Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден айырмашылығы

n-типті  жартылай өткізгіштердің  өткізгіштігінің электрондық сипаты және  р-типті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің кемтіктік сипаты эксперимент жүзінде Холл эффектісін зерттегенде дәлелденеді. Холл эффектісі деп, ток жүріп тұрған жалпақ металл өткізгішті, пластинаға перпендикуляр магнит өрісін орналастырған кезде, оның ені бойынша екі шетінде потенциалдар айырымының пайда болу құбылысын айтады.  n-типті  жартылай өткізгіштегі  бақыланатын холл потенциалдар айырымының таңбасы теріс ток тасымалдаушыларға, ал  р-типті жартылай өткізгіштерде – оң тасымалдаушыларға сәйкес келеді.

Қоспалар тордың өрісін айнытады, кристалдың тыйым салынған зонасында орналасқан, қоспалық деңгейлердің энергетикалық сұлбасының пайда болуына алып келеді. Бұл қоспалық деңгейлер  n-типті жартылай өткізгіштер жағдайында донорлық, ал  р-типті жартылай өткізгіш жағдайында акцепторлық деп аталады.

            

7-сурет

n – типті жартылай өткізгіштерде  Ферми деңгейі тыйым салынған  зонаның жоғарғы жартысына орналасса, ал p – типті жартылай өткізгіште – тыйым салынған зонаның төменгі жартысында орналасады. Температура артқан кезде жартылай өткізгіштердің екі түріндеде Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның ортасына ығысады.

Егер донорлық деңгейлер валенттік зонаның төбесінен алыс орналаспаса, олар кристалдың электрлік қасиетіне мәнді әсер ете алмайды. Мұндай деңгейлердің өткізгіштік зонаның түбінен қашықтығы, тыйым салынған зонаның енінен едәуір аз болған жағдайда басқаша болады. Бұл жағдайда қалыпты температураның өзінде жылулық қозғалыс энергиясы, донорлық деңгейден өткізгіштік зонаға ауыстыру үшін жеткілікті болады (18-сур.а). Бұл процеске қоспа атомынан бесінші валенттік  электронды бөліп алу сәйкес келеді. Қоспа атомының бос электронды қамтып алуына 18 – суретте, аз электронның өткізгіштік зонадан бір донорлық деңгейге көшуі сәйкес келеді.

Акцепторлық деңгейлер кристалдың электрлік қасиетіне, егер олар валенттік зонаның төбесіне жақын орналасса мәнді әсер етеді (18-сур.,б). Кемтіктің пайда болуына электронның валенттілік зонадан акцепторлық деңгейге ауысуы сәйкес келеді. Кері процесс қоспа атомының төрт коваленттік оның көршілерімен байланысының үзілуіне және бұл кезде пайда болған электрон мен кемтіктің рекомбинациясына сәйкес келеді.

Температура жоғарылаған кезде токтың қоспалы тасымалдаушыларының концентрациясы тез өзінің қанығуына жетеді. Бұл, іс жүзінде барлық донорлық электрондар босап шығатынын немесе барлық акцепторлық деңгейлер электрондармен толатынын көрсетеді. Мұнымен бірге температура өскен сайын, тікелей валенттік зонадан өткізгіштік зонаға электрондардың көшуімен байланысты, жартылай өткізгіштің өзіндік өткізгіштігі басым бола бастайды. Сонымен, жоғары температурада жартылай өткізгіштің өткізгіштігі коспалық және өзіндік өткізгіштіктен тұрады. Төменгі температурада - өзіндік өткізгіштік басым болады.

 

 

2.3 Р - n  ауысуының қасиеттері

 

Екі бөліктен тұратын жартылай өткізгіштің кристалын алайық:  оның біреуі  р-типті  қоспалы және екіншісі  n-типті  қоспалы болсын. Бұл екеуінің шекарасы  р-n  ауысуы деп аталынады.

Айталық, жартылай өткізгіштің бұл екі бөлігі енді ғана түйістірілсін (шын мәнінде бұл бір кристалдың екі бөлігі, оның біреуінде  р-типті  қоспа басым болады). Сонда бірден электрондары көп  n-типті жартылай өткізгіштен электрондар, олардың саны аз  р-типті жартылай өткізгішке ауысады, ал кемтіктер кері бағытқа қарай орын ауыстырады. Бұл электрондар мен кемтіктердің диффузиясы екі сұйықтармен немесе газдармен өзара диффузиясына ұқсас, бірақ бұл процестерден айырмашылығы, электрондар мен кемтіктердің диффузиясы өте жылдам өтеді.

Кемтіктер мен электрондар зарядтарды тасымалдамайтын болса, олардың диффузиясы кемтіктер мен электрондардың концентрациясы толығымен теңескенге дейін жүрер еді. Алайда,  n - аймақтан  р - аймаққа көшкен электрондар теріс заряд алып өтеді, сонда  n - аймақ оң зарядталады, ал  р – аймақ теріс зарядталады. Қарама-қарсы бағыттағы кемтіктердің диффузиясы да  р – аймақты теріс зарядтайды, ал  n – аймақты оң зарядтайды, яғни  р -  және  n – аймақтары арасында  түйісу потенциалдар айырымы пайда болады.

Пайда болған электр өрісі кері ауысуға алып келеді: кемтіктерді  n – аймақтан  р-аймаққа  және электрондарды  р-аймақтан  n-  аймаққа (8-сурет,а).

8 – сурет.

Шын мәнінде,  р-аймақта тұрған еркін электрон хаосты қозғалыс кезінде ауысу қабатының  А  шекарасынан өтетін болса, онда өріс күштері  n-аймаққа тартып алып кетеді. n – аймақта тұрған кемтіктер де сондай күйге ұшырайды. Ал  р-аймақта тұрған кемтіктер  АБ  ауысу қабатына енетін болса, егер олардың кинетикалық энергиясы жеткіліксіз жағдайда өрістің әсерінен кері  р-аймаққа тебіледі, сөйтіп олардың диффузиясын азайтады. АБ қабатынан  n-аймаққа, тек жеткілікті кинетикалық энергиясы бар кемтіктер ғана өте асады (19-сур.,б). Бұл айтылғандар  n-аймақтағы электрондарға да қатысты.

Сондықтан  АБ  ауысу қабатында,  р-аймақтан  n-аймаққа келетін кемтіктердің диффузиялық ағыны,  АБ  аймағындағы өрістің жасаған кемтіктердің қарсы ағынымен теңгеріледі (19-сур.,в). Бір мезгілде электрондардың да қарсы ағындары теңгеріледі.

19 – суретте көрсетілген процестерді айқынырақ түсіндірейік: а) р – және  n – аймақтарының арасында жылжымалы тасымалдаушылар саны тіптен азайған,  АБ  қабаты пайда болды, онда барлық электр өріс шоғырланған;  АО  аймағында  р-типті қоспаның иондары топталып тұр, ал  БО  аймағында  n-типті қоспаның иондары топталып тұр;  б) ауысу арқылы негізгі тасымалдаушылардың диффузиялық ағынының пайда болуының көрсетілуі, мұнда 1 - өрістің қарсы әсерін жеңе алмайтын электрондар мен кемтіктер, ал 2 - өрістің қарсы әсерін жеңуге жеткілікті энергиясы бар электрондар мен кемтіктер;  в) АБ аймағындағы өрістің әсерінен ауысу арқылы негізгі емес тасымалдаушылардың ағынының пайда болуының көрсетілуі.

Қалыңдығы өте аз (бірнеше микроннан артық емес) АБ ауысу аймағында, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар ұсталып тұра алмайды, сондықтан онда тек АО аймағында акцепторлық қоспаның иондары, ал  БО аймағында донорлық қоспаның иондары шоғырланып қалады. Барлық электр өрісі  А  және  Б  беттерінің арасында жинақталады да зарядтарға конденсатордың өрісі секілді әсер етеді. Конденсатордан айырмашылығы, мұнда өрісті жасайтын зарядтар бет бойынша орналаспайды, олар А  және  Б  аралығындағы барлық көлем бойынша орналасады.

АБ аймағының сыртында электр өрісі болмағандықтан, сол және оң жағындағы зарядтар хаосты қозғалысында оның шекарасынан кедергісіз өтіп кете алады, бұл туралы жоғарыда айтылды. Кемтіктердің кету және  n-аймақтан электрондардың келу нәтижесінде пайда болған  р – аймағындағы артық зарядтар  АО  қабатында шоғырланады, ал  р – аймағының барлық қалған бөлігі электрлік нейтраль күйінде қалады. n – аймағына да осы қатысты. Жылжымалы зарядтар қалмаған  АБ  қабатының өте үлкен меншікті кедергісі болады, бұл кезде кристалдың қалған бөліктеріндегі кедергі аз болады. Бұл,  р-n ауысуы бар кристалдың барлық электрлік кедергісі  АБ  қабатымен жасалынады.

р- n  ауысуының  пайда болуын энергетикалық зоналар арқылы түсіндіріп көрейік. р-n  ауысуында негізгі зарядты тасымалдаушылардың тепе-теңдікте болуы, олардың күйлері бірдей деңгейде болғанда іске асады, ал бұл энергетикалық зоналардың иілуіне алып келеді (20-сур.).

Ауысу аймағындағы энергетикалық зоналардың иілуінің себебі, тепе-теңдік  күйде   р-аймағындағы  потенциалдың     n-аймағындағы   потенциалдан

 

9 – сурет.

төмен болуы. Валенттік зонаның төменгі шекарасы электронның потенциалдық энергиясына  Ерэ, ауысуға перпендикуляр бағытта жол береді (9-сур.,а). Кемтіктің заряды электронның зарядына қарама-қарсы, сондықтан олардың потенциалдық энергиясы  Ерк,  Ерэ-нің аз жерінде көп болады және керісінше (9-сурет а).

9 – сурет.

Тепе-теңдік күйінде негізгі тасымалдаушылардың кейбір мөлшері потенциалдық бөгеттен өтіп кете алады, осының салдарынан ауысу арқылы аздаған ток  Інег. жүреді (21-сур.,а). Бұл ток негізгі емес тасымалдаушылардың қарама-қарсы  Ін.емес тогымен компенсацияланады.  Ін.емес шамасы секунд сайын пайда болып жатқан негізгі емес тасымалдаушылардың санымен анықталады және потенциалдық бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді болмайды. Керісінше, Інег шамасы бөгеттің биіктігіне күшті тәуелді. Тепе-теңдік потенциалдық бөгеттің, екі  Інег  және  Ін.емес токтары бірін-бірі компенсациялайтын, деңгейде орнығады.

Кристалға, плюсі  р – аймаққа, ал минусы -  n – аймаққа жалғасқан бағытта, сыртқы кернеу берейік (мұндай кернеу тура деп аталынады). Бұл  р – аймақтағы потенциалдың жоғарылауына (яғни  Ерк  артады,  Ерэ кемиді) және  n-

Аймақтағы потенциалдың төмендеуіне (яғни Ерк кемиді, Ерэ артады) алып келеді (21-сур.,б). Мұның нәтижесінде потенциалдық бөгеттің биіктігі кішірейеді де  Інег ток өседі. Ал ток  Ін.емес  іс  жүзінде өзгермей қалады (жоғарыда келтірілгендей, ол бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді емес). Демек, қорытқы ток нольге тең болмай қалады. Потенциалдық бөгеттің төмендеуі түсірілген кернеуге пропорционал (ол  еU-ға тең). Бөгеттің биіктігін төмендеткен кезде негізгі тасымалдаушылар тогы, демек, қорытқы ток, тез өседі. Сонымен,  р – аймақтан  n – аймақ бағытында ауысу ток өткізеді, оның күші түсірілген кернеу артқанда тез өседі. Бұл бағыт тура деп аталынады.

22 – суретте  р-n  ауысудың вольт-амперлік сипаттамасы берілген. Тура кернеуде   кристалда  пайда  болған электр   өрісі   негізгі   тасымалдаушыларды

10 – сурет.

аймақтар арасындағы шекараға «сығады», осы себептен тасымалдаушылары жоқ ауысу қабатының ені қысқарады. Демек, ауысу кедергісі де азаяды, бұл кернеу неғұрлым үлкен болған сайын, солғұрлым көп азаяды. Сондықтан өткізу аймағындағы вольт-амперлік сипаттама түзу болып келмейді (10 – суретте оң тармақ).

Енді кристалға  n – аймаққа плюс, ал  р – аймаққа минус қосылатындай етіп кернеу түсірейік (бұл кернеу кері деп аталынады). Бұл потенциалдық бөгеттің көтерілуіне және негізгі тасымалдаушылар ток күшінің  Інег  кемуіне алып келеді (21-сур.,в). Бұл кезде пайда болған қорытқы ток (кері ток деп аталынатын) қанығу мәніне тез жетеді (яғни кернеуге  U  тәуелсіз болып) және Ін.емес токқа тең болады. Сонымен  n – аймақтан  р – аймаққа қарай бағытта (кері ток)  р-n  ауысуы, негізгі емес тасымалдаушылар қамтамасыз ететін, әлсіз ток өткізеді. Тек өте үлкен кері кернеуде, ауысудың электрлік тесілуі арқасында, ток күші бірден арта бастайды (10 – суретте сол тармақ). әрбір  р-n ауысуы, оның бүлінбей шыдауға қабілеттілігі болатын, өзінің кері кернеуінің шекті мәнімен сипатталады.

10 – суреттен көрініп тұр, р-n  ауысуы тура бағытқа қарағанда, кері бағытта едәуір үлкен кедергіге ие болады. Бұл былай түсіндіріледі, кристалда пайда болған өріс кері кернеу қосылған кезде, аймақтар арасындағы шекарадан негізгі тасымалдаушыларды кері  «тартып»  алады, бұл тасымалдаушылары кеміген, ауысу қабатының енін ұлғайтады. Осыған сәйкес ауысудың кедергісі де артады.

 

 

 

 

ІІІ ҚОРЫТЫНДЫ

 

Өткізгіштер мен диэлектриктерден басқа, өткізгіштігі олардың аралығында жататын бір топ заттар бар. Бұл заттарды жартылай өткізгіштер деп атайды.  Өткізгіштерден жартылай өткізгіштердің ең басты айырмашылығы, олардың электр өткізгіштігінің температураға тәуелділік сипаты арқылы. Өлшеулердің көрсетуі бойынша бірқатар элементтердің (кремний, германий, селен және басқалар) және қоспалардың (РвS, CdS және басқалар) меншікті кедергісі температура артқан сайын, металдардағы сияқты артпайды, керісінше, төтенше кенет төмендейді.

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің механизмін, оның ішкі құрылысы арқылы түсіндіруге болады. Мысалы, кремний – төрт валенттік элемент. Бұл атомның сыртқы қабатшасында, ядромен әлсіз байланысқан, төрт электрон бар екендігін білдіреді. Кремнийдің әрбір атомының жақын көршілерінің саны да төртке тең. Көрші атомдар жұбының өзара әсерлесуі электрондық жұптар байланысының көмегімен іске асады, мұны коваленттік байланыс деп атайды.

Кремнийдің  электрондық жұптар байланысы жеткілікті түрде берік және төменгі температура кезінде үзілмейді. Сондықтан кремний төменгі температурада электр тогын өткізбейді. Кремнийді қыздырған кезде бөлшектердің кинетикалық энергиясы артады да, жеке байланыстардың үзілуі басталады. Кейбір электрондар өзінің байланыста тұрған кезіндегі орбитасынан ауытқып еркін күйге көшеді. Электр өрісінде олар тордың түйіндерінің арасында қозғалып, электр тогын тудырады.

Жартылай өткізгіштердің, онда еркін электрондарының болуы салдарынан өткізгіштігін, электрондық өткізгіштік   деп   атайды.   Байланыс үзілген кезде электрон жетіспейтін бос орын пайда болады. Оны кемтік деп атайды. Кемтікте, басқа қалыпты байланыстарға салыстырғанда артық оң заряд болады. Кристалда кемтіктердің орны тұрақты болып қалмайды. Атомдардың байланысын қамтамасыз ететін бір электрон, пайда болған кемтікке секіріп көшіп орналасады, ал ол электронның тұрған орнында жаңа кемтік пайда болады. Сонымен, кемтіктер бүкіл кристалл бойымен орын ауыстыруы мүмкін. Электр өрісі болған кезде кемтіктердің реттелген орын ауыстыруы болады, сонымен еркін электрондардың электр тогына, кемтіктердің орын ауыстыруымен байланысты электр тогы қосылады. Кемтіктердің қозғалыс бағыты электрондардың қозғалыс бағытына қарама қарсы. Сонымен, жартылай өткізгіштерде зарядты тасымалдаушылардың екі типі болады:  электрондар және кемтіктер. Демек жартылай өткізгіштер электрондық өткізгіштікпен бірге кемтіктік өткізгіштікке ие болады. Бұл өткізгіштік механизмі таза жартылай өткізгіштер үшін. Мұндай жағдайдағы өткізгіштікті жартылай өткізгіштердің өзіндік өткізгіштігі деп атайды.

Жартылай өткізгіштердің маңызды ерекшелігі, онда қоспалар болғанда, өзіндік өткізгіштікпен бірге қосымша – қоспалық өткізгіштік пайда болады. Қоспалардың концентрациясын өзгерте отырып, оң және теріс таңбалы зарядты тасымалдаушылардың санын едәуір өзгертуге болады. Мысалы, төрт валенттілік элементке бес валенттілік элемент атомдарын ендірсе, онда бір электронның атоммен байланысы нашарлайды. Ол атомнан оңай бөлініп шығып, еркін электронға айналады.

Электрондарын жеңіл беретін, яғни еркін электрондардың санын көбейтетін қоспаларды донорлық қоспалар деп атайды. Донорлық қоспалары бар жартылай өткізгіштер электрондардың көп санына ие болатындықтан, оларды  n- типті жартылай өткізгіштер деп атайды. n- типті жартылай өткізгіштерде электрондар негізгі зарядты тасымалдаушыларға, ал кемтіктер – негізгі емес зарядты тасымалдаушыларға жатады.