Оспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі

Егер балқытылған таза германийге немесе кремнийге Менделеев кестесіндегі үшінші топтың элементтерінің атомдарының (Іn, Al, Ga, B және басқалар) аздаған мөлшерде қосса, мысалы Іn, онда қатайғаннан кейін Іn атомдары кристалдық тордың кейбір түйіндерінен орын алып, кристалдық құрамына енеді. In атомдары кристалда төрт көрші Ge атомдарымен ортақ электрондық жұп құрайды. Алайда индий Іn атомында сыртқы электрондық қабатта үш қана электрон болғандықтан, сегіз электроннан тұратын орнықты қабат құру үшін, оған бір ортақ электрон жетіспейді. Іn атомы жетіспейтін электронды көрші германийдің Ge атомынан қамтып алуы мүмкін. Сонда ол теріс зарядталады да, ал қандай да бір орында жылжымалы кемтік пайда болады.

Кристалл электронейтраль болып қала береді, бірақ ондағы теріс зарядталған In атомдары тормен байланысқан (локалданылған), ал оң зарядталған кемтіктер электр тогына қатысуы мүмкін (16-сур.). Мұндай

16 - сур.

кристалдың өткізгіштігі негізінен кемтік болады, өйткені кристалда пайда болған кемтіктердің саны, аздаған қоспаны ендіргеннің өзінде (10^-4 – 10^-6 %), қоспасыз жартылай өткізгіштегі «электрон-кемтік» жұбының санынан едәуір көп болады.

Егер жартылай өткізгіште атомдары электрондарды қамтып алатын, Менделеев кестесіндегі ІІ топтағы элементтердің қоспасы болса, онда мұндай қоспаны р-типті қоспа деп атайды («позитив» - оң деген сөз) немесе акцепторлық (аламан) қоспа, ал кристалл р-типті жартылай өткізгіш деп аталынады.

р- типті жартылай өткізгіштерде негізгі электр өткізгіштіктің рөлін – жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары – кемтіктер атқарады.

Германий торына Менделеев кестесінің V тобының атомдарын ендірсе (As, Sв, Р және басқалар), мысалы мышьякты Аs, сыртқы қабатшадағы төрт электрон (қоспа атомының сыртқы қабатшасындағы бес электрондардың төртеуі) көрші төрт германий Ge атомдарымен ортақ электрондық жұптар құрады, және де әрбір атомда, соның ішінде мышьяк As атомында да, ортақ электрондардың арқасында сыртқы электрондық қабат орнықты болатын санға жетеді (сегіз электрон). Мышьяк As атомының бесінші сыртқы электроны «артық» болып қалады. Ол, басқа электрондарға қарағанда ядромен нашарырақ байланысқан, және де оны аздаған энергия шығындап, атомнан бөліп бос электронға айналдыруға болады. Бұл кезде мышьяк As атомы оң зарядталады (иондалады).

Сонымен, германий кристалының торына V топтың атомдарын ендірген кезде тордың түйіндерінде оң зарядталған «қозғалмайтын» қоспаның иондары және еркін электрондар пайда болады (17-сур.). Мұндай жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі негізінен электрондық болады. Бұл жағдайда

кристалды n-типті жартылай өткізгіш деп атайды («негатив» - теріс деген сөз), ал қоспаны n-типті қоспа немесе донорлық (беремен) деп атайды.

n- типті жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігіне негізінен электрондар роль атқарады, өйткені онда тынымсыз «электрон-кемтік» жұбының жылулық

17 - сур.

генерациясы жүріп жатқанымен (таза жартылай өткізгіштегі сияқты), n-қоспадағы иондалу кезіндегі алынған бос электрондардың саны (жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары) едәуір көп болады. Оның үстіне n-типті жартылай өткізгіште кемтіктер, таза жартылай өткізгішке қарағанда азырақ, өйткені мұнда таза жартылай өткізгішке салыстырғанда, кемтіктердің электрондармен кездесу ықтималдығы жоғары (электрондар саны өте көп) және рекомбинация жігерлі өтеді.

Жартылай өткізгіш кристалында қоспаның атомдарын иондау үшін, жартылай өткізгіштің өзінің атомдарын иондау үшін қажет энергиядан да аз, энергия шығыны жұмсау жеткілікті. Сондықтан, температура көтерілген кездегі қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің өзгерісін бақылау көңіл аударарлық. Қоспасы жартылай өткізгіштің кристалының температурасы абсолют нольге жақын жерде диэлектрик болып келеді, өйткені мұндай жағдайда оның атомдарының электрондарының энергиясы минимал болады.

Төменгі температурада n-типті қоспаның атомдарына жататын электрондардың энергиясы, олар атомдардан бөлініп еркін болу үшін жеткіліксіз, ал р-типті қоспа атомдары электрондарды қамтып алмайды, себебі мұндай қамтып алу электрондар энергиясының артуымен қоса жүреді. «Электрон-кемтік» жұбының пайда болу үшін мұнан да үлкен энергия керек болғандықтан, мұндай жұптардың генерациясы тіптен жүрмейді, яғни жартылай өткізгіштердің өзіндік өткізгіштігі нольге тең.

Температураны біртіндеп көтерген кезде, n-типті қоспаның атомдарынан бөлінуге мүмкін болатын немесе р-типті қоспаның атомдары қамтып алатын жеке электрондар пайда болады, яғни температура артқан сайын, қоспаның барлық атомдары иондалып біткенше, тез өсетін электр өткізгіштік пайда болады. Басқаша айтқанда, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы қоспаның атомдарының концентрациясына тең болғанша, бұл практика жүзінде 0⁰ С-де алынады. Мұндай жағдайларда «электрон-кемтік» жұптары аздаған мөлшерде пайда болғанымен, олар өткізгіштікке мәнді әсер ете алмайды.

Сондықтан, қоспасы жартылай өткізгіштерді қыздырған кезде, металдардағы сияқты, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы орташа температура интервалында, өзгермей қалады деп санауға болады. Бұл кезде қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі, металдардың өткізгіштігі сияқты, нашарлайды, өйткені өрістің әсерінен еркін зарядты тасымалдаушылардың реттелген ағынының, тордың жылулық тербелістерінің әсерінен шашырауының күшеюі есебінен, қозғалғыштығы азаяды.

Алайда жеткілікті жоғары температурада жартылай өткізгіштің өзіндік өткізгіштігі, «электрон-кемтік» жұптарының өте көп санының генерациялануы салдарынан сондай артып, енді оны қыздырған кезде еркін зарядты тасымалдаушылар концентрациясы тұрақты қалады деп санауға болмайды. Демек, қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі кенет өседі. Көп жағдайда қоспасы жартылай өткізгіштердің кедергісінің төмендеуі, қыздыру кезінде 100 – 200⁰ С-де басталады.

Жартылай өткізгіштің кристалына бір мезгілде акцепторлық және донорлық қоспа ендірсе, егер акцепторлық қоспа артық болса, онда кристалл р-типті, ал донорлық қоспа артық болса n-типті болып шығады. Мынадай жағдайда да болуы мүмкін, р-типті және n-типті қоспалар бірін-бір теңгеретіндей шамада ендірілген. Сонда, n-типті қоспаның атомдары иондалу кезінде пайда болған бос электрондар, р-типті қоспаның атомдары қамтып алып, «қозғалмайтын» n-типті атомның оң заряды, және р-типті атомның теріс заряды алынады, ал кристалдағы еркін зарядты тасымалдаушылар, қоспасыз жартылай өткізгіштегімен бірдей болады. Бұл құбылысты компенсация деп атайды. Мұндай жартылай өткізгіштің өткізгіштігі, қоспасыздығыдай аз болады.

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 (18-сур.,а), ал р-типті жартылай өткізгіш жағдайында акцепторлық деп аталады (18-сур.,б).

18 - сур.

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.

4.3. 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 (19-сур.,а).

19 – сур.

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

20 – сур.

төмен болуы. Валенттік зонаның төменгі шекарасы электронның потенциалдық энергиясына Е_рэ, ауысуға перпендикуляр бағытта жол береді (21-сур.,а). Кемтіктің заряды электронның зарядына қарама-қарсы, сондықтан олардың потенциалдық энергиясы Е_рк, Е_рэ-нің аз жерінде көп болады және керісінше (20-сур.,а).

21 – сур.

Тепе-теңдік күйінде негізгі тасымалдаушылардың кейбір мөлшері потенциалдық бөгеттен өтіп кете алады, осының салдарынан ауысу арқылы аздаған ток І_нег. жүреді (21-сур.,а). Бұл ток негізгі емес тасымалдаушылардың қарама-қарсы І_н.емес тогымен компенсацияланады. І_н.емес шамасы секунд сайын пайда болып жатқан негізгі емес тасымалдаушылардың санымен анықталады және потенциалдық бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді болмайды. Керісінше, І_нег шамасы бөгеттің биіктігіне күшті тәуелді. Тепе-теңдік потенциалдық бөгеттің, екі І_нег және І_н.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 Е_рк артады, Е_рэ кемиді) және n-

Аймақтағы потенциалдың төмендеуіне (яғни Е_рк кемиді, Е_рэ артады) алып келеді (21-сур.,б). Мұның нәтижесінде потенциалдық бөгеттің биіктігі кішірейеді де І_нег ток өседі. Ал ток І_н.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

22 – сур.

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 (22 – 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 І_нег 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 І_н.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 (22 – суретте сол тармақ). әрбір р-n ауысуы, оның бүлінбей шыдауға қабілеттілігі болатын, өзінің кері кернеуінің шекті мәнімен сипатталады.

22 – 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.

5. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІК ҚҰРАЛДАР