Электронды және кемтікті жартылай өткізгіштер. Акцепторлы және донорлы энергетикалық деңгейлер. p-n ауысудың әрекет принципі

Электронды және кемтікті жартылай өткізгіштер. Акцепторлы және донорлы энергетикалық деңгейлер. p-n ауысудың әрекет принципі

Жартылай өткізгіштердің металдардан ерекшелігі оларда ток тасымалдаушының екі түрі болады. Олар: электрондар мен кемтіктер. Электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа өткен кезде валенттік зонада кемтіктер (бос орындар) пайда болады. Сыртқы өріс әсерінен бос орынға көршілес атомның байланысқан электрондарының бірі келіп түседі де, есесіне ол атомдағы электронның орны бос қалады. Осының салдарынан кемтіктер электрондар бағытына қарама-қарсы қозғалатындай әсер қалдырады.

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің екі түрі болады. Олардың бірі- меншікті (таза жартылай өткізгіштер), екіншісі қоспалы деп аталады. Меншікті жартылай өткізгіштерде кемтіктер мен электрондар саны тең болады. Қоспалы жартылай өткізгіштерде негізгі ток тасымалдаушысы электрондар болса n-типті, ал кемтіктер болса р-типті өткізгіштік деп аталады.
Электрондардың бос және валенттілік аймақта үлестірілуі Ферми-Дирак функциясымен сипатталады. Есептеулер Ферми деңгейі тыйым салынған

аймақтың ортасында орналасатынын көрсетеді, яғни
W W_F
 W / 2
. Бос

аймақтың деңгейлерінің толу ықтималдығын былай жазуға болады:
_{f W   e}W / 2kT _{. (5.1)}
Бос аймаққа өткен электрондар саны және пайда болған кемтіктер саны
f ^W ^ функциясына пропорционал болады. Бұл электрондар мен кемтіктер –
ток тасымалдаушылар, бос аймақ - электрондардың өткізгіштік аймағы, ал валенттілік аймақ - кемтіктердің өткізгіштік аймағы.

_ W
   ₀ e ^2kT

, (5.2)

мұндағы  ₀  const .
Бұл өрнектен температура артқан сайын жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі шапшаң артатындығын көруге болады. Жартылай өткізгіштер мен металдардың өткізгіштіктерінің температураға байланыстылығы қарама-қарсы.
Жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі өте аз, себебі тыйым

салынған аймақ W
әлдеқайда артық.
ені (активация энергиясы) kT жылулық энергиядан

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігін оларға қоспалар қосу арқылы едәуір арттыруға болады. Қоспаның валенттілігіне байланысты тыйым салынған аймақтарда (донорлық қоспада бос аймақтың түбіне жақын аймақта, акцепторлық қоспада валенттілік аймақтың жоғарғы жағында) қосымша деңгейлер пайда болады. Қоспалы жартылай өткізгіштер қазіргі заманғы электроникада кеңінен қолданылады.
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-бірі 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, қоспасыздағыдай 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