Оспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі

Егер балқ ытылғ ан таза германийге немесе кремнийге Менделеев кестесіндегі ү шінші топтың элементтерінің атомдарының (Іn, Al, Ga, B жә не басқ алар) аздағ ан мө лшерде қ осса, мысалы Іn, онда қ атайғ аннан кейін Іn атомдары кристалдық тордың кейбір тү йіндерінен орын алып, кристалдық қ ұ рамына енеді. In атомдары кристалда тө рт кө рші Ge атомдарымен ортақ электрондық жұ п қ ұ райды. Алайда индий Іn атомында сыртқ ы электрондық қ абатта ү ш қ ана электрон болғ андық тан, сегіз электроннан тұ ратын орнық ты қ абат қ ұ ру ү шін, оғ ан бір ортақ электрон жетіспейді. Іn атомы жетіспейтін электронды кө рші германийдің Ge атомынан қ амтып алуы мү мкін. Сонда ол теріс зарядталады да, ал қ андай да бір орында жылжымалы кемтік пайда болады.

Кристалл электронейтраль болып қ ала береді, бірақ ондағ ы теріс зарядталғ ан In атомдары тормен байланысқ ан (локалданылғ ан), ал оң зарядталғ ан кемтіктер электр тогына қ атысуы мү мкін (16-сур.). Мұ ндай

16 - сур.

кристалдың ө ткізгіштігі негізінен кемтік болады, ө йткені кристалда пайда болғ ан кемтіктердің саны, аздағ ан қ оспаны ендіргеннің ө зінде (10^-4 – 10^-6 %), қ оспасыз жартылай ө ткізгіштегі «электрон-кемтік» жұ бының санынан едә уір кө п болады.

Егер жартылай ө ткізгіште атомдары электрондарды қ амтып алатын, Менделеев кестесіндегі ІІ топтағ ы элементтердің қ оспасы болса, онда мұ ндай қ оспаны р-типті қ оспа деп атайды («позитив» - оң деген сө з) немесе акцепторлық (аламан) қ оспа, ал кристалл р-типті жартылай ө ткізгіш деп аталынады.

р- типті жартылай ө ткізгіштерде негізгі электр ө ткізгіштіктің рө лін – жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары – кемтіктер атқ арады.

Германий торына Менделеев кестесінің V тобының атомдарын ендірсе (As, Sв, Р жә не басқ алар), мысалы мышьякты Аs, сыртқ ы қ абатшадағ ы тө рт электрон (қ оспа атомының сыртқ ы қ абатшасындағ ы бес электрондардың тө ртеуі) кө рші тө рт германий Ge атомдарымен ортақ электрондық жұ птар қ ұ рады, жә не де ә рбір атомда, соның ішінде мышьяк As атомында да, ортақ электрондардың арқ асында сыртқ ы электрондық қ абат орнық ты болатын санғ а жетеді (сегіз электрон). Мышьяк As атомының бесінші сыртқ ы электроны «артық» болып қ алады. Ол, басқ а электрондарғ а қ арағ анда ядромен нашарырақ байланысқ ан, жә не де оны аздағ ан энергия шығ ындап, атомнан бө ліп бос электронғ а айналдыруғ а болады. Бұ л кезде мышьяк As атомы оң зарядталады (иондалады).

Сонымен, германий кристалының торына V топтың атомдарын ендірген кезде тордың тү йіндерінде оң зарядталғ ан «қ озғ алмайтын» қ оспаның иондары жә не еркін электрондар пайда болады (17-сур.). Мұ ндай жартылай ө ткізгіштердің ө ткізгіштігі негізінен электрондық болады. Бұ л жағ дайда

кристалды n-типті жартылай ө ткізгіш деп атайды («негатив» - теріс деген сө з), ал қ оспаны n-типті қ оспа немесе донорлық (беремен) деп атайды.

n- типті жартылай ө ткізгіштің электр ө ткізгіштігіне негізінен электрондар роль атқ арады, ө йткені онда тынымсыз «электрон-кемтік» жұ бының жылулық

17 - сур.

генерациясы жү ріп жатқ анымен (таза жартылай ө ткізгіштегі сияқ ты), n-қ оспадағ ы иондалу кезіндегі алынғ ан бос электрондардың саны (жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары) едә уір кө п болады. Оның ү стіне n-типті жартылай ө ткізгіште кемтіктер, таза жартылай ө ткізгішке қ арағ анда азырақ, ө йткені мұ нда таза жартылай ө ткізгішке салыстырғ анда, кемтіктердің электрондармен кездесу ық тималдығ ы жоғ ары (электрондар саны ө те кө п) жә не рекомбинация жігерлі ө теді.

Жартылай ө ткізгіш кристалында қ оспаның атомдарын иондау ү шін, жартылай ө ткізгіштің ө зінің атомдарын иондау ү шін қ ажет энергиядан да аз, энергия шығ ыны жұ мсау жеткілікті. Сондық тан, температура кө терілген кездегі қ оспасы жартылай ө ткізгіштердің ө ткізгіштігінің ө згерісін бақ ылау кө ң іл аударарлық. Қ оспасы жартылай ө ткізгіштің кристалының температурасы абсолют нольге жақ ын жерде диэлектрик болып келеді, ө йткені мұ ндай жағ дайда оның атомдарының электрондарының энергиясы минимал болады.

Тө менгі температурада n-типті қ оспаның атомдарына жататын электрондардың энергиясы, олар атомдардан бө лініп еркін болу ү шін жеткіліксіз, ал р-типті қ оспа атомдары электрондарды қ амтып алмайды, себебі мұ ндай қ амтып алу электрондар энергиясының артуымен қ оса жү реді. «Электрон-кемтік» жұ бының пайда болу ү шін мұ нан да ү лкен энергия керек болғ андық тан, мұ ндай жұ птардың генерациясы тіптен жү рмейді, яғ ни жартылай ө ткізгіштердің ө зіндік ө ткізгіштігі нольге тең.

Температураны біртіндеп кө терген кезде, n-типті қ оспаның атомдарынан бө лінуге мү мкін болатын немесе р-типті қ оспаның атомдары қ амтып алатын жеке электрондар пайда болады, яғ ни температура артқ ан сайын, қ оспаның барлық атомдары иондалып біткенше, тез ө сетін электр ө ткізгіштік пайда болады. Басқ аша айтқ анда, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы қ оспаның атомдарының концентрациясына тең болғ анша, бұ л практика жү зінде 0⁰ С-де алынады. Мұ ндай жағ дайларда «электрон-кемтік» жұ птары аздағ ан мө лшерде пайда болғ анымен, олар ө ткізгіштікке мә нді ә сер ете алмайды.

Сондық тан, қ оспасы жартылай ө ткізгіштерді қ ыздырғ ан кезде, металдардағ ы сияқ ты, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы орташа температура интервалында, ө згермей қ алады деп санауғ а болады. Бұ л кезде қ оспасы жартылай ө ткізгіштердің ө ткізгіштігі, металдардың ө ткізгіштігі сияқ ты, нашарлайды, ө йткені ө рістің ә серінен еркін зарядты тасымалдаушылардың реттелген ағ ынының, тордың жылулық тербелістерінің ә серінен шашырауының кү шеюі есебінен, қ озғ алғ ыштығ ы азаяды.

Алайда жеткілікті жоғ ары температурада жартылай ө ткізгіштің ө зіндік ө ткізгіштігі, «электрон-кемтік» жұ птарының ө те кө п санының генерациялануы салдарынан сондай артып, енді оны қ ыздырғ ан кезде еркін зарядты тасымалдаушылар концентрациясы тұ рақ ты қ алады деп санауғ а болмайды. Демек, қ оспасы жартылай ө ткізгіштердің ө ткізгіштігі кенет ө седі. Кө п жағ дайда қ оспасы жартылай ө ткізгіштердің кедергісінің тө мендеуі, қ ыздыру кезінде 100 – 200⁰ С-де басталады.

Жартылай ө ткізгіштің кристалына бір мезгілде акцепторлық жә не донорлық қ оспа ендірсе, егер акцепторлық қ оспа артық болса, онда кристалл р-типті, ал донорлық қ оспа артық болса n-типті болып шығ ады. Мынадай жағ дайда да болуы мү мкін, р-типті жә не n-типті қ оспалар бірін-бір тең геретіндей шамада ендірілген. Сонда, n-типті қ оспаның атомдары иондалу кезінде пайда болғ ан бос электрондар, р-типті қ оспаның атомдары қ амтып алып, «қ озғ алмайтын» n-типті атомның оң заряды, жә не р-типті атомның теріс заряды алынады, ал кристалдағ ы еркін зарядты тасымалдаушылар, қ оспасыз жартылай ө ткізгіштегімен бірдей болады. Бұ л қ ұ былысты компенсация деп атайды. Мұ ндай жартылай ө ткізгіштің ө ткізгіштігі, қ оспасыздығ ыдай аз болады.

n-типті жартылай ө ткізгіштердің ө ткізгіштігінің электрондық сипаты жә не р-типті жартылай ө ткізгіштердің ө ткізгіштігінің кемтіктік сипаты эксперимент жү зінде Холл эффектісін зерттегенде дә лелденеді. Холл эффектісі деп, ток жү ріп тұ рғ ан жалпақ металл ө ткізгішті, пластинағ а перпендикуляр магнит ө рісін орналастырғ ан кезде, оның ені бойынша екі шетінде потенциалдар айырымының пайда болу қ ұ былысын айтады. n-типті жартылай ө ткізгіштегі бақ ыланатын холл потенциалдар айырымының таң басы теріс ток тасымалдаушыларғ а, ал р-типті жартылай ө ткізгіштерде – оң тасымалдаушыларғ а сә йкес келеді.

Қ оспалар тордың ө рісін айнытады, кристалдың тыйым салынғ ан зонасында орналасқ ан, қ оспалық дең гейлердің энергетикалық сұ лбасының пайда болуына алып келеді. Бұ л қ оспалық дең гейлер n-типті жартылай ө ткізгіштер жағ дайында донорлық (18-сур., а), ал р-типті жартылай ө ткізгіш жағ дайында акцепторлық деп аталады (18-сур., б).

18 - сур.

n – типті жартылай ө ткізгіштерде Ферми дең гейі тыйым салынғ ан зонаның жоғ арғ ы жартысына орналасса, ал p – типті жартылай ө ткізгіште – тыйым салынғ ан зонаның тө менгі жартысында орналасады. Температура артқ ан кезде жартылай ө ткізгіштердің екі тү ріндеде Ферми дең гейі тыйым салынғ ан зонаның ортасына ығ ысады.

Егер донорлық дең гейлер валенттік зонаның тө бесінен алыс орналаспаса, олар кристалдың электрлік қ асиетіне мә нді ә сер ете алмайды. Мұ ндай дең гейлердің ө ткізгіштік зонаның тү бінен қ ашық тығ ы, тыйым салынғ ан зонаның енінен едә уір аз болғ ан жағ дайда басқ аша болады. Бұ л жағ дайда қ алыпты температураның ө зінде жылулық қ озғ алыс энергиясы, донорлық дең гейден ө ткізгіштік зонағ а ауыстыру ү шін жеткілікті болады (18-сур.а). Бұ л процеске қ оспа атомынан бесінші валенттік электронды бө ліп алу сә йкес келеді. Қ оспа атомының бос электронды қ амтып алуына 18 – суретте, аз электронның ө ткізгіштік зонадан бір донорлық дең гейге кө шуі сә йкес келеді.

Акцепторлық дең гейлер кристалдың электрлік қ асиетіне, егер олар валенттік зонаның тө бесіне жақ ын орналасса мә нді ә сер етеді (18-сур., б). Кемтіктің пайда болуына электронның валенттілік зонадан акцепторлық дең гейге ауысуы сә йкес келеді. Кері процесс қ оспа атомының тө рт коваленттік оның кө ршілерімен байланысының ү зілуіне жә не бұ л кезде пайда болғ ан электрон мен кемтіктің рекомбинациясына сә йкес келеді.

Температура жоғ арылағ ан кезде токтың қ оспалы тасымалдаушыларының концентрациясы тез ө зінің қ анығ уына жетеді. Бұ л, іс жү зінде барлық донорлық электрондар босап шығ атынын немесе барлық акцепторлық дең гейлер электрондармен толатынын кө рсетеді. Мұ нымен бірге температура ө скен сайын, тікелей валенттік зонадан ө ткізгіштік зонағ а электрондардың кө шуімен байланысты, жартылай ө ткізгіштің ө зіндік ө ткізгіштігі басым бола бастайды. Сонымен, жоғ ары температурада жартылай ө ткізгіштің ө ткізгіштігі коспалық жә не ө зіндік ө ткізгіштіктен тұ рады. Тө менгі температурада - ө зіндік ө ткізгіштік басым болады.

4.3. р - n ауысуының қ асиеттері

Екі бө ліктен тұ ратын жартылай ө ткізгіштің кристалын алайық: оның біреуі р-типті қ оспалы жә не екіншісі n-типті қ оспалы болсын. Бұ л екеуінің шекарасы р-n ауысуы деп аталынады.

Айталық, жартылай ө ткізгіштің бұ л екі бө лігі енді ғ ана тү йістірілсін (шын мә нінде бұ л бір кристалдың екі бө лігі, оның біреуінде р-типті қ оспа басым болады). Сонда бірден электрондары кө п n-типті жартылай ө ткізгіштен электрондар, олардың саны аз р-типті жартылай ө ткізгішке ауысады, ал кемтіктер кері бағ ытқ а қ арай орын ауыстырады. Бұ л электрондар мен кемтіктердің диффузиясы екі сұ йық тармен немесе газдармен ө зара диффузиясына ұ қ сас, бірақ бұ л процестерден айырмашылығ ы, электрондар мен кемтіктердің диффузиясы ө те жылдам ө теді.

Кемтіктер мен электрондар зарядтарды тасымалдамайтын болса, олардың диффузиясы кемтіктер мен электрондардың концентрациясы толығ ымен тең ескенге дейін жү рер еді. Алайда, n - аймақ тан р - аймақ қ а кө шкен электрондар теріс заряд алып ө теді, сонда n - аймақ оң зарядталады, ал р – аймақ теріс зарядталады. Қ арама-қ арсы бағ ыттағ ы кемтіктердің диффузиясы да р – аймақ ты теріс зарядтайды, ал n – аймақ ты оң зарядтайды, яғ ни р - жә не n – аймақ тары арасында тү йісу потенциалдар айырымы пайда болады.

Пайда болғ ан электр ө рісі кері ауысуғ а алып келеді: кемтіктерді n – аймақ тан р-аймақ қ а жә не электрондарды р-аймақ тан n- аймақ қ а (19-сур., а).

19 – сур.

Шын мә нінде, р-аймақ та тұ рғ ан еркін электрон хаосты қ озғ алыс кезінде ауысу қ абатының А шекарасынан ө тетін болса, онда ө ріс кү штері n-аймақ қ а тартып алып кетеді. n – аймақ та тұ рғ ан кемтіктер де сондай кү йге ұ шырайды. Ал р-аймақ та тұ рғ ан кемтіктер АБ ауысу қ абатына енетін болса, егер олардың кинетикалық энергиясы жеткіліксіз жағ дайда ө рістің ә серінен кері р-аймақ қ а тебіледі, сө йтіп олардың диффузиясын азайтады. АБ қ абатынан n-аймақ қ а, тек жеткілікті кинетикалық энергиясы бар кемтіктер ғ ана ө те асады (19-сур., б). Бұ л айтылғ андар n-аймақ тағ ы электрондарғ а да қ атысты.

Сондық тан АБ ауысу қ абатында, р-аймақ тан n-аймақ қ а келетін кемтіктердің диффузиялық ағ ыны, АБ аймағ ындағ ы ө рістің жасағ ан кемтіктердің қ арсы ағ ынымен тең геріледі (19-сур., в). Бір мезгілде электрондардың да қ арсы ағ ындары тең геріледі.

19 – суретте кө рсетілген процестерді айқ ынырақ тү сіндірейік: а) р – жә не n – аймақ тарының арасында жылжымалы тасымалдаушылар саны тіптен азайғ ан, АБ қ абаты пайда болды, онда барлық электр ө ріс шоғ ырланғ ан; АО аймағ ында р-типті қ оспаның иондары топталып тұ р, ал БО аймағ ында n-типті қ оспаның иондары топталып тұ р; б) ауысу арқ ылы негізгі тасымалдаушылардың диффузиялық ағ ынының пайда болуының кө рсетілуі, мұ нда 1 - ө рістің қ арсы ә серін жең е алмайтын электрондар мен кемтіктер, ал 2 - ө рістің қ арсы ә серін жең уге жеткілікті энергиясы бар электрондар мен кемтіктер; в) АБ аймағ ындағ ы ө рістің ә серінен ауысу арқ ылы негізгі емес тасымалдаушылардың ағ ынының пайда болуының кө рсетілуі.

Қ алың дығ ы ө те аз (бірнеше микроннан артық емес) АБ ауысу аймағ ында, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар ұ сталып тұ ра алмайды, сондық тан онда тек АО аймағ ында акцепторлық қ оспаның иондары, ал БО аймағ ында донорлық қ оспаның иондары шоғ ырланып қ алады. Барлық электр ө рісі А жә не Б беттерінің арасында жинақ талады да зарядтарғ а конденсатордың ө рісі секілді ә сер етеді. Конденсатордан айырмашылығ ы, мұ нда ө рісті жасайтын зарядтар бет бойынша орналаспайды, олар А жә не Б аралығ ындағ ы барлық кө лем бойынша орналасады.

АБ аймағ ының сыртында электр ө рісі болмағ андық тан, сол жә не оң жағ ындағ ы зарядтар хаосты қ озғ алысында оның шекарасынан кедергісіз ө тіп кете алады, бұ л туралы жоғ арыда айтылды. Кемтіктердің кету жә не n-аймақ тан электрондардың келу нә тижесінде пайда болғ ан р – аймағ ындағ ы артық зарядтар АО қ абатында шоғ ырланады, ал р – аймағ ының барлық қ алғ ан бө лігі электрлік нейтраль кү йінде қ алады. n – аймағ ына да осы қ атысты. Жылжымалы зарядтар қ алмағ ан АБ қ абатының ө те ү лкен меншікті кедергісі болады, бұ л кезде кристалдың қ алғ ан бө ліктеріндегі кедергі аз болады. Бұ л, р-n ауысуы бар кристалдың барлық электрлік кедергісі АБ қ абатымен жасалынады.

р- n ауысуының пайда болуын энергетикалық зоналар арқ ылы тү сіндіріп кө рейік. р-n ауысуында негізгі зарядты тасымалдаушылардың тепе-тең дікте болуы, олардың кү йлері бірдей дең гейде болғ анда іске асады, ал бұ л энергетикалық зоналардың иілуіне алып келеді (20-сур.).

Ауысу аймағ ындағ ы энергетикалық зоналардың иілуінің себебі, тепе-тең дік кү йде р-аймағ ындағ ы потенциалдың n-аймағ ындағ ы потенциалдан

20 – сур.

тө мен болуы. Валенттік зонаның тө менгі шекарасы электронның потенциалдық энергиясына Е_рэ, ауысуғ а перпендикуляр бағ ытта жол береді (21-сур., а). Кемтіктің заряды электронның зарядына қ арама-қ арсы, сондық тан олардың потенциалдық энергиясы Е_рк, Е_рэ-нің аз жерінде кө п болады жә не керісінше (20-сур., а).

21 – сур.

Тепе-тең дік кү йінде негізгі тасымалдаушылардың кейбір мө лшері потенциалдық бө геттен ө тіп кете алады, осының салдарынан ауысу арқ ылы аздағ ан ток І_нег. жү реді (21-сур., а). Бұ л ток негізгі емес тасымалдаушылардың қ арама-қ арсы І_н.емес тогымен компенсацияланады. І_н.емес шамасы секунд сайын пайда болып жатқ ан негізгі емес тасымалдаушылардың санымен анық талады жә не потенциалдық бө геттің биіктігіне тіптен тә уелді болмайды. Керісінше, І_нег шамасы бө геттің биіктігіне кү шті тә уелді. Тепе-тең дік потенциалдық бө геттің, екі І_нег жә не І_н.емес токтары бірін-бірі компенсациялайтын, дең гейде орнығ ады.

Кристалғ а, плюсі р – аймақ қ а, ал минусы - n – аймақ қ а жалғ асқ ан бағ ытта, сыртқ ы кернеу берейік (мұ ндай кернеу тура деп аталынады). Бұ л р – аймақ тағ ы потенциалдың жоғ арылауына (яғ ни Е_рк артады, Е_рэ кемиді) жә не n-

Аймақ тағ ы потенциалдың тө мендеуіне (яғ ни Е_рк кемиді, Е_рэ артады) алып келеді (21-сур., б). Мұ ның нә тижесінде потенциалдық бө геттің биіктігі кішірейеді де І_нег ток ө седі. Ал ток І_н.емес іс жү зінде ө згермей қ алады (жоғ арыда келтірілгендей, ол бө геттің биіктігіне тіптен тә уелді емес). Демек, қ орытқ ы ток нольге тең болмай қ алады. Потенциалдық бө геттің тө мендеуі тү сірілген кернеуге пропорционал (ол еU-ғ а тең). Бө геттің биіктігін тө мендеткен кезде негізгі тасымалдаушылар тогы, демек, қ орытқ ы ток, тез ө седі. Сонымен, р – аймақ тан n – аймақ бағ ытында ауысу ток ө ткізеді, оның кү ші тү сірілген кернеу артқ анда тез ө седі. Бұ л бағ ыт тура деп аталынады.

22 – суретте р-n ауысудың вольт-амперлік сипаттамасы берілген. Тура кернеуде кристалда пайда болғ ан электр ө рісі негізгі тасымалдаушыларды

22 – сур.

аймақ тар арасындағ ы шекарағ а «сығ ады», осы себептен тасымалдаушылары жоқ ауысу қ абатының ені қ ысқ арады. Демек, ауысу кедергісі де азаяды, бұ л кернеу неғ ұ рлым ү лкен болғ ан сайын, солғ ұ рлым кө п азаяды. Сондық тан ө ткізу аймағ ындағ ы вольт-амперлік сипаттама тү зу болып келмейді (22 – суретте оң тармақ).

Енді кристалғ а n – аймақ қ а плюс, ал р – аймақ қ а минус қ осылатындай етіп кернеу тү сірейік (бұ л кернеу кері деп аталынады). Бұ л потенциалдық бө геттің кө терілуіне жә не негізгі тасымалдаушылар ток кү шінің І_нег кемуіне алып келеді (21-сур., в). Бұ л кезде пайда болғ ан қ орытқ ы ток (кері ток деп аталынатын) қ анығ у мә ніне тез жетеді (яғ ни кернеуге U тә уелсіз болып) жә не І_н.емес токқ а тең болады. Сонымен n – аймақ тан р – аймақ қ а қ арай бағ ытта (кері ток) р-n ауысуы, негізгі емес тасымалдаушылар қ амтамасыз ететін, ә лсіз ток ө ткізеді. Тек ө те ү лкен кері кернеуде, ауысудың электрлік тесілуі арқ асында, ток кү ші бірден арта бастайды (22 – суретте сол тармақ). ә рбір р-n ауысуы, оның бү лінбей шыдауғ а қ абілеттілігі болатын, ө зінің кері кернеуінің шекті мә німен сипатталады.

22 – суреттен кө рініп тұ р, р-n ауысуы тура бағ ытқ а қ арағ анда, кері бағ ытта едә уір ү лкен кедергіге ие болады. Бұ л былай тү сіндіріледі, кристалда пайда болғ ан ө ріс кері кернеу қ осылғ ан кезде, аймақ тар арасындағ ы шекарадан негізгі тасымалдаушыларды кері «тартып» алады, бұ л тасымалдаушылары кеміген, ауысу қ абатының енін ұ лғ айтады. Осығ ан сә йкес ауысудың кедергісі де артады.

5. ЖАРТЫЛАЙ Ө ТКІЗГІШТІК Қ Ұ РАЛДАР