2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары

Термоэлектрлік құбылыстарды зерттей отырып, Томсон мынандай қорытындыға келді, егер өткізгіш біртекті болса да және ол біртекті қыздырылмаса, бұл өткізгіштен ток жүрген кезде жылу шығару немесе жұтылу болады, ол Джоуль-Ленц жылуына қосылады немесе одан алынады. Бұл құбылыс Томсон эффектісі деп аталынады, дәлірек айтсақ түйісу құбылысына жатпайды. Алайда оның пайда болуы түйісуде болатын құбылыстармен тығыз байланысты.

Томсон эффектісін бақылау үшін 9-сур. қызмет етеді. Бірдей материалдан жасалынған 1 және 2 өткізгіштер ток тізбегіне жалғасқан, ал

9-сур.

б нүктелеріндегі температуралар айырмашылығын өлшеу үшін термопара түйісу ұшы орналастырылады. Ток жүрген кезде а және б нүктелерінің температуралары әртүрлі болады, мұнан бір өзекте Джоуль-Ленц жылуына қосымша жылу бөлінетіндігін, ал басқа өзекте жылу жұтылатынын (Томсон эффектісі) көрсетеді.

Томсон эффектісінің таңбасы әртүрлі өткізгіштер үшін әртүрлі. Мысалы, висмут және цинкте, егер жылу ағыны мен ток бағыты сәйкес келгенде, жылу бөліну бақыланады. Бірақ дәл осындай жағдайда темірде, платинада, сурьмада жылу жұтылу бақыланады.

Томсон эффектісі өткізгішті қыздырған кезде, оның қасиетінің өзгеруімен түсіндіріледі. Алғашқы біртекті өткізгіш біртекті қыздырылмаған кезде біртекті болмай қалады және сондықтан Томсон эффектісі мәні бойынша өзіндік Пельтье құбылысы болып саналады, тек мұнда өткізгіштердің біртекті еместігі өткізгіштердің химиялық құрамының әртүрлілігінен емес, температуралардың әртүрлілігінен болады.

Термоэлектрлік құбылыс температураны өлшеу үшін кең түрде пайдаланылады. Бұл үшін термоэлементтер (термопаралар) қызмет етеді. Техникалық термопараның схемасы 10 – суретте көрсетілген. Ол әртүрлі

металдан жасалынған екі өткізгіштен 1 және 2 тұрады, олардың ұштары бір-бірімен денекерленген (1 түйісу). Екі өткізгіште, түйіскен жеріне химиялық әсерден сақтау үшін, фарфор түтікшеге Т орналастырылған. Екінші түйісу ұшы (ІІ) өзгермейтін температурада ұсталынып тұрады. а және б ұштарын милли вольтметрге жалғастырады. Температуралардың артықшылығы өте жоғары, не өте төмен температураларды да өлшей алады.

ЭҚК-ті арттыру үшін термоэлементтер тізбектей жалғастырылып, батареяға біріктіреді (11-сур.). Бұл кезде барлық жұп түйісулер бір

10-сур. 11-сур.

Температурада, ал барлық тақ түйісулер басқа температурада ұсталынып тұрады. Мұндай батареяның ЭҚК-і, олардың жеке-жеке элементтерінің ЭҚК-терінің қосындысына тең.

Екі әртүрлі өте жұқа металдардан құрастырылған миниатюрлік термобатареялар, жарықтың интенсивтілігін өлшеу үшін табысты пайдаланылады. Мұндай термоэлектрлік қабылдағыштарды сезімтал гальванометрмен жалғастырған кезде сезгіштігі өте жоғарылайды. Олар, мысалы, бірнеше метр қашықтықта тұратын, адам қолынан бөлінетін көрінбейтін жылулық сәуле шығаруды байқай алады.

Термобатареяларды аз қуатты электр тогының генераторы ретінде пайдалануға болады. Бұл генераторлар өте қарапайым және айналып тұратын бөлігі болмайды.

3. НЕГІЗГІ ҚАСИЕТТЕРІ БОЙЫНША ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ,

ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ЖӘНЕ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ

БІР-БІРІНЕН АЙЫРМАШЫЛЫҚТАРЫ
3.1. 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.

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 12– суретте бейнеленген.
12– 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 (13-сур.), ал металдарда температура артқан сайын меншікті кедергі артады (14-сур.).

13 - сур. 14 - 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.

Ge және кремний Sі жатады.

Жартылай өткізгіштер өзіндік (яғни қоспасыз) және қоспалы болып бөлінеді. Қоспалы жартылай өткізгіш өз ретінде донорлық және акцепторлық болып бөлінеді.
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштік механизмін германийдің немесе кремнийдің монокристалының мысалында қарастыру қолайлы, оның құрылымының сұлбасы (бір жазықтықта) 15 – суретте бейнеленген. Себебі өте кең қолданылатын жартылай өткізгіштер Ge және Sі

15 - 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 (15-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 (ρ_Ge ≈ 0,5 Ом.м, ал ρ_Si ≈ 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.

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.

Кристалл электронейтраль болып қала береді, бірақ ондағы теріс зарядталған In атомдары тормен байланысқан (локалданылған), ал оң зарядталған кемтіктер электр тогына қатысуы мүмкін (16-сур.). Мұндай

16 - сур.

кристалдың өткізгіштігі негізінен кемтік болады, өйткені кристалда пайда болған кемтіктердің саны, аздаған қоспаны ендіргеннің өзінде (10^-4 – 10^-6 %), қоспасыз жартылай өткізгіштегі «электрон-кемтік» жұбының санынан едәуір көп болады.

Егер жартылай өткізгіште атомдары электрондарды қамтып алатын, Менделеев кестесіндегі ІІ топтағы элементтердің қоспасы болса, онда мұндай қоспаны р-типті қоспа деп атайды («позитив» - оң деген сөз) немесе акцепторлық (аламан) қоспа, ал кристалл р-типті жартылай өткізгіш деп аталынады.

р- типті жартылай өткізгіштерде негізгі электр өткізгіштіктің рөлін – жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары – кемтіктер атқарады.

Германий торына Менделеев кестесінің V тобының атомдарын ендірсе (As, Sв, Р және басқалар), мысалы мышьякты Аs, сыртқы қабатшадағы төрт электрон (қоспа атомының сыртқы қабатшасындағы бес электрондардың төртеуі) көрші төрт германий Ge атомдарымен ортақ электрондық жұптар құрады, және де әрбір атомда, соның ішінде мышьяк As атомында да, ортақ электрондардың арқасында сыртқы электрондық қабат орнықты болатын санға жетеді (сегіз электрон). Мышьяк As атомының бесінші сыртқы электроны «артық» болып қалады. Ол, басқа электрондарға қарағанда ядромен нашарырақ байланысқан, және де оны аздаған энергия шығындап, атомнан бөліп бос электронға айналдыруға болады. Бұл кезде мышьяк As атомы оң зарядталады (иондалады).

Сонымен, германий кристалының торына V топтың атомдарын ендірген кезде тордың түйіндерінде оң зарядталған «қозғалмайтын» қоспаның иондары және еркін электрондар пайда болады (17-сур.). Мұндай жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі негізінен электрондық болады. Бұл жағдайда

кристалды n-типті жартылай өткізгіш деп атайды («негатив» - теріс деген сөз), ал қоспаны n-типті қоспа немесе донорлық (беремен) деп атайды.

n- типті жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігіне негізінен электрондар роль атқарады, өйткені онда тынымсыз «электрон-кемтік» жұбының жылулық

17 - сур.

генерациясы жүріп жатқанымен (таза жартылай өткізгіштегі сияқты), n-қоспадағы иондалу кезіндегі алынған бос электрондардың саны (жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары) едәуір көп болады. Оның үстіне n-типті жартылай өткізгіште кемтіктер, таза жартылай өткізгішке қарағанда азырақ, өйткені мұнда таза жартылай өткізгішке салыстырғанда, кемтіктердің электрондармен кездесу ықтималдығы жоғары (электрондар саны өте көп) және рекомбинация жігерлі өтеді.

Жартылай өткізгіш кристалында қоспаның атомдарын иондау үшін, жартылай өткізгіштің өзінің атомдарын иондау үшін қажет энергиядан да аз, энергия шығыны жұмсау жеткілікті. Сондықтан, температура көтерілген кездегі қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің өзгерісін бақылау көңіл аударарлық. Қоспасы жартылай өткізгіштің кристалының температурасы абсолют нольге жақын жерде диэлектрик болып келеді, өйткені мұндай жағдайда оның атомдарының электрондарының энергиясы минимал болады.

Төменгі температурада n-типті қоспаның атомдарына жататын электрондардың энергиясы, олар атомдардан бөлініп еркін болу үшін жеткіліксіз, ал р-типті қоспа атомдары электрондарды қамтып алмайды, себебі мұндай қамтып алу электрондар энергиясының артуымен қоса жүреді. «Электрон-кемтік» жұбының пайда болу үшін мұнан да үлкен энергия керек болғандықтан, мұндай жұптардың генерациясы тіптен жүрмейді, яғни жартылай өткізгіштердің өзіндік өткізгіштігі нольге тең.

Температураны біртіндеп көтерген кезде, n-типті қоспаның атомдарынан бөлінуге мүмкін болатын немесе р-типті қоспаның атомдары қамтып алатын жеке электрондар пайда болады, яғни температура артқан сайын, қоспаның барлық атомдары иондалып біткенше, тез өсетін электр өткізгіштік пайда болады. Басқаша айтқанда, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы қоспаның атомдарының концентрациясына тең болғанша, бұл практика жүзінде 0⁰ С-де алынады. Мұндай жағдайларда «электрон-кемтік» жұптары аздаған мөлшерде пайда болғанымен, олар өткізгіштікке мәнді әсер ете алмайды.

Сондықтан, қоспасы жартылай өткізгіштерді қыздырған кезде, металдардағы сияқты, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы орташа температура интервалында, өзгермей қалады деп санауға болады. Бұл кезде қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі, металдардың өткізгіштігі сияқты, нашарлайды, өйткені өрістің әсерінен еркін зарядты тасымалдаушылардың реттелген ағынының, тордың жылулық тербелістерінің әсерінен шашырауының күшеюі есебінен, қозғалғыштығы азаяды.

Алайда жеткілікті жоғары температурада жартылай өткізгіштің өзіндік өткізгіштігі, «электрон-кемтік» жұптарының өте көп санының генерациялануы салдарынан сондай артып, енді оны қыздырған кезде еркін зарядты тасымалдаушылар концентрациясы тұрақты қалады деп санауға болмайды. Демек, қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі кенет өседі. Көп жағдайда қоспасы жартылай өткізгіштердің кедергісінің төмендеуі, қыздыру кезінде 100 – 200⁰ С-де басталады.

Жартылай өткізгіштің кристалына бір мезгілде акцепторлық және донорлық қоспа ендірсе, егер акцепторлық қоспа артық болса, онда кристалл р-типті, ал донорлық қоспа артық болса n-типті болып шығады. Мынадай жағдайда да болуы мүмкін, р-типті және n-типті қоспалар бірін-бір теңгеретіндей шамада ендірілген. Сонда, n-типті қоспаның атомдары иондалу кезінде пайда болған бос электрондар, р-типті қоспаның атомдары қамтып алып, «қозғалмайтын» n-типті атомның оң заряды, және р-типті атомның теріс заряды алынады, ал кристалдағы еркін зарядты тасымалдаушылар, қоспасыз жартылай өткізгіштегімен бірдей болады. Бұл құбылысты компенсация деп атайды. Мұндай жартылай өткізгіштің өткізгіштігі, қоспасыздығыдай аз болады.

n-типті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің электрондық сипаты және р-типті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің кемтіктік сипаты эксперимент жүзінде Холл эффектісін зерттегенде дәлелденеді. Холл эффектісі деп, ток жүріп тұрған жалпақ металл өткізгішті, пластинаға перпендикуляр магнит өрісін орналастырған кезде, оның ені бойынша екі шетінде потенциалдар айырымының пайда болу құбылысын айтады. n-типті жартылай өткізгіштегі бақыланатын холл потенциалдар айырымының таңбасы теріс ток тасымалдаушыларға, ал р-типті жартылай өткізгіштерде – оң тасымалдаушыларға сәйкес келеді.

Қоспалар тордың өрісін айнытады, кристалдың тыйым салынған зонасында орналасқан, қоспалық деңгейлердің энергетикалық сұлбасының пайда болуына алып келеді. Бұл қоспалық деңгейлер n-типті жартылай өткізгіштер жағдайында донорлық (18-сур.,а), ал р-типті жартылай өткізгіш жағдайында акцепторлық деп аталады (18-сур.,б).

18 - сур.

n – типті жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның жоғарғы жартысына орналасса, ал p – типті жартылай өткізгіште – тыйым салынған зонаның төменгі жартысында орналасады. Температура артқан кезде жартылай өткізгіштердің екі түріндеде Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның ортасына ығысады.

Егер донорлық деңгейлер валенттік зонаның төбесінен алыс орналаспаса, олар кристалдың электрлік қасиетіне мәнді әсер ете алмайды. Мұндай деңгейлердің өткізгіштік зонаның түбінен қашықтығы, тыйым салынған зонаның енінен едәуір аз болған жағдайда басқаша болады. Бұл жағдайда қалыпты температураның өзінде жылулық қозғалыс энергиясы, донорлық деңгейден өткізгіштік зонаға ауыстыру үшін жеткілікті болады (18-сур.а). Бұл процеске қоспа атомынан бесінші валенттік электронды бөліп алу сәйкес келеді. Қоспа атомының бос электронды қамтып алуына 18 – суретте, аз электронның өткізгіштік зонадан бір донорлық деңгейге көшуі сәйкес келеді.

Акцепторлық деңгейлер кристалдың электрлік қасиетіне, егер олар валенттік зонаның төбесіне жақын орналасса мәнді әсер етеді (18-сур.,б). Кемтіктің пайда болуына электронның валенттілік зонадан акцепторлық деңгейге ауысуы сәйкес келеді. Кері процесс қоспа атомының төрт коваленттік оның көршілерімен байланысының үзілуіне және бұл кезде пайда болған электрон мен кемтіктің рекомбинациясына сәйкес келеді.

Температура жоғарылаған кезде токтың қоспалы тасымалдаушыларының концентрациясы тез өзінің қанығуына жетеді. Бұл, іс жүзінде барлық донорлық электрондар босап шығатынын немесе барлық акцепторлық деңгейлер электрондармен толатынын көрсетеді. Мұнымен бірге температура өскен сайын, тікелей валенттік зонадан өткізгіштік зонаға электрондардың көшуімен байланысты, жартылай өткізгіштің өзіндік өткізгіштігі басым бола бастайды. Сонымен, жоғары температурада жартылай өткізгіштің өткізгіштігі коспалық және өзіндік өткізгіштіктен тұрады. Төменгі температурада - өзіндік өткізгіштік басым болады.

4.3. р - n ауысуының қасиеттері

Екі бөліктен тұратын жартылай өткізгіштің кристалын алайық: оның біреуі р-типті қоспалы және екіншісі n-типті қоспалы болсын. Бұл екеуінің шекарасы р-n ауысуы деп аталынады.

Айталық, жартылай өткізгіштің бұл екі бөлігі енді ғана түйістірілсін (шын мәнінде бұл бір кристалдың екі бөлігі, оның біреуінде р-типті қоспа басым болады). Сонда бірден электрондары көп n-типті жартылай өткізгіштен электрондар, олардың саны аз р-типті жартылай өткізгішке ауысады, ал кемтіктер кері бағытқа қарай орын ауыстырады. Бұл электрондар мен кемтіктердің диффузиясы екі сұйықтармен немесе газдармен өзара диффузиясына ұқсас, бірақ бұл процестерден айырмашылығы, электрондар мен кемтіктердің диффузиясы өте жылдам өтеді.

Кемтіктер мен электрондар зарядтарды тасымалдамайтын болса, олардың диффузиясы кемтіктер мен электрондардың концентрациясы толығымен теңескенге дейін жүрер еді. Алайда, n - аймақтан р - аймаққа көшкен электрондар теріс заряд алып өтеді, сонда n - аймақ оң зарядталады, ал р – аймақ теріс зарядталады. Қарама-қарсы бағыттағы кемтіктердің диффузиясы да р – аймақты теріс зарядтайды, ал n – аймақты оң зарядтайды, яғни р - және n – аймақтары арасында түйісу потенциалдар айырымы пайда болады.

Пайда болған электр өрісі кері ауысуға алып келеді: кемтіктерді n – аймақтан р-аймаққа және электрондарды р-аймақтан n- аймаққа (19-сур.,а).

19 – сур.

Шын мәнінде, р-аймақта тұрған еркін электрон хаосты қозғалыс кезінде ауысу қабатының А шекарасынан өтетін болса, онда өріс күштері n-аймаққа тартып алып кетеді. n – аймақта тұрған кемтіктер де сондай күйге ұшырайды. Ал р-аймақта тұрған кемтіктер АБ ауысу қабатына енетін болса, егер олардың кинетикалық энергиясы жеткіліксіз жағдайда өрістің әсерінен кері р-аймаққа тебіледі, сөйтіп олардың диффузиясын азайтады. АБ қабатынан n-аймаққа, тек жеткілікті кинетикалық энергиясы бар кемтіктер ғана өте асады (19-сур.,б). Бұл айтылғандар n-аймақтағы электрондарға да қатысты.

Сондықтан АБ ауысу қабатында, р-аймақтан n-аймаққа келетін кемтіктердің диффузиялық ағыны, АБ аймағындағы өрістің жасаған кемтіктердің қарсы ағынымен теңгеріледі (19-сур.,в). Бір мезгілде электрондардың да қарсы ағындары теңгеріледі.

19 – суретте көрсетілген процестерді айқынырақ түсіндірейік: а) р – және n – аймақтарының арасында жылжымалы тасымалдаушылар саны тіптен азайған, АБ қабаты пайда болды, онда барлық электр өріс шоғырланған; АО аймағында р-типті қоспаның иондары топталып тұр, ал БО аймағында n-типті қоспаның иондары топталып тұр; б) ауысу арқылы негізгі тасымалдаушылардың диффузиялық ағынының пайда болуының көрсетілуі, мұнда 1 - өрістің қарсы әсерін жеңе алмайтын электрондар мен кемтіктер, ал 2 - өрістің қарсы әсерін жеңуге жеткілікті энергиясы бар электрондар мен кемтіктер; в) АБ аймағындағы өрістің әсерінен ауысу арқылы негізгі емес тасымалдаушылардың ағынының пайда болуының көрсетілуі.

Қалыңдығы өте аз (бірнеше микроннан артық емес) АБ ауысу аймағында, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар ұсталып тұра алмайды, сондықтан онда тек АО аймағында акцепторлық қоспаның иондары, ал БО аймағында донорлық қоспаның иондары шоғырланып қалады. Барлық электр өрісі А және Б беттерінің арасында жинақталады да зарядтарға конденсатордың өрісі секілді әсер етеді. Конденсатордан айырмашылығы, мұнда өрісті жасайтын зарядтар бет бойынша орналаспайды, олар А және Б аралығындағы барлық көлем бойынша орналасады.

АБ аймағының сыртында электр өрісі болмағандықтан, сол және оң жағындағы зарядтар хаосты қозғалысында оның шекарасынан кедергісіз өтіп кете алады, бұл туралы жоғарыда айтылды. Кемтіктердің кету және n-аймақтан электрондардың келу нәтижесінде пайда болған р – аймағындағы артық зарядтар АО қабатында шоғырланады, ал р – аймағының барлық қалған бөлігі электрлік нейтраль күйінде қалады. n – аймағына да осы қатысты. Жылжымалы зарядтар қалмаған АБ қабатының өте үлкен меншікті кедергісі болады, бұл кезде кристалдың қалған бөліктеріндегі кедергі аз болады. Бұл, р-n ауысуы бар кристалдың барлық электрлік кедергісі АБ қабатымен жасалынады.

р- n ауысуының пайда болуын энергетикалық зоналар арқылы түсіндіріп көрейік. р-n ауысуында негізгі зарядты тасымалдаушылардың тепе-теңдікте болуы, олардың күйлері бірдей деңгейде болғанда іске асады, ал бұл энергетикалық зоналардың иілуіне алып келеді (20-сур.).

Ауысу аймағындағы энергетикалық зоналардың иілуінің себебі, тепе-теңдік күйде р-аймағындағы потенциалдың n-аймағындағы потенциалдан

20 – сур.

төмен болуы. Валенттік зонаның төменгі шекарасы электронның потенциалдық энергиясына Е_рэ, ауысуға перпендикуляр бағытта жол береді (21-сур.,а). Кемтіктің заряды электронның зарядына қарама-қарсы, сондықтан олардың потенциалдық энергиясы Е_рк, Е_рэ-нің аз жерінде көп болады және керісінше (20-сур.,а).

21 – сур.

Тепе-теңдік күйінде негізгі тасымалдаушылардың кейбір мөлшері потенциалдық бөгеттен өтіп кете алады, осының салдарынан ауысу арқылы аздаған ток І_нег. жүреді (21-сур.,а). Бұл ток негізгі емес тасымалдаушылардың қарама-қарсы І_н.емес тогымен компенсацияланады. І_н.емес шамасы секунд сайын пайда болып жатқан негізгі емес тасымалдаушылардың санымен анықталады және потенциалдық бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді болмайды. Керісінше, І_нег шамасы бөгеттің биіктігіне күшті тәуелді. Тепе-теңдік потенциалдық бөгеттің, екі І_нег және І_н.емес токтары бірін-бірі компенсациялайтын, деңгейде орнығады.

Кристалға, плюсі р – аймаққа, ал минусы - n – аймаққа жалғасқан бағытта, сыртқы кернеу берейік (мұндай кернеу тура деп аталынады). Бұл р – аймақтағы потенциалдың жоғарылауына (яғни Е_рк артады, Е_рэ кемиді) және n-

Аймақтағы потенциалдың төмендеуіне (яғни Е_рк кемиді, Е_рэ артады) алып келеді (21-сур.,б). Мұның нәтижесінде потенциалдық бөгеттің биіктігі кішірейеді де І_нег ток өседі. Ал ток І_н.емес іс жүзінде өзгермей қалады (жоғарыда келтірілгендей, ол бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді емес). Демек, қорытқы ток нольге тең болмай қалады. Потенциалдық бөгеттің төмендеуі түсірілген кернеуге пропорционал (ол еU-ға тең). Бөгеттің биіктігін төмендеткен кезде негізгі тасымалдаушылар тогы, демек, қорытқы ток, тез өседі. Сонымен, р – аймақтан n – аймақ бағытында ауысу ток өткізеді, оның күші түсірілген кернеу артқанда тез өседі. Бұл бағыт тура деп аталынады.

22 – суретте р-n ауысудың вольт-амперлік сипаттамасы берілген. Тура кернеуде кристалда пайда болған электр өрісі негізгі тасымалдаушыларды

22 – сур.

аймақтар арасындағы шекараға «сығады», осы себептен тасымалдаушылары жоқ ауысу қабатының ені қысқарады. Демек, ауысу кедергісі де азаяды, бұл кернеу неғұрлым үлкен болған сайын, солғұрлым көп азаяды. Сондықтан өткізу аймағындағы вольт-амперлік сипаттама түзу болып келмейді (22 – суретте оң тармақ).

Енді кристалға n – аймаққа плюс, ал р – аймаққа минус қосылатындай етіп кернеу түсірейік (бұл кернеу кері деп аталынады). Бұл потенциалдық бөгеттің көтерілуіне және негізгі тасымалдаушылар ток күшінің І_нег кемуіне алып келеді (21-сур.,в). Бұл кезде пайда болған қорытқы ток (кері ток деп аталынатын) қанығу мәніне тез жетеді (яғни кернеуге U тәуелсіз болып) және І_н.емес токқа тең болады. Сонымен n – аймақтан р – аймаққа қарай бағытта (кері ток) р-n ауысуы, негізгі емес тасымалдаушылар қамтамасыз ететін, әлсіз ток өткізеді. Тек өте үлкен кері кернеуде, ауысудың электрлік тесілуі арқасында, ток күші бірден арта бастайды (22 – суретте сол тармақ). әрбір р-n ауысуы, оның бүлінбей шыдауға қабілеттілігі болатын, өзінің кері кернеуінің шекті мәнімен сипатталады.

22 – суреттен көрініп тұр, р-n ауысуы тура бағытқа қарағанда, кері бағытта едәуір үлкен кедергіге ие болады. Бұл былай түсіндіріледі, кристалда пайда болған өріс кері кернеу қосылған кезде, аймақтар арасындағы шекарадан негізгі тасымалдаушыларды кері «тартып» алады, бұл тасымалдаушылары кеміген, ауысу қабатының енін ұлғайтады. Осыған сәйкес ауысудың кедергісі де артады.

5. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІК ҚҰРАЛДАР