Жартылай өткізгіштердегі электр тогы

Жартылай өткiзгiштер деп өткiзгiштiгi жағынан электр тогын жақсы өткiзетiн заттар мен (өткiзгiштер) электр тогын өткiзбейтiн заттар (диэлектриктер) арасында жататын заттарды айтады.

Егер ешқандай қоспасы болмайтын идеал жартылай өткiзгiштiң электр тогын өткiзуi оның меншiктi электр өткiзгiштiгiмен анықталады.

Жартылай өткiзгiш кристалындағы атомдар сыртқы электрондық қабықшадағы электрондар арқылы байланысады. Атомдардың жылулық тербелiсi кезiнде жылулық энергия байланысты құрайтын электрондар арасында бiртексiз таралады. Соның нәтижесiнде кейбiр электрондар өз атомының байланысын үзiп, кристалда еркiн орын ауыстыратындай жылулық энергия мөлшерiн алады, яғни электр тогын тасымалдаушыларға айналады (басқаша айтқанда олар өткiзгiштiк зонаға өтедi). Электронның осылай кетуi атомның электрлiк бейтараптығын бұзады және атомда заряды кеткен электрон зарядына тең оң заряд пайда болады. Осы электроны жетiспейтiн бос орын кемтiк деп аталады.

Егер жартылай өткiзгiштiң атомының орнына сыртқы электрондық қабатта бiр электроны артық қоспа атомын орналастырғанда, бұл электрон кристалдағы атомаралық байланысқа қатыспайды және өз атомымен нашар байланысады. Осы электрон аз энергияның өзiнде өз атомынан босап, еркiн электронға айналады. Осындай қоспаларды донорлық қоспалар, яғни электрон «беретiн қоспаларң деп аталады. Қоспа атомы оң зарядталады және бұл жағдайда кемтiк пайда болмайды. Бұл оң заряд өз атомымен байланысқандықтан электр өткiзгiштiк процесiне қатыспайды.

Кемтiктердiң қозғалысы - бұл электрондардың бiр байланыстан көршi екiншi байланысқа көшуi болып табылады. Осындай қоспалар электрон «алатынң акцепторлық қоспалар деп аталады.

Кристалдағы қоспалардың мөлшерi артқанда оның өткiзгiштiгi электрондық немесе кемтiктiк сипат алады. Negativ (терiс) деген латын сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес электрондық өткiзгiштiгi n-типтi өткiзгiштiк, positiv (оң) сөзiнiң бiрiншi әрiпiне сәйкес кемтiктiк өткiзгiштiктi p-типтi өткiзгiштiк деп аталады.

Техникада қолданылған алғашқы жартылай өткiзгiштiк материал селен болды. Қазiргi уақытта жиi қолданылатын материалдар кремний, германий, селен болып табылады. Бұл заттар элементар жартылай өткiзгiштерге, яғни Менделеев периодтық кестесінің элементiне жататын жартылай өткiзгiштерге жатады.

Германий, кремний және селенмен қатар қазiргi кезде Менделеев таблицасындағы ІІІ және V, ІІ және ІV, ІІ және VІ топтардың элементтерiнен алынатын күрделi жартылай өткiзгiштiк қоспалар қолданылады. Мысалы, галий мен мышьяктың (галий арсенидi), галиймен фосфор, сынап пен теллурдың қоспалары және т.б.. Жартылай өткiзгiшке енгiзетiн қоспа түрiнде бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьма және жартылай өткiзгiшке қажеттi қасиеттер беретiн басқа да элементтер қосады.

Жартылай өткiзгiштердiң зоналық теориясы

Заттардағы электрондар атом ядроларына қатысты тек энергиялары белгiлi мәндердi қабылдайтын және осы энергиялардың ешқандай аралық мәнiн қабылдамайтындай күйлерде болады. Әрбiр электронға басқа электрондардың энергиялық деңгейлерiнен бөлек энергиялық деңгейлердiң тек белгiлi бiр мәндері сәйкес келедi. Бұл энергияның деңгейлерi рұқсат етiлген деңгейлер деп аталады. Рұқсат етiлген деңгейдiң жиынтығы облыстарды немесе зоналарды құрайды және бұл зоналар бiр-бiрiнен электрон қабылдай алмайтын энергия деңгейлерiнен тұратын облыстармен бөлiнген. Бұл облыстар тыйым салынған зоналар деп аталады. Абсолют ноль температурада жартылай өткiзгiштердегi барлық электрондар энергиясы ең төмен зонада орналасады және бұл зонадағы барлық энергиялық деңгейлер электрондармен толтырылады.

Бұл зона валенттiлiк зона деп аталады. Валенттiлiк зонадан жоғары орналасқан зона өткiзгiштiк зона деп аталады. Барлық металл емес заттарда абсолют ноль температурада өткiзгiштiк зонада бiрде-бiр электрон болмайды. Металдарда валенттiлiк зона мен өткiзгiштiк зоналар қабаттасады. Электронның валенттiлiк зонадан өткiзгiштiк зонаға өтуiне қажеттiэнергия тыйым салынған зонаның енi ( Е₀) деп аталады.

Жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi негiзгi электрондық (n-типтi) немесе кемтiктiк (p-типтi) болады.

Электронды өткiзгiштiк электрондардың өткiзгiштiк зонада қозғалысынан пайда болады, ал кемтiктiк өткiзгiштiк электронның валенттiлiк зонада электрон жетiспейтiн атомдардың бiрiнен екiншiсiне қозғалысынан пайда болады. Электронның валенттiлiк зонадағы қозғалысынан оң зарядтың (кемтiктiң) электрон қозғалыс бағытына қарсы бағыттағы қозғалысымен ауыстыруға болады. Бұл оң заряд шарты кемтiк деп аталады.