Жартылай өткізгіштік құралдар. Физика, 10 сынып, қосымша материал.

 1 Материалдардың түрі

 Электр тоғын өткізу қабілетіне немесе меншікті кедергілердің шамаларына байланысты барлық материалдар өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер (изоляторлар) болып үш топқа бөлінеді: электр тоғын жақсы өткізетін материалдар – өткізгіштер, яғни металдар , электр тоғын нашар өткізетін материалдар – диэлектриктер  және өткізгіштігі металдар мен диэлектрик арасында жататын материалдар–жартылай өткізгіштер 

 Бөлме температурасындағы бірнеше өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диэлектриктердің сипаттамалары:

 Өткізгіштер:

 Алюминий                               

 Жез                                          

 Мыс (күйдірілген)                   

 Жұмсақ болат                         

 Жартылай өткізгіш: (27⁰С)

 Кремний                                  

 Германий                                 

 Диэлектриктер

 Шыны                                      

 Слюда                                      

 Поливинилхлорид                           

 Резеңке                                    

 Жалпы алғанда, температурамен шектелген ауқымында температураның көтерілуіне байланысты өткізгіштердің кедергісі ұлғаяды, диэлектриктердің кедергілері өзгеріссіз қалады, ал жартылай өткізгіштердің кедергілері керісіншетөмендейді.

 Осы үш материалдардың әрқайсысын кедергілері бірдей болатындай етіп алса, онда олардың зат мөлшерлері әртүрлі болатыны сөзсіз, 8.1–суретте көрсеткендей, температураны –тан  дейін өзгертсе, сонда үшеуінің детемператураға байланысты меншікті кедергілерінің өзгеруі үш түрлі екені көрінеді. Жартылай өткізгіштердің температурасы бөлме температурасынан жоғары, онда олардың меншікті кедергілері төмендейді, сөйтіп, белгілі біртемпературада олар күшті өткізгішке айнала алады.

 9.1–cурет

 Сондықтан, кремний және германиймен жұмыс істегенде құрамының тазалық дәрежесіне байланысты температуралары нақты ауқымындардан көп ауытқымай, дәлірек айтқанда, кремний үшін , германий үшінаралықтарында жатуы керек.

 Температурасы қалыпты бөлме температурасынан төмендеген кезде жартылай өткізгіштердің кедергісі арта бастайды да, тым төмен температураларда өткізгіш изоляторға айналады.

 Металдар мен жартылай өткізгіштер электр өткізгіштік қабілеттерімен қатар электр өткізгіштік қабілеттерінің температураға тәуелділігімен де ерекшеленеді. Металдарда электр өткізгіштік, әдетте, температураға байланысты сызықтық заңымен төмендейді.

 2 Жартылай өткізгіштер

 Атомдар мен молекулалардың оң зарядтары олардың ядроларында, ал теріс зарядтары электрон қабықшаларында шоғырланғаны II–тараудан белгілі. Әрбір электрон бір теріс зарядтың, ал әрбір протон бір оң зарядтың тасымалдаушысы. Молекулалар мен атомдардағы оң заряд пен теріс зарядтардың сандары бірдей, сондықтан олар электрлік бейтарап болып саналады. Мысалы, егер атом құрамында 11 электрон болса, онда оның құрамында 11 протонның болғаны, сонда атом бейтарап. Электрондар атом ядросын үнемі айнала қозғала отырып, белгілі бір электрон орбиталарын түзеп, электрон қабатын құрайды. Бірінші электронды қабатта максималды электронның саны – екі, екінші электрондық қабаттағы электрондар саны – сегіз, үшінші электрондық қабатта электрондардың саны –18, ал төртінші қабатта 32–ге тең. Кристалдық торда атомдар арасында қозғалыста болатын еркін электрондар валенттілікэлектрондар деп, ал атомның ішкі қабатындағы электрондар байланысқан электрондар деп аталады. Егер валентті қабатта электрондар саны өзінің максимал шамасына, яғни 8 –ге жететін болса, онда олар бір–бірімен қатаң байланыста болып, қарастырылатын материал диэлектрлік қасиеттерге ие болады.

 9.2–сурет

 1– валенттілік қабықша, 2– электрондар, 3– ядролар

 Алайда егер валентті электрондық қабықшадағы электрондардың саны толық болмаса, электрондар өзінің орбиталарынан еркін босап кете алады, мұндай жағдайда материал электр өткізгіштік қасиетке иеленеді.

 Әртүрлі элементтердің атомдық құрылысын қарастыратын болсақ, онда электрондармен толықтырылған (ішкі) және толықтырылмаған қабықшаларды (сыртқы) ажыратуға болады. Сыртқы электрондардың ядромен байланыстары әлсіз болғандықтан олар басқа атомдармен оңай әсерлеседі. Сондықтан сыртқы толықтырылмаған қабаттағы электрондарды валентті электрондар деп атайды. Молекула жеке атомдардан құралғанда олардың арасында әртүрлі типтегі байланыстар туады. Жартылай өткізгіштер үшін ең көп тарағаны ковалентті байланыс. Мұның себебі сыртқы валенттілік қабатындағы валенттілік электрондар төрт электронды құрылым төрт валентті мықты ковалентті байланысты түзе алады, нәтижесінде төрт жақты тетраэдрлы құрылым түзіледі, ал мұндай құрылымда электрондар өздерінің орнында өте мықты орналасады.

 Таза күйінде  кремний диэлектрик, оның атомы төрт валенттік электронға ие, молекулаларындағы көршілес төрт атом арасында ковалентті байланыс. Нөлден өзгеше температурада абсолютті таза және біртекті жартылай өткізгіштер бос электрондар мен кемтіктер жұбын құрайды, сөйтіп оларда электрондар мен кемтіктердің саны теңеседі. Мұндай жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі меншікті электр өткізгіштік деп аталады. Таза күйінде  және  диэлектриктер, бірақ аз мөлшерде (шамада) кристалл торларына қоспалар енгізілсе, олардың өткізгіштігі мүлдем өзгереді. –дің кристалл торындағы бір атомының орнын  (күшән) атомымен алмастырса, онда осы –атомынқоспа деп атайды. Күшәннің (As–тің) сыртқы электрондық қабатында 5 электрон болғандықтан – кристалында «тұрғанда» оның бір электроны артық болып қалады.

 9.3–сурет

 1– бесвалентті қоспа, 2– еркін теріс зарядты

 Бұл артық электрон өте қозғалғыш, еркін, сондықтан потенциалдар айырымы пайда болса, ол ток тасымалдаушыға айналады. Жартылай өткізгіш ішіне енгізілетін еркін электрондар санын (мөлшерін), яғни қоспа атомдар санын өзгертіп, бақылауға болады. Қоспаларды жартылай өткізгіштерге енгізгенде еркін электрондар пайда болса, – бұл жартылай өткізгіш енгізілген қоспа деп, ал жартылый өткізгіштің өзі қоспалы жартылай өткізгіш деп аталады. Өткізгіштерде еркін заряд тасымалдаушылардың көп болуы олардың күшті өткізгіштік қасиетін түсіндіреді. Бірақ өткізгіштің құрамындағы қоспа оның кедергісін арттырады. Себебі еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өзгермесе де, қоспа олардың қозғалысына кедергі жасайды. Диэлектриктерде еркін заряд болмағандықтан, олар электр тоғын нашар өткізеді. Диэлектриктер құрамындағы қоспа электрондары өзінің атомдарымен нашар байланысады. Сондықтан олар атомдарды оңай тастап кетеді де, еркін күйге өтіп диэлектриктің кедергісін азайтады. Егер жартылай өткізгіш кристалының торына сыртқы қабаттарында үш электроны бар, мысалы, бор, индий атомдары енгізілетін болса, онда кристалл ішінде бір электрон орны бос қалып отыратындықтан кемтіктер пайда болады.

 9.4–сурет

 1– үш валентті қоспа, 2– кемтік

 Сырттан түсірілген кернеу мұндай жартылай өткізгіштерде электрондарды оң таңбалы түйіспеге, ал кемтіктерді теріс таңбалы түйіспе жағына қарай ығыстырады. Кемтіктердің қозғалысын тоқ ағыны ретінде қарастыруға болады. Жоғарыда қарастырылған негізгі заряд тасмалдаушылармен қатар (бұлар жартылай өткізгіш ішіне қоспаларды қосқанда пайда болады) кәдімгі қыздыру әрекетінен пайда болатын еркін электрондар (оларды негізгі емес заряд тасымалдаушылар деп атайды) да тоқ ағынына өз үлесін қосады. Енді қарастыратын диэлектрикті жартылай өткізгіш деп атауға болады, себебі өткізгіштер мен диэлектриктердің ортасында орналасқанына қарамастан оны металдарға тән қасиеттермен сипаттауға болады. Алайда, ол электрлік қасиеттері екі түрлі материалдардың арасында орналасқан.

 3  Электронды–кемтіктік ауысу

 Электронды–кемтіктік– өтулер дегеніміз жартылай өткізгіштің бір бөлігінде –өтулер, басқа бөлігінде  –өтулер жүріп жатыр деген сөз. Осындай материалда зарядтың күйін түсіндіру үшін –типті және –типті блоктарды бірге алдын ала шығарып аламыз. Айталық, кемтік оң зарялталған болсын, сонда ол оң зарядты тасымалдаушы, ал электрон теріс зарядты тасымалдаушы болып табылады.

 9.5–сурет

 Кемтіктер (қозғалмалы тасымалдаушылар), қоспа атомдар (бекітілген), электрондар (қозғалмалы тасымалдаушылар) n– типті материал, p – типті материал.

 –типті материалдағы негізгі тасымалдаушы деп аталатын электрондар –типті материалдың ішіне қарай диффузияланады (тығыздығы жоғары аймақтан тығыздығы төмен аймаққа қарай қозғалу), –типті материалдағы кемтік акцепторлары –типті материалға диффузияланады, мұндай құбылыс 9.5–суретте келтірілген. Сонымен диффузия дегеніміз – шоғыры көп аймақтан, шоғыры аз аймаққа қарай бөлшектердің бағытталған қозғалысы (заттардың шоғырының өз бетімен теңелуі).

 9.5–сурет нұсқауларында келтіргендей –типті материал электронды жоғалтқандықтан, енді–типті материалмен салыстырғанда ол оң потенциалға ие бола алады, олай болса, оның электрондар қозғалысын тежей алатын тенденциясының бар болғаны.

 –типті материал электронға ие болғандықтан, –типті материалмен салыстырғанда теріс зарядталған болып саналады, олай болса, кемтіктерді сақтап қалу тенденциясының болғаны. Сонымен белгілі бір уақыт өткеннен кейін электрондар мен кемтіктердің қозғалысы контакт аймағында түйіспелік потенциалдар айырымының әсерінен тоқталады. Сөйтіп, пайда болған түйіспелік потенциалдар айырымының салдарынан контакт аймағында кемтіктер мен электрондар саны азая бастайды, электрондармен кемтіктердің рекомбинациясының нәтижесі 9.6–суретте көрсетілген, мұндай қабатты сиреген (кедейленген) қабат деп атайды.

 Сөйтіп, электрондық және кемтіктік жартылай өткізгіштерді бір-бірімен түйістіргенде, олардың арасында қарқынды түрде екі жақты заряд тасымалдануы жүре бастайды. –типті жартылай өткізгіштермен салыстырғанда –типті жартылай өткізгіштерде электрондар концентрациясы көбірек болады да, ал кемтіктер концентрациясы –типтегі жартылай өткізгіште көп болады. Шоғырының бірдей болмауына байланысты диффузия нәтижесінде электрондар –типті жартылай өткізгішке қарай, ал кемтіктер –типті жартылай өткізгішке өтеді. Осыған байланысты –типті жартылай өткізгіштің түйіспеге жақын қабаттарында теңеспеген зарядты донорлық қоспа иондары, ал –типтегі жартылай өткізгіш қабаттарында теріс зарядты акцепторлық қоспа иондары пайда болады. Оң зарядталған –типтегі жартылай өткізгіштің барлық энергетикалық деңгейлері төмендейді де, теріс денгейлері жоғарылайды.

 9.6– сурет

 Түйісу аймағында негізгі заряд тасымалдаушылар азайып, тек қозғалмайтын қоспа иондары ғана қалады. Сондықтан енінің аз болуына қарамастан (10^–6дан10^–8м) ауысуы, кедергісі жартылай өткізгіштердің басқа бөліктеріндегі кедергіден әлдеқайда артық.

 4 Тура және кері ығысулар

 Электрон–кемтік өтулер аймағына сырттан кернеу түссе, –типті материал –типті материалға қатысты оң зарядталады.ауысу тура бағытта 8.7-суретте көрсеткендей ығысады, түйіспелік потенциал айырымы сырттан түсірілген кернеуге қарсы тұрып, кедейленген (сиреген) қабатты жабады. Енді кемтіктермен электрондар түйіскен жерден өтіп шыға алады, сондықтан ток өте бастайды. Сырттан түсетін кернеуді қажетті шамадан артық ұлғайтқанда, кедейленген қабаттың енін кішірейту үшін (0.2 В – германий үшін, 0.6 В кремний үшін), ток тез өсе бастайды. Электрон–кемтікті ауысуға сырттан кернеу түсіргенде –типті материалға қатысты–типті материал  9.8–суреттекөрсеткендей теріс зарядталады, сөйтіп ауысуы кері бағытқа ығысады.

 9.7–сурет

 Сырттан түсірілген кернеу мен түйіспелік потенциал айырымы бірдей. Электрондар мен кемтіктердің қозғалысына қарама–қарсы әсер сиреген қабатты ашу арқылы жасалады. Олай болса, теорияға сәйкес ток жүрмейді. Алайда бөлме температурасында ковалентті байланыстағы кристалл торларында бөлме жылуынан жеткілікті энергияны ала отырып, мобильді электрондар мен кемтіктер түзіле алады. Осы үдерісті жылу жолымен орындалған электрон–кемтікті генерация түзілуі деп атайды.

 9.8–сурет

 Жылу нәтижесінде пайда болған –типті материалдардағы электрондар мен –типті материалдар электрон–кемтіктер негізгі емес (қосымша) тасымалдаушылар деп аталады. Оларға сырттан түсетін кернеу әсерін тигізеді. Олай болса, практика жүзінде бөлме температурасында, бірнеше мкА кішкентай ток германий үшін және 1 мкА кіші ток кремний үшін кері ығысу шартымен жүріп жатады.

 5  Жарық диодтары

 Жарық диодтары кәдімгі қызу шамдарымен салыстырғанда әлдеқайда кіші ток пен кернеулердің шамаларымен жұмыс істей алады. Жарық диодтары қыздыру шамдарымен салыстырғанда әлдеқайда сенімді, жарық диодтарының көпшілігі  мен тура ток шамаларының арасында жарық бере алады. Жарық диодтарының форматтары әртүрлі типті және кең таралған. Дөңгелек диодтардың диаметрі және бола алады, сонымен қатар, тікбұрышты форматтары да белгілі  Дөңгелек жарық диодтарының қамту бұрышы 20⁰-тан 40⁰ дейін, ал тік бұрышты диодтар үшін бұл бұрыш дейін ұлғаяды. Сәулеленудің нақты толқын ұзындығы жарық өткізгіш типіне сәйкес және ол 630–бен 690 нм диапазонын қамтиды.