Жартылай өткізгіштердің зоналық теориясының негіздері

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Мазмұны

Кіріспе2

Жартылай өткізгіштердің зоналық теориясының негіздері. Өткізгіштік туралы жалпы түсініктеме2

Меншіктік өткізгіштер4

Заряд тасымалдаушылардың дрейфтік және диффузиялық қозғалысы5

Кірме электрөткізгіштер6

Қорытынды7

Әдебиеттер тізімі8

Кіріспе

Бұл рефераттың негізгі тақырыбы - ‘Меншікті және қоспалық жартылай өткізгіштер”. Мұнда жартылай өткізгіштер туралы жалпы түсінік, оның түрлері - меншікті және қоспалық өткізгіштер, негізгі және негізгі емес заряд тасымалдаушылар, сонымен қатар осы заряд тасымалдаушылардың дрейфтік және диффузиялық қозғалыстары қарастырылған. Сондай - ақ жартылай өткізгіштердің зоналық теориясының негіздері, соған байланысты қажетті есептеулерге арналған формулалар қорытылып шығарылған.

Қысқаша тоқталатын болсақ, жартылай өткізгіштер деп өзінің меншікті электрлік кедергісінің шамасы бойынша металлдар мен изоляторлардың ортасында орын алатын заттардың тобын айтады. Жартылай өткізгіштерге германий, кремний, селен элементтері жатады.

Егер де таза біртекті жартылай өткізгіштің ішіне басқа элементтердің атомдарын кіргізсек, онда қоспалы жартылай өткізгіш пайда болады.

Қоспалық элементтер акцепторлық және донорлық болып екіге бөлінеді. Донорлық қоспа ретінде Менделеев таблицасының 5 - тобының элементтері (сурьма, мышьяк, фосфор), ал акцепторлық қоспа ретінде 3 - валенттік электрондары бар индий, бор, алюминий қолданылады.

Жартылай өткізгіштердің зоналық теориясының негіздері. Өткізгіштік туралы жалпы түсініктеме

Жартылай өткізгіштер деп өзінің меншікті электрлік кедергісінің шамасы бойынша металлдар мен изоляторлардың ортасында орын алатын заттардың тобын айтады. Жартылай өткізгіштерге германий, кремний, селен элементтері жатады. Қазіргі заттың құрылысы туралы теория бойынша әрбір атом электрондар бұлтына оранған ядродан тұрады. Энергиялары белгілі қабаттарда, ядродан біршама қашықтықта электрондар айналып жүреді. Бұл көзге көрінбейтін атомды қатпар - қатпар қабаттардан тұратын пияздай құрылысы бар деп ойша көзге елестетуге болады. Әрбір энергиясының шамасы белгілі қабат энергетикалық деңгей немесе энергия деп аталады. Атомның барлық энергетикалық деңгейде екі электроннан артық басқа электрон орналасуы мүмкін емес. Электрон рұқсат етілген бір деңгейден алыстау орналасқан энергиясы үлкен басқа деңгейге ауысқан кезде энергияның жұтылу процесі жүреді де, ал егерде электрон энергиясы жоғары деңгейден энергиясы төмен деңгейге көшсе энергия сыртқа бөлініп шығады. Энергия тура анықталған кішкентай бөліктермен (порциялармен) - кванттармен жұтылып және бөлініп отырады. Энергетикалық деңгейлердің энергия шамасымен өлшенетін арақашықтықтары энергия шамасы өскен сайын кішірейеді. Энергетикалық спектрдің төбесі болып, электрон атомдық байланыстан босанып, атомды тастап кететіндей энергия мәнін қабылдаған кез, яғни позиция процесі жүретін энергия деңгейі есептелінеді.

Егерде әртүрлі элементтердің атомдарының құрылысын қарастыратын болсақ, электрондармен тегіс толықтырылған қабаттар(ішкі қабаттар) мен жете толтырылмаған қабаттарды(сыртқы қабаттар) айыруға болады. Соңғы айтылған қабаттар ядромен әлсіз байланысқан, сондықтан да олар басқа атомдармен жеңіл қарым - қатынасқа түсе алады. Осы себептен сыртқы толықпаған қабатта орналасқан электрондар валенттік электрондар деп аталады.

Заттардың молекулулардан, ал молекулалардың атомдардан құалатыны белгілі. Осындай молекулалар құрылған кезде оның жеке атомдарының арасында бірнеше байланыс түрі болады. Жартылай өткізгіштер үшін көп таралған байланыстың түрі көрші атомдардың валенттік электрондарының қосарлануынан туған коваленттік байланыс.

Кванттық теория бойынша, жақын орналасқан біртекті атомдар тобының энергетикалық диаграммасы жеке атомның диаграммасынан өзгеше болады. (3 - сурет) .

Атомдардың бір - бірімен байланысының арқасында көрші атомдардың электрондарының рұқсат етілген энергетикалық деңгейлері бұрынғы орындарынан жылжып, өте жақын орналасқан жылысқан энергия деңгейлерін құрады. Атомдардың бір - бірімен байланысынан туған осындай тығыз оранласқан энергия деңгейлерінің тобын рұқсат етілген зона деп атайды. Рұқсат етілген зоналар (1, 3, 5, 7) тыйым салынған зоналармен, яғни электрондар болмайтын энергия деңгейлері (2, 4, 6) бөлініп тұрады. Температура 1 - 273К тең болғанда электрондары жоқ рұқсат етілген зона бос зона деп аталады. Сыртқы әсердің арқасында атомның электрондары бір деңгейден екінші деңгейге өтуі мүмкін, бұл атомның қозу процесі. Қозу процесі кезінде энергия деңгейлерінде электрондар тұрақтай алатын бос зона өткізгіштік зонасы деп аталады. Қорыта айтқанда, қатты заттың энергетикалық спектрінде негізінен үш түрлі зоналар болдаы: рұқсат етілген зоналар, тыйым салынған және өткізгіштік зоналар.

3-сурет. Жақын орналасқан біртекті атомдардың энергетикалық диагараммасы

Рұқсат етілген зоналарда температурасында барлық энергия деңгейлері электрондармен толығымен толықтырылған. Ең жоғарғы толған рұқсат етілген зонаны валенттік зона деп атайды. Тыйым салынған зонаның қасиеті оның ішінде электрондар орналаса алатын ешқандай энергия деңгейі жоқ. Өткізгішітік зона - жартылай толған немесе біртұтас толмаған зона - оның ішінде орын алған электрондардың энергиясының мәні сондай, олар мысалға сыртқы электр өрісінің әсерінен одан да жоғары энергетикалық деңгейге көшіп кетуге, немесе тіпті атомдық байланыстан босанып кетуге және қатты заттың ішінде қозғалып жүруге де шамалары келеді.

Қатты заттардың ішкі құрылысын энергетикалық зоналармен сипаттау зондық теория деп аталады. Осы теория бойынша, температурада қатты затттардың металл екнін немесе изолятор екенін, немесе жартылай өткізгіш екенін айырып білуге болады.

Металдарда валенттік зона мен өткізгіштік зона бірімен - бірі тұтасып жатады, сондықтан да температурада металдардың электрлік өткізгіштігі бар. Жартылай өткізгіштер мен изоляторлардың температурада өткізгіштігі болмайды, яғни ток жүрмейді. Егерде тыйым салынған зонаның энергия шамасы бойынша ені болса, бұл зат изолятор болып есептеледі. Егер болса, ол жартылай өткізгіш болып табылады.

Тыйым салынған зонасының ені жартылай өткізгіштерде изоляторларға қарағанда әлдеқайда кіші болғандықтан бөлме температурасында кейбір электрондардың энергиясы валенттік зонадан өткізгіштік зонасына өтіп кетуге жеткілікті болады. Міне сондықтан да осы жағдайда жартылай өткізгіштің өткізгіштік қабілеті нольге тең болмайды. Ал изоляторларда валенттік зонаның төбесі мен өткізгіштік зонасының түбінің энергия деңгейлерінің айырмасы үлкен болғандықтан, яғни тыйым салынған зонаның енінің үлкендігінен бөлмелік температурада аз энергиямен атомға әсер еткеннің өзінде де валенттік электрондар орбиталарынан қозғала алмайды, орындарынан тапжылмайды, сондықтан да изолятордың өткізгіштігі нольге тең.

Жартылай өткізгіштерде температура абсолюттік нольден жоғарылағанда кейбір электрондар валенттік зонадан өткізгіштік зонасына өтіп кетіп, еркін электрондарға айналады, олардың бұрынғы энергетикалық деңгейінде бос орын қалады, осы босаған энергетикалық орынды кемтік деп атайды. Орыннан теріс зарядты электрон кеткендіктен, кемтік оң зарядты бөлшек болып саналады. Егерде затқа сырттан электрлік кернеу қосылса, көрші атомдардың валенттік электрондары осы босаған электрондарға ауысады да, өздерінің орындарында кемтіктерді қалдырып отырады. Электрондар осылай бір жаққа қозғалғанда оларға қарама- қарсы жаққа аталмыш оң зарядты бөлшектер - кемтіктер қозғалып отырады.

Еркін электрондардың қозғалуынан пайда болған электр өткізгіштікті электрондық деп, ал кемтіктердің қозғалысынан пайда болған электр өткізгіштікті кемтіктік деп атайды.

Меншіктік өткізгіштер

Мүлдем таза біртекті ешқандай қоспасы жоқ жартылай өткізгіш меншікті өткізгіш деп аталады. Мысалға басқа элементтердің атомдарының қоспасы жоқ, немесе кристалдың торының дефектісі жоқ германий, не кремний элементі осындай өткізгіш болып табылады. Мұндай жартылай өткізгіште температура -нен жоғарылағанда электрондар мен кемтіктер қосарланып туып отырады, яғни айтқанда босаған электрондар мен кемтіктердің сандары тепе - тең. Меншіктік жартылай өткізгіште жылудың әсерінен болған қос бөлшектердің қозғалуынан туған мұндай өткізгіштік меншіктік өткізгіштік деп аталады.

Электрон мен кемтіктің қосарланып туу процесін - қос бөлшек генерациясы деп атайды. Қос бөлшек генерациясы тек жылулық энергия әсерінен ғана емес, сонымен қатар қозғалып жүрген бөлшектердің кинетикалық энергиясының арқасында да, электр өрісінің энергиясы мен күн сәулесінің түсуінің арқасында да жүріп отырады.

Валенттік байланыстың үзілуі негізінде пайда болған электрон мен кемтік жартылай өткізгіштің ішкі көлемінде бей - берекет қозғалып жүреді. Бұл қозғалыс электрон кемтікпен кездесіп ұсталғанаға дейін, ал кемтіктің энергетикалық деңгейі өткізгіштік зонасының электронымен толықтырылғанға дейін тоқталмайды. Осы уақытта үзілген валенттік байланыстар қайта қалпына келіп, ал заряд тасымалдаушылар - электрон мен кемтік жоғалады. Электрон мен кемтіктің қосылуынан осы үзілген валенттік байланыстардың қайта қалпына келуін рекомбинация деп атайды. Рекомбинация генерацияға қарсы процесс. Заряд тасымалдаушы бөлшектің осы уақыт ішінде жүрген жолын - диффузиялық ұзындық деп атайды. Әрбір заряд тасымалдаушылардың өмірлік уақыты әртүрлі болғандықтан, жартылай өткізгішті біржақты сипаттау үшін, өмірлік уақыт мағынасында көбіне заряд тасымалдаушылардың орташа уақытын түсінеді де, ал диффузиялық ұзындық мағынасында заряд тасымалдаушының осы орташа өмірлік уақытта жүрген долын түсінеді.

Диффузиялық ұзындық және электрондар мен кемтіктердің өмірлік уақытының арасында мынадай байланыстар бар:

, (1)

мұнда - электрондар мен кемтіктердің диффузиялық ұзындықтары, - электрондар мен кемтікткрдің өмірлік уақыттары, - электрондар мен кемтіктердің диффузиялық коэффициенттері.

Заряд тасымалдаушылардың дрейфтік және диффузиялық қозғалысы

Егерде жартылай өткізгіште кернеуі Е - ге тең электр өрісін туғызсақ, онда заряд тасымалдаушылардың қозғалысы тәртіпке келеді де электрондар мен кемтіктер қарама- қарсы бағытта қозғала бастайды және де кемтіктер электр өрісімен бағыттас жаққа қозғалады. Токтар туғызатын заряд тасымалдаушылардың біріне - бірі қарсы бағытталған ағыны пайда болады. Электрондар мен кемтіктер тудыратын токтар тығыздықтары мынадай:

(2)

мұнда q - заряд тасымалдаушының - электронның заряды, заттың бірлік көлеміндегі электрондар мен кемтіктер саны;

- электрондардың, ал - кемтіктердің қозғалғыштық қабілеттері.

Қозғалғыштық қабілеті дегеніміз кернеулігі 1В/см электр өрісіндегі заряд тасымалдаушының бағытталған орташа жылдамдығымен сипатталатын физикалық шама:

мұнда V - тасымалдаушының орташа жылдамдығы.

Қарама - қарсы белгісі бар заряд тасымалдаушылары қарама - қарсы жаққа қозғалғанымен олардың тогының бағыты біржақтас болғандықтан, жартылай өткізгіштегі токтың тығыздығы мынаған тең болдаы:

(3)

Электр өрісі мен потенциал градиентінің баршылығынан туған жартылай өткізгіштегі заряд тасымалдаушыларының қозғалысын дрейф деп атап, ал осындай әсерден қозғалған зарядтардан пайда болған токты дрейфтік ток деп атайды.

Жартылай өткізгіштің үлесті өткізгіштігін - ны, токтың үлесі тығыздығын электр өрісінің кернеулігіне бөліп табуға болады:

(4)

Заряд тасымалдаушылардың бір жерде көп, бір жерде аз шоғырлану айырмасының әсерінен, немесе шоғырлану градиентінен туатын қозғалысты диффузиялық қозғалыс деп атайды. Заряд тасымалдаушылар көп шоғырланған қабаттан аз шоғырланған қабатқа ауысып, қозғала алады. Бұл қозғалыста заряд тасымалдаушылардың топтарының тығыздықтары олардың шоғырлану градиентіне (концентрация градиентіне) пропорционал, бір координаталы диффузияда оларды мына қатынастардан табады:

(5а) , (5б)

(5а) формуласындағы - q электрондардың теріс зарядты екенін көрсетеді, ал екі формуладағы деген мүшелердің алдындағы минус таңбалары диффузия кезінде заряд тасымалдаушылардың, концентрациясы көп жерден концентрациясы аз жерге көшетінін көрсетеді, диф деген индекс диффузиялық қозғалысты анықтайды.

Кірме электрөткізгіштер

Жартылай өткізгіштердің электрлік қасиеттері олардың ішіндегі қоспа атомдарға және де кристалл торының әртүрлі дефектілеріне: тордың бос түйіндері, тор түйіндерінің арасындағы басқа атомдар мен иондар; тағы басқа себептерге байланысты болады. Егер де таза біртекті жартылай өткізгіштің ішіне басқа элементтердің атомдарын кіргізсек, онда қоспалы жартылай өткізгіш пайда болады. Жартылай өткізгіштерден жасалған аспаптарда тек қана қоспасы бар жартылай өткізгіштер қолданылады. Қоспаның мөлшері қатты қадағаланады - шамамен қоспа элемнтінің 1 атомы негізгі элементтің атомдарына келетіндей болып кіргізіледі. Қоспалық элементтер акцепторлық және донорлық болып екіге бөлінеді. Донорлық қоспа ретінде Менделеев таблицасының 5 - тобының элементтері (сурьма, мышьяк, фосфор), ал акцепторлық қоспа ретінде 3 - валенттік электрондары бар индий, бор, алюминий қолданылады.

Егер кремнийдің немесе германийдің кристалына қоспадағы элементтің атомдарын кіргізсек, онда тек қана төрт электроны көрші кремнийдің атомдарының төрт электрондарымен нақты коваленттік байланысқа түседі.

Фосфордың ешқандай кремнийдің атомымен коваленттік байланысқа түспеген бесінші электроны ядромен әлсіз байланыста болғандықтан егерде сырттан аз әсер болса (температура өссе, сәуле түссе не кернеу берілсе) орнынан жұлынып, өткізгіштік зонасына өтіп кетеді. Осы жағдайда қоспа атом бір электроннан айырылғаннан кейін, қозғалмайтын оң ионға айналады. Қоспа атомдардың жұлынған еркін электрондар атодарының босаған меншікті еркін электрондарына қосылады да жартылай өткізгіштің өткізгіштігі негізінен электрондармен айқындалады. Мұндай жартылай өткізгіштер n - тектес деп аталады. Өкізгіштік те n - тектес немесе электрондық деп аталады. Осындай электрондық электр өткізгіштігін қамтамасыз ететін қоспалар донорлық - электрон беруші қоспалар, қысқаша донорлар деп аталады.

Зоналық теория бойынша донорлардың энергетикалық деңгейі зоналық диаграммада өткізгіштік зонасының түбінің астында сәл - пәл төмен тұрады. Бұл екі араның энергия жағынан да айырмасы аз. (D- дегениндекс донор деген сөзді білдіреді), сондықтан осыған сәйкес кішкентай энергиямен электрондарға әсер етсек, олар донорлық деңгейден өткізгіштік зонасына жеңіл өтіп кетеді де осы зонада еркін электрондар көбейіп, жартылай өткізгіштің өткізгіштігі өсіп, электрондық болады.