Жарты өткізгіштер. Электрондық эмиссия теориясының негіздері

Валенттік зонаның деңгейлерінде түгелдей электрондар орналасқан. Электрондарды бос зонаға өткізу үшін оның энергиясы тыйым салынған зонаның (DЕ) енінен кем болмауы тиіс. Егер DЕ үлкен болмаса, онда жылулық қозғалыстың энергиясы (kТ) электрондардың бір бөлігін жоғары бос зонаға көшіруге жеткілікті болады. Сонымен қатар валенттік зона электрондарының оның бос қалған жоғары деңгейіне көшуіне мүмкіндік туады. Сондықтан осындай заттар электрондық жартылай өткізгіш деп аталады (36-сурет).

Егер тыйым салынған зонаның DЕ ені үлкен болса, онда жылулық қозғалыс бос зонаға электрондарды жеткізе алмайды. Мұндай кристалдар изолятор деп аталады (37-сурет).

Сонымен электр тогы деп зона көлемінде электронның өріс әсерінен төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге ауысуын айтады. Ол үшін зонада иеленбеген деңгейлер болуы қажет. Сөйтіп зонада бос энергетикалық деңгейлердің бар болуы, өтікізгіштің қажетті шарты болып табылады. Осындай толтырылмаған зоналар (бос зона) өткізгіштік зона деп аталады.

 

                                                                           Өткізігштік зона

                                                                                                                                           

 

      Өткізігштік  зона                     

                                                                                                          тыйым 

                                                                                      Е=6эВ         салынған

                                                                                        (NaCl)       зона

DЕ            Е£1эВ        тыйым

                                    салынған

                                    зона

                                                                                       

       Валенттік  зона                                     

                                                                                       Валенттік зона

                                                                           

    Жартылай өткізгіш                          Диэлектрик

        36 – сурет                                                        37 - сурет

 

34-37-суреттерден зоналардың электрондармен толтырылу дәрежесіне қарай және тыйым салынған зонаның енділігіне сәйкес өзгешеліктерін айқын білуге болады.

3. Металдардың, жартылай  өткізгіштердің және диэлектриктердің  зоналық теориясы. Жартылай өткізгіштердің металдан айырмашылығы, ең алдымен оларда кәдімгі температурада еркін электрондар саны металдікінен анағұрлым кем, яғни бірлік көлемде (бөлме температурасында) 1011-1013-дей еркін электрондары болады. Жартылай өткізгіштерде еркін электрондар саны аз болғандықтан, олардың меншікті кедергісі (r) үлкен болады. Жартылай өткізгіштердің қатарына германий, кремний, селен, мыстың шала оксиді, күкіртті қорғасын және басқа көптеген заттар жатады.

Жартылай өткізгішті ток көзіне жалғап, оны қыздырсақ, біз ондағы токтың кенет артқанын байқаймыз. Ал ток жүріп тұрған металл өткізгішті қыздырғанда, ондағы ток кемиді. Олай болса, жартылай өткізгіштердің металдардан өзгешелігі олрдың кедергісінің температураға тәуелділігінде. Жартылай өткізгіштерді қыздырғанда еркін электрондардың саны кенет көбейеді. Егер жартылай өткізгішті жоғары температураға дейін қыздырса, оның мешікті кедергісі металдың меншікті кедергісіне жуықтайды. Мұның механизмі мынандай: жартылай өткізгіштердің валенттік зонасы түгелдей электрондармен толған, ал тыйым салынған зонаның ені онша үлкен емес, температура артуымен валенттік зонадағы электрондардың бір бөлігі өткізгіштік зонаға ауысады, ал төменгі зонадағы босап қалған орындар кемтіктер деп аталады (36-сурет). Өткізгіштік және валенттік зоналарда электр өрісінің әсерінен электрондар қосымша жылдамдық алады да, электр өткізгішті туғызады. Тыйым салынған зонаның ені, яғни энергиясы DЕ£1 эВ жуық. Егер қыздыру температурасы 0К болса, онда жартылай өткізгіштік диэлектрикке айналады.

Демек, жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі температураға байланысты тез өседі де, олардың меншікті кедергісі (r) осыған сәйкес кемиді.

Ішінде қоспасы жоқ жартылай өткізгіштің өткізгіштігін меншікті өткізгіштігі деп атайды.

Абсолют ноль (0К) температурадағы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі болмайды деуге болады, себебі бұл температурада жартылай өткізгіштердің ішінде еркін электрондар, яғни өткізгіште электрондар жоқ деген сөз. Сонымен жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі металдардікінен аз да, диэлектриктердікінен көбірек болады.

Жартылай өткізгіштер  тобына Менделеев ашқан элементтер жүйесінің (IV,V,VI) тобындағы-Ge, Si, As, Te, Se сияқты элементтер және де оксидтер, сульфидтер, сонымен қатар осылардың қорытпалары жатады.

Жартылай өткізгіштердің температурасы жоғарлаған кезде валенттік электрондар қосымша энергия алып, олардың кейбіреулері атоммен байланысын үзіп, еркін электрондарға айналады. Электрондарды атомнан жұлып алуға қажетті энергияны иондалу энергиясы деп атайды.

Жартылай өткізгіштердегі өткізгіш электрондар металл ішіндегі өткізгіш электрондар тәрізді, яғни олар кеңістік тордың атомдары мен иондарының ара-арасында еркін орын ауыстырып жүре алады. Ал иондалған атомдар кристалдық тордың тораптарында берік байланысқандықтан олар еркін орын ауыстырып жүре алмайды.

Жартылай өткізгіштегі иондалған атомнан кеткен электронның орны босап (вакантты орын болады), осы орынды басқа электрон алуы мүмкін. Сондықтан осы бос орын кемтік  деп аталады.

Егер бос орынға көршілес атомның байланысқан электрондарының біреуі ауысып келсе, бұл орын сонымен толады, бірақ оның есесіне көрші атомда бос орын пайда болады. Осылай, өз атомымен байланысын үзбеген немесе байланысқан электрондардың бос орындарға бірте-бірте ауысып, оларды толтырып отыруының салдарынан кемтік үздіксіз жылжып отырған тәрізденеді (38-сурет).

Сөйтіп таза жартылай өткізгіште кемтік саны қашанда электрондардың санына тең болады (ne=no), олар электрондар сияқты бейберекет қозғалып отырады.

Сонымен валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауысқан электрондар саны мына шамаға тең:       n=Ae- DE/(kT)                                                    (12.1)

мұндағы А-температураға байланысты тұрақты шама, DЕ-тыйым салынған зонаның ені, яғни  DЕ=Е2-Е1.

Сонда жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі электрондар арқылы жүргізілсе, онда оны электрондық өткізгіштік немесе n-типті өткізгіштік деп атайды.

Ал керісінше жартылай өткізгіштіктің мешікті өткізгіштігі кемтіктер арқылы жүргізілсе, онда мұндай өткізгішті кемтіктік өткізгіштік немесе р-типті өткізгіштік деп атаймыз.

 

 

 

                                  

                өткізігштік зона                                Lns       

 

                                                                                

    E2                                                                             

                                                                                                              

                                          DЕ             тыйым

    EF                                                    салынған

                                                            зона

                                                                                       

    E1                                                     

 

               Валенттік зона                           1/T

 

                    38-сурет                                                                   39-сурет

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігін әдетте сыртқы әсерлердің жәрдемі арқылы іске асырылады. Мысалы, температурасын арттыру, сәулелендіру, күшті электр өрісін тудыру т.т. Сондықтан олардың өткізгіштіктері әр уақытта қоздырылған болып табылады.

38-суретте көрсетілген ЕF Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның қақ ортасында жатады, яғни ЕF=DЕ/2. Ал, тыйым салынған зонаның еніне лайық энергия DЕ негізінде валенттік зонаның ең жоғарғы деңгейінде (Е1) орналасқан электрондарды өткізгіштік зонаның ең төменгі деңгейіне (Е2) жеткізу үшін қажетті энергия шамасы болып есептеледі, сондықтан бұл энергия активтену энергиясы деп аталады. Олай болса, Ферми энергиясы жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігіндегі электрондар мен кемтіктерді қоздыру үшін қажетті энергия екен.

Демек, жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі (s) температураға байланысты тез өседі, ал керсінше олардың меншікті кедергісі (r) осыған сәйкес кемиді. Мысалы кремнийдің 200С-ғы меншікті кедергісі r=6·104 Ом·см болса, 7000 С-та r=0,1Ом·см ғана. Сөйтіп, температура өсуімен бірге өткізгіштіктің артуы жартылай өткізгіштерде тасушыларды туғызады деп түсіну керек.

Енді s~Т-ға тәуелділігін график түрінде көрсетуге болады. Мысалы, Ln s~1/T графикке салсақ (39-сурет), онда жартылай өткізгіштер үшін түзу сызық шығады. Сөйтіп оның көлбеулігі арқылы тыйым салынған зонаның енін DЕ анықтауға болады. Ал өткізгіштік шамасын мына өрнек арқылы табамыз:

s=s0е-Е/(2kT)                                   (12.2)

мұндағы sо-әр түрлі жартылай өткізгіштерге тән тұрақты шама.

Егер кемтіктер оң зарядталған бөлшектер ығысатын жаққа қарай орын ауыстырса, онда кемтікте абсолют шамасы электрон зарядына тең, оң зарядтың таңбасы бар деп ұйғаруымыз керек. Сонымен, жартылай өткізгіш ішіндегі ток тек өткізгіш электрондардың қозғалысымен ғана емес, кемтіктердің қозғалысымен де жасалады. Міне сондықтан, жартылай өткізгіштерде әрі электрондық, әрі кемтіктік өткізгіштік бар дейміз.

Өткізгіш электрондар кемтіктердің қозғалу процесінде еркін электрондар атом жүйесіндегі бос орындарды толтырып бейтарап күйге қайта көшіреді. Осындай процесінде еркін электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясы деп атайды. Бұл иондалуға кері процесс, өйткені мұндай өткізгіш электрондар мен кемтіктер жойылады. Жартылай өткізгіш ішінде осы көрсетілген екі процесс қабаттаса жүреді де, температура өзгермесе өткізгіш электрондар мен кемтіктердің тығыздығы бір қалпында сақталады.

4. Жартылай өткізгіштердің  меншікті және 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. Осы электрондардың әрқайсысы екі атомның ядроларына бірдей айналады. Сондықтан атомдар арасындағы әрбір байланыс түзілгенде екі электрон бір мезгілде қатысады, бірақ бұл электорндар әртүрлі атомдарға жатады. Атомдар арасындағы осындай байланыстар ковалентті байланыстар деп аталады.

Егер германийдің кристалды торына бес валентті сурьманың (Sb) атомын ендірсе, онда оның төрт электроны ковалентті байланыс жасауға қатысады, ал бесінші электрон байланыс жасауға қатыспайды. Ол ядроға нашар тартылып байланысады. Сондықтан жылулық қозғалыстың нәтижесінде, тіпті бөлме температурасының өзінде де, әлгі электрон оңай шетінеп 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 мұнан пайда болған жалғыз еркін заряд электрон болады. Осындай қоспаның электрондарының есесіне электрондық өткізгіш шығарып беретін жартылай өткізгіш n-типтес (теріс таңбалы) жартылай өткізгіш деп аталады.

Енді зоналық теория бойынша осы n-типтес жартылай өткізгіштік процесін түсіндірейік (40-сурет). Негізгі элементтің 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 деңгей деп атайды. Ол өткізгіштік деңгейдің астынғы жағына жақын орналасады да энергиясы DЕr=0,015 эВ тең болады.