Меншікті қоспалы жартылай өқткізгіш

Жартылай өткізгіш материалдарының меншікті кедергісі 10⁸...10⁶ Ом^.м аралығын қамтиды. Жартылай өткізгіштер басқа қатты кристалдық материалдардан өзінің электр өткізгіштігіне, кристалдардың энегиялық күйіне, электр қасиетінің температурадан тәуелділігінің сипатына қарай, сәуле шығару және басқа да сыртқы әсерлеріне қарай ажыратылады. Электрондық процестерді бақылай отырып, жартылай өткізгіш құралдардағы электр тоғын басқаруға болады.

Электр өткізгіштік –дегеніміз еркін электрондардың қозғалысы мен түсіндірілетін қатты денелердің ең маңызды қасиеттерінің бірі. Бұл электрондарымыз кезінде атом ядросымен байланыстарды үзгендіктен осылай еркін қозғалыста болады. Сондықтан мұндай электрондар атомдар арасында еркін қозғала алады және басқа электрондармен ядролармен және электр өрісімен әсерлеседі. Электр өткізгіштігіне қарай барлық заттар шартты түрде өткізгіштер,жартылай өткізгіштер және диэлектриктер деп бөлінеді. Өткізгіштердің (металдардың) электр өткізгіштігі σ=10⁷÷10³См^.м^-1, жартылай өткізгіштік σ=10³÷10^-8См^.м^-1, диэлектириктік - σ=10^-8÷10^-15См^.м^-1. Жартылай өткізгіштік материалдар меншікті және қоспалы деп бөлінеді.

Меншікті жартылай өткізгіштер деп, олардың электр өткізгіштеріне ықпалы болатын, қоспалары жоқ, жартылай өткізгіштерді айтады. Оларға Д.И.Менделеев кестесінің төртінші тобындағы көптеген элементтер жатады. Кристалдарды бұл элементтердің әрбір көрші екі атомы валенттік екі электрондармен біріккен; мұндай байланыс қос электрондық немесе коваленттік байланыс деп аталады.

Қоспалы жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштіктері электрондық немесе тесіктік электр өткізгіштігі айқын байқалатын қоспалармен анықталады. Кристал жартылай өткізгіштіктің электр өткізгіштігінің тиімді болу себебі оның басқа түрлі валентті элементтердің болуымен түсіндіріледі. Басы артық еркін электрондар беретін, төрттен жоғары валенттілігі бар қоспаларды донорлық деп атайды. Тесіктердің санын көбейтетін, басы артық тесікте беретін төрттен төмен валенттілігі бар қоспаларды акцепторлық деп атайды. Кремний кристалының бір атомы бес валентті мышьяктың (As) атомы мен ауыстыру схемасы келтірілген.

Тесіктік элекрт өткізгіштігі (р-түріндегі) алу үшін жартылай өткізгіштің құрамына үш валентті элементтер- бор, алюминий, индий және т.б. ендіріледі. Қоспалы жартылай өткізгіштің тесікті электр өткізгіштік механизімі көрсетілген. Шартты түрде, кремний торы және үш валентті бор атомы бейнеленген. Бор атомының үш валенттік электрондары көршісінің төрт валенттігімен байланыс жасауға жеткіліксіз. Сондықтан байланыстың біреуі жарақталмаған болып шығады және ол электронды өзіне тартып алуына мүмкіншілігі бар орынға айналады. Осы орынға көршіден бір электрон көшкендіктен байланыста тұрған көрші кремний атомдардың қос электронының бірінің орны басып, тесік пайда болады. Бұл тесік ендігі жерде кристалда көшіп жүреді. Ал қоспаның атомы қозғалмайтын теріс ионға айналады.

Жартылай өткізгіштердің зоналық үлгісі. Меншікті және қоспалы жартылай өткізгіштердің электрондық процестерін олардың энегиялық күйлерінің диаграммасы арқылы талғаған жөн.

Алғаш рет жұмыс жасайтын транзисторды Bell фирмасының зертқанасында 1948 ж. Джон Бардин, Уолтер Браттейн және Уильям Шокли жасап шығарды. Электрондық шамдардан артықшылығы жағынан электрондық байланыс құралдар обылысында төңкеріс жасады және есінің көлемі үлкен тез есептегіш электронды –есептеу машиналарында кеңінен қолдануды жүзеге асырды. Транзистордың ең танымал артықшылығы: оның көлемінің аздығы; кернеудің азғана мәнінде жұмыс жасағанда, үлкен қомақты қоректендіру көзін тілемеуі; оның қыздырушы катодының жоқтығы (катодты қыздыруға және жылуды әкетуге уақыт қажет) және ол бір бит ақпаратқа есептегенде аз санды энергия жұмсайтындығы. Қайсыбір сараптамаладың қортындысына қарағанда, бұл энергияның (транзистордың жұмсайтыны) шамасы, мидың нейрондарының пайдаланатын энергиясымен пара-пар екен.

Ең жиі қолданылатын жартылай өткізгіштер: кремний, германий, галлий арсениді, селен, теллур, әртүрлі оксидтер, сульфидтер, нитридтер және карбидтер. Егер әртүрлі элементтердің атомдарының құрылысын қарастырсақ онда электрондармен толыққан (ішкі) және толықпаған қабықшаларын (сыртқы) бөлуге болады. Соңғысы ядромен әлсіз байланыста болғандықтан басқа атомдармен оңай әсерлеседі. Сондықтанда сыртқы толықпаған қабықтағы электрондарды валентті деп атайды. Молекула құрғанда жеке атомдардың арасында әртүрлі типтегі байланыстар болады. Жартылай өткізгіштер үшін ең көп тарағаны ковалентті байланыс. Мысалы, Кремнийдің (Si) атомы төрт валенттік электронға ие, молекулаларда көршілес төрт атомның арасында ковалентті байланыс болады (сурет 1). Абсолютті таза және біртекті жартылай өткізгіште нөлден өзгеше температурада бос электрондар мен кемтіктер жұп құрады, яғни электрондар мен кемтіктердің саны тең болады. Мұндай жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі меншікті электр өткізгіштік деп аталады.

Сурет 1

Таза күйінде Si және Ge диэлектриктік қасиеттерге иеленеді, бірақ олардың өткізгіштігі аз мөлшерде (шамада) қоспаларды енгізсе түпкілікті өзгереді. 2 суретте Ge-дің (кристалл торының) моделі, оның бір атомын As (күшән) атомымен орынбастырылған. Міне осы As-атомды қоспа дейді. Күшәннің (As-тің) сыртқы орбитасында 5 электрон, сондықтан Ge-кристалына «тұрғанда» оның бір электроны еркін болып қалады.

Бұл артық электрон өте қозғалғыш, сондықтан потенциалдар айырымы пайда болғанда ток тасымалдаушы бола алады. Еркін электрондар санын (мөлшерін) жартылай өткізгіш ішіне енгізілетін қоспа атомдар санын өзгертіп бақылауға (тексеруге) болады. Қоспаларды жартылай өткізгіштерге енгізгенде еркін электрондар пайда болса – бұл жартылай өткізгіш енгізілген қоспа донор деп аталады, ал жартылый өткізгішінің өзі қоспалы жартылай өткізгіш деп аталады.