Жартылайөткізгіштер және олардың қасиеттері

Қазақстан Республикасы білім  және ғылым министрлігі

Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті

 

 

 

Кафедра: ӨПА

 

ОСӨЖ

Тақырыбы:« Жартылайөткізгіштер және олардың қасиеттері»

Пәні: Өнеркәсіптік электроника

 

 

 

Орындаған: АиУ-12-1 тобының  студенті

Есенгулова А.Е

                                                          Тексерген: аға оқытушы, PhD                 докторы    Смағұлова Қ.Қ.

 

 

 

 

 

 

 

Қарағанды 2013

                                                        Мазмұны:

 

І.Кіріспе

ІІ.Жартылай өткізгіштер

Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

р - n ауысуының қасиеттері

Жартылай өткізгіштердің металдардан  және диэлектриктерден айырмашылығы

Диод

Жартылай өткізгіштердің түрлері

III.Қорытынды

Қолданылған әдебиеттер тізімі

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                     

 

                                         I Кіріспе

 

Жартылай өткізгіштердің маңызды  ерекшелігі, онда қоспалар болғанда, өзіндік  өткізгіштікпен бірге қосымша –  қоспалық өткізгіштік пайда болады. Қоспалардың концентрациясын өзгерте  отырып, оң және теріс таңбалы зарядты  тасымалдаушылардың санын едәуір өзгертуге  болады. Мысалы, төрт валенттілік элементке  бес валенттілік элемент атомдарын  ендірсе, онда бір электронның атоммен  байланысы нашарлайды. Ол атомнан  оңай бөлініп шығып, еркін электронға айналады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жартылай өткізгіштер кең көлемдегі заттар класы болып табылады және олар электрөткізгіштік s,  металдар электрөткізгіштік аралығымен (s ~ 106—104 ом-1 см-1) және мықты диэлектриктердің  (s £ 10-10—10-12 ом-1см-1) мәнімен сипатталады (электрөткізгіштік бөлме температурасында көрсетілген). Оларды металдардан айыратын негізгі сипаттардың бірі электрөткізгіштіктің s температурасының жоғарлауымен қоса  олардың өсуі болып табылады. Осыған орай, температуралардың кең көлемді интервалында жоғарлау  экспоненциалды түрде жүзеге асырылады:

                                        s = s0ехр (-EA/кТ).     

Мұндағы,  k — Больцман тұрақтысы, EA — энергия активации электронов в П., s0 —пропорционалдылық коэффициент (экспоненциалды көбейткіштен гөрі температураға тәуелді).  Температураның жоғарылауымен  жылу қозғалысы  электрондардың  байланыстарын үзеді, олардың exp (—EA/kT)  бір бөлігі  тоқтың еркін  тасымалдаушысына айналады.

Электрондардың арасындағы  байланыс  тек қана  жылу қозғалысымен ғана емес сонымен қатар  басқа да түрлі әсерлерден өзгеруі мүмкін. Оларға келесілер жатады; жарық,  жедел бөліктердің  ағыныдары,  күшті  электр  жедісінен жіне т.б. Сондықтан  П үшін  сыртқы  әсерлерге деген электроөткізгіштердің  сезімталдығы  өте жоғары болады.

Электро өткізгіштерді  температураның  өзгерісі нәтижесінде кеңінен өзгерту мүмкіндігі,  олардың әртүрлі және түрліше қолданудың  бірі болып табылады.

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.

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 (2.1-сурет).  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 – ойықты  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 дейді.

Жалпы жартылай өткізгіштік қасиеттері бар материалдар көп емес, жоғарыда айтылғандармен бірге селенді де (Sе) айтуға болады. Мұндай материалдар қазірде де ізделіну үстінде. Өндірістік масштабта кеңінен қолданылатындардың бірі ретінде галлий арсениді (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.

                    р - n ауысуының қасиеттері

р-типті қоспалы және екіншісі n-типті  қоспалы болсын. Бұл екеуінің шекарасы р-n ауысуы деп аталынады.

бірден электрондары көп n-типті  жартылай өткізгіштен электрондар, олардың саны аз р-типті жартылай өткізгішке ауысады, ал кемтіктер кері бағытқа қарай орын ауыстырады. Бұл  электрондар мен кемтіктердің диффузиясы екі сұйықтармен немесе газдармен  өзара диффузиясына ұқсас, бірақ  бұл процестерден айырмашылығы, электрондар  мен кемтіктердің диффузиясы өте  жылдам өтеді.

Кемтіктер мен электрондар зарядтарды тасымалдамайтын болса, олардың  диффузиясы кемтіктер мен электрондардың концентрациясы толығымен теңескенге дейін жүрер еді. Алайда, n - аймақтан р - аймаққа көшкен электрондар теріс заряд алып өтеді, сонда n - аймақ оң зарядталады, ал р – аймақ теріс зарядталады. Қарама-қарсы бағыттағы кемтіктердің диффузиясы да р – аймақты теріс зарядтайды, ал n – аймақты оң зарядтайды, яғни р - және n – аймақтары арасында түйісу потенциалдар айырымы пайда болады.

Пайда болған электр өрісі кері ауысуға  алып келеді: кемтіктерді n – аймақтан р-аймаққа және электрондарды р-аймақтан n- аймаққа (1-сурет).

 

 

            

    1 – сурет. АБ қабаты пайда болуы (1-а), диффузиялық ағынының пайда болуы (1-б), негізгі емес тасымалдаушылардың ағынының пайда болуы (1-в).

р-аймақта тұрған еркін электрон хаосты қозғалыс кезінде ауысу қабатының  А шекарасынан өтетін болса, онда өріс күштері n-аймаққа тартып алып кетеді. n – аймақта тұрған кемтіктер  де сондай күйге ұшырайды. Ал р-аймақта  тұрған кемтіктер АБ ауысу қабатына енетін болса, егер олардың кинетикалық  энергиясы жеткіліксіз жағдайда өрістің әсерінен кері р-аймаққа  тебіледі, сөйтіп олардың диффузиясын  азайтады.

P-n ауысуының пайда болуын энергетикалық  зоналар арқылы түсіндіріп көрейік.  р-n ауысуында негізгі зарядты  тасымалдаушылардың тепе-теңдікте  болуы, олардың күйлері бірдей  деңгейде болғанда іске асады,  ал бұл энергетикалық зоналардың  иілуіне алып келеді (2-сурет).

 

    

Ауысу аймағындағы энергетикалық  зоналардың иілуінің себебі, тепе-теңдік күйде р-аймағындағы потенциалдың n-аймағындағы потенциалдан            төмен болуы. Валенттік зонаның төменгі шекарасы электронның потенциалдық энергиясына Е_рэ, ауысуға перпендикуляр бағытта жол береді.

 

 

Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден айырмашылығы

Электр тогын өткізу қабілетіне байланысты барлық материалдар өткізгіштер, диэлектриктер және жартылай өткізгіштер болып бөлінеді. Бұлардың электрлік қасиеттерін салыстырайық. Өткізгіштерде өте көп бос зарядты тасымалдаушы бөлшектер болады. Қатты өткізгіштердің көпшілігін металдар құрайды. Металдардың жоғарғы электр өткізгіштігі олардың кристалдық торының құрылымымен түсіндіріледі.

Металдарда барлық кезде өте  көп еркін электрондар болады, олар оң зарядталған иондардан тұратын кристалдық тордың ішінде қозғалады. Заттардың электр өткізгіштігі еркін зарядты тасымалдаушылардың концентрациясына n пропорционал, яғни олардың көлем бірлігіндегі санына. Алайда электр өткізгіштік n-нің мәнімен ғана анықталып қоймайды, еркін зарядта тасымалдаушылар, электр өрісінің әсерінен кристалдық тордың ішінде қозғалғанда, сол заттың торы тарапынан кездесетін кедергіге де тәуелді, яғни заттағы осы тасымалдаушылардың қозғалғыштығымен де анықталады.

Жартылай өткізгіштер өткізгіштер  мен диэлектриктердің аралық жағдайын алып жатады. Таза жартылай өткізгіштерде диэлектриктерден принципиалдық айырмашылығы жоқ. Себебі бұл екеуінде де еркін зарядты тасымалдаушылар жоқ, оларды пайда ету үшін (электрондарды атомдардан жұлып алу үшін) кейбір энергия жұмсау керек. Бірақ егер бұл энергия диэлектриктер үшін өте үлкен болса, ал жартылай өткізгіштер үшін ол аз шама.

Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі олардың тазалығына өте күшті  тәуелді. Диэлектриктердегі сияқты, жартылай өткізгіштерде бөгде қоспалардың болуы, мысалы басқа элементтің аздаған атомының болуы, оның электр өткізгіштігін едәуір арттырады. 

 

 

                                                  ДИОД

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.

Диодтарды дамыту бiрден екі бағытта XIX ғасырдың үшiншi ширегiнде басталды: 1873 жылы британдық ғалым Фредерик Гутри термиондық (вакуум шамды тікелей қыздыру арқылы), ал 1874 жылы германдық ғалымды Карл Фердинанд Браун (қатты денелi ) кристалды диодтарды жұмыс істеу принципн ашты. 1880 жылдың 13 ақпанында Томас Эдисонды қайтадан термионды диодтың жұмыс істеу принципін қайта ашты, және содан соң 1883 жылы патенттеген(№ 307031-шi АҚШ патентi). Дегенменде Эдисон жұмыстарын ары қарай дамытуға идея болмады. 1899 жылы германдық ғалым Карлы Браун Фердинанд кристаллды түзеткiштi патенттады.

1.Екі электродты электровакуумдық аспап немесе жартылай өткізгіштік диод, токты бір бағытта өткізетін құрал.

2. Екі электродты вакуумдық, газразрядты немесе шалаөткізгіш аспап; электр тогы бағытына байланысты өткізгіштігі әр түрлі болады: тура бағыттагы токтар үшін өткізгіштігі жоғары және кері бағыттағы токтар үшін — төмен. Электржәне радиоэлектрондық аппараттарда айнымалы токты түзету, детекторлеу, электр тербелістерін түрлендіру, электр тізбектерін ажыратып-қосу үшін қолданылады.

 

 

 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.

 

 

                  

 

                             Жартылай өткізгіштердің түрлері

 

Жартылай өткізгіштерде Менделеев кестесінің орта тұсындағы он екі химиялық элементтер жатады. Олар: бор (В), көміртегі (С), кремний (Si), германий (Ge), қалайы (Sn), фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), күкірт (S), селен (Se), телмур (Те), йод (І). Мұнан басқа үшінші топтағы элементтердің, бесінші топтағы элементтермен қосындысы, көптеген металдардың оксидтері мен сульфидтері, бір қатар химиялық қоспалар, кейбір органикалық заттар. Ғылым мен техникада ең көп қолданылатын жартылай өткізгіштерге германий Ge және кремний Sі жатады.

Жартылай өткізгіштер өзіндік (яғни қоспасыз) және қоспалы болып бөлінеді. Қоспалы жартылай өткізгіш өз ретінде  донорлық және акцепторлық болып  бөлінеді.

 

 

 

 

 

                                

                     

 

                                       III Қорытынды

 

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің  механизмін, оның ішкі құрылысы арқылы түсіндіруге болады. Мысалы, кремний  – төрт валенттік элемент. Бұл  атомның сыртқы қабатшасында, ядромен  әлсіз байланысқан, төрт электрон бар  екендігін білдіреді. Кремнийдің әрбір  атомының жақын көршілерінің саны да төртке тең. Көрші атомдар жұбының  өзара әсерлесуі электрондық  жұптар байланысының көмегімен іске асады, мұны коваленттік байланыс деп  атайды.

Жартылай өткізгіштердің тағы бір  қасиетіне, онда жарық сәулесінің әсерінен электр қозғаушы күштердің пайда  болуы жатады. Оның бұл қасиетін жарық фотоэлементтерін жасау үшін пайдаланады.