Жартылай өткізгіштер туралы мәліметтер

                                Маңғыстау эенергетикалық колледжі МКҚК

 

 

 

   

 

    Өзіндік жұмыс  

Тақырып : Жартылай өткізгіштер туралы мәліметтер

Дайындаған : Машириков Қайрат  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                       Тексерген :                                                 

 

                                                                     2013-2014ж

 

                                   Жартылай өткізгіштер туралы мәліметтер

    Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден айырмашылығы

Электр  тогын өткізу қабілетіне байланысты барлық материалдар өткізгіштер, диэлектриктер  және жартылай өткізгіштер болып  бөлінеді. Бұлардың электрлік қасиеттерін  салыстырайық. Өткізгіштерде өте  көп бос зарядты тасымалдаушы бөлшектер болады. Қатты өткізгіштердің көпшілігін металдар құрайды. Металдардың  жоғарғы электр өткізгіштігі олардың  кристалдық торының құрылымымен  түсіндіріледі.

Металдарда  барлық кезде өте көп еркін  электрондар болады, олар оң зарядталған  иондардан тұратын кристалдық тордың ішінде қозғалады. Заттардың электр өткізгіштігі еркін зарядты тасымалдаушылардың концентрациясына  n  пропорционал, яғни олардың көлем бірлігіндегі санына. Алайда электр өткізгіштік  n-нің  мәнімен ғана анықталып  қоймайды, еркін зарядта тасымалдаушылар, электр өрісінің әсерінен кристалдық тордың ішінде қозғалғанда, сол заттың торы тарапынан кездесетін кедергіге  де тәуелді, яғни заттағы осы тасымалдаушылардың қозғалғыштығымен де анықталады.

Өткізгіште  қоспаның аздаған мөлшері болуы  еркін зарядты тасымалдаушылардың концентрациясын елеулі шамада өзгерте  алмайды, бірақ олардың қозғалғыштығына  қатты әсер етеді. Металдардың кристалдық торының құрылымының, қоспаның болуының арқасындағы бүлінуі, әдетте электрондардың қозғалғыштығын едәуір азайтып жібереді. Сондықтан, мысалы таза мыстың өткізгіштігі, аздаған қоспасы бар мыстың өткізгіштігіне салыстырғанда едәуір жоғары болады.

Диэлектриктерде еркін зарядты тасымалдаушылар  тіптен болмайды. Олардың барлық электрондары белгілі бір атомдармен байланысқан  болады, және электронды атомнан бөліп  алу үшін едәуір энергия жұмсау керек  болады. Жылулық қозғалыстың әсерінен кейбір электрондар атомдардан бөлініп  шығуы мүмкін, бірақ ондай электрондардың саны диэлектриктерде өте аз болады.

Диэлектриктердің  электр өткізгіштігі негізінен онда бөгде қоспалардың барлығымен анықталады. Диэлектрикте,  электронын жеңіл  беретін бөгде атом болса, онда еркін  зарядты тасымалдаушылар пайда  болады, яғни олардың концентрациясын  n  арттырады. Сонымен, диэлектрикке қоспа ендіру әдетте оның электр өткізгіштігінің  едәуір артуына алып келеді.

Жартылай  өткізгіштер өткізгіштер мен  диэлектриктердің аралық жағдайын алып жатады. Таза жартылай өткізгіштерде  диэлектриктерден принципиалдық айырмашылығы жоқ. Себебі бұл екеуінде де еркін  зарядты тасымалдаушылар жоқ, оларды пайда ету үшін (электрондарды  атомдардан жұлып алу үшін) кейбір энергия жұмсау керек. Бірақ егер бұл энергия диэлектриктер үшін өте үлкен болса, ал жартылай өткізгіштер  үшін ол аз шама.

Жартылай  өткізгіштердің электр өткізгіштігі олардың  тазалығына өте күшті тәуелді. Диэлектриктердегі  сияқты, жартылай өткізгіштерде бөгде  қоспалардың болуы, мысалы басқа  элементтің аздаған атомының болуы, оның электр өткізгіштігін едәуір арттырады.      

 

             

 

 

             Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділігі

Өзінің меншікті кедергісі  ρ  бойынша жартылай өткізгіштер  металдармен ( ρ = 10-7 – 10-8 Ом.м) және диэлектриктердің (ρ > 1∙ 108 Ом.м)  аралығын ала жатады. Меншікті кедергі бағанасында, кейбір металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктердің алатын орны   1– суретте    бейнеленген.

             

                                                                          1– сур.

Алайда, меншікті кедергісі  бойынша заттарды топтау едәуір шартты болып саналады, өйткені бірқатар факторлардың әсерінен (температура, сәулелену, қоспалар) көптеген заттардың меншікті кедергісі өзгереді, ал оның үстіне жартылай өткізгіштерде ол қатты  өзгереді. Сондықтан, жартылай өткізгіштерді  металдардан ажырату үшін жалпы  белгілер бойынша қарастыру керек  және алдымен температураға байланысты меншікті кедергінің тәуелділік сипаты бойынша. Жартылай өткізгіштерде температура  өскен сайын меншікті кедергі азаяды  (2-сур.), ал металдарда температура артқан сайын меншікті кедергі артады (3-сур.).

                       

                                     2 - сур.                                                                      3 - сур.

     Енді температураның зттардың электр өткізгіштігіне әсерінің табиғатын қарастырайық.

Температура артқанда металдарда еркін зарядты  тасымалдаушылардың концентрациясы өзгермейді, ал олардың қозғалғыштығы төмендейді, өйткені тордың түйіндерінде тұрған иондардың жылулық тербелісінің амплитудасы артады, осының салдарынан, электр өрісінің әсерінен қозғалатын электрондар ағынының шашырауы артады. Сондықтан, температура көтерілгенде металдардың өткізгіштігі төмендейді, ал төмендегенде – артады, және температура  00 К-ге  жақындағанда, яғни тордың түйіндерінде тұрған бөлшектердің жылулық тербелісі  толық тоқталады, осы кезде кейбір металдардың электр өткізгіштігі секірмелі түрде кенет артады (төтенше өткізгіштік құбылысы).

Температура ртқанда диэлектриктердің электр өткізгіштігі нашар өседі. Алайда, диэлектрикте еркін  зарядты тасымалдаушылар пайда  болу үшін қажетті энергия өте  жоғары, сондықтан диэлектрикті қыздырған  кезде, онда елеулі еркін зарядты  тасымалдаушылар мөлшері пайда  болғанша, оның термиялық бүлінуі  басталады.

Жартылай  өткізгіштің температурасы артқанда оның атомдарының сыртқы қабатының  жеке электрондары, атомнан бөлінуге жеткілікті энергия қабылдап, онан бөлініп шығып, еркін электрондарға  айналады. Жартылай өткізгіштің температурасы  жоғарылаған сайын, ондағы еркін  электрондардың саны артады және электр өткізгіштігі жоғарылайды.

Жартылай  өткізгіштердің температурасы төмендеген кезде еркін зарядты тасымалдаушылар  саны күрт төмендеп, төменгі температураларда оның  өткізгіштігі іс жүзінде нольге тең болады. Жартылай өткізгіштерде, төменгі температураларда өткізгіштіктің жоқ болуы – металл өткізгіштерден жартылай өткізгіштердің тағы да бір  сипатты айырмашылығы болып саналады және  ол өткізгіштерде еркін  зарядты тасымалдаушылардың пайда  болуының жылулық табиғаты бар екендігін  көрсетеді.

Жартылай  өткізгіштердің өткізгіштігі температураға  күшті байланысты. Бұл жартылай өткізгіште жасалған әртүрлі термо сезімтал құралдардың құрылысында пайдаланылады. Жартылай өткізгіштерде еркін зарядты  тасымалдаушылар тек қана қыздыру  арқылы пайда болмайды екен. Олар жартылай өткізгішке түскен сәуленің де әсерінен пайда болады. Сондықтан, жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі және де жарықталынуға  күшті тәуелді.

                             Жартылай өткізгіштердің түрлері

Жартылай өткізгіштерде  Менделеев кестесінің орта тұсындағы  он екі химиялық элементтер жатады. Олар:  бор (В),  көміртегі  (С), кремний  (Si), германий (Ge), қалайы (Sn), фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), күкірт (S), селен (Se), телмур (Те), йод (І). Мұнан басқа үшінші топтағы  элементтердің, бесінші топтағы  элементтермен қосындысы, көптеген металдардың оксидтері мен сульфидтері, бір қатар химиялық қоспалар, кейбір органикалық заттар. Ғылым мен  техникада ең көп қолданылатын жартылай өткізгіштерге  германий Ge  және кремний  Sі  жатады. Жартылай өткізгіштер өзіндік (яғни қоспасыз) және қоспалы болып бөлінеді. Қоспалы жартылай өткізгіш өз ретінде донорлық және акцепторлық болып бөлінеді.

                     Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштік механизмін германийдің  немесе кремнийдің монокристалының  мысалында қарастыру қолайлы, оның құрылымының сұлбасы  (бір жазықтықта) 4 – суретте бейнеленген. Себебі өте кең қолданылатын жартылай өткізгіштер Ge   және   Sі 

                                   

                                                                         4 - сур.

сыртқы электрондық қабатта  төрт электроны болады, яғни олардың  валенттілігі төртке тең. Мұндай элементтердің  кристалдық торында (алмаз типті  тор деп аталынатын) германийдің  Ge  немесе кремнийдің  Sі  әрбір  атомы, бірдей қашықтықта орналасқан, көрші төрт атоммен қоршалған.

Атомның ең орнықты  күйі, оның сыртқы электрондық қабатында  сегіз электрог тұрған кезде екендігі белгілі. Сондықтан  Ge  және  Sі  атомдары электрондық қабаттарды сегіз  электронға дейін толтырып, көрші  атомдармен жалпы электрондық жұп  құрайды (коваленттік байланыс).

Әрбір екі  көрші атомдар екі ортақ электрондары (электрондық жұп) болады. Сонымен, әрбір  атом сыртқы қабатында сегіз электроннан  болады, олар бір мезгілде көрші атомдарға да жатады (4-сур.).  Алмаз типті торды шартты түрде жазық етіп бейнелеуге болады, өйткені мұнда да әрбір атом көрші төрт атоммен қоршалған. Төменгі температурада жартылай өткізгіштің кристалында барлық электрондар атомдармен байланысқан және еркін электрондары жоқ, яғни кристалл диэлектрик болып саналады. Жартылай өткізгіштің температурасын көтерген кезде кейбір электрондар атомнан бөлініп, жылжымалы күйге түсіп, оған кернеу түсіргенде, кристалда ток жасайды.

Бөлме температурасының өзінде жартылай өткізгіш кристалында  жылжымалы электрондардың біраз  сандары болады және температураның артуына байланысты олардың саны тез көбейеді. Германий  Ge  жағдайында, кремнийге  Si  қарағанда, атомнан  электронды жұлып алу үшін энергия  аз жұмсалады. Сондықтан таза германийдің  Ge  кедергісі, кремнийдікіне  Si  қарағанда едәуір аз (ρGe ≈ 0,5 Ом.м, ал  ρSi ≈ 2 ∙ 103 Ом.м).

Атомнан электронды бөліп шығарған кезде атомның  қабатшасында бос орын пайда болады, ол орынды  «кемтік» деп атайды. Ортақ  электрондары бар көрші атомдар, электрондармен үнемі алмасып тұратындықтан, бұл кемтік басқа электронмен  толтырылуы мүмкін және бұл кезде  енді басқа атомда бір электрон жетпей тұрады. Электрон үзіліп шыққанға дейін  атом электрлік нейтраль болғандықтан, онда электронның жетіспеуі атомға оң заряд береді. Сондықтан, электронның  бос орны – кемтіктің зарядын  оң деп санайды. Бұл бос орын –  кемтік – кристалл көлемінде үнемі  және тынымсыз орын ауыстыруда болады, бұл заряды сандық жағынан электрон зарядына тең оң зарядтық осылай ауысып отырумен бірдей болады.

Сонымен, бос  электрондар және кемтіктер кристалл бойынша, қандай да бір еркін электрон атом қабатшасындағы кемтікпен кездескенше, ретсіз орын ауысып отырады (бос орынға тап болғанша). Бұл кезде қозғалыстағы екі зарядты тасымалдаушылар жоқ болады: бос электрон және кемтік, яғни рекомбинация жүреді.

Әрбір белгілі-бір  температурада жұптың пайда болуының «электрон-кемтік»  (генерация) және олардың жойылуының  (рекомбинация) аралығында динамикалық тепе-теңдік орнайды. Неғұрлым температура жоғары болған сайын, солғұрлым «электрон  – кемтік» жұптары пайда болып, жартылай өткізгіш кристалында олардың  бір мезгілде болуының саны артады.

Егер осындай  кристалды электр тізбегіне қосса, онда оның ішінде электрондар, теріс  полюстен оң полюске қарай реттеліп қозғала бастайтын болады. Өрістің  әсерінен байланысқан электрондар  да көбінесе өрістің күш сызықтары  бойымен көрші атомдардан бос  орындарға көше бастайды, ал бос  орындар (кемтіктер) осы сызықтардың  бойымен қарсы жаққа қарай  орын ауыстыра бастайды.

Сонымен, өрістің  әсерінен кемтіктер де оң зарядты  алып жүре отырып реттелген қозғалысқа түседі. Шын мәнінде, бір жаққа  тек бос электрондар мен байланысқан (валенттілік) электрондар орын ауыстыратындықтан, бос электрондарды бір жаққа  қарай, ал оң зарядты тасымалдаушы кемтіктерді  екінші жаққа қарай қозғалады  деп санауға болады.

Бос электрон кемтікпен кездескенде олар рекомбинацияланады, сөйтіп олардың қозғалысы тоқталады. Бос электрон мен кемтіктің рекомбинацияға  дейінгі орташа еркін жол жүру ұзындығы өте аз (0,1 мм-ден артық  емес). Тынымсыз жылулық генерация  жаңадан «электрон – кемтік»  жұбының пайда болуына алып келеді, олар қайтадан зарядты тасымалдай бастайды. Сонымен, электр өрісінің әсерінен кристалда  еркін зарядты тасымалдаушылардың үздіксіз реттелген қозғалысы жүреді, яғни ток ағады. Мұндай өткізгіштік  өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі деп аталынады.

Зоналық теория бойынша өзіндік жартылай өткізгіштің  өткізгіштігі валенттік зонаның  жоғары деңгейлерінен электрондардың өткізгіштік зонаға ауысуынан пайда  болады. Бұл кезде өткізгіштік  зонада ток тасымалдаушылардың бірнеше  саны – зонаның түбіне жақын деңгейлерде  орналасқан, электрондар пайда болады; валенттік зонаның жоғары деңгейлерінде  бір мезгілде осынша саны бар бос  орындар пайда болады, осының нәтижесінде  кемтіктер пайда болады. Керісінше  рекомбинация процесіне электронның  өткізгіштік зонадан валенттік  зонаның бір бос деңгейіне  ауысуы сәйкес келеді.

Жеткілікті  жоғары температурада өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі барлық жартылай өткізгіштердің түрлерінде байқалады. Алайда, қоспасы бар жартылай өткізгіштерде, электр өткізгіштік өзіндік және қоспалы өткізгіштіктердің қосындысынан тұрады.

                                Қоспалы 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.