Лекция – 7,8
Меншікті жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі
Жартылай өткізгіштер табиғатта Менделеев жүйесінің ІV, V, VI химиялық элементтері ретінде кездеседі. Мысалы Si, Ge, As, Se, Te және олардың қоспалары ретінде. Жартылай өткізгіштер меншіктері қоспасыз және қоспалы жартылай өткізгіштер болып бөлінеді. Меншікті қоспасыз жартылай өткізгіштер болып химиялық таза жартылай өткізгіштер есептеледі. Олар Si, Ge, InSb, GaAs, Cd және басқалар. Ноль градус Кельвинде, егер басқа сыртқы әсерлер болмаса меншікті жартылай өткізгіш диэлектрик болады, яғни электр тогын өткізбейді. Ал егер меншікті жартылай өткізгіштің температурасын жоғарылататын болсақ валенттік зонаның жоғарғы деңгейінде орналасқан электрондар, өткізгіштік зонаның төменгі деңгейіне көшіп өтеді. (1-сурет).
ІІ өткізгіштік зона
тиым салынған
І валенттік зона
сурет
Осындай меншікті жартылай өткізгішке электр өрісін қойатын болсақ көшіп өткен
электрондар электр өрісіне қарсы қозғалысқа келеді, яғни электр тогы пайда болады. Осылайша өткізгіштік зона заряд тасымалдауға қатысады. Меншікті жартылай өткізгіштің өткізгіштік зонасында электрондардың заряд тасымалдауын электрондық өткізгіштік немесе n-типті өткізгіштік деп атайды. Жылулық әсері нәтижесінде валенттік зонадан өткізгіштік зонаға электронның көшіп өтуі нәтижесінде валенттік зонада бос орын пайда болады. Бұл бос орынды кемтік деп атайды. Электр өрісі әсері нәтижесінде бос орынға (кемтікке) көрші электрон өтеді. Осылайша кемтіктердің бағытталған қозғалысы пайда болады. Бұл бағытталған қозғалыс электрондардың қозғалыс бағытына қарама-қарсы болады. Бос орынның, яғни кемтіктің заряды электрон зарядына тең, ал таңбасы қарама-қарс. Меншікті жартылай өткізгіштің бағытталған кемтіктер қозғалысынан пайда болған өткізгіштігін, кемтіктік өткізгіштік немесе р-типті өткізгіштік деп атайды. Сонымен меншікті жартылай өткізгіште өткізгіштіктің екі механизмін көруге болады, яғни электронды және кемтікті.
Өткізгіштік зонадағы электрондрдың саны, валенттік зонадағы кемтіктердің санына тең болады, яғни ne=np (1), мұнда ne- электрондардың саны, np- кемтіктердің саны.
Жартылай өткізгіштердің өткізгштігі барлық уақытта қоздырылған өткізгіштік болады. Қоздырушы фактор болып температура, жоғары электр өрісі немесе сәулелендіру есептеледі.
Меншікті жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі тиым салынған зонаның ортасында орналасқан болады. (2-сурет).
өткізгіштік зона
Е2
ЕF -------------------------- тиым салынған зона
Е1
валенттік зона
2- сурет
Валенттік зонаның жоғарғы деңгейінде орналасқан электронды, өткізгіштік зонаның төменгі деңгейіне өткізу үшін электронға қоздыру энергиясы жұмсалады. Ол қоздыру энергиясының мәні тиым салынған зонаның энергетикалық мәніне -ге тең, не одан көп болуы керек. Жоғарыда айтылғандай электрон өткізгіштік зонаға өткен кезде валенттік зонада кемтік пайда болады. Сол себепті қоздыру энергиясы тең екі бөлікке бөлінуі керек. Олай болса меншікті жартылай өткізгіштің тиым салынған зонасының ортасында орналасқан Ферми деңгейінің энергиясы бір уақытта электронды және кемтікті қоздыруға керек энергия екен.
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштік зонасындағы электрондардың концентрациясы мына теңдеумен анықталды:
(2), мұнда С1- тұрақты шама, ол температураға және электронның эффектив массасына байланысты болады. Е2- өткізгіштік зонаның төменгі деңгейіне тура келетін энергия, ЕF – Ферми деңгейінің энергиясы, Т-термодинамикалық температура. Валенттік зонадағы кемтіктердің концентрациясын мына теңдеумен анықтайды: (3), мұнда С2 –тұрақты шама, ол температураға және кемтіктің эффектив массасына байланысты болады. Е1- валенттік зонаның жоғарғы деңгейіне сай келетін энергия. Меншікті жартылай өткізгіштерде болады. Онда (4), екені келіп шығады. Егер электрондар және кемтіктердің эффектив массасы mp=mn, болса, онда С1=C2 болып, бұдан
– (Е2-ЕF)=E1-EF болып, онда келіп шығады. Бұл дегеніміз меншікті жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі шынында да тиым салынған зонаның ортасында жатады. Меншікті жартылай өткізгіштерде болуына байланысты Ферми-Дирик теңдеуі = (5), мұнда Еі – энергияның кванттық күйі, -химиялық потенциал. Максвелл-Больцман теңдеуіне айналады (6) теңдеуге мәнін қойсақ, онда Максвелл Больцман теңдеуі (7) болады.
- өткізгіштік зонаға өткен электрондардың, сонымен бірге пайда болған кемтіктердің санына тәуелді болады. Сонымен меншікті –жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі тең болады: (8),мұнда тұрақты шама, ол жартылай өткізгішке байланысты.
Температураны арттырумен жартылай өткізгіштің өткізгіштігінің артуы тек жартылай өткізгіштерге тән қасиет. Мысалы металдарда температура артуымен оның өткізгіштігі кемиді. Жартылай өткізгіштердің температура артуымен өткізгіштігінің артуын зоналық теория бойынша былайша түсіндіруге болады, яғни температура артқанда валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өткен электрондардың саны артып барады да, бұл электрондар заряд тасымалдауға қатысады, нәтижеде жартылай өткізгіштің өткізгіштігі артады.
Егер ln -ның байланысты графигін қарастыратын болсақ меншікті жартылай өткізгіштер үшін 1-суретте көрсетілгендей түзу сызық болады. Осы түзу сызықтың бұрышы арқылы -ні анықтауға болады. Түзу сызықтың ln -мен қилысатын жері ln - береді.
ln
ln
Жартылай өткізгіштерде электрондар мен кемтіктердің генерациясынан (пайда болуынан) басқа электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясы (жойылуы) болуы мүмкін. Оның себебі болып кейбір электрондар өткізгіштік зонадан валенттік зонаға өзінен энергия шығаруы нәтижесінде қайтып түседі. Нәтижеде белгілі бір температурада валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өткен электрондар мен өткізгштік зонадан валенттік зонаға қайтып түскен электрондр арасында тепе-теңдік орнайды. Бұл кездегі электрондар саны (7) теңдеумен анықталады.
Достарыңызбен бөлісу: |
