Лекция 1,2 Қатты денелердің зоналар теориясы

Түйісу құбылысының негізінде электр өрісінде, жартылай өткізгіште болатын физикалық процесстер жатыр. Бұл құбылысты түсіну үшін жартылай өткізгіштің сыртқы электр өрісінде болғанда пайда болатын қасиеттерін білу керек. Осы мақсатта біртекті электр өрісінде орналасқан электронды жартылай өткізгішті қарастырайық. (1-сурет). Жартылай өткізгіште электр өрісі болмаған кезде көлемдік заряд нөлге тең, ал электр өрісі болған кезде жартылай өткізгіште заряд тасымалдаушылар екіге ажыралады, нәтижеде онда көлемдік заряд пайда болады. Көлемдік заряд, тығыздығы ал электр өрісінің тығыздығы Е(r), болады. Заряд тасымалдаушылардың таралуы көлемдік зарядқа байланысты болады да, зарядтың таралуы жартылай өткізгіштің сыртқы бетінде өзгереді. Көлемдік заряд сыртқы электр өрісін жартылай өткізгіштің ішіне енуіне кедергі жасайды. Сол себепті сыртқы өріс жартылай өткізгіштің сыртқы бетіне әсер етеді.

Сыртқы электр өрісі 1-суретте көрсетілгендей қосылатын болса, онда жартылай өткізгіштің сыртқы бетінде электрондардың концентрациясы жоғары болады (2 а-сурет) және теріс көлемдік заряз пайда болады (2 б-сурет). Электрондардың артық концентрациясы, яғни көлемдік заряд сыртқы беттен ішке қарай ара-қашықтықты арттыратын болсақ кемиді. Теріс көлемдік заряд Е электр өрісін туғызады. Оның мәні сыртқы бетте максимал болады. (2 в-сурет). Бұл электр өрісі электрондардың потенциал энергиясын өзгертеді (2 г-сурет). Оның шамасы тең болады U(r)=-e , мұнда түйісу өрісінің электростатикалық потенциалы (2д-сурет).

3- сурет

Нәтижеде электр өрісі зонаның төменге қарай иілуіне алып келеді (2е-сурет).
, (1)
Бұл кезде барлық энергетикалық деңгейлер иіледі, сонымен бірге қоспаның энергетикалық деңгейде иіледі.
Жартылай өткізгіш термодинамикалық тепе-теңдікте болуына байланысты, Ферми деңгейі тұрақты болады (2е-сурет). Сол себепті Ферми деңгейімен, рұқсат етілген зона арасындағы ара-қашықтық өзгереді. Бұл арақашықтық электр өрісі болмағанда тең болады:
және (2), ал электр өрісі болған кезде және (3).
Егер (2) және (3) теңдеулерді салыстыратын болсақ Е_с және F арасындағы арақашықтық U(r)- кемитін болса, онда F және арасындағы арақашықтық дәл осындай шамаға артады.
Ал қойылған өрістің бағытын өзгертетін болсақ электронды жартылай өткізгіштің сыртқы бетіндегі электрондардың концентрациясы кем болады, ал кемтіктердің концентрациясы көп болады, жартылай өткізгіштің көлеміне салыстырғанда (3а-сурет). Ал көлемдік заряд (3б-сурет) және потенциал энергияның өзгерісі (3 г-сурет) таңбасы бойынша оң болады. Бұл жағдайда 3е –суретте көрсетілгендей сыртқы қабатында заряд тасымалдаушылардың таңбасы өзгереді, яғни электронды жартылай өткізгіш, кемтікті жартылай өткізгішке айналады. Бұндай жартылай өткізгіште сыртқы қабаттан белгілі бір қашықтықта өздік электр өткізгіштік қабат пайда болады, яғни і-қабат болады
(3 е-сурет) онда Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның ортасында жатады. Бірақ бұл қабат жойылады егер электр өрісін алып тастайтын болсақ. Сонымен жартылай өткізгішті электр өрісіне ендіретін болсақ жартылай өткізгіштің сыртқы қабатында зоналардың энергиялық деңгейі иіледі және электрондар мен кемтіктердің концентрациясы өзгереді. Егер болса зона жоғары қарай иіледі және кемтіктердің концентрациясы артады (3е-сурет). Бұл жағдайда n-типті жартылай өткізгіштің сыртқы бетінде негізгі болмаған заряд тасымалдаушылармен қанығады, ал р-типті жартылай өткізгіштің сыртқы беті негізгі заряд тасымалдаушылармен қанығады.