ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕР ТУРАЛЫ МАҒЛҰМАТТАР
Электроника — электрмагниттік өрісстері бар зарядталған бөлшектердің өзара әсері туралы және жұмысы қатты денеде, вакуум мен газдарда электр тогын өткізуге негізделген электрондық аспаптар мен құрылғыларды жасау әдістері туралы ғылым. Сәйкесінше, электрондық аспаптар жартылай өткізгіш, электрондық-вакуумдық және газразрядты деп аталады. Қазіргі уақытта электрондық-вакуумдық және газразрядты аспаптар арнайы жағдайларда ғана қолданылады және мұнда қарастырылмайды.
Жартылай өткізгіштер меншікті көлем кедергісі 108—10-6 Ом • м болатын материалдардың ауқымды класын біріктіреді. Si кремний мен Ge германий кең қолданыс тапқан. Жартылай өткізгіш материалдардағы негізгі процестерді олардың идеалды модельдерінің негізінде қарастырайық.
Д.И. Менделеевтің Элементтердің периодтық жүйесінің IV тобындағы идеалды кремний кристалының электрондық құрылымында кез келген атомның төрт валентті электрондарының әрқайсысы төрт атом қосылысының осындай валентті электрондарымен байланысқан жұп (валентті байланыс) түзеді. Егер кремний атомдарына оның электрондық құрылымын бұзуға қабілетті сыртқы энергия көздері, мысалы, жарық, жылулық, әсер етпесе онда барлық атомдар электрлік тұрғыда бейтарап болып табылады. Мұндай идеалды кремний кристалы электр тогын өткізбейді.
Алайда идеалды кремний кристалының электрлік қасиеттері оған басқа химиялық элементтер қоспасын қосқан кезде айтарлықтай өзгереді. Қоспалар ретінде әдетте Периодтық жүйенің не V топтағы (сурьма Sb, фосфор P), не III (галлий Ga, индий In) топтағы элементтері қолданылады.
Фосфор қоспасымен кремний кристалының электрондық құрылымында фосфордың төрт валентті электроны және кремнийдің төрт іргелес атомдарының электрондары төрт байланысқан жұптар түзеді. Фосфордың бесінші валентті электроны артық болады. Сыртқы көздерден болмашы энергия шығындарында артық электрон қоспа атомымен байланысын жоғалтып, бос электронға айналады. Фосфор атомы электронын жоғалтып, жылжымайтын оң ионға айналады. Мұндай жартылай өткізгіш электрондық электр өткізгіштікті жартылай өткізгіш немесе n-типті жартылай өткізгіш деп, ал сәйкес қоспа донорлық деп аталады. 13.1-суретте n-типті идеалды жартылай өткізгіштің шартты кескіні келтірілген, онда жылжымайтын оң ион шеңбердің ішінде плюс белгісімен, ал жылжымалы бос электрон минус белгісімен белгіленген.
Егер қоспа ретінде үш валентті электроны бар индий қолданылса, онда кремний кристалының электрондық құрылымында индий атомының кремнийдің төрт көршілес атомдарымен бір валентті байланысы толық жинақталмайды да, кристалда кемтік пайда болады. Кристалдың тұрақты электрондық құрылымын қалыптастыру үшін қосымша электрон қажет. Индий атомы кремнийдің іргелес атомдарының арасындағы валентті байланыстан бір электрон қамтиды. Бұл ретте индий атомы тұрақты жылжымайтын теріс ионға айналады, ал кемтік қамтылған электронның орналасқан орнына ауысады. Одан әрі қайта пайда болған кемтіктің орнына іргелес валентті байланыстағы электрон ауысып келеді және т.б. Бұл процесті кристалда электрон зарядына тең оң зарядты бос кемтіктердің хаостық қозғалысы ретінде қарастыруға болады. Мұндай жартылай өткізгіш кемтікті электр өткізгіштікті жартылай өткізгіш немесе р-типті жартылай өткізгіш деп, ал сәйкес қоспа акцепторлық деп аталады. 13.2-суретте р-типті идеалды жартылай өткізгіштің шартты кескіні келтірілген.
Жоғарыда қаралған екі процесте электрондар ғана қатысса да, оң зарядты жалған кемтіктерді енгізу әдістемелік тұрғыда қолайлы болмақ.
Бос электрондар мен кемтіктер қоспалары бар жартылай өткізгіштерде ғана емес, сондай-ақ сыртқы көз энергиясы валентті байланысты үзу үшін жеткілікті болған жағдайда қоспасыз идеалды жартылай өткізгіштерде де пайда болады. Кремнийдің электрлік бейтарап атомында бір валентті байланыстың үзілуі 13.3-суретте бейнеленген «электрон – кемтік» жұбының пайда болуына ұқсайды. Бұл процесс генерация деп немесе энергия көзі жылу энергиясы болса термогенерация деп аталады. Сонымен қатар кері процесс – рекомбинация, яғни электрон мен кемтік кезіккен кезде валентті байланыстың қалпына келуі жүреді.
Донорлық, сол сияқты акцепторлық қоспамен идеалды жартылай өткізгіште термогенерацияның арқасында екі белгідегі еркін зарядтар болады. n-типті жартылай өткізгіштер үшін бос электондар негізгі, ал кемтіктер негізгі емес заряд тасушылар деп аталады. р-типті жартылай өткізгіш үшін негізгі заряд тасушылардың қызметін кемтіктер, ал негізгі еместерінің қызметін электрондар атқарады. Одан әрі бұл зарядтарды негізгі және негізгі емес тасушылар деп атаймыз. Негізгі тасушылардың концентрациясы, яғни олардың 1 см3-дегі саны, әдетте негізгі емес тасушылардың концентрациясынан асады.
Егер электр энергиясының сыртқы көзінің көмегімен бір жартылай өткізгіш өзекте кернеулігі ɛ электр өрісін тудыратын болсақ, онда электрондар мен кемтіктердің хаостық (жылулық) қозғалысымен қатар олардың қарсы бағыттардағы реттелген қозғалысы (дрейф) пайда болады, яғни өткізгіштік тогы деп аталатын электр тогы пайда болады:
мұндағы In және Ip— токтың электрон және кемтік құраушылары.
Жартылай өткізгіш атомдарының арасында орташа lор қашықтығын еркін жүріп өту уақыт моментінде зарядтардың жылжымалы тасушылары кинетикалық энергияға ие болады:
Осы энергия электр өрісінің ɛ > 6 МВ/м кернеулігі кезінде жартылай өткізгіштің атомдарын соққымен қозлыру үшін, яғни олардағы валентті байланысты үзіп, «электрон – кемтік» жұбын тудыру үшін жеткілікті. Бұл ретте зарядтың жылжымалы тасушыларының, сәйкесінше жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігінің күрт ұлғаюы орын алады. Сипатталған құбылыс көшкіндік тесіп өту деп аталады. Жартылай өткізгіштің қасиеттері электр тогының кернеулігі азайған кезде қалпына келеді. Осы арқылы көшкіндік тесіп өту жылулық тесіп өтуден өзгешеленеді, ол көшкіндік тесіп өтуден кейін электр өрісінің кернеулігі одан әрі ұлғайған жағдайда туындайды және жартылай өткізгіштің бүлінуіне әкеледі.
Достарыңызбен бөлісу: |
