В. Диэлектрик пен шалаөткізгіштік шекарасындағы түйіспелік құбылыс

Әртекті заттардың электрондар шығару жұмыстары да әртүрлі, яғни вакуумда заттан бір электронды шығару үшін ең аз энергия қажет. Бұл үдеріс сан бойынша шығу φ әлеуеті мәнімен анықталады, ол шығу жұмысының электрон заряды қатынасына тең.

Бұл кезде диэлектрик пен шала өткізгіш шекара айырығында пайда болған құбылысты соңғысында негізгі және негізгі емес тасымалдаушы-ларын қабылдап қарастырамыз.

Кремний негізіне шала өткізгіштердің n және р түрлері үшін іс жүзінде бірдей әлеует шығуы: φ_Si(n) = φ_Si(p) ≈ φ_Si = 4,8 В, ал диэлектрик үшін екіқышқылды кремнийден  4,4 В. Осының нәтижесінде элек-трондар бөлігі диэлектриктен шала өткізгішке ауысуы жүреді, онда диэлектриктің шекара маңындағы қабат – оң, ал шала өткізгіштікте теріс зарядталды. Қабаттар арасында пайда болатын кернеулікті электр өрісі бұл үдеріске бөгет жасайды да, оны тепе-теңдік күйге келтіреді. Бұл электр өрісінің әрекет етуіне n түрлі шала өткізгіштің шекаралық қабатында қаныққан қабат түзеді (10.21-сурет), ал р түрлі шала өткізгіштің шекаралық қабатында қаныққан қабат түзеді (10.22-сурет).

Егер металл үшін шықпалық φ_m әлеует шала өткізгіш үшін шықпалық φ_Si(n) әлеуетінен үлкен болса, онда шекара айырығындағы металда – теріс зарядты қабат, ал шала өткізгіштікте оң зарядты жұтаңданған қабат түзеді. Бұндай түйіспе бірбеткей өткізгіштігіне ие болады. Осындай түрдегі электрлік өтпелелері шотки тосқауылы деп аталады, осыны зерттеуші ғалым атына берілген. Шотки диодтарында (шала өткізгіштен электрондар металға келеді) негізгі емес тасымалдаушылары зарядта-рының жинақталу және шашырау үдерістері болмайды, ол электронды-кемтіктік өтпелері үшін ғана сипатты. Сондықтан шотки диодтары әдеттегі диодтарға қарағанда әлдеқайда жоғары тез әрекет етуге қабілетті, себебі зарядтардың жинақталуы және шашырауы – үдерістері инер-циялы, яғни уақытты талап етеді.

Шотки түйіспесі әртүрлі шала өткізгіш аспаптарды жасау кезінде пайдаланылады (импульстік детекторлық, ығыстырушы диодтарда, тасқынды – көпірлік диодтарда, фотодиодтарда, ядерлік сәулелендіруші детекторларда, биполярлы және өрістік транзисторда және т.б.).
Шала өткізгішті диодтар
Вольт-амперлік сипаттамасы
Кез келген электр аспаптары үшін аспап арқылы жүретін токтың және қосылған кернеудің арасындағы тәуелділік маңызды. Бұл тәуелділікті біле отырып, берілген кернеу кезінде токты анықтауға немесе керісінше берілген тиісті кернеуді анықтауға болады.

Егер аспаптық кедергісі тұрақты, токқа немесе кернеуге тәуелді болса, онда ток пен кернеу арасындағы байланыс Ом заңымен өрнектеледі:

Ток кернеуге тура пропорционалды. Пропорционалдық коэффициенті G = 1/R өткізгіштігі болып саналады.

Ток пен кернеу арасындағы тәуелділік осы аспаптың вольт-амперлік сипаттамасы деп аталады немесе жай ғана сипаттама делінеді. Ом заңына бағынатын аспап үшін координат басы арқылы өтетін түзу сипаттама болып саналады (10.23-сурет). Неғұрлым R кедергісі үлкен болса, өткіз-гіштік соншалықты кіші және ток соншама, әрине, берілген кернеу кезінде азаяды.

Сондықтан шамасы үлкен кедергілер үшін сипаттама көлбеулеу болып келеді. R кедергі еңістік α бұрышымен байланысқан сипаттама тәуелділігі:

R = u/i = kctgα, (10.19)

мұндағы k – пропорционалдық коэффициенті формулаға және масштабқа кіретін бірлік шамасын есепке алады, ондағы шама мәндері өстерге салынған. Басқаша былай жазуға болады:

мұндағы k' = 1/к.

Кері аздаған ток үшін тура токпен салыстырғанда сипаттамада әдетте басқа масштабта көрсетеді (10.24-суретте). Қуаты кішілеу диодтарда кері кернеу жүздеген вольтке дейін кезінде кері ток бірлік немесе ондаған микроампер құрайды. Бұл бірнеше жүздеген килом және одан көбірек кедергісін құрайды. Себебі, U_кері >> U_тура, сонда бұл кернеу де әртүрлі масштабта салынған. Масштабтардың айырмашылығы салдарынан коор-динат басында қисық бұрылысы алынған. Масштаб өзгермеген жағдайда сипаттама бірқалыпты қисық (бұрылыссыз) болар еді.

Тура ток үшін сипаттама алғашында недәуір сызықтық еместігіне ие болады, себебі U_тура ұлғайған кезінде жабушы қабатында кедергі азаяды. Сондықтан қисық құламасы көптеген үлкен деңгейде жүреді. Бірақ кернеу ондаған бөлік вольт кезінде тыйым салынған қабат іс жүзінде жоғалады және тек n және р аймағындағы кедергі қалады, жуық мөлшерде тұрақты деп санауға бола алады. Сондықтан бұдан былайғы сипаттама тіптен сызықты болып қалыптасады. Мұндағы аздаған сызықты еместік, ток өскен кезде n және р аймағы қызады және бұл олардың кедергілері азаятындығымен түсіндіріледі.

Кері ток кері кернеудің өсуінен алғашында тез өседі. Бұл аздаған кері кернеу кезінде әлеуетті тосқауылдың өсу есебінен өтпеде диффузиялық ток төмендейді, ол ток өткізгіштігіне қарсы бағытталған. Демек, толық ток i_кері = i_др – i_диф күрт ұлғаяды. Алайда одан арғы кері кернеудің ұлғаюы кезінде ток шамалы ғана өседі. Токтың өсуі өтпенің қызуы салдарынан беттік бойынша ағып кету есебінен жүреді, сонымен қатар көшкінді түрде заряд тасымалдаушыларының көбеюі есебінен, яғни заряд тасымал-даушылар санының ұлғаюының ионизациялық соққысы нәтижесінде болады. Ионизациялық соққы құбылысы кері кернеудің жоғарырағы көбірек кезінде электрондар үлкен жылдамдығына ие болып, кристалдың тор атомдарын соққылап, жаңа электрондарын олардан шығарады, сонымен қатар, өз кезегінде, өріспен екпіндетіп қуады және тағы да атомнан электрондарын шығарады. Осындай үдеріс кернеудің артуынан күшейе түседі.

Кері кернеудің кейбір мәні кезінде n-p өтпесінде тесілу пайда болады, сонда кері ток күрт өседі және бекіткен қабаттағы кедергі күрт төмендейді, n-p өтпесіндегі электрлік және жылулық тесілуін ажырата білу керек. Электрлік тесілу 10.24-суретте АБВ теліміндегі келтірілген сипаттама қайтымды болып саналады. Сондықтан диод жұмысының электрлік тесілу режимінде рұқсат етіледі. Арнайы диодтар кернеуді тұрақтандыру үшін шала өткізгішті стабилитрондар – сипаттаманың БВ телімінде жұмыс істейді. Электрлік тесілудің екі: тасқынды және туннельді түрі кездеседі, олар бір-бірімен жиі ілесе жүреді.

Тасқынды тесілу ионизация соққысы есебінде тасымалдаушылардың тасқынды көбеюімен және күшті электрлік өрісімен атомдардан электрондарды жұлып алу есебінде түсіндіріледі. Бұл тесілу қалыңдығы үлкен n-p өтпелерге тән, шала өткізгіштердегі қоспалардың салыстыр-малы аздаған шоғырлануы кезінде алынады. Тасқанды тесілу тесуші кернеу ондаған жүздеген вольт құрайды.

Туннельді тесілу тиімді туннельдік құбылысымен түсіндіріледі. Соңғысының маңызы n-p өтпедегі қалыңдығы кішілеу тұратын өріс кезіндегі кернеулігі 10⁵ В/см көбірек әрекет еткенде өз энергиясын өзгертпей, кейбір электрондары өтпе арқылы енеді. Жұқа өтпелерінде туннельдік тиімділік болуы мүмкін, ол қоспаның жоғарғы шоғырлануы кезінде алынады. Туннельдік тесілуіне лайықты кернеу, әдетте, бірлік вольттан аспайды. Туннельдік тиімділік тереңірек арнайы шала өткізгіштік аспаптарында қарастырылады.

Жылулық тесілу аймағы 10.24-суреттің ВГ телімінде лайықты. Жылулық тесілу қайтымды емес, себебі ол n-p өтпе орнында заттың бұзылуымен ере жүреді. Жылулық тесілудің себебі n-p өтпедегі орнықты жылулық режимінің бұзылуы болып саналады. Бұл жылулық санының өтпедегі бөлінетін кері токпен қыздырылуы өтпеліктегі алып кететін жылу санынан асатындығын білдіреді. Осының нәтижесінде өтпедегі температура ұлғаяды, оның кедергісі кішірейеді және ток ұлғаяды, бұл өтпеліктің қызуын асырып жіберуге және оның жылулығының бұзылуына келтіреді.

Бұны келесі формуламен білдіруге болады:

Кремнийлік диодтардың әрбір 10°С қыздырылуы кезінде кері ток мөлшермен 2,5 рет өседі, ал электрлік тесілудің кернеуі температураның өсуі кезінде алғашында бірнеше есе ұлғаяды, содан соң кемиді. Кері токқа қарағанда, тура токтың диодты қыздырғандағы өсуі шамалы. Ең бастысы – тура ток қоспалық өтімділік есебінде пайда болады, ал қоспа-лардың шоғырлануы температураға тәуелді. Температураның артуымен бірнеше диодтың тосқауылдық сыйымдылығы өседі. Сыйымдылықтың температуралық коэффициенті (СТК) сыйымдылықтың өзгерісін көрсе-теді. Ол температураның бір градусқа өзгеруі кезінде 10^–4-10^–3 К^–1.