Yarımkeçirici

Yarımkeçiricilər — elektrik keçiriciliyinə görə metal və dielektriklər arasında olan maddələr.Yarımkeçiricilər XIX-cu əsrin ikinci yarısından məlum olmasına baxmayaraq, yarımkeçiricilər fizikası kvant mexanikasının və zona (zolaq) nəzəriyyəsinin yaranmasından sonra sürətlə inkişaf etməyə başladı. Bərk cisimlərin metallara, yarımkeçiricilərə və dielektriklərə ayrılmasının elektron mexanizmi və əsas xassələri (elekrtik, optik və s.) bu nəzəriyyəyə əsaslanır. Bərk cismin bütün xassələri nüvələrin kristal qəfəsində öz tarazlıq vəziyyəti ətrafında istilik rəqsi hərəkəti, elektronların qəfəs daxilində hərəkəti və nüvə-elektron sisteminin qarşılıqlı təsiri ilə təyin olunur. Elektronların hərəkəti kvant mexanikasının qanunlarına tabedir. Kvant mexanikasına görə təklənmiş atomun daxilində elektronun enerjisi diskret qiymətlər alır. Belə atomlardan ibarət kristalda hər bir elektrona öz nüvəsinin elektrostatik sahəsindən əlavə qonşu düyünlərdə yerləşən nüvələrin və qalan elektronların yaratdıqları sahə təsir edir. Fəzada periodik olan sahədə elektronun spektri sonlu eni olan enerji zonalarından və bu zonalar arasında mümkün olmayan enerji oblastlarından qadağan olunmuş zonalardan ibarətdir. Diskret atom səviyyələri 1S 2S 2p 3S və s. kristalda uyğun olaraq 1S 2S 2p 3S və c. enerji zonalarına çevrilir. Enerji zonaları bir – birinə olduqca yaxın yerləşmiş enerji səviyyələrindən ibarətdir. Pauli prisipinə görə hər kvant halında spinləri bir – birinin əksinə yönəlmiş yalnız iki elektron ola bildiyindən hər zonada müəyyən sayda (məs., N atomdan ibarət kristalın hər S – tipli zonasında 2N, P- zonasında 6N) elektron ola bilər. Mütləq sıfır temperaturunda elektronlar ən aşağı enerji zonalarını tutur. Xarici elektrik sahəsi tam dolmuş zonadakı elektronların halını dəyişdirə bilmədiyindən bu elektronlar keçiricilikdə iştirak etmir. Keçiricilikdə yalnız tam dolmamiş zona iştirak edir. Elektrik sahəsinin təsiri ilə dolma sərhədində olan elektronlar asanlıqla yaxın enerji səviyyələrinə keçə bilər. Nəticədə elektronların zonada paylanma simmetriyası pozulur və sonlu cərəyan əmələ gəlir. Elektronların zonaları doldurmasına görə kristallar iki sinfə ayrılır: 1) müəyyən sayda ən aşağı zona tam, bir zona yarımçıq dolmuş, bundan yuxarıdakı zonalar isə boşdur, 2) aşağıdan zonaların bir neçəsi tam dolu, qalan zonalar boşdur, birinci boş zona tam dolu zonadan Eg qədər enə malik qadağan olunmuş zona ilə ayrılır. Mütləq sıfır temperaturunda birincici halda kristallar yaxşı keçirici metal, ikinci halda isə izalyator (dielektrik) olur. Xüsusi halda dielektrikin qadağan olunmuş zonasının eni E_g<2ev olduqda sonlu temperaturlarda (T>0) elektronların bir qismi dolu zonalardan boş zonaya keçir. Həmin elektronlar keçiricilikdə iştirak edir və keçirici elektronlar adlanır. T=0 temperaturunda tamam boş qalan, T>0 -da keçirici elektronları olan zona keçirici zona adlanır. T=0 temperaturunda tam dolu, T>0-da qismən boş olan zonaya valent zonası deyilir (şək.1,c). Valent zonasından keçirici zonaya keçən elektronların yeri boş səviyyə kimi qalır. Bu səviyyələr valent zonasının yuxarı hissəsində yerləşir, buna görə də elektrik sahəsinin təsiri ilə valent zonasındakı elektronlar həmin boş səviyyələrə keçir və keçiricilikdə iştirak edə bilir. Valent zonasını dolduran elektronların yaratdığı keçiricilik, sayı valent zonasındakı boş səviyyələrin sayına bərabər, müsbət yüklü (+e) zərrəciklərin (kvazizərrəciklərin) yaratdığı keçiriciliyə ekvivalentdir. Həmin kvazizərrəciklər deşik adlanır. Beləliklə, Eg kiçik olduqda müəyyən temperaturunda dielektrik keçiriciliyə malik olur. Belə dielektriklərə yarımkeçiricilər deyilir, yəni Yarımkeçirici dielektriklərin xüsusi halıdır (E_g<2ev). Eg –nin göstərilən qiyməti şərtidir. Yarımkeçiricinin tipik nümayəndələri Ge və Si-dur. Ge və Si üçün qadağan olunmuş zonanın eni T=0–da uyğun olaraq, Eg=1,21ev - dur... Temperatur artdıqca Eg cüzi azalır. Ən ağır yarımkeçirici Se və Te- dur. İki və üç qat birləşmələrin də yarımkeçirici xassələrə malik olduğu aşkara çıxarılmışdır. Məs: AIIIBV (JnSb, GaAs, GaSb, GaP). AIIBVI (ZnSe, CdTe, HgTe, HgSe), qurğuşunun xalkogenidləri (PbTe, PbSe, PbS), AIIBIVCV2 (ZnSnAs2, ZnSnPr) və s. Şüşəyəbənzər, amorf və üzvi yarımkeçiricilər də məlumdur. yarımkeçiricilər müasir elektrotexnikada, radiotexnikada, optikada və s. tətbiq olunur. Yarımkeçiricilərdə yükdaşıyıcılar keçirici elektronlar və valent zonasındakı deşiklərdir. Keçirici zonada elektronların kvant halı dalğa vektoru (k ⃗ ) ilə təyin olunur. Elektronun enerjisinin dalğa vektorundan asılılığı mürəkkəb funksiyadır və müxtəlif yarımkeçiricilər üçün müxtəlifdir. Lakin keçirici elektronlar keçirici zonanın ən aşağı hissəsini tutduğundan E(k ⃗ ) funksiyasını keçirici zonanın minumum ətrafında sıraya ayırmaqla sadə şəkildə ifadə etmək olar (fərz olunur ki, K=0 nöqtəsində E(k ⃗ ) minumumdur):

Silisium kristalları mikroelektronikada ən geniş yayılmış yarımkeçiricilərdir.

Eh(k)=E_c+(ℏ^2 k^2)/〖2m〗_n (1)

(burada E_c- keçirici zonanın dibində enerjinin qiyməti, m_n- keçirici elektronun effektiv kütləsidir). Valent zonasının yuxarı hissəsində yerləşən deşiklər üçün dispersiya qanunu

E_p (k)=E_v-(ℏ^2 k^2)/〖2m〗_p (2)

düsturu ilə ifadə edilir (E_v- valent zonasında enerjinin maks. qiyməti, m_p-deşiyin effektiv kütləsidir). Baxılanlar ən sadə (effektiv kütlə skalyar olan) hallardır. Ümumiyyətlə, effektiv kütlə sərbəst tenzordur. Qadağan olunmuş zonanın eni E_g-dən kiçik olan yarımkeçiricidə (məs.JnSb, HgTe) dispersiya qanunu (1) – dən fərqlənir və qeyri – parabolik olur. Yarımkeçiricilərdə əks işarəli yükdaşıyıcılar – keçirici elektronlar və deşiklər elektrik sahəsində əks istiqamətdə hərəkət etdiyindən yarımkeçiricilərin elektrik keçiriciliyi σ=j/E (j- cərəyanın sıxlığı, E - elektrik sahəsinin intensivliyidir) elektrik və deşiklərin hesabına olan keçiriciliklərin cəminə bərabərdir.

σ=σ_n+σ_p=e(nU_n+p〖Up〗_p ) (3)

(burada U_n və〖 U〗_p-elektron və deşiklərin yürüklüyü, n və p uyğun olaraq onların konsentrasiyalarıdır). U_n və〖 U〗_p-nin temperaturdan asılılığı n və p – nin temperaturundan asılılığlndan zəifdir.

Tərkibində heç bir kənar atom-aşqar olmayan yarımkeçiriciyə məxsusi yarımkeçirici deyilir. Məxsusi yarımkeçiricidə keçiricilik eyni sayda keçirici elektron və deşiklərin hərəkəti ilə təyin olunur, yəni n_i=p_i. Statistik fizikaya görə:

n_i=p_i=□(〖(2√(m_n m_p ) k_0 T)〗^(3⁄2)/((4π^3)⁄(2ℏ^3 ))) e^((-E)/(〖2k〗_0 T)) (4)

(h=2πℏ - Plank sabiti, k_0 - Boltsman sabitidir). Otaq temperaturunda Ge üçün (4) ifadəsinə görə n_i=p_i≈3⋅〖10〗^13 〖sm〗^(-3) olur. (4) ifadəsini (3) – də nəzərə aldıqda xüsusi yarımkeçirici üçün

σ(T)=σ_0 (T) e^(〖-E〗_g/(〖2k〗_0 T)) (5)

(burada σ_0 (T) yürüklərin və (4) - dəki eksponensial qarşısında olan zəif temperatur asılılıqları ilə təyin olunan funksiyadır). Ona görə də məxsusi yarımkeçiricidə də σ(T) təqribi eksponensial funksiyadır. (5) düsturuna görə lnσ- nın temperatur asılılığı düz xəttdir. Bu xəttin meylini bilərək E_g-ni təyin etmək olar. Yarımkeçiricinin keçiriciliyini temperaturdan başqa elektromaqnit şüalanması da artırır. Həmin şüalanmanın (foton selinin) təsiri ilə elektronlar valent zonasından keçirici zonaya keçir, nəticədə yükdaşıyıcıların sayı ∆n və ∆p qədər artır. Bu artım əlavə ∆σ=(Un∆n+Up∆p) qədər keçiricilik – fotokeçiricilik yaradır. Fotokeçiriciliyi spektrin görünən və infraqırmızı oblastında müşahidə etmək olar. Yarımkeçiricinin keçiriciliyinin işığa həssas olması, onların bir sıra texniki tətbiqlərinin əsasını təşkil edir. Yarımkeçiricinin fiziki xassələri kənar atomların - aşqarların təbiətindən və konsentrasiyasından kəskin asılıdır (xüsusilə aşağı temperaturlarda). Aşqarlar və digər defektlər real kristallarda həmişə mövcuddur. Tələb olunan xassəli yarımkeçiricilərdə əvvəlcə aşqarlardan təmizlənir, sonra isə kristala müəyyən aşqarlar vurulur- legirlənir. Aşqar atomları qadağan olunmuş zonada diskret enerji səviyyələri yaradır.

Aşqarlar əsasən iki növdür: donorlar və akseptorlar. Keçirici zonanın dibinə yaxın diskret səviyyələr əmələ gətirən aşqarlar donor, valent zonasının yuxarısına yaxın diskret səviyyələr əmələ gətirən aşqarlara isə akseptor deyilir. Ge və Si kristalında Sb, As elementləri donor, Jn, Ga elementləri isə akseptor səviyyələri yaradır. Məs: Ge kristalında hər bir atom dörd yaxın qonşu ilə kovalent rabitə yaradır. Ge atomlarından biri beş valent elektronu olan Sb atomu ilə əvəz olunduqda, rabitədən artıq qalan 5-ci elektron aşqar atomu ilə çox zəif rabitədə olur və istiliyin təsiri ilə sərbəstləşə bilir, yəni keçirici zonaya keçir və keçiricilikdə iştirak edir (elektronun donor aşqar atomu ilə rabitə enerjisi E_g=0,01ev). Akseptor aşqarları isə asanlıqla valent zonasından elektron qəbul edir və deşik yaradır. Donor aşqarı olan yarımkeçiricinin elektrik keçiriciliyi aşağı temperaturlarda (məxsusi keçiricilik başlamamış) yalnız elektronlarla, akseptolu yarımkeçiricilərdə isə deşiklərlə təyin olunur. Odur ki, donorlu yarımkeçiricilər elektron və ya n–tip, akseptorlu yarımkeçiricilər isə deşik və ya p-tip yarımkeçiricilər adlanır. Kristalda yalnız konsentrasiyası N_d olan donorlar varsa 〖(N〗_d=0) T=0 da bu donor atomları neytral halda olur (keçirici elektronları yoxdur n=0). T=0 olduqda elektronlar donor səviyyəsindən keçirici zonaya keçir. Bu keçid nəticəsində T temparaturunda keçirici elektronların konsentrasiyası

n=((N_n N_d )^(1⁄2))/2 e^(〖-E〗_d/(〖2k〗_0 T)) (6)

olur (burada N_n=((〖2m〗_n k_0 T)^(3⁄2))/(〖4π〗^(3⁄2) h^3 ) ). Yəni aşağı temperaturlarda n-in T-dən asılılığı eksponensial qanuna tabedir (şək.4, I oblast). Temperatur artdıqca donor atomlarınin hamısı ionlaşır, məxsusi keçiricilik başlayana qədər keçirici elektronların konsentrasiyası sabit qalır və n=N_d olur. Bu doyma oblastıdır. Daha yüksək temperaturlarda valent zonasından keçirici zonaya keçən elektronların sayı N_d- dən çox olur və məxsusi keçiricilik üstünlük təşkil edir. Bu oblastda n-in T-dən asılılığı (4) qanunu ilə verilir. Baxılan hallarda aşqarların kristal daxilində bircinsli paylandığı fərz edilir. Eyni kristalın bir hissəsini akseptor tipli, digər hissəsini isə donor tipli aşqarla legirlədikdə bu hissələr uyğun olaraq p və n –tip keçiriciliyə malik olur. x=0 müstəvisi keçiriciliyi müxtəlif tipli hissələrin sərhəddidir. Bu sərhəddə p-tip keçiricilik n-tip keçiriciliyə keçir. Həmin keçidə p-n keçidi və ya elektron – deşik keçidi deyilir. p-oblastda əsas yükdaşıyıcıların konsentrasiyası p_p, qeyri - əsaslarınkı n_p, n-oblastda isə uyğun olaraq n_(n )və p_n olur (p_p≫n_pvə n_n≫p_n). p - oblastda deşiklərin konsentrasiyası böyük olduğundan n- oblasta diffuziya edir və bu zaman p- oblastın sərhədində konpensə edilməmiş mənfi akseptor ionları – bağlı həcmi yüklər qalır. Eyni qayda ilə elektronlar n- oblastdan p- oblasta diffuziya edir və n- oblastda müsbət donor ionları qalır. p-n keçidin sərhədində əmələ gəlmiş bu bağlı yüklər təbəqəsi diffuziyanı dayandırmağa çalışır və tarazlıq halında sərbəst yükdaşıyıciların diffuziyası tamam kəsilir. Kristal boyunca Fermi səviyyəsi (E_F) eyni olduqda tarazlıq halı baş verir. p- oblastda E_F akseptor səviyyələri ilə F_v arasında, n-oblastda isə donor səviyyəsi ilə E_c arasında olur. p- oblasta müsbət, n- oblasta mənfi potensial verildikdə, əsas yükdaşıyıcılar- deşiklər p- oblastdan n- oblasta doğru, elektronlar isə n- oblastda asanlıqla hərəkət edib cərəyan əmələ gətirir. p- oblasta mənfi, n- oblasta müsbət potensial tətbiq etdikdə, əsas yükdaşıyıcıların hərəkəti çətinləşir (qeyri - əsas yükdaşıyıcıların hərəkəti isə çox zəif cərəyan yaradır). Odur ki, p-n keçidi düzləndirmə qabiliyyətinə malik olur (şək.6). Bundan texnikada geniş istifadə edilir. p-n tipli keçiddən həmçinin elektromaqnit siqnallarinin gücləndirilməsində də istifadə edilir (t r a n z i s t o r).

Amorf Yarımkeçiricilər — amorf maddə olub, yarımkeçirici xassələrinə malikdirlər. A.y.-kovalent A.y.-ə (Эе vəСи, ЭаАс və s. amorf halında), halkogenid şüşələrə (məs., Ас31 Эе30 Се21 Те18), oksid şüşələrinə (məs., В2О5-П2О5) və dielektrik nazik təbəqələrə (СиОх, Ал2О3, Си3Н4 və s.) ayrılır. A.y.-nə yüksək aşqarlanmış kompensə edilmiş yarımkeçirici kimi də baxmaq olar ki, onun keçiricilik zonasının “dibi” və valent zonasının “tavanı” enib-qalxır, lakin bu dəyişmə (fluktuasiya) qadağan olunmuş zonanın eni tərtibindədir. Keçiricilik zonasındakı elektronlar və valent zonasındakı deşiklər hündür çəpərlərlə ayrılmış potensial relyefin çuxurlarında yerləşən “damcılara” ayrılır. Aşağı temperaturlarda elektrik keçiriciliyi sıçrayışlı xarakter daşıyır (bax. Sıçrayışlı keçiricilik). Daha yüksək temperaturlarda A.y.-in elektrik keçiriciliyi elektronların delokallaşmış hal oblastına istiliklə ötürülməsi ilə əlaqədardır (bax. Nizamsız sistemlər). A.y. bir sıra nadir xassələrə malikdirlər ki, bu da onların müxtəlif praktiki tətbiqi üçün imkanlar yaradır. Halkogenid şüşələr spektrin İQ oblastındakı şəffaflığına, yüksək müqavimətinə və fotohəssaslığına görə ötürücü televiziya borularının elektrofotoqrafik lövhələrinin hazırlanması üçün və holoqram yazılarında tətbiq olunur (bax. Holoqrafiya). A.y.-də işə düşmə zamanı 10-10-10-12 с olan elementlərin yaradılmasına imkan verən yüksək omlu haldan aşağı omlu hala və əksinə keçmə aşırıcı effekt mövcuddur.

Amorf və şüşəvari yarımkeçiricilər — amorf və şüşəvari maddələr olub, yarımkeçirici xassələrinə malikdirlər. Amorf və şüşəvari yarımkeçiricilər yaxın nizamlılığın mövcudluğu və uzaq nizamlılığın yoxluğu ilə xarakterizə olunurlar (bax. Uzaq və yaxın nizamlılıq). Amorf və şüşəvari yarımkeçiricilər tərkibə və quruluşa görə halkogenidlərə, oksidlərə, üzvülərə, tetraedriklərə ayrılırlar. Ən yaxşı öyrənilib halkogenid şüşəvarilər (HŞY) və elementar tetraedriklər (ETAY). HŞY-i əsasən, ya ərintini soyutmaqla, ya da vakuumda buxarlanma ilə alırlar. Buraya Се və Те, həmçinin müxtəlif metal (məs., Ас-С-Се, Ас-Эе-Се-Те, Ас-Сб-С-Се, Эе-С-Се, Эе-Пб-С) halkogenidlərinin (sulfidlər, selenidlər, telluridlər) iki və çox komponentli ərintiləri aiddir. ETAY (amorf Эе və Си)-ni müxtəlif hidrogentərkibli atmosferlərdə ion tozlandırılmasıyla və ya onların qazlarının dissosiasiyasından (xüsusilə, СиЩ4 və ya ЭеЩ4) yüksəktezlikli boşalmalarda alırlar. Amorf və şüşəvari yarımkeçiricilərin xüsusiyyətləri elektronların energetik spektrlərinin xüsusiyyətlərilə əlaqədardır. Elektron hallarının yuxarı və aşağı sıxlıqlı energetik oblastlarının mövcudluğu-yaxın nizamlılığın nəticəsidir. Ona görə də qeyri-kristallik maddələrin (bax. Zona nəzəriyyəsi) zona quruluşu haqqında şərti danışmaq olar. Lakin quruluşun nizamsızlığı əlavə icazəli elektron hallarının yaranmasına gətirib çıxarır ki, onların sıxlığı hal sıxlığı “quyruqları” yaradaraq qadağan olunmuş zonanın dərinliyinə düşür. “Quyruqlarda” elektron halları lokallaşmış və delokallaşmış (cərəyan keçirici) hallara bölünür. Bu hallar arasında kəsgin sərhəd yürüklük kənarları onlar arasındakı məsafə isə yürüklüyə görə qadağan olunmuş zona (və ya yarıq) adlanır (bax. Nizamsız sistemlər).

Azərbaycanda yarımkeçiricilərə dair nəzəri və eksperimental tədqiqatlar əsasən H. B. Abdullayev adına Azərbaycan Milli Elmlər Akademiyası Fizika İnstitutunda, həmçinin ali məktəblərin müvafiq kafedralarında aparılır.