2.3 P – n өтуін жасауда диффузиялық әдіс

p – n өтуін жасауда диффузиялық әдіс арқылы қорғайтын қышқылдық қабаты бар жартылай өткізгішті пластинкалар алдын ала фотолитографиялық өңдеуге шалдығады. Пластинаның бетінде берілген конфигурация ауданы құрылады. Фотолитографиядан кейін бұл «терезелер» арқылы жартылай өткізгішті пластинаға қоспалардың диффузиясын өткізеді және p – n өтуін алады.^[2]

Электрлік сипаттамалары берілген жартылай өткізгішті құралдарды жасау үшін электро өтімділіктің әр түрлі типімен кристал ауданының өлшемі өте дәл болу керек. Кристалдың жеке аудандарының конфигурациясы балқыма өтуде температураның тұрақты дәлділігіне, пластинка қалыңдығына, балқу уақытына және қоспалар санына байланысты болады. Кез келген көрсеткіштің ауытқуы номиналды мәнінен жартылай өткізгішті құралдардың электрлік параметрлерін үлкен шашырауға әкеледі. Диффузия көмегімен жақсы p – n өтулер құрастыруға болады, өйткені диффузиялық үрдіс өте ақырын және жақсы басқарылады.^[19]

Әр түрлі типті электро өтімділікті жартылай өткізгіштердің шекарасының арасында электронды – тесікті өтуді құрастыру кезінде зарядтардың жылжымалы тасушыларында үлкен концентрацияның градиенттері пайда болады. Бұл p және n – типті жартылай өткізгіштердің арасындағы шекарасы арқылы диффузионды тоқтар (электронды n – ауданнан, тесікті p – ауданнан) өтуіне әкеп соқтырады. Негізгі тасымалдаушылардың кету нәтижесінде n – ауданында донорлы атомдардың оң зарядталған иондары, ал p – ауданында акцепторлы атомдардың теріс зарядталған иондары болатын жартылай өткізгіштер шекарасында электр өтімділіктің әр түрлі типтерімен біріктірілген қабат жасалады. Микрометр созылуының ондық бөлігінде бұл екі қабат p – n өтуі болып табылады. (10, а - сурет).

10 Сурет. P – n өтуінің құрылымы және вольтамперлік сипаттамасы (г)

p – n өтуіне орналасқан екі қабат қозғалмайтын электрлік зарядтар ішкі электрлік өрісін тудырады. әр түрлі электр өтімділігі бар жартылай өткізгіштердің шегіне n -аумақтық бөлігі оң зарядталады, ал р -аумақтық бөлігі теріс зарядталады. Соның арқасында п және р аудандарының арысында потенциалдар айырымы, яғни жартылай өткізгішті кристалдың тасымалдаушыларының қозғалысына кедергі келтіретін және негізгі емес тасымалдаушылардың қозғалысына әсер ететін потенциалдық кедергі пайда болады. p – n өтуінің электрлік өрісі әсерінен тесіктер n -ауданыныа р -ауданына, ал электрондар кері бағытта жеңіл орын ауыстырады. Бірақ тесіктер р -ауданынан n -ауданына және электрондардың n -ауданынан р -ауданына өтуі қиындатылған, яғни n – р өтуінің электрлік өрісі диффузиялық тоқтың ұлғаюына кедергі келтіреді және n – р өтуі арқылы өтетін

тоққа кедергі келтірілмейді. Сыртқы кедергі болмаған жағдайда донорлық және акцепторлық иондардың зарядтары, теріс бағытта өтетін диффузиялық тоқтар өзара концепцияланатын тепе-теңдік орнатылады. Бұл жағдайда р – n өтуі электрлік бейтарап болып табылады, ал оның бойымен өтетін тоқ нөлге тең.

Егер электронды – тесіктік өтуі құрылған жартылай өткізгішті р – n өтуіне сыртқы кернеуді жалғасақ, онда өтудің үлкен кедергісіне байланысты кристалдың басқа бөлігінің кедергісімен салыстырғанда ол тек қана р – n өтуіне ғана оң болады. Сыртқы кернеу электронды-тесіктік өтуінде тепе-теңдік бұзылады да тоқ пайда болады.

Егер сыртқы кернеу көзінің оң полюсін р – n ауданға қоссақ, онда потенциалдық кедергінің биіктігі кішіриеді. Ал зарядтардың негізгі тасымалдаушыларының диффузиялық тоғы күрт өседі. Бұндай р – n ауданының қосылуын тура деп атайды. (10 сурет,б) р – n өтуінің тура қосылуында зарядтардың тасымалдаушылардың олардың негізгі емес болып табылатын жартылай өткізгішті кристалды ауданына басым өтуі жүреді, сондықтан р – n өтуінің осы жұмыс істеу режимін негізгі емес тасымалдаушылардың инжекция режимі деп атайды. Егер сыртқы кернеудің полярлығын өзгертсек онда р – n өтуіндегі потенциалдық кедергісінің биіктігі төмендейді. U = -0.5B болған жағдайда диффузиялық тоқ тоқтатылады және сыртқы кернеу өскенде р – n өтуінен тек қана кері деп аталатын тоқ өтеді. Негізгі емес тасымалдаушылардың саны негізгі тасымалдаушыларға қарағанда аз болғандықтан, өту арқылы өтетін тоқтың шамасы тура қосылған байланыстағы тоққа қарағанда үлкен болмайды және сыртқы кернеудің өзгеруінің кең шектерінде тұрақты болады.

Осы негізде p – n өту симметриялы емес вольт – амперлі сипаттамаға ие болады (10 сурет,г).

Тікелей қосқанда оның бойынан үлкен тік тоқ өтеді, ал кері қосқанда білінбейтін кері тоқ өтеді, яғни өткізгіштің өзіндік электр өтімділігімен анықталатын және ортаның температурасына тікелей тәуелді болатын ток. Мысалы, германийлы жартылай өткізгішті аспаптарда p – n өтудің кері тоғы әр бір 100 С температураның көтерілуінде екі еседей өседі.

p – n өтуінде кері кернеуде кері токтың тез өсуі бақыланады. Бұл құбылыс p – n өтудің пробойы деп аталады. өтудің пробойы жеткілікті күшті электрлік аймақта, негізгі емес заряд тасымалдаушылар жартылай өткізгіштің атомы тездеткен кезде пайда болады.

Иондауда электрон мен тесіктер пайда болады, олар жылдамдықтарды көбейтіп, атомдарды қайта иондалады және т.б., соның салдарынан диффузиялық ток өту арқылы тез өседі, ал p – n өтудің вольтамперлік сипаттамасында үлкен кері кернеудің аумағында кері токтың секіруі пайда болады. Пробойдан кейін өту шамасынан тыс жылыту кезінде оның құрылымының қайтымсыз өзгеруі болған кезде реттен шығады,жылулық пробойда байқалатынын айтып өтуі керек. Егер де p – n өтуде бөлінетін қуат рұқсат етілген деңгейде жарайтындай болса, ол пробойдан кейінде жұмыс істеу қабілетін сақтайды. Осындай пробой электрлік (қалыпқа келетін) деп аталады.^[8]