Физика | Диод

Жартылай өткізгіштер деп өзінің меншікті электрлік кедергісінің шамасы бойынша металлдар мен изоляторлардың ортасында орын алатын заттардың тобын айтады. Жартылай өткізгіштерге германий, кремний, селен элементтері жатады. Қазіргі заттың құрылысы туралы теория бойынша әрбір атом электрондар бұлтына оранған ядродан тұрады. Энергиялары белгілі қабаттарда, ядродан біршама қашықтықта электрондар айналып жүреді. Бұл көзге көрінбейтін атомды қатпар – қатпар қабаттардан тұратын пияздай құрылысы бар деп ойша көзге елестетуге болады. Әрбір энергиясының шамасы белгілі қабат энергетикалық деңгей немесе энергия деп аталады. Атомның барлық энергетикалық деңгейде екі электроннан артық басқа электрон орналасуы мүмкін емес. Электрон рұқсат етілген бір деңгейден алыстау орналасқан энергиясы үлкен басқа деңгейге ауысқан кезде энергияның жұтылу процесі жүреді де, ал егерде электрон энергиясы жоғары деңгейден энергиясы төмен деңгейге көшсе энергия сыртқа бөлініп шығады. Энергия тура анықталған кішкентай бөліктермен (порциялармен) – кванттармен жұтылып және бөлініп отырады. Энергетикалық деңгейлердің энергия шамасымен өлшенетін арақашықтықтары энергия шамасы өскен сайын кішірейеді. Энергетикалық спектрдің төбесі болып, электрон атомдық байланыстан босанып, атомды тастап кететіндей энергия мәнін қабылдаған кез, яғни позиция процесі жүретін энергия деңгейі есептелінеді.
Егерде әртүрлі элементтердің атомдарының құрылысын қарастыратын болсақ, электрондармен тегіс толықтырылған қабаттар(ішкі қабаттар) мен жете толтырылмаған қабаттарды(сыртқы қабаттар) айыруға болады. Соңғы айтылған қабаттар ядромен әлсіз байланысқан, сондықтан да олар басқа атомдармен жеңіл қарым – қатынасқа түсе алады. Осы себептен сыртқы толықпаған қабатта орналасқан электрондар валенттік электрондар деп аталады.
Заттардың молекулулардан, ал молекулалардың атомдардан құалатыны белгілі. Осындай молекулалар құрылған кезде оның жеке атомдарының арасында бірнеше байланыс түрі болады. Жартылай өткізгіштер үшін көп таралған байланыстың түрі көрші атомдардың валенттік электрондарының қосарлануынан туған коваленттік байланыс.
Кванттық теория бойынша, жақын орналасқан біртекті атомдар тобының энергетикалық диаграммасы жеке атомның диаграммасынан өзгеше болады.(3 - сурет).
Атомдардың бір – бірімен байланысының арқасында көрші атомдардың электрондарының рұқсат етілген энергетикалық деңгейлері бұрынғы орындарынан жылжып, өте жақын орналасқан жылысқан энергия деңгейлерін құрады. Атомдардың бір – бірімен байланысынан туған осындай тығыз оранласқан энергия деңгейлерінің тобын рұқсат етілген зона деп атайды. Рұқсат етілген зоналар (1,3,5,7) тыйым салынған зоналармен, яғни электрондар болмайтын энергия деңгейлері (2,4,6) бөлініп тұрады. Температура 1 – 273К тең болғанда электрондары жоқ рұқсат етілген зона бос зона деп аталады. Сыртқы әсердің арқасында атомның электрондары бір деңгейден екінші деңгейге өтуі мүмкін, бұл атомның қозу процесі. Қозу процесі кезінде энергия деңгейлерінде электрондар тұрақтай алатын бос зона өткізгіштік зонасы деп аталады. Қорыта айтқанда, қатты заттың энергетикалық спектрінде негізінен үш түрлі зоналар болдаы: рұқсат етілген зоналар, тыйым салынған және өткізгіштік зоналар.
Рұқсат етілген зоналарда температурасында барлық энергия деңгейлері электрондармен толығымен толықтырылған. Ең жоғарғы толған рұқсат етілген зонаны валенттік зона деп атайды. Тыйым салынған зонаның қасиеті оның ішінде электрондар орналаса алатын ешқандай энергия деңгейі жоқ. Өткізгішітік зона – жартылай толған немесе біртұтас толмаған зона – оның ішінде орын алған электрондардың энергиясының мәні сондай, олар мысалға сыртқы электр өрісінің әсерінен одан да жоғары энергетикалық деңгейге көшіп кетуге, немесе тіпті атомдық байланыстан босанып кетуге және қатты заттың ішінде қозғалып жүруге де шамалары келеді.
Қатты заттардың ішкі құрылысын энергетикалық зоналармен сипаттау зондық теория деп аталады. Осы теория бойынша, температурада қатты затттардың металл екнін немесе изолятор екенін, немесе жартылай өткізгіш екенін айырып білуге болады.
Металдарда валенттік зона мен өткізгіштік зона бірімен – бірі тұтасып жатады, сондықтан да температурада металдардың электрлік өткізгіштігі бар. Жартылай өткізгіштер мен изоляторлардың температурада өткізгіштігі болмайды, яғни ток жүрмейді. Егерде тыйым салынған зонаның энергия шамасы бойынша ені болса, бұл зат изолятор болып есептеледі. Егер болса, ол жартылай өткізгіш болып табылады.
Тыйым салынған зонасының ені жартылай өткізгіштерде изоляторларға қарағанда әлдеқайда кіші болғандықтан бөлме температурасында кейбір электрондардың энергиясы валенттік зонадан өткізгіштік зонасына өтіп кетуге жеткілікті болады. Міне сондықтан да осы жағдайда жартылай өткізгіштің өткізгіштік қабілеті нольге тең болмайды. Ал изоляторларда валенттік зонаның төбесі мен өткізгіштік зонасының түбінің энергия деңгейлерінің айырмасы үлкен болғандықтан, яғни тыйым салынған зонаның енінің үлкендігінен бөлмелік температурада аз энергиямен атомға әсер еткеннің өзінде де валенттік электрондар орбиталарынан қозғала алмайды, орындарынан тапжылмайды, сондықтан да изолятордың өткізгіштігі нольге тең.
Жартылай өткізгіштерде температура абсолюттік нольден жоғарылағанда кейбір электрондар валенттік зонадан өткізгіштік зонасына өтіп кетіп, еркін электрондарға айналады, олардың бұрынғы энергетикалық деңгейінде бос орын қалады, осы босаған энергетикалық орынды кемтік деп атайды. Орыннан теріс зарядты электрон кеткендіктен, кемтік оң зарядты бөлшек болып саналады. Егерде затқа сырттан электрлік кернеу қосылса, көрші атомдардың валенттік электрондары осы босаған электрондарға ауысады да, өздерінің орындарында кемтіктерді қалдырып отырады. Электрондар осылай бір жаққа қозғалғанда оларға қарама- қарсы жаққа аталмыш оң зарядты бөлшектер – кемтіктер қозғалып отырады.
Еркін электрондардың қозғалуынан пайда болған электр өткізгіштікті электрондық деп, ал кемтіктердің қозғалысынан пайда болған электр өткізгіштікті кемтіктік деп атайды.
Электрон мен кемтіктің қосарланып туу процесін – қос бөлшек генерациясы деп атайды. Қос бөлшек генерациясы тек жылулық энергия әсерінен ғана емес, сонымен қатар қозғалып жүрген бөлшектердің кинетикалық энергиясының арқасында да, электр өрісінің энергиясы мен күн сәулесінің түсуінің арқасында да жүріп отырады.
Валенттік байланыстың үзілуі негізінде пайда болған электрон мен кемтік жартылай өткізгіштің ішкі көлемінде бей – берекет қозғалып жүреді. Бұл қозғалыс электрон кемтікпен кездесіп ұсталғанаға дейін, ал кемтіктің энергетикалық деңгейі өткізгіштік зонасының электронымен толықтырылғанға дейін тоқталмайды. Осы уақытта үзілген валенттік байланыстар қайта қалпына келіп, ал заряд тасымалдаушылар – электрон мен кемтік жоғалады. Электрон мен кемтіктің қосылуынан осы үзілген валенттік байланыстардың қайта қалпына келуін рекомбинация деп атайды. Рекомбинация генерацияға қарсы процесс. Заряд тасымалдаушы бөлшектің осы уақыт ішінде жүрген жолын – диффузиялық ұзындық деп атайды. Әрбір заряд тасымалдаушылардың өмірлік уақыты әртүрлі болғандықтан, жартылай өткізгішті біржақты сипаттау үшін, өмірлік уақыт мағынасында көбіне заряд тасымалдаушылардың орташа уақытын түсінеді де, ал диффузиялық ұзындық мағынасында заряд тасымалдаушының осы орташа өмірлік уақытта жүрген долын түсінеді.
Қорытындылай келсек, бұл рефератты жазу барысында жартылай өткізгіштер, олардың негізгі түрлерімен таныстық. Меншіктік және қоспалық өткізгіштерге анықтама беріп, олардың әрқайсысына жеке тоқталып өттік. Бұл өткізгіштіктердің негізгі сипаттамаларын қарастыра отырып, соларға қатысты қорытынды формулалардың көмегімен есептеулер жүргізуді үйрендік. Сонымен қатар, жартылай өткізгіштер ретінде қандай элементтер қолданылатыны, генерация, рекомбинация деген қандай процестер екені туралы баяндадым.....