Пікір жазғандар

жүктеу/скачать 3,31 Mb.

бет	99/109
Дата	29.12.2023
өлшемі	3,31 Mb.
	#145008

1 ... 95 96 97 98 99 100 101 102 ... 109

Байланысты:
Аскын кітап

E  E_F
деңгейіне секірулер энергия шығынын талап етеді.

Сонымен, бекітілген күйлер орналасқан энергия аумағында ⁽E_ E  E_C^{) Т = ОК кезінде электр өткізгіштік те нөлге тең.}

^{13.7-сурет.}^{Өткізгіштіктің}^{секірмелі механизмі.}T  0K ^{кезінде}E_F
күйінен

төменгі жағы электрондармен толыққан, жоғарғы жағы бос. Бағытталған сызықпен соңғы үш секіру көрсетілген

Секірмелі өткізгіштікте энергиялары шамамен
k_BT
интер-

валындағы Ферми деңгейі маңында орналасқан электрондардың ғана қатыса алатыны анық. Осындай электрондар саны:
n  NE_Fk_BT ,
^{мұндағы}N E_F ^–^Ферми^{деңгейіне}^жақын^күй^{тығыздығы.}
Электронның бір бекітілген күйден басқа үлкен энергиялы күйге секіру ықтималдылығы Больцман факторына пропорцио-

нал
^^^E^, мұндағы E
екі күйдегі энергия айырмасы

exp^
_k

B^T

және ол толқындық функцияның жапсарласуына тәуелді. Осы- ны ескеріп, Моттың алғаны, Ферми деңгейіне жақын бекітілген күйлердегі секірмелі өткізгіштік былай анықталды:

F
  e² pR² NE ^,^(13.5)мұндағы секіру ықтималдылығы:

p 
exp ^ 2R  ^^E^^.^(13.6)


_Ф  _k

B^T

282

R – секіру жасалатын арақашықтық,  – кейбір коэффи- циент, толқындық функцияның жапсарласу дәрежесіне тәуелді (көп шамада жапсарлау болса, жапсарласуға тәуелді (13.6)-дағы

көбейткіш нөлге тең);  _Ô

көбейткіш, фонон спектріне тәуелді.

 _Ôмәні үлкен интервалда өзгеруі мүмкін. Көптеген аморфты
^{жартылай}^{өткізгіштер}^үшін_Ф  10 10 с ^деп^{қабылдауға}
12 13 1

болады.
Күй тығыздығы жоғары болған сайын секірудің орташа бел-

сенділік энергиясы E
төмен болады. Күшті бекітілген кезде

электрон тек қана жақын орналасқан бекітілген күйге секіріп өтеді. Сонымен байланысты:

E 
1

F
R³ N E
_. (13.7)

Төменгі температура аумағында E
тұрақты емес екен.

Мұнда электрондар үлкен ықтималдылықпен өте алыс орналас- қан күйге секіруі мүмкін, олардың энергиясы арасындағы айыр- машылық жақын күйге қарағанда аз болуы мүмкін. Осы кездегі секірмелі өткізгіштігі мына теңдеумен анықталады:

 ¹ 

  

_exp^^_^T⁰^2 ^. (13.8)




₂  
 ^T
 
Бұл Мотт заңы деген атақ алды.

 ₂және T₀
параметрлері E_F
күй тығыздығына және тол-

қындық функцияның бекітілу радиусына тәуелді.

Координаттарда өткізгіштіктің
Ln -ның T ^¹ тәуелділігінің

жалпы түрі жоғарыда келтірілген ауысу механизмдері 13.8-су- ретте көрсетілген.
1-аумақ бекітілмеген күйлер арқылы ауысуға сәйкес келеді, 2-аумақ «құйрық» аумағындағы күй арқылы ауысуға сәйкес,
3 және 3´ Ферми деңгейіне жақын бекітілген күй арқылы ауысуға сәйкес.

283

Сонымен қатар 3´аумағында Мотт заңы орындалады. Егер ақауға байланысты күйдің тығыздығы үлкен болса, 2 процесте басым температура интервалы болмайды. Бұл жағдайда 3 аумақ- тан 1 аумаққа өтеді.

Көптеген тәжірибелік зерттеулер жоғарыда келтіріліп түсін- дірілген. Мысалы, көптеген халькогенидті шынының электр өт- кізгіштігі тұрақты токта температурасы бөлме температурасына жақын кезде жақсы анықталады:

^E ^_.
  c exp^ ^
k T
 B 
13.9-суретте халькогенидті шынылар үшін Е энергиясы 0,3-

тен 1 эв аралығында өзгеретін, кейбір әдеттегі тәуелділігі көрсетілген.
ln  -ның T ^¹ -ге

13.8-сурет. Аморфты жартылай өткізгіштіктің 13.6-суретте көрсетілген күй тығыздығындағы өткізгіштігінің температураға тәуелділігі

Жоғарыда келтірілген ауысудың барлық механизмдері құ- рамында сутегі бар аморфты кремнийде айқын көрінеді. Бұл ма- териалда сутегі үзілген байланысты қанықтырады және сол себепті бекітілген ақаулық күйдің тығыздығын төмендетеді.

^ӘдеттеN E_F^,^{мұндағы}¹⁰^¹⁰^эВ^см^жоғары^{болмайды.}
16 17 1 3
Температурасы 130-140 К төмен аумағында жартылай өткізгіш-

тікте өткізгіштік E_F
маңында күйі бойынша бақыланады.

130  T  250K ^{интервалында}^{«құйрық»}^{аумағындағы}^күй^бойын-

284

ша, ал ланады.
T  250K
кезінде бекітілмеген күйлер бойынша бақы-

13.9-сурет. Кейбір халькогенидті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің температураға тәуелділігі

Егер аморфты кремнийде ақаулық күйдің тығыздығы жо- ^ғары^болса~ 10¹⁹ 10²⁰ эВ^¹см^³ ^,^онда^ең^{төменгі}^{температура-}

дан бөлме температурасына дейін өткізгіштіктің тәуелділігі Мотт заңына бағынады, яғни күй бойынша секірмелі ауысу Ферми деңгейінің маңында басым болады.
Қозғалғыштық. Дәл кристалдар сияқты аморфты жарты- лай өткізгіштер үшін бекітілмеген күй аумағында қозғалғыштық туралы ұғым енгізуге болады:
  ^e^^,^(13.9)
m
 – мұнда релаксация (іске асу) уақыты. Еркін жүру жолының ұзындығын пайдалана отырып жазуға болады:

__el m_ор

, (13.10)

мұндағы l – еркін жүру жолының орташа ұзындығы, _ор_. – элек-

трон қозғалысының орташа жылдамдығы.
E  E_C
кезінде тасы-

285

малдау қозғалысы таза аумақтық сипаттамада болады және Больцман теңдеуімен жазылады. Мұнда кристалдық жартылай ^{өткізгіш}^{жағдайындағы сияқты}l   ^{, (} ^{– электронның толқын}ұзындығы).

Егер қозғалыс саңлауының шекарасына жақын күй тығыз-

дығы белгілі болса, онда энергиясы шамасымен E_C
электрондардың саны былайша анықталады:
маңындағы

n  N E k T exp ^ ^E^C^^E^F^^.^(13.11)

C B
Өткізгіштік осы кезде
 
 ^kB^T

  

_exp^_E_C E_F^

(13.12)



B


₀  _k_T

және одан басқа
  en ^,E_C

жақын маңдағы қозғалғыштық

үшін алатынымыз:

_C

 ₀
eN E_C

k_BT

. (13.13)

0
^Мұнда^{алдыңғыдай}  350Ом^¹  см^¹ ^.^Моттың^{бағалауын-}

ша бөлме температурасында
  12см²  В^¹  с^¹
тең. Осыған

С
ұқсас мәндерді валенттілік өңірдегі кемтік үшін де алуға бо- лады.

Ауысу секірумен анықталатын
E  E_C
аумағында қозғал-

ғыштықты формальды түрде енгізуге болады. Егер өткізгіштік (13.5) түрінде сипатталатын болса,

  ¹
eR²
^ ^^E^^,^(13.14)

секіру
_ор exp ^^
6 k T k T

B  B 

мұндағы біз

_e2R

көбейткішті ескермейміз, оны жоғары дәре-

ор

С
^желі^{бекітілу}^{кезінде}^{жасауға}^{болады.}^Әдетте  10¹²с^¹ ^.^E

286

маңында
E  k_BT
деп қабылдауға болады. Сонымен, энергия

E  E_C
мәнінен өткенде (немесе E_
валенттілік өңірде), онда

^{қозғалғыштық}^{шамамен}10³ ^{есе кемиді. Бұл}^{қозғалғыштықтың}секірісі болып табылады.
Аморфты жартылай өткізгіштің электрлік қасиеттеріне қоспаның әсері. Ұзақ уақыт бойы аморфты жартылай өткізгіш- тер, кристалдарға қарағанда қоспаның ендірілуіне сезімтал емес деп есептелді. Оларды атомдармен легірлеу, кристалдық жарты- лай өткізгіште донор немесе акцептор болып табылатын әрекет- тері табыс әкелмеді. Мұндай жағдайдың бір түсінігін Губанов берді, біраз кейінірек Мотт жасады. Аморфты заттарда сондай байланыс құрылымдарының өзгерісі болады, барлық қоспа ато- мының валенттік электрондары байланысқа қатысады. Мысалы, кристалдық кремнийде фосфор атомы төрт коваленттік байла- ныс құрайды. Қоспа атомының бесінші валенттік электроны байланысқа қатыспайды. Аморфты кремнийде (немесе герма- нийде) фосфор атомы бес кремний атомымен қоршалған (13.10- сурет). Егер ол солай болса, аморфты жартылай өткізгіште қос- палы деңгей құралмау керек.

13.10-сурет. Кристалдық және аморфты кремнийдегі фосфор атомының шамамен орналасу жағдайы

Б.Т. Коломиец әріптестерімен бірге басқаша көзқарас айтты. Қоспалы өткізгіштің болмауын бекітілген күйлердің қоспаларды компенсациялауымен байланыстырды, бекітілген күйлер қозғал- ғыштық саңлауында орналасқан. Аморфты жартылай өткізгіште атом қоспасы (мысалы, аморфты кремнийдегі фосфор) кристал- дағыдай қоршалған болсын және осы кезде тыйым салынған

287

өңірде донорлық деңгей қалыптастырады деп болжайық. Мот- тың айтқанындай, аумақтағы бекітілген күйлердің таралуы түрге ие болсын. Өткізгіштің құрылымы аморфты болғандықтан, қос- палы деңгейлердің жағдайы әр түрлі атомдық қоспаға жататын- дықтан, бір-бірінен біршама ерекшеленеді. Сонымен, қоспаның жеткілікті жоғары концентрациясында қоспалық өңір қалып- тасады (13.11-сурет).

13.11-сурет. Аморфты жартылай өткізгіштегі донорлық деңгейлердің компенсациялану механизмі

Кристалдық жартылай өткізгіштен өзгеше бөлме температу- расында ұсақ деңгейдегі донорлық электрондар өткізгіштік өңір- ге өтеді, негізінен, олар Ферми деңгейінің маңайындағы бекітіл- ген күйлерге өтеді. Жоғары күй тығыздығы кезінде бұл Ферми

деңгейін аз ғана
^Eорнынан

F
1
^Eорнына ығысуына алып келе-

F
2

ді және жартылай өткізгіштің электрлік қасиеттері өзгермейді. Ферми деңгейінің жаңа орны мына шарттан анықталуы мүмкін:

d
n  N _
 ^N^^E^dE  nE

E  E



C
F F
_, (13.15)

2 1
1 e ^k^B^T
мұндағы n – электрондардың толық концентрациясы; nE_C – электрондардың өткізгіштік өңірдегі концентрациясы. 13.11-су- рет және 13.15-теңдеуден шығатыны тыйым салынған өңірдің күй тығыздығын қандай да бір тәсілмен төмендеткенде қос-

288

палы өткізгіштікті алуға болады. Екінші жолы ақаулы күйлерді компенсациялайтындай жартылай өткізгішке үлкен мөлшерде қоспалы атомдарды енгізу керек. Осының барлығы тыйым салын- ған өңірде қоспалық атомдар донорлық (немесе акцепторлық) дең- гейді қалыптастыра алатын шарт кезінде мүмкін болады.

^{1975 жылы У.}^Спир^және^{П.Ле Комбэ силанды (SiH}4^{) жіктеу}арқылы орналастыру процесінде n және p типті аморфты крем- ^нийді^алды.ⁿ^типті^{қабықшаны}^алу^үшін^{силанға}^фосфинPH ₃^,
ал p типті қабықшаны алу үшін силанға диборан __B₂_H₆_қосыл- ды. Осылайша, алынған аморфты кремний құрамында 45 атом- дық пайыз сутегі бар, ол жоғарыда айтылғандай, үзілген байла- ныстарды қанықтырып және қозғалғыштық саңлауында күй тығыздығын едәуір төмендетеді. У. Спир және П.Ле Комбэ ал- ған фосфин және диборанның силандағы мөлшеріне байла- нысты аморфты кремнийдің электр өткізгіштігі 13.12-суретте көрсетілген.
Бұл берілгендердің көрсетуі бойынша, фосфор мен бор атомдарының белгілі бір бөлігі аморфты кремний қабықшасына еніп, алмастыру орнына орналасады және кристалды кремний- дегі сияқты конфигурациялық байланысты құрайды.
Қазіргі уақытта аморфты кремнийді (германийді) легірлеу үшін фосфор және бордан басқа күшән, сүрме, индий, алюми- нийдің қоспаларын қолданады, т.б. Осы кезде тура әдіспен аморфты кремнийдегі күшән атомының координаттық саны, кристалды кремнийдегі сияқты төртке тең екендігі белгіленді. Сонымен қатар n типті күй тығыздығы төмен аморфты крем- ний қабықшасын алу үшін сілті элементтердің атомдарын ен- діреді, олар түйін арасында орналасып, донорлық қасиеттерін көрсетеді.
Термодинамикалық тепе-теңдік кезінде легірлеу әдісін, мы- салы, диффузияны қолданғанда ендірілетін қоспа концентрация- сы белгілі бір шектен аспайды, ол ерітілумен анықталады. Со- нымен қатар иондық имплантация әдісімен жартылай өткізгішке тәжірибеде қоспалық атомдардың шексіз санын ендіруге бола- ды. Сонымен, екінші жолды іске асыруға мүмкіндік туады, яғни донордың (немесе акцептордың) үлкен концентрациясын ендіру арқылы қоспалы өткізгіштік жасауға болады.

289

Алдын ала бекітілген күйлердің тығыздығын төмендетпей- ақ фосфор, бор, күшән иондарымен соққылау арқылы аморфты кремнийді алуға болады, оның өткізгіштігі қоспа түрі және қоспа концентрациясымен анықталады.

13.13-сурет. Аморфты кремнийдің электр өткізгіштігіне сәулелендіру мөлшерінің әсері. Фосфор және бор иондарымен

Фосфор және күшәнмен соққылаған кезде n типті қабықша- лар алынды, ал бормен сәулелендірілгенде р типті қабықша алынды.

13.13-суретте аморфты кремнийдің электр өткізгіштігінің сәулелендіру мөлшеріне тәуелділігі көрсетілген. Бұл суреттен сәулелендіру мөлшері белгілі бір мәнге жетпейінше электр өт- кізгіштіктің өсуі болмайтынын көруге болады. Онда электрон- дардың барлығы донорлық қоспалы деңгейден бекітілген күйге ^EF ^{маңында өтеді. Осы күйлердің барлығы толтырылғаннан}кейін қоспалы өткізгіштіктің ықпалы донорлық өңірден өткіз- гіштік өңірге электрондардың лақтырылуына байланысты күшейе түседі. Осындай ұқсас жағдай аморфты германийда да орын ^алады.
Сонымен, тетраэдрлік байланыстағы аморфты жартылай өт- кізгіштегі қоспалар кристалдық жағдайдағы қасиетке ие болады. Бірақ аморфты жартылай өткізгішті легірлеу эффективтілігі тө- мен болады, өйткені қозғалғыштық саңлауында локальданған күйлердің тығыздығы өте жоғары.
Шынытәріздес халькогенидті жартылай өткізгіштер ендіріл- ген қоспаға сезімтал болмайды. Ол осы материалдың ерекше хи- миялық байланысының болуымен түсіндіріледі. Сонымен қатар

290

соңғы жылдардағы зерттеулердің нәтижесі бойынша осы жарты- лай өткізгішке қоспа атом енгізу арқылы тыйым салынған ау- мақта бекітілген күй спектрін өзгерте аламыз.

жүктеу/скачать 3,31 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 ... 95 96 97 98 99 100 101 102 ... 109