Жартылай өткізгішті аспаптардың сипаттамаларын зерттеуге арналған зертханалық аспапты жобалау

Электрондардың теріс полюстан оң полюсқа қарай қозғалатынын біз бұдан бұрын айтқанбыз. Яғни, электрон бос ойыққа келіп орналасатын болғандықтан, ойықтар керісінше оң полюстан теріс полюсқа қарай қозғалады деп ойлауға болады. Жартылай өткізгіште, сыртқы электр күштері жоқ уақытта және температура абсолюттік нөльден жоғары болғанда еркін электрондар үздіксіз пайда болып, артынан жоғалып отырады. Яғни, электрон өз орнын тастап шыққанда еркін электронға айналып, енді бос орынға – ойыққа келіп орналасқанда  оны (еркін электронды) жоғалды деп айта аламыз.Таза жартылай өткізгіште кез – келген уақыт ішінде босаған электрондар мен ойықтардың саны бірдей болады. Олардың жалпы саны (жартылай өткізгіштің өзінің температурасының бөлме температурасындай болған уақытында) аса көп емес болғандықтан, оның электр өткізгіштігі өте аз. Сондықтан, ол электр тогына өте үлкен кедергі келтіреді. Сондықтан да оны мұндай жағдайда диэлектрик ретінде түсінуге болады. Жартылай өткізгіш тараған сайын оның меншікті кедергісі де жоғарылай береді. Температурасы 300К болған германийдің меншікті кедергісі р=46 Ом*см.

Ал  егер осы жартылай өткізгіште басқа элементтің атомдарының тіпті аз мөлшерін қоссақ, оның электр өткізгіштігі бірден артады. Қосқан атомдарымыздың құрамына қарай, жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі электрондық және ойықтық болып бөлінеді.

 

 

 

 

 

1  ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ  ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІ

 

Салыстырмалы түрде қосатын  қоспамыз өте аз болғанымен, оның алған  материалымыздағы абсолюттік шоғырлану  шамасы жеткілікті–алған материалымыздың 1 куб сантиметрінде 10¹⁴–10¹⁸ атомға дейін болады. Осы электроны көп, оны бере алатын қоспаны донорлық қоспа деп атайды.

Ал егер жартылай өткізгіште үш электрондары бар индийді қоссақ, онда жаңа түзілген заттың атомының сыртқы қабатында электрон жетпей қалады. Яғни, бұл үш электрон жартылай өткізгіштің үш электронымен ғана байланысқа түседі де, төртіншіміздің орны бос қалады.  Яғни, атомның сыртқы қабатында жеті электрон болады да, сегізінші орын, біреуі бос қалады. Дәл осы бос қалған орынға кез–келген еркін электрон келіп орналаса алады. Бұл жартылай өткізгішті  р–типті деп атайды,  ол латынның позитив (оң) деген сөзінен. Бұл–кестікті  жартылай өткізгіш деп аталады. Электронды қосып алуға дайын тұратын мұндай қоспаны акцепторлық қоспа деп атайды. Бұл арада айта кетер бір нәрсе–қазақ тілінде донор деген сөзді береген, ал акцептор деген сөзді алаған дейді. Жалпы жартылай өткізгіштік қасиеттері бар материалдар көп емес, жоғарыда айтылғандармен бірге селенді де (Sе) айтуға болады. Мұндай материалдар қазір де де ізделіну үстінде. Өндірістік масштабта кеңінен қолданылатындардың бірі ретінде галлий арсенидін (GaAs) айтуға болады. Оның жұмыс температурасы Цельсий бойынша 300⁰ –қа дейін барады. Жалпы, есте болатын нәрсе–диэлектриктер мен жартылай өткізгіштердің арасындағы шекара тек шартты түрде ғана. Өйткені, температураны өте жоғары көтерген уақытта диэлектриктеріміз өздерін жартылай өткізгіш сияқты сезінеді.  Ал өте төменгі температураларда жартылай өткізгішіміз диэлектрикке айналады.

Егер де біз жоғарыда айтылған n–типті және p–типті екі жартылай өткізгіштерді бір–бірімен қоссақ, онда диод деген құралды аламыз.  Диод деген сөз гректің дио–екі деген сөзінен алынған.

Бұл екеуін диодтың екі электроды  деп атайды. Олар оң таңбалы анод пен терѕс таңбалы катод. Диодтың  ашық және жабық кездері болады. Ашық күйінде ол токты жақсы өткізеді де, жабық күйінде нашар өскізеді, сіпті өткізбейді деп айтуға болады. Егер де батереяның оң полюсын диодтың анодымен, ал теріс полюсын катодымен қоссақ, онда диод арқылы ток жүреді

Диодтың оң зарядты жағына қосылған ток көзінің оң полюсы жағындағы оң зарядтар диодтың өзі аттас зарядтарын өзіне итереді. Ал ток көзінің теріс полюс жағындағы теріс зарядтар диодтың теріс зарядтарын өзіне итереді. Ал диодтың өзіндегі оң және теріс зарядтар бір–біріне ұмтылып, электрондар бос орындарды, яғни ток жүре бастайды. Мұны диодтың тура тоғы дейді. Ал енді батареяны тізбекке керісінше қоссақ , яғни батареяның теріс полюсын диодтың анодына, ал оң полюсын катодына қоссақ, онда диод арқылы ток жүрмейді. Неге  олай болатынын тағы да түсіндіріп көрейік. Мұндай жағдайда диодтың теріс, негативті n жағында ток көзінің оң полюсы (ойықтар) орналасады да, диодтың теріс полюсындағы электрондарды өздеріне тартады. Яғни, электрондар мен кемтіктер бір-біріне ұмтылады. Ал диодтың оң полюсы жағында ток көзінің теріс полюсы орналасқан. Бұл жерде де оң полюстағы кемтіктер теріс полюстағы электрондармен қосылуға  ұмтылады. Сөйтіп, диодтағы оң полюстағы ойықтар мен теріс полюстағы электрондар бір— бірінен екеуі екі жаққа қашады. Екі ортада пайда болған ара қашықтықты потенциалды барьер деп атайды. Мұндағы « I тура » дегеніміз өткізетін тоғы -тура ток. Ал « I кері » дегеніміз — диодқа керісінше берілген ток - кері ток.

Табиғаты бойынша заттардың  электроөткізгіштігі үш түрге бөлінеді: өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диодтар.

Жартылай өткізгіштерге өзінің меншікті кедергісі (ρ=1∙10^-4...1∙10¹⁰ Ом∙см) бойынша, өткізгіштер (өткізгіштің меншікті кедергісі ρ=1∙10^-6...1∙10^-4 Ом∙см ) мен диэлектрик (ρ=1∙10¹⁰...1∙10¹⁵ Ом∙см) арасында орналасатын қатты заттарды жатқызады. Өзіндік жартылай өткізгіш деп қоспасы жоқ өткізгіштерді айтады. Температура немесе қоспалардың концентрациясы олардың электрөткізгіштігіне деген әсері жартылай өткізгіштердің  ерекшелігі болып табылады.

Жартылай өткізгіштер заттардың  кең таралған түрі болып табылады. Алайда электроникада жартылай өткізгішті құрылғыларды дайындау үшін жартылай өткізгіш заттардың белгілі мөлшері ғана қолданылады. Негізгі материал болып кремний (Si) және германий (Ge) қолданылады, олардың кристалдық құрылымы бар және олар Д.И.Менделеев кестесіндегі  IV топта орналасқан. Индий,  фосфор, бор, мышьяк және небір басқа заттар қоспа ретінде қолданылады.

Абсолютті температура нөлге тең  болғанда (0 К) жартылай өткізгіштің  барлық электрондары  орбитада орналасады және олар атоммен тығыз байланыста болады. Сондықтан бұндай жартылай өткізгіште бос электрондар болмайды, және ол диэлектрик сияқты идеалды изолятор болады.

Егер бөлме температурасында (300 К) жартылай өткізгіштер электрондарға  берілетін жылулық энергия  тең  болып таралса, әр бір электронға 0,025 эВ сәйкес энергия бөлінер еді , демек, электронды атомнан босатып алуға қажетті  энергиядан аз энергия және жартылай өткізгіште заряд тасымалдаушы болмас еді. Бірақ шын мәнінде жартылай өткізгішке берілетін жылулық энергия электрондар арасында тең таралмайды, сондықтан бөлме температурасында жартылай өткізгіште валентті электрондардың біраз бөлігі атомнан босап шығуға қажетті энергияға ие болады.

Кез-келген валентті электрон, мысалы, кремний қосымша ΔW>1,12 эВ энергияға ие болғанда орбитадан шығып бос электронға айналады, осы кезде бір ковалентті байланыс толық  болмайды (орбитада бір электроны бар). Ковалентті байланыста бір электронның жетіспеуін кемтік деп атайды.

Кемтік – бұл  байланыстағы атомдардан ортақ валентті электрон босап шыққан кезде кристаллға айналатын қозғалыстағы оң заряд. Кемтікті электр өріс  немесе басқа факторлар әсерінен электр тоғын жасауға қатыса алатын, оң заряд тасушы болып табылатын бөлшек деп санауға болады.

Кемтік қозғалысының бағыты валентті электрондар бағытына қарама-қарсы болады. Бір немесе бірнеше электрондарды атом немесе молекуладан бөліп алу процессі, электрондық-кемтікті жұптың (заряд тасымалдаушыларды өндіру) пайда болуын ионизация деп атайды. Бір немесе бірнеше электронды жоғалтқан атом немесе молекула оң ионға айналады.

Өндірумен қатар жартылай өткізгіште үздіксіз кері процесс жүреді, электронды-кемтікті жұптардың жойылуы рекомбинация деп аталады.

Кемтік көршілес ковалентті байланыстан  көшкен басқа валентті электронмен  немесе бос электронмен толтырыла алады. Бірінші жағдайда бір кемтік жоғалады, бірақ жанында басқасы пайда болады. Сонымен, кемтіктер бос электрондар тәрізді жартылай өткізгіште ретсіз жылулық қозғалыс жасайды. Екінші жағдайда екі заряд тасымалдаушы жоғалады:  -q заряды бар бос электрон және +q заряды бар кемтік.

Осыған сәйкес, қозғалыстағы тасымалдаушының әр қайсысы белгілі  бір уақыт аралығында өмір сүреді. Бұл уақыт аралығының орташа мәнін  тасымалдаушы өмір сүру уақыты деп  атайды және оны  τ деп белгілейді.

τ_р – кемтіктің өмір сүру уақыты, τ_п     - өткізгіш электрондарының өмір сүру уақыты. Тасымалдаушылардың өмір сүру уақыты қозғалыстағы тасымалдашылардың қарама-қарсы белгісінің  концентрациясынан және кейбір басқа факторларға байланысты болады. Өзіндік жартылай өткізгіш үшін  τ_р = τ_п = τ._i

Егер атом немесе молекула артық  электронды қармап алса, олар теріс  ионға айналады.

Бос электрон мен кемтік бір уақытта  пайда болып бір уақытта жоғалатын  болғандықтан, өзіндік жартылай өткізгіште бос электрондардың саны кемтіктер  санына сәйкес болады.

Егер бөлме температурасында (300К) жартылай өткізгіштер электронынан түзілетін жылулық энергия олардың  арасында бірдей тең болып таралса, онда әр бір электронға 0,025 эВ энергия  сәйкес келер еді, электронды атомнан  босатып шығару үшін қажетті энергиядан мөлшері аз энергия, және де жартылай өткізгіште заряд тасымалдаушы болмас еді. Алайда шын мәнінде жартылай өткізгішке берілетін жылулық энергия электрондарға біркелкі таралмайды, және сол үшін бөлме температурасында жартылай өткізгіштердегі  валентті электрондардың біраз бөлігі атомнан босап шығу үшін қажетті энергия алады.

Жартылай өткізгіште ионизация  және рекомбинация процесстері үздіксіз жүреді. Сонымен жартылай өткізгіште тепе-теңдік концентрация деп аталатын заряд тасымалдаушылардың белгілі бір концентрациясы сақталады. Заряд тасымалдаушылардың тепе-теңдік концентрациясы жартылай өткізгіштердің иондау энергиясына және температураға тәуелді болады – температура көтерілген сайын ол да өседі. Бір температурада кремнийдің тепе-теңдік концентрациясы германийге қарағанда аз, өйткені кремнийдің иондау энергиясы германийден аз болады.

Сонымен, жартылай өткізгіште белгілі  бір сыртқы факторларға сәйкес заряд  тасымалдаушылардың біраз мөлшері  болады, және осыған орай ол электр тоған  өткізу қасиетіне ие болады.

 

 

1.1 Жартылай өткізгіштегі үрдістер

 

Жартылай өткізгіштің кристалындағы  Е өрістің әсерінен реттік қозғалыс пайда болады – электрондар мен  кемтіктердің  ығуы, сол кезде  ығу тоғы деп аталатын электр тоғы пайда болады. Айтылғанға сәкес тоқта I_nдр  электронды және I_рдр кемтікті құрамдас бөліктер болады:

I_др = I_nдр+ I_pдр= S(ј_{n др} +ј_{р др})                                (1.1)

мұндағы S –кристалдың көлденең қимасы, см²;  j_nдр және  nj_{p др}–электронды және  кемтікті ығу тоғының тығыздықтары, А/см².

Тоқтың тығыздығы бірлік уақытта, бірлік көлденең қимадан өтетін q электр зарядымен анықталады.  Жартылай өткізгіште 1 см3-де оның концентрациясына сәйкес, қарастырылып отырған қимаға норма болып табылатын әр электронның бағытталған  v_n орташа ығу жылдамдығы кезіндегі электр тоғының тығыздығы:

j_{n др}=q_nυ_n = e_nυ_n,

мұндағы υ_n = μ_nE; μ_n – электрондардың қозғалысы.

J_{p др}=qp_nυ_p = e_pυ_p,

мұндағы υ_р = μ_рE; μ_р – кемтіктер қозғалысы.

 

Жартылай өткізгішті диод – бұл бір түзетуші электрлік ауысуы бар және электронды-кемтікті ауысудың қасиеті қолданылатын  екі шығысы бар жартылай өткізгішті құрал. Жартылай өткізгішті диодтың графикалық белгіленуі:

Электронды-кемтікті ауысу диодтарда  көбінесе электрлік ауысуды түзетуші ретінде р- және n-аумақтарды бөлетін  жартылай өткізгіштің кристалы қолданылады  (1.1–сурет).

Кристалдың р- және n-аумақтарына  металдық шығыстар күйдіріліп жалғастырылады, және бүкіл жүйе металл, металлокерамикалық, шыны немесе пластмассалы корпусқа енгізіледі.

Кристаллдағы жартылай өткізгіш аумақтардың  жоғары қоспалы концентрациясы бар, негізгі заряд тасымалдаушылары көп аумақты эмиттер деп атайды. Қоспа концентрациясы аз басқа аумақты база деп атайды. Негізгі заряд тасымалдаушылары Р_р кемтіктері болатын р-аумақ эмиттер болса, онда n-аумақ – база болып саналады (ондағы негізгі заряд тасымалдаушылар нейтрондар N_n болып табылады), бұдан кейін   Р_р >> N_n шарты орындалады.

 

 

1.1-сурет. Жартылай өткізгішті диодтың қосылу жүйесі және сыртқы кернеу болмаған жағдайдағы рn-ауысудың көлемдік зарядтарын тарату

 

Тәжирибеде нүктелік, жазықтықты (құймалы) және диффузиялық диодтар кең түрде қолданылады.

Нүктелік диод жартылай өткізгіштің  кішігірім пластинасы орнында және металл проволокасы–сертпенің ұшында пайда болады (1.2-сурет). Сол үшін ауысудың сызықтық өлшемдері оның енінен кіші болады.

 

 

1.2-сурет. Нүктелік диодтың құрылысы

 

Диодтың ауданы аз болғандықтан ол ауысудың аз сыйымдылығына ие болады және ол жүз МГц-ке  жуық жиілікке дейін  қолданылады. Ауысудың кіші ауданы диодтың  тоғын анықтайды. Нүктелік диодтарды  көбінесе германий негізінде жасайды.

Жазықтықты (құймалы) диодтың жазық  электрлік ауысуы болады, олардың  ауданын анықтауға арналған сызықтық өлшемдері  рn-ауысудың енінен әлде қайда жоғары болады.

Бұндай диодтардағы ауысу жартылай өткізгіш пластинаны металлмен еріту әдісімен орындалуы мүмкін. Шығыстағы жартылай өткізгіштің пластинасына құрамында донорлық немесе акцепторлық қоспалары бар металл немесе балқытылған зат қояды. Содан кейін осы металды жартылай өткізгіштің бір бөлігі алынған балқытылған затта еритіндей температураға дейін қыздырады.  Суыту процессінен кейін шығыстағы жартылай өткізгіш  пен балқытылған металл қоспасы арасында рекристаллдау процессі жүреді және рn-ауысуы пайда болады.