Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі

Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 36 бет
Таңдаулыға:

Мазмұны

Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 5
1. Теориялық бөлім
1.1. Жартылай өткізгіштер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..6 -8
1.2.Жартылай өткізгіштердің түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...9-12
1.3. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі ... ... ... ... ... ... ... ..13-16
1.4. р - n ауысуының қасиеттері ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... ... .17-20
1.5. Жартылай өткізгішті диод ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 21-29
1.6. Жартылай өткізгішті диодтың жұмыс істеу принципі ... ... ... ... 30-34
1.7.Буль алгебрасы.Буль алгебрасының негізгі тұжырымдамасы ... ..35-56
1.8. Буль функцияларының канондық формалары ... ... ... ... ... ... .. ... ..37

2.Есептік бөлім
2.1.Транзисторлы күшейткіш каскадтың графоаналитикалық есебі ... .38-43 Қорытынды ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..44
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... . ... ... ... ... ... ... ... ... .45

Кіріспе

Екі өткізгішті бір-біріне түйістірген кезде жылулық қозғалыстың әсерінен электрондар бір өткізгіштен басқа өткізгішке өтеді. Егер түйісетін өткізгіштер әртүрлі материалды болып келсе немесе олардың әртүрлі нүктелеріндегі температуралары бірдей болмаса ,онда электрондар диффузиясының екі жақты ағындары бірдей болмайды, осының нәтижесінде бір өткізгіш оң, ал екіншісі-теріс зарядталып қалады. Сондықтан өткізгіштің ішінде және өткізгіштер арасындағы сыртқы кеңістікте электр өрісі пайда болады. Тепе-теңдік күйінде өткізгіштің ішінде диффузия ағындарының айырмашылығын дәл компенсациялайтын өріс тұрақталанады.Осы электр өрістерінің болуына өткізгіш-жартылай өткізгіш түйісулерінде пайда болатын бірқатар құбылыстар негізделінген.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін зоналық теория негізінде кванттық механика жан-жақты түсіндіріп бере алады.Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерден принципиалдық айырмашылығы жоқ. Себебі бұл екуінде де еркін зарядты тасымалдаушылар жоқ, оларды пайда ету үшін кейбір энергия жұмсау керек. Бірақ егер бұл энергия диэлектриктер үшін өте үлкен болса, ал жартылай өткізгіштер үшін ол аз болады.
Ғылыми абстракциялардың қалыптасу әдісі адамның танымдық іс-әрекетінің жалпы бір әдісі болып табылады. Математикалық танымның өте бір кең тараған түріне сәйкестендіру абстракциясы жатады.
Біртекті объектілер жиынын қарастыруда олардың әртүрлі жалпы қасиеттері айқындалады. Бұл қасиеттерді таңдау зерттеу мақсатына сәйкес жүргізіледі.
Бұл жағдайда, қарастырылып отырған жиынын объектілерінің арасындағы маңызды емес қасиеттерге көңіл аудармай, олардың маңызды ортақ қасиеттері зерттеледі. Осыдан соң ерекшеліп алынған қасиеттердің көмегімен ажыратуға болмайтын жиын объектілері сәйкестендіріледі.
Өзара сәйкестендірілген объектілердің әрбір класы жаңа табиғатты объект ретінде формаль тілдің белгілі бір термині немесе таңбасы арқылы белгіленеді. Ол әрекетте, ерекшеленген қасиеттер жиынтығы бар осы кластың барлық объектілерінің иелік өлшемінің негізі (бейнесі) болады. Біртекті объектілер жиынын қарастырғанда ерекшеленген қасиеттер жаңа үғымдардың мағынасының кері бейнесін кескіндейді және олар сәйкестендірілген элементтер кластарымен және олардың көлемімен одақтастырылады.
Сәйкестендіру абстракциясын қолдану нәтижесінде ерекшеленген математика ұғымдарына (объектілеріне) қатысты, олар абстракция әдісін қолдану нәтижесінде алынған - деп айтады.

1.Теориялық бөлім
1.1. Жартылай өткізгіштер - өзінің электрлік қасиеті жағынан өткізгіштер мен диэлектриктердің (мысалы, германий, кремний) арасынан орын алатын элементтер. Металдармен салыстырғанда жартылай өткізгіштер элексир тоғын аз өткізеді, ол сәулелену кезінде жарық энергиясының ағымымен өзгере алады. Радиолампаларменсалыстырғанда жартылай өткізгіштер құралдардың көлемі мен салмағы аз, электрлік және механикалық беріктігі жоғары болады, олар ұзақ уақыт қызмет ете алады жәнеэлектр энергиясын аз пайдаланады. Осындай қолайлы қасиеттеріне орай жартылай өткізгіштерді әскери радиотехникалык аппаратураларда жиі қолданады.
Жартылай өткізгіштердің ерекшеліктері. Жартылай өткізгіштердің кәдімгі температурадағы электрөткізгіштігі металдардың электрөткізгішітігі мен салыстырғанда аз. Өте төмен температурада олар диэлектриктерге ұқсайды. Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі температура мен жарық әсерінен қатты өзгереді, яғни температура артып және Жартылай өтккізгіш неғұрлым қаттыр жарықталынса, оның электрөткізгіштігі де соғұрлым жоғары болады. Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі оның құрамына өте аз шамада қоспалар енгізу жолымен басқарыларды.
1.2. Жартылай өткізгіш құралдардың физикалық негіздері. Қазіргі электроникада қолданылатын құрылғылар жартылай өткізгіш материалдардан жасалады. Жартылай өткізгіштерге бөлме температурасында меншікті электрлік кедергісі 10-5 нен 1010 Ом*см-ге дейін жететін материалдарды жатқызады. Жартылай өткізгіштердің саны металдар мен диэлектриктердің санынан артық. 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. Егер атомдар байланысқан күйде болса, онда валентті электрондарға көрші атомдардың электрондар мен ядро өрісі әсер етеді, осының нәтижесінде әрбір рұқсат етілген энергетикалық деңгей жаңа энергетикалық деңгейлерге бөлінеді. Осы деңгейлердің әрқайсысында тек қана екі электрон ғана бола алады. Электрон бола алатын, деңгейлердің жиынтығы рұқсат етілген зона деп аталады. Рұқсат етілген зоналардың арасындағы аралық рұқсат етілмеген зона деп аталады. Қатты дененің энергетикалық спектрінде үш түрлі зонаны бөлуге болады: рұқсат етілген (толығымен электронмен толтырылған), рұқсат етілмеген және өткізгіштік зонасы.Рұқсат етілген зонада 0 К температурада барлық деңгейлер электрондармен толтырылған. Жоғары толтырылған зонаны валенттік зона деп атайды. Рұқсат етілмеген зонаның шегінде электрон бола алатын энергетикалық деңгей жоқ. Өткізгіштік зонасындағы электрондар қатты дененің ішінде қозғала алатын, атоммен байланысын үзуге мүмкіндік беретін энергияға ие. Жартылай өткізгіштерде температураның нөлден өзгеше бір мәнінде электрондардың белгілі бір бөлігінің энергиясы өткізгіштік зонасына өтетіндей энергияға ие болады. Мұндай электрондар еркін деп аталады, ал жартылай өткізгіш - электр өткізгіш болады.
Жартылай өткізгіштердің басты қасиеті және түрлері. Жартылай өткізгіштің ең басты қасиеті : температура жоғарлаған сайын электр өткізгіштігі артуымен қатар меншіктік кедергісі кеміп отырады. Ал металдарда керісінше электр өткізгіштігі температура жоғарлаған сайын артуымен қатар меншіктік кедергісі де артып отырады. Жартылай өткізгіштердің саны металдар мен диэлектриктердің санынан артық. Ең жиі қолданылатын жартылай өткізгіштер: кремний, германий, галлий арсениді, селен, теллур, әртүрлі оксидтер, сульфидтер, нитридтер және карбидтер.
Жартылай өткізгіштік интегралдық микросхема - ол барлық элементтері мен электродаралық қосылыстары көлемді болып және қалыңдығы 200-300 мкм кремний пластинкасынан жасалған жартылай өткізгіштің бетінде жасалған интегралдық микросхема. Элементтердің арасындағы изоляция ретінде n-p ауысу, диэлектрлік қабат, сапфирдағы кремний қолданылады. Жартылай өткізгіштік интегралдық микросхемаларды жасағанда әдетте планарлық технологияны пайдаланады. Ж.ө.и.м. активті және пассивті элементтерін жартылай өткізгіштің бір монокристалында таңдап құрады. Ж.ө.и.м. элементтерді өзара қосу көлемді болып жасалуы мүмкін және жартылай өткізгіштің монокристалының бетінде жартылай өткізгіштің тотыққан бетінде ток жүргізу жолдарын, мысалы, металды вакуумдық шаң жағу әдісімен орындалуы мүмкін. Конденсатор ретінде микросхемаларда кері ығысқан p-n-ауысулар немесе Si-SiO2-металл конденсаторлық құрылымдар қолданылады. Резистерлердің рөлін жартылай өткізгіш кристалы беттерінің бөліктері немесе түзу немесе кері бағытта ауытқыған p-n-ауысу, сонымен қатар МДЖ (металл-диэлектрлік жартылай өткізгіш)-транзисторлар орындайды. Интегралдық микросхемаларда жеке элементтер арасындағы шекараны үнемі көрсету мүкін емес. Мысалы, конденсатордың түйіні бір уақытта конденсатордың электроды да болып табылуы мүмкін. Электродаралық қашықтықтардың аздығы және микросхемалардағы кристалдың барлық элементтеріне жалпы түрде байланыстың күрделі паразиттік болуы, сонымен қатар паразиттік элементтердің пайда болуы микросхеманың барлық параметрлерін, радиоэлектрондық аппаратураның байланысқан түйіндерін нашарлатады.
Өткізгіштер мен диэлектриктерден басқа, өткізгіштігі олардын арасында жататын бір топ заттар бар. Бұл заттарды жартылай өткізгіштер деп атайды. Өткізгіштерден жартылай өткізгіштердің айырмашылығы, олардың электр өткізгіштігінің температураға тәуелділік сипаты арқылы.

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің механизмін,оның ішкі құрылысы арқылы түсіндіруге болады. Мысалы кремний- төрт валенттік элемент. Бұл атомның сыртқы қабатшасында , ядромен әлсіз байланысқан, төрт электрон бар екендігін білдіреді. Кремнийдің әрбір атомының жақын көршілерінің саны да төртке тең.
Жартылай өткізгіштердің, онда еркін электрондарының болуы салдарынан өткізгіштігін, электрондық өткізгіштік деп атайды.Байланыс үзілген кезде электрон жетіспейтін бос орын пайда болады. Оны кемтік деп атайды.Кемтікте басқа қалыпты байланыстарға салыстырғанда артық оң заряд пайда болады.Кристалда кемтіктердің орны тұрақты болып қалмайды. Атомдардың байланысын қамтамасыз ететін бір электрон,пайда болған кемтікке секіріп көшіп орналасады, ал ол электронның тұрған орнында жаңа кемтік пайда болады. Сонымен , кемтіктер бүкіл кристалл бойымен орын ауыстыруы мүмкін. Жартылай өткізгіштердің маңызды ерекшелігі ,онда қоспалар болғанда өзіндік өткізгішпен бірге қосымша - қоспалық өткізгіштік пайда болады.
Электрлік қасиеті бойынша жартылай өткізгіштер диэлектрик және өткізгіштер арасындағы аралас орынды алады. Өткізгіштердің меншікті кедергісі -106-т- 10s Омм, диэлектриктердін,-108-т- 10шОмм, жартылай өткізгіштердің -0,1 -т-108 Омм.
Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі бірнеше факторларға байланысты: температураға, жиілікке, жарыңқа және құрамындағы қоспаларға. Температура өскен сайын жартылай өткізгіштердің кедергісі азаяды.
Жартылай өткізгішті құралдарды құру үшін германий, кремний, арсений, галий кристалдары және селена жиі қолданылады.
Жартылай өткізгіштерде екі түрлі заряд тасымалдаушылары бар: теріс зарядталған электрондар жөне оң зарядталған саңылаулар.
Әрбір төрт валентті атом электрондары көрші атомдармен жалпы электрондық жұп құрады (коваленттік байланыс).00Ктемпературасында жартылай өткізгіштің барлық валентті электрон кристалдары ковалентті байланысқан, сондықтан бос электрондар болмайды, яғни жартылай өткізгіш диэлектрик болып табылады.
Температураны жоғарылатқанда кейбір электрондар ковалентті байланысты бұзатын кинетикалық энергияға ие болады. Мұндай электрондар өз атомдарын тастап, бос болады.
Кристалдағы бос электрондар өткізгіш электрондары болып табылады, егер жартылай өткізгіште электрлік өріс әрекет етсе, онда бос электрондар жартылай өткізгіште токты туғыза отырып, бағыт бойынша жылжиды. Жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі электронды өткізгіш немесе п түрдегі өткізгіш деп аталатын бос электрондардың бағыт бойынша жылжуына негізделген.

Электронның жоғалтқан атом бос орынды (саңылау қалыптастырады. Бұл орынға көрші атомнан валентті: электрон ауысуы мүмкін, оның орнына саңылау пайда болады, яғни саңылау электрон сияқты кристаллішінде адасып жүреді. Сыртқы электрлік өріс болған кезде саңылау бағыттары электрон бағыттарына қарама-қарсы болады. Саңылаулардың бағыттары электрлік токтың өтуін
туғызады. Саңылаулардың жылжуы электрондардьщ жылжуынан аз. Саңылаулардың жылжу бағытына байланысты пайда болған жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі, саңылау өткізгіштігі немесе р түрдегі өткізгіш деп аталады. п түрдегі жартылай өткізгіштегі электрондарды негізгі ток тасушылар деп атайды, ал саңылаулар - негізгі емес ток тасушылар. р түрдегі өткізгішке саңылаулар негізгі тасымалдаушыға, ал электрондар негізгі емес тасымалдаушыға жатады.
Таза жартылай өткізгіштер жартылай өткізгішті құралдарда тәжірибе жүзінде пайдаланылмайды, себебі өткізгіштікті жөне біржақты өткізгіштікті қамтамасыз етпейді.
Жартылай өткізгішті құралдар жасау үшін өткізгіштің бір түрі басым болуы қажет. Ол үшін химиялың таза жартылай өткізгішке периодтық жүйенің V (2.1, а-сурет) немесе III (2.1, б-сурет) топтық элементтерінің қоспасын ендіреді.

Жартылай өткізгішті құралдардың жұмысы әр түрлі түрдегі өткізгіштігі бар аудандардың өзара жанасу: электрондық және саңылаулық құбылысына негізделген. р- жане п- түрдегі жартылай өткізгіштер арасындағы шекара электронды саңылаулық өту немесе р-n өту деп аталады (2.4, а-сурет).

a) жұқарланган қабаттың щрылымы; б) зарядтың таралуы; в) өріс кернеулігі; г) потенциалдың таралуы
Жартылай өткізгізштің басқа түрдегі өткізгіштермен жанасуында, диффузия әсерінен электрондар р- аймағында, ал саңылаулар п- аймағына ауыса бастайды, нәтижесінде п- аймағының шекаралық қабаты оң, ал р-аймағы теріс зарядталады. Аймақтар арасында электрлік өpic пайда болады, ол негізгі ток тасымалдаушыларға тосқауыл көрсетеді, соның арқасында р- п- өтуде зарядтар концентрациясы төмен аймақ құрылады. Бұл аймақта тасымалдаушылар (электрондар мен саңы-лаулар) жоқ, сондықтан аймақты жұқарланған қабат деп атайды. р- п- өтудегі электрлік өрісті потенциалды тосқауыл; ал р- п- өтуді жабу қабаты деп атайды. Егер сыртқы электрлік өpic бағыты, р- п- өтудің ( +
р- аймағында, - n- аймағында) өріс бағытына қарама-қарсы болса, онда потенциалды тосқауыл азаяды, р- п-өтудің концентрациялық заряды ұлғаяды, демек өту кедергісі кеңдігі кемиді (2.4, ә-сурет). Кернеу көзінің таңбасын өзгерткенде электрлік өріс р- п- өтудің өріс бағытымен сәйкес келеді, өтудің кеңдігі және кедергісі
ұлғаяды (2.4б-сурет).

2,4-сурет. Кернеу көз таңбасының p-n- өту қабатының кеңдігіне әсері:
а)р- п- өту қабаты; ә)р- п- өту қабатын
кернеу көзіне тура қосу; б) р- п өту қабатын кернеу
көзіне кері қосу

1.2. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ ТҮРЛЕРІ

Жартылай өткізгіштерде Менделеев кестесінің орта тұсындағы он екі химиялық элементтер жатады. Олар: бор (В), көміртегі (С), кремний (Si), германий (Ge), қалайы (Sn), фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), күкірт (S), селен (Se), телмур (Те), йод (І). Мұнан басқа үшінші топтағы элементтердің, бесінші топтағы элементтермен қосындысы, көптеген металдардың оксидтері мен сульфидтері, бір қатар химиялық қоспалар, кейбір органикалық заттар. Ғылым мен техникада ең көп қолданылатын жартылай өткізгіштерге германий
Ge және кремний Sі жатады.
Жартылай өткізгіштер өзіндік (яғни қоспасыз) және қоспалы болып бөлінеді. Қоспалы жартылай өткізгіш өз ретінде донорлық және акцепторлық болып бөлінеді.

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 (ρGe ≈ 0,5 Ом.м, ал ρSi ≈ 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.

1. 3. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі
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.

1.4. 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 Ерэ, ауысуға перпендикуляр бағытта жол береді (21-сур.,а). Кемтіктің заряды электронның зарядына қарама-қарсы, сондықтан олардың потенциалдық энергиясы Ерк, Ерэ-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 Інег. жүреді (21-сур.,а). Бұл ток негізгі емес тасымалдаушылардың қарама-қарсы Ін.емес тогымен компенсацияланады. Ін.емес шамасы секунд сайын пайда болып жатқан негізгі емес тасымалдаушылардың санымен анықталады және потенциалдық бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді болмайды. Керісінше, Інег шамасы бөгеттің биіктігіне күшті тәуелді. Тепе-теңдік потенциалдық бөгеттің, екі Інег және Ін.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 Ерк артады, Ерэ кемиді) және n-
Аймақтағы потенциалдың төмендеуіне (яғни Ерк кемиді, Ерэ артады) алып келеді (21-сур.,б). Мұның нәтижесінде потенциалдық бөгеттің биіктігі кішірейеді де Інег ток өседі. Ал ток Ін.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 - ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.