Зіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

Ө зіндік жартылай ө ткізгіштердің электр ө ткізгіштік механизмін германийдің немесе кремнийдің монокристалының мысалында қ арастыру қ олайлы, оның қ ұ рылымының сұ лбасы (бір жазық тық та) 15 – суретте бейнеленген. Себебі ө те кең қ олданылатын жартылай ө ткізгіштер Ge жә не Sі

15 - сур.

сыртқ ы электрондық қ абатта тө рт электроны болады, яғ ни олардың валенттілігі тө ртке тең. Мұ ндай элементтердің кристалдық торында (алмаз типті тор деп аталынатын) германийдің Ge немесе кремнийдің Sі ә рбір атомы, бірдей қ ашық тық та орналасқ ан, кө рші тө рт атоммен қ оршалғ ан.

Атомның ең орнық ты кү йі, оның сыртқ ы электрондық қ абатында сегіз электрог тұ рғ ан кезде екендігі белгілі. Сондық тан Ge жә не Sі атомдары электрондық қ абаттарды сегіз электронғ а дейін толтырып, кө рші атомдармен жалпы электрондық жұ п қ ұ райды (коваленттік байланыс).

Ә рбір екі кө рші атомдар екі ортақ электрондары (электрондық жұ п) болады. Сонымен, ә рбір атом сыртқ ы қ абатында сегіз электроннан болады, олар бір мезгілде кө рші атомдарғ а да жатады (15-сур.). Алмаз типті торды шартты тү рде жазық етіп бейнелеуге болады, ө йткені мұ нда да ә рбір атом кө рші тө рт атоммен қ оршалғ ан. Тө менгі температурада жартылай ө ткізгіштің кристалында барлық электрондар атомдармен байланысқ ан жә не еркін электрондары жоқ, яғ ни кристалл диэлектрик болып саналады. Жартылай ө ткізгіштің температурасын кө терген кезде кейбір электрондар атомнан бө лініп, жылжымалы кү йге тү сіп, оғ ан кернеу тү сіргенде, кристалда ток жасайды.

Бө лме температурасының ө зінде жартылай ө ткізгіш кристалында жылжымалы электрондардың біраз сандары болады жә не температураның артуына байланысты олардың саны тез кө бейеді. Германий Ge жағ дайында, кремнийге Si қ арағ анда, атомнан электронды жұ лып алу ү шін энергия аз жұ мсалады. Сондық тан таза германийдің Ge кедергісі, кремнийдікіне Si қ арағ анда едә уір аз (ρ _Ge ≈ 0, 5 Ом.м, ал ρ _Si ≈ 2 ∙ 10³ Ом.м).

Атомнан электронды бө ліп шығ арғ ан кезде атомның қ абатшасында бос орын пайда болады, ол орынды «кемтік» деп атайды. Ортақ электрондары бар кө рші атомдар, электрондармен ү немі алмасып тұ ратындық тан, бұ л кемтік басқ а электронмен толтырылуы мү мкін жә не бұ л кезде енді басқ а атомда бір электрон жетпей тұ рады. Электрон ү зіліп шық қ анғ а дейін атом электрлік нейтраль болғ андық тан, онда электронның жетіспеуі атомғ а оң заряд береді. Сондық тан, электронның бос орны – кемтіктің зарядын оң деп санайды. Бұ л бос орын – кемтік – кристалл кө лемінде ү немі жә не тынымсыз орын ауыстыруда болады, бұ л заряды сандық жағ ынан электрон зарядына тең оң зарядтық осылай ауысып отырумен бірдей болады.

Сонымен, бос электрондар жә не кемтіктер кристалл бойынша, қ андай да бір еркін электрон атом қ абатшасындағ ы кемтікпен кездескенше, ретсіз орын ауысып отырады (бос орынғ а тап болғ анша). Бұ л кезде қ озғ алыстағ ы екі зарядты тасымалдаушылар жоқ болады: бос электрон жә не кемтік, яғ ни рекомбинация жү реді.

Ә рбір белгілі-бір температурада жұ птың пайда болуының «электрон-кемтік» (генерация) жә не олардың жойылуының (рекомбинация) аралығ ында динамикалық тепе-тең дік орнайды. Неғ ұ рлым температура жоғ ары болғ ан сайын, солғ ұ рлым «электрон – кемтік» жұ птары пайда болып, жартылай ө ткізгіш кристалында олардың бір мезгілде болуының саны артады.

Егер осындай кристалды электр тізбегіне қ осса, онда оның ішінде электрондар, теріс полюстен оң полюске қ арай реттеліп қ озғ ала бастайтын болады. Ө рістің ә серінен байланысқ ан электрондар да кө бінесе ө рістің кү ш сызық тары бойымен кө рші атомдардан бос орындарғ а кө ше бастайды, ал бос орындар (кемтіктер) осы сызық тардың бойымен қ арсы жақ қ а қ арай орын ауыстыра бастайды.

Сонымен, ө рістің ә серінен кемтіктер де оң зарядты алып жү ре отырып реттелген қ озғ алысқ а тү седі. Шын мә нінде, бір жақ қ а тек бос электрондар мен байланысқ ан (валенттілік) электрондар орын ауыстыратындық тан, бос электрондарды бір жақ қ а қ арай, ал оң зарядты тасымалдаушы кемтіктерді екінші жақ қ а қ арай қ озғ алады деп санауғ а болады.

Бос электрон кемтікпен кездескенде олар рекомбинацияланады, сө йтіп олардың қ озғ алысы тоқ талады. Бос электрон мен кемтіктің рекомбинацияғ а дейінгі орташа еркін жол жү ру ұ зындығ ы ө те аз (0, 1 мм-ден артық емес). Тынымсыз жылулық генерация жаң адан «электрон – кемтік» жұ бының пайда болуына алып келеді, олар қ айтадан зарядты тасымалдай бастайды. Сонымен, электр ө рісінің ә серінен кристалда еркін зарядты тасымалдаушылардың ү здіксіз реттелген қ озғ алысы жү реді, яғ ни ток ағ ады. Мұ ндай ө ткізгіштік ө зіндік жартылай ө ткізгіштің ө ткізгіштігі деп аталынады.

Зоналық теория бойынша ө зіндік жартылай ө ткізгіштің ө ткізгіштігі валенттік зонаның жоғ ары дең гейлерінен электрондардың ө ткізгіштік зонағ а ауысуынан пайда болады. Бұ л кезде ө ткізгіштік зонада ток тасымалдаушылардың бірнеше саны – зонаның тү біне жақ ын дең гейлерде орналасқ ан, электрондар пайда болады; валенттік зонаның жоғ ары дең гейлерінде бір мезгілде осынша саны бар бос орындар пайда болады, осының нә тижесінде кемтіктер пайда болады. Керісінше рекомбинация процесіне электронның ө ткізгіштік зонадан валенттік зонаның бір бос дең гейіне ауысуы сә йкес келеді.

Жеткілікті жоғ ары температурада ө зіндік жартылай ө ткізгіштің ө ткізгіштігі барлық жартылай ө ткізгіштердің тү рлерінде байқ алады. Алайда, қ оспасы бар жартылай ө ткізгіштерде, электр ө ткізгіштік ө зіндік жә не қ оспалы ө ткізгіштіктердің қ осындысынан тұ рады.