11-ma’ruza: Har xil turdagi yarimo’tkazgichlarda fotoelektrik hodisalar

11-ma’ruza: Har xil turdagi yarimo’tkazgichlarda fotoelektrik hodisalar.

Anizotip geteroo’tishlarda fotoeffekt. Polikristall yarim­o’tkazgichlarda fotoelektrik hodisalar.
Kimyoviy tarkibi turlicha bo’lgan ikkita yarim o’tkazgichlar chegarasida paydo bo’ladigan o’tish sohasi geteroo’tish deb ataladi. Bunda yarim o’tkazgichlarning taqiqlangan zona kengligi, kristall strukturasi, o’tkazuvchanlik tipi farq qilishi mumkin.
Geteroo’tishlar to’g’irlagichlarni yasashda (Cd-Si), tunnel diodlarini olishda (GaAs-InP), tranzistorlarni (GaAs-Ge), injeksiyali lazerlarni (GaAs-Ga_1-xAl_xAs) mikrosxemalarni yasashda qo’llaniladi.
Geteroo’tishlarni hosil qilishda epitaksiyani o’stirishning gaz fazadan epitaksiya, vakuumda epitaksiya va suyuq fazadan epitaksiya o’stirish usullaridan foydalaniladi. Biz quyida arsenid galliyning epitaksial qatlamini germaniy kristali ustida o’stirish usulni qisqacha ko’rib chiqamiz.
Germaniy va arsenid galliyning kristall panjaralarining parametrlari bir-biriga yaqin bo’lganligi sababli geteroo’tishlar yuqori darajada mukammal bo’ladi va gaz fazadan arsenid galliyning epitaksial qatlamini germaniy kristali ustida o’stirish yo’li bilan olinadi. Yuqori darajada tozalikdagi arsenid galliyning mukammal strukturali epitaksial qatlamini quyidagi usullar bilan olish mumkin: GaAs ni gaz holatdagi HCl yordamida ko’chirish (GaAs-HCl sistema), gaz tashuvchi sifatida HCl dan foydalanib geteroepitaksiyani Ga va AsH₃ dan sintez qilish asosida (Ga-AsH₃-HCl cistema), gaz tashuvchi sifatida HCl dan foydalanib geteroepitaksiyani Ga va AsH₃ dan sintez qilish asosida (Ga-AsH₃-HCl cistema) va Ga-AsCl₂-H₂ sistemadan sintez qilish asosida geteroepitaksiya o’stiriladi.
Geteroo’tishlarda fotoeffekt.
Taqiqlangan zonalari kengligi har xil bo’lgan, zonalar tuzilishi, zaryad tashuvchilarning effektiv massalari, harakatchanligi bilan farqlangan ikki yarim o’tkazgichning sohalar chegarasida hosil bo’lgan qatlamni geteroo’tish (har xil, turli jinsli o’tish) deyiladi. Metall va yarim o’tkazgich kontaktini xususiy holda geteroo’tish deb qarash mumkin.
Geteroo’tishli yarim o’tkazgich asboblar ishlab chiqdrishda qo’llaniladigan materiallarning fizik va ximik jihatdan mutanosiblik (moslik) tomoniga ahamiyat beriladi, ya’ni kristall panjaralar doimiylarining, issiqlikdan kengayish koeffisiyentlarining mos kelmasligi oqibatida nomutanosiblik dislokatsiyalari paydo bo’lishi mumkin. Bu hol sohalar chegarasida katta zichlikka ega bo’lgan elektron holatlarining, takiqlangan zonada esa energetik sathlarning vujudga kelishiga sababchi bo’ladi.
Tebranma (siljigan) bog’lanishli dislokatsiya natijasida hosil bo’lgan sirtiy holatlar tutqich (tuzoq) rekombinatsiya markazlari vazifasini bajarib, geteroo’tishning elektrik va fotoelektrik xossalariga katta ta’sir ko’rsatishi mumkin. Ikki yarim o’tkazgich sohalar chegarasida oraliq qattik jismlar eritmasi (qorishmasi) qatlamining paydo bo’lishi kristall panjara doimiylari­ning, issiqlikdan kengayish koeffisiyentlarining miqdoran yaqinlashishiga olib keladi, natijada chegara sohasida kuchlanish kamayadi, plastik deformasiya yo’qoladi, elektr xossalar yaxshilanadi.
Chegara sohasida bir materialdan ikkinchisiga o’tish kancha masofada bo’lishiga qarab geteroo’tishlar keskin be ohista geteroo’tishlarga bo’linadi. Agar bunday o’tishlar bir necha atomlararo masofada bo’lsa, keskin geteroo’tish bo’ladi. Ko’pincha geteroo’tishlar yuqori temperaturada olinadi, natijada yarim o’tkazgichlarning elementlari o’zaro diffuziyalanishi va chegara sohasida qattiq jism eritmasini hosil qilishi mumkin. Bu hodisalar ohista geteroo’tishga olib keladi. Ohista o’tish kengligi zaryad tashuvchilarning bir necha diffuzion uzunligiga teng bo’ladi.
Bir xil tipdagi elektr o’tkazuvchanlikka ega bo’lgan, turli jinsli materiallardan yasalgan p — p, n— n o’tishlar izotip geteroo’tishlar deb ataladi, har xil tipdagi o’tkazuvchanlikka ega bo’lgan har xil yarim o’tkazgichlardan olingan n — p o’tish anizotip geteroo’tish deb ataladi.

Oldin chegaraviy holatlarni hisobga olmagan keskin geteroo’tishning energetik diagrammasini qurishni ko’rib chiqaylik. Geteroo’tishning Anderson modeliga Shoklining diod nazariyasi asos qilib olingan bo’lib, bunda yarim o’tkazgichlarning taqiqlangan zonalar kengligi, elektronning tashqi chiqish ishlari, ya’ni elektron yaqinlik energiyalari (xoi va x02), elektronning termodinamik ishlari (xi va xg), nisbiy dielektrik singdiruvchanlik (ei va yeg) har xil deb qaraladi. Nisbiy dielektrik singdiruvchanlikning chegara sohasida uzilishini elektr maydon induksiyasining uzluksizligi orqali hisobga olinadi:
Yarim o’tkazgichlarda taqiqlangan zonalar kengligi hamda elektron yaqinlik energiyalarining har xil bo’lishi o’tkazuvchanlik zonalari tubining va valent zonalar shipining chegara sohasida uzilishga olib keladi. Uzilish keskin pog’ona shaklida bo’lib, ularning kattaligi quyidagicha aniqlanadi:
(9)
Sohalar chegarasida zonalarning uzilish kattaligi ayrim holda ko’rilgan yarim o’tkazgichlarda qanday bo’lsa, geteroo’tishlarda ham shunday saqlanadi.

1-rasmda alohida-alohida ikki yarim o’tkazgichning hamda ideal n — p- geteroo’tishning energetik diagrammalari keltirilgan. Bu yarim o’tkazgichlar kontaktlashtirilgandan so’ng elektronlar almashinuvi natijasida muvozanat o’rnatiladi va o’tish chegarasida sohalarning ikki tomonida Fermi sathlari tenglashadi. Elektronlar uchun hosil bo’lgan potensial to’siq balandligi, ya’ni chegara sohasida elektron energiyalarining vakuum sathida uzilishi elektronning kontaktdagi potensial energiyalari ayirmasini belgilaydi hamda quyidagicha ifodalanadi:

Elektr maydon kuchlanganligi §" bo’lgan sohani hosil qilgan hajmiy zaryad hajmiy dipol ko’rinishida mavjud bo’ladi. Dipolning manfiy tashkil etuvchisi n- sohaning, musbat tashkil etuvchisi p- sohaning kambag’allashgan qatlamida hosil bo’ladi.
Kontaktdagi potensiallar ayirmasi yarim o’tkazgichlar orasida bo’lgani uchun quyidagi tenglik o’rinlidir:
(10)
bu yerda V_dn, U dp — mos ravishda p- va n- sohalardagi kontakt potensiallar ayirmasi — diffuzion potensiallardir. Agar hajmiy zaryad sohalarida erkin zaryad tashuvchilar bo’lmasa, Anderson modeliga muvofiq
(11)
tenglik o’rinli bo’ladi, bu yerda N_D2 N_M—n- va p- tip yarim o’tkazgichdagi donorlar va akseptorlar konsentrasiyalari. (9), (10) va (11) ifodalardan V_dn, V_dp, V_d tashkil etuvchilarni topish mumkin (1-rasm). Elektron p- tipli yarim o’tkazgichdan n- tipli materialga o’tish sohasida balandligi