Тақырып: Пәннің мазмұны және жалпы мәліметтер

Қарастырылатын сұрақтар:

1. Кіріспе.

2. Жартылай өткізгіш материалдарының электр өткізгіштігі және олардың түрлері.

3. n-түрлі және p-түрлі жартылай өткізгіштер және өткелдің пайда болуы (p-n-өтпесі).

Дәрістің қысқаша жазбасы:

Ғылыми-техникалық прогрестің дамуын жеделдету, Қазақстан Республикасының экономикасын индустриалдық-инновациялық жолға көшіру өндіріс тиімділігін көтерудің басты мәселелерінің бірі болып табылады. Бұл мәселелерді өндірістің көптеген салаларында, көлікте, электр энергетикасында автоматтандыру мақсаттары үшін электрониканы кеңінен қолданып шешуге болады. Электрониканың қолданыс аясын кеңейту – ғылыми-техникалық прогрестің қазіргі кезеңдегі негізгі ерекшелігі.

Өндірістік электроника (өндірісте, көлікте, электр энергетикасында электрониканы қолдану) және радиоэлектроника (радиотехникамен теледидарламада электрониканы қолдану) электрониканың кең мағынада қарастырылатын маңызды құрамдық бөлігі болып табылады.

Атомдарда электрондардың белгілі-бір энергетикалык деңгейлерде ядроны айнала қозғалып жүретіні белгілі. Ең сыртқы энергетикалық деңгейдегі валенттік электрондар деп аталатын электрондар ядромен және өзінің атомымен әлсіз байланыста болады. Атомдар кристалл түзген кезде осы валенттік электрондар көршілес атомдардың әсерінен ығысып, оларға ортақ энергетикалық деңгейлерді қамтитын энергетикалық аймақтарда қозғалып жүреді. Ал атом сырттан энергия қабылдаса, онда валенттік электрондардың энергиясы артып, атомдарға ортақ аймақтағы жоғарғы энергетикалық деңгейлерге өтеді. Бұл кезде заряд тасымалданады, яғни денеде электр тогы жүреді.

Кристалда атомдардың валенттік электрондары жүретін энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты валенттік аймақ деп атайды (1.1, а-сурет).

Қозған валенттік электрондардың жаңа энергетикалық деңгейлерін қамтитын аймақты өткізгіштік аймақ деп атайды. Өткізгіштік және валенттік аймақтардың арасында атомдардың өзара әсеріне және электронның өз атомымен әрекеттесуіне байланысты электрондар жүре алмайтын энергетикалық деңгейлер пайда болады. Осы электрондар жүре алмайтын энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты тыйым салынган аймақ деп атайды. Әр түрлі материалдар үшін тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені де әр түрлі болады. Мысалы, металдарда валенттік аймақ пен өткізгіштік аймақ түйісіп жатады (1.1, б-сурет), яғни тыйым салынған аймақ болмайды. Сондықтан металл атомындағы валенттік электрондар электр өрісінің әсерінен өткізгіштік аймаққа өтіп немесе тіпті өз атомын тастап басқа атомдардың энергетикалық деңгейлеріне өтіп электр тогын түзеді.

Диэлектриктерде тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені өте үлкен (1.1, г-сурет). Мұндай енді энергетикалық аймақты секіріп өту үшін электронға үлкен энергия жұмсау керек. Осы себепті де диэлектрик материал тесілгенге дейін онымен электр зарядының тасымалдануы болмайды, яғни ток жүрмейді.

а) б) в) г)

1.1-сурет. Заттардағы энергетикалық аймақтар сұлбасы: атаулары (a); металдарда (б); жартылай өткізгіштерде (в); диэлектриктерде (г).

1.2-сурет. Таза (а); n-түрлі (б) және р-түрлі (в) жартылай өткізгіштердің энергетикалық аймақтары мен заряд тасымалдаушылардың пайда болу сұлбалары.

Жартылай өткізгіштерде тыйым салынған аймақтың ені диэлектриктерге қарағанда енсіз болады (1.1, в-сурет): мысалы, германийда (Gе) 0,72 эВ те, силицийде (Sі) 1,12 эВ. Сондықтан электр өрісінің, жылудың, жарықтың немесе басқа бір энергия көзінің әсерінен қозған электрон валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа оңай өтіп электр тогын тудырады. Валенттік аймақта, кеткен электронның орнында, бос энергетикалық деңгей қалады. Бұл бос энергетикалық деңгейге көршілес атомның электроны келіп орналасуы мүмкін (1.2, а-сурет). Сонымен, әуелі заряд тасымалдаушы қос бөлшек пайда болады: оның бірі өткізгіштік аймақтағы электрон болса, екіншісі валенттік аймақта пайда болатың кемтік деп аталатын бос энергетикалық деңгей. Бір кемтік электронмен толғанда, осы электрон кеткен жерде екінші кемтік пайда болады, ал екінші кемтік электронмен толғанда үшінші кемтік пайда болады т.с.с. Ендеше кемтіктердің толу бағыты электрондардың жүру бағытына қарама-қарсы болғандықтан кемтікті оң зарядты бөлшек және ол қозғалып отырады деп есептеуге болады. Жартылай өткізгіштерді электрон-кемтік заряд тасымалдаушы қос бөлшектің пайда болуымен түзілетін электр өткізгіштікті өзіндік электр өткізгіштік деп атайды. Егер өткізгіштік аймақтағы электрон өз орнына қайтып келсе, онда кемтік жойылады да, заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегі де жойылады. Егер заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегінің пайда болуын олардың генерациясы деп атаса, ал электронның кемтікті толтырып, осының салдарынан электрон-кемтік қос бөлшегінің жойылуын олардың рекомбинациясы деп атайды. Электрон-кемтік қос бөлшектің пайда болу және жойылу мөлшері температураға байланысты: температура өскен сайын жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі артады. Бірақ таза жартылай өткізгіштерде пайда болатын және жойылып отыратын электрон-кемтік қос бөлшектерінің саны өзара тең болатындықтан заряд тасымалдаушылардың саны көбеймейді. Сондықтан таза жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі өте төмен, тіпті диэлектриктерге жақын болады. Ал, егер жартылай өткізгіштердің құрамында қоспа түрінде енген басқа элементтердің атомдары болса, онда олардың электр өткізгіштігі күрт өзгереді.

Жартылай өткізгіш элементтер (сицилий, германий, селен т.б.) негізінен төрт валентті. Міне осындай төрт валентті элементтердің кристалдық торшілтерінде, мысалы силицийдің (1.2, б-сурет), бес валентті элементтің, мысалы арсенийдің (Аs),атомы болса, онда арсенийдің төрт валенттік электроны силицийдің төрт вапенттік электронымен коваленттік байланыста болады да, ал бір электроны бос қалады. Осы байланыссыз қалған бос электрон қозатын болса, онда ол өткізгіштік аймаққа өтеді де, арсенийдің атомы оң зарядты ионға айналады. Ион қозғалып жүре алмайды, өйткені ол кристалдық торшілтердің түйіндерінде орналасқан және арсенийдің басқа атомдарымен электронмен алмаса да алмайды, өйткені олар бір-бірінен қашық орналасқан. Сондықтан мұндай жартылай өткізгіште электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен оларды электронды электр өткізгіштікті жартылай өткізгіштер деп атайды. Бес валентті қоспа элементтің артық электронының энергетикалық деңгейі өткізгіштік аймаққа жақын орналасқандықтан олар өткізгіштік аймаққа оңай өтіп отырады. Мұндай артық электронды қоспаларды донорлар (dоnаrе — сыйлау деген латын сөзі) немесе донорлық қоспалар деп атайды. Жартылай өткізгіш ондағы электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен n-түрлі (nеgаtіvus — теріс деген латып сөзінің бірінші әрпі) жартылай өткізгіш деп аталады.

Енді төрт валентті силицийдің кристалдық торшілтерінде үш валентті индийдің (Іn)атомы бар екен делік (1.2, в-сурет).

Мұнда силиций атомның үш валенттік электроны индийдің үш валенттік электронымен коваленттік байланыста болады, ал қалған бір электроны үшін кемтік пайда болады. Ол кемтікті басқа атомның электроны толтыруы мүмкін, бірақ оның кеткен жерінде тағы да кемтік келіп туады. Сөйтіп жартылай өткізгіште оң зарядты кемтік жүріп отыратын электр өткізгіштік, яғни кемтікті өткізгіштік пайда болады. Мұндай жартылай өткізгішті р-түрлі (латынша роsіtіvus-оң деген сөздің бірінші әрпі) жартылай өткізгіш деп атайды. р-түрлі жартылай өткізгіштегі кемтік орналасқан энергетикалық деңгейлер валенттік аймақтың сыртында болатындықтан кемтікті энергетикалық деңгейге негізінен валенттік электрондар өтіп отырады. Мұнда қоспа элементті акцептор (ассерtor — қабылдауыш деген латын сөзі) немесе акцепторлық қоспа деп атайды.

Сонымен, қоспалы жартылай өткізгіштерде заряд тасымалдаушы негізгі бөлшектер электрондар мен кемтіктер болып табылады.

Электронды (n-түрлі) және кемтікті (р-түрлі) екі жартылай өткізгіштің кристалдарын алып, беттерін тегістеп бір-бірімен түйістірелік (1.3-сурет). Түйіспе аймағында диффузияның салдарынан диффузиялық ток жүріп кемтіктер мен электрондар рекомбинацияға түседі. Электрондар кемтіктерді толтырады да түйіспе аймағында заряд тасымалдаушылар таусылып, торшілтер түйіндерінде орналасқан иондар ғана қалады: n-түрлі жартылай өткізгіште оң иондар да, ал р-түрлі жартылай өткізгіште теріс иондар. Жалпы алғанда түйіспе аймағында n-түрлі жартылай өткізгіш оң зарядты да, ал р-түрлі жартылай өткізгіш теріс зарядты болып шығады. Осы себепті түйіспе аймағында кернеулігі n-түрлі жартылай өткізгіштен р-түрлі жартылай өткізгішке бағытталған электр өрісі Е_бпайда болады (1.3, б-сурет).

Бұл өріс кемтіктердің n-түрлі жартылай өткізгішке, ал электрондардың р-түрлі жартылай өткізгішке өтуіне қарсы әсер ететіндіктен диффузиялық үрдісті әлсіретеді. Сондықтан бұл өрісті бөгет өріс деп, ал өріс әсер ететін түйіспелік аймақты бөгеттік қабат деп атайды. Бөгет өріс негізгі заряд тасушыларға қарсы әсер еткенмен, негізгі емес (бейнегізгі) заряд тасушыларды — n-түрлі жартылай өткізгіштегі кемтіктерді, р-түрлі жартылай өткізгіштегі электрондарды, қозғалысқа келтіреді. Негізгі емес заряд тасушылардың түзетін тогын дрейфтік ток деп атайды. Диффузиялық ток пен дрейфтік токтың бағыттары карама-карсы, ал шамалары бірдей болады. Өйткені сыртқы тізбек болмағандықтан түйіспе арқылы заряд тасымалдаушылардың бір бағытта ғана козғалуы мүмкін емес. Диффузиялық ток пен дрейфтік ток түйіспелік потенциалдар айырымының белгілі бір мәнінде теңеседі. Түйіспелік потенциалдар айырымы φ_б түйіспелік потенциалдық тосқауылдың шамасын анықтайды (1.3, в-сурет). Түйіспелік потенциалдық тосқауыл негізгі заряд тасушылардың диффузиясына кедергі жасайды.

1.3-сурет. р-n өтпесінің түзілуі: р және n-түрлі жартылай өткізгіштер (а); р-n өтпесі (б); түйіспелік потенциалдық тосқауыл (в).

Бөгеттік қабатта негізгі заряд тасымалдаушылар (кемтіктер мен электрондар) болмағандықтан оның кедергісі өте үлкен болады. Бөгеттік қабаттың ені ондағы негізгі заряд тасымалдаушылардың концентрациясына байланысты: негізгі заряд тасымалдаушылардың концентарциясы артса, онда бөгеттік қабаттың ені азаяды және керсінше. Әдетте бөгеттік қабаттың ені 0,01...1 мкм шамасында болады.

Міне осындай ржәне n-түрлі екі жартылай өткізгіштің түйіспесін р-n өтпесі деп атайды.

Бақылау сұрақтары:

1. Электроника дамуының негізгі кезеңдерін атап беріңіз.

2. Жартылайөткізгіштік аспаптар пайда болғанға дейін қандай элементтерді қолданған?

3. Жартылайөткізгіштік элементтерді қолдану салаларын атап беріңіз.

4. Жартылайөткізгіштік аспаптар қандай элементтерден жасалынады?

5. Электр энергиясын түрлендіру қажеттілігі қандай жағдайларда туындайды?

6. Күштік жартылайөткізгіштік элементтерді өнеркәсіпте қолдану қандай артықшылық береді?

7. р-n өтпесінің түзілуін түсіндіріңіз.