1 дәріс Кіріспе. Шала өткізгіштер. Электрониканың негізгі элементтері. Шала өткізгішті диодтар, жіктелінуі. Жұмысы, вольт-амперлік сипаттамасы

Шала өткізгішті материалдар меншікті 10⁸-10^–6 Ом · м кедергісі бар кең класты материалдарды біріктіреді. Ең көп қолданыс тапқандар – Si кремний және Ge германий. Шала өткізгіш материалдарда идея-лизацияланған модельдер негізінде жүретін негізгі үдерістерді қарастырамыз.

Электрондық құрылымында идеалды кремний кристалының Менделеевтің периодты элементтер жүйесінің ІV тобынан әрбір төрт валентті электрондардың кез келген атомы қосарланған байланыс (валенттік байланыс) жасайды, дәл осындай валенттік электрондарымен төрт көрші атомды құрайды. Егер сыртқы энергия көзі (жарық, жылу) кремний атомына әрекет етпесе, оның электрондық құрылымы бұзылмайды, сонда барлық атомдары электрлік бейтарапты. Осындай идеалды кремний кристалы электр тогын өткізбейді.

Алайда идеалды кремний кристалының электрлік қасиеті оған басқа химиялық элементтерінің қоспасы болған кезде елеулі түрде өзгереді. Әдетте, қоспа ретінде не V (Sb сурьма, Р фосфор) элементі, не ІІІ топтың (Ga галий, In индий) периодты жүйесі қолданылады.

Кремний кристалының электрондық құрылымында фосфор қоспасы бар төрт валенттілік фосфор электроны және төрт көрші кремний атомының валенттік электрондары төрт байланыс құрайды. Фосфордың бесінші валенттік электроны артық болады екен. Сыртқы көздердің (жылу, энергиясы, бөлме температурасы кезінде) аздаған энергия шығады, сонда артық электрон қоспа атомы мен байланысын жоғалтады. Фосфор атомы электронын жоғалтып, қозғалмайтын оң ионға айналады. Осындай шала өткізгіш n түрлі шала өткізгіш немесе электронды электрөткізгіштігі бар шала өткізгіштік деп аталады, ал тиісті қоспа донорлық (donare – сыйлау деген латын сөзі) немесе донорлық қоспалар деп атайды. 10.13-суретте n түрлі идеалды шала өткізгіштің шартты бейнесі келтірілген, онда қозғалмайтын оң ион дөңгелек ішінде «+» плюс таңбамен, ал қозғалмалы еркін электрон «–» теріс таңбамен белгіленген.

Егер үш валенттілік электронына ие индий қоспа ретінде пайдала-нылса, онда кремний кристалы электрондық құрылымында индий атомының бір валенттік байланысы төрт көрші кремний атомымен толықтырылмаған және кристалда «кемтік» түзіледі. Түзілу үшін кристалдың тұрақты электрондық құрылымына қосымша электрон қажет. Бөлме температурасы кезінде индий атомы кремний атомымен көрші валенттік байланыстар арасынан бір электронды басып алуы үшін жылу энергиясы толығынан жеткілікті.

Бұл жағдайда индий атомы қозғалмайтын тұрақты теріс ионына айналады, ал кемтік басып алынып орналасқан орынға ауысады. Содан соң жаңада пайда болған кемтік орнына көрші валенттік байланысынан электрон орын ауыстыра алады және т.б. Электрофизикалық көзқарастан бұл үдерісті кристалдағы оң зарядты электрон зарядына тең еркін кемтік еркін қозғалыста болады. Осындай шала өткізгіш кемтіктік электр-өткізгіштегі бар шала өткізгіш деп аталады немесе р түрлі шала өткізгіштік, ал соған лайықты қоспасын акцепторлық дейміз. 10.14- суретте р түрлі идеалды шала өткізгіштің шартты бейнесі келтірілген.

Дегенмен жоғарыда қарастырылған екі үдерісте тек электрондар ғана қатысқан, ал оң заряды бар енгізілген жалған кемтік тек әдістемелік көзқараспен ғана ыңғайлы.

Еркін электрондар және кемтіктер қоспасы бар шала өткізгіштерде ғана пайда болып қоймай, ол қоспасы жоқ идеалды шала өткізгіштерде де, егер сыртқы қөрек көзі энергиясы, валенттілік байланысын ажырату үшін жеткілікті болған жағдайда пайда болады. Кремнийдің электрлік бейтарап атомында бір валенттілік байланысын ажырату пар «электрон – кемтік» тууына балама шартты бейнесі 10.15-суретте келтірілген. Бұл үдеріс генерация немесе термогенерация деп аталады, егер энергия көзі ретінде жылу энергиясы қолданылса. Бір мезгілде кері үдерісте жүруі мүмкін. Рекомбинация, яғни электронмен кемтік кездескен кезде валенттік байланыс қалпына келтіріледі.

Термогенерация арқасында идеалды шала өткізгіште донорлық және акцепторлық қоспаларының екі таңбалы еркін зарядтары бар. n түрлі шала өткізгіштер үшін еркін электрондар негізгі деп, ал кемтіктер негізгі емес заряд тасымалдаушылары деп аталады. p түрлі шала өткізгіштер үшін негізгі заряд тасымалдаушыларына кемтіктер, ал негізгі еместерге электрондар жатады. Бұдан былай бұл зарядтарды қысқаша негізгі және негізгі емес тасымалдаушы деп атаймыз. Негізгі тасымалдаушылардың шоғырлануы, яғни олардың саны 1 см³, әдетте, негізгі емес тасымал-даушыларынан бірталай артады.

Егер біртекті шала өткізгіштікті басқа да сыртқы қорек көзінің энергия көмегімен электр өрісінің  кернеулігін жаратса, сонда электрондардың және кемтіктердің ретсіз (жылулық) қозғалыстарымен қатар, олардың ретке келтірілген (дрейф) қарама-қарсы бағыттарда қозғалысы пайда болады, яғни ток өткізгіштігі деп аталатын тогы:

мұндағы I_n және I_p – токтардың электрондық және кемтіктік құраушы-лары. Шала өткізгіш атомдардың арасында l_орт орташа қашықтығын еркін жүріп өту уақытында зарядтардың қозғалмалы тасушылары кинетикалық энергиясын қабылдайды:

Бұл энергия кезінде электр өрісінің кернеулігі  > 6 Мв/м шала өткізгіштер атомдарын соққалы қоздыру үшін, олардың валенттілік байланысын үзуге және қос «электрон – кемтік» тууына жеткілікті. Қозғалмалы заряд тасушылар саны күрт өсетіндігі, демек шала өткізгіштіктің меншікті өткізгіштігі байқалады.

Осы құбылыс тесу тасқыны деп аталады. Тесу тасқыны – қайтымды үдеріс. Электр өрісінің кернеулігі азайған кезде шала өткізгіш бұрынғы қалпына келу қасиетіне ие. Бұл – тасқынды тесудің жылулық тесуден айырмашылығы. Тасқынды тесуден кейін жылулық тесуі басталады, электр өрісі кернеулігінің одан ары ұлғаюы шала өткізгіштің бүлінуіне әкеледі.
Шала өткізгіштер аспаптарда ерекше құбылыстар, шала өткізгіштер р және n түрлілер арасында, сондай-ақ бұл шала өткізгіштер мен және диэлектриктермен және металдармен шекара айырығында пайда болатын құбылыстар орындалады.

А. р және n түрлі шала өткізгіштердің түйіспелі шекарадағы құбылыстар. Талдау жұмысына ыңғайлы болуы үшін, идеалды жазықты параллель шекаралық айырығы бар шала өткізгіштің конструкциясын (10.16,а-сурет) пайдаланамыз. Алғашында идеалды шекара айырығын-дағы шала өткізгіштердің n және р түрлерін қарастырамыз, ондағы термо-генерациясын, яғни негізгі емес тасымалдаушыларын елемейміз.

Шала өткізгіштердің шекара айырығының екі жағындағы еркін кемтіктер мен электрондардың шоғырлануының айырмашылығы салда-рынан энергия көзі тізбегінің ажыратылған кезінде р түрлі шала өткізгіштен кемтіктер бір бөлігі n түрлі шала өткізгішке диффун-дирленеді, ал n түрлі шала өткізгіштерден электрондардың бір бөлігі р түрлі шала өткізгішке диффундирленеді, сөйтіп, бір-біріне толық реком-бинацияланады. Осының нәтижесінде шекара бойында шала өткізгіштер айырығында теріс және оң иондардың қозғалмайтын қабаты пайда болады, шала өткізгіштер жағындағы р және n түрлері сияқты p-n өтпесі түзеді.

Термогенерация құбылысы р-n өтпелігінде бірқатар үдерістерді өзгертеді. Сыртқы энергия көзінің әрекет етуінен әлеуетті тосқауыл өскен кезде ток енді нөлге тең болмайды. Термогенерацияның қарқындылығы аз болуы салдарынан бұл токтың мәні үлкен емес.

Конденсатор қосылған мәніне және полярлығына байланысты кернеу шала өткізгіштігінің қабатында вакуумы бар шекарасында болатын құбылыс әртүрлі сипатқа ие болады.

Кернеу жоқ кезінде (U = 0) шала өткізгіш көлемінде (10.17-сурет) негізгі және негізгі емес тасымалдаушылары бірқалыпты таралған.

10.18-суретте көрсетілген кезінде шала өткізгіштің қабатында кернеу полярлығы (U > 0) вакуумы бар оның шекарасында электр өрісінің әрекет етуінен электрондардың шоғырлануы ұлғаяды.

Бір мезгілде кемтіктің шоғырлануы рекомбинацияның күшеюі есебінде төмендейді. Шала өткізгіштің қалған бөлігі электр түрінде бейтарап қалпында қалады. Артық негізгі тасымалдаушылары бар шекаралық қабат қаныққан қабат деп аталады. Оның меншікті өткіз-гіштігі үлкен.

Егер кернеу полярлығын өзгертсе U = U₁ < 0, онда электрондардың шоғырлануы шекараға жақын қабатында азаяды, ал кемтікті шоғырлануы аздап болса да ұлғаяды (10.19-сурет). Шекараға жақын қабатта жеткі-ліксіз негізгі тасымалдаушылар кедейленген қабат деп аталады. Оның меншікті өткізгіштігі аз.