейтралды бөлшектерден тұрады – нейтрондар және оң 
зарядталған протондар. Протондардың саны ядро зарядын анықтайды. Теріс 
электрон заряды шамасы бойынша протонның оң зарядына тең болады. 
Қалыпты жағдайда атомның электронды қабатын түзетін электрондар саны 
ядродағы протондар санына тең болады. Электрондар қабаттармен топталған 
орбита бойынша ядро айналасымен айналады. Әр қабатына белгілі бір 
электрон энергиясы W (рұқсат етілген энергетикалық деңгей) сәйкес келеді. 
Ядродан электрон орбитасы алыс орналасқан сайын соғұрлым энергиясы көп 
болады. Жылу энергиясы, жарық, радиация немесе басқа да сыртқы 
факторлардың әсерінен электрон валентті аумақтан ядроның орбитадан алыс 
орналасқан жаңа аумағына алыстауы мүмкін. Бұндай электрон іске қсоылған 
деп аталады, ал энергияның одан әрі үлкеюі кезінде электрон заттың сыртқы 
қабатынан алыстай береді.
Кристалда атом электронына көпші атом ядролары әсер ететін көрші 
атомдар арасында өзара байланыс орын алады. Нәтижесінде электрондардың 
рұқсат етілген энергетикалық деңгейлері орын ауыстырып, критсалл тордағы 
көрші атомдар санына байланысты бірнеше бөлікке бөлінеді. Бұл деңгейлер 
энергетикалық аумақ тудырады. Электрондардың сыртқы қабатына сәйкес 
келетін энергетикалық деңгейлер жиынтығы валентті аумақ тудырады. Бос 
емес болып қалатын рұқсат етілген энергия деңгейлері өткізу аумағын 
тудырады, оның бос орындары заттардың электрөткізгіштігін қамтамасыз 
ететін электрондармен толықтырылуы мүмкін. Валентті аумақ пен өткізу 
аумағының арасында тыйым салушы аумақ орналасуы мүмкін.
Аумақтық құрылымы заттарды өткізгіштерге, жартылай өткізгіштерге 
және диэлектриктерге бөлу негізінде жатыр.
1.1 суретте аталған заттар топтарына арналған энергетикалық 
аумақтардың орналасуы көрсетілген. Өткізгіштерде (металдарда) валентті 
аумақ 1 пен өткізгіш аумақ 2 бір-бірін жабады (1.1, а сурет) және валентті 
электрондар өткізгіш аумағына жеңіл ауысады. Диэлектриктерде (1.1, б сурет) 
тыйым салушы аумақ ені үлкен болады (6эВ көп (электрон-вольт)) және 
валентті электрондарының өткізгіш аумағына өтуі үшін біршама энергияны 
хабарлау керек (аталған үрдіс оқшаулау бұзылуы кезінде орын алады). 

Жартылайөткізгіштерде (1.1, в сурет) тыйым салушы аумақ аз көлемді және 
0,1-ден 3,0 эВ дейінгі аралықта өзгереді. 
1.1
Сурет 1.1 – Өткізгіштің (а), диэлектриктің (б) және 
жартылайөткізгіштің (в) энергетикалық аумақтары: 1 – валентті аумақ; 2 – 
өткізгіш аумақы; 3 – тыйым салушы аумақ 
Төртвалентті жартылайөткізгіштің кристалл торында (мысалы, 
кремнийдің) әрбір атом көрші төрт атоммен әрқайсысы жеке атомнан тұратын 
екі валентті электрондардың көмегімен байланысқан. Бұндай байланыс 
ковалентті деп аталады.
Оның туындауы барысында электрон бір емес екі өзара байланысқан 
атомға тиесілі болады. Нәтижесінде әрбір ядроның айналасында сыртқы 
әсерге берік бола алатын сегізэлектронды қабат пайда болады.
Барлық валентті электрондар өзара берік байланысқандықтан, 
электрөткізгіштікті қамтамасыз ететін бос электрондары болмайды. Бұндай 
құрылымға 
абсолютті 
нөл 
температурасындағы 
химиялық 
таза 
жартылайөткізгіштер ие (1.2, а сурет). 
Сурет 1.2 – Таза жартылайөткізгіштің (а), донорлы (б) және акцепторлы 
қоспалы жартылайөткізгіштің (в) кристалды құрылымы
Сыртқы факторлардың әсерінен (мысалы, температураның жоғарылауы 
барысында) кристал торы атомдарының жеке электрондары ковалентті 
байланыстан босауы үшін жеткілікті болатын энергияға ие болады.

Электронды ковалентті байланыстан босату барысында кристал 
торында оң зарядқа ие бос орын пайда болады. Бұндай орын тесік, ал жұпты 
тудыру үрдісі «бос электрон – тесік» деп аталады. Нәтижесінде бір атомдағы 
ковалентті байланыс қайта қалпына келеді, ал көрші атомда бұзылады. 
Тесіктің бұндай орын ауысуы оң зарядының ауысуымен тең.
Сыртқы электрлік өріс болмаған жағдайда тесіктер бейберекет ауысады. 
Егер кристалға әртүрлі потенциалдар орналастырса, онда пайда болған 
электрлік өріс әсерінен тесіктер мен электрондар қозғалысы реттелген 
тәртіпке келеді және кристалда электр тоғы туындайды. Осылайша, 
жартылайөткізгіштің өткізгіштігі теріс және оң зарядталған электрондардың 
ауысуымен тең. Сәйкесінше екі типті өткізгішті қарастыруға болады – 
электронды немесе п-типті өткізгіш және теісктік немесе р-типті өткізгіш.
Жартылайөткізгіш 
элементтерді 
дайындау 
үшін 
қоспалы 
жартылайөткізгіштер кеңінен қолданылады. Төртвалентті германий мен 
кремний арқылы бесвалентті (мышьяк, сурьма, фосфор) және төртвалентті 
қоспа (бор, алюминий, индий, галлий) қолданылады.
Бесвалентті қоспа кезінде (1.2, б сурет) төртвалентті электронды көрші 
атомды төрт электронмен бірге ковалентті байланыс түзеді, ал бесінші 
валентті электрон артық болып қалады. Нәтижесінде тіпті бөлме 
температурасындағы электрондар өткізгіш аумағына өте отырып, өздерінің 
атомдарынан жеңіл ажырай алады. Бұндай жартылайөткізгіштердегі 
электрөткізгіштік артық бос электрондарымен қамтамасыз етіледі. Оларды п-
типті жартылайөткізгіштер, ал қоспалар донорлы деп аталады.
Жылу энергиясының әсерінен п-типті жартылайөткізгіште «бос 
электрон – тесік» жұбын өндіру барысында жеке тесіктер пайда болуы мүмкін. 
Сондықтан п-типті жартылайөткізгіштегі электрондарды негізгі, ал теісктерді 
негізгі емес заряд тасушылар деп атайды. 
Үшвалентті қоспаны енгізу барысында (1.2, в сурет) қоспалы атом мен 
негізгі 
жартылайөткізгішті 
атом 
ковалентті 
байланыстырының 
біріндеэлектрон болмайды, яғни тесік пайда болады. Қоспалы валентті аумақ 
пен негізгі жартылайөткізгіштің рұқсат етілген энергетикалық деңгейлері 
жақын орналасады. Негізгі жартылайөткізгіштің атом валентті аумағының 
электроны қоспаның үшвалентті атомымен алынады, нәтижесінде тесік негізгі 
жартылайөткізгіш атомында пайда болады және осылайша кристал торында 
орын ауысады. Бұндай жартылайөткізгіштердегі тесіктер оң зарядтарды тасу 
арқылы негізгі заряд тасушылар болып саналады. Үшвалентті қоспалар 
акцепторлы, ал жартылайөткізгіштер з-типті жартылайөткізгіштер деп 
аталады. Негізгі емес зарядар бұндай жағдайда бос электрондардың аздаған 
санынан асады.
Екі аумақ арасындағы жартылайөткізгіштің жұқа қабатының бірі р-
типті, екіншісі п-типті арасы р-п-ауысу деп аталад. р және п аумаұтарындағы 
заряд тасушы қоспалары бірдей немесе айырмашылықтары болуы мүмкін. 
Бірінші жағдайда р-п ауысудыисмметриялы, екінші жағдайда симметриялы 
емес деп атайды. Көп жағдайда симметриялы емес ауысу қолданылады.

Акцепторлы қоспалы р-аумақты қоспасы п-аумақты донорлы 
қоспасынан көп болады (1.3, а сурет). Сәйкесінше, р-аумағындағы тесіктер 
қоспасы п-аумақтағы электрондар қоспасынан көп болады.
Сурет 1.3 – р-n-құрлымы: а – тең жағдайда; б – тура сыртқы кернеулі; в – кері 
сыртқы кернеулі; l – р-n-ауысуының ені 
Диффузия әсерінен р-аумағының тесіктері мен п-аумағының 
электрондары барлық көлемі бойынша тең тарауға тырысады. Егер 
электрондар мен тесіктер тең болатын болса, онда диффузия кристалдың 
барлық көлемі бойымен қоспаларын толық түзетуге әкелетін еді. р-аумағынан 
п-аумағына тесіктер ауыса отырып, донорлы қоспалы атомдарға тиесілі 
электрондар бөлігімен қайта бірігеді. Нәтижесінде электрондарсыз қалған 
қонорлы қоспалы оң зарядты иондар оң зарядты қабат түзеді. Аталған 
тесіктердің р-аумағынан алыстауы көрші электрондарға ие болатын 
акцепторлы қоспалы атомдар иондардың кері зарядын туғызады. Сәйкесінше 
электрондардың п-аумағынан р-аумағына диффузиялық ауысуы орын алады.
Потенциалдардың әртүрлілігі потенциалдардың контактілі әртүрлілігі 
U
к 
немесе потенциалды кедергі деп аталады. р-аумағынан келген тесіктер оң 
зарядпен кері тартылады, ал п-аумағынан шығатын электрондар теріс 
зарядпен кері тартылады. Осылайша, жоғарғы электрлік кедергіге ие төменгі 
құрылымды тасымалдаушы жартылайөткізгіш қабаты болып саналатын р-п-
ауысуы туындайды. р-n-ауысуына сыртқы кернеуді қосса құрылымы өзгереді. 
Егер сыртқы кернеу контактілі потенциалдар әртүрлілігі белгісіне қарама-

қарсы болса (1.3, б сурет), онда р-аумағының тесіктері аумақтар арасындағы 
шекараға жақындайды, кері иондар бөлігінің зарядын толықтырады және п-
аумағы тарапынан р-п-ауысуының жолағын қысқартады. Потенциалды 
кедергі қысқарады, ол арқылы р-аумағынан тесіктер өте бастайды және р-п-
ауысуы арқылы тоқ өте бастайды.
Сыртқы кернеудің өсуіне қарай тоқ шексіз өседі, себебі негізгі тасушы 
қоспасы сыртқы кернеу көзімен толықтырыалды.
Потенциалды кедергінің төмендеуіне әкелетін сыртқы кернеу 
полярлығы тура және ашушы болып саналады, ал оның тудырушы тоғы тура 
деп аталады. Бұндай кернеудітарату барысында р-п-ауысу ашық болады.
Егер р-п-ауысуына кері полярлықтағы кернеуді қосатын болса (1.3, в 
сурет), онда әсері қарама-қарсы болады. Электрлік өріс әсерінен р-аумағының 
тесіктері сыртқы кернеудің теріс потенциалына, ал п-аумағының 
электрондары оң потенциалға ауысады. Осылайша, негізгі заряд тасушылары 
шекарадан сыртқы өріс арқылы алшақтайды. Бұл кеде р-п-ауысуының 
электрлік кедергісі өседі. Бсыртқы кернеудің бұндай полярлығы кері, жабушы 
деп аталады. Бұндай кернеуді тарату барысында р-п-ауысу жабық болады.
Дегенмен кері кернеу кезінде аздаған тоқтың І
обр 
өтуі байқалады. Бұл 
тоқтың тура тоқтан айырмашылығы қоспалы тасушылармен емес, өзіндік 
өткізгіштігімен анықталады. Кері тоқ шамасы сыртқы кернеуден тәуелді емес. 
Ол өзгеріссіз температурада тұрақты болып қалады.
Кері кернеуді тарату барысында р-п-ауысу диэлектрикпен бөлінген 
пластиналары р және п ауысулары болып саналатын конденсаторға ұқсас 
болып келеді. Диэлектриктің қызметін заряд тасушысынан бос шектеуші 
аумағы орындайды. р-п-ауысудың бұл сыйымдылығы кедергілі деп аталады. 
Ол көп болған сайын р-п- ауысуының ені аз болады. 
Балқыту әдісі. Аталған технологиялық үрдіс бір типті жартылайөткізгіш 
пластинкасына өткізгіштің басқа типті жартылайөткізгішін тудыруға қажетті 
қоспаны балқытады. Мысалы, п-типті германий пластинкасына индий 
таблеткасын салып, оны балқыту температурасына дейін қыздырады. Бұл 
кездегі қоспа балқып, оның құрамындағы жартылайөткізгіш материалы 
біртіндеп ери бастайды. Балқыған р-п-ауысулар жоғарғы сенімділікке ие, 
үлкен кедергі шамасында жұмысқа қабілетті және өзіндік кедергі шамасы аз 
болады.
Диффузия әдісі. Бұл технологиялық үрдісте р және п аумақтары 
жартылайөткізгіште 
жоғарғы 
температураға 
дейін 
қыздырылған 
жартылайөткізгіш пластинкасы салынатын акцепторлы немесе донорлы 
қоспаларды қосу арқылы алынады. Қоспа атомдары пластина ішіне 
енетіндіктен, қоспаның үлкен концентрациясы аумақ қабатында байқалады 
және жартылайөткізгіш түбіне үлкеюіне байланысты азаяды.
Эпитаксиалды өсіру әдісі. Бір заттың екінші заттағы кристалдау үрдісі 
эпитаксиалды өсіру деп аталады. Бұл кезде кристал торы қабаты 
кристалданатын 
тор 
құрылымын 
анықтайды. 
Жартылайөткізгішті 
эпитакисалды қабаттар (пленкалар) әртүрлі әдістермен алынуы мүмкін: 
вакуумда герметикалық булану; бу тәрізді үлгіден алынуы; қоспасы бар 

балқытылған затта кристалдау. Қоспа типі мен өсіру шарттарын өзгерте 
отырып, кең жолақтарда эпитаксиалды пленканың электрлік қаисеттерін 
өзгертуге болады.
Ионды легірлеу. Үрдіс вакуумде орналасқан қызған жартылайөткізгіш 
пластина қоспасының иондарымен қоршауды орындайды. Иондар алдын-ала 
белгілі жылдамдыққа дейін таратылады және жартылайөткізгіш пластинасына 
ене отыра донорлы немесе акцепторлы қоспалар қызметтерін атқарады.
Оксидті масикровкалау. Аталған үрдіс қоспаның белгілі бір пластина 
аумағына енуіне қамтамасыз етуі үшін қолданылады. Жартылайөткізгішті 
құрылымдарда кремний негізінде маска ретінде жақсы оқшаулаушы болып 
саналатын және таза кремнийге қарағанда төменгі диффузия жылдамдығына 
ие SiO
2 
кремний диоксиді қолданылады. Оксид пленкасын алу үшін кремний 
пластинасын 900-1200 С оттекті атмосферада қыздырады.
Фотолитография. Оксид пленкасын фоторезистормен (түске әсер етуші 
қабатпен) жабады және маска арқылы ультракүлгін сәулелерімен 
жарықтандырады.

жүктеу/скачать 338,26 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: