Меншікті және қоспалы өткізгіштік энегия деңгейлері

Жартылай өткізгіштерге негізінен Менделеев кестесінің IV тобының элементтері Si (кремний), Ge (германий) жатады. Олардың кристалл торының алмаз, графит торына (тетраэд) ұқсастығын ескере отырып, олардың өте қатты денелер қатарына жататынын білеміз.

Аталған элементтермен қатар жартылай өткізгіштерге меншікті кедергілері 10 – 10 Ом*см аралығында орналасқан әр түрлі тотықтар мен қосындылар да (мысалы, GaAs, InSb т.б) жатады.

Жартылай өткізгіштердің электр тоғын өткізу қасиетін зоналық теория тұрғысынан айқындап, дәлелдеген жөн. Бұл теория бойынша әрбір атомның құрылысында бірнеше электрондық қабаттар, яғни энергетикалық деңгейлер болады. Тұрған деңгейіне байланысты әрбір электронға өзіндік орбита сәйкес келеді. Электронның осы энергетикалық деңгейін сипаттау үшін физикада 4 кванттық сан еңгізілген: 1 - «бас» кванттық сан; 2 - «орбиталық» кванттық сан; 3 - «орбиталық магниттік» кванттық сан; 4 - магнит спині.

Осы қабылданған сандардың физикалық мәндерін түсіну үшін мынадай физикалық ұқсастыққа жүгінуге болады. Мәселен, өэ алдына жеке дара алынатын атом жер шарына ұқсас дедік. Онда атом орбитасында айналып жүрген электрондардың, былайша айтқанда, жер серіктерінің күйін сипаттау үшін қандай анықтамалық көрсеткіштер енгізуіміз керек? Біріншіден, жер серігінің орбитасының ең алыс (апогей) және ең жақын (перигей) шектерін белгілеуіміз керек. Осы шамаларға атом құрылысындағы орбитасының апогейі мен перигейін көрсетеді.

Айтылған екі шама тек орбита көрсеткіштері болып қалады да, электронның өз жағдайын толық бағалай алмайды. Ондай анықтаманы алу үшін қосымша тағы екі шарт енгізуіміз керек: а) электрон орбитасының кеңістік бойынша бағалануы – орбиталық магниттік кванттық сан; ә) электронның өз қозғалысының орбита кеңістігіне бағдарлануы немесе өз осі бойынша оңға немесе солға қарай айналуы (магниттік спин).

Осы аталған төрт сан арқылы электронның энергетикалық деңгейіне толық баға беруге болады.

Бор постулаттары бойынша электрон шексіз өмір сүру үшін тек белгілі бір рұқсат етілген орбитада ғана (кванттық сандарына сәйкес) айналуы керек, яғни тек белгілі энергетикалық деңгейде өмір сүруі тиіс. Тек осындай жағдайда ғана электронның энергиясы шағындалмай, ол шексіз өмір сүре алады. Егер электрон тыйым салынған деңгейге (орбитаға) өтетін болса, онда оның энергиясы бірте - бірте шағындала келіп, ол түбінде ядроға құлап түскен болар еді. Сондықтан әрбір атомның электрондары тек белгілі бір рұқсат етілген энергетикалық деңгейлерде ғана өмір сүреді де, ал бір деңгейден екінші деңгейге (рұқсат етілген) ауысуы сырттан энергия қабылдаумен немесе сыртқа энергия шығарумен ұштасады. Мысалы, электрон жоғарғы орбитадан төменгі орбитаға ауысты делік. Бұл электронның жоғарғы энергетикалық деңгейден төменгі энергетикалық деңгейге ауысуымен сәйкес келеді де, артық энергия сыртқа жылу немесе сәуле ретінде бөлініп шығады. Ал электронның төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге шығуы электронның сырттан қосымша энергия алуына байланысты (2.1 - сурет). Суреттегі Е1, Е2- энергетикалық деңгейлердің шамалары, ал ΔЕ = Е1 - Е2 – олардың айырымы (қабылданатын немесе бөлінетін энергия мөлшері).

Жоғарыда жеке дара алынған атомның энергетикалық деңгейлерін қарастырдық. Ал өмірде атом жеке күйде кездесе бермейді де, оны біз белгілі бір қасиеттері бар атомдар жиынтығы, яғни зат ретінде білеміз. Мұндай жағдайда, атомдардың бір - біріне өзара әсер етуіне байланысты, олардың энергетикалық деңгейлері тарамдала, кеңи келе, энергетикалық зоналарға айналады екен (Зоналық теория деп аталуы да осыдан). Сонда жоғарыда аталған үш энергетикалық деңгейге үш энергетикалық зона сәйкес келеді де, (2.2,а - сурет), олар былай аталады:

1 - өткізгіштік зона (электрондар осы зонаға өткен жағдайда өткізгіштік электр тоғы пайда болады);

2 - тыйым салынған зона (электрондар бұл зонада бола алмайды, өйткені, егер энергиясы ΔЕ-ден артық болса, 1- зонаға өтеді, ал кем болса, онда кері, валенттік 3- зонаға қайтады);

3 - валенттік электрондармен толтырылған зона.

Валенттік зонадан электрондар кете қалған жағдайда, онда бас орындар – кемтіктер пайда болады. Электрондар қозғалысының тоқтың пайда болатыны тәрізді, кемтіктер қозғалысынан да тоқ құралады. Мұндайда кемтіктер өткізгіштігі бар дейді. Бірақ екі өткізгіштіктің де пайда болу себебі – электрондар қозғалысы: тек біріншісінде электрон орнын бірден ауыстырып, тоқ өткізуге тікелей қатысады да (электронның 3 - зонадан 1 - зонаға ауысуы, 2.2,ә - сурет), ал екіншісінде электрон орнын сатылап ауыстырады. Мұнда бірінші кезекте пайда болған бос орын – кемтікті көрші атомның электроны толықтырады да, кемтік көрші атомға ауысады; ал келесі кезекте пайда болған бос орынды үшінші атомның электроны толықтырады т.с.с. (2.2,ә - суреттің 3 - зонасын қараңыз). Ал электрондар мен кемтіктер қозғалысының бағыты сыртқы қосылған кернеу бағытымен анықталады да (2.2,ә - суретте кернеудің бағыты +, - таңбаларымен көрсетілген), олар өзара қарама – қарсы болады.

Мұнда оқырман байқап отырғандай, электрондардың кемтіктерге қарағанда орындарын бірден ауыстыратындығына байланысты электрондық өткізгіштік кемтіктік өткізгіштікке қарағанда әлде қайда жылдам болып шығады. Сондықтан да электрондық өткізгіштік негізінде жасалған электрондық аспаптар кемтіктік негізінде аспаптардан тездік жағынан болсын, жиілігі жағынан болсын басым келеді.

Заттардың өткізгіштік жағынан өзара жіктелуіне зоналық теория тұрғысынан да баға беруге болады. Мысалы, тыйым салынған зонаның ені шамамен 0,5 - 3 эВ аралығында болса, онда ондай заттар жартылай қатарына жатады, ал егер одан кем болса, өткізгіштерге, ал артық болса, онда диэлектриктерге жатады.

Электрон – кемтік жұбының пайда болуын кристалл торынан да көруге болады. Мысал ретінде Ge торын алайық. Әрбір атомның жоғарғы қабатында төрт электрон (4 валентті болғандықтан) бар. Көрші атомдар өзара бір-бір электрондарымен алмаса отырып, коваленттік байланыс құрады да, алынған кристалл торы тетраэд болып шығады. Күрделі кеңістік құрылым болғанына қарамастан, осы кристалл торын қарапайым жазықтық кейіпте де көрсетуге болады (2.3 - сурет).

Суретте әрбір Ge атомы +4 (ядро заряды) белгісімен өрнектеліп, ал электрон жұптары орбита деңгейлерінде көрсетілген (суретте электрондардың толық саны тек орталық атомда ғана берілген). Көріп отырғанымыздай, осы орталық атомның сыртқы қабатында (орбитасында) 8 электрон бар (4 өз электроны, 4 көрші атомдардан алмастырылған). Бұл, әрине бір сипатты атомдар құрылысынан тұратын Ge торының өте берік құрылым екендігін дәлелдейді.

Енді берілген сурет бойынша өткізгіштік қасиеттің пайда болу жолын талдап көрелік. Белгілі бір себеппен (жылу, сәуле т.б) кристалл торынан бір электрон босап шықты делік (2.3 - суретте үзікті сызықпен көрсетілген). Босаған электрон электр тоғын өткізуге бірден кірісе алады да, бұдан пайда болған өткізгіштік электрондық немесе n- текті (negativ сөзінің бас әрпінен ) өткізгіштік деп аталады. Ал электронның босаған орны кемтік болады да, оған байланысты өткізгіштік кемтіктік немесе р - текті (positive – оң текті) деп аталады. 2.3 - суретте электрон боялған қара дөңгелекпен, ал кемтік боялмаған дөңгелекпен кескінделіп, олардың пайда болу бағыттары үзікті және үзікті-нүктелі сызықтармен көрсетілген.

Көрсетілген электрон - кемтік жұбының пайда болуына байланысты туған өткізгіштік жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі болып табылады. Меншікті өткізгіштің шамасы өте аз. Мысалы, бір электрон - кемтік жұбының пайда болу мүмкіндігі шамамен 2*109 атомға сәйкес келеді екен. Сондықтан да электрондық аспаптар жасауда жартылай өткізгіштердің тікелей таза түрі пайдаланылмай, олардың белгілі бір қоспалы түрлері қолданылады. Қоспа ретінде Менделеев кестесінің III (In, B, Al) және V топтарының (As, Sb) элементтері пайдаланылады. Мәселен ретінде 5 валентті қоспаның әсерінен зерттеп көрелік. Нақтылық үшін негізгі жартылай өткізгіш ретінде кремнийді (Si), ал қоспа ретінде сурьманы (Sb) алайық. Алып отырған қоспамыз 5 валентті болғандықтан оның жоғарғы орбитасында 5 электрон болуы керек. Оның төртеуі көрші Si атомдарымен коваленттік байланысқа түседі де, ал бесіншісі бұл байланыстан тыс, оқшау қалады (2.4,а - суретті қараңыз).

Осы артық қалған электронның ядроға тартылыс күші өте әлсіз болады да, оған аздап энергия бергеннің өзінде де, ол кристалл торынан босап шығып, тоқ өткізуге қатыса алады.

Ал егер осы электрон атом құрылымын тастап кете қойған жағдайда Sb атомы қандай күйде болар еді? Осы қалған оң зарядталған (электрон кеткендіктен) қоспа атомын электр тоғын түзе алатын кемтікпен салыстыруға бола ма? Болмайды екен! өйткені Sb атомы оң зарядталғанымен кремнийдің кристалл торымен мықты байланыста қалып, бір атомға ғана тән, өткізгіштік тоққа үлесін қоса алмайтын, қозғалмайтын ион құрады. Ал, кемтік дегеніміз – екі атомға бірдей тән, кез келген электронмен толықтырылып, орнықты атом құрылысын бере алатын бос орын.

Жоғарыда аталған Sb қоспамыз жартылай өткізгішке электрондық немесе n-текті өткізгіштік береді де, донор деп аталады (артық электронын беріп отыр). Зоналық теория бойынша донордың энергетикалық деңгейі тыйым салынған зонада (басқа элемент болмағандықтан) өткізгіштік зонаның түбіне жақын орналасып, электрондардың өткізгіштік зонаға өтуін көп жеңілдетеді (2.4,ә - сурет). Суретте көрсетілгендей, донордың энергетикалық деңгейі (Е) электрондарға бай да, оның үстіне олардың өткізгіштік зонаға өтуіне бар болғаны ΔЕ энергиясы (2.4,ә - сурет) қажет. Бұрыңғы таза жартылай өткізгіштің тыйым салынған зонасының еніне (ΔЕ-ге) қарағанда, бұл әлдеқайда аз: ΔЕ << ΔЕ.

n жартылай өткізгішінде электрондар негізгі заряд тасушылар деп аталады. Өте аз болғанымен мұнда кемтіктер де бар (меншікті өткізгіштің арқасында). Олар – негізгі емес заряд тасушылар.

Егер де біз, қоспа ретінде үш валентті элемент алатын болсақ, онда оның маңайында бір электронның жетіспейтіндігі байқалар еді (8 болу үшін). Осы жетіспеушілікке байланысты кез келген көрші атомның электроны осы орынға ауыса алады. Онда қоспаның атомы теріс зарядталып, қозғалмайтын теріс ион құрады да, ал кеткен электронның бос орны кемтік болып шығады. Мұндай жартылай өткізгіш кемтіктік немесе р-текті жартылай өткізгіш болып, ал қоспа акцептор деп аталады.

р - текті жартылай өткізгіште негізгі заряд тасушылар кемтіктер де, негізгі емес і – электрондар болып табылады. Жоғарыда донорға байланысты ескертілгендей, кемтікті бөліп алған жағдайда, акцептор атомы қозғалмайтын теріс ионға айналады. Зоналық теория тұрғысынан акцептордың энергетикалық деңгейі тыйым салынған зонада валенттік зонаның төбесіне жақын орналасып, кемтіктердің осы деңгейден валенттік зонаға ауысуын жеңілдетеді.