Меншікті электр өткізгіштік

Шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі

Шала өткізгіштер – қалыпты температурадағы меншікті электр кедергісі r = 10^-3 ¸ 10⁹ Ом∙см болатын заттар, өткізгіштерде бұл сипаттама r < 10^-3 ¸ 10^-6 Ом∙см арасында, ал диэлектриктерде r > 10⁹¸10¹⁸ Ом∙см.

Шала өткізгіштерге элементтердің периодтық кестесінің төртінші тобындағы элементтер, интерметалдық қоспалар, тотықтар, сульфидтер, карбидтер жатады.

Шала өткізгіштердің металлдардан негізгі айырмашылықтары:

а) таза шала өткізгіштердің электр кедергісі температураға тәуелдігі жоғары болып келеді. Олардағы кедергінің температуралық еселігі КТЕ = − (5¸6) % / ºС, металдарда КТЕ = (0,4 ¸ 0,6) % / ºС;

б) шала өткізгішке қоспа қосылса оның меншікті кедергісі азаяды. Мысалы, германийге 10^-5 % мышьякты қосу оның кедергісін 200 есе азайтады, ал қорытпалардың кедергісі қорытпа құрамына кіретін жеке металлдардың кедергісінен әрқашан үлкен болады.

Д.И. Менделеев кестесіндегі төртінші топ элементтерінің құрылымы үнемі тетраэдрикалық тормен болады. Әрбір атомның валенттік төрт электроны көршілес атомның электрондарымен коваленттік (жұптық) байланыста болады. 1.1-суретте осы құрылымның жазық эквиваленті келтірілген.

Мұнда қос сызықпен кристаллдық тордағы көршілес атомдардың арасындағы байланыстар көрсетілген, үлкен дөңгелектермен төрт валентті атомдар, ал кіші дөңгелектермен – электрондар белгіленген.

Шала өткізгіште бір текті құрылым тек температура Т = 0 К кезінде болады. Қыздырған кезде байланыстардың бір бөлігі тор атомдарының жылулық тербелістерінің әсерінен бұзылуы мүмкін және бос электрондар немесе ток тасымалдаушылар пайда болады.

Әрбір кетіп қалған электрон толықтырылмаған байланыс қалдырады, оны екінші бір келген электрон толтыра алады, ал оның орнын – үшінші, яғни толықтырылмаған байланыстардың электрон қозғалысына қарама-қарсы бағытта ығысуы жүреді. Бұл толықтырылмаған байланыс немесе электронның босаған орны кемтік деп аталады.

Энергияның таза және бір текті меншікті шала өткізгішке әсер етуі кезінде бос электрондар мен кемтіктер жұпталып түзіледі және меншікті өткізгіштік i (intrinsic) электрондық (n) және кемтіктіктің (p) қосындысына тең болады.

i = n + p, мұнда n = p.

Бос электрондар мен кемтіктер саны параллель жүретін процестердің – генерация және рекомбинацияның динамикалық тепе-теңдігімен анықталады.

Генерация – заряд тасымалдаушылардың бос жұбының пайда болу процесі (мысалы, жылудың әсерінен болса – термогенерация), рекомбинация – босаған деңгейді (кемтіктер) электронмен толтыру кезінде тасымалдаушылар жұбының жойылуы.

Генерация және рекомбинация актілерінің орташа саны тұрақты температурадағы уақыт бірлігінде бірдей, сондықтан берілген температурада кристаллдағы электрондар мен кемтіктердің орташа саны белгілі. Бұл жағдайда кристалл толғымен электрлік бейтарап күйде болады.

Таза шала өткізгіштерде заряд тасымалдаушылардың – бос электрондар мен кемтіктердің салыстырмалы үлесі – негізінде температураға және рұқсат етілмеген аймақтың еніне тәуелді. Мысалы, кремнийде Е_З = 1,2 эВ, бұл кездегі меншікті кедергі r = 60 кОм∙см, германийде Е_З = 0,75 эВ, ал r = 50 Ом∙см.