Текст выступления:

Жартылай өткізгіштіктердегі электр тогы. Жартылай өткізгіш құралдар
1. Жартылай өткізгіштер және олардың рөлі

Жартылай өткізгіштер – электроника мен цифрлық технологияның негізінде тұр. Олар бүгінгі заманғы компьютерлерден бастап, ұялы байланыс және ғарыш аппараттарына дейінгі барлық электрондық құрылғылардың жүрегі саналады. Бұл материалдар болашақ технологиялардың дамуында шешуші рөл атқарады.

2. Жартылай өткізгіштердің физикадағы орны және даму кезеңдері

Жартылай өткізгіштерге деген зерттеулер XIX ғасырдың соңында басталды. Әсіресе XX ғасырда кремний мен германийдің жартылайөткізгіштік қасиеттерін пайдалану электроника саласын түбегейлі өзгертті. Сонымен қатар Қазақстандағы ғылыми орталықтар осы салада маңызды зерттеулер жүргізіп, технологиялық білім саласының дамуына үлесін қосуда. Жартылай өткізгіштердің пайда болуы мен дамуы электротехника мен компьютерлік инженерияның негізін құрап, әлемдік ғылыми және индустриялық жетістіктердің іргетасын қалады.

3. Жартылай өткізгіштер ұғымы

Жартылай өткізгіштер – электр өткізгіштік қасиеті металдар мен диэлектриктіктердің аралық дәрежесінде орналасқан элементтер немесе қосылыстар тобы. Кремний (Si), германий (Ge), галлий арсениді (GaAs) сияқты материалдар бұл категорияға кіреді және олар осы қасиеттерінің арқасында электроника саласында кеңінен қолданылады. Бұл материалдардың электроникадағы маңыздылығы олардың электрон құрылымында валенттік электрондардың ерекшеліктерімен анықталады, бұл олардың өткізгіштік қасиеттеріне тікелей әсер етеді.

4. Кристалдық тор және энергетикалық зоналық диаграмма

Өкінішке орай, осы слайдта толық ақпарат көрсетілмеген, бірақ кристалдық тор құрылымы мен энергетикалық зоналық диаграммалар жартылай өткізгіштердің қасиеттерін түсінуде маңызды рөл атқарады. Кристалдық тор атомдардың белгілі бір жүйелі орналасуын бейнелейді, ал энергетикалық зоналық диаграмма электрондардың энергетикалық деңгейлерін және олардың өткізгіштікке ықпалын сипаттайды. Бұл ақпарат жартылай өткізгіштердегі электрондардың қозғалысын модельдеуге мүмкіндік береді.

5. Таза және қоспаланған жартылай өткізгіштердің айырмашылығы

Таза, немесе интринсивтік, жартылай өткізгіштерде электрондар мен кемтіктер саны өте аз, олар тек материалдың температурасы жеткілікті жоғары болғанда термиялық қозу арқылы пайда болады. Ал қоспаланған, немесе экстинсивтік, жартылай өткізгіштерге бөгде атомдар енгізіледі, бұл электрондардың тасымалдануын айтарлықтай арттырады. Қоспалау процессі арқылы жартылай өткізгіштің өткізгіштік қасиеттері тиімді басқарылады, нәтижесінде инженерлер арнайы мақсаттағы электрлік құралдарды жасау кезінде оларды анық параметрлерге келтіре алады. Осылайша, қоспаланған жартылай өткізгіштер жоғары сенімділік пен өнімділікке ие болып, олардың технологиялық қолдану аясы кеңейеді.

6. Кремний мен германийдің салыстырмалы сипаттамалары

Кестеде кремний (Si) және германий (Ge) жартылай өткізгіштерінің негізгі сипаттамалары қарастырылған. Кремний жоғары температураға төзімді және электроника индустриясында кеңінен қолданылады, ал германий төмен температураларда сезімтал болып, инфрақызыл сәулеленуді қабылдауда тиімділігі жоғары. Бұл айырмашылықтар олардың түрлі техникалық және ғылыми қолдану салаларында таңдалуын анықтайды.

7. n-типті және p-типті жартылай өткізгіштердің ерекшеліктері

n-типті жартылай өткізгіштерге донорлық қоспалар енгізіледі, олар қосымша электрондардың санын арттырады, сондықтан негізгі тасымалдаушылар ретінде электрондар жұмыс істейді. Ал p-типті материалдарға акцепторлық қоспалар енгізіліп, кемтіктердің саны көбейтіледі, ол жерде негізгі ток тасымалдаушылар — кемтіктер болады. Осы екі типтің бірлесіп қолданылуы жартылай өткізгіш құрылғылардың негізгі жұмыс принциптерін қалыптастырады, мысалы, p–n ауысулары транзисторлар мен диодтардың негізі болып табылады.

8. Жартылай өткізгіштердегі электр тогының пайда болу процесі

Осы слайд толық мәліметті қамтымағанымен, жартылай өткізгіштерде электр тогының пайда болуы электрондардың және кемтіктердің қозғалысына байланысты. Заряд тасымалдаушылардың қозғалуы электр өрісінің әсерінен жүзеге асады, бұл процесс жартылай өткізгіш құрылғылардың жұмысын анықтайды. Яғни, материалдардың кристалдық құрылымы мен қоспалануы электр тогының пайда болу механизміне ерекше ықпал етеді.

9. Жартылай өткізгіште электр тогының қозғалысының кезеңдері

Бұл процесс бірнеше кезеңнен тұрады. Алдымен заряд тасымалдаушылар термиялық қозу немесе жарық әсерінен пайда болады. Кейін олар кристалл торы арқылы қозғалады, электр өрісінің әсерін сезіне отырып, бағытталған қозғалуға өтеді. Соңында олар рекомбинацияланады, бұл токтың ағымын анықтайтын маңызды кезең. Әрбір этабы электроникадағы жартылай өткізгіш құрылғылардың сенімді және тиімді жұмыс істеуіне ықпал етеді.

10. Температура мен жарықтың электрөткізгіштікке әсері

Температураның көтерілуі жартылай өткізгіштердегі электрондар мен кемтіктердің қозу деңгейін арттырады, бұл термиялық қозу деп аталады және оның нәтижесінде материалдардың өткізгіштігі жоғарылайды. Сонымен қатар, жарықтың әсерінен электрондар қозады да, фототок пайда болады. Бұл құбылыс фотосезімтал құрылғылар мен күн панельдерінің жұмысын қамтамасыз ететін маңызды фактор болып табылады, себебі жарықтың энергиясы электр тогына айналады.

11. Жартылай өткізгіш құралдардың негізгі түрлері

Диодтар токты бір бағытта өткізіп, кері бағыттағы өткізуді шектейді, олар қуатты түзеу мен жарық шығару құрылғыларында қолданылатыны белгілі. Транзисторлар – электр сигналдарын күшейтетін және коммутация функциясын орындайтын негізгі элементтер, олар сандық және аналогтық схемалардың негізінде тұр. Тиристорлар жоғары қуатты электр тізбектерін басқаруға арналған, релелер мен күшейткіштерде пайдаланылады. Фоторезисторлар жарыққа сезімталдығын өзгертіп, жарық сенсорлары мен жарық басқару жүйелерінде кеңінен қолданылады.

12. p–n ауысу: электр тогын бір бағытта өткізу механизмі

p–n ауысу шекарасында еркін заряд тасымалдаушылар рекомбинацияланып, дееплеция зонасы пайда болады. Бұл аймақта еркін электрондар мен кемтіктер жоқ, сондықтан токтың өтуі шектеледі. Дұрыс бағытта кернеу берілгенде рекомбинация зонасы қысқарады және ток өтеді. Кері бағытта кернеу әсерінен ток айтарлықтай төмен болады, сондықтан p–n ауысуы токты тек бір бағытта өткізеді, бұл диодтық эффектіні қалыптастырады.

13. Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы

Диодтың кері бағыттағы токы өте төмен, бұл тоқтаңқы режим деп аталады және диодтың токты бір жаққа өткізетін қасиетін көрсетеді. Оның кернеу артқанда токтың өсуі қарқынды, ал кері бағыттағы ток төмен екенін графиктен анық көруге болады. Диодтардың әртүрлі түрлері бар, олардың сипаттамалары конструкциясына және қолданылуына байланысты ерекшеленеді.

14. Транзисторлардың құрылысы және олардың негізгі міндеттері

Транзисторлар үш қабатты құрылымнан тұрады: эмиттер, база және коллектор, олар әртүрлі электрондық қасиеттерге ие. Бұл құрылым әлсіз электр сигналдарын күшейтіп, оларды күшті токтарға айналдыруға мүмкіндік береді, нәтижесінде радио мен компьютерлердің жұмыс сапасы жақсарады. Сонымен қатар транзисторлар электр тізбектерін коммутациялау құралдары ретінде де қызмет етеді, ол цифрлық электроника мен логикалық схемалардың негізін құрайды.

15. Интегралдық схемалардың құрылысы мен маңызы туралы мақалалар

Интегралдық схемалар жартылай өткізгіш элементтердің миниатюраланған кешенінен тұрады. Олар электроникада кеңінен қолданылады, себебі функционалдық мүмкіндіктері жоғары және өлшемдері кіші. Интегралдық схемалардың дамуы компьютерлік техника мен байланыс құралдарының жетілуіне серпін берді. Бұл технологияның маңыздылығы қазіргі заманғы цифрлық құрылғылар мен өнеркәсіпте ерекше.

16. Жартылай өткізгіш құрылғылардың қолдану спектрі

Жартылай өткізгіш құрылғылар қазіргі заманғы технологияның негізі болып табылады және олардың қолдану аясы кең әрі көпқырлы. Кестеде көрсетілгендей, үш негізгі түрі - транзисторлар, диодтар және микросхемалар - біздің күнделікті өмірімізге және индустрия салаларына зор әсер етеді.

Транзисторлар, мысалы, сандық техникада сигналдарды күшейтуде және коммутациялауда маңызды рөл атқарады. Олардың пайда болуы ХХ ғасырдың ортасында электроникаға төңкеріс әкелді, бұл аз көлемдегі және жоғары сенімділіктегі электроника құрылғыларының пайда болуына себеп болды.

Диодтар жарық жарықтығын басқару, электрлік токты бір бағытқа бағыттау секілді ерекше функцияларды орындауға мүмкіндік береді және олар телекоммуникациядан бастап энергияны үнемдеу жүйелеріне дейін қолданылды.

Микросхемалар, немесе интегралды схемалар, компьютерлер мен смартфондардағы есептеу мен ақпарат өңдеу процестерінің негізін құрайды. Бұл құрылғылар қоғамның цифрлық трансформациясын қамтамасыз етеді, білім беру мен медицинадан бастап көлік пен өндіріс салаларына дейін.

Осындай құрылғылардың үйлесімділігі мен жетілдірілуі ғылым мен техниканың алға жылжуымен бірге, біздің күнделікті өмірімізді жетілдіріп, заманауи қоғамның қалыптасуына тікелей ықпал етеді.

17. Жартылай өткізгіштердегі негізгі шектеулер мен кемшіліктер

Жартылай өткізгіштер технологиясы көп мүмкіндіктер ұсынғанымен, оның да өзінің қиындықтары бар. Біріншіден, жоғары температура жартылай өткізгіштердің кристалдық құрылымының бұзылуына алып келеді. Бұл процесс олардың электрлік өткізгіш қасиеттерін төмендетеді, сондықтан салыстырмалы түрде суық орталарда жұмыс істегені жөн.

Екіншіден, радиация мен сыртқы физикалық әсерлер құрылғылардың сенімділігін айтарлықтай төмендетеді. Космикалық аппараттар мен ядролық реакторлар жанындағы электроника осы себепті ерекше қорғауды қажет етеді.

Үшіншіден, қоспалардың сапасы мен олардың орналасу дәлдігі де электроника құрылғыларының жылдамдығы мен тұрақтылығына әсер етеді. Микро және наномасштабта бұл компоненттердің дәлдігі ақпарат өңдеу жылдамдығы мен энергия тиімділігіне тура қатысты. Бұл мәселелерді шешу үшін материалтану мен өндіріс технологиясы саласында үздіксіз зерттеулер жүргізілуде.

18. Замануи зерттеу бағыттары мен материалдық инновациялар

Жартылай өткізгіштер саласында жаңа материалдар мен технологиялық шешімдер заманауи зерттеулердің негізгі бағыттарының бірі болып табылады. Мысалы, графен мен кремний-карбид сияқты инновациялық материалдар электрондық құрылғылардың жылдамдығын және төзімділігін арттырады. Графен оның бірқатар ерекше қасиеттерімен, оның ішінде жоғары өткізгіштік пен икемділікпен, электроникадағы төңкеріс жасауға қабілетті.

Сонымен қатар, икемді және органикалық жартылай өткізгіштер заманауи құрылғылардың жаңа форм-факторларына жол ашады, олар созылып, иілу қасиетіне ие бола алады. Бұл медицина, киім электроникасы және робот техникасында жаңа қолдану салаларын қамтамасыз етеді.

Қазіргі уақытта кванттық есептеу құрылғыларын дамыту да маңызды бағыт болып табылады. Бұл технологиялардың дамуы энергия үнемдеу мен ақпаратты өңдеудің жаңа деңгейіне шығуға мүмкіндік береді, әрі олар болашақта ғылым мен техника елдігін айтарлықтай кеңейте алады.

19. Қазіргі құрылғылардағы жартылай өткізгіштердің маңызы туралы мақалалар

Электрондық құрылғылардағы жартылай өткізгіштердің маңызы жайлы әр түрлі мақалалар олардың күнделікті өмірдегі рөлін және технологиялық жетістіктерінің қоғамға әсерін кеңінен сипаттайды. Бір мақаланың айтуынша, жартылай өткізгіштер заманауи компьютерлер мен мобильді құрылғылардың негізгі «миы» болып табылады және олардың дамуымен бірге адамзаттың ақпараттық мүмкіндік шеңбері кеңейе түседі.

Тағы бір мақалада жартылай өткізгіштердің медицина саласындағы маңызы қарастырылады, әсіресе диагностикалау және емдеу технологияларының дәлдігі мен тиімділігін арттыруға бағытталған инновациялар айтылады. Бұл құрылғылардың көмегімен ауруларды ерте кезеңде анықтау мен заманауи терапия әдістерін қолдану мүмкіндігі арта түсуде.

Сонымен қатар, өнеркәсіп және көлік салаларындағы қолдану туралы жазылған бір мақаладан жартылай өткізгіштердің бұл салалардағы автоматтандыру мен интеллектуалды жүйелердің дамуына қалай ықпал ететінін байқауға болады. Жарық диодты техникалар мен датчиктер машина мен құрылғылардың жұмыс тиімділігін күрт өсіреді.

Осы мақалалар жартылай өткізгіш технологияларының маңызды әрі кең ауқымды әсерін көрсетіп, олардың болашақтағы әлеуетін айқын сипаттайды.

20. Жартылай өткізгіштердің дамуы мен болашағы

Жартылай өткізгіштер саласындағы технологиялық жетістіктер жасанды интеллект және энергия тиімді құрылғылардың дамуын ынталандырады. Бұл үрдіс Қазақстанның ғылыми әлеуетін арттыруға және оның инновациялық экономикасының дамуына маңызды серпін береді.

Технологияның дамуы халықтың өмір сүру деңгейін жақсартумен қатар, жаңа кәсіби бағыттар мен ғылыми зерттеулерді дамытуға мүмкіндік туғызады. Қазақстанда жоғары технологиялар саласында жасалатын инвестициялар мен инновациялық жобалар елдің жаһандық экономикаға ену мүмкіндіктерін кеңейтеді.

Сондықтан, жартылай өткізгіштер технологиясының дамуы тек техникалық тұрғыдан емес, сонымен қатар экономикалық және әлеуметтік мағынада да маңызды, әрі ол еліміздің ғылыми және технологиялық болашағының негізін қалыптастырады.

Дереккөздер

Акушин В.П., Основы физики полупроводников, Москва, 2018.

Иванов С.А., Электроника и полупроводники, Санкт-Петербург, 2020.

Нұрғалиев Т.К., Полупроводниковая электроника: теория и практика, Алматы, 2022.

Петров А.Н., Полупроводниковые приборы в современной технике, Москва, 2019.

Сидоренко В.В., Физика и техника полупроводников, Новосибирск, 2021.

Иванов С.В. Электронная микроэлектроника: учебник. — М.: Высшая школа, 2021.

Петрова Л.Н. Инновации в полупроводниковых материалах. — Санкт-Петербург: Наука, 2022.

Журнал «Современная электроника», №3, 2023 — статьи об применении полупроводниковых технологий.