Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың ерекшеліктері
Қaзaқcтaн Pecпyбликacы Бiлiм жәнe ғылым миниcтpлiгi
Қожа Aхмет Яcayи aтындaғы Xaлықapaлық қaзaқ-түpiк yнивepcитeтi
Жapaтылыcтaнy фaкyльтeтi
Физикa кaфeдpacы
Жалғасбай Ақмарал Закарияқызы
Кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу және қолдану
ДИССЕРТАЦИЯЛЫҚ ЖҰМЫC
7М05328 мaмaндығы бoйыншa - Физикa
Түpкicтaн 2021
МAЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
1 КЕҢ ЗОНАЛЫ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ МАТЕРИАЛДАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
1.1 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың ерекшеліктері ... ... ... ...
1.2 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды қолдану ... ... ... ... ...
1.3 Кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..
2 ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ӘДІСТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ..
2.1 Мырыш оксидінің төмен өлшемді қабаттарын синтездеу ... ... ... ... ... ... ..
2.1.1 ZnO 2D Наноқұрылымдарының электрохимиялық синтезі ... ... ... ... ...
2.1.2 Мырыш оксиді нанобіліктері мен нанотүтікшелерінің электрохимиялық синтезі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
2.2 ZnO наноқұрылымдарының бетіндегі CdS нанобөлшектерін синтездеу ..
2.3 ZnOAgCdS нанокомпозиттерін синтездеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
2.4 Aлынған үлгілерді талдау үшін пайдаланылатын жабдық ... ... ... ... ... ... .
3 СИНТЕЗДЕЛГЕН ЖӘНЕ ИЕРАРХИЯЛЫҚ БЕЗЕНДІРІЛГЕН ZnO МАССИВТЕРІНІҢ МОРФОЛОГИЯСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫНЫҢ СУДЫҢ ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЯЛЫҚ БӨЛІНУІНЕ ӘСЕРІ ... ... ... ... .
3.1 Электрохимиялық әдіспен тұндырылған нанобіліктер мен мырыш оксидінің нанотүтікшелерінің қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3.2 ZnOCdS композициялық материалдарының қасиеттері ... ... ... ... ... ... ...
3.3 ZnOAgCdS композициялық материалдарының каталитикалық қасиеттерін фотоиндукцияланған судың ыдырауы кезінде зерттеу ... ... ... ...
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
КІРІСПЕ
Зерттеу жұмысының өзектілігі. Қазіргі жартылай өткізгіштер физикасында ең жылдам дамып келе жатқан екі бағыт бар: 1) құрылымдардың геометриялық өлшемдерінің өзгеруіне байланысты материал қасиеттерінің өзгеруі, яғни наноқұрылымдардың физикасы; 2) жаңа жартылай өткізгіш материалдарды әзірлеу және зерттеу.
Қазіргі кезде кең зоналы жартылай өткізгіштерді зерттеу маңызды орын алады. Si және GaAs − қа қарағанда тыйым салынған аймақтардың мөлшері бұл материалдарға келесі артықшылықтарды береді:
oo Жұмыс температурасының жоғарылауы,
oo олардың негізінде спектрдің көрінетін аймағында жарық шығаратын құрылғыларды құру мүмкіндігі,
oo сынудың сыни өрісінің жоғары мәні,
oo үлкен радиациялық тұрақтылық.
Оптоэлектрониканың және практикалық қолданудың басқа да салаларының дамуымен, атап айтқанда жоғары температуралы аспаптар мен фотондармен зарядталған бөлшектерді детектеу әдістемесімен, кең зоналы жартылай өткізгіштерге деген қызығушылық артуда. Сонымен қатар, радиолампалармен салыстырғанда жартылай өткізгіштер құралдардың көлемі мен салмағы аз, электрлік және механикалық беріктігі жоғары болады, олар ұзақ уақыт қызмет ете алады және электр энергиясын аз пайдаланады. Осындай қолайлы қасиеттеріне орай жартылай өткізгіштерді әскери радиотехникалык аппаратураларда жиі қолданады.
Зерттеу жұмысының мақсаты - кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу және олардың құрамына, кристалдау процестеріне және құрылымына термиялық өңдеудің әсерін зерттеу.
Зерттеу жұмысының мақсаты келесі міндеттердің орындалуын қажет етеді:
- Біртекті 1D және 2D массивтерін қалыптастыру үшін ZnO құрылымдарының электрохимиялық синтезінің режимдерін жасау.
- Фотоэлектрохимиялық реакцияның максималды тиімділігіне қол жеткізу үшін ZnO матрицалық массивтеріне тұндырылған CdS пленкасының көлденең өлшемдерінің оңтайлы мәндерін анықтау.
- ZnO және ZnOCdS, ZnOAgCdS негізіндегі фотобелсенді материалдардың тозу дәрежесін фотоиндукцияланған фотоэлектрохимиялық процестерінде белгілеу.
Зерттеу жұмысының объектісі: ZnOCdS, ZnOAgCdS төмен өлшемді 1D және 2D құрылымдарының қабаттары гидротермалдық, электрохимиялық, spin-coating, layer-by-layer әдістерімен судың фотоиндукцияланған буынындағы фотоэлектрохимиялық қасиеттерін зерттеу үшін алынған.
Зерттеу жұмысының пәні: Гидротермалдық, электрохимиялық, spin-coating, dip coating, layer-by-layer әдістерімен алынған төмен өлшемді 1D және 2D ZnO құрылымдарының және ZnOCdS, ZnOAgCdS композиттерінің морфологиясының, құрылымының, оптикалық, физика-химиялық қасиеттерінің судың бөлінуінің фотоэлектрохимиялық процестеріне әсері.
Зерттеу жұмысының әдістері мен әдістемелері: Зерттеудің әдістемелік негізі наноөзектерді, нанопласттарды және ZnO нанотүтіктерін, нано объектілер мен жұқа CdS қабыршақтарын, күміс нанобөлшектерді электрохимиялық, гидротермалдық, spin-coating және layer-by-layer әдісімен синтездеу әдістемесі болып табылады; ZnO қабыршақтарын және ZnOCdS, ZnOAgCdS композитті материалдарын сканерлеуші электронды микроскопия, рентгендік дифрактометрия, люминесцентті микроскопия әдісімен зерттеу. спектроскопия, УКкөрінетін спектроскопия, электронды импеданс спектроскопиясы, потенциостатикалық және вольтамперлік өлшеулер.
Зерттеу жұмысының ғылыми жаңалығы мен теориялық маңыздылығы: Бұл зерттеудің ғылыми жаңалығы - жарықтың әсерінен суды бөлуге арналған тиімді ФОТОСАНОДТЫ жасау үшін кең және тар зоналы жартылай өткізгіш микро- және нанокристалды материалдар мен композиттерді синтездеудің технологиялық жағдайларын эксперименттік анықтау, сонымен қатар ZnO нано - ұстағыштарын (0001) электрохимиялық әдіспен сұрыптау, бұл нанопласттар мен мырыш оксидінің нано-ұстағыштарымен салыстырғанда жақсы электронды тасымалдау қасиеттері бар құбырлы құрылымдардың пайда болуына әкеледі.
Зерттеу жұмысының практикалық құндылығы: ZnOAgCdS - балама энергия үшін маңызды қасиеттерге ие жаңа наноқұрылымды материалдар және оларды күн сәулесінің әсерінен сутегі отынын шығару үшін фотоэлектрохимиялық жүйелердің элетродтары ретінде пайдалануға болады. Фотоэлектродтардың белсенді қабаттары әртүрлі химиялық реакцияларды жүзеге асыру үшін фотокаталитикалық жүйелер ретінде қызмет ете алады. Наноөзектердің, нанопласттардың және мырыш оксиді нанотүтікшелерінің біртекті массивтері және оларға негізделген композициялық материалдар күн элементтерінде, газ датчиктерінде, оптоэлектрондық құрылғыларда, пезоэлектрлік құрылғыларда және т. б.
Зерттеу жұмысының базасы: Зерттеу жұмысының тәжірибелік базасы Қазақстан-Британ техникалық университетінің Нанотехнология лабораториясы болып табылады.
Зерттеу жұмысының құрылымы мен көлемі:
1. КЕҢ ЗОНАЛЫ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ МАТЕРИАЛДАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
1.1 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың ерекшеліктері
Кең зоналы жартылай өткізгіштер - бұл қарапайым жартылай өткізгіштермен салыстырғанда салыстырмалы түрде үлкен тыйым салынған аймақ бар жартылай өткізгіш материалдар. Кремний сияқты қарапайым жартылай өткізгіштерде 1 - 1,5 электронвольт (эВ) диапазонында тыйым салынған аймақ бар, ал кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарда 2 - 4 эВ диапазонында тыйым салынған аймақ бар [1]. Әдетте кең зоналы жартылай өткізгіштер қарапайым жартылай өткізгіштер мен оқшаулағыштар арасында болатын электрондық қасиеттерге ие.
Коммерциялық микроэлектроника, оптоэлектроника, гибридті электромобильдер, сымсыз нарық, радиожиілік генераторлары, икемді айнымалы ток беру жүйелері (фактілер) және басқа да дәстүрлі әскери қосымшалар кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың мүмкіндіктері мен тиімділігі жоғары дамыған схемалар мен ішкі жүйелерді қажет етеді. Барлық осы жақтаулар жоғары температура, жиілік операциялары және кернеуді оқшаулау мүмкіндіктеріне байланысты кремний технологиясымен қол жеткізілмейтін жоғары кернеулі, жоғары жылу өткізгіштік және жоғары жиілікті электр құрылғыларын қажет етеді [2].
Осы шектеулерді жеңу үшін зерттеулер кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарына, мысалы, кремний карбиді, галлий нитриді және Алмаз, олардың материалдық артықшылықтарына байланысты назар аударды [3]. Алмаз өте үлкен тыйым салынған аймаққа және ерекше жылу қасиеттеріне ие, бірақ зерттеулер өте ерте сатысында қалады. SiC жоғары жылу өткізгіштікке және кең тыйым салынған аймаққа ие, бұл оны коммутациялық құрылғыларды құруға өте ыңғайлы етеді. GaN тікелей өткізу қабілеттілігін және жоғары жиілік сипаттамаларын ұсынады, бұл Оптоэлектроника мен радиожиілік құрылғыларында үлкен қолдануды табады. Сондықтан кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарынының ішіндегі SiC және GaN-ға назар аударfды, онда алғашқы бетон өнімдері болашақ туралы түсінік береді [4].
1-кесте. Кейбір жартылай өткізгіштер үшін нормаланған сапа өлшемдерінің және бірқатар басқа параметрлердің мәні [5,6]
Материал
JM =
(EcrVsatPI)2
KM =
λ(Vsatε)12
BM =
εμEcr3
BH=
μEcr2
QF1 =
λεμEcr3
Toper, K
TD, K
Жабық аймақтың құрылымы
Si
GaAs
GaP
6H-SiC
4H-SiC
GaN
Алмаз
AlN
1
11
37
260
410
790
5330
5120
1
0.45
0.73
5.1
5.1
1.8
31
2.6
1
28
16
90
290
910
14860
390
1
16
3.8
13
34
100
1080
14
1
9.4
9.4
300
950
910
198100
660
410
570
800
1200
1230
1250
2100
2100
645
344
445
1200
1200
600
1860
747
Тік емес
Тік емес
Тік емес
Тік емес
Тік емес
Тік
Тік емес
Тік емес
Ескерту. Toper - жұмыс температурасы, TD - Дебай температурасы.
Оларды пайдаланатын құрылғылардың әлдеқайда жоғары температурада, шамамен 300°C температурада жұмыс істеуі үшін кеңірек өткізу қабілеті өте маңызды. Жоғары температураға төзімділік бұл құрылғылардың қалыпты жағдайда әлдеқайда жоғары қуат деңгейінде жұмыс істей алатындығын білдіреді. Сонымен қатар, кең шектеулі аймағы бар материалдардың көпшілігінде қарапайым жартылай өткізгіштердің тығыздығынан он есе жоғары электр өрісінің критикалық тығыздығы бар. Бірлесе отырып, бұл қасиеттер оларға әлдеқайда жоғары кернеулер мен токтарда жұмыс істеуге мүмкіндік береді, бұл оларды әскери, радио және энергетикалық конверсия қондырғыларында өте құнды етеді. АҚШ Энергетика министрлігі жаңа электр желілері мен балама энергетикалық құрылғылардағы негізгі технология, сондай-ақ жоғары энергиялы көліктерде қолданылатын сенімді және тиімді қуат компоненттері-электр пойыздарынан бастап қосылатын электр машиналарына дейін болады деп санайды [7].
Кең тыйым салынған аймақ: жоғары активтендіру энергиясы бар жартылай өткізгіш құрылғылар, сондықтан кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың құрылғылары жоғары температурада жұмыс істей алады.
Жоғары электрлік соққы өрісі: соққы механизмі арқылы тасымалдаушыларды құру қажет. Дәл осындай допинг тығыздығында Алмаз диодының бұзылуының теориялық кернеуі Si диодына қарағанда 514 есе жоғары.
Төмен қарсылық: өткізгіштіктің төмендеуіне әкеледі, сондықтан түрлендіргіштің жоғары тиімділігіне қол жеткізіледі. SiC политиптері мен GaN құрылғыларының кедергісі Si құрылғыларына қарағанда шамамен 10 есе аз.
Жоғары қаныққан дрейф жылдамдығы: жоғары жиілікті коммутация мүмкіндіктеріне тура пропорционал, сондықтан кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың негізіндегі қуат құрылғылары жоғары жиіліктерге ауыса алады.
Жылу өткізгіштік: кең зоналы жартылай өткізгіш құрылғылары 2-кестеде көрсетілгендей жоғары жылу өткізгіштікке ие. Жоғары жылу өткізгіштік SiC жылу өткізгіштен жылуды тиімді беруді және төмен өту температурасын қамтамасыз етеді [8].
2-кесте: Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарының негізгі қасиеттері [2]
Қасиеттері
Si
6H-SiC
4H-SiC
GaN
Алмаз
Ені Eg эв
1.1
3.03
3.26
3.45
5.45
Диэлектрлік тұрақты, εr
11.9
9.66
10.1
9
5.5
Бұзылу өрісі, Ec(кВсм)
300
2500
2200
2000
10000
Электрондардың қозғалғыштығы μn(см[2]В∙с)
1500
500
1000
1250
2200
Тесіктің қозғалғыштығы μn(см[2]В∙с)
600
101
115
850
850
Жылу өткізгіштік
λ Вт(см∙К)
1.5
4.9
4.9
1.3
22
Жылу кеңейту 10-6°К
2.6
3.8
4.2
5.6
1-2
Қаныққан Е-Дрейф Жылдамдығы Vsat (107 смс)
1
2
2
2.2
2.7
Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды зерттеу және дамыту 1970 жылдардан бастап үлкен инвестиция алған қарапайым жартылай өткізгіштерден артта қалды. Алайда, олардың көптеген қосымшаларға тән артықшылықтары қарапайым жартылай өткізгіштерде кездеспейтін ерекше қасиеттермен бірге оларды кремнийді ауыстыру үшін күнделікті электронды құрылғыларда қолдануға деген қызығушылықтың артуына әкелді. Олардың жоғары энергия тығыздығын өңдеу қабілеті Мур Заңына бағынуды жалғастыруға тырысады, өйткені дәстүрлі технологиялар тығыздық үстіртіне жететін сияқты [9].
Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдар тар зоналы жартылай өткізгіш материалдармен салыстырғанда оларды пайдалы ететін бірқатар сипаттамаларға ие. Жоғары энергия алшақтықтары құрылғыларға жоғары температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді [11], өйткені тыйым салынған аймақтар әдетте температураның жоғарылауымен қысылады.
IV топтағы аниондармен (мысалы, графен [10], және көміртекті нанотүтікшелер [12], SiC [13]), V (мысалы, GaN [14,15], мырыш нитридтері [16]) және VII аниондары бар кең зоналы жартылай өткізгіштерде айтарлықтай зерттеулер жүргізілді. Осы материал кластарының желілік диаграммасы 1.1-суретте [18] бейнеленген, халькогенидтер қызыл түспен көрсетілген. Көптеген шолу мақалалары мен кітап тараулары кең зоналы жартылай өткізгіштерінің осы саласының әр түрлі аспектілерін қарастырады. Кейбіреулер ішкі материалдың қасиеттеріне назар аудара отырып, оксидті ТСО-ны зерттейді [19,20], ал басқалары мөлдір электроника [21] және фотоэлектрика сияқты қосымшаларға назар аударады [17]. Басқалары нитридтер [22], галогенидтер [23], және карбидтер [24], графенді қосады [25]. Бірнеше шолуларда кең зонадағы жартылай өткізгіштер туралы қысқаша айтылған, бірақ олардың фокустары оксидтермен немесе халькогенидтердің тар жиынтығымен шектеледі [26].
1.1-сурет. Кең зоналы жартылай өткізгіштердің әртүрлі материалды сыныптарын бейнелейтін схемалық желі диаграммасы. Сабақтар аниондар тобы бойынша сұрыпталады. Осы шолудың мақаласында назар аударылған кең саңылаyлы жартылай өткізгіштер - халькогенид қызыл түспен (Ch = S, Se, Te бар) бөлінген [18].
Оптикалық сипаттамалары. Өткізу қабілеті жарық диодтары жарық шығаратын толқын ұзындығын және фотоэлектрлік элементтер тиімді жұмыс істейтін толқын ұзындығын анықтайды. Сондықтан кең зоналы құрылғылар басқа жартылай өткізгіш құрылғыларға қарағанда қысқа толқын ұзындығында пайдалы. Мысалы, GaAs 1,4 эВ үшін тыйым салынған аймақ көрінбейтін инфрақызыл жарық болып табылатын шамамен 890 нм толқын ұзындығына сәйкес келеді (жарық энергиясы үшін балама толқын ұзындығын 1240 Нм-эВ тұрақтысын эВ-да энергияға бөлу арқылы анықтауға болады, сондықтан 1240 Нм-эВ1,4 эВ=886 Нм). Сондықтан GaАs фотовольтаикасы қысқа толқындық көрінетін жарықты электр энергиясына айналдыру үшін өте қолайлы емес. Кремний 1,1 эВ (1100 Нм) одан да жаман. Бір өтпелі фотоэлектрлік элементті қолдана отырып, күн энергиясын түрлендіру үшін идеалды тыйым салынған аймақ шамамен 1,0 эВ-дан шамамен 1,5 эВ-қа дейін әр түрлі бағаланды [27] (әр түрлі болжамдарға байланысты), өйткені төмен толқын ұзындығының шегі жер бетіне жететін күн спектрінің барлығын қамтиды, бірақ төмен өткізу қабілеті бар жалғыз өтпелі жасуша бұл энергияның көп бөлігін күн спектрінің қысқа толқындық бөліктерін тиімсіз түрлендіреді. Осыған байланысты күн энергиясын зерттеудің негізгі саласы-спектрдің жеке бөліктерін тиімдірек жинайтын көп өтпелі күн батареяларын жасау, ал кең жолақты фотоэлектрлік жасушалар инфрақызыл диапазоннан тыс спектрдің бір бөлігін жинаудың негізгі құрамдас бөлігі болып табылады.
Жылу қасиеттері. Кремний және басқа да жалпы материалдарда 1-1, 5 электронвольт (эВ) ретті тыйым салынған аймақ бар, яғни мұндай жартылай өткізгіш құрылғыларды салыстырмалы түрде төмен кернеулермен басқаруға болады. Алайда, бұл олардың дұрыс жұмыс істеуіне кедергі келтіретін жылу энергиясымен оңай іске қосылатындығын білдіреді. Бұл кремний негізіндегі құрылғыларды шамамен 100 °C-тан төмен жұмыс температурасына дейін шектейді, оның сыртында құрылғылардың бақыланбайтын термиялық активтенуі олардың дұрыс жұмыс істеуін қиындатады. Кең зоналы материалдар әдетте 2-4 эВ шамасында тыйым салынған аймақтарға ие, бұл оларға 300 °C шамасында әлдеқайда жоғары температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді.
Жоғары қуат және жоғары температура жағдайларында қолдануға арналған құрылғылар [29]. Галлий нитриді де, кремний карбиді де осындай қосымшаларға жақсы сәйкес келетін берік материалдар болып табылады. Сенімділік пен өндірудің қарапайымдылығымен кремний карбидін қолданатын жартылай өткізгіштер кеңінен қолданылады деп күтілуде, гибридті және толық электрлік көліктер үшін қарапайым және жоғары тиімді зарядтауды жасайды, энергия шығынын азайтады және күн және жел энергиясын түрлендіргіштердің қызмет ету мерзімін ұзартады, сонымен қатар үлкен желілік қосалқы станциялардың трансформаторларын жояды [28], сондай-ақ текше бор нитриді қолданылады.олардың көпшілігі ғарыштық бағдарламалар мен әскери жүйелерде арнайы қолдануға арналған. Олар әлі күнге дейін кремнийді жартылай өткізгіштердің жалпы нарығындағы жетекші орыннан ығыстыра бастаған жоқ.
Алюминий нитридінің өзіндік құнына байланысты ол әлі күнге дейін негізінен әскери мақсатта қолданылады.
Маңызды кең зоналы жартылай өткізгіштер:
* Кремний карбиді (SiC);
* Кремний диоксиді (SiO2);
* Алюминий нитриді (AlN);
* Галлий нитриді (GaN);
* Бор нитриді (BN), h-BN және c-BN ультракүлгін жарық диодтарын құра алады.
* Алмас
1.2 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды қолдану
Әр түрлі әскери салаларда кеңінен қолданылатын жартылай өткізгіш технология мыңдаған жылдар бойы қалыптасқан дәстүрлі тұжырымдаманы бұзды, бұл қару-жарақ техникасының артықшылығы тек мөлшерде, мөлшерде және одан да көп мөлшерде жойылады, сондықтан қару жүйесі кішірейеді, жеңілдейді, аз энергия жұмсалады, сенімдірек, күшті жұмыс істейді. Жоғары температурада, жоғары радиацияда және басқа да қатал жағдайларда жұмыс істеу үшін қажет әскери электронды жабдық ұзақ қашықтықтағы кішігірім нысандарды анықтай алады және нақты уақыт режимінде жоғары жылдамдықты сенсорлық деректерді өңдей алады, ал жұмыс жиілігі әдеттегі коммерциялық диапазоннан тыс болады. Осылайша, әскери электронды жабдықтың жартылай өткізгіш компоненттерге қажеттілігі қарапайым электронды жабдыққа қарағанда едәуір жоғары, оның қауіпсіздігі мен компоненттерінің сенімділігі жоғары болуы керек. Айта кету керек, электронды жүйелерді өндіру үшін дәстүрлі жартылай өткізгіш технологияларды қолдану көлемі, салмағы және жоғары сенімділігі бойынша келесі буынның әскери қолдану талаптарын қанағаттандыра алмады. Кең жолақты жартылай өткізгіш құрылғы жоғары жиіліктің, жоғары қуаттың, жоғары температураның [30] және агрессивті ортаға ықтимал төзімділіктің артықшылығына ие, бұл осы мәселелерді шешу әдісін ұсынады.
2,2 эВ-дан асатын шектеулі аймағы бар жартылай өткізгіш кең жолақты жартылай өткізгіш ретінде анықталады, әдеттегі кең жолақты жартылай өткізгіш материалдар кремний карбиді (SiC) және галлий нитриді (GaN) болып табылады, бұл жартылай өткізгіш материалдар үшінші буын жартылай өткізгіш материалдар ретінде де белгілі. Жартылай өткізгіштердің екінші буынының өкілі ретінде Si және GaAs-пен салыстырғанда, кең жолақты жартылай өткізгіштің кең тыйым салынған аймақтың артықшылықтары, жоғары қаныққан дрейф жылдамдығы, жоғары сыни соққы электр өрісі бар. жартылай өткізгіштердің екінші буынының өкілдері ретінде Si және GaAs артықшылықтарын атап өту. Соңғы жылдары SiC монокристалдарының өсу технологиясы және GaN гетероэпитаксиалды технологиясы дамып келе жатқанда, кең жолақты жартылай өткізгіш электр құрылғыларының дамуы мен қолданылуы тез өсуде [31].
Америка Құрама Штаттары кең зоналы жартылай өткізгіш технологияларды зерттеуді бастаған алғашқы ел болды және Raytheon, TriQuint, BAE, MIT, Cree сияқты көптеген танымал университеттер мен ғылыми-зерттеу институттары осы технологияға көптеген еңбек және материалдық ресурстарды салды және олардың зерттеулері ең көрнекті болып табылады. DARPA кең зоналы жартылай өткізгіш құрылғылар мен тізбек технологияларын дамыту жоспарларын жүзеге асыруға үлкен қаражат салуға батылы жетпеді. DARPA әскери радарлардың, сүңгуір қайықтардың және басқа да жүйелер мен жабдықтардың тиімділігі мен сенімділігін арттыруға, сонымен қатар қазіргі уақытта кең жолақты технологиялар кездесетін бірқатар техникалық қиындықтарды шешуге тырысты [43].
Cree жасаған SiC қуат модульдері. АҚШ әуе күштерінің Жаңа f35lightingii ұшақтарында кеңінен қолданылады. Электрмен жабдықтау жүйелерінде қуат құрылғысының тиімділігі жоғарырақ, жүйенің артықшылығы анағұрлым айқын болады, ал көмірқышқыл газының шығарылуын азайту айқын артықшылықтардың бірі болып табылады. Қолдану саласындағы айырмашылыққа байланысты ол басқа да көптеген артықшылықтар әкеледі. Егер гибридті электровоз кең жолақты қуат электронды құрылғыларын қолданса, онда тұрақты токтың батарея қуатын айнымалы ток көзіне тиімді түрлендіруге болады; бұл қозғалтқышты тиімді басқара алады және энергия шығынын азайтады. Сонымен қатар, Электронды компоненттердің жылу шығаруы азаяды, сондықтан салқындату жүйесі кішірек, жеңіл, аз күрделі болады және өндіріс құнын төмендетеді, орамдағы орынды үнемдейді және энергия үнемдеу мақсатына жетеді. Құрылғының тиімділігін арттыру әскери ұшақтарға және балама энергетикалық жүйелерге бірқатар артықшылықтар әкелуі мүмкін. Мысалы, тиімділікті арттыру салмақты азайтады, салқындату жүйесіне қойылатын талаптарды төмендетеді, бұл әуе кемесінің ауқымы мен ауқымын кеңейтуге және кеңейтуге мүмкіндік береді.
Кең зоналы жартылай өткізгіштер әр түрлі электронды құрылғылар үшін өте маңызды, мысалы, мөлдір контактілер, p-n - өтулер және жұқа пленкалы транзисторлар [21]. 1950 жылдардан бастап оксидті кең жолақты жартылай өткізгіштер, атап айтқанда, олардың жоғары мөлдірлігі мен жоғары өткізгіштігінің қарама-қайшы қасиеттері үшін қарқынды зерттелді. 21 ғасырда индий-мырыш-галлий оксиді сияқты көп қабатты мөлдір аморфты оксидті жартылай өткізгіштер жоғары мөлдірлігі, жоғары қозғалғыштығы және жақсы біртектілігі арқасында жұқа қабатты транзисторлардағы канал қабаттары ретінде белсенді зерттелді [32], бұл олардың сұйық кристалды дисплейлерде коммерциялық қолданылуына әкелді.
Кең зоналы оксид материалдарына құрылғыларды зерттеу және біріктіру бағытына қарамастан, мөлдір жартылай өткізгіштер оксидтермен шектелмейді. Бүгінгі таңда мөлдірлігі мен өткізгіштігін эксперименталды түрде дәлелдеген неоксидті жартылай өткізгіштердің бірнеше сыныптары бар.
Өзінің тамаша физикалық қасиеттерінің арқасында [33], кең тыйым салынған аймағы бар жартылай өткізгіштер кремний карбиді (4H-SiC) және нитрид галлий (GaN) болашақта күштік электроника саласында революция жасайтын материалдар болып саналады. Шын мәнінде, олар қосылған күй кедергісін азайтуға және қуат шығынын жалпы азайтумен Si аспаптарына қатысты сынамалық кернеуді арттыруға мүмкіндік береді. Демек, осы материалдар негізінде құрылғылар көптеген маңызды салаларда қолданылуы мүмкін. Осы материалдардың үлкен әлеуетін көрсету үшін қараңыз. қуат пен кернеудің ауқымына байланысты кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарының қоректену құрылғыларын қолданудың негізгі салалары көрсетілген. Көрініп тұрғандай, мүмкін қолдану салалары тұтынушылық электроника, автомобиль, өнеркәсіптік қолдану, жаңартылатын энергия көздері, көлік және т. б. қамтиды.
1.2-сурет. Қуаттың жұмыс диапазонының кернеуіне тәуелділік графигінде кең зоналы жартылай өткізгіш күш құрылғыларын қолданудың негізгі бағыттары [34]
Сонымен қатар, SIC және GaN құрылғылар технологияларында әсерлі табыстарға қол жеткізілді (Шоттки диодтары, МОП-транзисторлар, HEMTs және т.б.), және дискретті құрылғылардың түрлі топтары қазірдің өзінде сатылымда бар, бірнеше кедергілер әлі де құрылғылардың қажетті сипаттамаларына қол жеткізе отырып, осы материалдардың қасиеттерін толық пайдалану үшін еңсерілуі тиіс [35].
SiC - бұл негізінен коммутациялық құрылғыларды шығару үшін қолданылатын кең шектеулі аймағы бар жартылай өткізгіш материал. Бұл құрылғылар жеңіл, кішірек, ықшам және тиімдірек, бұл оларды жоғары вольтты қуат электронды қосымшалары үшін өте ыңғайлы етеді. SiC жоғары жылу өткізгіштікке және кең тыйым салынған аймаққа байланысты жоғары температурада қолдануға жарамды.
SiC JFET төмен кернеудің төмендеуіне және жоғары ауысу жылдамдығына ие және MOSFET-тен айырмашылығы оксид жапқыш интерфейсінің проблемасынан босатылған [36], сондықтан MOSFET-ке қолайлы балама болып табылады. Оны қолдану өнеркәсіпте немесе автомобиль өнеркәсібінде инвертор ретінде қозғалтқышты басқаруды қамтиды.
SiC Schottki диодтары көптеген жүк көтергіш құрылғылар болып табылады және жоғары жиілікті қосымшаларға балама болып табылады, өйткені олар pn диодтарымен салыстырғанда төмен коммутациялық шығындарға ие. Алайда, олардың ағып кету токтары жоғары, бұл құрылғылардың сыну кернеуіне әсер етеді [37]. Schottki SiC диодтары Si PIN диодтарын ауыстыру ретінде қарастырылды, өйткені олар төмен вольтты құлыптауға жарамды.
SiC MESFET SiC MOSFET-тің кең көлемде өндірілуіне жол бермейді, өйткені SiC-пен алынған оксид қабаты сенімсіз және электрондардың қозғалғыштығы өте төмен. SiC MESFET үшін қуат күшейткіштерінде [38] және шуылсыз күшейткіштерде [39] тамаша сызықтық байқалды.
SiС құрылғыларын жоғары қуатты жүйелерге енгізу жүйенің өнімділігін, мөлшерін, қуатын жоғалтуды және жүйенің жалпы құнын едәуір жақсартуға әкелді, бірақ кейбір мәселелер әлі шешілмейді.
* SiC-де сұйық күй жоқ. Бұл дегеніміз, Si өңдеудің көптеген әдістері, мысалы, кристаллдарды тарту, аймақтарды нақтылау және жылдам термиялық өңдеу, SiC үшін аз қолданылады.
* SiC монокристалды құрылымының үлкен тақталарын өсіру өте қиын, сондықтан пластинада микро сымдар, бұрандалы дислокация және Базель жазықтығының ақаулары сияқты ақаулар болуы мүмкін [40].
GaN - бұл кең зоналы жартылай өткізгіш материал, қазіргі уақытта оптоэлектрондық қосымшаларда тікелей тыйым салынған аймақ және жоғары жиілікті сипаттамалары арқасында радиожиілікті қолдану арқылы қолданылады. GaN құрылғылары бәсекелес құрылғылармен салыстырғанда жоғары өнімділікке қол жеткізу үшін жоғары тиімділік пен үлкен дизайн еркіндігін ұсынады деп күтілуде [41].
GaN - үш кең зоналы жартылай өткізгіштерінің ішіндегі жалғыз гетероқұрылым. Ол кең зоналы жартылай өткізгіштерінің қуатын басқару мүмкіндіктерін ерекше қолдана алады. Оның тағы бір атрибуты-жоғары арна зарядын құру мүмкіндігі, бұл құрылғылардың ток өткізу қабілетін арттырады.
Радиожиілікті қосымшалары үшін қолданыстағы Si ldmos және GaAs технологияларын ауыстыруға нақты үміткер GaN HEMT болып табылады. Оның өнімділігі GaN қасиеттеріне байланысты, олар жоғары ену кернеуі және электрондардың қанығу жылдамдығы.
Gan HEMT ldmos құрылғылары ұсынған көптеген мәселелерді бастапқыда жоғары белсенді интерэлектродтық өткізгіштікке (сызықтыққа көмектеседі), жылуды жақсы басқаруға және жиілікті жоғары кесуге байланысты жеңілдете алады. 2-ші электронды газ жоғары белсенді интерэлектродты өткізгіштігі бар және канал ағымынан жоғары nemt транзисторларының іздеу құрылымында пайда болады. [42]
GaNHEMT құрылғыларындағы соңғы әзірлемелер микротолқынды жиіліктерде жоғары қуатты және өте жоғары тиімділігі бар коммутациялық күшейткіштердің дизайнын жүзеге асыруға мүмкіндік берді.
GaN шынымен керемет сипаттамаларға ие, бірақ gan жартылай өткізгіш технологиясын жасау кезінде көптеген қиындықтарды жеңу керек. GaN үшін Оптоэлектроника қосымшалары нарықтың басым драйверлері болып табылады, бірақ нарық жоғары шығындар мен сенімділік проблемасынан зардап шегеді. III-IV нитридті қосылыстардың табиғи тотығы жоқ, сондықтан GaN -ның шынайы MOS -транзисторлары мүмкін емес [40].
ZnO нанобөлшектері жарықтың көп кванттарын сіңіретінін және олардың тыйым салынған аймағы мен электронды құрылымы арқасында жартылай өткізгіш ретінде әрекет ететіндігін көрсетеді, олар толтырылған валенттілік аймағы мен өткізгіштік аймағымен сипатталады [44]. ZnO зерттеулері 1930 жылдары біртіндеп күшейе түсті. Ол кезде ZnO-ны зерттеудің маңыздылығы негізінен өсу, көлік, допинг, аймақтық құрылым, терең орталықтар, экситон, көлемді полярлықтар және беттік полярлықтар, жоғары қозу және люминесценция сияқты мәселелерді қамтитын көлемді үлгілерге бағытталған болатын [45]. ZnO кристалды құрылымы, әдетте, текше (мырыш алдау), тас немесе вюрцит құрылымы түрінде болады. ZnO-ның мырыш-алдамшы формасы текшелік субстраттарда күшейген кезде ғана тұрақты болады, ал ZnO-ның тас-тұз (NaCl) құрылымы оның жоғары қысыммен пайда болуына байланысты өте сирек кездеседі [46]. ZnO-ның вюрциттік формасы үш құрылым арасында максималды термодинамикалық тұрақтылықты көрсетеді.
3,3 эВ кең тыйым салынған ZnO фотокатализаторларда, варисторларда, фармацевтикалық өнімдерде, лазерлерде және т.б. үлкен қолданысқа ие, фотокатализатор ретінде ультракүлгін сәулелену кезінде оның бетінде белсенді оттегі түрлерін (AFC) жасауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ол ультрафиолет спектрінің үлкен бөлігін және жарық кванттарын сіңіреді, бұл ағынды суларды тазарту кезінде фотокаталитикалық ыдыраудың жақсы қабілетіне қол жеткізу үшін өте пайдалы (1.3-сурет [47]).
1.3-сурет. Судағы ZnO фотокатализаторының ұсынылған фотокаталитикалық механизмі [47]
Поляр бетінің электростатикалық күші мен ерекше химиялық сипаттамалары нано-көктемдер, нано-сымдар, нано-түйіршіктер және нано-сымдар сияқты нано-құрылымдардың кең спектрін тудырады [48]. Мырыш оксиді әдетте бір өлшемді (1D), екі өлшемді (2D) және үш өлшемді (3D) бірлестіктерде болады. 1D құрылымдық құрылғысына нано-ұстағыштар, инелер, таспалар, спиральдар, серіппелер, сақиналар, сымдар мен жоталар кіреді. 2D құрылымы жағдайында нано қабаттары мен нано-түйіршіктер алынуы мүмкін, ал ZnO-ның 3D құрылымы негізінен гүл, снежинка, одуванчика және т. б. түрінде болады. Икемділікке қарамастан, ZnO-ның кейбір кемшіліктері бар, мысалы, күн сәулесінің спектрінің шамамен 43% - ы, кең тыйым салынған аймақ (3,3 эВ), спектрдің жақын УК аймағында сіңіру, фотокаталитикалық реакция кезінде бөлшектердің агрегациясы және ZnO-ның фотокаталитикалық белсенділігін едәуір шектейтін көрнекті фотокоррозия [49].
Мырыш оксиді cоңғы онжылдықта кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды зерттеуге әлемдік қызығушылық керемет электрлік қасиеттеріне байланысты мырыш оксидіне көп көңіл бөлді. Электрондардың жоғары қозғалғыштығы, жоғары жылу өткізгіштігі, мөлдірлігі, валенттілік пен өткізгіштік диапазондар арасындағы кең және тікелей ауысуы (3,37 эВ), ZnO экситонының байланысу энергиясы кең қолдану шеңберінде: лазер оптоэлектрониканы, жабдықты пайдалануға мүмкіндік береді. Осылайша, мөлдір электрониканың жоғары энергиясы және экзитонды ZnO байланыс сенсоры оны оптикалық құрылғылар үшін перспективалы материал етеді [50]. Жартылай өткізгішті мырыш оксидінің көпфункционалдығын ескере отырып, оны қолдану косметикада да қолданылды [51]. Шаруашылық қызметінде ZnO сусымалы және жұқа қабатты жабындарын қолданудың жарқын мысалы ZnO варисторлары болып табылады, олар әр түрлі атаулармен белгілі, мысалы, сызықтық емес резисторлар, айнымалы резисторлар, асқын супрессорлар, кернеуді қорғаушылар және кернеуді шектегіштер [52], газ датчиктері, мысалы, аммиак газының деңгейін бақылауға арналған [53], мақта және жүн маталарына ZnO нанобөлшектері күн сәулесінің әсерін, термиялық және механикалық төзімділікті [54], бактерияға қарсы жабындарды [55] және фотокатализаторларды көрсету үшін қолданылатын тоқыма өндірісінде. ZnO жақсырақ вурциттің алты бұрышты құрылымында кристалданады, дегенмен ZnO мырыш бленді түрінде де кристалдануы мүмкін [56].
Фотоэлектрохимиялық жасуша арқылы күн энергиясын сутекке тиімді айналдыру қабілетін көрсететін бірқатар жартылай өткізгіш материалдардың ішінде ZnO осындай мақсаттар үшін ең көп қолданылатын материалдардың бірі болып қалады. УЭК суды бөлу жүйелерінде фотоэлектрод ретінде мырыш оксидін әлемдік энергия тұтынуға сәйкес масштабта қолдану өте қажет. ZnO-нің негізгі кемшіліктеріне фотокөшірмелі электронды тесік жұптарының тез рекомбинациясы, көрінетін жарық сәулеленуіне оптикалық сіңіру қабілеті нашар және сулы ерітіндідегі фотостабильділік жатады. Мұндай кемшіліктер мырыш оксидінің күн конверсиясындағы өнімділігін табиғи түрде шектейді. Осылайша, кеуекті ZnO нанархитектуралары мен көміртекті будандастырудың тиімді интеграциясы сутегі эволюциясы тиімділігі жоғарылаған және су ортасында ұзақ қызмет ететін фотоанодты құруға әкелуі мүмкін [57]. Қолданыстағы кемшіліктерге қарамастан, ZnO өте пайдалы қасиетке ие, өйткені оны салыстырмалы түрде төмен температурада (773 К-ден төмен) өсіруге болады, бұл түйіршікті, ине тәрізді және наноқұбырлар сияқты әртүрлі пішіндер мен өлшемдердің құрылымдарын алуға мүмкіндік береді.
CdS - оптоэлектрондық қосымшалардың көптеген түрлерінде қолданылатын кең зоналы жартылай өткізгіштердің бірі және мұқият зерттелген [58-60]. Бұл материал CdTe және CIGS күн элементтерінде коммерциялық мақсатта қолданылатын архетипті n типті буферлік қабат болып табылады [60,61] және жарық диодты, фотондылазерлік құрылғылар мен пьезоэлектриктер үшін қолданылады. CdS-тің ең көп таралған түрі - WZ алтыбұрышты фазасы, ZB фазалары да зерттелді және жоғары қысымды RS фазасы бар. Эпитаксиалды өсу бөлме температурасында 2,5 эВ (эллипсометриямен өлшенген) тікелей алшақтықты есептеу үшін бір фазалы вюрцитті монокристалды материалдың пайда болуына әкелді, ал кубтық фазада ұқсас, бірақ сәл төмен, шамамен ~2.3 - 2.4 эВ тікелей өлшенген алшақтық бар [62]. RS фазасында жанама ~1,5-1,7 эВ алшақтық бар екендігі айтылды, бұл аймақтық құрылымды есептеуге сәйкес келеді[63]. Поликристалды жұқа қабықшаларды басқа әдістермен қатар бүрку, ваннадағы химиялық тұндыру және жылу булануы арқылы алуға болады және әдетте WZ және ZB аралас құрылымы бар, шамамен 2,3 - 2,5 эВ. Бұл өзгеріс әр түрлі жауын-шашын температурасына байланысты хабарланған пленкалардағы күкірттің субстратиометриялық құрамының диапазонымен түсіндірілді [62,64]. CdS-ге негізделген, әдетте n типті және амбиполярлы дерлік ажыратылмайтын өткізгіш электрондары 2,8 x 10-2 C см-1 және жақын ішкі тесік өткізгіштік 1.5 x 10-2 C см-1 [66].
CdS ультра таза үлгілеріндегі өткізгіштіктің, электрондардың концентрациясының және электрондардың қозғалғыштығының температуралық тәуелділігі 1.4-суретте көрсетілген. Холл өлшемдері тасымалдаушы концентрациясы мен өткізгіштігі әдетте температураның жоғарылауымен жоғарылайды (1.4 a-сурет), ал тасымалдаушылардың шашырауына байланысты температураның жоғарылауымен қозғалғыштық төмендейді (1.4 б-сурет). 1.4 c-суретте тікелей тыйым салынған аймаққа байланысты CdS-те сіңірудің өткір жиегін, кристаллдағы сіңіру жиегіне бағытталған тәуелділікті, сондай-ақ температураның жоғарылауы сіңіру жиегін қалай төмендететінін көрсетеді. Ультра таза кристалдардағы n-типті холлдың ең жоғары қозғалғыштығы 30-40 К кезінде 104 см2 В-1 с-1 дейін өлшенді (1.4 б-сурет), бөлме температурасында n-типті рекордтық ұтқырлық CdS-де 160 см2 В-1 с-1 -ге дейін тіркелді, сыртқы жағынан InCD 5 x 1019 см-3-ке дейін және өткізгіштігі ~50 С см-1-ге дейін [67,68]. Tесік қозғалғыштығы, болжам бойынша, 15 см2 В-1 с-1-ке жетеді.
1.4-cурет. (а) n-типті өткізгіштік және тасымалдаушылардың холл концентрациясы, (б) электрондардың қозғалғыштығы және (в) өлшеу температурасына байланысты ВЮРЦИТТІҢ ("hex") CdS сіңіру коэффициенті [66]
Алмаз. Технологияның қазіргі жағдайында алмаздың жылу және электрлік қасиеттерін пассивті микроэлектрондық қосымшаларда тиімді қолдануға болады. Ол жоғары жылу өткізгіштігінің арқасында жылу тарату материалы ретінде үлкен әлеуетке ие, бұл гауһар жұқа қабықшаларды қуатты немесе жоғары жиілікті жартылай өткізгіш құрылғылардан жылуды таратуға өте ыңғайлы етеді. Сонымен қатар, жоғары диэлектрлік беріктігі, төмен диэлектрлік тұрақтысы және химиялық инерттілігі арқасында алмаз микроэлектроника құрылғылары үшін тартымды орау материалы ретінде қарастырылады [70].
Алмаз химиялық инерттілігімен бірге электрондарға (NEA) теріс жақындығына байланысты электронды эмиссиялық құрылғыларда қолдану үшін мүмкін материал ретінде ұсынылды [71].
Фотоэлектрлік (PV) күн батареялары, жұқа пленкалы транзисторлар (TFT), фотоэлектрохимиялық (PEC) су бөлу құрылғылары және жарық шығаратын диодтар (LED), оларды жинау схемасы және тиісті жолақ диаграммалары 1.5-суретте көрсетілген. Жартылай өткізгіштердің тыйым салынған аймағының енінде кейбір дәстүрлі қосымшалар, мысалы, электр электроникасы және радио жиіліктері, транзисторлар [72,73], халькогенидтер үшін зерттелмеген. Суретте келтірілген құрылғылар бойынша былай қарастырамыз: (1) әр құрылғыға тыйым салынған кең аймақ бар халькогенидті жартылай өткізгіштер қандай үлес қосады; (2) Осы уақытқа дейін әр құрылғыда кең тыйым салынған аймақ бар халькогенидті жартылай өткізгіштер қандай болды; (3) кең тыйым салынған аймақ бар халькогенидті жартылай өткізгіштер бар осындай құрылғылардың сипаттамалары қандай және (4) жаңа тыйым салынған аймақ бар халькогенидті материалдарды қамтитын болашақ зерттеулердің кейбір перспективалы бағыттары қандай?
1.5-сурет. Осы бөлімде талқыланған құрылғылардың салыстырмалы стек-схемасы, сәйкес репрезентативті электронды диапазондық диаграммалар нөлдік бейімділікпен: (а) суперстрат күн батареясы, мысалы, CdTe [74], (b) субстрат күн батареясы, мысалы, CIGS [75], (c) мөлдір жұқа пленка транзисторы (TFT) [76], (d) фотоэлектрохимиялық (PEC) суды бөлу құрылғысы (мысалы, тек бір терминалды девицефотоанод көрсетілген) және (e) жарық шығаратын диод (жарық диоды). Қызыл түс әр құрылғыдағы қабаттың функционалдығын таңбалаумен, кең зоналы жартылай өткізгішті іске асыруға болатын қабатты ерекшелейді және нүктелі сызық Ферми деңгейін көрсетеді EF. Құрылғының стектегі y осі диапазондағы х осіне сәйкес келетінін ескеріңіз (яғни, құрылғының қалыңдығы), ал қалыңдығы масштабталмайды [18]
GaN зерттеуі бойынша алғашқы жұмыстар АҚШ-тың Принстон университетінде ХХ ғ. 30-40-шы жж. [78,79] жүргізілді. GaN спектрдің қысқа толқынды аймағында жартылай өткізгіш жарық диодтарын жасау үшін ең перспективалы материал ретінде қарастырыла бастаған кезде, зерттеулер Radio Corporation of America (RCA) компаниясының зертханасында жалғастырылды [78,80]. Бұл материалды алу үшін жоғары температурада ағып жатқан сұйық галлиймен аммиак реакциясы қолданылды. Сапфир GaN құрылымдарын өсіру үшін субстрат ретінде таңдалды. Өсірілген пленкаларды зерттеу көрсеткендей, допингсіз олардың n-типті өткізгіштігі бар, ал p-n - ауысуын алу үшін p-типті материалды алуға мүмкіндік беретін тиісті қоспаны таңдау қажет болды. Мырыш осындай қоспа ретінде пайдаланылды, бірақ технологиялық күрделілік мырыштың жоғары концентрациясында GaN фильмдері диэлектриктерге айналды [78,79].
Жетпісінші жылдардың басында RCA зертханасында металл - диэлектрик - жартылай өткізгіш құрылымдары алынды, онда көгілдір (толқын ұзындығы 475 нм) және жарқылдың жасыл түсінің электролюминесценциясы байқалды [78,79]. Бұл MDP құрылымдары GaN негізіндегі алғашқы жарық диодтары болды [81].
1.3 Кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу
Кадмий сульфидінің жұқа қабыршақтарын, нано - және Ультрадисперсті ұнтақтарын рентгенографиялық зерттеу кезінде олардың құрылымы CdS-тің белгілі кристалдық модификацияларымен сәйкес келмейтіні анықталды [82,83].
Қабықшалардың түрлері:
1) CdS пленкасы немесе ұнтақ - бұл кристаллиттердің немесе кубтық және алтыбұрышты фазалардың домендерінің қоспасы;
2) құрылымдық CdS бөлшегі ретсіз тығыз политиптің құрылымы болып табылады [84,111].
Трансмиссиялық электронды микроскопия әдістерін қолдана отырып, наностатациядағы кадмий сульфидінің құрылымы біркелкі емес екендігі анықталды. Нанобөлшектердің мөлшері Дебай формуласының есептеуіне сәйкес 2-8 Нм құрайды [86].
Н-алкандардың сұйық ортасында қолданылатын металл сульфидтерін [87] алу әдісімен салыстырмалы түрде төмен энергия шығындарын қажет ететін жоғары сапалы өнімдер алуға болады. Әдістің мәні металл сульфидтерін CnH2n+1 шекті қатарындағы сұйық көмірсутектердің сулы емес ортасында тұндыру болып табылады, мұндағы n = 10 реакция кезінде пайда болған күкірт сутегімен металл қосылыстарының өзара әрекеттесуі арқылы [88] жиналады.
Металл сульфидтерін алу әдістері: элементтерді синтездеу, күкіртсутекті пайдалану, құрамында күкірт бар қосылыстардың термолизін қолдану және әртүрлі металл қосылыстарын қалпына келтіру [83].
Таза өнімдерді алу өте қымбат. Синтез әдістерінің көп бөлігі күкірт сутегі газымен қолданылатын синтездерден тұрады, бірақ бұл экологиялық тұрғыдан қауіпті [90-92, 93].
Авторлар әзірлеген [88] экологиялық қауіпсіздік талаптарына жауап беретін сұйық н-алкандар ортасында металл сульфидтерін алу әдістерін қолдана отырып, салыстырмалы түрде төмен энергия шығындарымен жоғары сапалы өнімдер алуға болады. Металл сульфидтері сұйық көмірсутектердің cулы емес ортасында тұндырылады, ал реакция кезінде күкіртсутек түзіледі [95].
Металл сульфидтерін алудың бірнеше шарттары бар. Бірнеше айырмашылықтар бар: реагенттердің металл сульфидінің пайда болуымен әрекеттесуі полярлы емес еріткіштер ортасында жүруі мүмкін; өзара әрекеттесу механизмі иондық емес, молекулалық және радикалды тізбекті; металл сульфидтерінің "Жоғары температуралы" модификацияларының пайда болуы мүмкін [91,97].
Кадмий сульфиді кадмий трифторацетатының этилацетат пен метилметакрилат ортасында тиоацетамидпен химиялық өзара әрекеттесуімен синтезделеді [98-100].
Кадмий сульфидін композицияның негізгі металл модификаторы ретінде таңдау оның спектрлік люминесцентті қасиеттеріне негізделген. Кадмий сульфидінің физикалық қасиеттері 3-кестеде келтірілген [101].
3 - кесте. Кадмий (II) сульфидінің сипаттамасы [101]
Материал
Ерігіштік өнімі
Кристалл тордың түрі
Иондық радиус М2+ к.ч. 4, нм үшін
CdS
7∙10-28
вурцит, сфалерит
0,099
Модельдік орта ретінде азполярлы этилацетатты таңдау оның физикалық сипаттамаларының (диэлектрлік тұрақтысы, диполь моменті) акрилатты мономерлердің сипаттамаларына (алкил), атап айтқанда полиметилметакрилат спектрінің оптикалық аймағында мөлдір мономер болып табылатын метилметакрилат сипаттамаларына жақындығына негізделген. Сондай-ақ, жұмыста мөлдір оптикалық полимерлердің бірі болып табылатын метилметакрилат және полиметилметакрилат қолданылады.
Метилметакрилат - метакрил қышқылының күрделі метил эфирі; хош иісті ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Қожа Aхмет Яcayи aтындaғы Xaлықapaлық қaзaқ-түpiк yнивepcитeтi
Жapaтылыcтaнy фaкyльтeтi
Физикa кaфeдpacы
Жалғасбай Ақмарал Закарияқызы
Кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу және қолдану
ДИССЕРТАЦИЯЛЫҚ ЖҰМЫC
7М05328 мaмaндығы бoйыншa - Физикa
Түpкicтaн 2021
МAЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
1 КЕҢ ЗОНАЛЫ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ МАТЕРИАЛДАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
1.1 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың ерекшеліктері ... ... ... ...
1.2 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды қолдану ... ... ... ... ...
1.3 Кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ..
2 ЗЕРТТЕУ МАТЕРИАЛДАРЫ МЕН ӘДІСТЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ..
2.1 Мырыш оксидінің төмен өлшемді қабаттарын синтездеу ... ... ... ... ... ... ..
2.1.1 ZnO 2D Наноқұрылымдарының электрохимиялық синтезі ... ... ... ... ...
2.1.2 Мырыш оксиді нанобіліктері мен нанотүтікшелерінің электрохимиялық синтезі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
2.2 ZnO наноқұрылымдарының бетіндегі CdS нанобөлшектерін синтездеу ..
2.3 ZnOAgCdS нанокомпозиттерін синтездеу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
2.4 Aлынған үлгілерді талдау үшін пайдаланылатын жабдық ... ... ... ... ... ... .
3 СИНТЕЗДЕЛГЕН ЖӘНЕ ИЕРАРХИЯЛЫҚ БЕЗЕНДІРІЛГЕН ZnO МАССИВТЕРІНІҢ МОРФОЛОГИЯСЫ МЕН ҚҰРЫЛЫМЫНЫҢ СУДЫҢ ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЯЛЫҚ БӨЛІНУІНЕ ӘСЕРІ ... ... ... ... .
3.1 Электрохимиялық әдіспен тұндырылған нанобіліктер мен мырыш оксидінің нанотүтікшелерінің қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
3.2 ZnOCdS композициялық материалдарының қасиеттері ... ... ... ... ... ... ...
3.3 ZnOAgCdS композициялық материалдарының каталитикалық қасиеттерін фотоиндукцияланған судың ыдырауы кезінде зерттеу ... ... ... ...
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
КІРІСПЕ
Зерттеу жұмысының өзектілігі. Қазіргі жартылай өткізгіштер физикасында ең жылдам дамып келе жатқан екі бағыт бар: 1) құрылымдардың геометриялық өлшемдерінің өзгеруіне байланысты материал қасиеттерінің өзгеруі, яғни наноқұрылымдардың физикасы; 2) жаңа жартылай өткізгіш материалдарды әзірлеу және зерттеу.
Қазіргі кезде кең зоналы жартылай өткізгіштерді зерттеу маңызды орын алады. Si және GaAs − қа қарағанда тыйым салынған аймақтардың мөлшері бұл материалдарға келесі артықшылықтарды береді:
oo Жұмыс температурасының жоғарылауы,
oo олардың негізінде спектрдің көрінетін аймағында жарық шығаратын құрылғыларды құру мүмкіндігі,
oo сынудың сыни өрісінің жоғары мәні,
oo үлкен радиациялық тұрақтылық.
Оптоэлектрониканың және практикалық қолданудың басқа да салаларының дамуымен, атап айтқанда жоғары температуралы аспаптар мен фотондармен зарядталған бөлшектерді детектеу әдістемесімен, кең зоналы жартылай өткізгіштерге деген қызығушылық артуда. Сонымен қатар, радиолампалармен салыстырғанда жартылай өткізгіштер құралдардың көлемі мен салмағы аз, электрлік және механикалық беріктігі жоғары болады, олар ұзақ уақыт қызмет ете алады және электр энергиясын аз пайдаланады. Осындай қолайлы қасиеттеріне орай жартылай өткізгіштерді әскери радиотехникалык аппаратураларда жиі қолданады.
Зерттеу жұмысының мақсаты - кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу және олардың құрамына, кристалдау процестеріне және құрылымына термиялық өңдеудің әсерін зерттеу.
Зерттеу жұмысының мақсаты келесі міндеттердің орындалуын қажет етеді:
- Біртекті 1D және 2D массивтерін қалыптастыру үшін ZnO құрылымдарының электрохимиялық синтезінің режимдерін жасау.
- Фотоэлектрохимиялық реакцияның максималды тиімділігіне қол жеткізу үшін ZnO матрицалық массивтеріне тұндырылған CdS пленкасының көлденең өлшемдерінің оңтайлы мәндерін анықтау.
- ZnO және ZnOCdS, ZnOAgCdS негізіндегі фотобелсенді материалдардың тозу дәрежесін фотоиндукцияланған фотоэлектрохимиялық процестерінде белгілеу.
Зерттеу жұмысының объектісі: ZnOCdS, ZnOAgCdS төмен өлшемді 1D және 2D құрылымдарының қабаттары гидротермалдық, электрохимиялық, spin-coating, layer-by-layer әдістерімен судың фотоиндукцияланған буынындағы фотоэлектрохимиялық қасиеттерін зерттеу үшін алынған.
Зерттеу жұмысының пәні: Гидротермалдық, электрохимиялық, spin-coating, dip coating, layer-by-layer әдістерімен алынған төмен өлшемді 1D және 2D ZnO құрылымдарының және ZnOCdS, ZnOAgCdS композиттерінің морфологиясының, құрылымының, оптикалық, физика-химиялық қасиеттерінің судың бөлінуінің фотоэлектрохимиялық процестеріне әсері.
Зерттеу жұмысының әдістері мен әдістемелері: Зерттеудің әдістемелік негізі наноөзектерді, нанопласттарды және ZnO нанотүтіктерін, нано объектілер мен жұқа CdS қабыршақтарын, күміс нанобөлшектерді электрохимиялық, гидротермалдық, spin-coating және layer-by-layer әдісімен синтездеу әдістемесі болып табылады; ZnO қабыршақтарын және ZnOCdS, ZnOAgCdS композитті материалдарын сканерлеуші электронды микроскопия, рентгендік дифрактометрия, люминесцентті микроскопия әдісімен зерттеу. спектроскопия, УКкөрінетін спектроскопия, электронды импеданс спектроскопиясы, потенциостатикалық және вольтамперлік өлшеулер.
Зерттеу жұмысының ғылыми жаңалығы мен теориялық маңыздылығы: Бұл зерттеудің ғылыми жаңалығы - жарықтың әсерінен суды бөлуге арналған тиімді ФОТОСАНОДТЫ жасау үшін кең және тар зоналы жартылай өткізгіш микро- және нанокристалды материалдар мен композиттерді синтездеудің технологиялық жағдайларын эксперименттік анықтау, сонымен қатар ZnO нано - ұстағыштарын (0001) электрохимиялық әдіспен сұрыптау, бұл нанопласттар мен мырыш оксидінің нано-ұстағыштарымен салыстырғанда жақсы электронды тасымалдау қасиеттері бар құбырлы құрылымдардың пайда болуына әкеледі.
Зерттеу жұмысының практикалық құндылығы: ZnOAgCdS - балама энергия үшін маңызды қасиеттерге ие жаңа наноқұрылымды материалдар және оларды күн сәулесінің әсерінен сутегі отынын шығару үшін фотоэлектрохимиялық жүйелердің элетродтары ретінде пайдалануға болады. Фотоэлектродтардың белсенді қабаттары әртүрлі химиялық реакцияларды жүзеге асыру үшін фотокаталитикалық жүйелер ретінде қызмет ете алады. Наноөзектердің, нанопласттардың және мырыш оксиді нанотүтікшелерінің біртекті массивтері және оларға негізделген композициялық материалдар күн элементтерінде, газ датчиктерінде, оптоэлектрондық құрылғыларда, пезоэлектрлік құрылғыларда және т. б.
Зерттеу жұмысының базасы: Зерттеу жұмысының тәжірибелік базасы Қазақстан-Британ техникалық университетінің Нанотехнология лабораториясы болып табылады.
Зерттеу жұмысының құрылымы мен көлемі:
1. КЕҢ ЗОНАЛЫ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ МАТЕРИАЛДАР ЖӘНЕ ОЛАРДЫҢ ҚАСИЕТТЕРІ
1.1 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың ерекшеліктері
Кең зоналы жартылай өткізгіштер - бұл қарапайым жартылай өткізгіштермен салыстырғанда салыстырмалы түрде үлкен тыйым салынған аймақ бар жартылай өткізгіш материалдар. Кремний сияқты қарапайым жартылай өткізгіштерде 1 - 1,5 электронвольт (эВ) диапазонында тыйым салынған аймақ бар, ал кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарда 2 - 4 эВ диапазонында тыйым салынған аймақ бар [1]. Әдетте кең зоналы жартылай өткізгіштер қарапайым жартылай өткізгіштер мен оқшаулағыштар арасында болатын электрондық қасиеттерге ие.
Коммерциялық микроэлектроника, оптоэлектроника, гибридті электромобильдер, сымсыз нарық, радиожиілік генераторлары, икемді айнымалы ток беру жүйелері (фактілер) және басқа да дәстүрлі әскери қосымшалар кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың мүмкіндіктері мен тиімділігі жоғары дамыған схемалар мен ішкі жүйелерді қажет етеді. Барлық осы жақтаулар жоғары температура, жиілік операциялары және кернеуді оқшаулау мүмкіндіктеріне байланысты кремний технологиясымен қол жеткізілмейтін жоғары кернеулі, жоғары жылу өткізгіштік және жоғары жиілікті электр құрылғыларын қажет етеді [2].
Осы шектеулерді жеңу үшін зерттеулер кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарына, мысалы, кремний карбиді, галлий нитриді және Алмаз, олардың материалдық артықшылықтарына байланысты назар аударды [3]. Алмаз өте үлкен тыйым салынған аймаққа және ерекше жылу қасиеттеріне ие, бірақ зерттеулер өте ерте сатысында қалады. SiC жоғары жылу өткізгіштікке және кең тыйым салынған аймаққа ие, бұл оны коммутациялық құрылғыларды құруға өте ыңғайлы етеді. GaN тікелей өткізу қабілеттілігін және жоғары жиілік сипаттамаларын ұсынады, бұл Оптоэлектроника мен радиожиілік құрылғыларында үлкен қолдануды табады. Сондықтан кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарынының ішіндегі SiC және GaN-ға назар аударfды, онда алғашқы бетон өнімдері болашақ туралы түсінік береді [4].
1-кесте. Кейбір жартылай өткізгіштер үшін нормаланған сапа өлшемдерінің және бірқатар басқа параметрлердің мәні [5,6]
Материал
JM =
(EcrVsatPI)2
KM =
λ(Vsatε)12
BM =
εμEcr3
BH=
μEcr2
QF1 =
λεμEcr3
Toper, K
TD, K
Жабық аймақтың құрылымы
Si
GaAs
GaP
6H-SiC
4H-SiC
GaN
Алмаз
AlN
1
11
37
260
410
790
5330
5120
1
0.45
0.73
5.1
5.1
1.8
31
2.6
1
28
16
90
290
910
14860
390
1
16
3.8
13
34
100
1080
14
1
9.4
9.4
300
950
910
198100
660
410
570
800
1200
1230
1250
2100
2100
645
344
445
1200
1200
600
1860
747
Тік емес
Тік емес
Тік емес
Тік емес
Тік емес
Тік
Тік емес
Тік емес
Ескерту. Toper - жұмыс температурасы, TD - Дебай температурасы.
Оларды пайдаланатын құрылғылардың әлдеқайда жоғары температурада, шамамен 300°C температурада жұмыс істеуі үшін кеңірек өткізу қабілеті өте маңызды. Жоғары температураға төзімділік бұл құрылғылардың қалыпты жағдайда әлдеқайда жоғары қуат деңгейінде жұмыс істей алатындығын білдіреді. Сонымен қатар, кең шектеулі аймағы бар материалдардың көпшілігінде қарапайым жартылай өткізгіштердің тығыздығынан он есе жоғары электр өрісінің критикалық тығыздығы бар. Бірлесе отырып, бұл қасиеттер оларға әлдеқайда жоғары кернеулер мен токтарда жұмыс істеуге мүмкіндік береді, бұл оларды әскери, радио және энергетикалық конверсия қондырғыларында өте құнды етеді. АҚШ Энергетика министрлігі жаңа электр желілері мен балама энергетикалық құрылғылардағы негізгі технология, сондай-ақ жоғары энергиялы көліктерде қолданылатын сенімді және тиімді қуат компоненттері-электр пойыздарынан бастап қосылатын электр машиналарына дейін болады деп санайды [7].
Кең тыйым салынған аймақ: жоғары активтендіру энергиясы бар жартылай өткізгіш құрылғылар, сондықтан кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың құрылғылары жоғары температурада жұмыс істей алады.
Жоғары электрлік соққы өрісі: соққы механизмі арқылы тасымалдаушыларды құру қажет. Дәл осындай допинг тығыздығында Алмаз диодының бұзылуының теориялық кернеуі Si диодына қарағанда 514 есе жоғары.
Төмен қарсылық: өткізгіштіктің төмендеуіне әкеледі, сондықтан түрлендіргіштің жоғары тиімділігіне қол жеткізіледі. SiC политиптері мен GaN құрылғыларының кедергісі Si құрылғыларына қарағанда шамамен 10 есе аз.
Жоғары қаныққан дрейф жылдамдығы: жоғары жиілікті коммутация мүмкіндіктеріне тура пропорционал, сондықтан кең зоналы жартылай өткізгіш материалдардың негізіндегі қуат құрылғылары жоғары жиіліктерге ауыса алады.
Жылу өткізгіштік: кең зоналы жартылай өткізгіш құрылғылары 2-кестеде көрсетілгендей жоғары жылу өткізгіштікке ие. Жоғары жылу өткізгіштік SiC жылу өткізгіштен жылуды тиімді беруді және төмен өту температурасын қамтамасыз етеді [8].
2-кесте: Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарының негізгі қасиеттері [2]
Қасиеттері
Si
6H-SiC
4H-SiC
GaN
Алмаз
Ені Eg эв
1.1
3.03
3.26
3.45
5.45
Диэлектрлік тұрақты, εr
11.9
9.66
10.1
9
5.5
Бұзылу өрісі, Ec(кВсм)
300
2500
2200
2000
10000
Электрондардың қозғалғыштығы μn(см[2]В∙с)
1500
500
1000
1250
2200
Тесіктің қозғалғыштығы μn(см[2]В∙с)
600
101
115
850
850
Жылу өткізгіштік
λ Вт(см∙К)
1.5
4.9
4.9
1.3
22
Жылу кеңейту 10-6°К
2.6
3.8
4.2
5.6
1-2
Қаныққан Е-Дрейф Жылдамдығы Vsat (107 смс)
1
2
2
2.2
2.7
Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды зерттеу және дамыту 1970 жылдардан бастап үлкен инвестиция алған қарапайым жартылай өткізгіштерден артта қалды. Алайда, олардың көптеген қосымшаларға тән артықшылықтары қарапайым жартылай өткізгіштерде кездеспейтін ерекше қасиеттермен бірге оларды кремнийді ауыстыру үшін күнделікті электронды құрылғыларда қолдануға деген қызығушылықтың артуына әкелді. Олардың жоғары энергия тығыздығын өңдеу қабілеті Мур Заңына бағынуды жалғастыруға тырысады, өйткені дәстүрлі технологиялар тығыздық үстіртіне жететін сияқты [9].
Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдар тар зоналы жартылай өткізгіш материалдармен салыстырғанда оларды пайдалы ететін бірқатар сипаттамаларға ие. Жоғары энергия алшақтықтары құрылғыларға жоғары температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді [11], өйткені тыйым салынған аймақтар әдетте температураның жоғарылауымен қысылады.
IV топтағы аниондармен (мысалы, графен [10], және көміртекті нанотүтікшелер [12], SiC [13]), V (мысалы, GaN [14,15], мырыш нитридтері [16]) және VII аниондары бар кең зоналы жартылай өткізгіштерде айтарлықтай зерттеулер жүргізілді. Осы материал кластарының желілік диаграммасы 1.1-суретте [18] бейнеленген, халькогенидтер қызыл түспен көрсетілген. Көптеген шолу мақалалары мен кітап тараулары кең зоналы жартылай өткізгіштерінің осы саласының әр түрлі аспектілерін қарастырады. Кейбіреулер ішкі материалдың қасиеттеріне назар аудара отырып, оксидті ТСО-ны зерттейді [19,20], ал басқалары мөлдір электроника [21] және фотоэлектрика сияқты қосымшаларға назар аударады [17]. Басқалары нитридтер [22], галогенидтер [23], және карбидтер [24], графенді қосады [25]. Бірнеше шолуларда кең зонадағы жартылай өткізгіштер туралы қысқаша айтылған, бірақ олардың фокустары оксидтермен немесе халькогенидтердің тар жиынтығымен шектеледі [26].
1.1-сурет. Кең зоналы жартылай өткізгіштердің әртүрлі материалды сыныптарын бейнелейтін схемалық желі диаграммасы. Сабақтар аниондар тобы бойынша сұрыпталады. Осы шолудың мақаласында назар аударылған кең саңылаyлы жартылай өткізгіштер - халькогенид қызыл түспен (Ch = S, Se, Te бар) бөлінген [18].
Оптикалық сипаттамалары. Өткізу қабілеті жарық диодтары жарық шығаратын толқын ұзындығын және фотоэлектрлік элементтер тиімді жұмыс істейтін толқын ұзындығын анықтайды. Сондықтан кең зоналы құрылғылар басқа жартылай өткізгіш құрылғыларға қарағанда қысқа толқын ұзындығында пайдалы. Мысалы, GaAs 1,4 эВ үшін тыйым салынған аймақ көрінбейтін инфрақызыл жарық болып табылатын шамамен 890 нм толқын ұзындығына сәйкес келеді (жарық энергиясы үшін балама толқын ұзындығын 1240 Нм-эВ тұрақтысын эВ-да энергияға бөлу арқылы анықтауға болады, сондықтан 1240 Нм-эВ1,4 эВ=886 Нм). Сондықтан GaАs фотовольтаикасы қысқа толқындық көрінетін жарықты электр энергиясына айналдыру үшін өте қолайлы емес. Кремний 1,1 эВ (1100 Нм) одан да жаман. Бір өтпелі фотоэлектрлік элементті қолдана отырып, күн энергиясын түрлендіру үшін идеалды тыйым салынған аймақ шамамен 1,0 эВ-дан шамамен 1,5 эВ-қа дейін әр түрлі бағаланды [27] (әр түрлі болжамдарға байланысты), өйткені төмен толқын ұзындығының шегі жер бетіне жететін күн спектрінің барлығын қамтиды, бірақ төмен өткізу қабілеті бар жалғыз өтпелі жасуша бұл энергияның көп бөлігін күн спектрінің қысқа толқындық бөліктерін тиімсіз түрлендіреді. Осыған байланысты күн энергиясын зерттеудің негізгі саласы-спектрдің жеке бөліктерін тиімдірек жинайтын көп өтпелі күн батареяларын жасау, ал кең жолақты фотоэлектрлік жасушалар инфрақызыл диапазоннан тыс спектрдің бір бөлігін жинаудың негізгі құрамдас бөлігі болып табылады.
Жылу қасиеттері. Кремний және басқа да жалпы материалдарда 1-1, 5 электронвольт (эВ) ретті тыйым салынған аймақ бар, яғни мұндай жартылай өткізгіш құрылғыларды салыстырмалы түрде төмен кернеулермен басқаруға болады. Алайда, бұл олардың дұрыс жұмыс істеуіне кедергі келтіретін жылу энергиясымен оңай іске қосылатындығын білдіреді. Бұл кремний негізіндегі құрылғыларды шамамен 100 °C-тан төмен жұмыс температурасына дейін шектейді, оның сыртында құрылғылардың бақыланбайтын термиялық активтенуі олардың дұрыс жұмыс істеуін қиындатады. Кең зоналы материалдар әдетте 2-4 эВ шамасында тыйым салынған аймақтарға ие, бұл оларға 300 °C шамасында әлдеқайда жоғары температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді.
Жоғары қуат және жоғары температура жағдайларында қолдануға арналған құрылғылар [29]. Галлий нитриді де, кремний карбиді де осындай қосымшаларға жақсы сәйкес келетін берік материалдар болып табылады. Сенімділік пен өндірудің қарапайымдылығымен кремний карбидін қолданатын жартылай өткізгіштер кеңінен қолданылады деп күтілуде, гибридті және толық электрлік көліктер үшін қарапайым және жоғары тиімді зарядтауды жасайды, энергия шығынын азайтады және күн және жел энергиясын түрлендіргіштердің қызмет ету мерзімін ұзартады, сонымен қатар үлкен желілік қосалқы станциялардың трансформаторларын жояды [28], сондай-ақ текше бор нитриді қолданылады.олардың көпшілігі ғарыштық бағдарламалар мен әскери жүйелерде арнайы қолдануға арналған. Олар әлі күнге дейін кремнийді жартылай өткізгіштердің жалпы нарығындағы жетекші орыннан ығыстыра бастаған жоқ.
Алюминий нитридінің өзіндік құнына байланысты ол әлі күнге дейін негізінен әскери мақсатта қолданылады.
Маңызды кең зоналы жартылай өткізгіштер:
* Кремний карбиді (SiC);
* Кремний диоксиді (SiO2);
* Алюминий нитриді (AlN);
* Галлий нитриді (GaN);
* Бор нитриді (BN), h-BN және c-BN ультракүлгін жарық диодтарын құра алады.
* Алмас
1.2 Кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды қолдану
Әр түрлі әскери салаларда кеңінен қолданылатын жартылай өткізгіш технология мыңдаған жылдар бойы қалыптасқан дәстүрлі тұжырымдаманы бұзды, бұл қару-жарақ техникасының артықшылығы тек мөлшерде, мөлшерде және одан да көп мөлшерде жойылады, сондықтан қару жүйесі кішірейеді, жеңілдейді, аз энергия жұмсалады, сенімдірек, күшті жұмыс істейді. Жоғары температурада, жоғары радиацияда және басқа да қатал жағдайларда жұмыс істеу үшін қажет әскери электронды жабдық ұзақ қашықтықтағы кішігірім нысандарды анықтай алады және нақты уақыт режимінде жоғары жылдамдықты сенсорлық деректерді өңдей алады, ал жұмыс жиілігі әдеттегі коммерциялық диапазоннан тыс болады. Осылайша, әскери электронды жабдықтың жартылай өткізгіш компоненттерге қажеттілігі қарапайым электронды жабдыққа қарағанда едәуір жоғары, оның қауіпсіздігі мен компоненттерінің сенімділігі жоғары болуы керек. Айта кету керек, электронды жүйелерді өндіру үшін дәстүрлі жартылай өткізгіш технологияларды қолдану көлемі, салмағы және жоғары сенімділігі бойынша келесі буынның әскери қолдану талаптарын қанағаттандыра алмады. Кең жолақты жартылай өткізгіш құрылғы жоғары жиіліктің, жоғары қуаттың, жоғары температураның [30] және агрессивті ортаға ықтимал төзімділіктің артықшылығына ие, бұл осы мәселелерді шешу әдісін ұсынады.
2,2 эВ-дан асатын шектеулі аймағы бар жартылай өткізгіш кең жолақты жартылай өткізгіш ретінде анықталады, әдеттегі кең жолақты жартылай өткізгіш материалдар кремний карбиді (SiC) және галлий нитриді (GaN) болып табылады, бұл жартылай өткізгіш материалдар үшінші буын жартылай өткізгіш материалдар ретінде де белгілі. Жартылай өткізгіштердің екінші буынының өкілі ретінде Si және GaAs-пен салыстырғанда, кең жолақты жартылай өткізгіштің кең тыйым салынған аймақтың артықшылықтары, жоғары қаныққан дрейф жылдамдығы, жоғары сыни соққы электр өрісі бар. жартылай өткізгіштердің екінші буынының өкілдері ретінде Si және GaAs артықшылықтарын атап өту. Соңғы жылдары SiC монокристалдарының өсу технологиясы және GaN гетероэпитаксиалды технологиясы дамып келе жатқанда, кең жолақты жартылай өткізгіш электр құрылғыларының дамуы мен қолданылуы тез өсуде [31].
Америка Құрама Штаттары кең зоналы жартылай өткізгіш технологияларды зерттеуді бастаған алғашқы ел болды және Raytheon, TriQuint, BAE, MIT, Cree сияқты көптеген танымал университеттер мен ғылыми-зерттеу институттары осы технологияға көптеген еңбек және материалдық ресурстарды салды және олардың зерттеулері ең көрнекті болып табылады. DARPA кең зоналы жартылай өткізгіш құрылғылар мен тізбек технологияларын дамыту жоспарларын жүзеге асыруға үлкен қаражат салуға батылы жетпеді. DARPA әскери радарлардың, сүңгуір қайықтардың және басқа да жүйелер мен жабдықтардың тиімділігі мен сенімділігін арттыруға, сонымен қатар қазіргі уақытта кең жолақты технологиялар кездесетін бірқатар техникалық қиындықтарды шешуге тырысты [43].
Cree жасаған SiC қуат модульдері. АҚШ әуе күштерінің Жаңа f35lightingii ұшақтарында кеңінен қолданылады. Электрмен жабдықтау жүйелерінде қуат құрылғысының тиімділігі жоғарырақ, жүйенің артықшылығы анағұрлым айқын болады, ал көмірқышқыл газының шығарылуын азайту айқын артықшылықтардың бірі болып табылады. Қолдану саласындағы айырмашылыққа байланысты ол басқа да көптеген артықшылықтар әкеледі. Егер гибридті электровоз кең жолақты қуат электронды құрылғыларын қолданса, онда тұрақты токтың батарея қуатын айнымалы ток көзіне тиімді түрлендіруге болады; бұл қозғалтқышты тиімді басқара алады және энергия шығынын азайтады. Сонымен қатар, Электронды компоненттердің жылу шығаруы азаяды, сондықтан салқындату жүйесі кішірек, жеңіл, аз күрделі болады және өндіріс құнын төмендетеді, орамдағы орынды үнемдейді және энергия үнемдеу мақсатына жетеді. Құрылғының тиімділігін арттыру әскери ұшақтарға және балама энергетикалық жүйелерге бірқатар артықшылықтар әкелуі мүмкін. Мысалы, тиімділікті арттыру салмақты азайтады, салқындату жүйесіне қойылатын талаптарды төмендетеді, бұл әуе кемесінің ауқымы мен ауқымын кеңейтуге және кеңейтуге мүмкіндік береді.
Кең зоналы жартылай өткізгіштер әр түрлі электронды құрылғылар үшін өте маңызды, мысалы, мөлдір контактілер, p-n - өтулер және жұқа пленкалы транзисторлар [21]. 1950 жылдардан бастап оксидті кең жолақты жартылай өткізгіштер, атап айтқанда, олардың жоғары мөлдірлігі мен жоғары өткізгіштігінің қарама-қайшы қасиеттері үшін қарқынды зерттелді. 21 ғасырда индий-мырыш-галлий оксиді сияқты көп қабатты мөлдір аморфты оксидті жартылай өткізгіштер жоғары мөлдірлігі, жоғары қозғалғыштығы және жақсы біртектілігі арқасында жұқа қабатты транзисторлардағы канал қабаттары ретінде белсенді зерттелді [32], бұл олардың сұйық кристалды дисплейлерде коммерциялық қолданылуына әкелді.
Кең зоналы оксид материалдарына құрылғыларды зерттеу және біріктіру бағытына қарамастан, мөлдір жартылай өткізгіштер оксидтермен шектелмейді. Бүгінгі таңда мөлдірлігі мен өткізгіштігін эксперименталды түрде дәлелдеген неоксидті жартылай өткізгіштердің бірнеше сыныптары бар.
Өзінің тамаша физикалық қасиеттерінің арқасында [33], кең тыйым салынған аймағы бар жартылай өткізгіштер кремний карбиді (4H-SiC) және нитрид галлий (GaN) болашақта күштік электроника саласында революция жасайтын материалдар болып саналады. Шын мәнінде, олар қосылған күй кедергісін азайтуға және қуат шығынын жалпы азайтумен Si аспаптарына қатысты сынамалық кернеуді арттыруға мүмкіндік береді. Демек, осы материалдар негізінде құрылғылар көптеген маңызды салаларда қолданылуы мүмкін. Осы материалдардың үлкен әлеуетін көрсету үшін қараңыз. қуат пен кернеудің ауқымына байланысты кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарының қоректену құрылғыларын қолданудың негізгі салалары көрсетілген. Көрініп тұрғандай, мүмкін қолдану салалары тұтынушылық электроника, автомобиль, өнеркәсіптік қолдану, жаңартылатын энергия көздері, көлік және т. б. қамтиды.
1.2-сурет. Қуаттың жұмыс диапазонының кернеуіне тәуелділік графигінде кең зоналы жартылай өткізгіш күш құрылғыларын қолданудың негізгі бағыттары [34]
Сонымен қатар, SIC және GaN құрылғылар технологияларында әсерлі табыстарға қол жеткізілді (Шоттки диодтары, МОП-транзисторлар, HEMTs және т.б.), және дискретті құрылғылардың түрлі топтары қазірдің өзінде сатылымда бар, бірнеше кедергілер әлі де құрылғылардың қажетті сипаттамаларына қол жеткізе отырып, осы материалдардың қасиеттерін толық пайдалану үшін еңсерілуі тиіс [35].
SiC - бұл негізінен коммутациялық құрылғыларды шығару үшін қолданылатын кең шектеулі аймағы бар жартылай өткізгіш материал. Бұл құрылғылар жеңіл, кішірек, ықшам және тиімдірек, бұл оларды жоғары вольтты қуат электронды қосымшалары үшін өте ыңғайлы етеді. SiC жоғары жылу өткізгіштікке және кең тыйым салынған аймаққа байланысты жоғары температурада қолдануға жарамды.
SiC JFET төмен кернеудің төмендеуіне және жоғары ауысу жылдамдығына ие және MOSFET-тен айырмашылығы оксид жапқыш интерфейсінің проблемасынан босатылған [36], сондықтан MOSFET-ке қолайлы балама болып табылады. Оны қолдану өнеркәсіпте немесе автомобиль өнеркәсібінде инвертор ретінде қозғалтқышты басқаруды қамтиды.
SiC Schottki диодтары көптеген жүк көтергіш құрылғылар болып табылады және жоғары жиілікті қосымшаларға балама болып табылады, өйткені олар pn диодтарымен салыстырғанда төмен коммутациялық шығындарға ие. Алайда, олардың ағып кету токтары жоғары, бұл құрылғылардың сыну кернеуіне әсер етеді [37]. Schottki SiC диодтары Si PIN диодтарын ауыстыру ретінде қарастырылды, өйткені олар төмен вольтты құлыптауға жарамды.
SiC MESFET SiC MOSFET-тің кең көлемде өндірілуіне жол бермейді, өйткені SiC-пен алынған оксид қабаты сенімсіз және электрондардың қозғалғыштығы өте төмен. SiC MESFET үшін қуат күшейткіштерінде [38] және шуылсыз күшейткіштерде [39] тамаша сызықтық байқалды.
SiС құрылғыларын жоғары қуатты жүйелерге енгізу жүйенің өнімділігін, мөлшерін, қуатын жоғалтуды және жүйенің жалпы құнын едәуір жақсартуға әкелді, бірақ кейбір мәселелер әлі шешілмейді.
* SiC-де сұйық күй жоқ. Бұл дегеніміз, Si өңдеудің көптеген әдістері, мысалы, кристаллдарды тарту, аймақтарды нақтылау және жылдам термиялық өңдеу, SiC үшін аз қолданылады.
* SiC монокристалды құрылымының үлкен тақталарын өсіру өте қиын, сондықтан пластинада микро сымдар, бұрандалы дислокация және Базель жазықтығының ақаулары сияқты ақаулар болуы мүмкін [40].
GaN - бұл кең зоналы жартылай өткізгіш материал, қазіргі уақытта оптоэлектрондық қосымшаларда тікелей тыйым салынған аймақ және жоғары жиілікті сипаттамалары арқасында радиожиілікті қолдану арқылы қолданылады. GaN құрылғылары бәсекелес құрылғылармен салыстырғанда жоғары өнімділікке қол жеткізу үшін жоғары тиімділік пен үлкен дизайн еркіндігін ұсынады деп күтілуде [41].
GaN - үш кең зоналы жартылай өткізгіштерінің ішіндегі жалғыз гетероқұрылым. Ол кең зоналы жартылай өткізгіштерінің қуатын басқару мүмкіндіктерін ерекше қолдана алады. Оның тағы бір атрибуты-жоғары арна зарядын құру мүмкіндігі, бұл құрылғылардың ток өткізу қабілетін арттырады.
Радиожиілікті қосымшалары үшін қолданыстағы Si ldmos және GaAs технологияларын ауыстыруға нақты үміткер GaN HEMT болып табылады. Оның өнімділігі GaN қасиеттеріне байланысты, олар жоғары ену кернеуі және электрондардың қанығу жылдамдығы.
Gan HEMT ldmos құрылғылары ұсынған көптеген мәселелерді бастапқыда жоғары белсенді интерэлектродтық өткізгіштікке (сызықтыққа көмектеседі), жылуды жақсы басқаруға және жиілікті жоғары кесуге байланысты жеңілдете алады. 2-ші электронды газ жоғары белсенді интерэлектродты өткізгіштігі бар және канал ағымынан жоғары nemt транзисторларының іздеу құрылымында пайда болады. [42]
GaNHEMT құрылғыларындағы соңғы әзірлемелер микротолқынды жиіліктерде жоғары қуатты және өте жоғары тиімділігі бар коммутациялық күшейткіштердің дизайнын жүзеге асыруға мүмкіндік берді.
GaN шынымен керемет сипаттамаларға ие, бірақ gan жартылай өткізгіш технологиясын жасау кезінде көптеген қиындықтарды жеңу керек. GaN үшін Оптоэлектроника қосымшалары нарықтың басым драйверлері болып табылады, бірақ нарық жоғары шығындар мен сенімділік проблемасынан зардап шегеді. III-IV нитридті қосылыстардың табиғи тотығы жоқ, сондықтан GaN -ның шынайы MOS -транзисторлары мүмкін емес [40].
ZnO нанобөлшектері жарықтың көп кванттарын сіңіретінін және олардың тыйым салынған аймағы мен электронды құрылымы арқасында жартылай өткізгіш ретінде әрекет ететіндігін көрсетеді, олар толтырылған валенттілік аймағы мен өткізгіштік аймағымен сипатталады [44]. ZnO зерттеулері 1930 жылдары біртіндеп күшейе түсті. Ол кезде ZnO-ны зерттеудің маңыздылығы негізінен өсу, көлік, допинг, аймақтық құрылым, терең орталықтар, экситон, көлемді полярлықтар және беттік полярлықтар, жоғары қозу және люминесценция сияқты мәселелерді қамтитын көлемді үлгілерге бағытталған болатын [45]. ZnO кристалды құрылымы, әдетте, текше (мырыш алдау), тас немесе вюрцит құрылымы түрінде болады. ZnO-ның мырыш-алдамшы формасы текшелік субстраттарда күшейген кезде ғана тұрақты болады, ал ZnO-ның тас-тұз (NaCl) құрылымы оның жоғары қысыммен пайда болуына байланысты өте сирек кездеседі [46]. ZnO-ның вюрциттік формасы үш құрылым арасында максималды термодинамикалық тұрақтылықты көрсетеді.
3,3 эВ кең тыйым салынған ZnO фотокатализаторларда, варисторларда, фармацевтикалық өнімдерде, лазерлерде және т.б. үлкен қолданысқа ие, фотокатализатор ретінде ультракүлгін сәулелену кезінде оның бетінде белсенді оттегі түрлерін (AFC) жасауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ол ультрафиолет спектрінің үлкен бөлігін және жарық кванттарын сіңіреді, бұл ағынды суларды тазарту кезінде фотокаталитикалық ыдыраудың жақсы қабілетіне қол жеткізу үшін өте пайдалы (1.3-сурет [47]).
1.3-сурет. Судағы ZnO фотокатализаторының ұсынылған фотокаталитикалық механизмі [47]
Поляр бетінің электростатикалық күші мен ерекше химиялық сипаттамалары нано-көктемдер, нано-сымдар, нано-түйіршіктер және нано-сымдар сияқты нано-құрылымдардың кең спектрін тудырады [48]. Мырыш оксиді әдетте бір өлшемді (1D), екі өлшемді (2D) және үш өлшемді (3D) бірлестіктерде болады. 1D құрылымдық құрылғысына нано-ұстағыштар, инелер, таспалар, спиральдар, серіппелер, сақиналар, сымдар мен жоталар кіреді. 2D құрылымы жағдайында нано қабаттары мен нано-түйіршіктер алынуы мүмкін, ал ZnO-ның 3D құрылымы негізінен гүл, снежинка, одуванчика және т. б. түрінде болады. Икемділікке қарамастан, ZnO-ның кейбір кемшіліктері бар, мысалы, күн сәулесінің спектрінің шамамен 43% - ы, кең тыйым салынған аймақ (3,3 эВ), спектрдің жақын УК аймағында сіңіру, фотокаталитикалық реакция кезінде бөлшектердің агрегациясы және ZnO-ның фотокаталитикалық белсенділігін едәуір шектейтін көрнекті фотокоррозия [49].
Мырыш оксиді cоңғы онжылдықта кең зоналы жартылай өткізгіш материалдарды зерттеуге әлемдік қызығушылық керемет электрлік қасиеттеріне байланысты мырыш оксидіне көп көңіл бөлді. Электрондардың жоғары қозғалғыштығы, жоғары жылу өткізгіштігі, мөлдірлігі, валенттілік пен өткізгіштік диапазондар арасындағы кең және тікелей ауысуы (3,37 эВ), ZnO экситонының байланысу энергиясы кең қолдану шеңберінде: лазер оптоэлектрониканы, жабдықты пайдалануға мүмкіндік береді. Осылайша, мөлдір электрониканың жоғары энергиясы және экзитонды ZnO байланыс сенсоры оны оптикалық құрылғылар үшін перспективалы материал етеді [50]. Жартылай өткізгішті мырыш оксидінің көпфункционалдығын ескере отырып, оны қолдану косметикада да қолданылды [51]. Шаруашылық қызметінде ZnO сусымалы және жұқа қабатты жабындарын қолданудың жарқын мысалы ZnO варисторлары болып табылады, олар әр түрлі атаулармен белгілі, мысалы, сызықтық емес резисторлар, айнымалы резисторлар, асқын супрессорлар, кернеуді қорғаушылар және кернеуді шектегіштер [52], газ датчиктері, мысалы, аммиак газының деңгейін бақылауға арналған [53], мақта және жүн маталарына ZnO нанобөлшектері күн сәулесінің әсерін, термиялық және механикалық төзімділікті [54], бактерияға қарсы жабындарды [55] және фотокатализаторларды көрсету үшін қолданылатын тоқыма өндірісінде. ZnO жақсырақ вурциттің алты бұрышты құрылымында кристалданады, дегенмен ZnO мырыш бленді түрінде де кристалдануы мүмкін [56].
Фотоэлектрохимиялық жасуша арқылы күн энергиясын сутекке тиімді айналдыру қабілетін көрсететін бірқатар жартылай өткізгіш материалдардың ішінде ZnO осындай мақсаттар үшін ең көп қолданылатын материалдардың бірі болып қалады. УЭК суды бөлу жүйелерінде фотоэлектрод ретінде мырыш оксидін әлемдік энергия тұтынуға сәйкес масштабта қолдану өте қажет. ZnO-нің негізгі кемшіліктеріне фотокөшірмелі электронды тесік жұптарының тез рекомбинациясы, көрінетін жарық сәулеленуіне оптикалық сіңіру қабілеті нашар және сулы ерітіндідегі фотостабильділік жатады. Мұндай кемшіліктер мырыш оксидінің күн конверсиясындағы өнімділігін табиғи түрде шектейді. Осылайша, кеуекті ZnO нанархитектуралары мен көміртекті будандастырудың тиімді интеграциясы сутегі эволюциясы тиімділігі жоғарылаған және су ортасында ұзақ қызмет ететін фотоанодты құруға әкелуі мүмкін [57]. Қолданыстағы кемшіліктерге қарамастан, ZnO өте пайдалы қасиетке ие, өйткені оны салыстырмалы түрде төмен температурада (773 К-ден төмен) өсіруге болады, бұл түйіршікті, ине тәрізді және наноқұбырлар сияқты әртүрлі пішіндер мен өлшемдердің құрылымдарын алуға мүмкіндік береді.
CdS - оптоэлектрондық қосымшалардың көптеген түрлерінде қолданылатын кең зоналы жартылай өткізгіштердің бірі және мұқият зерттелген [58-60]. Бұл материал CdTe және CIGS күн элементтерінде коммерциялық мақсатта қолданылатын архетипті n типті буферлік қабат болып табылады [60,61] және жарық диодты, фотондылазерлік құрылғылар мен пьезоэлектриктер үшін қолданылады. CdS-тің ең көп таралған түрі - WZ алтыбұрышты фазасы, ZB фазалары да зерттелді және жоғары қысымды RS фазасы бар. Эпитаксиалды өсу бөлме температурасында 2,5 эВ (эллипсометриямен өлшенген) тікелей алшақтықты есептеу үшін бір фазалы вюрцитті монокристалды материалдың пайда болуына әкелді, ал кубтық фазада ұқсас, бірақ сәл төмен, шамамен ~2.3 - 2.4 эВ тікелей өлшенген алшақтық бар [62]. RS фазасында жанама ~1,5-1,7 эВ алшақтық бар екендігі айтылды, бұл аймақтық құрылымды есептеуге сәйкес келеді[63]. Поликристалды жұқа қабықшаларды басқа әдістермен қатар бүрку, ваннадағы химиялық тұндыру және жылу булануы арқылы алуға болады және әдетте WZ және ZB аралас құрылымы бар, шамамен 2,3 - 2,5 эВ. Бұл өзгеріс әр түрлі жауын-шашын температурасына байланысты хабарланған пленкалардағы күкірттің субстратиометриялық құрамының диапазонымен түсіндірілді [62,64]. CdS-ге негізделген, әдетте n типті және амбиполярлы дерлік ажыратылмайтын өткізгіш электрондары 2,8 x 10-2 C см-1 және жақын ішкі тесік өткізгіштік 1.5 x 10-2 C см-1 [66].
CdS ультра таза үлгілеріндегі өткізгіштіктің, электрондардың концентрациясының және электрондардың қозғалғыштығының температуралық тәуелділігі 1.4-суретте көрсетілген. Холл өлшемдері тасымалдаушы концентрациясы мен өткізгіштігі әдетте температураның жоғарылауымен жоғарылайды (1.4 a-сурет), ал тасымалдаушылардың шашырауына байланысты температураның жоғарылауымен қозғалғыштық төмендейді (1.4 б-сурет). 1.4 c-суретте тікелей тыйым салынған аймаққа байланысты CdS-те сіңірудің өткір жиегін, кристаллдағы сіңіру жиегіне бағытталған тәуелділікті, сондай-ақ температураның жоғарылауы сіңіру жиегін қалай төмендететінін көрсетеді. Ультра таза кристалдардағы n-типті холлдың ең жоғары қозғалғыштығы 30-40 К кезінде 104 см2 В-1 с-1 дейін өлшенді (1.4 б-сурет), бөлме температурасында n-типті рекордтық ұтқырлық CdS-де 160 см2 В-1 с-1 -ге дейін тіркелді, сыртқы жағынан InCD 5 x 1019 см-3-ке дейін және өткізгіштігі ~50 С см-1-ге дейін [67,68]. Tесік қозғалғыштығы, болжам бойынша, 15 см2 В-1 с-1-ке жетеді.
1.4-cурет. (а) n-типті өткізгіштік және тасымалдаушылардың холл концентрациясы, (б) электрондардың қозғалғыштығы және (в) өлшеу температурасына байланысты ВЮРЦИТТІҢ ("hex") CdS сіңіру коэффициенті [66]
Алмаз. Технологияның қазіргі жағдайында алмаздың жылу және электрлік қасиеттерін пассивті микроэлектрондық қосымшаларда тиімді қолдануға болады. Ол жоғары жылу өткізгіштігінің арқасында жылу тарату материалы ретінде үлкен әлеуетке ие, бұл гауһар жұқа қабықшаларды қуатты немесе жоғары жиілікті жартылай өткізгіш құрылғылардан жылуды таратуға өте ыңғайлы етеді. Сонымен қатар, жоғары диэлектрлік беріктігі, төмен диэлектрлік тұрақтысы және химиялық инерттілігі арқасында алмаз микроэлектроника құрылғылары үшін тартымды орау материалы ретінде қарастырылады [70].
Алмаз химиялық инерттілігімен бірге электрондарға (NEA) теріс жақындығына байланысты электронды эмиссиялық құрылғыларда қолдану үшін мүмкін материал ретінде ұсынылды [71].
Фотоэлектрлік (PV) күн батареялары, жұқа пленкалы транзисторлар (TFT), фотоэлектрохимиялық (PEC) су бөлу құрылғылары және жарық шығаратын диодтар (LED), оларды жинау схемасы және тиісті жолақ диаграммалары 1.5-суретте көрсетілген. Жартылай өткізгіштердің тыйым салынған аймағының енінде кейбір дәстүрлі қосымшалар, мысалы, электр электроникасы және радио жиіліктері, транзисторлар [72,73], халькогенидтер үшін зерттелмеген. Суретте келтірілген құрылғылар бойынша былай қарастырамыз: (1) әр құрылғыға тыйым салынған кең аймақ бар халькогенидті жартылай өткізгіштер қандай үлес қосады; (2) Осы уақытқа дейін әр құрылғыда кең тыйым салынған аймақ бар халькогенидті жартылай өткізгіштер қандай болды; (3) кең тыйым салынған аймақ бар халькогенидті жартылай өткізгіштер бар осындай құрылғылардың сипаттамалары қандай және (4) жаңа тыйым салынған аймақ бар халькогенидті материалдарды қамтитын болашақ зерттеулердің кейбір перспективалы бағыттары қандай?
1.5-сурет. Осы бөлімде талқыланған құрылғылардың салыстырмалы стек-схемасы, сәйкес репрезентативті электронды диапазондық диаграммалар нөлдік бейімділікпен: (а) суперстрат күн батареясы, мысалы, CdTe [74], (b) субстрат күн батареясы, мысалы, CIGS [75], (c) мөлдір жұқа пленка транзисторы (TFT) [76], (d) фотоэлектрохимиялық (PEC) суды бөлу құрылғысы (мысалы, тек бір терминалды девицефотоанод көрсетілген) және (e) жарық шығаратын диод (жарық диоды). Қызыл түс әр құрылғыдағы қабаттың функционалдығын таңбалаумен, кең зоналы жартылай өткізгішті іске асыруға болатын қабатты ерекшелейді және нүктелі сызық Ферми деңгейін көрсетеді EF. Құрылғының стектегі y осі диапазондағы х осіне сәйкес келетінін ескеріңіз (яғни, құрылғының қалыңдығы), ал қалыңдығы масштабталмайды [18]
GaN зерттеуі бойынша алғашқы жұмыстар АҚШ-тың Принстон университетінде ХХ ғ. 30-40-шы жж. [78,79] жүргізілді. GaN спектрдің қысқа толқынды аймағында жартылай өткізгіш жарық диодтарын жасау үшін ең перспективалы материал ретінде қарастырыла бастаған кезде, зерттеулер Radio Corporation of America (RCA) компаниясының зертханасында жалғастырылды [78,80]. Бұл материалды алу үшін жоғары температурада ағып жатқан сұйық галлиймен аммиак реакциясы қолданылды. Сапфир GaN құрылымдарын өсіру үшін субстрат ретінде таңдалды. Өсірілген пленкаларды зерттеу көрсеткендей, допингсіз олардың n-типті өткізгіштігі бар, ал p-n - ауысуын алу үшін p-типті материалды алуға мүмкіндік беретін тиісті қоспаны таңдау қажет болды. Мырыш осындай қоспа ретінде пайдаланылды, бірақ технологиялық күрделілік мырыштың жоғары концентрациясында GaN фильмдері диэлектриктерге айналды [78,79].
Жетпісінші жылдардың басында RCA зертханасында металл - диэлектрик - жартылай өткізгіш құрылымдары алынды, онда көгілдір (толқын ұзындығы 475 нм) және жарқылдың жасыл түсінің электролюминесценциясы байқалды [78,79]. Бұл MDP құрылымдары GaN негізіндегі алғашқы жарық диодтары болды [81].
1.3 Кең зоналы жартылай өткізгіштерді синтездеу
Кадмий сульфидінің жұқа қабыршақтарын, нано - және Ультрадисперсті ұнтақтарын рентгенографиялық зерттеу кезінде олардың құрылымы CdS-тің белгілі кристалдық модификацияларымен сәйкес келмейтіні анықталды [82,83].
Қабықшалардың түрлері:
1) CdS пленкасы немесе ұнтақ - бұл кристаллиттердің немесе кубтық және алтыбұрышты фазалардың домендерінің қоспасы;
2) құрылымдық CdS бөлшегі ретсіз тығыз политиптің құрылымы болып табылады [84,111].
Трансмиссиялық электронды микроскопия әдістерін қолдана отырып, наностатациядағы кадмий сульфидінің құрылымы біркелкі емес екендігі анықталды. Нанобөлшектердің мөлшері Дебай формуласының есептеуіне сәйкес 2-8 Нм құрайды [86].
Н-алкандардың сұйық ортасында қолданылатын металл сульфидтерін [87] алу әдісімен салыстырмалы түрде төмен энергия шығындарын қажет ететін жоғары сапалы өнімдер алуға болады. Әдістің мәні металл сульфидтерін CnH2n+1 шекті қатарындағы сұйық көмірсутектердің сулы емес ортасында тұндыру болып табылады, мұндағы n = 10 реакция кезінде пайда болған күкірт сутегімен металл қосылыстарының өзара әрекеттесуі арқылы [88] жиналады.
Металл сульфидтерін алу әдістері: элементтерді синтездеу, күкіртсутекті пайдалану, құрамында күкірт бар қосылыстардың термолизін қолдану және әртүрлі металл қосылыстарын қалпына келтіру [83].
Таза өнімдерді алу өте қымбат. Синтез әдістерінің көп бөлігі күкірт сутегі газымен қолданылатын синтездерден тұрады, бірақ бұл экологиялық тұрғыдан қауіпті [90-92, 93].
Авторлар әзірлеген [88] экологиялық қауіпсіздік талаптарына жауап беретін сұйық н-алкандар ортасында металл сульфидтерін алу әдістерін қолдана отырып, салыстырмалы түрде төмен энергия шығындарымен жоғары сапалы өнімдер алуға болады. Металл сульфидтері сұйық көмірсутектердің cулы емес ортасында тұндырылады, ал реакция кезінде күкіртсутек түзіледі [95].
Металл сульфидтерін алудың бірнеше шарттары бар. Бірнеше айырмашылықтар бар: реагенттердің металл сульфидінің пайда болуымен әрекеттесуі полярлы емес еріткіштер ортасында жүруі мүмкін; өзара әрекеттесу механизмі иондық емес, молекулалық және радикалды тізбекті; металл сульфидтерінің "Жоғары температуралы" модификацияларының пайда болуы мүмкін [91,97].
Кадмий сульфиді кадмий трифторацетатының этилацетат пен метилметакрилат ортасында тиоацетамидпен химиялық өзара әрекеттесуімен синтезделеді [98-100].
Кадмий сульфидін композицияның негізгі металл модификаторы ретінде таңдау оның спектрлік люминесцентті қасиеттеріне негізделген. Кадмий сульфидінің физикалық қасиеттері 3-кестеде келтірілген [101].
3 - кесте. Кадмий (II) сульфидінің сипаттамасы [101]
Материал
Ерігіштік өнімі
Кристалл тордың түрі
Иондық радиус М2+ к.ч. 4, нм үшін
CdS
7∙10-28
вурцит, сфалерит
0,099
Модельдік орта ретінде азполярлы этилацетатты таңдау оның физикалық сипаттамаларының (диэлектрлік тұрақтысы, диполь моменті) акрилатты мономерлердің сипаттамаларына (алкил), атап айтқанда полиметилметакрилат спектрінің оптикалық аймағында мөлдір мономер болып табылатын метилметакрилат сипаттамаларына жақындығына негізделген. Сондай-ақ, жұмыста мөлдір оптикалық полимерлердің бірі болып табылатын метилметакрилат және полиметилметакрилат қолданылады.
Метилметакрилат - метакрил қышқылының күрделі метил эфирі; хош иісті ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz