Кіріспе

Жоспар

1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Кіріспе Жартылай өткізгіштер Жартылай өткiзгiштердегi электр тогы Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі p – n ауысу Диффузия р – n ауысуының қасиеттері p – n өтуін жасауда диффузиялық әдіс Жартылай өткiзгiшті диодтар Диодтың түрлері мен белгіленуі Жартылай өткізгішті диодтардың негізгі техникалық шамалары Қорытынды Пайдаланылған әдебиеттер тізімі Мазмұны

Кіріспе

Жартылай өткізгіштерге тән қасиеттердің ең маңыздысы – әр типті екі жартылай өткізгіштердің түйісуі екендігі, оның р – n -ауысу деп аталатындығы айтылады. p – n -ауысу қасиетін түсіндіруді тәжірибеден бастаған тиімді. Жартылай өткізгішті диодтың бір бағытта токты жақсы өткізетіндігін, екінші бағытта өте нашар өткізетіндігі көрсетіледі.

Бұл құбылыстардың себебі жөнінде сыныпта проблемалық жағдай туғызуға болады. Алдымен әр типті өткізгіштерді түйістіргенде жүретін процесс түсіндіріледі. Дереу түйісу арқылы негізгі заряд тасымалдаушылардың n -диффузиясы басталады да, түйісу аймағында зарядтардың бейтараптануы нәтижесінде аймақтың кедергісі артып кетеді. Жартылай өткізгіштердің түйіскен жерінде пайда болған қосарланған электр қабаты зарядтар қозғалысына кедергі жасап, белгілі моментте диффузия процесін тоқтатып тастайды.

Жартылай өткізгішті диодтар техникада кеңінен пайдаланылатын құрылғы болып табылады. Диод бір р – n -ауысудан тұратын жартылай өткізгішті құрылғыларды айтады.

Әрі қарай диодтың вольтамперлік сипаттамасы қарастырылады. Токты өткізу бағытында кернеуге байланысты ток жылдам өседі де, жапқыш бағытта ток аз және кернеуге айтарлықтай тәуелді емес. Жартылай өткізгішті диодтардың айнымалы токты түзету үшін қолданылатындығы айтылады. Сонымен қатар әр түрлі мақсаттарда диодтардың радиотехникада, автоматикада, телемеханикада, кеңінен қолданылып келе жатқандығын айта кету керек.

1 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕР

1.1 Жартылай өткiзгiштердегi электр тогы

Жартылай өткiзгiштер деп кедергiсi кең көлемде өзгере алатын және температурасы жоғарылаған сайын кедергiсi тез азаятын заттарды айтады.

Таза (қоспасыз) жартылай өткiзгiш кристалындағы еркін электрондардың және кемтiктердiң қозғалысынан болатын өткiзгiштiктi жартылай өткiзгiштердiң меншiктi өткiзгiштiгi дейді.^[6]

Таза жартылай өткiзгiштiң электрөткiзгiштiгi тек қана кристалдағы коваленттiк байланыстар үзілген жағдайда ғана мүмкін болады. Мысалы, қыздыру коваленттiк байланыстардың үзiлуiне келтiредi, сондықтан еркiн электрондар пайда болып, таза жартылай өткiзгiштiң меншiктi электрондық өткiзгiштiгi (n -типтi өткiзгiштiгi) болады.

Электрон кеткен жерде артық оң заряд пайда болады да, оң кемтiк құрылады.

Сыртқы электр өрiсiнде электрондар электр өрiсiнiң кернеулiгiнiң бағытына қарама қарсы жаққа ығысады. Оң кемтiктер электр өрiсiнiң кернеулiгiнiң бағытына қарай орын ауыстырады, яғни электр өрiсiнiң әсерiнен оң зарядтың қозғалатын жағына қарай орын ауыстырады. Кемтiктердiң реттi орын ауыстыруанан болатын таза жартылай өткiзгiштiң электрөткiзгiштiгiң меншiктi кемтiктiк өткiзгiштiгi (p -типтi өткiзгiштiгi) дейдi.^[3]

1 сурет. n -типті жартылай өткізгіш

Жартылай өткiзгiштердiң кристалдық торларына қоспаларды (қоспалық центрлерiн) еңгiзуiнен болатын электрөткiзгiштi қоспалық өткiзгiштiк дейдi.

Қоспалар жартылай өткiзгiштер кристалдарына электрондарды қосымша жабдықтаушы болуы мүмкiн. Мысалы, жартылай өткiзгiштiң торында германийдiң төрт валенттiк электроны бар бiр атомы бес валенттiк электроны бар қоспаның (мышьяк, сүрме) атомымен ауыстырылсын. Қоспалық атомның төрт электроны көршi германий атомдарының электрондарымен коваленттiк байланыстар жасауға қатысады, ал бесiншi электрон коваленттiк байланыс жасауға қатыса алмайды. Ол “артық" болады, өз атомымен әлсiз байланыста болады, сондықтан одан оңай бөлiнiп кетедi де, еркiн атом бола алады (1 сурет). Электр өрiсiнiң әсерiнен жартылай өткiзгiштегi сондай электрондар реттелген қозғалысқа келедi, ал жартылай өткiзгiште электрондық қоспалық өткiзгiш пайда болады. Мұндай өткiзгiштiгi бар өткiзгiштер электрондық немесе n -типтiк жартылай өткiзгiштер дейдi.

2 сурет. p -типті жартылай өткізгіш

Жартылай өткiзгiштегi төрт валенттiк электроны бар бiр атом үш валенттiк электроны бар қоспа атомымен (индий, альюминий) алмасқанда, торда барлық коваленттiк байланыстар құрылуы үшiн бiр электрон жетiспейдi (2 сурет). Бiрақ, қоспалы атом тордағы ең жақын негiзгi атомның электронын алған жағдайда, ол барлық байланыстарды құра алады. Онда негiзгi атомнан кеткен электронның орнында оң кемтiк пайда болады, осы кемтiкке тордағы келесi көршiлес атомның электроны ырғып түсуi мумкiн және т.с.. Электрондардың оң кемтiктердi бiр iздi толтыруы жартылай өткiзгiштегi кемтiктердiң қозғалысына және онда ток тасымалдаушылардың пайда болуына тендес. Электр тогының әсерiнен кемтiк өрiс кернеулiгiмен бағыттас орын ауыстырады да, жартылай өткiзгiште кемтiктiк қоспалық өткiзгiштiк пайда болады. Осындай өткiзгiштiгi бар жартылай өткiзгiштедi қоспалық кемтiктiк немесе p -типтiк жартылай өткiзгiштер дейдi.^[4]

1.2 Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

3 сурет. Германийдің кристаллындағы қос-электрондық байланыс

Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштік механизмін германийдің немесе кремнийдің монокристалының мысалында қарастыру қолайлы, оның құрылымының сұлбасы (бір жазықтықта) 3 суретте бейнеленген. Себебі өте кең қолданылатын жартылай өткізгіштер Ge және Sі сыртқы электрондық қабатта төрт электроны болады, яғни олардың валенттілігі төртке тең. Мұндай элементтердің кристалдық торында (алмаз типті тор деп аталынатын) германийдің Ge немесе кремнийдің Sі әрбір атомы, бірдей қашықтықта орналасқан, көрші төрт атоммен қоршалған.

Атомның ең орнықты күйі, оның сыртқы электрондық қабатында сегіз электрод тұрған кезде екендігі белгілі. Сондықтан Ge және Sі атомдары электрондық қабаттарды сегіз электронға дейін толтырып, көрші атомдармен жалпы электрондық жұп құрайды (коваленттік байланыс).

Әрбір екі көрші атомдар екі ортақ электрондары (электрондық жұп) болады. Сонымен, әрбір атом сыртқы қабатында сегіз электроннан болады, олар бір мезгілде көрші атомдарға да жатады (3 сурет). Алмаз типті торды шартты түрде жазық етіп бейнелеуге болады, өйткені мұнда да әрбір атом көрші төрт атоммен қоршалған. Төменгі температурада жартылай өткізгіштің кристалында барлық электрондар атомдармен байланысқан және еркін электрондары жоқ, яғни кристалл диэлектрик болып саналады. Жартылай өткізгіштің температурасын көтерген кезде кейбір электрондар атомнан бөлініп, жылжымалы күйге түсіп, оған кернеу түсіргенде, кристалда ток жасайды.^[5]

Бөлме температурасының өзінде жартылай өткізгіш кристалында жылжымалы электрондардың біраз сандары болады және температураның артуына байланысты олардың саны тез көбейеді. Германий Ge жағдайында, кремнийге Si қарағанда, атомнан электронды жұлып алу үшін энергия аз жұмсалады. Сондықтан таза германийдің Ge кедергісі, кремнийдікіне Si қарағанда едәуір аз (ρ_Ge ≈ 0,5 Ом.м, ал ρ_Si ≈ 2 ∙ 10³ Ом.м).

Атомнан электронды бөліп шығарған кезде атомның қабатшасында бос орын пайда болады, ол орынды «кемтік» деп атайды. Ортақ электрондары бар көрші атомдар, электрондармен үнемі алмасып тұратындықтан, бұл кемтік басқа электронмен толтырылуы мүмкін және бұл кезде енді басқа атомда бір электрон жетпей тұрады. Электрон үзіліп шыққанға дейін атом электрлік бейтарап болғандықтан, онда электронның жетіспеуі атомға оң заряд береді. Сондықтан, электронның бос орны – кемтіктің зарядын оң деп санайды. Бұл бос орын – кемтік – кристалл көлемінде үнемі және тынымсыз орын ауыстыруда болады, бұл заряды сандық жағынан электрон зарядына тең оң зарядтық осылай ауысып отырумен бірдей болады.^[15]

Сонымен, бос электрондар және кемтіктер кристалл бойынша, қандай да бір еркін электрон атом қабатшасындағы кемтікпен кездескенше, ретсіз орын ауысып отырады (бос орынға тап болғанша). Бұл кезде қозғалыстағы екі зарядты тасымалдаушылар жоқ болады: бос электрон және кемтік, яғни рекомбинация жүреді.

Әрбір белгілі-бір температурада жұптың пайда болуының «электрон-кемтік» (генерация) және олардың жойылуының (рекомбинация) аралығында динамикалық тепе-теңдік орнайды. Неғұрлым температура жоғары болған сайын, солғұрлым «электрон – кемтік» жұптары пайда болып, жартылай өткізгіш кристалында олардың бір мезгілде болуының саны артады.

Егер осындай кристалды электр тізбегіне қосса, онда оның ішінде электрондар, теріс полюстен оң полюске қарай реттеліп қозғала бастайтын болады. Өрістің әсерінен байланысқан электрондар да көбінесе өрістің күш сызықтары бойымен көрші атомдардан бос орындарға көше бастайды, ал бос орындар (кемтіктер) осы сызықтардың бойымен қарсы жаққа қарай орын ауыстыра бастайды.

Сонымен, өрістің әсерінен кемтіктер де оң зарядты алып жүре отырып реттелген қозғалысқа түседі. Шын мәнінде, бір жаққа тек бос электрондар мен байланысқан (валенттілік) электрондар орын ауыстыратындықтан, бос электрондарды бір жаққа қарай, ал оң зарядты тасымалдаушы кемтіктерді екінші жаққа қарай қозғалады деп санауға болады.

Бос электрон кемтікпен кездескенде олар рекомбинацияланады, сөйтіп олардың қозғалысы тоқталады. Бос электрон мен кемтіктің рекомбинацияға дейінгі орташа еркін жол жүру ұзындығы өте аз (0,1 мм-ден артық емес). Тынымсыз жылулық генерация жаңадан «электрон – кемтік» жұбының пайда болуына алып келеді, олар қайтадан зарядты тасымалдай бастайды. Сонымен, электр өрісінің әсерінен кристалда еркін зарядты тасымалдаушылардың үздіксіз реттелген қозғалысы жүреді, яғни ток ағады. Мұндай өткізгіштік өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі деп аталынады.

Зоналық теория бойынша өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі валенттік зонаның жоғары деңгейлерінен электрондардың өткізгіштік зонаға ауысуынан пайда болады. Бұл кезде өткізгіштік зонада ток тасымалдаушылардың бірнеше саны – зонаның түбіне жақын деңгейлерде орналасқан, электрондар пайда болады; валенттік зонаның жоғары деңгейлерінде бір мезгілде осынша саны бар бос орындар пайда болады, осының нәтижесінде кемтіктер пайда болады. Керісінше рекомбинация процесіне электронның өткізгіштік зонадан валенттік зонаның бір бос деңгейіне ауысуы сәйкес келеді.

Жеткілікті жоғары температурада өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі барлық жартылай өткізгіштердің түрлерінде байқалады. Алайда, қоспасы бар жартылай өткізгіштерде, электр өткізгіштік өзіндік және қоспалы өткізгіштіктердің қосындысынан тұрады.

1.3 Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі

Егер балқытылған таза германийге немесе кремнийге Менделеев кестесіндегі үшінші топтың элементтерінің атомдарының (Іn, Al, Ga, B және басқалар) аздаған мөлшерде қосса, мысалы Іn, онда қатайғаннан кейін Іn атомдары кристалдық тордың кейбір түйіндерінен орын алып, кристалдық құрамына енеді. In атомдары кристалда төрт көрші Ge атомдарымен ортақ электрондық жұп құрайды. Алайда индий Іn атомында сыртқы электрондық қабатта үш қана электрон болғандықтан, сегіз электроннан тұратын орнықты қабат құру үшін, оған бір ортақ электрон жетіспейді. Іn атомы жетіспейтін электронды көрші германийдің Ge атомынан қамтып алуы мүмкін. Сонда ол теріс зарядталады да, ал қандай да бір орында жылжымалы кемтік пайда болады.^[16]

Кристалл электро бейтарап болып қала береді, бірақ ондағы теріс зарядталған In атомдары тормен байланысқан (локалданылған), ал оң зарядталған кемтіктер электр тогына қатысуы мүмкін (4 сурет). Мұндай кристалдың өткізгіштігі негізінен кемтік болады, өйткені кристалда пайда болған кемтіктердің саны, аздаған қоспаны ендіргеннің өзінде (10^-4 – 10^-6 %), қоспасыз жартылай өткізгіштегі «электрон-кемтік» жұбының санынан едәуір көп болады.^[1]

4 сурет. Кемтікті байланыс

Егер жартылай өткізгіште атомдары электрондарды қамтып алатын, Менделеев кестесіндегі ІІ топтағы элементтердің қоспасы болса, онда мұндай қоспаны р -типті қоспа деп атайды («позитив» - оң деген сөз) немесе акцепторлық (аламан) қоспа, ал кристалл р -типті жартылай өткізгіш деп аталынады.

p -типті жартылай өткізгіштерде негізгі электр өткізгіштіктің рөлін – жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары – кемтіктер атқарады.

Германий торына Менделеев кестесінің V тобының атомдарын ендірсе (As, Sв, Р және басқалар), мысалы мышьякты Аs, сыртқы қабатшадағы төрт электрон (қоспа атомының сыртқы қабатшасындағы бес электрондардың төртеуі) көрші төрт германий Ge атомдарымен ортақ электрондық жұптар құрады, және де әрбір атомда, соның ішінде мышьяк As атомында да, ортақ электрондардың арқасында сыртқы электрондық қабат орнықты болатын санға жетеді (сегіз электрон). Мышьяк As атомының бесінші сыртқы электроны «артық» болып қалады. Ол, басқа электрондарға қарағанда ядромен нашар байланысқан, және де оны аздаған энергия шығындап, атомнан бөліп бос электронға айналдыруға болады. Бұл кезде мышьяк As атомы оң зарядталады (иондалады).

Сонымен, германий кристалының торына V топтың атомдарын ендірген кезде тордың түйіндерінде оң зарядталған «қозғалмайтын» қоспаның иондары және еркін электрондар пайда болады (5 сурет). Мұндай жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі негізінен электрондық болады. Бұл жағдайда кристалды n -типті жартылай өткізгіш деп атайды («негатив» - теріс деген сөз), ал қоспаны n -типті қоспа немесе донорлық (беремен) деп атайды.

n -типті жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігіне негізінен электрондар роль атқарады, өйткені онда тынымсыз «электрон-кемтік» жұбының жылулық генерациясы жүріп жатқанымен (таза жартылай өткізгіштегі сияқты), n -қоспадағы иондалу кезіндегі алынған бос электрондардың саны (жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары) едәуір көп болады. Оның үстіне n -типті жартылай өткізгіште кемтіктер, таза жартылай өткізгішке қарағанда азырақ, өйткені мұнда таза жартылай өткізгішке салыстырғанда, кемтіктердің электрондармен кездесу ықтималдығы жоғары (электрондар саны өте көп) және рекомбинация жігерлі өтеді.^[11]

5 сурет. Электронды байланыс

Жартылай өткізгіш кристалында қоспаның атомдарын иондау үшін, жартылай өткізгіштің өзінің атомдарын иондау үшін қажет энергиядан да аз, энергия шығыны жұмсау жеткілікті. Сондықтан, температура көтерілген кездегі қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің өзгерісін бақылау көңіл аударарлық. Қоспасы жартылай өткізгіштің кристалының температурасы абсолют нольге жақын жерде диэлектрик болып келеді, өйткені мұндай жағдайда оның атомдарының электрондарының энергиясы минимал болады.

Төменгі температурада n -типті қоспаның атомдарына жататын электрондардың энергиясы, олар атомдардан бөлініп еркін болу үшін жеткіліксіз, ал р -типті қоспа атомдары электрондарды қамтып алмайды, себебі мұндай қамтып алу электрондар энергиясының артуымен қоса жүреді. «Электрон-кемтік» жұбының пайда болу үшін мұнан да үлкен энергия керек болғандықтан, мұндай жұптардың генерациясы тіптен жүрмейді, яғни жартылай өткізгіштердің өзіндік өткізгіштігі нольге тең.

Температураны біртіндеп көтерген кезде, n -типті қоспаның атомдарынан бөлінуге мүмкін болатын немесе р -типті қоспаның атомдары қамтып алатын жеке электрондар пайда болады, яғни температура артқан сайын, қоспаның барлық атомдары иондалып біткенше, тез өсетін электр өткізгіштік пайда болады. Басқаша айтқанда, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы қоспаның атомдарының концентрациясына тең болғанша, бұл практика жүзінде 0⁰ С-де алынады. Мұндай жағдайларда «электрон-кемтік» жұптары аздаған мөлшерде пайда болғанымен, олар өткізгіштікке мәнді әсер ете алмайды.

Сондықтан, қоспасы жартылай өткізгіштерді қыздырған кезде, металдардағы сияқты, жылжымалы зарядты тасымалдаушылар концентрациясы орташа температура интервалында, өзгермей қалады деп санауға болады. Бұл кезде қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі, металдардың өткізгіштігі сияқты, нашарлайды, өйткені өрістің әсерінен еркін зарядты тасымалдаушылардың реттелген ағынының, тордың жылулық тербелістерінің әсерінен шашырауының күшеюі есебінен, қозғалғыштығы азаяды.

Алайда жеткілікті жоғары температурада жартылай өткізгіштің өзіндік өткізгіштігі, «электрон-кемтік» жұптарының өте көп санының генерациялануы салдарынан сондай артып, енді оны қыздырған кезде еркін зарядты тасымалдаушылар концентрациясы тұрақты қалады деп санауға болмайды. Демек, қоспасы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі кенет өседі. Көп жағдайда қоспасы жартылай өткізгіштердің кедергісінің төмендеуі, қыздыру кезінде 100 – 200⁰ С-де басталады. ^[15]