Жартылай өткізгіштердің қоспалы өткізгіштігі

Төрт валентті жартылай өткізгішке ( немесе ) бес валентті қоспа ( , , ) атомын енгізейік. Қоспа атомының бір электронына валенттік байланыс жасауға негізгі атом электроны жетіспейді, сондықтан бұл электронның активизация энергиясы (электронның атомнан бөлініп шығуына қажетті энергия) өте аз, шамамен @ 0,01эВ. Температура ~10²К болғанның өзінде қоспа атомдарындағы (оларды донорлар деп атайды) электрондар ұшып шығып, еркін электрондарға айналады, қоспа атомы оң ионға айналады. ( 4.7а-сурет). Бұл энергетикалық диаграммада қоспалық деңгей ( )-дан тиым салынған зонаға жақын орналасқан өткізгіштік зонаға ( )-нің түбіне жақын жерге электронның өтуі көрсетілген ( 4.7б-сурет). Осы жағдайда валенттік зонада еркін электрондардың орнында кемтік пайда болмайды. Өткізгіштік бір типта заряд тасушылар арқылы болады, ол жартылай өткізгіштік өткізгіштігі электрондық немесе n-типті өткізгіштік деп аталады.

Электрондық өткізгіштіктегі -тің орналасуы мына теңдеумен анықталады:

, (4.25)

мұндағы - донорлық қоспа концентрациясы, -өткізгіштік зонадағы күйлер тығыздығы. (4.25) теңдеуден температурада -тің және зоналарының тең ортасында орналасатыны көрініп тұр. артқанда жартылай өткізгіштерде екі процесс өтеді: өткізгіштік зонадағы электрондар концентрациясы артады да, қоспалар атомдарының иондануы нәтижесінде күйлер саны артады: (1.7.2 қара, ). Егер қарағанда жылдам артады, ендеше электрондар концентрациясы -ге тең болғанға дейін арта береді. Ары қарай, артқанда электрондар концентрациясы өткізгіштік зонадағы күйлер тығыздығынан қала бастайды (логарифм теріс таңбалы болады) және төмен түседі (4.8-сурет).

Қоспаның барлық атомдары иондалған кезде өткізгіштік зонадағы электрондар концентрациясы қоспа атомдары концентрациясына тең болады:

; (4.26)

болған кезде қоспалық деңгей -ден төмен жатады, себебі қоспа атомдарының 50% иондалғанда -ге тең болады. - қоспаның барлық атомдары иондалатын температура. Температура ары қарай өскен сайын, жартылай өткізгіштегі негізгі атомдар арасындағы байланыстың үзілу ықтималдылығы арта береді. Ол электронның валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өтуіне сәйкес келеді. Негізгі атомдар концентрациясы қоспа атомдары концентрациясынан - есе көп, бұл процесс қарқынды өткен сайын өткізгіштік зонадағы электрондар саны артады, ендеше валенттік зонадағы кемтіктер саны да артады, Ферми деңгейі төмендейді. болған кезде , мұндағы , тиым салынған зона ортасына жақын орналасады (4.8-сурет), жартылай өткізгіш «меншікті дерлік» болады, она компенсирленген деп атайды. Мысалы, үшін , , эВ, К, (177 ^оС).

Егер, жартылай өткізгішке қоспа ретінде үш валентті элемент ( , , ) атомын енгізсек, онда ол акцепторлық қоспа деп аталады, акцепторлық қоспаның жартылай өткізгіш атомдарымен толық байланысқа түсу үшін бір электроны жетіспейді. Бұл кемтік емес, оның заряды жоқ (қоспа атомы бейтарап). Кемтік пайда болу үшін негізгі атомдар арасындағы валенттік байланыс үзілуі керек; егер еркін электрон ваканттық орынға орын ауыстырса, оның орнында кемтік қалады, электрон еркін бола алмайды (4.9 а-сурет). 4.9.б-суреттегі энергетикалық диаграммада валенттік зонада пайда болған кемтік валенттік зонадағы электронның валенттік зонаның төбесіне жақын орналасқан акцепторлық деңгейге ауысуынан пайда болады ( күрт артады эВ). Осылай кемтіктік өткізгіштік немесе -типті өткізгіштік пайда болады.

4.9 –сурет -типті өткізгіштің пайда болуы: а) нақты процесс; б) осы процестің энергетикалық диаграммасы; үзік сызықтар – температура артқан кездегі -тің шамамен артуы

Кемтіктік жартылай өткізгіштегі температура артқан кезде жүретін процестер толығымен -типті жартылай өткізгіштегіге ұқсайды:

Тәуелділік тура сондағы сияқты (4.9 б-суретті қара), 4.25 және 4.26 теңдеулер де бірдей, тек , , шамаларын ауыстыру керек, мұндағы –акцепторлық қоспаның концентрациясы, – валенттік зона күйлерінің тығыздығы.

Кемтіктік өткізгіштіктің пайда болу механизмі кемтіктердің қозғалғыштығының электрондар қозғалғыштығынан әрқашан да неліктен кіші болатының түсіндіреді: кемтіктер орны ауыстыру үшін екі процесс керек – негізгі атомдар арасындағы байланыстың үзілуі және акцептордың валенттік зонасындағы вакансияға еркін электронның орналасуы.

Температура өскен сайын заряд тасушылар концентрациясының өзгеруін сипаттайтын жоғарыда қарастырылған процестерді қоспалы жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігінің температураға кері байланыстылығын көрсету арқылы жақсы түсінуге болады (4.10-сурет). Төменгі температураларда (1 бөлік) қоспа атомдарының иондалуы өтеді, -бұрыштық коэффициент, қоспа атомдарының активизация энергиясын сипаттайды: ( ) донорлар үшін және ( ) акцепторлар үшін. 2 бөліктегі барлық қоспа атомдары иондалған, бірақ әлі «зонадан-зонаға» өту үрдісі басталған жоқ. Осы бөліктегі кемуі заряд тасушылар (электрондар мен кемтіктер) қозғалғыштығының температура артқан кезде кемуіне байланысты. Үшінші бөлікте электрондардың валенттік зонадан өткізгіштік зонаға қарқынды түрде өту процесі болады, - бұрыштық коэффициент, ол тиым салынған зонаның енін анықтайды.