Жарым өткөргүчтөр физикасынын негиздери
Жарым өткөргүчтөр физикасы - бул жарым өткөргүч материалдардын жүрүм-турумун жана мүнөздөмөлөрүн изилдеген физиканын бир тармагы. Бул материал заманбап технология үчүн абдан маанилүү, анткени жарым өткөргүчтөр транзисторлор, диоддор жана интегралдык микросхемалар (ИМС) сыяктуу электрондук түзүлүштөрдү курууда колдонулган негизги материалдар болуп саналат. Бул макалада биз жарым өткөргүчтөр физикасынын негиздерин, анын ичинде атомдук түзүлүштү, тилке теориясын, легирлөөнү жана практикалык колдонмолорду карайбыз.
1. Жарым өткөргүчтөрдүн атомдук түзүлүшү
Жарым өткөргүчтөр – бул электр өткөргүчтүк касиеттери өткөргүчтөрдүн (мисалы, жез) жана изоляторлордун (мисалы, айнек) ортосундагы касиетке ээ материалдар. Эң көп колдонулган жарым өткөргүч материалдар – кремний (Si) жана германий (Ge). Экөөнүн тең атомдору бири-бири менен ырааттуу түрдө байланышкан туура кристаллдык түзүлүштөрү бар.
Жарым өткөргүчтүн атомдук түзүлүшү материалдын электрондук касиеттерине олуттуу таасир этет. Мисалы, кремний атомдорунда тетраэдрдик кристаллдык түзүлүштө башка кремний атомдору менен коваленттик байланыштарды түзө алган төрт валенттик электрон бар. Кристаллдагы ар бир кремний атому төрт коңшу атом менен байланышып, туруктуу үч өлчөмдүү тармакты түзөт.
2. Зона теориясы
Жарым өткөргүчтөр кандайча иштээрин түшүнүү үчүн, биз материалдагы электрон энергиясынын бөлүштүрүлүшүн сүрөттөгөн тилке теориясын түшүнүшүбүз керек. Тилке теориясында материалдагы электрондордун энергиясы эки түрдөгү энергия тилкелери менен көрсөтүлөт: валенттик тилке жана өткөргүчтүк тилке.
– Валенттик зона: Бул кадимки шарттарда электрондор ээлеген энергия зонасы. Валенттик зонадагы электрондор атомго бекем байланган жана эркин кыймылдай алышпайт.
– Өткөрүү тилкеси: Бул валенттик тилкенин үстүндөгү энергия тилкеси, аны жетиштүү энергияга ээ электрондор ээлей алат. Өткөрүү тилкесиндеги электрондор көбүрөөк эркин кыймылга ээ, бул аларга электр өткөрүмдүүлүгүндө роль ойноого мүмкүндүк берет.
Валенттик зона менен өткөргүчтүк зонанын ортосунда Энергия ажырымы же ТУУ ажырымы деп аталган энергия ажырымы бар. Өткөргүчтөрдө бул тыюу салынган аймак өтө кичинекей же таптакыр жок, бул электрондордун валенттик зонадан өткөргүчтүк зонага оңой өтүшүнө мүмкүндүк берет. Изоляторлордо бул тыюу салынган аймак өтө чоң, ошондуктан өткөргүчтүк зонага өтө аз электрон жете алат.
Ал эми жарым өткөргүчтөрдүн тыюу салынган зонасы орточо. Электрондорго жетиштүү энергия берилсе, мисалы, жылуулук же фотондор (жарык) аркылуу валенттик зонадан өткөрүү зонасына өтө алышат.
3. Допинг
Жарым өткөргүчтүн өткөргүчтүгүн көзөмөлдөөнүн бир жолу - аны легирлөө. Легирлөө - бул таза жарым өткөргүчкө анын өткөргүчтүк касиеттерин өзгөртүү үчүн кошулмаларды же башка элементтердин атомдорун кошуу процесси.
– N-типтеги легирлөө: Базалык жарым өткөргүчкө караганда валенттик электрондору көбүрөөк болгон элементти кошууну камтыйт. Мисалы, кремнийге фосфор (P) кошсок, электр өткөргүчтүгүн жогорулата турган кошумча электрондорду беребиз. Бул ашыкча терс электрондордон улам n-типтеги жарым өткөргүч деп аталат.
– P-типтеги легирлөө: Базалык жарым өткөргүчкө караганда валенттик электрондору азыраак болгон элементти кошууну камтыйт. Мисалы, кремнийге бор (B) кошсок, кристаллдык түзүлүштө оң заряд алып жүрүүчүлөр катары кызмат кылган "тешиктерди" түзөбүз. Бул оң тешиктердин болушунан улам p-типтеги жарым өткөргүч деп аталат.
4. Жүк ташуучу жана мобилдүүлүк
Жарым өткөргүчтөрдө заряд алып жүрүүчүлөрдүн эки негизги түрү - электрондор жана тешиктер. Электрондор терс заряддалган бөлүкчөлөр, ал эми тешиктер - кристаллдык түзүлүштүн ичинде кыймылдай алган электрон вакансиялары түшүнүгү.
– Электрондордун кыймылдуулугу: Электр тогу колдонулганда жарым өткөргүч аркылуу электрондордун канчалык ылдамдыкта жыла алаарын өлчөйт.
– Тешиктердин кыймылдуулугу: Тешиктердин жарым өткөргүч аркылуу канчалык ылдамдыкта жыла аларын өлчөйт.
Заряд алып жүрүүчүлөрдүн кыймылдуулугу бир нече факторлорго, анын ичинде температурага жана колдонулган кошулманын түрүнө жараша болот. Жогорку температураларда кошумча жылуулук энергиясы заряд алып жүрүүчүлөрдү кыймылдуураак кылат, бирок ошол эле учурда кристаллдагы заряд алып жүрүүчүлөр менен атомдордун ортосундагы өз ара аракеттенүүнү күчөтүп, алардын кыймылын басаңдатышы мүмкүн.
5. pn түйүнү (pn түйүнү)
Эки типтеги, p-типтеги жана n-типтеги жарым өткөргүчтөрдүн ортосундагы түйүн диоддор, транзисторлор жана фотоэлектрдик системалар сыяктуу жарым өткөргүч түзүлүштөрдө маанилүү түзүлүштү түзөт. p-n түйүнү электр тогунун бир багытта, бирок карама-каршы багытта агышына мүмкүндүк берүүчү уникалдуу касиетке ээ, бул аны электр тогун жөнгө салууда негизги компонент кылат.
– Диод: Токтун бир гана багытта агышына мүмкүндүк берүүчү компонент. Диодго түз чыңалуу берилгенде (p-тарапты n-тарабына караганда оң кылган чыңалуу), ток агып кетиши мүмкүн. Тескерисинче, диодго тескери чыңалуу берилгенде, ток агып өтпөйт.
– Транзистор: Токту күчөтүүчү же которуштуруучу түзүлүш. Транзистордо электрондордун агымын башкаруу үчүн эки түрдүү p-n өткөөлдөрү бар.
6. Жарым өткөргүчтөрдүн колдонулушу
Жарым өткөргүчтөр заманбап электрониканын негизги бөлүгү болуп саналат. Алардын маанилүү колдонулуштарынын айрымдары төмөнкүлөрдү камтыйт:
– Интегралдык микросхемалар (ИМС): Микрочиптер деп да аталган ИМСтер – бул бир чипте бириктирилген көптөгөн транзисторлордун жана башка электрондук компоненттердин жыйындысы. Алар компьютерлердин, смартфондордун жана ар кандай электрондук түзүлүштөрдүн негизи болуп саналат.
– Жарык чыгаруучу диоддор (ЖД): Жарык чыгаруучу диоддор электр тогун бергенде жарык чыгаруу үчүн жарым өткөргүч материалдарды колдонушат. Алар энергияны абдан үнөмдүү жана үйдү жарыктандыруудан баштап дисплей экрандарына чейин ар кандай колдонмолордо колдонулат.
– Фотоэлектрдик (ФЭ): ФЭ элементтери же күн батареялары жарык энергиясын түздөн-түз электр энергиясына айландыруу үчүн жарым өткөргүчтөрдү колдонушат. Күн нурунан чыккан фотондор жарым өткөргүчкө тийгенде, алар электрондордун тыюу салынган зона аркылуу секирип өтүшү үчүн жетиштүү энергия менен камсыз кылып, электр тогун пайда кылат.
7. Кыйынчылыктар жана келечектеги изилдөөлөр
Изилдөөлөр натыйжалуураак, арзаныраак жана белгилүү бир колдонмолор үчүн каалаган касиеттерге ээ болгон жаңы жарым өткөргүч материалдарды табуу боюнча уланууда. Мисалы, галлий нитридине (GaN) же графенге негизделген жарым өткөргүчтөр келечекте тезирээк жана натыйжалуураак электрондук түзүлүштөрдүн потенциалын сунуштайт.
Башка кыйынчылыктарга жарым өткөргүч материалдардын жогорку температурада жана экстремалдык экологиялык шарттарда туруктуулугун жана иштешин сактоо, ошондой эле допингде колдонулган сейрек кездешүүчү материалдардын чектөөлөрүн жеңүү кирет.
Корутунду
Жарым өткөргүчтөр физикасы - заманбап электроника технологиясынын көпчүлүгүнүн негизинде жаткан маанилүү жана татаал тармак. Атомдук түзүлүш, тилке теориясы, легирлөө жана практикалык колдонмолор сыяктуу фундаменталдык түшүнүктөрдү түшүнүү менен, биз жарым өткөргүчтөргө таянган келечектеги технологияларды жакшыраак баалай жана өнүктүрө алабыз. Жарым өткөргүч материалдар боюнча үзгүлтүксүз изилдөөлөр жана инновациялар электроникада мүмкүн болгон нерселердин чектерин кеңейтүүнү улантат.
