ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ЭЛЕКТР ТОГЫ

Жартылай өткізгіштердің өткізгіштерден неғұрлым айқын айырмашылығы олардын, электр өткізгіштігінің температураға тәуел ділігінде болып саналады. Өлшеу нәтижелеріне қарағанда бір сыпыра элементтердің (кремний, германий, селен т. б.) және қосылыстардың (PbS, CdS және т. б.) меншікті кедергілері температура жоғарылаған сайын металдардағы сияқты артпай (1-суретті қара), керісінше төтенше азаятындығы (2-сурет) байқалады. Міне, сондай заттар жартылай өткізгіштер деп аталады.

1-сурет.

2-сурет.

Осы суреттегі графиктен абсолют нөлге жуық температураларда жарты­лай өркізгіштердің меншікті кедергілері шексіз үлкен болатыны көрініп тұр. Демек, төменгі температураларда жартылай өткізгіштер диэлектриктер тәрізді деген пікірге келеміз. Температура жоғарылаған сайын меншікті кедергі тез кеми бастайды.

Жартылай өткізгіштердің құрылысы. Транзисторлық қабылдағышты жұмысқа қосу үшін ештеңе білудің қажеті жоқ. Бірак оны кұрастыру үшін өте көп нәрсені білу керек және керемет дарынды болу керек. Транзистордың жалпы түрде калай жұмыс жасайтынын түсіну онша қиын емес. Әуелі жартылай өткізгіштердің өткізгіштік механизмімен танысу керек. Ол үшін жартылай өткізгіш кристалдардың құрылысын және кристалдағы атомдарды біріне бірін жақын ұстайтын байланыстардың табиғатын білу керек. Мысал ретінде кремний кристалын қарастырайық.

Кремний - төрт валентті элемент. Бұл атомның сыртқы қабықшасында ядромен байланысы біршама нашар, төрт электрон бар деген сөз. Қремнийдің әрбір атомының ең жақын көршісінің саны да төртке тең. Кремний кристалы құрылымының жазық схемасы 3-суретте көрсетілген.

3-сурет.

Көршілес атомдардың бір жұбының өзара әсері қос электрондық коваленттік байланыс деп аталатын байланыс арқылы жүзеге асады. Мұндай байланыс пайда боларда оған әр атомнан бір-бір электронная қатысады да, олар атомдардан жеке бөлініп шығып (кристалл оларды коллективтендіреді), қозғалыс кезіндегі уақыттың көпшілігін көршілес атомдардың арасындағы кеңістікте өткізеді. Олардың теріс зарядтары кремнийдің оң иондарын бірінің жанында бірін ұстап тұрады.

Коллективтендірілген электрондар жұбы тек атомға ғана қатысты деп ойламау керек. Әрбір атом көршілерімен терт бай­ланыс түзеді де кез келген валенттік электрон олардың біреуімен қозғала алады. Валенттік электрон көршілес атомға жеткеннен кейін, одан келесі атомға ауып және одан әрі бүкіл кристалдың бойымен көшіп жүруі мүмкін. Валенттік электрондар букіл кристалдың меншігіне айналады.

Кремнийдің қос электрондык байланысы барынша берік келеді де, төменгі температураларда үзілмейді. Сондықтан да кремний төменгі температураларда электр тогын өткізбейді. Атомдардың байланысқа қатысатын валенттік электрондары, кристалдық тормен берік ұштасқан болады, сондықтан сыртқы электр өрісі олардың қозғалысына елеулі әсерін тигізе алмайды. Германий кристалының құрылысы да осы сияқты.

Электрондык өткізгіштік. Кремнийді қыздырған кезде валенттік электрондардың кинетикалық энергиясы артады да, жекелеген баиланыстар үзіле бастайды. Кейбір электрондар өздерінің «таптаурын болған жолдарын» тастап, металдардағы сияқты еркін электрондарға айналады. Олар электр өрісінде тор түйіндерінің ара-арасымен қозғала отырып, электр тогын түзетін болады (4-сурет).

4-сурет.

Жартылай өткізгіштердегі еркін электрондардың бар екеніне байланысты өткізгіштік электрондық өткізгіштік деп аталады. Температура жоғарылаған сайын үзілген байланыстардың саны демек, еркін электрондардың саны артады. 300-ден 700 К дейін қыздырғанда еркін заряд тасушылардың саны 10¹⁷    1/м³ ден 10²⁴ 1/м³-ге дейін артады.

Бұл кедергінің кемуіне әкеліп соғады.

Кемтіктік өткізгіштік. Байланыстың үзілуінен электроны жетіспейтін бос орындар пайда болады. Оны кемтік деп атайды. Қалыпты байланыстармен салыстырғанда кемтікте басы артық оң заряд болады (4-суретті қара).

Кристалдағы кемтік күй өзгермей тұрмайды. Төмендегідей үздіксіз процесс жүріп жатады. Атомдардың байланысын қамтамасыз ететін электрондардың біреуі пайда болған кемтікке ырғып түседі де, сол жердегі қос электрондык байланысты алғашкы қалпына келтіреді, ал электроны ұшып кеткен жерде жаңа кемтік пайда болады. Осылайша кемтік бүкіл кристалдың бойымен көшіп орын ауыстыра алады.

Егер алынған үлгідегі электр өрісінің кернеулігі нөлге тең болса, онда оң зарядтардың орын ауыстыруымен барабар кемтіктің орын ауыстыруы бейберекет жүреді. Сондыктан электр тогын туғызбайды. Электр өрісі бар жағдайда кемтіктердің реттелген козғалысы басталады да, осылайша еркін электрондардың электрлік тогына кемтіктердің орын ауыстыруымен байланысты болатын электр тогы қосылады. Кемтіктердің қозғалыс бағыты электрондардың қозғалыс бағытына қарама-қарсы. Электрондық және кемтік өткізгіштердің механизмі 6-суретте түсіндіріледі.

6-сурет

Электрондык және кемтіктік өткізгіштің механизмі: сыртқы өріс жоқ кезде бір еркін электрон (-) және бір кемтік ( + ) (в). Өріс түсіргенде электрондар ауыс-түйіс жасап орын ауыстырады. Еркін электрон өpic кернеулігіне қарсы ығысады. Байланысқан электрондардың бірі (б) де сол бағытпен орын ауыстырады. Бұл жағдай кемтіктің өpic кенеулігіне орын ауыстыруы түрінде көрінеді (в).

Сонымен жартылай өткізгіштерде заряд тасушылардың екі түрі бар: электрондар және кемтіктер. Сондықтан жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі тек электрондық қана емес, әрі кемтіктік болып келеді.

Біз қоспасы жоқ идеал жартылай өткізгіштердің электрді өткізу механизмін қарастырдық. Бұл жағдайдағы өткізгіштік жар­тылай өткізгіштердін, меншікті өткізгіштігі деп аталады.

Таза жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі (меншікті өткізгіштік) еркін электрондардың орын ауыстыруымен (электрондық өткізгіштік) және қос электронды байланыстағы электрондардын, бос орынға ауыстыруымен (кемтіктік өткізгіштікпен) іске асырылады.

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. Физика. -Алматы, 1998. -256 бет.