Шала өткізгіштердің электрөткізгіштігі

7.6.1. Таза шала өткізгіштер. Таза шала өткізгіштердің негізгі өкілдері Менделеевтің периодты системасының IV тобына кіретін элементтер - германий мен кремний. Егер температура нөлден өзге болса, жылулық энергияның шамасы кейбір электрондарды валенттік зонадан өткізгіштік зонаға көшіруге жеткілікті болуы мүмкін. Осының салдарынан өткізгіштік зонада электрондар, ал электрондары кеткен валенттік зонада оң зарядталған вакансиялар пайда болады.

7.6.1.1-сурет 7.6.1.2-сурет

Бұл вакансияларды кемтіктер деп атайды. Мұндай құбылыс сәулелер әсерінен де болуы мүмкін. Сөйтіп шала өткізгіштер энергетикалық деңгейлерінің электрондармен коныстануы төмендегідей болады.

Енді осындай таза (коспасы жок) шала өткізгішті электр өpiciнe қойсак, өткізгіштік зонадағы электрондар өpic бағытына қарсы, ал көрші атомдардың электрондарының кемтіктерге көшуінің нәтижесінде кемтіктер өpic бағытымен қозғалысқа келеді. Сөйтіп таза шала өткізгіштердегі ток тасымалдайтын бөлшектер өткізгіштік зонадағы электрондар мен валенттік зонадағы кемтіктер болып табылады. Таза шала өткізгіштердің электрөткізгіштігін меншікті өткізгіштік деп атайды.

Электрондардың энергетикалық деңгейлерде таралуы Ферми-Дирак статистикасына бағынады. Өткізгіштік зонаға өткен электрондар үшін яғни олар Ферми-Дирак таралуын кескіндейтін кисықтың Ферми деңгейінен жоғарғы мәндерімен сипатталады. Сондықтан (7.5.1) формуланын бөліміндегі бірді экспонентаға қарағанда ескермеуге болады. Олай болса, энергиясы энергетикалық деңгейдегі электрондардың орта саны

(7.6.1.1)

энергетикалык деңгейлер интервалына сәйкес келетін күйлердің саны

(7.6.1.2)

мұндағы өткішгіштік зонаның түбіне сәйкес келетін энергия. Ал күйлерде орналасқан электрондардың саны

(7.6.1.3)

соңғы формулада бip күйде спиндері қарама-қарсы екі электронның бола алатындығы ескерілген, бірлік көлемдегі энергиялары интервалында болатын өткізгіштік зонадағы электрондардың саны, яғни олардың концентрациясы

(7.6.1.4)

(7.6.1.4) формуладағы интегралды алғаннан кейін

(7.6.1.5)

мұндағы

Ферми деңгейінің өткізгіштік зонаның түбі пен валенттік зонаның ең жоғарғы энергиясы ортасында жататындығын, яғни

екенін еске алсақ,

(7.6.1.6)

- жабық зонаның ені.

Таза шала өткізгіштің электр өткішгіштігін

(7.6.1.7)

формуласымен анықтасақ

(7.6.1.8)

Сонымен таза шала өткізгіштің электрөткізгіштігін температураға тәуелділігі күрделі. Дегенмен, экспоненциялық функция дәрежелік функциядан әлдекайда жылдам өзгеретіндіктен электрөткізгіштіктің температураға тәуелділігі экспоненциялық тәуелділікпен анықталады. Сондыктан кейбір жағдайларда экспоненциялық функцияның алдында тұрған функцияның температураға тәуелділігін ескермей, (7.6.1.8) формуланы төмендегідей түрде жазады

-ның -ға тәуелділігі 7.6.1.1 – суретте келтірілгендей болады.

Электрөткізгіштіктің тәжірибелік мәндері негізінде жүргізілген түзудің бұрыштык коэффициентін табу аркылы тендігін пайдаланып жабық зонаның енңн аныктауға болады.

7 .6.2. Қоспалы шала өткізгіштер.

Практикада көпшілік жағдайда коспалы шала өткізгіштер пайдаланылады. 7.6.1.1-сурет

Қоспалы шала өткізгіштерді негізінен екі топқа бөледі: донорлы және акцепторлы шала өткізгіштер деп аталады. Егер германийдің, болмаса кремнийдің тор түйіндеріндегі 4 валентті атомдарының кейбіреулерін валенттігі бipгe кем, не бipгe артык элементтің атомдарымен алмастырса, жоғарыда айтылған қоспалы шала өткізгіштер пайда болады. Мысалы, бес валентті фосфор атомымен алмастырса, көрші германий атомдарымен ковалентті байланыска түсу үшін фосфордың 4 валенттік электроны жеткілікті, ал ядросымен ең әлсіз байланысқан бесінші электрон жылулық қозғалыс нәтижесінде оңай айырылып, өткізгіштік зона­дағы еркін электронға айналады.

Мұндай қоспалардың локалдық энергетикалық деңгейлері өткізгіштік зонаның түбіне жақын орналаскан болады (7.6.2.1-сурет). Әрине, электрондарынан айырылған қоспа атомдардың маңында бейтараптык бұзылып, оң зарядтың артықтығы пайда болады, бipaқ бұл таза шала өткізгіштердегі кемттіктер сиякты тордың құрылысын бұзбайды және тор бойымен козғала алмайды, тек пайда болатын еркін электрондарды өзіне тартып алып, одан кейін жылулық козғалыс әсерінен кайтадан айырылып калады.

Олай болса, белгілі температурада өткізгіштік зонада еркін электрондардың белгілі бip саны (концентрациясы) пайда болады.

Мұндай шала өткізгішті электр өpiciнe койса, өткізгіштік зонаға көшкен еркін электрондар өpic бағытына қарсы козғалыска келеді, сонымен 5-валентті коспа атомдары бар шала өткізгіштердегі ток тасымалдайтын негізгі бөлшектер тepic (negative) зарядталған электрондар болғандыктан, оларды n-типті шала өткізгіштер деп атайды.

Егер 4-валентті германий (кремний) атомдарының кейбіреулерін З-валентті Бор элементінің атомдарымен алмастырса, көрші германий атомдарымен ковалентті 7.6.2.1-сурет

байланыска түсу үшін бор атомының валентті 3-электрондары жеткіліксіз, сондыктан германий атомда­рының ковалентті байланыстарын қамтамасыз етіп тұрған электрон­дардың бipi бор атомымен байланыса ауысады. Бұл кезде электроны кеткен байланыста оң зарядтың артықшылығы, яғни кемтіктер деп аталатын оң зарядталған ваканттық орындар пайда болады. Мұндай коспалардың локалдық 7.6.2.2—сурет

энергетикалық деңгейлері валенттік зонаның жоғарғы шегіне жакын орналасады (7.6.2.2-сурет). Пайда болған ваканттық орындарға көрші атомдардан электрондар ауысқан кезде ваканттық орын (кемтік) жылжиды. Сондыктан қалыпты жағдайда кемтіктер шала өткізгіштің әр түрлі жерлерінде пайда болуы мүмкін. Мұндай шала өткізгішті электр өpiciнe қойсақ, өpic әсерінен көрші атомдардан ваканттык орындарға электрондардың ауысу процeci жеделдеп, ваканттык орындар (кемтіктер) өpic бойымен қозғалған сияқты эффект туады. Сонымен 3 – валентті қоспалары бар шала өткішгіштердегі негізгі ток тасымалдайтын бөлшектер оң (positive) зарядталған кемтіктер болғандықтан, оларды р – типті шала өткізгіштер деп атайды.

Коспалы шала өткізгіштердің электрөткізгіштігіне температураға экспоненциялды түрде тәуелді болады. Тек жабык зонаның ені үшін алынады. ' n - типті шала өткізгіштер үшін донорлы коспа­лардың локалдык энергетикалык денгейлерінің екі жоғарғысынан өткізгіштік зонаның түбіне дейінгі қашықтық (7.6.2.1-сурет), ал р – типті шала өткізгіштер үшін валенттік зонаның ең жоғарғы деңгейінен акцепторлы қоспалардың локалдық энергетикалық деңгейлерінің ең төменгісі арасындағы қашықтық. Енді электрөткізгіштік үшін (7.6.1.7) формуланы пайдалансақ,

(7.6.2.1)

, ал ( - негізгі және қоспа атомдардың концентрациясы, және - электрондардың негізгі және қоспа атом­дардан шашырауының эффектілі көлденең кимасы) екенін еске алсак, коспалы шала өткізгіштің электрондык электрөткізгіштігі

(7.6.2.2)

мұндағы қоспа атомдардың салыстырмалы концентрациясы.(7.6.2.2) сиякты формуланы акцепторлы коспасы бар шала өткізгіштер үшін де жазуға болады.