Жартылай өткізгіштердің қоспалы өткізгіштігі

Жартылай өткізгіштің қасиеттеріне және оның өткізгіштік сипатына қоспалар үлкен әсер етеді. Әдетте өткізгіш ішінде түрлі қоспалар бар, бірақ солардың ішінде жартылай өткізгіштің қасиетін айырып анықтап беретін біреуі болады.

Жартылай таза өткізгіш болатын германий (Ge) атомдарының арасындағы байланыстың табиғатын қарастырайық. Германий атомында төрт валентті электрон бар (3,12.в-сурет). Осы электрон-дардың әрқайсысы екі атомның ядро-ларында бірдей айналады. Сондықтан атомдар арасындағы әрбір байланыс түзелгенде, екі электрон бір мезгілде қатысады, бірақ бұл электрондар әр түрлі атомдарға жатады. Атомдар арасында осындай байланыстар ковалентті байла-ныстар деп аталады.

Егер германийдің кристалды торына бес валентті сурьманың (Sb) атомын ендірсе, онда оның төрт электронды ковалентті байланыс жасауға қатысады, ал бесінші электрон байланыс жасауға қатыспайды. Ол ядроға нашар тартылып байланысады (28-сурет). Сондықтан жылулық қозғалыстың нәтижесінде, тіпті бөлме температурасының өзінде де, әлгі электрон оңай жойылып кетіп,еркін электрон болып шыға алады. Бұл жағдайда кемтік пайда болмайды, өйткені германийге тән кристалдың осы шыққан құрамындағы ковалентті байланыс қоспаның төрт электронымен толық қалпына келеді, бірақ тордың түйінінде германий атомының орнында қоспаның оң ионы тұрады. Осы ион тормен берік байланысқандықтан, қозғалысқа қатыса алмайды. Сондықтан ионнан пайда болған жалғыз еркін заряд электрон болады.Осындай қоспаның электрондарының есесіне электрондық өткізгіш шығарып беретін жартылай өткізгіш п тектес (теріс таңбалы) жартылай өткізгіш деп аталады.

Енді аймақтық теория бойынша, осы п тектес жартылай өткізгіштік үрдісін түсіндірейік (3,12.г, д-сурет). Негізгі элементің атомына қоспа атомын ендіру оның кеңістік торының өрісін өзгертіп, тыйым салынған зонаның ішінде қосымша Д деңгейдің пайда болуына әкеп соғады. Яғни, бұл сурьма атомының валенттік электрондарының орналасқан деңгейі. Сондықтан мұны қоспаның деңгейі немесе донорлық деңгейі деп аталады. Ол өткізгіштік деңгейдің астыңғы жағына жақын орналасады да, энергиясы ∆Е_Д = 0,015 эB тең болады.

Әрине, бұл энергияның шамасы тыйым салынған аймақ энергиясынан әлдеқайда аз, яғни ∆Е_Д<<∆Е. Сөйтіп жай температуралардың өзінде де жылулық қозғалыс энергиясының өзі қоспа деңгейіндегі электрондарды өткізгіштік аймаққа өтіу үшін жеткілікті.

Кристалдық торға қоспаның, мысалы индийдің (In) үш валентті атомын ендіруге болады. Бұл жағдайда толық ковалентті байланыс жасау үшін бір электрон жетіспейді. Бос орын пайда болады, бірақ төмен температураларда оның орны толмайды, өйткені оны толтырарлық электрондар жоқ.

г)

д)

Сурет 3,12.г, д

Температура көтерілген сайын валенттік байланыстарды үзетіндей қолайлы жағдайлар жасалынды, ол өте жоғары температурада германийдің көрші атомдарындағы ковалентті байланыстарға қатысатын электрондарды бос орындарға ауысатынына байқалады (28.а-сурет). Сөйтіп германий атомдарының валенттік байланыстарының құрамында кемтік пайда болады. Бұл кемтік енді оң зарядты еркін тасушылар есебінде орын ауыстра алады. Теріс таңбалы индий иондары кристалдық тордың түйіндерінде қозғалмай тұра береді, өйткені олар германийдің көрші атомдарымен тығыз байланысқан. Осындай жартылай өткізгіште электр тоғы кемтіктер қозғасысымен жасалады, сондықтан оның кемтіктік өткізгіштігі болады да, р тектес (оң таңбалы) жартылай өткізгіш деп аталады. Осы үрдістің механизмін зоналық теория бойынша түсіндірейік.. Үш валентті атомын ендірудің нәтижесінде тыйым салынған аймақтың төменгі жағында тағы да бір қосымша А деңгейі пайда болады. Бірақ бұл деңгей электрондармен толтырылмаған және ол төменгі электрондармен толтырылған валенттік аймақтың жоғарғы жағына орналасқан. Осы деңгейдің энергиясы ∆Е_А = 0,08 эB тең болады да, мұны акцепторлық деңгей деп атайды. Бұл деңгейде электрондармен заряд тасушылар ролін атқармайтын болғандықтан, заряд тасушылар тек валентілік аймақтарда пайда болатын кемтіктер болып есептеледі. Іс жүзінде жартылай өткізгіштердің бәрінде де әр түрлі қоспалар бар. Алайда осы қоспа түрлерінің біреуі басымдау болады. Осыған байланысты жартылай өткізгіштер екі текке бөлінеді. Егер электрондық өткізгіштік басым болса, онда негізгі заряд тасушылар электрондар деп, ал егер кемтіктік өткізгіштік басым болса, онда негізгі заряд тасушылар кемтіктер деп саналады. Дегенмен, негізгілерге таңбасы қарама қарсы зарядтар да, негізгі емес заряд тасушылар да түрлі жартылай өткізгіштерде маңызды рол атқарады. 3,12.б-сурет жартылай өткізгіщтердің меншікті және қоспалы өткізгіщтіктерінің температураға тәуелділіктері көрсетілген,яғни ℓп б~1/Т. Мұндағы ав кесіндісі жартылай өткізгіштердегі қосалқы көрсетеді. Онда негізінен қоспалы өткізгіщтіктің заряд тасушылар концентрациясының артуы температура-ның өсуіне байланысты артатындығын сипаттайды да, сд бөлігінде қоспадағы заряд тасушылар санының мүлдем азайғандығын көрсетеді.

Сонымен егер металдарда заряд тасушылар саны мен олардың энергиясы температураға тәуелді болмаса, жартылай өткізгіштерде заряд тасушылар саны және олардың энергиясы температураға күшті тәуелді болып, температура өскен сайын артып отырады.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: