Лекция - 9,10
Қоспалы жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі қоспалар арқылы орындалатын болса, бұл өткізгіштікті қоспалы өткізгіштік деп, ал жартылай өткізгіштің өзін қоспалы жартылай өткізгіштік деп атайды. Қоспалы өткізгіштік жартылай өткізгіштерге ендірілген қоспалар арқылы немесе түрлі ақаулар арқылы жүзеге асырылады. Қоспа болып басқа элементтің атомы, ақау, бос түйіндер немесе түйіндер арасындағы атомдар есептеледі. Жартылай өткізгіште қоспа болатын болса, онда олар оның өткізгіштігін қатты өзгертіп жібереді. Мысалы кремнийге 0,001% бор атомын ендіретін болсақ, бұл қоспа кремнийдің өткізгіштігін 106 –есе арттырып жібереді.
Жартылай өткізгіштің қоспалы өткізгіштігін қарастыруды кремний (Si) және германий (Ge) арқылы қарастырайық. Бұларға негізгі атомның валенттілігінен бір валенттілікке айырмашылығы бар элемент ендірейік. Мысалы германийдің бір атомын, бес валенттік электроны бар мышьякпен (As) алмастырайық (1а сурет). Бұл кезде мышьяктің бір электроны байланыста болмай қалады. Бұл байланыста болмаған электрон өте оңай атомнан ажыралып еркін электрон болып қалады. Еркін электронның пайда болуы германийде коваленттік байланысты бұзбайды және бұл кезде кемтік пайда болмайды.
а)
б)
D
A
1-сурет 2-сурет
Зоналық теория бойынша жоғарыдағы процесстерді былайша қарастыруға болады (2б-сурет). Жартылай өткізгішке қоспа енгізетін болсақ ол, кристалл решетканың өрісін өзгертеді, нәтижеде тиым салыған зонада қоспа мышьяктың валенттік электрондарының энергетикалық деңгейі D-пайда болады. Бұл деңгей D-ны қоспаның донорлық энергетикалық деңгейі деп атайды. Сонымен негізгі атомның валенттік электронынан бір валенттік электронға артық қоспа жартылай өткізгішті n-типті жартылай өткізгішке айналдырып заряд тасымалдаушылар электрондар болады. Бұл кездгі өткізгіштікті электронды қоспалы өткізгіштік деп атайды, ол жартылай өткізгішті электронды жартылай өткізгіш деп атайды. Электронды қоспалы жартылай өткізгіштің электрон көзі болып, тиым салынған зонада пайда болған донорлық деңгей есептеледі.
Егер жартылай өткізгіш кремнийге (Si) үш валенттік электроны бар борды (В) ендіретін болсақ (2 а-сурет), негізгі атомдармен байланысқа кіру үшін бордың бір валенттік электроны жетіспейді, де бір байланыс бос қалады. Бұл бос қалған байланыс электронды көрші атомнан алуы мүмкін, онда көрші атомда электронның орнында бос орын яғни кемтік пайда болады. Бұл кемтікті оның көрші электроны толтыруы мүмкін, нәтижеде кемтіктің кристалл торда еркін орын ауыстыруын, яғни қозғалысын аламыз. Егер кемтіктің заряды электрон зарядына тең оң заряд екенін есепке алсақ, бұл кезде кемтік оң таңбалы заряд тасымалдаушы болады. Зоналық теория бойынша үш валентті қоспа бор кремнийдің решеткасының өрісін өзгертеді де тиым салынған зонаның төменгі бөлігінде акценторлық (А) энергетикалық деңгей туғызады. Бұл деңгейде электрон болмайды. Бұл акценторлық А-деңгейдің валенттік зонаға жақын орналасуына байланысты, төменгі температуралардың өзінде электрондар валенттік зонадан акценторлық деңгейге өте алады. Бірақ бұл электрондар заряд тасымалдауға қатыса алмайды. Себебі бұлар қоспа бор атомымен күшті байланыста болады. Заряд тасымалдаушылар болып валенттік зонадағы кемтіктер қызмет қылады. Бұл кемтіктер валенттік зонадағы электрондардың акценторлық деңгейге өтуінен пайда болған. Осылайша негізгі атомнан бір валенттік электроны кем қоспа жартылай өткізгіште кемтіктік өткізгіштік туғызады, бұл өткізгіштікті р-типті өткізгштік деп атайды. Кемтіктік өткізгіштікке ие жартылай өткізгішті, кемтікті жартылай өткізгіш деп атайды. Валенттік зонадан электрондарды тартып алатын энергетикалық деңгейлерді акценторлық энергетикалық деңгейлер деп атайды.
Меншікті жартылай өткізгіштерде өткізгіштік бір уақытта электрондармен және кемтіктермен заряд тасымалдау нәтижесінде болатын болса, ал қоспалы жартылай өткізгіштерде заряд тасымалдаушылар тек электрондар болады егер қоспа донор болса, ал қоспа акцентор болса заряд тасымалдаушлар тек кемтіктер болады. Донорлы қоспалы жартылй өткізгіш үшін негізгі заряд тасымалдаушылар электрондар, акценторлы қоспалы жартылай өткізгіш үшін негізгі заряд тасымалдаушылар кемтіктер. Кемтіктер донорлы қоспалы жртылай өткізгіш үшін негізгі болмаған заряд тасымалдаушыларға жатады, ал электрондар акценторлы қоспалы жартылай өткізгіш үшін негізгі болмаған заряд тасымалдаушыларға жатады.
Тиым салынған зонада қоспалардан пайда болған энергетикалық деңгейлер Ферми деңгейінің жағдайын өзгертеді.Есептеулер нәтижелері көрсетеді, Ферми деңгейі n- типті жартылай өткізгіштерде Т=О К температурада өткізгіштік зонамен донорлық деңгей ортасында жатады (3-сурет). Температураны жоғарылатқан сайын донорлық деңгейдегі электрондар өткізгіштік зонаға өте бастайды. Бұл электрондар заряд тасымалдауға қатысады. Бұндай жартылай өткізгішті n- типті жартылай өткізгіштер деп атайды. Ал р-типті жартылай өткізгіштерде Т=О К температурада Ферми деңгейі валенттік зонаның жоғарғы деңгейімен акценторлық деңгей ортасында жатады (4-сурет). Температураны жоғарылатқан сайын валенттік зонаның жоғарғы деңгейіндегі электрондар акценторлық деңгейге өте бастайды да, валенттік зонада кемтіктер артып барады. Нәтижеде бұндай жартылай өткізгіштерде заряд тасымалдаушылар кемтіктер болады, ал жартылай өткізгішті р-типті жартылай өткізгіш деп атайды.
өткізгіш. зона
Е Е
өткізгіш. зона
.
-----------------------
-----------------------D
EF ----------------------- тиым салын.зона Е F -----------------------
тиым салынған зона
А
валенттік зона
валенттік зона
--------------------
О Т
3-сурет 4-сурет
Жартылай –өткізгіштердің өткізгіштігі, заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен және қозғалыштығымен (подвижностью) анықталады. Жартылай өткізгіштің температурасын өзгерткенде заряд тасымалдаушылардың қозғалыштығы салыстырмалы аз өзгереді, ал заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өте күшті экпоненциалдың заңмен өзгереді. Сол себепті қоспалы жартылай өткізгіштің өткізгіштігі негізінен заряд тасымалдаушылардың концентрациясына байланысты болады. 5-суретте -ның -ға байланысты өзгеру графигі келтірілген.
D меншікті
өткізгіштік
қоспалы
өткізгіштік
C B
A
5-сурет
Бұл графиктің АВ бөлігі қоспалы өткізгіштікті сипаттайды, ал оның температура артқанда артуы, заряд тасымалдаушылардың өткізгіштік зонада концентрациясының артуына байланысты. ВС бөлімі қоспалардағы заряд тасымалдаушылардың қалмағанын көрсетеді. СД-бөлігі жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігін сипаттайды.
Достарыңызбен бөлісу: |
