Жартылай өткізгіштер.Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі

Қарағанды мемлекеттік  медицина университеті

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

 

 

 

Тақырыбы:Жартылай өткізгіштер.Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі.

 

 

 

Орындаған: Алибекова.А.А

Тексерген:

 

 

 

 

 

 

 

Қарағанды 2013

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.

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.

 

Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігінің температураға тәуелділігін зерттеу 

 

Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін зоналық теория негізінде тек кванттық механика жан-жақты түсіндіріп бере алады. Кристалдарда энергетикалық зоналардың пайда  болуы металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктерге бөлінуімен түсіндіріледі. Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің екеуінде де еркін зарядты тасымалдаушылар  жоқ, олардың пайда болуы үшін (электрондарды атомдардан жұлып  алу үшін) белгілі бір көлемде  энергия жұмсау керек. Бірақ бұл  энергия диэлектриктер үшін өте  үлкен, ал жартылай өткізгіштер үшін ол аз шама болуы қажет [1-3].

Егер жартылай өткізгіштің  температурасы абсолют нөлге  жақындаса, онда кристалдағы байланыстар  бұзылмайды, сондықтан жартылай өткізгіш диэлектрикке айналады. Жартылай өткізгіштің  температурасы артқанда оның атомдарының  сыртқы қабатының жеке электрондары, атомнан бөлінуге жеткілікті энергия  қабылдап, одан бөлініп шығып, еркін  электрондарға айналады. Жартылай өткізгіштің  температурасы жоғарылаған сайын, ондағы еркін электрондардың саны артады және электр өткізгіштігі жоғарылайды.

Электронның энергиясын арттыру  үшін, оған ΔЕ рұқсат етілмеген зонаның  енінен кем емес энергия мөлшерін беру керек. Электр өрісі (кристалдың электрлік  тесілуі болмайтын кернеулікте) мұндай энергияны электрондарға  бере алмайды. Мұндай жағдайда кристалдың электрлік қасиеттері рұқсат етілмеген  зонаның ΔЕ енімен анықталады. Егер бұл ен үлкен болмаса (оннан бір  электроновольт), жылулық қозғалыстың  энергиясы, электрондардың бір бөлігін  жоғары еркін зонаға ауыстыруға жеткілікті болады [4].

Бұл жұмыста зертханалық  электропеште жартылай өткізгіш үлгісін  қыздырып, температурасын өзгерткен  кезде үлгінің электрлік кедергісін тікелей өлшеу арқылы электрөткізгіштіктің өзгерісі зерттелді және рұқсат етілмеген зонаның енін анықталды.

Деңгейлердің толу ықтималдылығы  анықтайтын Ферми функциясы формуласынан   меншікті өткізгіштікті температура функциясы деп өлшеп, нәтижені жартылай логорифмдік масштабтағы графикте бейнелеуге болады:  .

Осы формула бойынша тұрғызылған  графиктегі түзудің көлбеуі   рұқсат етілмеген зонаның енін анықтауға  мүмкіндік береді. Рұқсат етілмеген зонаның ені – қатты денелердің маңызды параметрі болып табылады.  Осы жұмыста біз жартылай өткізгіштің кедергісін тікелей өлшейтін қондырғының көтегімен температура мен кедергіні өлшеудің нәтижелері төмендегідей болды:

№
1	30	303	0,00330	27,3	0,0366	-3,308
2	35	308	0,00324	19,2	0,0521	-2,955
3	40	313	0,00319	14,9	0,0671	-2,702
4	45	318	0,00314	11,8	0,0847	-2,469
5	50	323	0,00309	9,7	0,1031	-2,272
6	55	328	0,00305	8,3	0,1205	-2,166
7	60	333	0,00300	7,0	0,1428	-1,946
8	65	338	0,00295	6,2	0,1613	-1,824
9	70	343	0,00291	5,4	0,1852	-1,686
10	75	348	0,00287	4,7	0,2128	-1,547
11	80	353	0,00283	4,0	0,2500	-1,386
12	85	358	0,00279	3,6	0,2778	-1,281
13	90	363	0,00275	3,4	0,2941	-1,224
14	95	368	0,00272	3,1	0,3226	-1,131
15	100	373	0,00268	2,9	0,3448	-1,065

 

 

Жасалған тәжірибеде рұқсат етілмеген зонаның ені   формуласымен анықталды, мұндағы   – Больцман тұрақтысы, ал   жартылай өткізгіштің электрөткізгіштігінің температураға тәуелділігінің сызықтық графигінен бұрыштың тангенсімен табылады. Ол мына формулаға тең: 

Жартылай өткізгіштің  электрөткізгіштігінің температураға  тәуелділігінің сызықтық графигінен (1-сурет) мәндерді ала отырып, жартылай өткізгіштің  рұқсат етілмеген зонасының енін есептедік. 

 

1-сурет 

 

 

  Бөлме температурасы T=300K болғанда рұқсат етілмеген зонаның ені германий үшін 0,803 эВ құрайды [5].  Одан жоғары темпертураларда есептеулерден рұқсат етілмеген зонаның ені   екені анықталды. Есептеу қателігі ~ 4% құрады. Ал кедергінің температуралық коэффициенті  электрлік кедергінің температураға тәуелділік графигінен (2-сурет) анықталды және  -не тең болып шықты. 

 

2-сурет 

 

 

        Осы мәліметтерді әдебиеттерде берілген кестелік мәндермен салыстыра отырып, жартылай өткізгіштің германий (Ge) екені айқындалды.                 

Кедергінің температуралық коэффициенті кедергінің температураға  тәуелділігімен сипатталады және Кельвиннің минус бір дәрежесімен өлшенеді  . Таза қоспасыз жартылай өткізгіштер үшін кедергінің температуралық коэффициенті теріс шама болып табылады. Себебі, температура жоғарылаған сайын электронның көп бөлігі өткізгіштік зонаға өтеді, сәйкесінше кемтіктердің концентрациясы көбейеді. Яғни көміртек, германий, кремний жартылай өткізгіш элементтері үшін бұл коэффициент теріс шама болып табылады, яғни температура өскен сайын кедергісі кемиді деген корытындыға келдік [6].

Жартылай өткізгіш материалы  болып табылатын германий тек  диод пен триодта ғана кеңінен  қолданылмайды, одан үлкен токқа  арналған қуатты түзеткіштерді, түрлі  датчиктерді, төмен температураларға арналған кедергі термометрлерін жасайды. Ең маңыздысы, бізді қоршаған әлемде көптеген заттар жартылай өткізгіштерден жасалған. Жартылай өткізгіштерді қолданатын аспаптар жетерлік. Ол қарапайым радиоқабылдағыш  немесе лазер, тіпті микропроцессордағы кішкентай атомдық батарея болуы мүмкін. Жартылай өткізгішті материалдар керемет католизатор, яғни химиялық үдерістердің үдеткіші бола алатындығы анықталған. Жартылай өткізгіштердің тағы бір ерекшелігі сыртқы магнит өрісінің әсерінен ондағы электр тоғының ығысуы, осының негізінде өте сезімтал, дәл компас жасап шығаруға болады. Германий электроника мен радиотехникада шағын әрі сенімді жұмыс жасайтын қондырғыларды құрастыру үшін қолданылады.