Жартылай өткізгішті құралдар және құрылғылар

Пән: Электротехника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 5 бет
Таңдаулыға:

ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІ ҚҰРАЛДАР ЖӘНЕ ҚҰРЫЛҒЫЛАР

1. 1. Жартылай өткізгіштер туралы түсініктер

Осы заманы электрондық құрылғылардың негізгі элементтік базасы жартылай өткізгішті құралдар мен құрылғылар болып табылады . Олар электрвакуумды құралдар мен құрылғыларга қарағанда жоғары үнемділігімен және жұмыста беріктілігімен айрықшаланады. Жартылай өткізгішті құралдар класына диодтар, биполярлық және өрістік транзисторлар, тиристорлар және т. б. көптеген құралдар жатады. Бұлардың бәрі жартылай өткізгіштердегі лектрофизикалық процестерге негізделген.

Өткізгіштер мен диэлектриктердің аралығында жататын, өздерінің сан алуан түрлі белгілерімен жартылай өткізгіштердің қатарына жақын келетін көптеген материалдар бар. Жартылай өткізгіштік техникада олардың ең көп тараған түрі, кремний, германий, галлий, селен және галлий арсениді, кремний карбиді, кадмий сульфиді химиялық қоспалары және т. б.

Жартылай өткізгіш материалдарының меншікті кедергісі І0 ⁸ . . . 00" ⁶ Омм аралығын қамтиды. Жартылай өткізгіштер баска қатты кристалдық материалдардан өзінің электр өткізгіштігіне, кристалдардың энергиялық күйіне, электрлік қасиетінің тем-пературадан тәуелділігінің сипатына қарай, сәуле шығару және басқа да сыртқы әсерлеріне қарай ажыратылады. Электрондық процестерді бақылай отырып, жартылай өткізгіш құралдардағы электр тогын басқаруға болады.

1. 2. Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

Электр өткізгіштік - дегеніміз еркін электрондардың қозғалысымен түсіндірілетін қатты денелердің ең маңызды қасиеттерінің бірі. Бұл электрондар кезінде атом ядросымен байланыстарды үзгендіктен осындай 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 ס = 10 ⁷ ÷ 10 ³ Смм', жартылай өткізгіштігі - ס = 10 ³ ÷10 ⁸ Смм', диэлектриктікі ס = 10 ⁸ ÷10 ¹⁵ Смм'.

Жартылай өткізгішті материалдар меншікті және қоспалы болып бөлінеді.

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

1. 1-суретінде кремний кристалының құрылысының жазық моделі көрсетілген.

Кристалдық тордың түйіндерінде, ядродан және ішкі электрондық қабықшалардан тұратын, Si (кремний) атомдары орналасқан. Әр атомға төрттен келетін валенттік электрондар (дөңгелекшелер) сыртқы орбитальды түзеді. Әрбір электрон тек бір атомға ғана тиесілі емес, ол бірден көрші екі атомға да тиесілі болады (орбиталар шартты түрде бағдар сызықтарымен белгіленген) . Кремний атомының Менделеевтің периодтың жүйесіндегі номері Z=14. Сондықтан атомның құрамына 14 электрон кіреді. Алайда, оның төртеуі сыртқы электрон қабықшасында толығымен толмаған. Бұл электрондарды валенттік электрондар деп атайды және кремнийдің төрт валенттілігін түзеді. Кремний атомдары өздерінің валенттік электрондарын кремнийдің басқа атомдарымен коваленттік байланыстың көмегі арқылы біріктіре алады.

Құрамы жағынан таза жартылай өткізгіштер температурада валенттік электрондарын өз орбиталарында мықты ұстап тұрады, бос электрондар болмайды, электр өткізгізгіштігі нөлге тең, жартылай өткізгіштің мүлтіксіз (идеал) диэлектриктің қасиетіндей қасиеті болады. Валенттік электрондардың атомнан жұлынып ұшып кетуі оған жылу, күшті электр өрісі, сәуле түсіп әсер еткенде байқалады. Температура көтеріліп, жоғарыланған кезде, кристалдардағы атомдардың тербеліс амплитудасы өсіп, валенттік электрондар өздерінің атомдарынан жұлынып кетіп, соның нәтижесінде электрондық өткізгіштікке айналады коваленттік байланыс үзілгенде екі көрші атомның электр бейтараптығы бұзылады да, нәтижесінде элементар оң заряд пайда болады. Бұл атомдардагы ваканттық бос орындарды басқа көршінің қос электрондары толтырады; осы қос атомдардың босаған электрондарының орнын келесі үшінші көршінің қос электрондары және т. б толтырады. Кристалда валенттік электрон жұлынған жағдайда пайда болған қозғалмалы оң зарядты шартты түрде «кемтік» деп атайды, қос зарядтардың кемтік - электронның түзілу процесін қозғалмалы зарядтардың генерациясы деп атайды. Зарядтардың генерациясы олардың бір мезетте үзілген байланысты қалпына келтіру процесі - рекомбинация процесімен қатар жүреді.

Сыртқы электр өрісі болмаған кезде кемтіктер мен электрондар қалай болса солай тәртіпсіз орын ауыстырады. Сыртқы электр өрісі қозғалысты тәртіпке келтіріп, электрондар мен тесіктер қарама-қарсы бағытта қозғалып, кристалл арқылы бір бағыттағы тоқты тудырады. Электр өткізгіштікті электрондық ( n түріндегі) және кемтіктік (р- түріндегі) деп бөлінеді, мұндағы п- ағылшынның negative - теріс деген сөзінің бірінші әрпі, ал р- ағылшынның positive - деген сөзінің бірінші әрпі. Меншікті жартылай өткізгіште электрон өткізгіштігі мен кемтік бір мезетте пайда болады, сондықтан электрондардың концентрациясы п _і кемтік тің концентрациясы р _г ге тең болады, яғни п _і = р _г (і - индексі «меншікті» деген мағынаны білдіреді) .

Қоспалы жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштіктері электрондық немесе кемтіктік электр өткізгіштігі айқын байқалатын қоспалармен анықталады .

а) э)

1. 2

Кристалл жартылай өткізгіштіктің электр өткізгіштігінің тиімді болу себебі оның құрамында басқа түрлі валентті элементтің болуымен түсіндіріледі. Басы артық еркін электрондар беретін, төрттен жоғары валенттілігі бар қоспаларды донорлық деп атайды; кемтіктердің санын көбейтетін, басы артық кемтіктер беретін төрттен төмен валенттілігі бар қоспаларды акцепторлық деп атайды. 1. 2, а-суретінде кремний кристалының бір атомын бес валентті мышьяктың (As) атомымен ауыстыру схемасы келтірілген. Мышьяк кремнийдің көрші атомымен төрт коваленттік байланысқа енеді, ал оның бесінші валенттік электроны «артық» болып қалады. ОК төменгі температурада бұл электрон әлі де мышьяк ядросының айналасында қалады, ал температураны сәл көтерісімен байланыс күші әлсірегендіктен, электрон жұлынып кетіп, теріс зарядты тасымалдаушыға айналады, демек, мышьяк атомы қозғалмайтын оң ионға айналады. Жалпы алғанда кристалл бейтарап болады, себебі оң иондардың зарядтарын электрон өткізгіштігінің теріс зарядтары теңгеріп тұрады. Донорлык қоспалы жартылай өткізгіштіктің электр өткізгіштігін электрондық немесе п - түріндегі электр өткізгіштік деп атайды.

Қоспа ретінде, көбіне, периодтық жүйенің V (сурьма Sb, фосфор Р және т. б. ) немесе III топтарындағы (галий Ga, индий In және т . б. ) элементтері пайдаланылады.

Кемтіктік электр өткізгіштігін (р- түріндегі) алу үшін жартылай өткізгіштің құрамына үш валентті элементтер - бор, алюминий, индий және т. б. ендіріледі. Қоспалы жартылай өткізгіштің кемтіктік электр өткізгіштік механизмі 1. 2, ә-суретінде көрсетілген . Суретте шартты түрде, кремний торы және үш валентті бор атомы бейнеленген. Бор атомының үш валенттік электрондары көршісінің төрт валенттігімен байланыс жасауға жеткіліксіз. Сондықтан байланыстың біреуі орындалмаған болып шығады және ол электронды өзіне тартып алуына мүмкіншілігі бар орынға айналады. Осы орынға көршіден бір электрон көшкендіктен байланыста тұрған көрші кремний атомдарының қос электронның бірінің орны босап, кемтік пайда болады. Бұл кемтік ендігі жерде кристалда көшіп жүреді. Ал қоспаның атомы қозғалмайтын теріс ионға айналады.

Жартылай өткізгіштердің п- түрі үшін зарядты тасымалдаушы еркін электрондар негізгі, ал кемтіктер негізгі емес деп аталады.

Жартылай өткізгіштердің р- түрі үшін зарядты тасымалдаушы кемтіктер негізгі, ал электрондар негізгі емес деп аталады. Көбіне, әдебиеттерде зарядты тасымалдаушыларға негізгі және не гізгі емес деп жазады. Негізгі тасымалдаушының 1см ³ көлемдегі концентрациясының саны, әрқашанда негізгі емес тасымалдаушының санынан артық болады.

Жартылай өткізгіштердің зоналық үлгісі. Меншікті және коспалы жартылай өткізгіштердің электрондық процестерін олардың энергиялық күйлерінің диаграммасы арқылы талдаған жөн. Жеке атомның ондай диаграммасы 1. 3, а-суретінде көрсетілген. Вертикаль өстің бойына электронның W энергиясының жоғарлауы, ал горизонталь өсі бойына энергияның дискретті мәнінң (деңгейлерінің) сызықтары салынып бейнеленген. Абсолют нөл температурасында атом ядросы нашар тербеледі, барлық валенттік электрондар өздерінің орбиталарында айналып жүргенде , олардың W _в дискреттік минимальдық энергия мәні болады. Температура жоғарлаған мезетте қайсыбір электрондар энергияның белгілі бір өсімшесі-квант энергиясын жұтып, өзінің атомынан босап шығып, жаңа энергиялық деңгейге көшеді. Диаграммада электронның W _қоз қозған күйге немесе атомнан толық алшақтаған W _u (атом ионға айналған) күйге ауысқаны бейнеленген (қараңыз: 12. 3, а-сурет) .

а) э) б) в) г)

1. 3

12. 3 , ә -суретінде байланысқан атомдар тобының (кристалдың) энергетикалық күйі бейнеленген. Мұның жоғарыда айтқандарымыздан айырмашылыгы валенттік электрондардың энергиялык деңгейлері энергетика зоналарға жіктелген: валенттік зона (ВЗ), тыйым салынған зона (ТЗ) және өткізгіштік зона (ӨЗ) . Зоналардың кіргізілу себебі валенттік электрондардың меншікті және көрші атомдарга әсерлерін түсіндіру үшін қажет болғандығында.

Әр зонаның төменгі деңгейін зонаның түбі, ал жоғарғы деңгейін төбесі деп атайды. Зонаның әр түрлі ені әр заттың айрықша белгісінің сипаттамасы болады; зонаның ені электрон вольтпен (эВ) өлшенеді. Металдарда валенттік зона өткізгіштік зонамен жабылады, тыйым салынған зона жоқ; бөлме температурасында жартылай өткізгіштердің тыйым салынған зонасы ∆W _{T, 3} < 3 эВ (таза германийде ∆ W _{T, 3} =0, 67 эВ, кремнийде ∆W _T3 = 1, 11 эВ) ; диэлектриктерде ∆ W _T3 > 3 эВ. Т температурасында электронның W энергетикалық деңгейін толтыру ықтималдығы Ферми-Дирактың статикалық өрнегімен анықталады:

w-w _F

ƒ _n =[1+ехр (---) ] ^-1

kT (1. 1)

мұндағы ехр х = е ^х - экспоненциалдық тәуелділіктің белгіленуі (е = 2, 718- натурал логарифмдердің негізі, х - экспоненциал функциясының аргументі) k = 8, 73 • 10 ^-5 - Больцман тұрақтысы, эВ/К; Т - абсолют температура, К; W _F - заттардың физикалық қасиеттерінен тәуелді фермидің энергетикалық деңгейі (немесе ферми энергиясы) .

Бұл функцияның графиктік тәуелділігі 1. 3, б-суретінде көрсетілген. Вертикаль өсте энергияның мәндері; абцисса өсіне электрондардың тиісті энергетикалық деңгейлерді толтыру ықтималдығы салынған. Графикте сынық сызық ОК температураға сәйкес келеді және бүл температурада валенттік зонаның барлық деңгейлері толығымен электрондармен толтырылған (ықтималдық р=1), ал электрондардың өткізгіштік зонада болу ықтималдығы нөлге тең. 1-қисықтың горизонталь бөлігі тыйым салынған зонаның ортасы арқылы өтеді, мұнда электрондар дискреттік принциптің салдары бойынша бола алмайды. Температура жоғарлаганда, мысалы 300К болғанда, валенттік зонадағы электрондардың бөлігі азайып, өткізгіштік зонада байқалады, бұл жагғдайда олар осы зонаның төменгі деңгейінде болады (1. 3, 6-сурет , 2-қисық) . Температура едәуір өскенде (1. 1) функциясының екінші қосылғышы нөлге ұмтылады, ал электрондардың энергия бойынша орналасу ықтималдығы - 0, 5, толтырылу ықтималдығы 0, 5-ке сәйкес келетін деңгейді ферми деңгейі деп атайды (W _F - Ферми энергиясы) .

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.