Кванттық өлшемді құрылымдардағы жарық шағылуының спектрін модельдеу
ГЛОССАРИЙ 5
КIРIСПE 7
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ 8
1.1 Жартылай өткізгіштер 8
1.1.1 Жартылай өткізгіштердің түрлері 9
1.1.2 Алыну әдістері 10
1.1.3 Жартылай өткізгіштерді қолдану 11
1.2 Наноқұрылымдар 11
1.2.1 Кванттық нүктелер 12
1.2.2 Кванттық нүктені алу әдістері 14
1.2.3 Кванттық нүктерлердің қолданылуы 15
1.3 Нанотүтік (көміртек) 20
1.3.1 Көміртек нанотүтіктерінің қасиеттері 22
1.3.2 Нанотүтіктерді қолдану 24
1.4 Фракталдар 26
1.5 Жартылай өткізгіштердің оптикалық қасиеттері 28
2 НАНОҚҰРЫЛЫМДЫҚ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ҚАБЫҚШАЛАРДЫ ТӘЖІРИБЕЛІК ЗЕРТТЕУ 36
3 ЗЕРТТЕУДІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ 54
3.1 Өзұқсастық және өзаффиндік жиынтықтың фракталды өлшемділігі 54
3.2 Наноқұрылымдық жартылай өткізгіш қабықшалардың морфологиялық бетін моделдеу 55
3.3. Жұтылу мен шағылу фотондарын сипаттауға арналған флуктуациондық.диссипациондық арақатынас 56
4 САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕСІ 61
ҚОРЫТЫНДЫ 68
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 69
КIРIСПE 7
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ 8
1.1 Жартылай өткізгіштер 8
1.1.1 Жартылай өткізгіштердің түрлері 9
1.1.2 Алыну әдістері 10
1.1.3 Жартылай өткізгіштерді қолдану 11
1.2 Наноқұрылымдар 11
1.2.1 Кванттық нүктелер 12
1.2.2 Кванттық нүктені алу әдістері 14
1.2.3 Кванттық нүктерлердің қолданылуы 15
1.3 Нанотүтік (көміртек) 20
1.3.1 Көміртек нанотүтіктерінің қасиеттері 22
1.3.2 Нанотүтіктерді қолдану 24
1.4 Фракталдар 26
1.5 Жартылай өткізгіштердің оптикалық қасиеттері 28
2 НАНОҚҰРЫЛЫМДЫҚ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ҚАБЫҚШАЛАРДЫ ТӘЖІРИБЕЛІК ЗЕРТТЕУ 36
3 ЗЕРТТЕУДІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ 54
3.1 Өзұқсастық және өзаффиндік жиынтықтың фракталды өлшемділігі 54
3.2 Наноқұрылымдық жартылай өткізгіш қабықшалардың морфологиялық бетін моделдеу 55
3.3. Жұтылу мен шағылу фотондарын сипаттауға арналған флуктуациондық.диссипациондық арақатынас 56
4 САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕСІ 61
ҚОРЫТЫНДЫ 68
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 69
Соңғы жылдары наноқұрылымдық жартылай өткізгіш қабықшаларының қолданылу аясының кеңеюіне байланысты олардың физикалық қасиеттерін өлшеу қазіргі физиканың орталық мәселесіне айналды. Наноқұрылымдық жартылай өткізгіштер жылдам жұмыс істейтін есептеуіш техниканы, оптоэлектрониканың, фотониканың жаңа тиімді құралдарын жасауда және дамытуда үмітті материал болып табылады. Наноқұрылымдық жартылай өткізгіштердің маңызды жетістігі сол – олардың геометриялық өлшемі мен конфигурациясын өзгерту арқылы жүйенің қасиеттерін басқаруға болады. Құрылымның параметрлерін басқарудың, бәрінен бұрын қуатты тасымалдаушылар мен фонондардың энергетикалық спектрін және наноқұрылымдардың оптикалық қасиеттерін басқарудың кең мүмкіндіктері ашылады.
1 Щука А.А. Электроника. – Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2006. - 800 с.
2 Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. – Москва: Наука, 1990. - 688 с.
3 Перлин Е.Ю., Вартанян Т.А., Федоров А.В. Физика твердого тела: Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов. Санкт-Петербург: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО., 2008. – 216 с.
4 Alchalabi K., Zimin D., Kostorz G., Zogg H., Self – assembled semiconductor quantum dots with nearly uniform sizes //Phys. Rev. Lett. - 2003.- Vol. 416, № 5. -P. 192-213.
5 Шик А.Я. Квантовые нити // Соросовский образовательный журнал. – 1997. - №5. – С. 87-92.
6 Кардона М. Основы физики полупроводников: Пер. с англ. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 560с.
7 Ваксман Ю.Ф., Павлов В.В., Ницук Ю.А., Пуртов Ю.Н., Насибов А.С., Шапкин П.В. Оптическое поглощение и диффузия хрома в монокристаллах ZnSe // Физика и техника полупроводников. – 2005. - том 39. - вып. 4. -С. 401-404.
8 Клочко Н.П., Хрипунов Г.С., Мягченко Ю.А., Мельничук Е.Е., Копач В.Р., Клепикова Е.С., Любов В.Н., Копач А.В.Управляемый рост одномерных наноструктур оксида цинка в режиме импульсного электролиза // Физика и техника полупроводников. – 2012. - том 46. - вып. 6. – С. 845-851.
9 Самсоненко Ю.Б., Цырлин Г.Э., Егоров В.А., Поляков Н.К., Улин В.П., Дубровский В.Г. Особенности формирования нитевидных нанокристаллов GaAs на различных поверхностях кремния при молекулярно-пучковой эпитаксии // Физика и техника полупроводников. – 2008. - том 42, вып. 12. – С. 1478-1482.
2 Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. – Москва: Наука, 1990. - 688 с.
3 Перлин Е.Ю., Вартанян Т.А., Федоров А.В. Физика твердого тела: Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов. Санкт-Петербург: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО., 2008. – 216 с.
4 Alchalabi K., Zimin D., Kostorz G., Zogg H., Self – assembled semiconductor quantum dots with nearly uniform sizes //Phys. Rev. Lett. - 2003.- Vol. 416, № 5. -P. 192-213.
5 Шик А.Я. Квантовые нити // Соросовский образовательный журнал. – 1997. - №5. – С. 87-92.
6 Кардона М. Основы физики полупроводников: Пер. с англ. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 560с.
7 Ваксман Ю.Ф., Павлов В.В., Ницук Ю.А., Пуртов Ю.Н., Насибов А.С., Шапкин П.В. Оптическое поглощение и диффузия хрома в монокристаллах ZnSe // Физика и техника полупроводников. – 2005. - том 39. - вып. 4. -С. 401-404.
8 Клочко Н.П., Хрипунов Г.С., Мягченко Ю.А., Мельничук Е.Е., Копач В.Р., Клепикова Е.С., Любов В.Н., Копач А.В.Управляемый рост одномерных наноструктур оксида цинка в режиме импульсного электролиза // Физика и техника полупроводников. – 2012. - том 46. - вып. 6. – С. 845-851.
9 Самсоненко Ю.Б., Цырлин Г.Э., Егоров В.А., Поляков Н.К., Улин В.П., Дубровский В.Г. Особенности формирования нитевидных нанокристаллов GaAs на различных поверхностях кремния при молекулярно-пучковой эпитаксии // Физика и техника полупроводников. – 2008. - том 42, вып. 12. – С. 1478-1482.
ӘЛ-ФАРАБИ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
ФИЗИКА-ТЕХНИкалық ФАКУЛЬТЕТІ
қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
МАГИСТЕРЛІК ДИССЕРТАЦИЯ
КВАНТТЫҚ ӨЛШЕМДІ ҚҰРЫЛЫМДАРДАҒЫ ЖАРЫҚ ШАҒЫЛУЫНЫҢ СПЕКТРІН МОДЕЛЬДЕУ
6M071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
Орындаған Туленов А.А. " " 2015 ж.
Ғылыми жетекшісі
ф.-м.ғ.к., Гревцева Т.Ю. " " 2015 ж.
Қорғауға рұқсат етті:
Кафедра меңгерушісі
ф.-м.ғ.д, профессор Приходько О.Ю. "" 2015 ж.
Нормабақылаушы
PhD докторы Асанов Г.С." " 2015 ж.
Алматы 2015
Түйіндеме
Беттер саны - 71, суреттер саны - 49, пайдаланылған әдебиеттер саны - 32.
Кілт сөздер
Кванттық нүкте, кванттық жіп, оптикалық жұтылу коэффициенті, оптикалық шағылу коэффициенті, оптикалық өткізу коэффициенті, нанокластер, фрактал, экситон.
Зерттеу нысаны
Зерттеу нысаны шала өткізгішті жұқа қабықшалар болып табылады.
Зерттеу жұмысының мақсаты
Кванттық - өлшемдік құрылымға ие жартылай өткізгіш қабықшалар фотонының шағылу спектрін және осы қабықшалар бетінің морфологиясын зерттеуге арналған.
Зерттеу әдістері
Жарық шағылу спектрін жартылай өткізгіш нанокластерлік жартылай өткізгіш қабықшалар мен олардың морфологиясын зерттеу бойынша әдебиеттерге шолу жеткілікті түрде жасалған. Бұл еңбекте алынған негізгі нәтиже - шағылу спектрлері моделдерін және жартылай өткізгіш нанокластерлік беттерінің морфологиясын бейсызықтық физиканың әдістері негізінде Matlab ортасындағы компьютерлік моделдеудің көмегімен жасалуы және алынған теориялық нәтижелердің сәйкес тәжірибелік мәліметтермен салыстырылуы.
Алынған нәтижелер
Кванттық - өлшемдік құрылымға ие шағылу спектрлері мен зерттеліп отырған беттерінің моделдері алынған.
Зерттеу жұмысының ғылыми жаңалығы
Зерттеудің өзектілігі жартылай өткізгіш кванттық - өлшемдік құрылымдарды зерттеу қазіргі уақытта наноэлектроникадағы маңызды әрі үміт күттірерлік бағыттың бірі болып табылатынында.
Қолдану аясы
Берілген жұмыста көрсетілген нәтижелер, наноқұрылымды шала өткізгіштердің оптикалық қасиеттерін ары карай зерттеуге және оптоэлектронды аспаптарда жетілдіруге мүмкіндік береді.
Резюме
Количество страниц - 71, количество иллюстраций - 49, количество использованных источников - 32.
Ключевые слова
Квантовая точка, квантовые нити, коэффициент оптического поглощения, коэффициент оптического отражения, коэффициент оптического пропускания, нанокластеры, фрактал, экситон.
Объект исследования
Объектом исследований являются полупроводниковые тонкие пленки.
Цель работы
Посвящена исследованию спектров отражения фотонов от полупроводниковых пленок, содержащих квантово-размерные структуры, а также изучению морфологии поверхностей этих пленок.
Методы исследования
В достаточной мере приведен обзор литературы по исследованию спектров отражения света от поверхностей полупроводниковых нанокластерных полупроводниковых пленок и их морфологии. Основной результат, полу - ченный в настоящей работе - моделиспектров отражения и морфологии нанокластерных полупроводниковых поверхностейна основе методов нелинейной физики при помощи компьютерного моделирования в среде Matlab, а также сопоставление полученных теоретических результатов с соответствующими экспериментальными данными.
Полученные результаты
Получены модели поверхностей исследуемых пленок и спектров отражения от квантово-размерных структур.
Новизна работы
Актуальность исследования заключается в том, что изучение полупроводниковых квантово-размерных структур в настоящее время является одним из важнейших и перспективных направлений в наноэлектронике.
Область применения
Результаты настоящей работы могут быть применены для дальнейшего исследования оптических свойств наноструктурированных полупроводников, усовершенствования оптоэлектронных приборов.
ABSTRACT
Number of Pages - 71, number of illustrations - 49, number of used sources - 32.
Keywords
Quantum dot, quantum wires, the optical absorption coefficient, the coefficient of the optical reflection coefficient of optical transmission, Nanoclusters, fractal,and exciton.
Object of research
Semiconductor thin films.
Objective
Devoted to the study of the reflection spectra of photons from semiconductor films containing quantum-dimensional structures as well as studying the surface morphology of the films.
Research methods
Under reviewed papers reflected sufficiently an overview of the literature on the spectra of light from the surface of the semiconductor Nanocluster semiconductor films and their morphology. The main result obtained in this paper - reflection of model spectrum and the morphology of semiconductor Nanocluster surfaces on the basis of nonlinear physics with the help of computer modeling in Matlab and comparison of the theoretical results with the corresponding experimental data.
Obtained results
Obtained the model of studied film surfaces and reflectance spectra of the quantum-well structures.
The novelty of the work
The relevance of the study is that the study of semiconductor quantum-dimensional structures is now one of the most important and promising areas in Nanoelectronics.
Area of application
The results of this work can be used for further study of the optical properties of nanostructure semiconductors, improvements of optoelectronic devices.
МАЗМҰНЫ
ГЛОССАРИЙ 5
КIРIСПE 7
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ 8
1.1 Жартылай өткізгіштер 8
1.1.1 Жартылай өткізгіштердің түрлері 9
1.1.2 Алыну әдістері 10
1.1.3 Жартылай өткізгіштерді қолдану 11
1.2 Наноқұрылымдар 11
1.2.1 Кванттық нүктелер 12
1.2.2 Кванттық нүктені алу әдістері 14
1.2.3 Кванттық нүктерлердің қолданылуы 15
1.3 Нанотүтік (көміртек) 20
1.3.1 Көміртек нанотүтіктерінің қасиеттері 22
1.3.2 Нанотүтіктерді қолдану 24
1.4 Фракталдар 26
1.5 Жартылай өткізгіштердің оптикалық қасиеттері 28
2 НАНОҚҰРЫЛЫМДЫҚ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ҚАБЫҚШАЛАРДЫ ТӘЖІРИБЕЛІК ЗЕРТТЕУ 36
3 ЗЕРТТЕУДІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ 54
3.1 Өзұқсастық және өзаффиндік жиынтықтың фракталды өлшемділігі 54
3.2 Наноқұрылымдық жартылай өткізгіш қабықшалардың морфологиялық бетін моделдеу 55
3.3. Жұтылу мен шағылу фотондарын сипаттауға арналған флуктуациондық-диссипациондық арақатынас 56
4 САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕСІ 61
ҚОРЫТЫНДЫ 68
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 69
ГЛОССАРИЙ
Жартылай өткізгіш - металл мен диэлектриктердің салыстырмалы электр өткізгіштік диапазонының арасында орналасқан, салыстырмалы электр өткізгіштік мәнімен сипатталатын заттардың үлкен классы.
Кванттық жіп - қуатты тасымалдаушылардың қозғалысы екі бағытта шектелгендіктен, энергиясы кванттық сипатта болатын жартылай өткізгіш құрылымдар.
Фрактал - масштабтың әрбір кішірейген кезінде тура сол фрагмент қайталана беретін геометриялық фигура.
Экситон - электрон жұптарының байланысқан қалпы - жартылай өткізгіштердегі кемтіктер, олар массаның немесе электр қуатының тасымалынсыз-ақ байланысқан.
Аймағы тік емес жартылай өткізгіш - валенттік аймақтың төбесі мен аймақтың түбі кеңістікте толқындық векторлармен таратылған жартылай өткізгіш.
Кванттық нүкте -- кванттық эффектілерді көрсетуге арналған наноөлшемдері бар, барлық үш кеңістік координаттары бойынша шектелген жартылай өткізгіштің бөлшегі.
Нанокластерлер - аморфты немесе поликристаллдық наноқұрылымы бар нанобөлшектің бір түрі, мұнда бір сипаттық өлшемнің мәні 1-10 нм шамасында болады.
Жарықтың комбинациялық шашырауы - сәулелену жиілігінің өзгерісімен бірге жүретін оптикалық сәулеленудің заттар молекуласында (қатты, сұйық немесе газ тәрізді) әлсіз шашырауы.
КIРIСПE
Соңғы жылдары наноқұрылымдық жартылай өткізгіш қабықшаларының қолданылу аясының кеңеюіне байланысты олардың физикалық қасиеттерін өлшеу қазіргі физиканың орталық мәселесіне айналды. Наноқұрылымдық жартылай өткізгіштер жылдам жұмыс істейтін есептеуіш техниканы, оптоэлектрониканың, фотониканың жаңа тиімді құралдарын жасауда және дамытуда үмітті материал болып табылады. Наноқұрылымдық жартылай өткізгіштердің маңызды жетістігі сол - олардың геометриялық өлшемі мен конфигурациясын өзгерту арқылы жүйенің қасиеттерін басқаруға болады. Құрылымның параметрлерін басқарудың, бәрінен бұрын қуатты тасымалдаушылар мен фонондардың энергетикалық спектрін және наноқұрылымдардың оптикалық қасиеттерін басқарудың кең мүмкіндіктері ашылады. Мұндай жүйелерде бір жағынан қашықтық тәртібі болмайды, яғни микрокөлемдегі атомдар қатаң кезекпен орналасады, екінші жағынан, жақындық тәртібі болады, яғни кез келген атом үшін жақын көршісінің координаты ретті таралады. Наножүйелер тепе-тең жүйелер болып есептелмейді, бұл олардың бетінің күрделі рельефіне байланысты. Қабықша бетінің морфологиясын зерттеу тәжірибесі көрсеткендей, бұл жүйелердің құрылымы - нанокластерлік. Бұл құрылым өзі тәріздес иерархиялық, масштабты - инвариантты, яғни фракталді болады.
Осы еңбекте компьютерлік модельдеу әдістерінің негізімен наноқұрылымдық жартылай өткізгіштердің бетінің морфологиясы, оптикалық құбылыс, оптикалық жұтылу, фотолюминесенция, рамандық шашырау зерттелген. Зерттеу жұмыстары наноқұрылымдық жартылай өткізгіштердегі физикалық құбылыстарды сипаттау үшін динамикалық хаос теориясын және сызықтық емес физикалық әдістерді қолданған. Алынған теориялық нәтижелер сәйкес тәжірибелік мәліметтерге сай келеді.
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ
1.1 Жартылай өткізгіштер
Жартылай өткізгіштер - (106 - 104 Ом-1 см-1) металлдары мен (10-8 - 10-12 Ом-1 см-1) диэлектриктің салыстырмалы электр өткізгіштік диапазоны аралығында жатқан салыстырмалы электр өткізгіштік мәнімен сипатталатын заттардың үлкен классы. Яғни жартылай өткізгіштер диэлектриктерге(олар жақсы айырғыштар емес) де металлдарға (электр тоғын жақсы өткізгіштер емес) да жатпайды. Жартылай өткізгіштер маңызды ерекшелігі - түрлі әсерлердің ықпалымен (температура, жарық, электр және магниттік өріс, сыртқы гидростатикалық қысым) кең шамада өз қасиеттерін өзгерте алуы. Мұндай әсерлердің ықпалымен жартылай өткізгіштің қасиеттері қатты өзгереді (мысалы, электр өткізгіштік 106 - 107 есе өзгеруі мүмкін). Жартылай өткізгіштердің тура осы қасиеті олардың кең қолданысқа түсуіне мүмкіндік берді. Түрлі жартылай өткізгіш материалдардың негізінде түрлі жартылай өткізгіш құралдар жасалды. Табиғатта жартылай өткізгіштер элементтер түрінде ұшырасады (Менделеев периодтық жүйесінің IV, V және VI топ элементтері), мысалы Si, Ge, As, Se, Те және химиялық байланыстар, оксидтер, сульфидтер, селенидтер, түрлі топ элементтерінің қортпасы.
Көп уақыт бойы жартылай өткізгіштер ғалымдар мен инженерлердің назарына ілікпеді. Жартылай өткізгіштердің физикалық қасиеттерін жүйелі түрде зерттеп бастаған - кеңес ғалымы Абрам Федорович Иоффе. Ол жартылай өткізгіштердің көптеген қасиеттерге ие кристалдардың ерекше классы екенін анықтады:
1) Температура өскен сайын жартылай өткізгіштердің салыстырмалы кедергісі азаяды, ол жарық және күшті электр өрістерінің әсерімен температураның өсуіне байланысты салыстырмалы кедергісі артатын металдардан өзгеше болады.
2) Екі жартылай өткізгіштердің контактіні бір жақты өткізу қасиеті. Тура осы қасиеті түрлі жартылай өткізгіш құраладарды жасау кезінде пайдаланылады: диодтар, транзисторлар, тиристорлар және т.б.
3) Жарық және қыздыру кезіндегі түрлі жартылай өткізгіштердің контактісі фото-э.д.с. немесе термо-э.д.с.-нің қайнар көзі болып табылады.
Жартылай өткізгіштер материалдардың ерекше классы ретінде 19 ғ. соңында белгілі болғанына қарамастан, кванттық теорияның дамуы ғана диэлектр, жартылай өткізгіш және металдарың ерекшеліктерін түсінуге көмектесті (Уилсон, АҚШ, 1931). Оған дейін жартылай өткізгіштердің металл контактісінде тоқты түзету сияқты маңызды қасиеттері белгілі болды - жартылай өткізгіш, фотоөткізгіштік, т.б. Олардың негізінде алғашқы құралдар жасалды.
ЛосевО. В. жартылай өткізгіш контактілердің тербелісті күшейту мен генерация үшін қолдану мүмкіндігін дәлелдеді - кристалдық детекторлары. Алайда келесі жылдары кристалдық детекторларды электронды шамдар ығыстырып шығарды. 50-жылдардың басында ғана транзистік эффектінің ашылуымен (Бардин, Браттейн, Шокли, АҚШ, 1948) жартылай өткізгіштерді радиоэлектроникада қолдану кең етек алды. Сонымен бірге жартылай өткізгіштердің физикасын зерттеу басталды, ол кристалдарды тазарту және қоспалау технологияларындағы жетістіктерге жол ашты [1].
1.1.1 Жартылай өткізгіштердің түрлері
а) Жеке өткізгіштік.
Кристалдар құралған бос электрондар мен кемтіктер атомдардың иондануы нәтижесінде туындаса, мұндай жартылай өткізгіштерді жеке өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштер деп атайды. Жеке өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштерде бос электрондар концентарциясы кемтіктердің концентрациясына тең болады.
б) Аралас өткізгіштік.
Аралас жартылай өткізгіштік жартылай өткізгіштерде қоспаның бар болуына байланысты.
Аралас орталықтар мыналар болуы мүмкін:
oo жартылай өткізгіштердің торына енгізілген химиялық элементтердің атомдары мен иондары;
oo түйін аралық торларға енгізілген артық атомдар мен иондар;
oo түрлі текті басқа дефектілер мен кристалл тордағы бұрмаланулар: кристаллдардың деформациясы әсерінен туындайтын бос түйіндер, жарықтар, және қозғалулар т.б.
Қоспалардың концентрациясын өлшеу арқылы қандай да бір белгідегі зарядты тасымалдаушылардың санын айтарлықтай көбейтуге болады және не оң, не теріс қуатталған артықшылығы бар концентрациялы жартылай өткізгіштер жасауға болады.
Өткізгіштік түріне байланысты:
а) Электронды жартылай өткізгіштер (n-типтегі).
n-тип деген термин negative сөзінен шығады, ол негізгі тасымалдаушылардың теріс қуатын білдіреді. Төртвалентті жартылай өткізгіштерге (мысалы, кремний) бесвалентті жартылай өткізгіштердің қоспасын қосады. Әрекеттесу үдерісінда қоспаның әрбір атомы кремний атомдарымен бірге ковалентті байланысқа түседі. Алайда күшәла атомының бесінші электронына қаныққан валентті байланыстарда орын жоқ, ол алыс электронды қабықшаға көшеді. Онда электронның атомнан бөлінуі үшін аз мөлшердегі энергия керек. Электрон бөлініп, еркінге айналады. Берілген жағдайда қуаттың берілуі кемтік емес, электрон арқылы жүзеге асады, яғни жартылай өткізгіштің осы түрі электр тоғын металлдар тәрізді өткізеді. Жартылай өткізгіштерге қосылатын қоспалар n-типті жартылай өткізгіштерге айналады және олар донор деп аталады.
Сурет1.1 - n - типті жартылай өткізгіш
б) Кемтік жартылай өткізгіштер (р-типті).
p-тип термині positive сөзінен шыққан, ол негізгі тасымалдаушылардың оң қуатын білдіреді. Жартылай өткізгіштің бұл түрі, қоспа негізден басқа, өткізгіштіктің табиғи тесігімен сипатталады. Төртвалентті жартылай өткізгіштерге (мысалы, кремний) үшвалентті элементтің атомдарының аздаған мөлшерін қосады (мысалы, индий). Қоспаның әрбір атомы көрші кремнийдің атомдарымен ковалентті байланысқа түседі. Кремнийдің төрт атомымен байланыс жасау үшін индийде валентті электрон жоқ, сондықтан ол кремнийдің көршілес атомдары арасындағы ковалентті байланыстан валентті электрон алады және теріс қуатталған ион болады, кемтік осының әсерінен пайда болады. Осы жағдайда қосылатын қоспалар акцепторлар деп аталады.
Сурет1.2 - р - типті жартылай өткізгіш
1.1.2 Алыну әдістері
Жартылай өткізгіш монокристалл материалдарды созудың анағұрлым кең тараған әдісі - балқытпадан Чохральскийдің (монокристаллдарды өсіру) әдісі бойынша созу. Бұл әдіспен AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI және т.б. типтерді байланыстыра отырып Ge, Si монокристалдарын созады.
Жартылай өткізгіш материалдардан сәйкес тығыздығы бар және балқытпаның бетінің кермесі бар монокристалдарды созу үшін бестигельді аймақтық балқыту әдісін қолданады. Бұл әдіс Si монокристалын алу технологиясында кең қолданыс тапты, мұның салыстырмалы тығыздығы төмен және балқытпаның бетінің кермесі айтарлықтай жоғары. Балқытпаның контейнер қабырғасымен байланысы болмауы осы әдіс арқылы анағұрлым таза монокристалдарды алуға мүмкіндік береді. Кеш балқитын ірітілетін жартылай өткізгіш байланыстардан (мысалы, CdS, ZnS, SiC, AlN және т.б.) монокристалдар алу үшін газдық фазадағы кристаллизацияны қолданады (сублимация және химиялық тасымалдау реакциясы әдісі). Түрлі геометриялы, құрылымы кең варияциялы жіңішке және өте жіңішке бірқабатты және көпқабатты құрылымнан және өткір шегі р-n-өткелді және гетероөткелді ұзартылған қабаттан беті және қалыңдықтың электрофизикалық қасиеттерін алу мүмкіндігі эпитаксальды ұзартудың микроэлектроникада және интегралды оптикада, практикада үлкен және тез жұмыс істейтін интегралды сызбаларды және оптоэлектронды құрылғыларды жасауда кең қолданылуына әкелді.
1.1.3 Жартылай өткізгіштерді қолдану
Жартылай өткізгіш материалдардың көп қолданылатын саласы - электроника. Жартылай өткізгіш материалдар Si негізінде жасалатын үлкен және өте үлкен интегралды жүйенің негізін құрайды. Жылдам әрекет ету мен қажетті қуатты азайтудың әрі қарайғы өсуі GaAs, InP негізінде және олардың қатты балқытпаларымен АIIIВV типті басқа байланыстардың негізінде интегралды сызба жасауға байлананысты. Үлкен масштабта жартылай өткізгіш материалдарды қуаттық жартылай өткізгіш аспаптарды (вентиль, тиристор, қуаттық транзистор) жасауға қолданады. Мұнда негізгі материал тағы да Si, ал аймақтағы жоғары жұмыс температураларының қозғалысы GaAs, SiC және басқа кең аймақтық жартылай өткізгіш материалдарды қолданумен байланысты. Әр жыл сайын жартылай өткізгіш материалдарды күн энергетикасында қолдану кеңейе түсуде. Күн батареяларын жасауда негізгі материалдар Si, GaAs, GaxAl1-xAsGaAs, Cu2SCdS гетеорқұрылымдары болып табылады.
Жартылай өткізгіш материалдарды жартылай өткізгіш лазер мен жарық диодтарын жасауға қолданады. Лазерді тікаймақтық AIIIBV, AIIBIV, AIVBVI типті байланыстардың негізінде жасайды. Жартылай өткізгіш материалдар кең спектрлі диапазонға арналған заманауи оптикалық сәулелену құралдарының (фотоқабылдағыш) негізін құрайды. Жартылай өткізгіш лазерлер мен фотоқабылдағыш талшық - оптикалық сызықтық байланысты құраушы элементтік база. Жартылай өткізгіш материалдар түрлі АЖЖ аспаптарды (биополярлы және өрістік транзистор, ыстықэлекторндардағы транзистрлер, т.б.) жасау үшін қолданылады. Жартылай өткізгіш материалдардың басқа да қолданылатын салалары: ядролық сәулелену детекторы (өте таза Ge, Si, GaAs, CdTe және т.б.), термосалқындатқыштарды жасау (висмут пен ссүрменің теллуриді мен селениді), тензодатчиктер, сезімталдығы жоғары термометрлер, магниттік өрістің датчигі және т.б. [2].
1.2 Наноқұрылымдар
Наноқұрылымдар - өлшемдері жүз нанометрге дейінгі аралықта жатқан атомдар түзілімі. Наноқұрылымдар қатты денелердің түрлі квазибөлшектері - электрондар, кемтіктер, фонон және т.б. таралған потенциалды шұңқырлар ретінде де қарастырылуы мүмкін. Наноқұрылымдар дегенде шығу тегі табиғи және жасанды наноөлшемдік объектілерді айтады, олардың қасиеттері құрылымдық элементтердің өлшемімен ғана емес, олардың кеңістікте біртұтас орналасуына байланысты. Наноқұрылымдардың өлшемдері бірден жүз нанометрге дейін болады. Наноқұрылымдардағы кеңістіктік әркелкілік аймағында потенциалды шұңқырлар маңызды рөл ойнайды, оларға түрлі қатты денелердің квазибөлшектері - электрондар, кемтіктер, фонодар және т.б. топтастырылады. Квазибөлшектердің тоқтатудың кеңістік аймақтағы сызықтық өлшемдері олардың еркін жүру ұзындығынан кем болса, қызық жағдай орын алады. Мұндай кездерде өлшемдік кванттау эффекті туындайды - квазибөлшектердің рұқсат етілген энергия аймақтары бір немесе екі өлшеу кезінде (кваттық шұңқырлар және кванттық жіп) квазибөлшектер аймақтар астына және үш өлшем кезінде өлшемдердің кішірею деңгейі дискреттік деңгейлерге (кванттық нүкте)ажырайды.
Квазибөлшектердің қозғалысы бір бағытпен шектелген жүйелер кванттық шұңқырлар, екі бағытта шектелген кванттық жіп (немесе кванттық сым), үш бағытта шектелген - кванттық нүкте деп аталады [1, 3].
(а)(ә)(б)
(а) - үстіңгі тор, (ә) - кванттық сым, (б) - кванттық нүкте
Сурет1.3 - Наноқұрылымдардың типтері
1.2.1 Кванттық нүктелер
Кванттық нүктелер - кванттық эффектілерді көрсетуга арналған наноөлшемдері бар үш кеңістіктік координаттармен шектелген жартылай өткізгіштің бөлшегі. Кванттық нүктелерді жасау үшін үшөлшемді потенциалдық шұңқыр керек, мұнда қуатты тасымалдаушылар үш координат бойынша тыйым салады. Үшөлшемді потенциалды шұңқырдың жасалуын GaAs мен AlGaAs арасындағы гетероауысу кезінде жартылай өткізгіштерді қолдану кезінде байқаймыз.
Сурет1.4 - Тыйым салынған аймақтары әр түрлі енде болып келетін жартылай өткізгіштер арасында гетероауысудың түзілуі
GaAs аймағындағы валенттік аймақтың электрондары потенциалды баспалдақтың болуына байланысты AlGaAs аймағына түсе алмайды.GaAs - AlGaAs гетероауысу аймағындағы электрондар екіөлшемді электронды газ түзеді.
Егер тағы бір гетероауысу қосса, онда электрондардың қозғалысы барлық кеңістік координаттарымен шектелген кванттық шұңқыр алуға болады. Олар үшін жалғыз еркін деңгей энергия квантын жұту арқылы өткізу аймағына секіру және қайтадан кванттық сәулемен оралу, яғни мұнда кванттық нүкте пайда болады.
Сурет 1.5 - Екі жартылай өткізгіштердің шегінде орналасқан екіөлшемді электронды газда пайда болған кванттық нүктелер
Сурет1.6 - Тыйым салынған аймағы анағұрлым кең жасалған екі жартылайөткізгіш арасында орналасқан, жартылай өткізгіштің жіңішке тыйым салу аймағында пайда болған кванттық шұңқыр
Сурет 1.7 - Тыйым салынған аймағының ені әр түрлі болатын жартылай өткізгіштер арасында пайда болған кванттық шұңқыр
Кванттық нүкте үшін материал ретіндеGaAs басқа түрлі заттардың орасан зор мөлшері қолданылады, солардың ішінде CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, Siжәне т.б.
1.2.2 Кванттық нүктені алу әдістері
Кванттық нүктелерді жасаудың бірнеше әдісі бар:
а) Молекулалық - сәулелік эпитаксия әдісі. Бұл әдіс арқылы кванттық нүктені өте таза салымдардан ұзартуға болады. Терең вакуум жағдайында салымға арнайы дайындалған көздерден булану арқылы алынған атомдар мен молекула ағымдарын жібереді. Егер қайнар көз ретінде әр түрлі ендіктегі тыйым салынған аймақтардағы заттарды қолданса, онда салымды пирамидаға ұқсас етіп ұзартуға болады.
Сурет 1.8 - Кванттық нүктелерді молекулалық - сәулелік эпитаксия әдісімен өсіру сызбасы
б)Мосгидридтік газофазалық эпитаксия. Газофазалық реакторда гетероқұрылымдар атмосфералық қысым кезінде өсіріледі. Мұндай реакторлардағы газдық фаза әдетте тұнатын заттың атомдарымен араласқан сутегінің ыстық ағыны болып табылады.
в) Коллоидтық синтез әдісі. Кванттық нүктелерді коллоидтық синтез әдісімен жинау сұйық фазада жүзеге асады. Мысалы, CdSe коллоидтік синтездеу үшін кадмийдің диметилін және селеннің ұсағын триалкилфосфинда ерітеді, сосын алынған қоспаны 230 Цельсий градусқа дейін қыздырылған триалкилфосфинге себеді. Өндірудің қорытынды этапында алынған нанокристалдардың бетін сыртынан кең тыйым салынған аймағы бар материалмен, мысалы ZnS немесе CdS-пен жабады.
Коллоидтік синтездің артықшылығы кванттық нүктелерді қажетті мөлшерде өндіре алу мүмкіндігі.
Кванттық нүктелерді басқа әдістермен де алуға болады: литография, электрохимиялық кристаллизация әдісімен.
1.2.3 Кванттық нүктерлердің қолданылуы
Кванттық шұңқырдың және онда бекітілген электрондардың болуы кванттық нүктелерді практикада қолдануға аса ыңғайлы етеді. Кванттық нүктелер жартылай өткізгіш лазерлерде қолданылады. Кванттық нүктедегі лазерлерде қуаттың үлкен коэффициенті, жоғары жұмыс температурасы болады, олар үшін аз ғана тоқ тығыздығы қажет. Кванттық нүктелер негізінде жарығы жоғары жарық диодтарын және сәулелену спектрін қоректейтін қолда бар жарық көзіне арнайы қабықша дайындауға болады. Кванттық нүктелерді заманауи жартылай өткізгіштер қолданылатын барлық сферада қолдануға болады, мысалы өндіргіштігі жоғары күн батареяларын жасау, фотодиодтар, фотодетекторлар, бірэлектронды транзистор жасау, т.б. Сонымен қатар кванттық жіптерді медицинада (жарақаттанған тамырларды тексеру, аневризм және ісік жасушаларын) қолданады. Кванттық нүктелер ең көп қолданылады деп үміт күтіліп отырған бағыт - олардың негізінде кванттық компьютер жасау мүмкіндігі [4].
Кванттық жіптер дегеніміз қуатты тасымалдаушылар қозғалысы екі бағытта бірдей шектелген, соның арқасында оның энергиясы кванттық болатын жартылай өткізгіштік құрылым.
Электрондар қозғалысы бір координатта шектелген жартылай өткізгіш құрылымдарда кванттық эффект осы координата бойында пайда бола бастайды. Нәтижесінде электондар қозғалысы үшөлшемдіден екіөлшемдіге ауысады, ол көп электрондық қасиеттерді өзгертеді және жаңа қызықты эффектердің пайда болуына, соның ішінде Холл эффектісінің пайда болуына әкеледі. Алайда осы уақытта кванттық жіптердің физикалық қасиеттері жақсы зерттелмеген.
Кванттық жіптерді дайындаудың көптеген әдістері мынаған негізделеді: екіөлшемді газдар жүйесінде қандай да бір тәсілмен (гетероқұрылымдар негізінде) олардың қозғалысы бір бағытта шектеледі. Мұның бірнеше әдіс-тәсілі бар.
Олардың бірі - жіңішке жолақты литографиялық технологиямен тікелей кесу әдісі (сурет 1.9). Мұнда электрондардың кванттық энергиясы көрінетіндей ені 100 ангстрем болатын электронды жіпті алу үшін жоғары рұқсаты бар литографиялық техника қажет ететіндей жолақтың енін жасау міндетті емес. Өшірілген жолақтың бүйір қырында жартылай өткізгіштің еркін бетіндегі сияқты беттік заттар түзіледі, олар жұтаң қабатты құрайды. Бұл қабат өткізгіш каналды қосымша тағы тарылтады, оның нәтижесінде кванттық эффектіні үлкен ендіктегі жолақтарда да - шамамен микронның оннан бірі мөлшерінде байқауға болады.
1 - тыйым салынған аймағы кең болатын жартылай өткізгіш; 2 - тыйым салынған аймағы жіңішке жартылай өткізгіш; 3 - металл бекітпе.
Сурет1.9 - (а) құрылымының өзінен және Шоттки бекітпесінің жарығынан жіңішке жазықтықты (б) өшіру арқылы субмикрондық литография көмегімен алынған кванттық жібі бар жартылай өткізгішті гетероқұрылымдары
Басқаша да жасауға болады. Жартылай өткізгіш құрылымның беті металл электродпен жабылады, ол жартылай өткізгішпен Шоттки байланысын түзеді және онда жіңішке жарық болады. Егер жұтаң қабатта гетерошек беті жақын болса, онда екіөлшемді электрондар шекарада болмайды, тек жарық астындағы жіңішке аймақта ғана болады. Бірөлшемді құрылымның мұндай түрінде қосымша артықшылық бар: бекітпедегі қысымды өзгертіп, біз кванттық жіптегі эффектілік енді және оны тасымалдаушылардың концентрациясын басқара аламыз.
Массивті үшөлшемді жартылай өткізгіштегі (а), екіөлшемді электронды құрылғылардағы - кванттық шұңқырдағы(б) және бірөлшемді құрылымдардағы - кванттық жіптердегі қалыптың тығыздығы.
Сурет1.10 - Квантық жіптердің баллистикалық өткізгіштігі
Ұзындығы L болатын қысқа жіптерді зерттеу назар аудартуда, олардың ұзындығы электрондардың еркін жүру ұзындығынан аз, ол қоспалардағы шашырау мен жіптегі дефект арқылы анықталады. Бұл жағдайда электрон бір байланыстан ұшып, екінші байланысқа зеңбіректен атылған снаряд тәрізді кедергісіз ұшып барады. Мұндай ұқсастықтан қарастырылып отырған құрылымды балластикалық деп атауға негіз болды.
Бізде металлдық байланыстармен қамтамасыз етілген, арасында V қысымы бар балластикалық бірөлшемді құрылым болсын. Байланыстарды μ1және μ2арқылы сипатталатын электронды резервуар деп қарастыруға болады, әрі μ1-μ2=eV. Қарапайымдылық үшін температураны айтарлықтай төмен деп есептейміз, сондықтан резервуарлардағы электрондар толығымен азған. Eμ2 аймақтарындағы энергия қалпы сол және оң байланыстарда толығымен толтырылған, сондықтан бұл байланыстардағы электрондар тоқ тізбегін жасай алмайды. Мұндай тоқ μ1 Eμ2 энергетикалық интервалының электрондарымен байланысқан, мұндағы сол байланыста жіпке ұшып келетін электрондар бар, ал оң байланыстың қалыптары бос және бұлар электрондарды қабылдауға ғана бейім. Пайда болған тоқтың көлемін есептейік.
Егер электронда px импульс болса, сәйкесінше жылдамдық pxm болады, онда оның тоққа салымы epxLm-ға тең. Толық I тоқты алу үшін барлық электроннан энергия жіптерімен μ1 менμ2 арасындағы интервалға мынандай салым салынады:
I=emL∑px(1.1)
μ2Ei+px22mμ1 (1.2)
Егер μ1 -μ2көптүрлілігі аз болса, онда көрсетілген электрондар тек Eiμ2 энергия аймағы астында болады және олардың импульсі ∆p=eVmp ұзындықтағы интервалда жатады. Яғни Δр интервалында Δр∙L(2PIћ) түрлі электрондық жағдайлар бар және алдыңғы формуладан I=e2VN(2pℏ) аламыз, мұндағы N - химиялық потенциал деңгейінен төмен жатқан, яғни электроны бар деңгейлар саны.
Кванттық жіптің баллистикалық өткізгіштігі:
σ=e22PIℏN (1.3)
Егер температура айталықтай төмен болса, онда электрондар қалыпты кішкене энергиямен - ақ толтырады. Паули ұстанымына сәйкес, әрбір қалыпта қарама-қарсы арқалы екі электрон орналасуы мүмкін. Мүмкін қалыптың толық санын өткізгіштікті анықтайтын формула сияқты анықтауға болады. Жіптің бірлік n ұзындығындағы электрондар саны 22m(E2-E1)PIℏ аз десек, онда олардың барлығы бірінші кванттық деңгейде орналасады және жіптің өткізгішітігі σ=e2PIℏ. Концентрация көрсетілген мәннен асып кетсе, онда электрондардың қалған бөлігі екінші деңгейге орналасуға мәжбүр болады және өткізгіштікте қосымша e2PIℏ мүшесі пайда болады, ол бұл деңгейдің салымын анықтайды. Басқаша айтқанда өткізгіштік секіріспен өседі. Мұндай секірістер электрондар әрбір кезде келесі деңгейді толтырған кезде болып тұрады. σ (n) тәуелділігі сатылы түрде болуы керек, әрі бұл сатылардың биіктігі әмбебеап e2PIℏ көлеміне сәйкес.
Егер жіп жеткілікті түрде қысқа және жоғары сапалы болмаса, онда электрон бір байланыстан екінші байланысқа барар жолда қоспада немесе жіп дефектісінде азуға ұшырауы мүмкін. Мұндай азу серіппелі болады, яғни энергияның өзгерісінсіз болады. Егер электрон сол баяғы EN кванттық деңгейінде қалса, онда серіппелі азуды тек бір жолмен жүзеге асыруға болады: импульсті жіп осінің бойымен ауыстыру, яғни қатаң түрде артқа бұру. Бұл жағдайда тоқ азаймайды. Егер N деңгейдегі электрон үшін мұндай бейненің мүмкіндігі RN-ға тең болса, онда балликалық жіптің өткізгіштік формуласының орнына мынаны аламыз:
σ=e22PIℏ∑(1-RN) (1.4)
Қысқа жіптерде суреттелген кванттық өткізгіштікті тәжірибелік зерттеу әдетте үлкен аймақтағы екіөлшемді электронды газдың екі аймағын біріктіріп тұрған жіңішке нүктелік байланысы бар тосқауылдық құрылымдарда өтеді. Формальді түрде бұл оның енімен салыстыратын ұзындығы бар жіп, әрі соңғысында кішкентай мөлшер болады. Квантативтік өткізгіштік осындай құрылымдарда да бақылануы керек.
Сурет 1.11 - Тасымалдаушылардың концентрациясын анықтайтын бекітпедегі қуатты кванттық жіп өткізгіштігінің тәжірибелік тәуелділігі
Кванттық жіптердің қолданылуы. Мұндай құрылымдардың практикалық аспаптық қолданыстары әлі дұрыс зерттелмеген. Бір сала жартылай өткізгіш лазерлермен байланысты.
Лазердің генерация тәртібінде жұмыс істеуі үшін резанатордағы жарықтың күшеюі толық шығыннан көп болуы керек. Резанатордағы толық шығынның тепе-теңдігі кезінде генерацияның деңгейіне жету үшін лазердің белсенді аймағын инжектрлеу керек, тасымалдаушылар аз болған сайын аймақтың шетіне жақын қалыптардың тығыздығы көп болады. Бұл бастапқы тоқтың азаюы үшін (бұл инжекциялық лазерлердің маңызды сипаттамасы және оны барынша аз жасау керек) құрылымның тығыздығы жоғары болу керектігін білдіреді. Кванттық жіптерде лазер сипаттамаларын құрылым тығыздығынан шексіздікке қарай ауысуына байланысты жақсартуға болады. Нақты құрылымдарда тасымалдаушылардың жұтауы себебінен кванттық деңгейдің кеңеюі кесірінен қалып жағдайында соңғы мән болады, алайда жоғары сапалы кванттық жіптерде деңгейлі тоқтың әрі қарай төмендеуі байқалады.
Сонымен қатар кванттық жіптерді сезімтал сенсорларды жасауға да қолданады. Болашақта кванттық жіптерді әрі қарай зерттеу оның аспаптық қолданысын арттырады деп күтіледі [5].
Үстіңгі тор - кристалдық тордың кезеңдік потенциалынан басқа тордың тұрақтысынан біршама асатын кезеңі бар қосымша потенциалға ие қатты денелі құрылым.
Әрбір кристалдың негізінде кристалдық тор болады, олардың түйіндерінде атомдар немесе иондар орналасады. Үстіңгі торды алу үшін кристалды тағы бір кезеңге байлау керек, ол кристалдық торды бірнеше есеге асып кетуі керек. Анағұрлым қарапайым әдіс - түрлі материалдардың бірнеше қабатын байланыстыру. Мұндай құрылымдарды алу, бірінші кезекте құрылғының толық қатарын жасауда маңызды: АЖЖ дабылдардың сызықтық емес түрлендіргіші, электромагниттік дабылдар генераторы және күшейткіші, олардың жиілігін анағұрлым кең диапазонда өзгертуге болады. Кристалды торларда электрондардың қозғалысы - кезеңдік аймақтағы кеңістіктік қозғалыс. Деңгейлердің энергетикалық қатынасында аймақтар бірігеді және электрондар энергетикалық аймақтарда белгілі энергия деңгейлерін ғана ала алады, олар тыйым салынған энергия интервалдарымен бөлінген. Кезеңдік құрылымның параметрлерін басқару үшін олардың енінен үстіңгі торлар және жасанды кристалдар жасалды. Қабатшаның қалыңдығын, материалдардың химиялық құрамын өзгерту арқылы кезеңдік қасиеттерді кең көлемде өзгертуге болады.
Үстіңгі тордың классикалық үлгісі ретінде жартылай өткізгіштің ауысып тұратын жіңішке қабаттарынан тұратын құрылымды алуға болады. Үстіңгі тордың кезеңі тұрақты кристалл торды асып кетеді, бірақ электрондардың еркін жүру ұзындығынан аз болады. Кристалл тордағы кезеңдік потенциалдан басқа үстіңгі торда оның құрылымына негізделген потенциал болады. Бұл потенциалды үстіңгі тордың потенциалы деп аталады.
Үстіңгі тордың физикалық қасиеттері.Жартылай өткізгіш үстіңгі торлар ерекше физикалық қасиеттерге ие, олардың бастылары мыналар:
oo энергетикалық спектрді бастапқы жартылай өткізгіштермен салыстырудағы айтарлықтай өзгерістер;
oo энергетикалық аймақтың үлкен санының болуы;
oo өте күшті анизотропия (екіөлшемділік);
oo электронды-кемтік рекомбинацияны басу;
oo үстіңгі тордағы электрондар мен кемтіктердің концентрациясы өзгермелі шама, ол қосындымен анықталмайды;
oo аймақтық құрылымды қайта құрудың мол мүмкіндіктері.
Үстіңгі торлардың түрлері.Композициялық үстіңгі тор - тыйым салынған аймақтарының ені әртүрлі жартылай өткізгіштердің эпитаксалді созылған кезеңдік алмасатын жұқа қабаттары.
Қоспалы үстіңгі тор - кезеңдік потенциал n- және p-типтегі жартылай өткізгіштердегі ультражұқа қабаттарды алмастыру нәтижесінде түзіледі, олар бір-бірінен қоспаланбаған қабаттар арқылы ажыратылады.
Арқалық үстіңгі тор - тура бірдей жартылай өткізгіштердің қабаттарын кезеңдік алмастыру нәтижесінде туған. Бір қабаттар магнитті емес қоспалармен қосылады, ал басқалар - магнитпен. Магниттік өріссіз энергетикалық жарық барлық үстіңгі торда тұрақты, кезеңдік потенциал магниттік өрісті қосу барысында туындайды.
Беті қуаттың жазықтығының кезеңдік модуляциясы жолымен екіөлшемді электронды қабатта (мысалы, МДЖӨ жүйесінде:металл-диэлектрик-жартыла й өткізгіш) қалыптасқан үстіңгі тор.
Потенциалы кезеңдік деформация үлгісінде қуатты ультрадыбыс өрісінде немесе тұрақты жарық толқынында жасалатын үстіңгі торлар.
Үстіңгі торларды электроникады қолдану.
Қолданыстың үлкен тобын оптоэлектрондық аспаптар құрайды - фотоқабылдағыштар, сәуле шығарушы аспаптар (инжекциондық лазерлер және жарық диодтары), пассивті оптикалық элементтер, толқын арнасы, модуляторлар және т.б.
Гетероауысудағы инжекциялық лазерлердің қарапайым жартылай өткізгіш лазерлер алдында артықшылығы болады, себебі гетероауысымды лазерлердегі инжекторлық тасымалдаушылар тек кіші аймақтарда ғана топталады. Сондықтан қуатты тасымалдаушылардың инверсиялық қоныстануында p-n-ауысудағы лазерлерге қарағанда тоқтың тығыздығы аз болады. Бірлік гетероауысымдардың орнына көпқабатты үстіңгі торлы құрылымдарды қолдану толқынның біршама ұзындығында жұмыс істейтін лазерлерді дайындауға мүмкіндік береді [6].
1.3 Нанотүтік (көміртек)
Біздің заманымызда технология жоғары дәрежеге жетті, микрокомпоненттер заманауи техникада аз қолданылып жүр және оларды бірте-бірте нанокомпоненттер ығыстырып шығаруда. Осы арқылы электронды аспаптарды миниатюрлеу тенденциясы нақтыланды. Интреграцияның жаңа деңгейін - нанодеңгейді меңгеру қажеттілігі туды. Осының себебінен транзисторларды алу қажеттілігі пайда болды, сымның мөлшер диапазоны 1-ден 20 нанометрге жетті. Бұл мәселенің шешімі нанотүтіктің ашылуы болды.
Көміртекті нанотүтік - диаметрі бірден бірнеше ондаған нанометрге жететін және ұзындығы бірнеше сантиметрге жететін, бір немесе бірнеше оралған гексагональ графит жазықтықтан (графен) тұратын және әдетте жартышар басымен аяқталатын созылыңқы цилиндр құрылымдар [7].
Сурет1.12 - Нанотүтіктің сызбалық суреті
Нанотүтіктің негізі көміртек болып табылады. Ол Менделеевтің периодтық жүйесінің химиялық элементі, С символымен белгіленеді, атомдық массасы 12.011, атомдық нөмірі 6. Ұзақ жылдар бойы көміртек тек екі байланыс - алмаз бен графит қана түзе алады деп есептеліп келді, алайда олай болмай шықты. Өткен жүзжылдықтың 90-жылдары көміртектің тағы бір жаңа түрі ашылды, ол графиттік торлардың оралған түтік түрінде келуі. Оны нанотүтіктер деп атады.
Бұрыннан белгілі болғандай, фуллеренді (C60) 1985 жылы Р.Смолли, Г.Крото және Р.Кёрла ашты, 1996 жылы осы жаңалықтары үшін химия бойынша Нобель сыйлығына ұсынылды. Көміртек нанотүтіктеріне қатысты айтқанда оның нақты ашылу датасын айту мүмкін емес. Көпқабатты нанотүтіктерді Жапониядағы NEC зертханасында Сумио Идзимо алғаш бақылаған.
Сурет1.13 - Графиттік жазықтықтың сызбалық көрінісі
Нанотүтіктердің құрылымы. Идеалды нанотүтік - тігіссіз графиттің торлы гексагоналді жазықтықтығын орау барысында алынған цилиндр.
Нанотүтіктерді алу. Қазіргі уақытта анағұрлым кең тараған әдіс - басқа қуаттың плазмасында графиттік электордты термикалық еріту. Синтез үдерісі шамамен 500 тор қысымды гелиймен толтырылған камерада жүзеге асырылады. Плазма жанған кезде анодтың интенсивті термикалық булануы жүреді, бұл жағдайда катодтың бөренелі бетінде көміртектің нанотүтігі қалыптасатын тұнба түзіледі.
Нанотүтіктің максималды мөлшері плазма тоғы минималды болғанда және оның тығыздығы 100Аcм2шамасында болғанда пайда болады. тәжірибелік құралдарда электродтар арасындағы қысым 12-25 В шамасын, қуат тоғы бірнеше ондық амперді, графиттік электродтардың ұштары арасындағы қашықтық 1-мм құрайды. Синтез үдерісінде анодтың 90%-дай массасы катодта шөгіп қалады. Түзілген сансыз нанотүтіктердің ұзындығы 40 мкм құрайды. Олар бөрененің жазықтық бетіндегі перпендикуляр катодта өседі және олар диаметрі 50 мкм шамасында болатын цилиндр шоғырларға жинақталған. Нанотүтіктердің шоғырлары ұяшықты құрылымды түзу арқылы тұрақты түрде катодтың бетін жабады.
Сурет1.14 - Катодта созылған нанотүтіктер
Көміртек тұнбасындағы нанотүтіктердің мөлшері 60% шамасында болады. Компоненттерді бөлу үшін алынған тұнбаны метанолға араластырады және ультрадыбыспен өңдейді. Нәтижесінде суспензия алынады, ол су қосылғаннан кейін центрфигурада бөлінуге ұшырайды. Ірі бөлшектер центрфигураның қабырғаларына жабысады, ал нанотүтіктер суспензияда жүзіп жүрген қалпында қалады. Кейін нанотүтіктерді азот қышқылында жуады және оттегі мен сутегінің газтәрізді ағынында 1:4 қатынасында 7500 C температурада 5 минут бойы кептіреді.
Мұндай өңдеудің нәтижесінде жеңіл борпылдақ материал алынады, ол орташа диаметрі 2 нм және ұзындығы 10 мкм-ге тең нанотүтіктерден құралады. Әзірше наноталшықтың қол жетілген ұзындығы - 1 см.
1.3.1 Көміртек нанотүтіктерінің қасиеттері
Нанотүтіктер электрлік қасиеттерге ие. Көміртек нанотүтіктерінің кіші мөлшерлерінің әсерінен 1996 жылы ғана олардың салыстырмалы электрлік қарсылықтарын (r) төртбайланысты әдіспен тікелей өлшеуге қол жеткізілді. Вакуумдағы кремний оксидінің тегістелген бетінде алтын жолақтар сызады. Олардың арасына ұзындығы 2-3 мкм нанотүтікті шаңдатады. Кейін өлшеу үшін таңдалып алынған нанотүтіктердің біріне қалыңдығы 80 нм болатын төрт вольфрам сымын қондырады. Вольфрам сымдарының әрбірі алтын жолақтардың бірімен байланысады. Нанотүтіктегі байланыс арасындағы қашықтық 0,3-тен 1 мкм-ге дейін болады. Тікелей өлшеудің нәтижесінде нанотүтіктердің салыстырмалы қарсылығы 5,1*10-6 - дан 0,8 Омсм-ге дейінгі шамада болады. r-дің минималды мәні графитке қарағанда бір ретке кем. Нанотүтіктердің көп бөлігі металлдық өткізгіштікке ие, ал аз бөлігі 0,1 -ден 0,3 эВ-ға дейін тыйым салынған аймақтың енімен жартылай өткізгіштің қасиетін көрсетеді [7].
Тағы да Лозанна Университетінің (Щвейцария) ғалымдары қызықты қасиеттер тапты: бірқабатты нанотүтіктің аздаған (5-100 ) иілуі кезінде өткізгіштіктің бірден (екі шама тәртібінде) өзгеруі. Бұл қасиет нанотүтіктердің қолданылу аумағын кеңейтеді. Бір жағынан нанотүтік электрлік дабылдардағы механикалық тербелістерді сезгіштігі жоғары дайын түрөзгерткіш ретінде және кері түрөзгеркіш ретінде қолданылады (бұл ұзындығы бірнеше микрон және диаметрі нанометр шамасында болатын телефон тұтқасы), ал екінші жағынан бұл кішкентай деформацияның дайын құрылғысы ретінде қолданылады [8].
Көзге нәзік әрі жұқа болып көрінгеніне қарамастан нанотүтіктер өте берік материал болып шықты, оларды созуға да, июге де болады. Бұдан басқа, критикалықтан асатын механикалық қысымға да ерекше төтеп береді: олар жыртылмайды, сынбайды, тек қана өзгеріске ұшырайды.
Нанотүтіктің осындай қасиеттеріне сүйене отырып, олар қазіргі уақытта ғарыштық жеделсатының арқанына арналған ең жақсы материал. Тәжірибенің қорытындылары көрсеткендей, бірқабатты нанотүтіктің Юнга модулі 1-5 ТПа шамасындағы көлемдерге жетеді, ол болатқа қарағанда бір шамаға көп.
Көміртекті нанотүтіктердің ашылуынан соң зерттеушілердің назарын нанотүтікті түрлі заттармен толтыру мүмкіндігі аударды. Бұл тек ғылыми қызығушылық қана туғызып қоймайды, ол қолданбалы ғылымдар үшін де үлкен маңызға ие болады. Өткізгіш, жартылай өткізгіш немесе өткізгіштігі жоғары материалдармен толтырылған нанотүтіктерді қазіргі кезде ең белгілі микроэлекторниканың элементі ретінде қарастырамыз. Бақылаулар көрсеткендей, ашық нанотүтіктің капиллярлық қасиеттері бар, яғни ол өзіне заттарды тартады. Нанотүтікті ашу үшін оның жоғарғы бөлігін, яғни қақпағын алып тастау керек. Оны алудың бір әдісі - нанотүтікті көмірқышқыл газының ағымында бірнеше сағат бойы 8500 C температурада қыздыру. Қышқылданудың нәтижесінде барлық нанотүтіктің 10% пайызға жуығы ашылып қалады. Нанотүтіктердің жабық ұшын бұзудың тағы бір әдісі - концентрацияланған азот қышқылында 24000 C температурада ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
ФИЗИКА-ТЕХНИкалық ФАКУЛЬТЕТІ
қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы
МАГИСТЕРЛІК ДИССЕРТАЦИЯ
КВАНТТЫҚ ӨЛШЕМДІ ҚҰРЫЛЫМДАРДАҒЫ ЖАРЫҚ ШАҒЫЛУЫНЫҢ СПЕКТРІН МОДЕЛЬДЕУ
6M071900 - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар
Орындаған Туленов А.А. " " 2015 ж.
Ғылыми жетекшісі
ф.-м.ғ.к., Гревцева Т.Ю. " " 2015 ж.
Қорғауға рұқсат етті:
Кафедра меңгерушісі
ф.-м.ғ.д, профессор Приходько О.Ю. "" 2015 ж.
Нормабақылаушы
PhD докторы Асанов Г.С." " 2015 ж.
Алматы 2015
Түйіндеме
Беттер саны - 71, суреттер саны - 49, пайдаланылған әдебиеттер саны - 32.
Кілт сөздер
Кванттық нүкте, кванттық жіп, оптикалық жұтылу коэффициенті, оптикалық шағылу коэффициенті, оптикалық өткізу коэффициенті, нанокластер, фрактал, экситон.
Зерттеу нысаны
Зерттеу нысаны шала өткізгішті жұқа қабықшалар болып табылады.
Зерттеу жұмысының мақсаты
Кванттық - өлшемдік құрылымға ие жартылай өткізгіш қабықшалар фотонының шағылу спектрін және осы қабықшалар бетінің морфологиясын зерттеуге арналған.
Зерттеу әдістері
Жарық шағылу спектрін жартылай өткізгіш нанокластерлік жартылай өткізгіш қабықшалар мен олардың морфологиясын зерттеу бойынша әдебиеттерге шолу жеткілікті түрде жасалған. Бұл еңбекте алынған негізгі нәтиже - шағылу спектрлері моделдерін және жартылай өткізгіш нанокластерлік беттерінің морфологиясын бейсызықтық физиканың әдістері негізінде Matlab ортасындағы компьютерлік моделдеудің көмегімен жасалуы және алынған теориялық нәтижелердің сәйкес тәжірибелік мәліметтермен салыстырылуы.
Алынған нәтижелер
Кванттық - өлшемдік құрылымға ие шағылу спектрлері мен зерттеліп отырған беттерінің моделдері алынған.
Зерттеу жұмысының ғылыми жаңалығы
Зерттеудің өзектілігі жартылай өткізгіш кванттық - өлшемдік құрылымдарды зерттеу қазіргі уақытта наноэлектроникадағы маңызды әрі үміт күттірерлік бағыттың бірі болып табылатынында.
Қолдану аясы
Берілген жұмыста көрсетілген нәтижелер, наноқұрылымды шала өткізгіштердің оптикалық қасиеттерін ары карай зерттеуге және оптоэлектронды аспаптарда жетілдіруге мүмкіндік береді.
Резюме
Количество страниц - 71, количество иллюстраций - 49, количество использованных источников - 32.
Ключевые слова
Квантовая точка, квантовые нити, коэффициент оптического поглощения, коэффициент оптического отражения, коэффициент оптического пропускания, нанокластеры, фрактал, экситон.
Объект исследования
Объектом исследований являются полупроводниковые тонкие пленки.
Цель работы
Посвящена исследованию спектров отражения фотонов от полупроводниковых пленок, содержащих квантово-размерные структуры, а также изучению морфологии поверхностей этих пленок.
Методы исследования
В достаточной мере приведен обзор литературы по исследованию спектров отражения света от поверхностей полупроводниковых нанокластерных полупроводниковых пленок и их морфологии. Основной результат, полу - ченный в настоящей работе - моделиспектров отражения и морфологии нанокластерных полупроводниковых поверхностейна основе методов нелинейной физики при помощи компьютерного моделирования в среде Matlab, а также сопоставление полученных теоретических результатов с соответствующими экспериментальными данными.
Полученные результаты
Получены модели поверхностей исследуемых пленок и спектров отражения от квантово-размерных структур.
Новизна работы
Актуальность исследования заключается в том, что изучение полупроводниковых квантово-размерных структур в настоящее время является одним из важнейших и перспективных направлений в наноэлектронике.
Область применения
Результаты настоящей работы могут быть применены для дальнейшего исследования оптических свойств наноструктурированных полупроводников, усовершенствования оптоэлектронных приборов.
ABSTRACT
Number of Pages - 71, number of illustrations - 49, number of used sources - 32.
Keywords
Quantum dot, quantum wires, the optical absorption coefficient, the coefficient of the optical reflection coefficient of optical transmission, Nanoclusters, fractal,and exciton.
Object of research
Semiconductor thin films.
Objective
Devoted to the study of the reflection spectra of photons from semiconductor films containing quantum-dimensional structures as well as studying the surface morphology of the films.
Research methods
Under reviewed papers reflected sufficiently an overview of the literature on the spectra of light from the surface of the semiconductor Nanocluster semiconductor films and their morphology. The main result obtained in this paper - reflection of model spectrum and the morphology of semiconductor Nanocluster surfaces on the basis of nonlinear physics with the help of computer modeling in Matlab and comparison of the theoretical results with the corresponding experimental data.
Obtained results
Obtained the model of studied film surfaces and reflectance spectra of the quantum-well structures.
The novelty of the work
The relevance of the study is that the study of semiconductor quantum-dimensional structures is now one of the most important and promising areas in Nanoelectronics.
Area of application
The results of this work can be used for further study of the optical properties of nanostructure semiconductors, improvements of optoelectronic devices.
МАЗМҰНЫ
ГЛОССАРИЙ 5
КIРIСПE 7
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ 8
1.1 Жартылай өткізгіштер 8
1.1.1 Жартылай өткізгіштердің түрлері 9
1.1.2 Алыну әдістері 10
1.1.3 Жартылай өткізгіштерді қолдану 11
1.2 Наноқұрылымдар 11
1.2.1 Кванттық нүктелер 12
1.2.2 Кванттық нүктені алу әдістері 14
1.2.3 Кванттық нүктерлердің қолданылуы 15
1.3 Нанотүтік (көміртек) 20
1.3.1 Көміртек нанотүтіктерінің қасиеттері 22
1.3.2 Нанотүтіктерді қолдану 24
1.4 Фракталдар 26
1.5 Жартылай өткізгіштердің оптикалық қасиеттері 28
2 НАНОҚҰРЫЛЫМДЫҚ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ҚАБЫҚШАЛАРДЫ ТӘЖІРИБЕЛІК ЗЕРТТЕУ 36
3 ЗЕРТТЕУДІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ 54
3.1 Өзұқсастық және өзаффиндік жиынтықтың фракталды өлшемділігі 54
3.2 Наноқұрылымдық жартылай өткізгіш қабықшалардың морфологиялық бетін моделдеу 55
3.3. Жұтылу мен шағылу фотондарын сипаттауға арналған флуктуациондық-диссипациондық арақатынас 56
4 САНДЫҚ ТАЛДАУДЫҢ НӘТИЖЕСІ 61
ҚОРЫТЫНДЫ 68
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 69
ГЛОССАРИЙ
Жартылай өткізгіш - металл мен диэлектриктердің салыстырмалы электр өткізгіштік диапазонының арасында орналасқан, салыстырмалы электр өткізгіштік мәнімен сипатталатын заттардың үлкен классы.
Кванттық жіп - қуатты тасымалдаушылардың қозғалысы екі бағытта шектелгендіктен, энергиясы кванттық сипатта болатын жартылай өткізгіш құрылымдар.
Фрактал - масштабтың әрбір кішірейген кезінде тура сол фрагмент қайталана беретін геометриялық фигура.
Экситон - электрон жұптарының байланысқан қалпы - жартылай өткізгіштердегі кемтіктер, олар массаның немесе электр қуатының тасымалынсыз-ақ байланысқан.
Аймағы тік емес жартылай өткізгіш - валенттік аймақтың төбесі мен аймақтың түбі кеңістікте толқындық векторлармен таратылған жартылай өткізгіш.
Кванттық нүкте -- кванттық эффектілерді көрсетуге арналған наноөлшемдері бар, барлық үш кеңістік координаттары бойынша шектелген жартылай өткізгіштің бөлшегі.
Нанокластерлер - аморфты немесе поликристаллдық наноқұрылымы бар нанобөлшектің бір түрі, мұнда бір сипаттық өлшемнің мәні 1-10 нм шамасында болады.
Жарықтың комбинациялық шашырауы - сәулелену жиілігінің өзгерісімен бірге жүретін оптикалық сәулеленудің заттар молекуласында (қатты, сұйық немесе газ тәрізді) әлсіз шашырауы.
КIРIСПE
Соңғы жылдары наноқұрылымдық жартылай өткізгіш қабықшаларының қолданылу аясының кеңеюіне байланысты олардың физикалық қасиеттерін өлшеу қазіргі физиканың орталық мәселесіне айналды. Наноқұрылымдық жартылай өткізгіштер жылдам жұмыс істейтін есептеуіш техниканы, оптоэлектрониканың, фотониканың жаңа тиімді құралдарын жасауда және дамытуда үмітті материал болып табылады. Наноқұрылымдық жартылай өткізгіштердің маңызды жетістігі сол - олардың геометриялық өлшемі мен конфигурациясын өзгерту арқылы жүйенің қасиеттерін басқаруға болады. Құрылымның параметрлерін басқарудың, бәрінен бұрын қуатты тасымалдаушылар мен фонондардың энергетикалық спектрін және наноқұрылымдардың оптикалық қасиеттерін басқарудың кең мүмкіндіктері ашылады. Мұндай жүйелерде бір жағынан қашықтық тәртібі болмайды, яғни микрокөлемдегі атомдар қатаң кезекпен орналасады, екінші жағынан, жақындық тәртібі болады, яғни кез келген атом үшін жақын көршісінің координаты ретті таралады. Наножүйелер тепе-тең жүйелер болып есептелмейді, бұл олардың бетінің күрделі рельефіне байланысты. Қабықша бетінің морфологиясын зерттеу тәжірибесі көрсеткендей, бұл жүйелердің құрылымы - нанокластерлік. Бұл құрылым өзі тәріздес иерархиялық, масштабты - инвариантты, яғни фракталді болады.
Осы еңбекте компьютерлік модельдеу әдістерінің негізімен наноқұрылымдық жартылай өткізгіштердің бетінің морфологиясы, оптикалық құбылыс, оптикалық жұтылу, фотолюминесенция, рамандық шашырау зерттелген. Зерттеу жұмыстары наноқұрылымдық жартылай өткізгіштердегі физикалық құбылыстарды сипаттау үшін динамикалық хаос теориясын және сызықтық емес физикалық әдістерді қолданған. Алынған теориялық нәтижелер сәйкес тәжірибелік мәліметтерге сай келеді.
1 ТЕОРИЯЛЫҚ БӨЛІМ
1.1 Жартылай өткізгіштер
Жартылай өткізгіштер - (106 - 104 Ом-1 см-1) металлдары мен (10-8 - 10-12 Ом-1 см-1) диэлектриктің салыстырмалы электр өткізгіштік диапазоны аралығында жатқан салыстырмалы электр өткізгіштік мәнімен сипатталатын заттардың үлкен классы. Яғни жартылай өткізгіштер диэлектриктерге(олар жақсы айырғыштар емес) де металлдарға (электр тоғын жақсы өткізгіштер емес) да жатпайды. Жартылай өткізгіштер маңызды ерекшелігі - түрлі әсерлердің ықпалымен (температура, жарық, электр және магниттік өріс, сыртқы гидростатикалық қысым) кең шамада өз қасиеттерін өзгерте алуы. Мұндай әсерлердің ықпалымен жартылай өткізгіштің қасиеттері қатты өзгереді (мысалы, электр өткізгіштік 106 - 107 есе өзгеруі мүмкін). Жартылай өткізгіштердің тура осы қасиеті олардың кең қолданысқа түсуіне мүмкіндік берді. Түрлі жартылай өткізгіш материалдардың негізінде түрлі жартылай өткізгіш құралдар жасалды. Табиғатта жартылай өткізгіштер элементтер түрінде ұшырасады (Менделеев периодтық жүйесінің IV, V және VI топ элементтері), мысалы Si, Ge, As, Se, Те және химиялық байланыстар, оксидтер, сульфидтер, селенидтер, түрлі топ элементтерінің қортпасы.
Көп уақыт бойы жартылай өткізгіштер ғалымдар мен инженерлердің назарына ілікпеді. Жартылай өткізгіштердің физикалық қасиеттерін жүйелі түрде зерттеп бастаған - кеңес ғалымы Абрам Федорович Иоффе. Ол жартылай өткізгіштердің көптеген қасиеттерге ие кристалдардың ерекше классы екенін анықтады:
1) Температура өскен сайын жартылай өткізгіштердің салыстырмалы кедергісі азаяды, ол жарық және күшті электр өрістерінің әсерімен температураның өсуіне байланысты салыстырмалы кедергісі артатын металдардан өзгеше болады.
2) Екі жартылай өткізгіштердің контактіні бір жақты өткізу қасиеті. Тура осы қасиеті түрлі жартылай өткізгіш құраладарды жасау кезінде пайдаланылады: диодтар, транзисторлар, тиристорлар және т.б.
3) Жарық және қыздыру кезіндегі түрлі жартылай өткізгіштердің контактісі фото-э.д.с. немесе термо-э.д.с.-нің қайнар көзі болып табылады.
Жартылай өткізгіштер материалдардың ерекше классы ретінде 19 ғ. соңында белгілі болғанына қарамастан, кванттық теорияның дамуы ғана диэлектр, жартылай өткізгіш және металдарың ерекшеліктерін түсінуге көмектесті (Уилсон, АҚШ, 1931). Оған дейін жартылай өткізгіштердің металл контактісінде тоқты түзету сияқты маңызды қасиеттері белгілі болды - жартылай өткізгіш, фотоөткізгіштік, т.б. Олардың негізінде алғашқы құралдар жасалды.
ЛосевО. В. жартылай өткізгіш контактілердің тербелісті күшейту мен генерация үшін қолдану мүмкіндігін дәлелдеді - кристалдық детекторлары. Алайда келесі жылдары кристалдық детекторларды электронды шамдар ығыстырып шығарды. 50-жылдардың басында ғана транзистік эффектінің ашылуымен (Бардин, Браттейн, Шокли, АҚШ, 1948) жартылай өткізгіштерді радиоэлектроникада қолдану кең етек алды. Сонымен бірге жартылай өткізгіштердің физикасын зерттеу басталды, ол кристалдарды тазарту және қоспалау технологияларындағы жетістіктерге жол ашты [1].
1.1.1 Жартылай өткізгіштердің түрлері
а) Жеке өткізгіштік.
Кристалдар құралған бос электрондар мен кемтіктер атомдардың иондануы нәтижесінде туындаса, мұндай жартылай өткізгіштерді жеке өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштер деп атайды. Жеке өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштерде бос электрондар концентарциясы кемтіктердің концентрациясына тең болады.
б) Аралас өткізгіштік.
Аралас жартылай өткізгіштік жартылай өткізгіштерде қоспаның бар болуына байланысты.
Аралас орталықтар мыналар болуы мүмкін:
oo жартылай өткізгіштердің торына енгізілген химиялық элементтердің атомдары мен иондары;
oo түйін аралық торларға енгізілген артық атомдар мен иондар;
oo түрлі текті басқа дефектілер мен кристалл тордағы бұрмаланулар: кристаллдардың деформациясы әсерінен туындайтын бос түйіндер, жарықтар, және қозғалулар т.б.
Қоспалардың концентрациясын өлшеу арқылы қандай да бір белгідегі зарядты тасымалдаушылардың санын айтарлықтай көбейтуге болады және не оң, не теріс қуатталған артықшылығы бар концентрациялы жартылай өткізгіштер жасауға болады.
Өткізгіштік түріне байланысты:
а) Электронды жартылай өткізгіштер (n-типтегі).
n-тип деген термин negative сөзінен шығады, ол негізгі тасымалдаушылардың теріс қуатын білдіреді. Төртвалентті жартылай өткізгіштерге (мысалы, кремний) бесвалентті жартылай өткізгіштердің қоспасын қосады. Әрекеттесу үдерісінда қоспаның әрбір атомы кремний атомдарымен бірге ковалентті байланысқа түседі. Алайда күшәла атомының бесінші электронына қаныққан валентті байланыстарда орын жоқ, ол алыс электронды қабықшаға көшеді. Онда электронның атомнан бөлінуі үшін аз мөлшердегі энергия керек. Электрон бөлініп, еркінге айналады. Берілген жағдайда қуаттың берілуі кемтік емес, электрон арқылы жүзеге асады, яғни жартылай өткізгіштің осы түрі электр тоғын металлдар тәрізді өткізеді. Жартылай өткізгіштерге қосылатын қоспалар n-типті жартылай өткізгіштерге айналады және олар донор деп аталады.
Сурет1.1 - n - типті жартылай өткізгіш
б) Кемтік жартылай өткізгіштер (р-типті).
p-тип термині positive сөзінен шыққан, ол негізгі тасымалдаушылардың оң қуатын білдіреді. Жартылай өткізгіштің бұл түрі, қоспа негізден басқа, өткізгіштіктің табиғи тесігімен сипатталады. Төртвалентті жартылай өткізгіштерге (мысалы, кремний) үшвалентті элементтің атомдарының аздаған мөлшерін қосады (мысалы, индий). Қоспаның әрбір атомы көрші кремнийдің атомдарымен ковалентті байланысқа түседі. Кремнийдің төрт атомымен байланыс жасау үшін индийде валентті электрон жоқ, сондықтан ол кремнийдің көршілес атомдары арасындағы ковалентті байланыстан валентті электрон алады және теріс қуатталған ион болады, кемтік осының әсерінен пайда болады. Осы жағдайда қосылатын қоспалар акцепторлар деп аталады.
Сурет1.2 - р - типті жартылай өткізгіш
1.1.2 Алыну әдістері
Жартылай өткізгіш монокристалл материалдарды созудың анағұрлым кең тараған әдісі - балқытпадан Чохральскийдің (монокристаллдарды өсіру) әдісі бойынша созу. Бұл әдіспен AIIIBV, AIIBVI, AIVBVI және т.б. типтерді байланыстыра отырып Ge, Si монокристалдарын созады.
Жартылай өткізгіш материалдардан сәйкес тығыздығы бар және балқытпаның бетінің кермесі бар монокристалдарды созу үшін бестигельді аймақтық балқыту әдісін қолданады. Бұл әдіс Si монокристалын алу технологиясында кең қолданыс тапты, мұның салыстырмалы тығыздығы төмен және балқытпаның бетінің кермесі айтарлықтай жоғары. Балқытпаның контейнер қабырғасымен байланысы болмауы осы әдіс арқылы анағұрлым таза монокристалдарды алуға мүмкіндік береді. Кеш балқитын ірітілетін жартылай өткізгіш байланыстардан (мысалы, CdS, ZnS, SiC, AlN және т.б.) монокристалдар алу үшін газдық фазадағы кристаллизацияны қолданады (сублимация және химиялық тасымалдау реакциясы әдісі). Түрлі геометриялы, құрылымы кең варияциялы жіңішке және өте жіңішке бірқабатты және көпқабатты құрылымнан және өткір шегі р-n-өткелді және гетероөткелді ұзартылған қабаттан беті және қалыңдықтың электрофизикалық қасиеттерін алу мүмкіндігі эпитаксальды ұзартудың микроэлектроникада және интегралды оптикада, практикада үлкен және тез жұмыс істейтін интегралды сызбаларды және оптоэлектронды құрылғыларды жасауда кең қолданылуына әкелді.
1.1.3 Жартылай өткізгіштерді қолдану
Жартылай өткізгіш материалдардың көп қолданылатын саласы - электроника. Жартылай өткізгіш материалдар Si негізінде жасалатын үлкен және өте үлкен интегралды жүйенің негізін құрайды. Жылдам әрекет ету мен қажетті қуатты азайтудың әрі қарайғы өсуі GaAs, InP негізінде және олардың қатты балқытпаларымен АIIIВV типті басқа байланыстардың негізінде интегралды сызба жасауға байлананысты. Үлкен масштабта жартылай өткізгіш материалдарды қуаттық жартылай өткізгіш аспаптарды (вентиль, тиристор, қуаттық транзистор) жасауға қолданады. Мұнда негізгі материал тағы да Si, ал аймақтағы жоғары жұмыс температураларының қозғалысы GaAs, SiC және басқа кең аймақтық жартылай өткізгіш материалдарды қолданумен байланысты. Әр жыл сайын жартылай өткізгіш материалдарды күн энергетикасында қолдану кеңейе түсуде. Күн батареяларын жасауда негізгі материалдар Si, GaAs, GaxAl1-xAsGaAs, Cu2SCdS гетеорқұрылымдары болып табылады.
Жартылай өткізгіш материалдарды жартылай өткізгіш лазер мен жарық диодтарын жасауға қолданады. Лазерді тікаймақтық AIIIBV, AIIBIV, AIVBVI типті байланыстардың негізінде жасайды. Жартылай өткізгіш материалдар кең спектрлі диапазонға арналған заманауи оптикалық сәулелену құралдарының (фотоқабылдағыш) негізін құрайды. Жартылай өткізгіш лазерлер мен фотоқабылдағыш талшық - оптикалық сызықтық байланысты құраушы элементтік база. Жартылай өткізгіш материалдар түрлі АЖЖ аспаптарды (биополярлы және өрістік транзистор, ыстықэлекторндардағы транзистрлер, т.б.) жасау үшін қолданылады. Жартылай өткізгіш материалдардың басқа да қолданылатын салалары: ядролық сәулелену детекторы (өте таза Ge, Si, GaAs, CdTe және т.б.), термосалқындатқыштарды жасау (висмут пен ссүрменің теллуриді мен селениді), тензодатчиктер, сезімталдығы жоғары термометрлер, магниттік өрістің датчигі және т.б. [2].
1.2 Наноқұрылымдар
Наноқұрылымдар - өлшемдері жүз нанометрге дейінгі аралықта жатқан атомдар түзілімі. Наноқұрылымдар қатты денелердің түрлі квазибөлшектері - электрондар, кемтіктер, фонон және т.б. таралған потенциалды шұңқырлар ретінде де қарастырылуы мүмкін. Наноқұрылымдар дегенде шығу тегі табиғи және жасанды наноөлшемдік объектілерді айтады, олардың қасиеттері құрылымдық элементтердің өлшемімен ғана емес, олардың кеңістікте біртұтас орналасуына байланысты. Наноқұрылымдардың өлшемдері бірден жүз нанометрге дейін болады. Наноқұрылымдардағы кеңістіктік әркелкілік аймағында потенциалды шұңқырлар маңызды рөл ойнайды, оларға түрлі қатты денелердің квазибөлшектері - электрондар, кемтіктер, фонодар және т.б. топтастырылады. Квазибөлшектердің тоқтатудың кеңістік аймақтағы сызықтық өлшемдері олардың еркін жүру ұзындығынан кем болса, қызық жағдай орын алады. Мұндай кездерде өлшемдік кванттау эффекті туындайды - квазибөлшектердің рұқсат етілген энергия аймақтары бір немесе екі өлшеу кезінде (кваттық шұңқырлар және кванттық жіп) квазибөлшектер аймақтар астына және үш өлшем кезінде өлшемдердің кішірею деңгейі дискреттік деңгейлерге (кванттық нүкте)ажырайды.
Квазибөлшектердің қозғалысы бір бағытпен шектелген жүйелер кванттық шұңқырлар, екі бағытта шектелген кванттық жіп (немесе кванттық сым), үш бағытта шектелген - кванттық нүкте деп аталады [1, 3].
(а)(ә)(б)
(а) - үстіңгі тор, (ә) - кванттық сым, (б) - кванттық нүкте
Сурет1.3 - Наноқұрылымдардың типтері
1.2.1 Кванттық нүктелер
Кванттық нүктелер - кванттық эффектілерді көрсетуга арналған наноөлшемдері бар үш кеңістіктік координаттармен шектелген жартылай өткізгіштің бөлшегі. Кванттық нүктелерді жасау үшін үшөлшемді потенциалдық шұңқыр керек, мұнда қуатты тасымалдаушылар үш координат бойынша тыйым салады. Үшөлшемді потенциалды шұңқырдың жасалуын GaAs мен AlGaAs арасындағы гетероауысу кезінде жартылай өткізгіштерді қолдану кезінде байқаймыз.
Сурет1.4 - Тыйым салынған аймақтары әр түрлі енде болып келетін жартылай өткізгіштер арасында гетероауысудың түзілуі
GaAs аймағындағы валенттік аймақтың электрондары потенциалды баспалдақтың болуына байланысты AlGaAs аймағына түсе алмайды.GaAs - AlGaAs гетероауысу аймағындағы электрондар екіөлшемді электронды газ түзеді.
Егер тағы бір гетероауысу қосса, онда электрондардың қозғалысы барлық кеңістік координаттарымен шектелген кванттық шұңқыр алуға болады. Олар үшін жалғыз еркін деңгей энергия квантын жұту арқылы өткізу аймағына секіру және қайтадан кванттық сәулемен оралу, яғни мұнда кванттық нүкте пайда болады.
Сурет 1.5 - Екі жартылай өткізгіштердің шегінде орналасқан екіөлшемді электронды газда пайда болған кванттық нүктелер
Сурет1.6 - Тыйым салынған аймағы анағұрлым кең жасалған екі жартылайөткізгіш арасында орналасқан, жартылай өткізгіштің жіңішке тыйым салу аймағында пайда болған кванттық шұңқыр
Сурет 1.7 - Тыйым салынған аймағының ені әр түрлі болатын жартылай өткізгіштер арасында пайда болған кванттық шұңқыр
Кванттық нүкте үшін материал ретіндеGaAs басқа түрлі заттардың орасан зор мөлшері қолданылады, солардың ішінде CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, Siжәне т.б.
1.2.2 Кванттық нүктені алу әдістері
Кванттық нүктелерді жасаудың бірнеше әдісі бар:
а) Молекулалық - сәулелік эпитаксия әдісі. Бұл әдіс арқылы кванттық нүктені өте таза салымдардан ұзартуға болады. Терең вакуум жағдайында салымға арнайы дайындалған көздерден булану арқылы алынған атомдар мен молекула ағымдарын жібереді. Егер қайнар көз ретінде әр түрлі ендіктегі тыйым салынған аймақтардағы заттарды қолданса, онда салымды пирамидаға ұқсас етіп ұзартуға болады.
Сурет 1.8 - Кванттық нүктелерді молекулалық - сәулелік эпитаксия әдісімен өсіру сызбасы
б)Мосгидридтік газофазалық эпитаксия. Газофазалық реакторда гетероқұрылымдар атмосфералық қысым кезінде өсіріледі. Мұндай реакторлардағы газдық фаза әдетте тұнатын заттың атомдарымен араласқан сутегінің ыстық ағыны болып табылады.
в) Коллоидтық синтез әдісі. Кванттық нүктелерді коллоидтық синтез әдісімен жинау сұйық фазада жүзеге асады. Мысалы, CdSe коллоидтік синтездеу үшін кадмийдің диметилін және селеннің ұсағын триалкилфосфинда ерітеді, сосын алынған қоспаны 230 Цельсий градусқа дейін қыздырылған триалкилфосфинге себеді. Өндірудің қорытынды этапында алынған нанокристалдардың бетін сыртынан кең тыйым салынған аймағы бар материалмен, мысалы ZnS немесе CdS-пен жабады.
Коллоидтік синтездің артықшылығы кванттық нүктелерді қажетті мөлшерде өндіре алу мүмкіндігі.
Кванттық нүктелерді басқа әдістермен де алуға болады: литография, электрохимиялық кристаллизация әдісімен.
1.2.3 Кванттық нүктерлердің қолданылуы
Кванттық шұңқырдың және онда бекітілген электрондардың болуы кванттық нүктелерді практикада қолдануға аса ыңғайлы етеді. Кванттық нүктелер жартылай өткізгіш лазерлерде қолданылады. Кванттық нүктедегі лазерлерде қуаттың үлкен коэффициенті, жоғары жұмыс температурасы болады, олар үшін аз ғана тоқ тығыздығы қажет. Кванттық нүктелер негізінде жарығы жоғары жарық диодтарын және сәулелену спектрін қоректейтін қолда бар жарық көзіне арнайы қабықша дайындауға болады. Кванттық нүктелерді заманауи жартылай өткізгіштер қолданылатын барлық сферада қолдануға болады, мысалы өндіргіштігі жоғары күн батареяларын жасау, фотодиодтар, фотодетекторлар, бірэлектронды транзистор жасау, т.б. Сонымен қатар кванттық жіптерді медицинада (жарақаттанған тамырларды тексеру, аневризм және ісік жасушаларын) қолданады. Кванттық нүктелер ең көп қолданылады деп үміт күтіліп отырған бағыт - олардың негізінде кванттық компьютер жасау мүмкіндігі [4].
Кванттық жіптер дегеніміз қуатты тасымалдаушылар қозғалысы екі бағытта бірдей шектелген, соның арқасында оның энергиясы кванттық болатын жартылай өткізгіштік құрылым.
Электрондар қозғалысы бір координатта шектелген жартылай өткізгіш құрылымдарда кванттық эффект осы координата бойында пайда бола бастайды. Нәтижесінде электондар қозғалысы үшөлшемдіден екіөлшемдіге ауысады, ол көп электрондық қасиеттерді өзгертеді және жаңа қызықты эффектердің пайда болуына, соның ішінде Холл эффектісінің пайда болуына әкеледі. Алайда осы уақытта кванттық жіптердің физикалық қасиеттері жақсы зерттелмеген.
Кванттық жіптерді дайындаудың көптеген әдістері мынаған негізделеді: екіөлшемді газдар жүйесінде қандай да бір тәсілмен (гетероқұрылымдар негізінде) олардың қозғалысы бір бағытта шектеледі. Мұның бірнеше әдіс-тәсілі бар.
Олардың бірі - жіңішке жолақты литографиялық технологиямен тікелей кесу әдісі (сурет 1.9). Мұнда электрондардың кванттық энергиясы көрінетіндей ені 100 ангстрем болатын электронды жіпті алу үшін жоғары рұқсаты бар литографиялық техника қажет ететіндей жолақтың енін жасау міндетті емес. Өшірілген жолақтың бүйір қырында жартылай өткізгіштің еркін бетіндегі сияқты беттік заттар түзіледі, олар жұтаң қабатты құрайды. Бұл қабат өткізгіш каналды қосымша тағы тарылтады, оның нәтижесінде кванттық эффектіні үлкен ендіктегі жолақтарда да - шамамен микронның оннан бірі мөлшерінде байқауға болады.
1 - тыйым салынған аймағы кең болатын жартылай өткізгіш; 2 - тыйым салынған аймағы жіңішке жартылай өткізгіш; 3 - металл бекітпе.
Сурет1.9 - (а) құрылымының өзінен және Шоттки бекітпесінің жарығынан жіңішке жазықтықты (б) өшіру арқылы субмикрондық литография көмегімен алынған кванттық жібі бар жартылай өткізгішті гетероқұрылымдары
Басқаша да жасауға болады. Жартылай өткізгіш құрылымның беті металл электродпен жабылады, ол жартылай өткізгішпен Шоттки байланысын түзеді және онда жіңішке жарық болады. Егер жұтаң қабатта гетерошек беті жақын болса, онда екіөлшемді электрондар шекарада болмайды, тек жарық астындағы жіңішке аймақта ғана болады. Бірөлшемді құрылымның мұндай түрінде қосымша артықшылық бар: бекітпедегі қысымды өзгертіп, біз кванттық жіптегі эффектілік енді және оны тасымалдаушылардың концентрациясын басқара аламыз.
Массивті үшөлшемді жартылай өткізгіштегі (а), екіөлшемді электронды құрылғылардағы - кванттық шұңқырдағы(б) және бірөлшемді құрылымдардағы - кванттық жіптердегі қалыптың тығыздығы.
Сурет1.10 - Квантық жіптердің баллистикалық өткізгіштігі
Ұзындығы L болатын қысқа жіптерді зерттеу назар аудартуда, олардың ұзындығы электрондардың еркін жүру ұзындығынан аз, ол қоспалардағы шашырау мен жіптегі дефект арқылы анықталады. Бұл жағдайда электрон бір байланыстан ұшып, екінші байланысқа зеңбіректен атылған снаряд тәрізді кедергісіз ұшып барады. Мұндай ұқсастықтан қарастырылып отырған құрылымды балластикалық деп атауға негіз болды.
Бізде металлдық байланыстармен қамтамасыз етілген, арасында V қысымы бар балластикалық бірөлшемді құрылым болсын. Байланыстарды μ1және μ2арқылы сипатталатын электронды резервуар деп қарастыруға болады, әрі μ1-μ2=eV. Қарапайымдылық үшін температураны айтарлықтай төмен деп есептейміз, сондықтан резервуарлардағы электрондар толығымен азған. Eμ2 аймақтарындағы энергия қалпы сол және оң байланыстарда толығымен толтырылған, сондықтан бұл байланыстардағы электрондар тоқ тізбегін жасай алмайды. Мұндай тоқ μ1 Eμ2 энергетикалық интервалының электрондарымен байланысқан, мұндағы сол байланыста жіпке ұшып келетін электрондар бар, ал оң байланыстың қалыптары бос және бұлар электрондарды қабылдауға ғана бейім. Пайда болған тоқтың көлемін есептейік.
Егер электронда px импульс болса, сәйкесінше жылдамдық pxm болады, онда оның тоққа салымы epxLm-ға тең. Толық I тоқты алу үшін барлық электроннан энергия жіптерімен μ1 менμ2 арасындағы интервалға мынандай салым салынады:
I=emL∑px(1.1)
μ2Ei+px22mμ1 (1.2)
Егер μ1 -μ2көптүрлілігі аз болса, онда көрсетілген электрондар тек Eiμ2 энергия аймағы астында болады және олардың импульсі ∆p=eVmp ұзындықтағы интервалда жатады. Яғни Δр интервалында Δр∙L(2PIћ) түрлі электрондық жағдайлар бар және алдыңғы формуладан I=e2VN(2pℏ) аламыз, мұндағы N - химиялық потенциал деңгейінен төмен жатқан, яғни электроны бар деңгейлар саны.
Кванттық жіптің баллистикалық өткізгіштігі:
σ=e22PIℏN (1.3)
Егер температура айталықтай төмен болса, онда электрондар қалыпты кішкене энергиямен - ақ толтырады. Паули ұстанымына сәйкес, әрбір қалыпта қарама-қарсы арқалы екі электрон орналасуы мүмкін. Мүмкін қалыптың толық санын өткізгіштікті анықтайтын формула сияқты анықтауға болады. Жіптің бірлік n ұзындығындағы электрондар саны 22m(E2-E1)PIℏ аз десек, онда олардың барлығы бірінші кванттық деңгейде орналасады және жіптің өткізгішітігі σ=e2PIℏ. Концентрация көрсетілген мәннен асып кетсе, онда электрондардың қалған бөлігі екінші деңгейге орналасуға мәжбүр болады және өткізгіштікте қосымша e2PIℏ мүшесі пайда болады, ол бұл деңгейдің салымын анықтайды. Басқаша айтқанда өткізгіштік секіріспен өседі. Мұндай секірістер электрондар әрбір кезде келесі деңгейді толтырған кезде болып тұрады. σ (n) тәуелділігі сатылы түрде болуы керек, әрі бұл сатылардың биіктігі әмбебеап e2PIℏ көлеміне сәйкес.
Егер жіп жеткілікті түрде қысқа және жоғары сапалы болмаса, онда электрон бір байланыстан екінші байланысқа барар жолда қоспада немесе жіп дефектісінде азуға ұшырауы мүмкін. Мұндай азу серіппелі болады, яғни энергияның өзгерісінсіз болады. Егер электрон сол баяғы EN кванттық деңгейінде қалса, онда серіппелі азуды тек бір жолмен жүзеге асыруға болады: импульсті жіп осінің бойымен ауыстыру, яғни қатаң түрде артқа бұру. Бұл жағдайда тоқ азаймайды. Егер N деңгейдегі электрон үшін мұндай бейненің мүмкіндігі RN-ға тең болса, онда балликалық жіптің өткізгіштік формуласының орнына мынаны аламыз:
σ=e22PIℏ∑(1-RN) (1.4)
Қысқа жіптерде суреттелген кванттық өткізгіштікті тәжірибелік зерттеу әдетте үлкен аймақтағы екіөлшемді электронды газдың екі аймағын біріктіріп тұрған жіңішке нүктелік байланысы бар тосқауылдық құрылымдарда өтеді. Формальді түрде бұл оның енімен салыстыратын ұзындығы бар жіп, әрі соңғысында кішкентай мөлшер болады. Квантативтік өткізгіштік осындай құрылымдарда да бақылануы керек.
Сурет 1.11 - Тасымалдаушылардың концентрациясын анықтайтын бекітпедегі қуатты кванттық жіп өткізгіштігінің тәжірибелік тәуелділігі
Кванттық жіптердің қолданылуы. Мұндай құрылымдардың практикалық аспаптық қолданыстары әлі дұрыс зерттелмеген. Бір сала жартылай өткізгіш лазерлермен байланысты.
Лазердің генерация тәртібінде жұмыс істеуі үшін резанатордағы жарықтың күшеюі толық шығыннан көп болуы керек. Резанатордағы толық шығынның тепе-теңдігі кезінде генерацияның деңгейіне жету үшін лазердің белсенді аймағын инжектрлеу керек, тасымалдаушылар аз болған сайын аймақтың шетіне жақын қалыптардың тығыздығы көп болады. Бұл бастапқы тоқтың азаюы үшін (бұл инжекциялық лазерлердің маңызды сипаттамасы және оны барынша аз жасау керек) құрылымның тығыздығы жоғары болу керектігін білдіреді. Кванттық жіптерде лазер сипаттамаларын құрылым тығыздығынан шексіздікке қарай ауысуына байланысты жақсартуға болады. Нақты құрылымдарда тасымалдаушылардың жұтауы себебінен кванттық деңгейдің кеңеюі кесірінен қалып жағдайында соңғы мән болады, алайда жоғары сапалы кванттық жіптерде деңгейлі тоқтың әрі қарай төмендеуі байқалады.
Сонымен қатар кванттық жіптерді сезімтал сенсорларды жасауға да қолданады. Болашақта кванттық жіптерді әрі қарай зерттеу оның аспаптық қолданысын арттырады деп күтіледі [5].
Үстіңгі тор - кристалдық тордың кезеңдік потенциалынан басқа тордың тұрақтысынан біршама асатын кезеңі бар қосымша потенциалға ие қатты денелі құрылым.
Әрбір кристалдың негізінде кристалдық тор болады, олардың түйіндерінде атомдар немесе иондар орналасады. Үстіңгі торды алу үшін кристалды тағы бір кезеңге байлау керек, ол кристалдық торды бірнеше есеге асып кетуі керек. Анағұрлым қарапайым әдіс - түрлі материалдардың бірнеше қабатын байланыстыру. Мұндай құрылымдарды алу, бірінші кезекте құрылғының толық қатарын жасауда маңызды: АЖЖ дабылдардың сызықтық емес түрлендіргіші, электромагниттік дабылдар генераторы және күшейткіші, олардың жиілігін анағұрлым кең диапазонда өзгертуге болады. Кристалды торларда электрондардың қозғалысы - кезеңдік аймақтағы кеңістіктік қозғалыс. Деңгейлердің энергетикалық қатынасында аймақтар бірігеді және электрондар энергетикалық аймақтарда белгілі энергия деңгейлерін ғана ала алады, олар тыйым салынған энергия интервалдарымен бөлінген. Кезеңдік құрылымның параметрлерін басқару үшін олардың енінен үстіңгі торлар және жасанды кристалдар жасалды. Қабатшаның қалыңдығын, материалдардың химиялық құрамын өзгерту арқылы кезеңдік қасиеттерді кең көлемде өзгертуге болады.
Үстіңгі тордың классикалық үлгісі ретінде жартылай өткізгіштің ауысып тұратын жіңішке қабаттарынан тұратын құрылымды алуға болады. Үстіңгі тордың кезеңі тұрақты кристалл торды асып кетеді, бірақ электрондардың еркін жүру ұзындығынан аз болады. Кристалл тордағы кезеңдік потенциалдан басқа үстіңгі торда оның құрылымына негізделген потенциал болады. Бұл потенциалды үстіңгі тордың потенциалы деп аталады.
Үстіңгі тордың физикалық қасиеттері.Жартылай өткізгіш үстіңгі торлар ерекше физикалық қасиеттерге ие, олардың бастылары мыналар:
oo энергетикалық спектрді бастапқы жартылай өткізгіштермен салыстырудағы айтарлықтай өзгерістер;
oo энергетикалық аймақтың үлкен санының болуы;
oo өте күшті анизотропия (екіөлшемділік);
oo электронды-кемтік рекомбинацияны басу;
oo үстіңгі тордағы электрондар мен кемтіктердің концентрациясы өзгермелі шама, ол қосындымен анықталмайды;
oo аймақтық құрылымды қайта құрудың мол мүмкіндіктері.
Үстіңгі торлардың түрлері.Композициялық үстіңгі тор - тыйым салынған аймақтарының ені әртүрлі жартылай өткізгіштердің эпитаксалді созылған кезеңдік алмасатын жұқа қабаттары.
Қоспалы үстіңгі тор - кезеңдік потенциал n- және p-типтегі жартылай өткізгіштердегі ультражұқа қабаттарды алмастыру нәтижесінде түзіледі, олар бір-бірінен қоспаланбаған қабаттар арқылы ажыратылады.
Арқалық үстіңгі тор - тура бірдей жартылай өткізгіштердің қабаттарын кезеңдік алмастыру нәтижесінде туған. Бір қабаттар магнитті емес қоспалармен қосылады, ал басқалар - магнитпен. Магниттік өріссіз энергетикалық жарық барлық үстіңгі торда тұрақты, кезеңдік потенциал магниттік өрісті қосу барысында туындайды.
Беті қуаттың жазықтығының кезеңдік модуляциясы жолымен екіөлшемді электронды қабатта (мысалы, МДЖӨ жүйесінде:металл-диэлектрик-жартыла й өткізгіш) қалыптасқан үстіңгі тор.
Потенциалы кезеңдік деформация үлгісінде қуатты ультрадыбыс өрісінде немесе тұрақты жарық толқынында жасалатын үстіңгі торлар.
Үстіңгі торларды электроникады қолдану.
Қолданыстың үлкен тобын оптоэлектрондық аспаптар құрайды - фотоқабылдағыштар, сәуле шығарушы аспаптар (инжекциондық лазерлер және жарық диодтары), пассивті оптикалық элементтер, толқын арнасы, модуляторлар және т.б.
Гетероауысудағы инжекциялық лазерлердің қарапайым жартылай өткізгіш лазерлер алдында артықшылығы болады, себебі гетероауысымды лазерлердегі инжекторлық тасымалдаушылар тек кіші аймақтарда ғана топталады. Сондықтан қуатты тасымалдаушылардың инверсиялық қоныстануында p-n-ауысудағы лазерлерге қарағанда тоқтың тығыздығы аз болады. Бірлік гетероауысымдардың орнына көпқабатты үстіңгі торлы құрылымдарды қолдану толқынның біршама ұзындығында жұмыс істейтін лазерлерді дайындауға мүмкіндік береді [6].
1.3 Нанотүтік (көміртек)
Біздің заманымызда технология жоғары дәрежеге жетті, микрокомпоненттер заманауи техникада аз қолданылып жүр және оларды бірте-бірте нанокомпоненттер ығыстырып шығаруда. Осы арқылы электронды аспаптарды миниатюрлеу тенденциясы нақтыланды. Интреграцияның жаңа деңгейін - нанодеңгейді меңгеру қажеттілігі туды. Осының себебінен транзисторларды алу қажеттілігі пайда болды, сымның мөлшер диапазоны 1-ден 20 нанометрге жетті. Бұл мәселенің шешімі нанотүтіктің ашылуы болды.
Көміртекті нанотүтік - диаметрі бірден бірнеше ондаған нанометрге жететін және ұзындығы бірнеше сантиметрге жететін, бір немесе бірнеше оралған гексагональ графит жазықтықтан (графен) тұратын және әдетте жартышар басымен аяқталатын созылыңқы цилиндр құрылымдар [7].
Сурет1.12 - Нанотүтіктің сызбалық суреті
Нанотүтіктің негізі көміртек болып табылады. Ол Менделеевтің периодтық жүйесінің химиялық элементі, С символымен белгіленеді, атомдық массасы 12.011, атомдық нөмірі 6. Ұзақ жылдар бойы көміртек тек екі байланыс - алмаз бен графит қана түзе алады деп есептеліп келді, алайда олай болмай шықты. Өткен жүзжылдықтың 90-жылдары көміртектің тағы бір жаңа түрі ашылды, ол графиттік торлардың оралған түтік түрінде келуі. Оны нанотүтіктер деп атады.
Бұрыннан белгілі болғандай, фуллеренді (C60) 1985 жылы Р.Смолли, Г.Крото және Р.Кёрла ашты, 1996 жылы осы жаңалықтары үшін химия бойынша Нобель сыйлығына ұсынылды. Көміртек нанотүтіктеріне қатысты айтқанда оның нақты ашылу датасын айту мүмкін емес. Көпқабатты нанотүтіктерді Жапониядағы NEC зертханасында Сумио Идзимо алғаш бақылаған.
Сурет1.13 - Графиттік жазықтықтың сызбалық көрінісі
Нанотүтіктердің құрылымы. Идеалды нанотүтік - тігіссіз графиттің торлы гексагоналді жазықтықтығын орау барысында алынған цилиндр.
Нанотүтіктерді алу. Қазіргі уақытта анағұрлым кең тараған әдіс - басқа қуаттың плазмасында графиттік электордты термикалық еріту. Синтез үдерісі шамамен 500 тор қысымды гелиймен толтырылған камерада жүзеге асырылады. Плазма жанған кезде анодтың интенсивті термикалық булануы жүреді, бұл жағдайда катодтың бөренелі бетінде көміртектің нанотүтігі қалыптасатын тұнба түзіледі.
Нанотүтіктің максималды мөлшері плазма тоғы минималды болғанда және оның тығыздығы 100Аcм2шамасында болғанда пайда болады. тәжірибелік құралдарда электродтар арасындағы қысым 12-25 В шамасын, қуат тоғы бірнеше ондық амперді, графиттік электродтардың ұштары арасындағы қашықтық 1-мм құрайды. Синтез үдерісінде анодтың 90%-дай массасы катодта шөгіп қалады. Түзілген сансыз нанотүтіктердің ұзындығы 40 мкм құрайды. Олар бөрененің жазықтық бетіндегі перпендикуляр катодта өседі және олар диаметрі 50 мкм шамасында болатын цилиндр шоғырларға жинақталған. Нанотүтіктердің шоғырлары ұяшықты құрылымды түзу арқылы тұрақты түрде катодтың бетін жабады.
Сурет1.14 - Катодта созылған нанотүтіктер
Көміртек тұнбасындағы нанотүтіктердің мөлшері 60% шамасында болады. Компоненттерді бөлу үшін алынған тұнбаны метанолға араластырады және ультрадыбыспен өңдейді. Нәтижесінде суспензия алынады, ол су қосылғаннан кейін центрфигурада бөлінуге ұшырайды. Ірі бөлшектер центрфигураның қабырғаларына жабысады, ал нанотүтіктер суспензияда жүзіп жүрген қалпында қалады. Кейін нанотүтіктерді азот қышқылында жуады және оттегі мен сутегінің газтәрізді ағынында 1:4 қатынасында 7500 C температурада 5 минут бойы кептіреді.
Мұндай өңдеудің нәтижесінде жеңіл борпылдақ материал алынады, ол орташа диаметрі 2 нм және ұзындығы 10 мкм-ге тең нанотүтіктерден құралады. Әзірше наноталшықтың қол жетілген ұзындығы - 1 см.
1.3.1 Көміртек нанотүтіктерінің қасиеттері
Нанотүтіктер электрлік қасиеттерге ие. Көміртек нанотүтіктерінің кіші мөлшерлерінің әсерінен 1996 жылы ғана олардың салыстырмалы электрлік қарсылықтарын (r) төртбайланысты әдіспен тікелей өлшеуге қол жеткізілді. Вакуумдағы кремний оксидінің тегістелген бетінде алтын жолақтар сызады. Олардың арасына ұзындығы 2-3 мкм нанотүтікті шаңдатады. Кейін өлшеу үшін таңдалып алынған нанотүтіктердің біріне қалыңдығы 80 нм болатын төрт вольфрам сымын қондырады. Вольфрам сымдарының әрбірі алтын жолақтардың бірімен байланысады. Нанотүтіктегі байланыс арасындағы қашықтық 0,3-тен 1 мкм-ге дейін болады. Тікелей өлшеудің нәтижесінде нанотүтіктердің салыстырмалы қарсылығы 5,1*10-6 - дан 0,8 Омсм-ге дейінгі шамада болады. r-дің минималды мәні графитке қарағанда бір ретке кем. Нанотүтіктердің көп бөлігі металлдық өткізгіштікке ие, ал аз бөлігі 0,1 -ден 0,3 эВ-ға дейін тыйым салынған аймақтың енімен жартылай өткізгіштің қасиетін көрсетеді [7].
Тағы да Лозанна Университетінің (Щвейцария) ғалымдары қызықты қасиеттер тапты: бірқабатты нанотүтіктің аздаған (5-100 ) иілуі кезінде өткізгіштіктің бірден (екі шама тәртібінде) өзгеруі. Бұл қасиет нанотүтіктердің қолданылу аумағын кеңейтеді. Бір жағынан нанотүтік электрлік дабылдардағы механикалық тербелістерді сезгіштігі жоғары дайын түрөзгерткіш ретінде және кері түрөзгеркіш ретінде қолданылады (бұл ұзындығы бірнеше микрон және диаметрі нанометр шамасында болатын телефон тұтқасы), ал екінші жағынан бұл кішкентай деформацияның дайын құрылғысы ретінде қолданылады [8].
Көзге нәзік әрі жұқа болып көрінгеніне қарамастан нанотүтіктер өте берік материал болып шықты, оларды созуға да, июге де болады. Бұдан басқа, критикалықтан асатын механикалық қысымға да ерекше төтеп береді: олар жыртылмайды, сынбайды, тек қана өзгеріске ұшырайды.
Нанотүтіктің осындай қасиеттеріне сүйене отырып, олар қазіргі уақытта ғарыштық жеделсатының арқанына арналған ең жақсы материал. Тәжірибенің қорытындылары көрсеткендей, бірқабатты нанотүтіктің Юнга модулі 1-5 ТПа шамасындағы көлемдерге жетеді, ол болатқа қарағанда бір шамаға көп.
Көміртекті нанотүтіктердің ашылуынан соң зерттеушілердің назарын нанотүтікті түрлі заттармен толтыру мүмкіндігі аударды. Бұл тек ғылыми қызығушылық қана туғызып қоймайды, ол қолданбалы ғылымдар үшін де үлкен маңызға ие болады. Өткізгіш, жартылай өткізгіш немесе өткізгіштігі жоғары материалдармен толтырылған нанотүтіктерді қазіргі кезде ең белгілі микроэлекторниканың элементі ретінде қарастырамыз. Бақылаулар көрсеткендей, ашық нанотүтіктің капиллярлық қасиеттері бар, яғни ол өзіне заттарды тартады. Нанотүтікті ашу үшін оның жоғарғы бөлігін, яғни қақпағын алып тастау керек. Оны алудың бір әдісі - нанотүтікті көмірқышқыл газының ағымында бірнеше сағат бойы 8500 C температурада қыздыру. Қышқылданудың нәтижесінде барлық нанотүтіктің 10% пайызға жуығы ашылып қалады. Нанотүтіктердің жабық ұшын бұзудың тағы бір әдісі - концентрацияланған азот қышқылында 24000 C температурада ... 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