19.8.Жартылай өткiзгiштердiң зоналық теориясы

Заттардағы электрондар атом ядроларына қатысты тек энергиялары белгiлi мәндердi қабылдайтын және осы энергиялардың ешқандай аралық мәнiн қабылдамайтындай күйлерде болады. Әрбiр электронға басқа электрондардың энергиялық деңгейлерiнен бөлек энергиялық деңгейлердiң тек белгiлi бiр мәндері сәйкес келедi. Бұл энергияның деңгейлерi рұқсат етiлген деңгейлер деп аталады. Рұқсат етiлген деңгейдiң жиынтығы облыстарды немесезоналарды құрайды және бұл зоналар бiр-бiрiнен электрон қабылдай алмайтын энергия деңгейлерiнен тұратын облыстармен бөлiнген. Бұл облыстартыйым салынған зоналар деп аталады. Абсолют ноль температурада жартылай өткiзгiштердегi барлық электрондар энергиясы ең төмен зонада орналасады және бұл зонадағы барлық энергиялық деңгейлер электрондармен толтырылады.

Бұл зона валенттiлiк зона деп аталады. Валенттiлiк зонадан жоғары орналасқан зона өткiзгiштiк зона деп аталады. Барлық металл емес заттарда абсолют ноль температурада өткiзгiштiк зонада бiрде-бiр электрон болмайды. Металдарда валенттiлiк зона мен өткiзгiштiк зоналар қабаттасады. Электронның валенттiлiк зонадан өткiзгiштiк зонаға өтуiне қажеттi энергия тыйым салынған зонаның енi ( Е₀) деп аталады.

Жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi негiзгi электрондық (n-типтi) немесе кемтiктiк (p-типтi) болады.

Электронды өткiзгiштiк электрондардың өткiзгiштiк зонада қозғалысынан пайда болады, ал кемтiктiк өткiзгiштiк электронның валенттiлiк зонада электрон жетiспейтiн атомдардың бiрiнен екiншiсiне қозғалысынан пайда болады. Электронның валенттiлiк зонадағы қозғалысынан оң зарядтың (кемтiктiң) электрон қозғалыс бағытына қарсы бағыттағы қозғалысымен ауыстыруға болады. Бұл оң заряд шарты «кемтiкң деп аталады.

 

19.9.Жартылай өткiзгiштердегi электрондық-кемтiктiк ауысулар

     Металл-жартылай өткiзгiш және жартылай өткiзгiш- жартылай өткiзгiш түйiсулерi Ом заңына бағынбайды. Бұл түйiсулердегi кедергi түсiрiлген кернеуге тәуелдi және кернеудiң бiрдей мәнiнде токтың бағытына байланысты өзгередi.

     Жоғарыда айтылғандай жартылай өткiзгiштердiң өткiзгiштiгi сипатына байланысты электрондық (n-типтi) және кемтiктiк (p-типтi) болуы мүмкiн. n-типтi жартылай өткiзгiштерде негiзгi заряд тасымалдаушылар электрондар, ал p-типтi жартылай өткiзгiштерде кемтiктер болып табылады. Екi жартылай өткiзгiштiң түйiсуiнде электрондар мен кемтiктер бiр жартылай өткiзгiштен екiншi жартылай өткiзгiшке өте алады. Сондықтан жартылай өткiзгiштердiң арасында түйiсу потенциалдар айырмасы пайда болады да, ал жұқа шекаралық қабатта түйiсу электрлiк өрiсi пайда болады.

     Егер бiр типтi (екеуi де электрондық немесе екеуi де кемтiктiк) жартылай өткiзгiштер түйiссе, онда екi жартылай өткiзгiште бiрдей бөлшектермен алмасады (не кемтiктермен не электрондармен). Сондықтан түйiсетiн жартылай өткiзгiштердiң бiреуi n-типтi, екiншiсi p-типтi болған жағдайды қарастырамыз. Бұндай түйiсулер электрондық-кемтiктiк ауысу немесе p-n ауысу деп аталады. Осындай түйiсулерде таза күйiнде алу мүмкiн емес. Себебiекi жартылай өткiзгiштi бiр-бiрiне түйiстiргенде беттерiнiң тегiстiк еместiгiнен түйiсу тек кейбiр нүктелерде жүредi, ал олардың арасында ауа қабаттары болады. Сондықтан p-n ауысуын алу үшiн таза жартылай өткiзгiшке (мысалы, германий, кремний) екi қоспа - бiреуi донорлық (яғни, электрондық өткiзгiштiк бередi), ал екiншiсi акцепторлық (яғни, кемтiктiк өткiзгiштiк бередi), пластинканың бiр шетiнде бiр қоспа, ал екiншi шетiнде екiншi қоспа артық болатындай түрде енгiзiледi. Сонда пластинканың бiр жартысындай электрондық өткiзгiштiк, ал екiншi жартысында кемтiктiк өткiзгiштiк пайда болады және осы екi қоспалар бiрiн- бiрi теңестiредi.

     Электр тогы болмаған жағдайдағы p-n ауысуын қарастырайық. Жылулық қозғалыстың нәтижесiнде n-облыстан электрондар p-облысқа өтедi және кемтiктер p-облыстан n-облысқа өтедi. Соның нәтижесiнде n-облыста түйiсу шекарасының айналасында оң көлемдiк заряд, ал p-облыста терiс көлемдiк заряд пайда болады да, n-облыстың потенциалы оң және ондағы электрон энергиясы азаяды (себебi, электрон заряды терiс), ал p-облыстың потенциалы терiс және ондағы электронның энергиясы артады. Электрондардың W_э потенциалдық энергиясының таралу қисығы суретте көрсетiлгендей түрде болады (тұтас қисық). Керiсiнше кемтiктердiң W_д потенциалдық энергиясы  n-облыста үлкен және p-облыста кiшi болады (сызықшалы қисық).

 Тепе-теңдiк күйiнде түйiсу арқылы өтетiн толық ток нольге тең. Бұл токтың металдағы токтан ерекшелiгi, ол электрондар мен кемтiктердiң реттелген қозғалысынан пайда болады.

Кез келген жартылай өткiзгiште негiзгi заряд тасымалдаушылардан басқа, әрқашанда негiзгi емес заряд тасымалдаушылар болады. Сондықтан электрондық жартылай өткiзгiштердiң электр өткiзгiштiгi электрондармен (негiзгi заряд тасымалдаушылар) қатар электрондармен салыстырғанда саны аз кемтiктердiң (негiзгi емес заряд тасымалдаушылар) қозғалысынан болады. Ал кемтiктiк жартылай өткiзгiштердiң электр өткiзгiштiгi кемтiктермен (негiзгi заряд тасымалдаушылар) қатар электрондар (негiзгi емес заряд тасымалдаушылар)  қозғалысынан болады.

     Негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың санынан негiзгi заряд тасымалдаушылардың саны өте көп болады.

   Суреттi қарастырайық. Түйiсу өрiсi негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың қозғалысын тудырады (суретте негiзгi емес заряд тасымалдаушылар потенциалдық дөңестен «төмен түседiң). Сондықтан барлық түйiсу  облысының айналасындае пайда болатын негiзгi емес заряд тасымалдаушылар n-p-ауысу арқылы қозғалады және n-облыстан p-облысқа бағытталған  І_H  токты тудырады. Бұл токтың күшi n және p-жартылай өткiзгiштерге түсiрiлген потенциалдар айырмасына тәуелсiз, тек түйiсу облысында  бiрлiк уақытта пайда болатын негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың санына ғана тәуелдi. Негiзгi заряд тасымалдаушылар (оңнан солға қарай қозғалатын кемтiктер және солдан оңға қарай қозғалатын электрондар) І₀ тогын тудырады және бұл токтың бағыты p-облыстан  n-облысқа қарай бағытталады. Суретте көрсетiлгендей түйiсу өрiсi потенциалдық барьердан өтуге тиiс негiзгi заряд тасымалдаушылардың қозғалысына кедергi келтiредi.

Тепе-теңдiк күйiнде толық ток  І=І₀-І_н=0 болатындай потенциалдық  барьердiң биiктiгi тұрақтанады.

     Ендi түйiсу арқылы ток жүрген жағдайды қарастырайық.

n-облысқа терiс потенциал және p-облысқа оң потенциал берiлсе (сурет), онда  n-облыстағы электрондар энергиясы артады, сондықтан потенциалдық барьердiң биiктiгi азаяды. Бұл жағдайда жоғарыда айтылғандай  І_н негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың тогы өзгермейдi. І₀ негiзгi заряд тасымалдаушылардың тогы ендi электрондар потенциалдық барьердан өте алатын болғандықтан, солдан оңға қарай және кемтiктер қарама-қарсы бағытта жүредi. Нәтижесiнде түйiсу арқылы p-облыстан n-облысқа бағытталған  І=І₀- І_н тогы өтедi және ток күшi түсiрiлген кернеуге байланысты күрт артады.

     Егер n-облысты ток көзiнiң оң полюсiне, p-облысты ток көзiнiң терiс полюсiне қосқанда потенциалдық барьердiң биiктiгi артады да негiзгi заряд тасымалдаушылардың І₀ тогы кемидi

(сурет). Кернеу 1 Вольт шамасында болған кезде түйiсуден тек шамасы өте аз негiзгi емес заряд тасымалдаушылардың І_н тогы өтедi деп есептеуге болады.

Жоғарыда келтiрiлгендерге байланысты  p- n-ауысудың вольт-амперлiк сипаттамасы суретте көрсетiлгендей түрде болады.

Ток  p-облыстан  n-облысқа қарай жүргенде, ток күшiнiң мәнi үлкен болады және түсiрiлген кернеуге байланысты тез артады. Сондықтан осы бағыттағы ток үшiн (токтың өту бағыты) түйiсу кернеуi өте аз болады. Егер ток n-облыстан p-облысқа қарай бағытталса, ток күшi өте аз болады және түсiрiлген кернеуден тәуелсiз болады (қанығу тогы). Токтың осы бағытына түйiсу кедергiсi өте үлкен болады. Соныменен  p-n ауысуы бiр бағыттың өткiзгiштiкке немесе вентилдiк қасиетке ие болады және вольт-амперлiк сипаттамасы сызықтық түрде болмайды.

     Айнымалы ток тiзбегiне p-n ауысуын қосқанда ол түзеткiш түрiнде жұмыс атқарады. Бiр p-n ауысуынан тұратын электрлiк қондырғыны диод деп атайды.

     Егер керi кернеудiң шамасы белгiлi бiр үлкен шамаға жеткенде, түйiсудiң қызуымен және өтпелi қабатта күштi электр өрiсiнiң әсерiне байланысты қосымша құбылыстар байқалады. Бұл құбылыстар түзетушi ауысуды iстен шығаратын керi токтардың күрт артуын тудырады (диодтың «тесiлуi»).