1. « Жартылай өткізгішті материалдар» курсының лекциялар жоспары
1. Жартылай өткізгішті материалдар. Жартылай өткізгішті материалдардың физикасы мен жартылай өткізгішті құрылғыларды құраудың тарихи кезеңдері.
2. Жартылай өткізгіштер электөткізгіштігінің механизмдері туралы моделдік ұғымдар.
3. Қатты дененің аумақтық теориясының элементтері.
4. Меншікті және қоспалы жартылай өткізгішті материалдағы еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясы.
5. Жартылай өткізгіштер заряд тасымалдаушыларының қозғалғыштығы. Электөткізгіштіктің кернеулікке тәүелділігі.
6. Жартылай өткізгіштердегі тепетеңсіз заряд тасымалдаушылар. Тепетеңсіз заряд тасымалдаушылар параметрлері.
7. Жартылай өткізгішті материалдардың оптикалық және фотоэлектрлік қасиеттері.
8. Осы күндегі негізгі жартылай өткізгішті материалдар.

2. Бөлме (22 °C) температурасындағы заттардың меншікті кедергісі
Лекция 1. Электрөткізгіштігі бойынша заттардың классификациялануы. Жартылай өткізгіштер.
Бөлме (22 °C) температурасындағы заттардың меншікті кедергісі
ρ, [Ом см]
Металлдар
Жартылай өткізгіштер
Диэлектриктер
10-6 – 10-4
10-4 – 1010
>1010
Ag – 1,58*10-6
NiCr- 1,05*10-4
Ge – 47
CdSe – 1012
шыны – 1015
слюда – 1016

3. жартылай өткізгіш
металл
Тпл – балқу температурасы
Тѳ - Дебай температурасы
Ткр – асқын өткізгіштік күйіне өтү температурасы

5. қорғасын
кремний ˂

6. Бөлме температурасында меншікті электрөткізгіштігі 10-10 – 104 (Ом
Бөлме температурасында меншікті электрөткізгіштігі – 104 (Ом*см)-1 аралығында жататын заттар жартылай өткізгіштер деп аталады.
Жартылай өткізгіштердің ерекшеліктері: меншікті электрөткізгіштігі заттың құрылымына, қоспаның түріне және мөлшеріне, температураның, қысымның, жарықтануыдың, ядролық бөлшектермен сәулелендірүдің, электр және магнит өрістерінің әсеріне аса жоғары сезімталдығы.

8. In the beginning of the 50-ies Professors B. T. Kolomiets and N. A
In the beginning of the 50-ies Professors B.T.Kolomiets and N.A.Gorunova from A.F. Ioffe Institute have synthesized the first chalcogenide glassy semiconductor – TlSbSe2. Today we have a lot of different chalcogenide glassy semiconductor (CGS)
Binary compounds
S-Se Si-S(Se,Te)
S-Te Ge-S(Se,Te)
Se-Te As-S(Se,Te)
   Ternary compounds
Li-As-Se Si-As-Se(Te) P-Cu-Se Te-Tl-V(Ni,Si)
Na(Ka)-As-S(Se) Si-Sb-S(Se) P-Ag-S Te-In-Ge(Ni)
Au(Cu)-As-S(Se) Ge-Tl-S(Se) P-As-Se Se-Ge-In(Mn,Ni)
(Zn, Cd, Hg, Ge-Sb-S As-S-Se(Te) Se-Li-Ni
In, Ga, Tl) Ge-Bi-S(Se) As-(Sb, Bi, J, Se-V-Ti
- As-S(Se) Sn-As-S(Se) Br)-S(Se) S-Ge-Ni
Ge-As-S(Se, Te) 
  Quarternary compounds
As-S-Se-Te Tl-As-Se(S)-Te
As-Ag-Se-J Si-Te-As-Ge
As-S-Ag-J Sb-S-J-Pb(Sn)
(Б.Т.Коломиец. Препринт ФТИ РАН, Ленинград 1981).
What does unite all these and many others chalcogenide glassy semiconductors ?
   UNIQUE SET of PROPERTIES !  

9. Аморфты ж. ө. - төсеніш температурасы белгілі Ткр-дан жоғары емес
болса коптеген заттардың (Si, Ge, B, C, P, S, As, Te және т. б.) аморфты
күйін вакумда конденсациялау арқылы жұқа (бірнеше жүз ангстрем)
қабыршақтарын алуға болады.
Сұйық ж. ө. – балқытылған Se және көптеген металлдардың сульфидтері
мен оксидтері.
Жартылай өткізгішті қасиеттері бар органикалық заттар – фталлоцианиндар мен полициклдік көмірсулар (мысалы бензол, нафталин, антрацен, нафтацен, коронен және т.б.).

10. Алмаз

11. Si

12. Ge

13. As-S

15. GaAs

16. CdS

17. CdSe

18. P

19. Жартылай өткізгішті материалдарға қойылатын талаптар
Құрылымының монокристаллдығы
Легирлеуші қоспалардың біртекті орналасуы
Атмосфералық қысымға төземділігі
Тепература әсеріне төземділігі

20. Жартылай өткізгішті құрылғылар
Тербелістерді күшейтү және генерациялау - транзисторлар
Айнымалы токты түзету - диодтар
Жылу және күн энергиясын электрлікке айналдыру – термо, фотоэлемент
Электр энергиясын жарыққа айналдыру – лазерлер, жарық диодтары
Температура датчиктері - термисторлар
корпускулалар сәулелерінің датчиктері – фоторезисттар, дозиметрлер
Қысым өлшеуіштер - тензодатчиктер
Магнит өрісін өлшеу – Холл датчиктері
Жартылай өткізгішті өндірістің технологиясы.
Кәзіргі кезде жартылай өткізгішті өндірістің технологиясы фото және электронолитография, оксидтау, ионды-плазмалық тозаңдату, иондық имплантация, диффузия, термокомпрессия деген көптеген күрделі процесстерге негізделген. Микросхемалар және құрылғыларды жасауда қолданылатын материалдарға тазалығы мен құрылымына жоғары сұраныс қойылады. Негізгі технологиялық процесстерді орындау үшін оптико-механикалық, термиялық, ионды-сәүлелік қондырғыларды қолданады. Процесстер температурасы және ылғалдылығы белгілі, шаңнан тазартылған бөлмелерде жүзеге асырылады.

22. Si Ge

23. Технологиялық бағдар - берілген типті жартылай өткізгішті құрылғыны немесе интегралды микросхеманы жасаудағы жартылай өткізгішті пластинаны өндеүдің технологиялық операциялар тізбегі.
Типтік бағдар:
Пластиналарды дайындау – тазалау, жуу, ерітіндімен өндеу (1.1 сүр. а).
Топологиял суретті жасау (1.1 сүр. б).
База – коллектор p – n ауысуды алу (1.1 сүр. в).
Эмиттер – база p – n ауысуды алу (1.1 сүр. г).
Металлдық контакттілеү (1.1 сүр. д).
Жинақтау және гермитизациялау (1.1 сүр. е).
Құрылғыны сынақтан өткізү.

24. Лекция 3, 4 Меншікті және қоспалы жартылай өткізгішті материалдың электрөткізгіштігі. Кемтік ұғымы.
Элементар ж. ө. материалдардың электрөткізгіштік механизмын қарастырайық.
Кремний кристаллы түзелүде әр-бір
атомның төрт валентті электроны
3s23p2 күйінен спиндары қосарланбаған
гибридты sp3 күйне өтіп кеңістікте экви
валентты төрт байланыс құрайды.
Кубтық алмазтәріздес кристалдық тор
түзеледі (1 сүр.).
1 сүр. Алмазтәріздес кристалдық тор
а – тор тұрақтысы.

25. 2 сүр. Кремний торындағы байланыстардың орналасуын жазықтықта бейнеленүі.
Байланыстағы электронның еркін электронға айналу процессы генерация процессы деп аталады.
Еркін электронның байланыстағы электронға айналу процессы рекомбинация процессы деп аталады.
Валенттік байланыстағы бос орын кемтік деп аталады.

26. Егер ж. ө. валенттік байланыстардың үзілүі нәтижесінде пайда болған еркін электрондармен кемтіктердің саны тең болса ол меншікті деп аталады.
Ge: 1013см бөлме температурасындағы еркін электрондар мен кемтіктердің
Si: 1010см саны.
Еркін
жолының
ұзындығы
Жылулық энергия (а) және
сыртқы электр өрісінің (б)
әсерінен еркін электрон
қозғалысының схемасы.
Электрон жылдамдықтарының
электр өрісіндегі (а) және электр
өрісі жоқ болғандағы (б)
схемалық бейнеленүі.

27. Еркін заряд тасымалдаушының екі соқтығысу арасындағы жүріп өтетін
арақашықтығын еркін жолының ұзындығы деп, ал соқтығысулар арасындағы
уақыт еркін жолының уақыты деп аталады.
λ = v0 τ, мұндағы λ - еркін жолының ұзындығы;
τ - еркін жолының уақыты;
v0 – еркін заряд тасымалдаушысы жылулық қозғалысының
орташа жылдамдығы.
Ж. ө. бөлме температурасында электрондар үшін v0 шамасымен 107 см/с.

28. Электр өрісіндегі еркін заряд тасымалдаушылар жиынтығының бағытты қоз-
-ғалысы дрейф деп, ал олардың бағытты қозғалысының жылдамдығы дрейф
-тік жылдамдық деп аталады.

29. Байланыстағы электродардың бос байланыстар арқылы қозғалу нәтижесінде
жүзеге асырылатын өткізү механизмы кемтікті өткізгіштік деп аталады.
Құрамында қоспасы жоқ, таза ж. ө. электронды және кемтікті өткізгіштік
жүзеге асырылады. Сондықтан, меншікті ж. ө. электр тоғы екі құраушыдан
турады – бірдей бағытталған электрондар мен кемтіктердің тоғынан.

30. Өткізгіштік аумағы
Тыйым салынған аумақтың ені кристал-
-дық торды түзейтін атомдардың сортына
және химиялық байланыстарының тәбиға-
-тына тәүелді болады.
Тыйым салынған
аумағының ені
Валенттік аумағы

31. Қоспасы бар ж. ө. қоспалы деп, ал электрөткізгіштігі қоспалы электрөткізгіш-
тік деп аталады.
Донорлық (а) және акцепторлық (б) ж. ө. кристаллдық торының схемалық
бейнесі.

32. Электронды брертін қоспа донорлық деп аталады, ж. ө. электронды, немесе
n – типті болады. Ж. ө. өткізгіштігінде басым ролді электрондар атқаратын
болғандықтан олар негізгі, ал кемтіктер негізгі емес заряд тасымалдаушылар
болып табылады.
Электронды қармап алатын қоспа акцепторлық деп аталады, ж. ө. кемтікті
немесе p – типті болады. Ж. ө. өткізгіштігінде басым ролді кемтіктер атқара
тын болғандықтан олар негізгі, ал элкетрондар негізгі емес заряд тасымалдау
-шылар болып табылады.

33. Торда қоспаның бар болуы энергетикалық диаграмманың тыйым слаынған
аумағында орналасатын локалды деңгейдің пайда болуымен сипатталады.
Донорлық (а) және акцепторлық (б) жартылай өткізгіштердің энергетиаклық
диаграммасы.

34. Лекция 5. Қатты дененің аумақтық теориясының элементтері.
Аумақтық теория келесі негізгі ұйғарулардан тұрады:
Электрондардың қозғалысын қарастыруда атом ядролары қозғалмайтын, массалары үлкен үлкен болғандықтан, электрондарға әсер етүші өріс көздері болып есептеледі.
Ядролардың кеңістікте орналасуы периодты болып есептеледі: олар берілген кристаллдың идеал торының түйіндерінде орналасады.
Электрондардың бір – брімен әсерлесүі қайсыбір сыртқы эффективті өрісімен ауыстырылады. Басқаша айтқанда, Кулон заңы бойынша атом ядроларымен және бір – бірімен әсерлесетін электрондар жүйесі қайсыбір берілген сыртқы өрісте қозғалатын бір – бірімен әсерлеспейтін электрондар жүйесімен ауыстырылады. Сыртқы өріс атом ядроларының өрісі және электрондардың әсерлесүін жұықтап бейнелйтін өрісі қосындылары болып табылады.

37. Гейзенберг принципы

47. Химиялық байланыстардың типтері.
(R= ∞) әсерлесү жоқ болғандағы атомдардың
энергиясы бастапқы нүктесі ретіде алынады.
1 жағыдайында энергия өң таңбалы және ара-
-қашықтық артқанда азаяды.Сондықтан, R-дың
кезкелген мәнінде атомдар тебіледі, молекула
түзелүі мүмкін емес.
2 жағыдайында потенциалдық энергия кашық-
-тық R0 болғанда минимумға жетеді, осы нүкте-
-де тұрақты екіатомдық молекула түзелүі мүм-
-кін.
2 қисығы екі қосындыдан тұрады.
Екі атомның U потенциалдық энергияла-
-рының олардың ядролары арасындағы R
қашықтыққа тәүелділігі. 2 қисығы бөлік-
-терге жіктелген, ( ) тартылыс күш-
-тері, ( ) тебіліс күштері.

48. Химиялық байланыстардың келесі негізгі типтерін айырады:
а) иондық, немесе гетерополярлық;
Иондық байланыс жағыдайында тартылыс күштері - кулондық электростатикалық күштері.
б) коваленттік, немесе гомеополярлық;
Байланыстытың бұл түрі бірдей, зарядталмаған атомдар арасында түзеледі.
в) ван – дер – ваальс (дисперсиондық) байланысы;
Арақашықтық артуымен жылдам азаятын, тәбиғаты квантты – механикалық нейтрал атомдардың арасында түзелетін байланыс.
г) металлдық;
Метал кристаллдарындағы оң зарядталған иондардың арасында еркін қозғалатын электрондармен тартылыс күштері.

49. Коваленттік баланыстың түзелү механизмын анықтайық
Коваленттік баланыстың түзелү механизмын анықтайық. Мысал ретінде сутегі молекуласын қарастырайық.
Сутегі атомының негізгі күйіндегі электрондық тығыздығының таралуы.
Әсерлесүдегі сутегі атомдарының электрондық тығыздығының таралуы: а) электрондық спиндері параллель (тебілү); б) электрондық спиндері антипараллель (тартылу).

50. Көміртегі атомының 2 s және 2 p – электрондарының электрондық бұлты мен оның төрт бағытталған валенттілігі.
Коваленттік байланыстың ерекшеліктері:
Толықтануы – белгілі бір атомда түзелетін қосэлектронды байланыстар санының шектелуі
Поляризациялануы – сыртқы электр өрісінің әсерінен молекуланың өз полярлығын өзгертуі
Бағыттануы - атомның р-, d- и f-орбитальдарының кеңістікте белгілі бағыт алуы

51. Лекция 6. Электрондардың энергетикалық күйлерде орналасуы
Лекция 6. Электрондардың энергетикалық күйлерде орналасуы. Ферми деңгейінің физикалық мағынасы. Тыйым салынған аумақтың температураға тәүелділігі.
Паули принципіне бағынатын, спины (+1/2, -1/2) жылулық тепетеңдіктегі бөлшектер үшін Ферми – Дирак жіктелуі орындалады
Мұндағы k – Больцман тұрақтысы; T – абсолюттік температура; F – Ферми энергиясы немесе химиялық потенциал, жүйедегі бөлшектер санын бір бөлшекке көбейту ушін орындалатын жұмысы.

52. Ферми – Дирак жіктелү функциясының түрін әр – түрлі температурада қарастырайық.
T = ≤ E < F үшін f0 = 1
E > F үшін f0 = 0
Металлдарда абсолюттік ноль температурасында электрондар энергиясының ең максимал мәні Ферми энергиясы болып табылады.
T > E = F үшін f0 = l/2
Ферми деңгейі темпреатура абсолюттік нольдан жоғары болғанда толықтыру ықтималдылығы ½ тең деңгейіне сәйкес келеді.
±kT f0(Е) (1+e) -1 = 0,27 және (1+1/e) -1 =0,73
±2kT ,118 және ,882
±3kT , ,953
Ферми – Дирак жіктелү функциясының
түрі.

53. Кемтіктер үшін Ферми – Дирак жіктелү функциясы электрондарға аналогия бойынша табылады:
E-F»kT энергеикалық күйлерінде орналасатын электрондар үшін f0 функциясы келесі түрде жазылады:
яғни, классикалық заңдарға бағынатын, Стефан – Больцман жіктелү функциясымен сәйкес келеді.

54. Қоспалы деңгейлердің толықтану дәрежесі.
Концентрациясы Nd донорлық қоспасы бар жартылай өткізгішті қарастырайық. Мысалы, Si-дегі As атомдары.
Өткізгіштікке қатыса алатын донорлық қоспаның электроны 1 болғандықтан, донорлық қоспа үшін күйлердің толық саны кристаллдың бірлік көлеміне еңгізілген қоспа атомдарының санына, яғни Nd – ға тең болуы тиіс.

55. Лекция . Үлесімді өткізгіштіктің температуралық тәелділігі
Сүр. Донорлық коспасының мөлшері 1015 см-3 кремний үлгісі заряд тасымалдаушылар концентрациясының а) және үлесімді өткізгіштігінің б) кері температураға тәелділігі.

56. .
Өткізгішке электр және магнит өрістері бірмезгілді әсер еткенде пайда болатын кинетикалық эффектілері галваномагниттік деп аталады.
1. Холл эффектісі
Өткізгіштігі кемтіктік а) және электрондық б) үлгілердегі магнит өрісінің ықпалынан заряд
тасымалдаушыларының ауытқуы .

57. а) кемтіктік және б) электрондық электрөткізгіштігі
ушін Холл бұрышы

58. 2. Магнит өрісіндегі кедергінің өзгеруі (Гаусс эффектісі)
Сыртқы магнит өрісі EH холл өрісінің пайда болуымен қатар jx токты өзгертеді. Яғни, жартылай өткізгіштің кедергісі өзгереді. Әлсіз магнит өрістерінде электрөткізгіштігінң және меншікті кедергісінің өзгеруі келесі тәүелділікпен анықталады:
Мұндағы материалдың қасиеттеріне тәүелді, көлденең магнетокедергісінің коэффициенті, және болғандағы мәндері.

59. 3. Зеебек (термоэлектрлік) эффектісі.
Екі шеттері әр-түрлі температураларда орналасқан және ажыратылған жартылай өткізгіштің бойнда электр қозғаушы күші (ЭҚК) пайда болады. ЭҚК-інің шамасы температуралар айырымы аз болғанда α коэффициентімен сипатталады.
α – бірлік температуралар айырымына сәйкес меншікті термоэлектрлік қозғаушы күші.
Температура градиенті мен электрохимиялық потенциал градиентының ықпалынан жартылай өткізгіште электрондар және кемтіктер тогы пайда болады.
Меншікті жартылай өткізгіш үшін

60. 4. Пельте эффектісі.
Екі қатты денелердің түйісү нүктесі арқылы электр тогы өткенде жылу мөлшерінің жұтылуы немесе шығарылуы токтың бағытына тәүелді болады. Бөлінетін жылу мөлшері токтың тығыздығына және уақытқа тәүелді болады.
- Пельтье коэффициенті.
5. Томсон эффектісі.
Егер біртекті өткізгіш бойымен температуралар градиенты орын алса, ток өтү кезінде материалдың көлемінде Джоуль жылуы мен қосымша температуралар градиентіне және ток мөлшеріне тәүелді жылу мөлшері бөлінеді.
- Томсон коэффициенті.

61. Суретте өткізгіштік логарифмының кері температураға тәелділік графигі көрсетілген. Осы графиктың көмегімен жартылай өткізгіштің тыйым салынған аумағының енін анықтау керек.