Yarı iletkenler hakkında temel bilgiler.

Belirli değere göre elektrik direnci yarı iletkenler iyi iletkenler (σ = 10 6 -10 4 Ohm -1 cm -1) ve dielektrikler (σ = -12 - 10 -10 Ohm -1 cm -1) arasında bir ara pozisyonda bulunur. Yarı iletkenler birçok içerir kimyasal elementler(germanyum, silikon, selenyum, indiyum, tellür, arsenik vb.), büyük miktar alaşımlar ve kimyasal bileşikler. Neredeyse her şey inorganik maddelerçevremizdeki dünya - yarı iletkenler. Doğadaki en yaygın yarı iletken, yer kabuğunun yaklaşık %30'unu oluşturan silikondur.

Yarı iletkenlerin elektriksel iletkenliği sıcaklığa ek olarak güçlü bir elektrik alanından, basınçtan, optik ve iyonlaştırıcı radyasyon, bir maddenin yapısını ve elektronların durumunu değiştirebilecek yabancı maddelerin ve diğer faktörlerin varlığı. Bu durum oynuyor belirleyici rolçok sayıda ve çeşitli kullanımlarda yarı iletkenler.

Yarı iletkenler ve metaller arasındaki niteliksel fark, öncelikle direncin sıcaklığa bağımlılığında ortaya çıkar. Sıcaklık düştükçe metallerin direnci azalır. Yarıiletkenlerde ise tam tersine sıcaklık düştükçe direnç artar ve neredeyse mutlak sıfır pratikte yalıtkan olurlar.

Saf bir yarı iletkenin direncinin sıcaklığa bağlılığı.

ρ(T) bağımlılığının bu davranışı, yarı iletkenlerde serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonunun sabit kalmadığını, artan sıcaklıkla arttığını gösterir. Mekanizma elektrik akımı yarı iletkenlerde gaz modeliyle açıklanamaz serbest elektronlar. Bu mekanizmayı germanyum (Ge) örneğini kullanarak niteliksel olarak ele alalım. Silikon (Si) kristalinde mekanizma benzerdir.

Germanyum atomlarının dış kabuklarında zayıf bağlı dört elektron bulunur. Bunlara kovalent elektronlar denir. Bir kristal kafeste her atom dört atomla çevrilidir. en yakın komşular. Bir germanyum kristalindeki atomlar arasındaki bağ kovalenttir, yani çiftler halinde oluşur değerlik elektronları. Her değerlik elektronu iki atoma aittir.

Bir germanyum kristalindeki çift-elektron bağları ve bir elektron-delik çiftinin oluşumu

Bir germanyum kristalindeki değerlik elektronları, metallere göre atomlara çok daha güçlü bir şekilde bağlanır; Bu nedenle yarı iletkenlerde oda sıcaklığında iletim elektronlarının konsantrasyonu metallere göre çok daha düşüktür. Bir germanyum kristalinde mutlak sıfır sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta, tüm elektronlar bağ oluşumunda meşgul olur. Böyle bir kristal elektrik akımını iletmez.

Sıcaklık arttıkça değerlik elektronlarından bazıları kırılmaya yetecek kadar enerji kazanabilir. kovalent bağlar. Daha sonra kristalde serbest elektronlar (iletim elektronları) görünecektir. Aynı zamanda bağların kırıldığı yerlerde elektronların işgal etmediği boşluklar oluşur. Bu boş pozisyonlara delik denir. Boş yer, komşu bir çiftin değerlik elektronu tarafından doldurulabilir, ardından delik kristalde yeni bir yere taşınacaktır. Belirli bir yarı iletken sıcaklıkta, birim zamanda belirli sayıda elektron-delik çifti oluşur. Aynı zamanda zaman geçiyor Ters işlem: Serbest bir elektron bir delikle karşılaştığında, germanyum atomları arasındaki elektronik bağ yeniden kurulur. Bu sürece rekombinasyon denir. Enerji nedeniyle bir yarı iletken aydınlatılırken elektron-delik çiftleri de oluşturulabilir. elektromanyetik radyasyon. yokluğunda elektrik alanı iletim elektronları ve delikleri kaotik termal harekete katılır.

Bir yarı iletkendeki iletim elektronlarının konsantrasyonu deliklerin konsantrasyonuna eşittir: n n = n p. Elektron-delik iletim mekanizması kendisini yalnızca saf (yani safsızlık içermeyen) yarı iletkenlerde gösterir. Buna denir İle özel elektrik iletkenliği yarı iletkenler .

Kirlilik varsa elektriksel iletkenlik yarı iletkenler büyük ölçüde değişir. Örneğin, bir silikon kristaline atomik yüzde 0,001 miktarında fosfor safsızlıklarının eklenmesi, direnç beşten fazla büyüklükte. Bu güçlü etki safsızlıklar, yarı iletkenlerin yapısı hakkındaki yukarıdaki fikirlere dayanarak açıklanabilir. Gerekli bir koşul Safsızlıkların eklenmesiyle yarı iletkenin direncindeki keskin bir azalma, safsızlık atomlarının değerliği ile kristalin ana atomlarının değerliği arasındaki farktır.

Yarı iletkenlerin yabancı maddelerin varlığında iletkenliğine denir. safsızlık iletkenliği . İki tür var safsızlık iletkenliği – elektron ve delik.

Elektronik iletkenlik beş değerlikli atomlar (örneğin, arsenik atomları, As), dört değerlikli atomlara sahip bir germanyum kristaline dahil edildiğinde meydana gelir. Yarı iletken n - tipi. Bir germanyum kristal kafesindeki bir arsenik atomu.

Şekil bölgede bulunan beş değerlikli arsenik atomunu göstermektedir. kristal kafes Almanya. Arsenik atomunun dört değerlik elektronu, dört komşu germanyum atomuyla kovalent bağların oluşumuna dahil edilir. Beşinci değerlik elektronunun fazla olduğu ortaya çıktı; arsenik atomundan kolaylıkla ayrılarak serbest hale gelir. Bir elektronunu kaybetmiş bir atom, kristal kafesindeki bir bölgede bulunan pozitif bir iyon haline gelir. Yarı iletken bir kristalin ana atomlarının değerliğini aşan değerliğe sahip atomların safsızlığına denir. donör safsızlığı . Girişinin bir sonucu olarak, kristalde önemli sayıda serbest elektron belirir. Bu, yarı iletkenin direncinde binlerce, hatta milyonlarca kez keskin bir düşüşe yol açar. Yüksek oranda yabancı madde içeren bir iletkenin direnci, metal bir iletkeninkine yaklaşabilir.

Arsenik katkılı bir germanyum kristalinde, kristalin kendi iletkenliğinden sorumlu elektronlar ve delikler vardır. Ancak serbest yük taşıyıcılarının ana türü arsenik atomlarından ayrılan elektronlardır. Böyle bir kristalde n n >> n p . Bu tür iletkenliğe elektronik denir ve yarı iletken elektronik iletkenlik, isminde n tipi yarı iletken.

Üç değerlikli atomlar (örneğin indiyum atomları, In) bir germanyum kristaline dahil edildiğinde delik iletimi meydana gelir. Şekil, değerlik elektronlarını kullanarak yalnızca üç komşu germanyum atomuyla kovalent bağlar oluşturan bir indiyum atomunu göstermektedir.

P tipi yarı iletken. Germanyum kristal kafesindeki Hindistan atomu

İndiyum atomunun dördüncü germanyum atomuyla bağ oluşturacak bir elektronu yoktur. Bu eksik elektron, indiyum atomu tarafından komşu germanyum atomlarının kovalent bağından yakalanabilir. Bu durumda indiyum atomu dönüşür negatif iyon kristal kafesin bir bölgesinde bulunur ve komşu atomların kovalent bağında bir boşluk oluşur. Elektronları yakalayabilen atomların karışımına denir alıcı safsızlığı. Bir alıcı safsızlığının eklenmesinin bir sonucu olarak, kristalde birçok kovalent bağ kırılır ve boşluklar (delikler) oluşur. Komşu kovalent bağlardan gelen elektronlar bu yerlere sıçrayabilir ve bu da kristal boyunca deliklerin kaotik bir şekilde dolaşmasına yol açar.

Bir alıcı safsızlığının varlığı, görünümden dolayı yarı iletkenin direncini keskin bir şekilde azaltır. büyük sayı serbest delikler. Alıcı safsızlığı olan bir yarı iletkendeki deliklerin konsantrasyonu, yarı iletkenin kendi elektriksel iletkenlik mekanizması nedeniyle ortaya çıkan elektron konsantrasyonunu önemli ölçüde aşar: n p >> n n . Bu tip iletkenliğe denir delik iletkenliği. Delik iletkenliğine sahip safsızlık yarı iletkenine denir p tipi yarı iletken. P-tipi yarı iletkenlerdeki ana serbest yük taşıyıcıları deliklerdir.

Delik iletkenliğinin aslında elektronların boşluklar yoluyla bir germanyum atomundan diğerine kovalent bir bağ gerçekleştiren röle hareketinden kaynaklandığı vurgulanmalıdır.

N ve p tipi yarı iletkenler için Ohm yasası, serbest taşıyıcıların konsantrasyonlarının sabit olması koşuluyla belirli akım ve voltaj aralıklarında karşılanır.

Katı malzemeler geleneksel olarak iletkenlere, yarı iletkenlere ve dielektriklere ayrılır. Bu ayrım malzemedeki serbest yük taşıyıcılarının sayısı (konsantrasyonu) ile ilgilidir. Serbest yük taşıyıcısı, bir malzemenin kristal kafesinde serbestçe hareket edebilen bir yük taşıyıcısıdır. Bu serbest taşıyıcıların sayısı arttıkça malzemenin iletkenliği artar.

İletkenlerde s.n. çok fazla ve iletkenliği yüksektir (direnç düşüktür)

Dielektriklerde - neredeyse hiç yok, direnç ÇOK yüksektir.

PP hem sn sayısı hem de iletkenlik açısından orta bir konumdadır.

Yarı iletkenlerin enerji (bant) diyagramları.

Bireysel bir atomdaki her elektron kabuğu belirli bir enerji seviyesine karşılık gelir. Enerji dikey olarak çizilirse, enerji seviyeleri elektron kabukları Si atomu üç yatay çizgiyle temsil edilebilir (Şekil 1, a). Bu durumda üst çizgi elektronun enerjisine karşılık gelir. Atomlar bir kristal kafes içinde etkileşime girdiğinde, elektronların enerji seviyeleri değişir (“ayrılır”) ve enerji bölgeleri (Şekil 1,b). Atom kabuğunun iç elektronları, dış kabuk tarafından korunduğu için kristal kafesin diğer atomlarıyla zayıf bir şekilde etkileşime girer. Bu nedenle iç enerji bölgeleri dış enerji bölgelerine göre daha dardır. Şekil 1'de gösterilen diyagramlar tek boyutludur, yani üzerlerine yatay olarak hiçbir şey çizilmemiştir, ancak noktalar yerine yalnızca açıklık sağlamak için isteğe bağlı uzunlukta çizgiler vardır. Enerji seviyeleri iç bantlarda yer alan elektronlar elektriksel iletkenlik sürecinde yer alamadıkları için genellikle enerji diyagramlarında gösterilmemekte ve enerji en düşük seviye olan B3'ten itibaren sayılmaktadır. Şekil 2 Si ve Ge'nin enerji (bant) diyagramlarını göstermektedir.

İÇİNDE
B3'ün üstünde yer alır Maaş serbest elektronların enerji seviyelerinin bir kümesidir. Bu bölgeye bazen denir özgür. B3 ve ZP arasında ZZ genişliği B'ye verilmesi gereken minimum enerjiye eşit olmalıdır. Elektronun atomdan kopup serbest kalabilmesi için (elektronun en yüksek seviyeden B3W B'ye hareket etmesi için) en düşük seviye ZPW P), yani. Si için 1,12 eV ve Ge için 0,72 eV. Bu bölgeye yasak denir çünkü bir elektron bu bölgede uzun süre kalamaz (yani bu bölgeye karşılık gelen enerji seviyelerine uzun süre sahip olamaz). Eğer elektron atomdan ayrılması için gerekli olandan daha az ek enerji almışsa (örneğin Si için 1,12 eV'den az), o zaman elektron yalnızca çekirdekten daha uzak bir yörüngeye hareket eder. Atomun bu durumuna genellikle denir heyecanlı. Elektron kısa sürede normal yörüngesine döner ve daha önce aldığı enerjiyi elektromanyetik bir dalga (bir foton) biçiminde çevredeki boşluğa salar.

Bant teorisinde sıklıkla aşağıdaki ifadeler kullanılır: bir elektron VB'den CB'ye hareket eder, bir elektron CB'ye hareket eder, vb. Bunun elektronların enerji seviyelerini ifade ettiğine ve elektronların elbette bantlar halinde değil, yarı iletken kristalde hareket ettiğine dikkat edilmelidir.

Fermi seviyesi

Bir elektronun T sıcaklığında belirli bir enerji seviyesinde olma olasılığı Fermi-Dirac fonksiyonu ile belirlenir:

burada WF, Fermi seviyesi adı verilen enerji seviyesidir.

T=0K'da, elektronların WW F düzeylerini işgal etme olasılığı sıfırdır:

ve seviyeler WW F birimi:

e İletim bandına geçiş için gereken enerji termal titreşimlerden alınır. Bu nedenle, T = 0K'de yarı iletkende serbest elektron yoktur (yük bölgesindeki tek bir seviye bile bir elektron tarafından işgal edilmez), tüm elektronlar yörüngelerdedir (yük bölgesinde), dolayısıyla enerji yük bölgeleri WWF durumuna karşılık gelir ve şarj bölgesinin enerji seviyeleri WWF durumuna karşılık gelir. Bu, Fermi seviyesi WF'nin ZPW P'nin "tabanı"nın altında ve ZPW B'nin "tavanının" üzerinde bulunduğunu göstermektedir; ZZ'de. Şek. Şekil 3 Fermi – Dirac fonksiyonunun eğrilerini göstermektedir.

T=0K'da f n (W) fonksiyonu kademeli bir karaktere sahiptir. ZP = 0 ve VZ = 1'deki seviyeleri işgal eden elektronların olasılığı.

T = 0°K'da, elektronların zemin bölgesindeki seviyeleri işgal etme olasılığı küçük bir olasılıktır ve zemin bölgesindeki seviyeleri işgal etme olasılığı da buna göre azalır.

Fermi-Dirac formülünden, mutlak sıfırdan (T=0) farklı bir sıcaklıkta Fermi seviyesinin böyle bir enerji seviyesi olduğu açıktır. seviyeK = K F, onu bir elektronla doldurmanın resmi olasılığı 0,5'tir (e = 1 olduğundan).

Resmi olarak Fermi seviyesi bant aralığında olduğundan ve aslında bir elektron tarafından işgal edilemediğinden. Bu nedenle, yalnızca f n (W) dağılım eğrisindeki ZP ve VZ'de bulunan katılımcıların belirli bir anlamı vardır.

Fermi-Dirac dağılım eğrisi her zaman Fermi seviyesine göre simetriktir. Bundan özellikle, içsel bir yarı iletkende Fermi seviyesinin bant aralığının ortasında yer aldığı sonucu çıkar. Sıcaklık sıfırdan yükseldikçe belirli bir elektron işgali olasılığı ortaya çıkar enerji seviyeleri maaşta. Ancak aynı zamanda hava boşluğunda elektron bulma olasılığı da aynı oranda azalır. Dağılım eğrisi f n (W)'nin Fermi seviyesine göre simetrik yerleştirilmesiyle bunun ancak Fermi seviyesinin sınır bölgesinin ortasında yer alması durumunda mümkün olduğunu görmek kolaydır.

MİNİMUM PROGRAM

uzmanlık aday sınavı

01.04.10 " Yarı iletkenlerin fiziği"

teknik ve fiziksel ve matematik bilimlerinde

giriiş

Temel bu programın ana bölümleri belirledik Bu alanın temel fiziksel problemleriyle ilgili yarı iletken fiziğinin temel bilgisi, teknolojinin temelleri ve yarı iletken malzemelere dayalı cihazların çalışması.

Program geliştirildi uzman tavsiyesi Daha yüksek sertifikasyon komisyonu Milli Eğitim Bakanlığı Rusya Federasyonu Moskova'nın katılımıyla fizikte devlet üniversitesi onlara. M.V. Lomonosov, Fizikoteknik Enstitüsü. AF Ioffe RAS, IPP SB RAS, IRE RAS, Lebedev Fizik Enstitüsü. P.N.Lebedeva, IPM RAS ( Nijniy Novgorod) ve St. Petersburg Devlet Teknik Üniversitesi.

1. Kimyasal bağ yarı iletkenlerin atom yapısı

Elektronik konfigürasyon Atomların dış kabukları ve katılardaki bağlanma kuvvetleri türleri. Van der Waals, iyonik ve kovalent bağlar.

En önemli yarı iletkenlerin yapıları - elementler A IV, A VI ve ile A III B V, A II B VI, A IV B VI tiplerinin bağlantıları.

Kristallerin simetrisi. Kristallerin öteleme simetrisi. Temel ve kristal yapısı. Birim hücre. İlkel hücre. Wigner-Seitz hücresi. Bravais ızgarası. Bir kristaldeki düğümlerin, yönlerin ve düzlemlerin tanımları. Karşılıklı kafes, özellikleri. Brillouin bölgesi.

Kristal ve amorf yarı iletkenlerdeki safsızlıklar ve yapısal kusurlar. Kimyasal yapısı Ve elektronik özellikler safsızlıklar. Nokta, çizgi ve iki boyutlu kusurlar.

2. Yarı İletken Teknolojisinin Temelleri
ve parametrelerini belirleme yöntemleri

Sıvı ve gaz fazlarından toplu tek kristallerin büyütülmesine yönelik yöntemler.

Epitaksiyel filmleri büyütme yöntemleri (sıvı ve gaz fazlarından epitaksi).

Moleküler ışın epitaksisi. Metal-organik epitaksi.

Yarı iletkenlere doping yöntemleri.

Yarı iletkenlerin parametrelerini belirlemenin ana yöntemleri: bant aralığı, serbest taşıyıcıların hareketliliği ve konsantrasyonu, azınlık taşıyıcıların ömrü, safsızlık konsantrasyonu ve derinliği ve kusur seviyeleri.

3. Temel bilgiler bant teorisi yarı iletkenler

Bant teorisinin temel yaklaşımları. Dalga fonksiyonu Bir kristalin periyodik alanındaki elektron. Bloch'un teoremi. Brillouin bölgesi. Enerji bölgeleri.

En önemli yarı iletkenler için dağılım yasaları. İzoenerjetik yüzeyler. Ters etkili kütle tensörü. Durumların yoğunluğu. Van Hove'un özellikleri.

Elektronların ve deliklerin hareket denklemleri dış alanlar. Etkili kütle yöntemi. Bir elektrik alanındaki enerji bantlarının eğriliği. Manyetik alanda elektronların ve deliklerin hareketi. Siklotron (diyamanyetik) rezonanstan etkin kütlelerin belirlenmesi. Bir yarı iletkenin bant yapısı ile optik özellikleri arasındaki ilişki.

Yarı iletkenlerdeki safsızlık merkezlerinin yarattığı enerji seviyeleri. Bağışçılar ve kabul edenler. Sığ ve derin seviyeler. Hidrojen benzeri safsızlık merkezleri.

4. Elektronların ve deliklerin denge istatistikleri
yarı iletkenlerde

Elektron dağılım fonksiyonu. Bantlardaki elektronların ve deliklerin konsantrasyonu, etkin durum yoğunluğu. Dejenere olmayan ve dejenere elektron (delik) gazı. Yerel düzeyde elektron ve delik konsantrasyonları. Safsızlık durumlarının dejenerasyonunun faktörleri.

Fermi seviyesinin konumu ve içsel ve safsızlık (telafi edilmemiş ve telafi edilmiş) yarı iletkenlerdeki elektronların ve deliklerin denge konsantrasyonu. Çok yüklü safsızlık merkezleri.

5. Kinetik fenomen yarı iletkenlerde

Kinetik katsayılar – iletkenlik, Hall sabiti ve termo-emk. Sürüklenme hızı, sürüklenme ve Hall hareketliliği, Hall faktörü. Sürüklenme ve difüzyon akımı. Einstein'ın ilişkisi.

İdeal olmayan bir kafeste yük taşıyıcı saçılma mekanizmaları. Yük taşıyıcılarının akustik ve optik fononlarla etkileşimi. Yük taşıyıcılarının yüklü ve nötr yabancı maddeler tarafından saçılması. Sıcak elektronlar. Negatif diferansiyel iletkenlik. Elektriksel dengesizlikler; elektriksel alanlar ve akım kabloları.

6. Elektronların ve deliklerin zeminde rekombinasyonu iletkenler

Dengesiz yük taşıyıcılarının üretimi ve rekombinasyonu. Yarı denge, yarı Fermi seviyeleri. Rekombinasyon kinetiği denklemi. Hayatın mevsimleri. Fotoiletkenlik.

Rekombinasyon mekanizmaları. Işınımlı ve ışınımsız rekombinasyon. Bantlar arası rekombinasyon. Safsızlık ve kusur seviyeleri aracılığıyla rekombinasyon. Yapışma merkezleri. Auger rekombinasyonu.

Yük taşıyıcılarının uzaysal olarak homojen olmayan dengesiz dağılımları. Ambipolar difüzyon. Dember etkisi. Dengesiz yük taşıyıcılarının difüzyon uzunluğu.

7. Temas olayları yarı iletkenlerde

Metal-yarı iletken kontağındaki enerji bantlarının şeması. Temas yakınındaki zenginleştirilmiş, tükenmiş ve uzay yükü ters çevirme katmanları. Schottky bariyerinin akım-gerilim özellikleri.

Enerji diyagramı p-n geçiş. Azınlık yük taşıyıcılarının enjeksiyonu p-n geçiş.

Heteroeklemler. Heteroeklemlerin enerji diyagramları.

Variband yarı iletkenler.

8. Yarı iletkenlerin yüzey özellikleri

Yüzey durumları ve yüzey bölgeleri. Yüzeye yakın bant eğriliği, yük ve potansiyel dağılımı. Yüzey rekombinasyonu.

Alan etkisi.

Tammov seviyeleri. Yüzey rekombinasyon hızı.

9. Optik olaylar yarı iletkenlerde

Kompleks dielektrik sabiti, kırılma indisi, yansıma katsayısı, soğurma katsayısı. Aralarındaki bağlantı ve Kramers-Kronig ilişkileri.

Bölgeler arası geçişler. Doğrudan ve dolaylı, izin verilen ve yasak geçişler durumunda kendi kendine soğurmanın sınırı. Eksiton emilimi ve emisyonu. Kendiliğinden ve uyarılmış emisyon.

Işığın serbest yük taşıyıcıları üzerinde soğurulması.

Işığın kafes titreşimleri yoluyla soğurulması. Kafes titreşimleriyle ışık saçılımı, optik fononlarla Raman saçılımı (Raman – Landsberg), akustik fononlarla saçılma (Brillouin – Mandelstam).

Safsızlıkların optik özellikler üzerindeki etkisi. Doğrudan boşluklu ve dolaylı boşluklu yarı iletkenlerde içsel soğurma kenarına yakın optik spektrumların safsızlık yapısı. Safsızlıklar arası ışınımsal rekombinasyon. Eksitonlar safsızlık merkezlerine bağlanır.

Dış alanlardaki optik olaylar. Franz-Keldysh etkisi. Pockels etkisi.

Burstein-Moss etkisi.

Faraday ve Voigt etkileri.

10. Fotoelektrik olaylar

Safsızlık ve içsel fotoiletkenlik. Dengesiz yük taşıyıcılarının yapışmasının fotoiletkenliğe etkisi.

Yerel seviyelerin ve ilgili efektlerin optik olarak yeniden şarj edilmesi. Termal olarak uyarılan iletkenlik.

Yük taşıyıcılarının ışıkla ısıtılması.

Fotoelektromanyetik etki.

11. Kristal olmayan yarı iletkenler

Amorf ve camsı yarı iletkenler. Kristal olmayan yarı iletkenlerin atomik matrisinin yapısı. Mükemmel cam. Hidrojenlenmiş amorf yarı iletkenler.

Düzensiz yarı iletkenlerin elektronik enerji spektrumunun özellikleri. Durumların yoğunluğu. Elektronik durumların yerelleştirilmesi. Hareketlilik boşluğu.

Kristal olmayan yarı iletkenlerin katkılanması.

Yük taşıyıcı transfer mekanizmaları. Atlamalı iletim. Mott Yasası.

Spektrum optik absorpsiyon kristal olmayan malzemeler Urbach'ın kuralı.

Durağan olmayan süreçler. Uçuş süresi ölçümlerinden sürüklenme hareketliliğinin belirlenmesi. Dağıtıcı aktarım.

Etkilemek dış etkiler Kristal olmayan yarı iletkenlerin özellikleri. Yarı kararlı durumlar.

12. Azaltılmış Boyutlu Yarı İletken Yapılar
ve üst kafesler

Boyutsal kuantizasyon. İki boyutlu ve yarı iki boyutlu elektronik sistemler ve bunların uygulandığı yapılar. Karşıt ve kovaryant bileşimsel üst örgüler, katkılı katkılı üst örgüler. Kuantum iplikleri. Kuantum noktaları. Bu sistemlerde elektronların enerji spektrumu ve durum yoğunluğu.

Kuantum kuyulu yapılarda optik olaylar, bantlar arası ve bant içi (alt bantlar arası) geçişler için seçim kuralları. Bu yapılarda bantlar arası soğurma ve ışınımsal rekombinasyon. Kuantum kuyularındaki eksitonlar, kuantum boyutunda Stark etkisi.

İki boyutlu yapılarda elektriksel ve galvanomanyetik olaylar. Shubnikov-de Haas etkisi. Genel bakış O kuantum etkisi Merhaba.

13. Yarı iletken cihazların çalışma prensipleri

Akım-gerilim karakteristiği p-n geçiş. Kullanan cihazlar p-n geçişler.

Tünel diyotu. Gunn diyot. Bipolar transistör. Tristör.

Metal yalıtkan-yarı iletken yapının enerji diyagramı

( TIR). MIS yapılarına dayalı alan etkili transistörler. Şarjlı cihazlar zehirli bağlantı

Yarı iletken cihazlarda gürültü.

Fotoseller ve fotodiyotlar. Spektral hassasiyet ve algılama yeteneği. Yarı iletken nükleer radyasyon dedektörleri. Fotoelektrik dönüştürücüler, dönüşüm verimliliği.

LED'ler ve yarı iletken lazerler. Çift heteroyapılara dayanan enjeksiyon lazerleri.

Yarı iletken cihazlarda nanoyapıların kullanımı. İki boyutlu heterotransistör elektron gazı(HEM). Kuantum kuyularına sahip yapılara dayanan heterolazerler ve kuantum noktaları. Çift bariyerli bir heteroyapıda rezonans tünelleme ve rezonans tünelleme diyotu. Kuantum boyutlu Stark etkisine dayanan optik modülatör.

Temel edebiyat

Bonch-Bruevich V.L., Kalaşnikof S.G. Yarı iletkenlerin fiziği. M.: Nauka, 1979.

Ziman J. Teorinin İlkeleri sağlam. M.: Mir, 1974.

Kireev P.S. Yarı iletkenlerin fiziği. M.: Daha yüksek. okul, 1975.

Shalimova K.V. Yarı iletkenlerin fiziği. M.: Energoatomizdat, 1985.

Zi S. Yarı iletken cihazların fiziği. M.: Mir, 1984.

Mott N., Mott E. Elektronik süreçler kristal olmayan fotoğraflar. M.: Mir, 1974.

Mott Yu.I. Yarı pr'nin optik özellikleri vodnikov. M.: Nauka, 1977.

Not. Teknik sınava hazırlanırken Bilimler gerekli özel ilgi programın 13. bölümüne bakın.

YARI İLETKENLERİN FİZİĞİ

Akademisyen A.F. Ioffe'nin öğrencileriyle birlikte genel olarak tanınan büyük bir katkı sağladığı bir diğer fizik alanı da yarı iletkenlerin fiziğidir. Bugün fiziği bu çok alakalı alan olmadan hayal etmek bizim için zor, ancak otuz ekstra yıllarönce, A.F. Ioffe konuyu ele aldığında sistematik araştırma Yarı iletkenlerin özellikleri nedeniyle birçok fizikçi bu çabayı oldukça eleştirdi. O zamanlar yalnızca metallerin ve dielektriklerin ciddi anlamda dikkate değer malzemeler olduğu görülüyordu. fiziksel araştırma. İletkenler ve yalıtkanlar teknoloji için önemli ve gereklidir, ancak yarı iletkenler, çoğu doğal bileşiği içermelerine rağmen, işe yaramaz ve umutsuz bir malzemedir. Ancak Akademisyen A.F. Ioffe, yarı iletkenlerin bugün teknolojide halihazırda oynadığı muazzam devrimci rolü parlak bir şekilde öngördü.

İlk başta pek çok şeyin yaratılması gerekiyordu - her şeyden önce, yeterince saf yarı iletkenler elde etmeye yönelik yöntemler ve yöntemler deneysel belirleme temel fiziksel özellikleri: akım taşıyıcılarının konsantrasyonu, iletkenlik türü (elektronik veya delik), taşıyıcıların hareketliliği vb. İlk olarak A.F. Ioffe ve öğrencileri tarafından oluşturulan bu yöntemlerin çoğu, daha sonra klasik hale geldi.

Ioffe'nin "okulu", çeşitli yarı iletken türlerinin elektriksel, galvanomanyetik, termoelektrik ve fotoelektrik özelliklerine ilişkin bir dizi öncü çalışma yürüttü.

Bir tanesi en önemli sonuçlar A.F. Ioffe ve çalışma arkadaşları tarafından elde edilen bulgular, safsızlıkların vücut üzerindeki muazzam etkisinin keşfiydi. elektriksel özellikler yarı iletkenler. A.F. Ioffe, safsızlıkların yalnızca yarı iletkenlerin iletkenliğini geniş bir aralıkta değiştirmekle kalmayıp, aynı zamanda akım taşıyıcılarının işaretini bile değiştirebileceğini, elektronik bir yarı iletkeni bir deliğe dönüştürebileceğini ve bunun tersini de gösterdi. Dahası, safsızlığın rolü yalnızca yabancı atomlar tarafından değil, aynı zamanda yarı iletkenin kendi atomları tarafından da fazlalıkları veya eksiklikleri ile oynanabilir. Örneğin, bir PbS yarı iletkenindeki kurşun atomlarının fazlalığı (stokiyometrik orana karşı) bu yarı iletkeni elektronik bir yarı iletken yapar ve aşırı kükürt onu bir delik yarı iletkeni yapar.

A.F. Ioffe formüle eden ve deneysel olarak kanıtlayan ilk kişiydi. modern fikirler yarı iletkenlerin düzeltme etkisinin mekanizması hakkında. Engelleme katmanının, iki yarı iletkenin farklı akım taşıyıcıları - elektron ve delik (modern terminolojide) ile teması sonucu oluştuğunu gösterdi. p-n-geçiş"). Bu durumda akım yalnızca elektronların ve deliklerin buluşup yeniden birleşecekleri kontağa doğru birbirlerine doğru hareket ettikleri yönde serbestçe geçebilir. Tersi durumda, elektronlar ve delikler birbirinden uzaklaşır ve içinde çok az sayıda akım taşıyıcısı kaldığı için temas katmanının iletkenliği keskin bir şekilde düşer. Bu çalışmalar yarı iletken doğrultucuların (diyotların) yaratılmasının yolunu açtı.

"Daltonitler" (ZnSb, Mg3Sb2, Mg2Sn, vb.) olarak adlandırılan bir dizi intermetalik alaşımın yarı iletken özelliklerinin incelenmesi - tipik siklik bileşikler değerlik bağı A.F. Ioffe, özellikleri geniş bir aralıkta değişen yarı iletkenler üretmek için bir yöntem yarattı.

Özellikle büyük ilgi AF Ioffe, araştırmalarını yarı iletkenlerin termoelektrik ve fotoelektrik özelliklerine adadı. Bu özellikleri kullanarak ısı ve ışık enerjisini doğrudan enerjiye dönüştürmek için yeni yöntemler oluşturmak mümkündür. elektrik enerjisi, daha güvenilir ve ekonomik.

A.F. Ioffe, termoelektrik jeneratörler ve termoelektrik buzdolapları teorisini (Pelte etkisini kullanarak) geliştirdi. modern teknoloji yeni ve geniş bir alan - yarı iletken enerji. Onun liderliğinde, çeşitli pratik uygulamalara sahip düzinelerce yeni tip yarı iletken cihaz ve enerji cihazı tasarlandı.

Bir Bilim ve Sanat Olarak Fizik Carl DARROW Amerikan Fizik Enstitüsü'nün kuruluşunun 20. yıldönümüne adanan bir toplantıda yaptığım konuşmadan, açıkçası fiziğin ne olduğunu tanımlayarak konuşmama başlamalıyım. Amerikan Fizik Enstitüsü bunu zaten formüle etti