ЖАРТЫЛАЙӨТКІЗГІШТЕР – меншікті электрөткізгіштігінің мәндері (σ) металдардың меншікті электрөткізгіштігі σ ~ 106 – 104 Ом–1 см–1 және жақсы диэлектриктердің меншікті электрөткізгіштігінің σ ~ 10–10 – 10–12 Ом–1 см-1 аралығындағы мәндермен сипатталатын кең алқапты алып жатқан заттар.
Жартылайөткізгіштердің металл өткізгіштерден айырмашылығы температура артқанда олардың электрөткізгіштігі және ол шама экспоненциалды түрде артады: σ = σ0ехр(-ࣟА/kT). (1). Мұндағы ࣟ А – өткізгіштіктің активтену энергиясы, σ0 – коэффициент (экспоненциалды өспейтін температураға тәуелді). (1) формула жартылайөткізгіштердің электрондары атомдармен, байланыс энергиясымен ࣟА біркелкі байланысқанын білдіреді. Температураның артуына байланысты жылулық қозғалыс электрондардың және олардың
Валенттік зона (ақ дөңгелектер
– кемтіктер) және өткізгіштік бөліктерінің байланысын үзе бастайды пропорзона (қара дөңгелектер – ционал ехр(-ࣟА/kT) зарядтың еркін тасушылары өткізгіштік электрондар); ࣟg – тыйым салынған зонаның ені; ࣟ болады. с – өткізгіштік зонаның асты; ࣟ Электрондардың байланысын тек жылулық
v – валенттік зонаның төбесі қозғалыс қана емес, әртүрлі сыртқы әсерлер де:
жарық, тез қозғалушы бөлшектер ағыны, күшті
электрлік өрістер де үзе алады. Сол себепті жартылайөткізгіштер үшін олардың электрөткізгіштігі сыртқы әсерлерге, сонымен қатар қоспалардың қосылуына да, кристалдардағы ақауларға да өте сезімтал болады. Жартылайөткізгіштердің өткізгіштігін температураны арттыруымен және қоспалар үстемелеу арқылы өзгерту мүмкіндігі бар.
(1) формула электрөткізгіштігі жоғары температурада елеулі болатын диэлектриктерге қатысты болады. Жартылайөткізгіштер мен диэлектриктердің айырмашылығы сапалы тұрғыға қарағанда сандық тұрғыда ғана болады. Дәлірек айтатын болсақ, жартылайөткізгіштерді ерекше топтамай-ақ, металл емес заттардың жартылайөткізгіштік күйі жайлы сөз етуге болады.
«Жартылайөткізгіштер» деген ғылыми атауды қасиеттері бөлме температурасында (300 К) ерекше болатын жартылайөткізгіштерге, мысалы, Ge және Si (германий мен кремний) элементтері жатады. Бұл элементтердің атомдары
4 валентті электрондардан алмас Әдетте негізгі материалға әдейі ендірілген электрон-
дар меншікті тасушылардан [кемтіктерден (А) және
типті ковалентті байланысты электрондардан (Б)] едәуір артық болады.
кристалдық торлар құраған. Алмас та жартылайөткізгіштік қасиетке ие, бірақ та оның ࣟА шамасы Ge мен Si-ге қарағанда едәуір үлкен, сол себепті оның өткізгіштігі аз.
Қатты денелерде атомдар немесе иондар бір-біріне атом радиусындай қашықтықта жақын орналасқандықтан, оларда бір атомның валенттік электрондары екінші атомға үздіксіз ауысатын болады. Егер атомдардың электрондық қабықшалары бір-бірін күшті бүркеп жабатын болса және электрондар атомдар арасында тез ауысатын болса, электрондардың осындай ауысулары коваленттік байланыстың пайда болуына әкеп соқтырады.
Осы жайт толықтай Ge және Si үшін ортақ. Германийдің барлық атомдары бейтарап және бір-
бірімен коваленттік байланыс- та болады. Бірақ та атомдар арасындағы электрондар алмасу тікелей электрөткізгіштікке әкеп соқтырмайды, себебі электрондық тығыздықтың
n-типті жартылай өткізгіште (А) электрондар
бүтіндей үлестірілуі қатаң түрде ток көзінің оң полюсіне тартылады. Электрон орныққан: жақын көршілес үлгінің теріс полюсінен шығып үлгінің оң полюсіне ағатындықтан біршама оң зарядты сақтайды. орналасқан атомдар жұбының р-типті (Б) жартылайөткізгіште әлгіге ұқсас жайт
арасындағы байланысқа 2 элек- байқалады, бірақ та мұнда оң кемтік ток көзінің теріс троннан бөлінген. Өткізгіштік полюсіне тартылады.
тудыру үшін ең болмағанда бір байланысты үзу қажет, ол үшін одан бір электронды ажыратып алып кристалдың басқа бір барлық байланысы толтырылған ұяға ауыстыру керек, осы электрон – а р т ы қ э л е к т р о н болады. Осындай электрон бұдан былай еркін түрде бір ұядан екінші ұяға ауысатын болады (бұл ұялардың барлығы әлгілер үшін эквивалентті болады), және де барлық жерде артық болып өзімен бірге а р т ы қ т е р і с з а р я д т ы тасымалдайды, яғни ө т к і з г і ш т і к э л е к т р о н болады. Үзілген байланыс кристалл бойынша а д а с қ а н к е м т і к болып шығады, күшті алмасу жағдайында көрші байланыстың электроны ажырап кеткен электронның орнына тез орналасатын болады. Бір байланыста электронның жетіспеуі атомда а р т ы қ (немесе атомдар жұбында) о ң б і р л і к з а р я д т ы ң болуын білдіреді, осы заряд кемтікпен бірге тасымалданады. Э л е к т р о н д а р және к е м т і к- т е р – жартылай өткізгіштердегі е р к і н з а р я д т а с у ш ы л а р болып табыла- ды. Иондық байланыс үзілген жағдайда электрондық қабықшаны толтыруы кем және электрондардың ауысуы азаятын болады. Осы жағдайда да өткізгіштік электрон және кемтік пайда болады, бірақ та иондық байланыстың үзілуі энергияны көп шығындауды қажет етеді.
Идеал кристалдарда байланысқан электрондарды қоздыру және оны өткізгіштік электронға айналдыру міндетті түрде кемтіктің пайда болуын тудырады, заряд тасушылардың екі түрінің шоғырлануы өзара теңеседі. Бұл жайт олардың электр
өткізгіштігі бірдей болады дегенді Екі әрқилы жартылай өткізгіш материалдарды білдірмейді, себебі ток тасығыштардың (р- және n-типті) қосқанда (тізбекке) ауысу
аймағы арқылы ток тасушылардың ығуын (электрондардың және кемтіктердің)
(дрейфін) тудырады. Бірнеше кемтік пен
жылжымалықтары әрқалай болады электрон әрбір материалдың жұқа қабаттары дегенді аңғартпауы керек. Нақтылы арқылы өтісімен олар негізгі үлгіге қарамақарсы зарядталатын болады – ток тасушылар
кристалдардағы электрондардың болмайтын қабат пайда болады. Осы құрылым және кемтіктердің шоғырларының жартылайөткізгіш диод ретінде әсер етеді. теңдігі қоспалардың және кристалдық торлардың ақауларының есебінен бұзылуы мүмкін. Жартылайөткізгіштердің электрөткізгіштігі берілген заттың өз атомдарының электрондарынан (өзіндік өткізгіштік), сондай-ақ қоспа атомдарының (қоспалық өткізгіштік) электрондарынан пайда болуы мүмкін. Ток тасушыларының көздері әрқилы кристалдық құрылымдардың ақаулары, мысалы вакансиялар, түйіндер аралық атомдар, сондайақ (технометриялық мөлшерлік қатынас туралы ілім) құрамның ауытқулары болады.
Қоспалар (кірмелер) мен кемтіктер донорларға және акцепторларға ажыратылады. Донорлар жартылайөткізгіштер көлеміне артық электрондарын береді және осылайша э л е к т р о н д ы қ ө т к і з г і ш т і к (n-типті) туады. Акцепторлар заттарға ендірілген (матрицаларға) валенттік электрондарды қармап қосып алады, осының нәтижесінде кемтіктер құрылып к е м т і к т і к ө т к і з г і ш- т і к (р-типті) пайда болады. Донорларға қоспалы атомдар Р (фосфор), Аs (мышьяк), Sb (сурьма), Ge (германий) және Si (кремний) жатады. Осындай атом кристалдық торға ене отырып, атомының бір ұясында Ge атомының орнын басады. Сол кезде оның 5 валенттік электрондарының 4-еуі көрші Ge атомдармен бірігіп ковалентті байланыс түзеді, ал 5-электрон берілген тор үшін «артық» болып шығады. Ешбір байланыспен оқшауланбай-ақ ол өткізгіштік электронға айналады. Сонымен қоспалы атом бір еселі оң зарядпен зарядталған және ол электронды өзіне тартады, осы жайт электрон мен қоспалы ионмен байланысқан (әлсіз) күй түзеді. Қоспаның маңындағы
электрон оқшауланған аймақтың
Егер бірге қосылған р- және n-типті
өлшемдері кристалдың қарапайым жартылай өткізгіштер ток көзіне оң полюсі ұясының аймағынан ондаған есе артық n-типті үлгіге (А) қосылған болса, онда ток тасушылардан бос шекаралық қабат
болады, ал қоспаның иондалу энер- ұлғаятын болады. Осы жағдайда аздаған ток гиясы аз (~0,01 эВ Германийде және өтеді. Бірақ, егер батареяның полюстерінің орындары ауыстырылатын болса, сонда ауысу 0,04 эВ – кремнийде), сондықтан 77 арқылы мол ток (Б) өтетін болады. К температурада көптеген қоспалар иондалған болады, яғни жартылайөткізгіштерде донорлық қоспаның шоғырлануын (концентрациясы) анықтайтын өткізгіштіктің шоғырлары пайда болады. Сонымен, белгілі бір қоспаларды ендіру (жартылайөткізгіштерді легирлеу) – әртүрлі қажетті қасиеті болатын эффектілі әдіс болып табылады.
Жартылайөткізгіштердегі заряд тасушылардың қозғалыс заңдары қатты денелердің зоналық теориясында тұжырымдалған. Жартылайөткізгіштердегі рұқсат етілген толтырылған жоғарғы зоналар в а л е н т т і к з о н а, ал толтырылмаған төменгі зоналардың ең төменгісі – ө т к і з г і ш т і к з о н а деп аталған. Валенттік зона мен өткізгіштік зона арасындағы энергетикалық саңылау ࣟg тыйым салынған зона деп аталған. Жылулық қозғалыс электрондардың бір бөлігін валенттілік зонадан өткізгіштік зонаға «лақтырады»; сөйтіп валенттік зонада кемтіктер пайда болады (сызбаға қараңыз). Электрондар мен кемтіктер әдетте валенттік зонаның өткізгіштік зонасының төменгі шетіне (түбіне) ࣟc-тің маңайына немесе жоғарғы шетіне (төбесіне) ࣟv-нің маңайына одан ~kТ қашықтықта жинақталады, бұл қашықтық рұқсат етілген зонаның енінен едәуір кіші болады.
Заттардың электрөткізгіштігі атом ядросының электрондарды қаншалықты берік ұстайтындығына байланысты. Көпшілік металдар жақсы өткізгіштер болып табылады, оның себебі әлгі металдарда атом ядросымен әлсіз байланысқан көптеген электрондар болады, бұларды оң зарядтар өзіне қарай оп-оңай тартады, ал теріс зарядтарды сыртқа қарай тебеді. Қозғалатын электрондар – электр тогын тудырушылар. Екінші жағынан оқшаулауыш заттар (изоляторлар), мысалы, резіңке ток өткізбейді, оның себебі резіңкенің электрондары атоммен берік байланысқан және ол сыртқы электр өрісінің әсеріне ұшырамайды (яғни «сезбейді»). Жартылайөткізгіштер таза күйінде резіңке секілді ток өткізбейді немесе токты нашар өткізеді немесе тіптен ток өткізбейді. Жартылайөткізгіштердің кристалдары торлар құрайды, бұлардың сыртқы электрондары химиялық табиғатты күштермен байланысқан. Атомдардың кристалдық торына өзге бір элементтің аздаған мөлшерлі атомдары қосылатын болса, оның тәртібі түбегейлі өзгеретін болады.
Кейбір жағдайларда қоспаның атомдары жартылайөткізгіштердің атомдарымен артық электрондар пайда болатындай байланыс түзеді, артық еркін электрондар жартылайөткізгіштерге теріс заряд беретін болады. Басқа жағдайда қоспа атомдары электрондарды жұтатын «кемтікті» тудырады. Осылайша электрондардың жетіспеушілігі тудырылады және жартылайөткізгіштер оң зарядталатын болады. Белгілі бір сәйкес жағдайда жартылайөткізгіштер электр тогын өткізе алатын болады. Жартылайөткізгіштердің металдардан айырмашылығы бұлар токты екі түрлі жағдайда өткізеді. Теріс
Транзистор (А, Б) бірге жалғастырылған
зарядталған жартылай өткізгіштер құрылым болып табылады. n-p-n артық электрондардан айырылуға құрылғысында (А,Б) электрондар n-типті эмиттерден ығысудың тура кернеуінің
әрекеттенеді: бұл өткізгіштік n-типті әсерінен р-типті базаға қарай ағатын болады. («negative – теріс» деген сөздің алғашқы Базаның тогы аз. Электрондардың көпшілігі екінші диод тудырған кері ығысу кернеуінің
әрпіне сәйкес) деп аталған. Жартылай әсерімен жұқа база арқылы өзге n-типті өткізгіштердегі осы типті заряд тасу- коллектор деп аталған аймаққа тартылады. Кемтіктің әлсіз тогы осылайша базадан
шылар электрондар болады. Екінші эмиттерге қарай электрондардың мол ағынын жағынан, оң зарядталған жартылай бағыттайды. Ток, кернеу күшейетін болады.
өткізгіштер электрондарды өзіне тартып кемтіктерді толтырады. Кемтікті толтырған әлгі көршілес электронның орны босап қалатындықтан тағы бір «кемтік» пайда болады. Осылайша кемтіктер оң зарядты ағын тудырады, бұл ағын электронның қозғалу бағытына қарама-қарсы ағады. Осы өткізгіштік р-типті («positive – оң» деген сөздің алғашқы әрпіне сәйкес) деп аталған. Жартылайөткізгіштердегі екі типті негізгі емес заряд тасушылар (электрондар р-типті жартылайөткізгіштерде және кемтіктер n-типті жартылайөткізгіштерде) негізгі заряд тасушылардың бағытына қарама-қарсы бағытта токты қолдайтын болады.
Жартылайөткізгіштерде сыртқы электр өрісі түсірілген кезде заряд тасушылардың бағытталған қозғалысы (ығуы) пайда болады, осыдан электр тогы туады. Заряд тасушыларға перпендикуляр сыртқы магнит өрісі ықпал еткенде электр өрісінде ығып жүрген әлгі заряд тасушылар Лоренц күшінің ықпалымен көлденең бағытқа ауытқиды. Осы жайттан Холл эффектісі және басқа гальванимагниттік құбылыстардың тууына әкеп соғады.
Жартылайөткізгіштердің металдармен жанасуынан кейде ток түзеткіштік қасиет пайда болады, яғни токты бір бағытта өткізетін болады. Бұл құбылыс заряд тасушылардың шоғырларының өзгеруіне немесе типінің жанасу аймағына жақын аралықта өзгеруіне және жанаспалық потенциалдар айырымының пайда болуына байланысты туады. Жанаспаға түсірілген кернеу оның таңбасына тәуелді заряд тасушылардың санын көбейтеді немесе азайтады, сол себепті жанаспаның кедергісі тура және кері бағыттарда әрқилы болады. Күшті электр өрісінде (~100 – 1000 В/см) заряд тасушылардың энергиялар бойынша үлестірілуінің өзгеруі мүмкін. Бұл заряд тасушылардың орташа энергиясының (қыздырылуына) артуына әкеп соғады. Заряд тасушылардың қыздырылуы Ом заңынан ауытқуды тудырады. Электр өрісі валенттік электронды өткізгіштік зонаға тікелей «лақтыра» алады, яғни электрондық-кемтіктік жұпты шығарады (таратады). Осы эффект электронды сыртқы өрістің ықпалымен тыйым салынған зона арқылы «сіңірумен» байла- нысты. Бұл эффект әдетте тек өте күшті өрістерде ғана байқалады. Кей жағдайларда күшті өрістер туннельдік эффектісі кейбір аспаптардың (туннельдік диод) сипаттамаларын анықтайды.
Жартылайөткізгіштер заттардың ерекше типі ретінде ХІХ ғасырдың соңынан бастап белгілі болғанымен, тек қатты денелердің кванттық теориясының дамуына байланысты оның ерекшеліктері айқындала бастады (1931 жылы, Уилсон, АҚШ). Ол кезге дейін металл-жартылайөткізгіштер жанаспасы бойынша токты түзету эффектісі-фотоөткізгіштік ашылған және жартылайөткізгіштер негізінде алғашқы аспаптар жасалған болатын. 1923 жылы кеңес физигі О.Лосев жартылайөткізгіштер-металл жанаспасын тербелістерді күшейтуге және өндіруге арналған кристалдық детекторда пайдалану мүмкіндігін дәлелдеген. Осыдан кейінгі жылдары кристалдық детекторларды электронды шамдар ығыстырған-ды. 1948 жылы американ физиктері Джон Бардин (1908 – 1991), Уолтер Браттейн (1902 – 1987), Уильям Шокли (1910–1989) транзистор жасаған. Сол жылдардан бастап жартылайөткізгіштер (Ge және Si-германий және кремний) кеңінен пайдаланыла бастады. Жартылайөткізгіштердегі еріксіз сәуле шығаруы ашылған соң жартылайөткізгіштердің оптикалық қасиеттерінің болатыны ашылды. Бұл жайт жартылай өткізгіштік р – n ауысулы лазерлер жасауға (Р.Холл, АҚШ және Б.Бул, А.Шатов) әкелді. Сонан соң Жорес Алферов (1930 жылы туған) гетероауысулар негізінде лазер жасады).
Жартылайөткізгіштердің транзисторлар жасауда кең пайдаланылуына олардың дұрыс кристалдық торларының өте әлсіз дәрежеде бұзылуы себеп болған. Транзистор дайындау кезінде негізгі элемент – кремнийге немесе германийге – жасанды түрде аздаған мөлшерде қоспалық элемент ендіріледі. Негізгі элементтің атомдарымен салыстырғанда қоспалық атомдардың электрондары көп немесе, керісінше аз болады. Нәтижесінде электрондар артық немесе жетіспейтін жағдай туады (электрондардың жоқтығы «кемтік» деп аталған). Артық электрондардың немесе кемтіктердің қозғалысы материалға ерекше электрлік қасиет береді. Егер жартылайөткізгіште электрондар артық болса, онда оның ток тасушылары теріс зарядталған, ал жартылайөткізгіштің өзі n-типке жатады. Егер де онда оң зарядталған ток тасушылар болып табылатын кемтіктер көп болса, онда жартылайөткізгіш р-типке жатпақ.
Компенсацияланған жартылайөткізгіш – құрамында донорлар мен акцепторлар болатын жартылайөткізгіш.
Айныған жартылайөткізгіш – ток тасушылары көп шоғырланған жартылайөткізгіш.
Магниттік жартылайөткізгіш – төменгі температуралар кезінде құрамына реттелген магниттік құрылым түзетін ауыспалы немесе сирек кездесетін элементтер енетін жартылайөткізгіш материал.
Қоспалы жартылайөткізгіш – жасанды түрде қоспалар енгізілген жартылайөткізгіш.
Өздік жартылайөткізгіш – химиялық таза жартылайөткізгіш.
n-типті жартылайөткізгіш – электрондық өткізгіштігі болатын
жартылайөткізгіш.
р-типті жартылайөткізгіш – кемтіктік өткізгіштігі болатын жартылайөткізгіш.