O’zbekiston respublikasi oliy va o’rta maxsus ta’lim vazirligi urganch davlat universiteti huzuridagi Xiva qishloq xo`jalik texnikumining Agrotexnologiyalar va qxmye texnologiyasi kafedrasi

1.3.Yarim o‘tkazgich materiallaridagi nuqsonlar. Yarim o'tkazgich materiallariga kirishma atom lar kiritish
usullari

Metallardan farqli holda nuqsonlar yarim o‘tkazgich materiallarining barcha fizik xossalariga juda katta ta’sir ko‘rsatadi. Shuning uchun nuqsonlar tabiatiga va konsentratsiyasiga qarab, yarim o‘tkazgich materiallarining xossalarini maqsadli boshqarish mumkin. Yarim o’tkazgich materiallaridagi nuqsonlar o’lchamlariga qarab, xuddi boshqa qattiq jismlar kabi nuqtaviy, chiziqli va hajmli nuqsoniarga bo‘linadi.

Bundan tashqari yarim o‘tkazgich materiallarda nuqsonlar elektrfaol yoki elektr neytral holatda bo’lishi mumkin. Elektr faol nuqson deganda, kristall panjara nuqsonlari paydo bo’lishi bilan undagi tok tashuvchilar miqdori o‘zgaradi, ya’ni elektronlar va kovaklar konsentratsiyasini oshishi yoki kamayishi mumkin.Natijada yarim o‘tkazgich materiallarining o‘tkazuvchanligi o‘zgaradi. Bu metallarda uchramaydigan hodisadir.
Agar nuqsonlar yarim o‘tkazgich materiallarida elektron va kovaklaming o‘zgarishiga ta’sir etmasa bunday nuqsonlarni elektroneytral nuqsonlar deb ataladi.Elektr faol nuqsoniarga erkin elektronlar va kovaklami hosil qiluvchi kirishma atom lar, vakansiyalar va radiyatsion nuqsonlar kiradi. Erkin elektronlar va kovaklaming nuqson bo’lishiga sabab, erkin elektronlar kovalent boglanishni uzishi hisobiga paydo bo‘lganligi sababli bog‘lanishi buzilgan atom musbat zaryadlangan ion holiga o’tadi.
Kovak esa, kovalent bog’lanishi buzilishi hisobiga musbat ionga aylangan yarim o‘tkazgich materiallining asosiy atom holidir. Shuni ham ta’kidlash zarurki, kirishma atom larining hammasi ham elektr faol nuqsonlar bo‘lolmaydi. Agar kirishma atom larining valent elektronlari soni, yarim o‘tkazgich materiallining asosiy atom valent elektronlari soniga mos kelsa, bunday atom kovalent bog’lanishini to‘la ta’minlagani uchun, qo'shimcha erkin elektronlar va kovaklar hosil qilmaydi. Chiziqli nuqsonlarga-Dislokatsiya kiradi. Dislokatsiya ham elektr faol nuqson holatlarda uchraydi. Yarim o‘tkazgichlarda nuqsonlarni o‘z tabiatigako‘ra muvozanatdagi, nomuvozanatdagi va kvazi muvozanatdagi nuqsoniarga bo‘lish mumkin.
Muvozanatdagi nuqsonlarga berilgan tempratura energiyasi kT, mos keladigan kristall panjara nuqsonlariga aytiladi. Kristall o'stirilayotganda diffuziya yo‘li bilan kiritilgan barcha kirishma atom larining holati, o'stirilayotgan yoki diffuziya qilinayotgan haroratdan past hamma haroratlarda nomuvozanat holatda bo‘ladi. Bunday nuqsonlar albatta vaqt o‘tishi bilan asta-sekin o‘z muvozanatholatiga qaytishi mumkin. Eksiton deb-o‘zaro bog‘langan va doimo birlashib harakat qiladigan elektron va kovaklar juftiga aytiladi. Eksiton o‘ta past haroratlarda mavjud bo‘ladi. Eksitonlar eiektr faol nuqsonlar emasdif.
Yarim o'tkazgich materiallarida kirishma atom lar holati yuqorida ko'rsatilgandek kirishma atomlari elektr faol va neytral holatlarda bo'lishi mumkin. Elektr faol kirishma atomlar o'z tabiatiga ko‘ra 3 xil vaziyatda uchraydi.
Agarda kirishma atom lardagi valent elektronlar soni yarim o'tkazgichdagi asosiy atom lami valent elektronlaridan ko'p bo'lsa, ularda qo'shimcha erkin elektronlar paydo boladi.
Bunday atomlar-donor kirishma atomlari deb ataladi. Agar kirishma atom iaming valent elektronlami soni yarim o'tkazgich materiali asosiy atom larini valent elektronlari sonidan kam bo'lsa, kovaklar paydo qiladi. Bunday kirishma atom lar-akseptor kirishma atom lari deb ataladi.
Ba’zi bir kirishma atom lar yarim o'tkazgich kristall panjarasida elektronlami kovaklami ham o'zgarishiga olib kelishi mumkin, bunday kirishma atom lar amfoter kirishma atom lar deyiladi.
Yuqorida keltirilgandek, yarim o'tkazgichlaming fizik xossalarini ya’ni, ularni o'tkazuvchanlik, fotosezgirlik va magnit hossalarini juda katta ko'lamda boshqarishning asosiy yo'li bu bunday materiallarga kerakli va aniq konsentratsiya miqdorida kirishma atom lar kiritishdir.
Hozirgi zamon texnologiyasi bo'yicha kirishma atom lar 3 xil yo'l bilan kiritiladi. Kristallami o'stirish jarayonida, diffuziya va ion implantatsiya usuli bilan. Monokristallami berilgan yo'nalish bo'yicha o'stirish usullarini eng asosiylaridan biri bu Choxlar usulidir.
Ushbu usul bilan o'stirilgan kremniy monokristali quydagi 1.3.1 rasmda keltirildi. Bunda maxsus kvars tigillarda yarim o'tkazgich materiallari suyultirilgan holda bo'lib, bunday suyuqlik yuzasiga aniq yo'nalishiga ([ 1 1 1 ], [ 1 1 0 ], [ 1 0 1 ]) ega bo'lgan ingichka monokristali (zatravka) tushuriladi. Zatravka suyuq yarim o‘tgazgichga tekkanidan so‘ng, u o‘z o‘qida aylanish bilan birga asta sekin (К З mm) yuqoriga minutiga ko‘tarila boshlaydi. Natijada o‘sha zatravka yo‘nalishiga mos holda, suyuq jism kristall holiga aylanadi.

1.3.1— rasm. Choxlar usuli bilan olingan Si monokristali.
Bunda suyuq holdagi eritmaga bo’lajak monokristallning qanday fizik parametrlariga ega bo‘lishini ta’minlaydigan Bor, Fosfor, Mishyak yoki boshqa kirishma atom larini kerakli miqdorda qo‘shib, ularning butun suyuqlik bo‘yicha tekis taqsimoti ta’minlanadi. Kirishma atom larining bunday usul bo‘yicha kiritilishi, oMchamlari har xil ammo bir xil fizik parametrlarga ega bo’lgan monokristallami olish uchun ishlatiladi. Kirishma atom larining yarim o‘tkazgich kristallariga kiritishning ikkinchi usuli bu diflfuziya usuli yordamida bajariladi.
Bu usulda asosan kirishma atom larini ma’lum bir yupqa qatlamlarda hosil qilish uchun ishlatiladi. Bunday usulda kiritilayotgan kirishma atom lar konsentratsiyasi, uning diflfuziya qilinayotgan haroratidagi eruvchanligi, qancha qalinlikka kirishi esa diflfuziya koefsiyenti bilan chegaralanadi. Diflfuziya usuli zamonaviy mikrosxemalar va diskret yarim o‘tkazgichIi asbobiami yaratish jarayonida asosiy texnologik jarayon hisoblanadi. Kirishma atom lar kiritishning uchinchi usuli bu, kirishma atom larini vakuumda maxsus yoMlar bilan ularning energiyasini oshirib, kristall yuzani kirishma atom lar bilan bo’lbardimon qilishdir.
Natijada kirishma atom lar ionlar energiyasiga mos holda yuzadan bir necha 10 A0 dan bir necha 100 A0 gacha chuqurlikka kiradi, ya’ni yarim o‘tkazgich materialining sirt yuzasidagi o‘ta yupqa qatlam kirishma atom lari bilan boyitiladi. Bunday usulda kiritilgan atom larni elektr faol holiga keltirish uchun kristall ma’lum tempraturaga qizdiriladi, bundan tashqari kirishma atom larning ionlari bilan bo’lbardimon qilinganda kirishma atom lari yetib borgan joygacha radiatsion nuqsonlar hosil bo’ladi, agar ionlar energiyasi va dozasi yuqori bo’lsa unda kristall yuzasi amorf holga kelishi mumkin.
Bu usuldan foydalanganda kristall yuzasida xohlagan konsentratsiyadagi kirishma atom lami paydo qilish mumkin.
Diffuziya usuli bilan kirishma atom lami kiritish hozirgi zamon mikroelek-tronikasida xar xil murakkablikdagi integral sxemalami yaratish texnologiyasining eng asosiy etaplaridan hisoblanadi.
Diffuziya jarayoni 2 ta asosiy bosqichlaridan: kirishma atom lar eruvchanligi va ularning diffuziya koeffisienti bilan aniqlanadi. Eruvchanlik berilgan haroratda diffuziya yo’li bilan kristallga kiritish mumkin bo’lgan atom lar konsentratsiyasidir. Eruvchanlik, kirishma atom lar radiusi, massasi va ularni tashqi elektron qobig‘idagi elektronlar soniga, asosiy yarim o‘tkazgich atom iaridan qanchalik farq qilganligiga bog’liq. Bu farq qancha katta bo‘lsa, kirishma atom larining kristall panjara tugunlarida joylashish ehtimolligi shuncha kam bo’lishi bilan birga ularning eruvchanlik qiymatlari ham kam bo’ladi. Agar kirishma atom lar bilan yarim oMkazgichning asosiy atom lari orasidagi tafovud qancha katta bo’lsa, bunday holda kirishma atom lar kristall panjara oraligMda joylashish ehtimolligi katta bo’ladi. Bunday kirishma atom lari yarim o‘tkazgich materiallaming Krista panjaralarida tugunlar aro joylashgan nuqsonlarni hosil qiladi. Bundaylarga: Si ga Zn, Fe, Ni, Co ... lami misol qilish mumkin.

1.3.2- rasm.
a). Diffuziyajarayonida SimonokristaligaNi atom larkiritilayotgan jarayonida infraqizil nurli mikroskopidayordcmida olingan tasvir
b) solishtiriluvchi namuna.
Agar kirishma atom lar bilan yarim o‘tkazgich materialining asosiy atom lari orasidagi tafovud qancha kam bo’lsa atom lami kristall panjara tugunlarida joylashish ehtimoliigini o’lchamlari katta bo’lishi bilan birga uiaming eruvchanligi ham yuqori darajada bo‘ladi. Bunday yarim o‘tkazgich materiallar o‘rindosh kirishmali qattiq jism deb ataladi. Masalan, Si uchun B, In, Ga, P, As, Sb . . .kabi atom lami misol qilish mumkin.
Kirishma atom laming eruvchanligini haroratga bog’liqligi
quyidagicha aniqlanadi;
(1)
Bunda N-berilgan haromtda kirishma atom lami eruvchanligi, kBoltsman doimiysi, T-harorat, Er-eruvchanlik energiyasi, N0-tempratura cheksiz bo’lganda eruvchanlik qiymati. Kirishma atom laming yarimo‘tkazgich material sirtidan diffuzuya natijasida hajm bo‘ylab kirib boorish tezligini ko‘rsatadigan kattalik bu diffuziya koeffisiyentidir. Diffuziya koeffisienti qiymati ham kirishma atom lari parametrlari va diffuziya tezligiga bogiiq.
(2)
D₀-tempratura cheksiz bo’lgandagi diffuziya koeffisienti, Eddiffuziyaning energiya faolligi (ya’ni atom laming kristall panjara ichida bir muvozanat holatdan ikkinchi muvozanat holatga o‘tishi uchun zarur bo’lgan energiya). Agar kirishma atom lar tugunlar bo‘yicha diffuziya qilinadigan bo’lsa, unda Ed ni qiymati tugunda turgan atom ning 3 ta qo‘shnisi bilan bog’lanishni uzishi uchun kerak bo’lgan energiya ham atom qo'shni tugun joyiga o‘tishi uchun u yerda vakansiya paydo bo’lishi uchun kerak energiyalar yig‘indisiga teng bo‘tadi. Bunday kirishma atom lar uchun Si da Ed qiymati Ed=3-^5 eV ga teng bo’ladi.
Agar atom tugunlar aro diffuziya qilinayotgan bo‘lsa, unda Ed qiymati atom turgan tugunlar aro joyidan qo‘shni joyga o‘tishi uchun zarur bo’lgan energiyalar bilan, atom 2 ta tugun o‘rtasidan o‘tayotganda tashqi qobiq elektronlar o‘zaro itarilish kuchlarini yengishi uchun sarf qilinayotgan energiyalar yig‘indisiga teng bo‘Iadi. Bunday kirishma atom lar uchun Ed qiymati Е<г=0,5+2,5 eV atrofida bo’lishi mumkin.
Masalan Li va Fe atom larining Si da T=1000°C haroratdagi diffuziya koeffitsiyenti lAr'lO3 cm2/s, Dpe-lO'6 cm2/s.Bor (B) yoki fosfor (P) ni T=1200°C haroratda difiuziya koeffitsiyenti DB=10‘I-cm2/s, Dp=2-1 O'12 cm2/s ga teng bo’ladi.

1.3.3-rasm.Si kristaliga ba’zi elementlarni diffuziya yo’li bilan kiritish.
Diffuziya jarayonida berilgan vaqtda kirishma atom larning hajm bo‘yicha taqsimoti diffuziya vaqtida kirishma atom lar miqdoriga qarab 2 xil bo’lishi mumkin.
Agar diffuziya jarayonida jism sirtidagi yoki diffuziya kechayotgan muhitda kirishma atomlar konsentratsiyasi, kirishma atomlarning diffuziya bo’layotgan haroratdagi eruvchanligidan juda katta bo’lsa, ya’ni diffuziya jarayonida kirishma atomlarning sirtdagi qiymati deyarli o’zgarishsiz qolsa, bunday holatni chegaralanmagan manbadan diffuziya deyiladi va uning taqsimot quyidagi tenglik bilan aniqlanadi:
(3)
bunda D - diffuziya koeffsiyenti, t - diffuziya vaqti, x – diffuziya chuqurligi, Ns - kirishma atom larning sirtdagi konsentratsiyasi.

1.3.4-rasm. (ti )Cheksiz manbadan diffuziya qilinganda kirishma atom larining taqsimoti. Bunday holat o‘zgarmas manbadan bo‘layotgan diffuziya holati deyiiadi.
Agar diffuziya jarayonida kirishma atom larning jism sirtidagi konsentratsiyasi o4zgarib boradigan bo’lsa, bunday holni chegaralangan manbadan diffuziya deyiiadi va uning taqsimoti quyidagi tenglik bilan aniqianadi:
(4)
bunda Q- diffuziya vaqtida 1 sm 2 yuzadan yarim o’tkazgichga kiritlgan kirishma atom lari miqdori , D-diffuziya koeffisienti, t-diffuziya vaqti, x- diffuziya chuqurligi.

1.3.5-rasm. (ti>tT>t3) Chekli manbadan diffuziya qilinganda kirishma atom lari taqsimoti (turli xil vaqtda diffuziyalangan).
Kirishma atomlaming kristallda eruvchanligi - berilgan haroratda diffuziya natijasida kristallga kiritish mumkin bo‘lgan atom lar konsentratsiyasiga aytiladi. Demak, shu haroratdagi eruvchanlikdan ortiqcha atom lami kristall panjaraga kiritish mumkin emas. Eruvchanlik haroratga bog‘liq bo‘lib, harorat oshishi bilan eksponensial qonuniyat bilan oshib boradi va quydagi munosabat bilan aniqlanadi:
(5)
bunda No - T = oo bo'lgandagi eruvchanlik, E – eruvchanlik energiyasi, к - Bolsman doimiysi. Kristall panjaraga diffuziya usuli bilan kiritilgan kirishma atom lar har xil holatlarda boiishi mumkin - faqat tugunlarda joylashishi, faqat tugunlar aro joylashishi hamda boshqa atom lar yoki nuqsonlar bilan birikmalar hosil qilishi mumkin.
Nazariy hisoblashlar ko‘rsatadiki, kirishma atom laming tugunlarda joylashishi uchun quyidagi shartlar bajarilishi lozim, yarim o‘tkazgichning asosiy atom laming va kirishma atom lar radiuslari birbiriga juda yaqin bo‘lishi va ularning farqi 14% dan oshmasligi kerak.
Shu bilan birga asosiy va kirishma atom lari tashqi qobig‘idagi elektronlar soni ham juda kam farq qilishi kerak. Masalan, Ge atom larining valent elektronlami soni, atom radiusu hamda kristall tuzilishlari Si atom laridan juda kam farq qilganligi uchun Ge va Si kristallarida cheksiz eruvchanlik xususiyatiga ega. Kirishma atom laming tugunlar aro joylashishi uchun kirishma atom lardan asosiy atom ning radiusi qancha kam bo‘lishi va ularning valent elektronlari, yarim o‘tkazgichning asosiy atom larini valent elektronlardan qancha ko‘p farq qilishi asosiy sabab hisoblanadi.
Masalan, Li atom lari kremniy kristallida 100% tugunlar orasida joylashadi. Ammo juda ko‘p kirishma atom lari bir vaqtning o’zida ham tugunlarda ham tugunlar orasida joylashishi mumkin. Masalan, Си, Fe, Mn, M-atom lari kremniyda shunday holatlarda bo’ladi. Kirishma atom larning diffuziya koeffsiyenti bilan, ularni eruvchanligi o‘rtasida ma’lum bog’lanish bor, ya’ni diffuziya koeffsiyenti qancha katta bo’lsa, ularning eruvchanligi shuncha kam bo’ladi.
Diffuziya yo’li bilan kiritilgan atom larning hammasi ham elektrofaol bo’lmaydi, ya’ni ta’qiqlangan sohada biror energetic sath hosil qilib, qo‘shimcha electron yoki kovak hosil qilmaydi. Bunday xususiyatga ko’proq diffuziya koeffsiyenti katta bo’lgan va asosan tugunlar orasida joylashgan kirishma atom lari ega bo’ladi.
Masalan, nikel kirishma atom larining T=1250°C da eruvchanligi N=(4+5)10n sm' 3 ga teng, ulardan faqat 4 1 0 14 sm‘ 3 gina elektrfaol atom hisobida ikkita akseptor energetic sathini hosil qiladi. Kiritilgan atom larning asosiy qismi 99.9% I elektroneytral holatda qolib, har xil nuqsoniar bilan birikmalar hosil qiladi. Shunday xususiyatga Fe, Mn, Co, Cd.... va boshqa elementlar ham egadir. Kirishma atom larning eruvchanligiga ta’sir etadigan yana bir kattalik bu ularning segregatsiya koeffsiyenti - к hisoblanadi. Bu kattalik kirishma atom larining yarim o‘tkazgich materiallarida ularning erigan (Ny) (suyuq) va qattiq jism (Ns) azot holatlarini ya’ni fazaviy muvozanat holatidagi konsentratsiyalaming nisbatiga tengdir.
(6)
к — kirishma atom lar tabiatiga bog’liq bo’lib, u qancha katta bo’lsa, ya’ni Iga yaqinlashsa, uning eruvchanligi shuncha katta bo’ladi. Quyida kremniy kristallida ba’zi kirishma atom larning eruvchanligi va segregasiya koeffsiyentining qiymatlari keltirilgan:

2-jadval. Kremniyda kirishmalaming eruvchanlik va segregasiy koeffisiyenti.

Shuni ta’kidlash lozimki, ba’zi kirishma atom laming eruvchanligi hamma vaqt ham yuqoridagi ifoda bilan aniqlanmaydi. Ularning eng katta eruvchanligi ma’lum haroratgacha o‘sib borib keyin kamayadi. Masalan, Cu atom larini kremniyda eng katta eruvchanligi T=875°C da N =41016 sm' 3 ga teng bo‘lib, keyin harorat oshishi bilan kamayadi.