რა არის შინაგანი ნახევარგამტარი და გარეგანი ნახევარგამტარი – ენერგიის ზოლი და დოპინგი?

ნახევარგამტარი, როგორც სახელი გვთავაზობს არის ერთგვარი მასალა, რომელიც აჩვენებს როგორც გამტარების, ასევე იზოლატორების თვისებებს. ნახევარგამტარული მასალა მოითხოვს ძაბვის ან სითბოს გარკვეულ დონეს, რათა გაათავისუფლოს მისი მატარებლები გამტარობისათვის. ეს ნახევარგამტარები კლასიფიცირდება როგორც "შინაგანი" და "გარეგანი" მატარებლების რაოდენობის მიხედვით. შინაგანი მატარებელი არის ნახევარგამტარის ყველაზე სუფთა ფორმა და თანაბარი რაოდენობის ელექტრონები (უარყოფითი მუხტის მატარებლები) და ხვრელები (დადებითი მუხტის მატარებლები). ყველაზე ღრმად გამოყენებული ნახევარგამტარული მასალებია სილიციუმი (Si), გერმანიუმი (Ge) და გალიუმის არსენიდი (GaAs). მოდით შევისწავლოთ ამ ტიპის ნახევარგამტარების მახასიათებლები და ქცევა. რა არის შინაგანი ნახევარგამტარი? შინაგანი ნახევარგამტარი შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ქიმიურად სუფთა მასალა, დოპინგისა და მინარევების გარეშე. ყველაზე ხშირად ცნობილი შიდა ან სუფთა ნახევარგამტარებია სილიციუმი (Si) და გერმანიუმი (Ge). ნახევარგამტარების ქცევა გარკვეული ძაბვის გამოყენებისას დამოკიდებულია მის ატომურ სტრუქტურაზე. ორივე სილიკონის და გერმანიუმის გარე გარსს აქვს ოთხი ელექტრონი. ერთმანეთის სტაბილიზაციისთვის ახლომდებარე ატომები ქმნიან კოვალენტურ კავშირებს ვალენტური ელექტრონების გაზიარების საფუძველზე. სილიკონის კრისტალური მედის სტრუქტურაში ეს კავშირი ილუსტრირებულია ფიგურაში 1. აქ ჩანს, რომ ორი Si ატომის ვალენტური ელექტრონები წყვილდება კოვალენტური ბმის შესაქმნელად. ნახაზი 1. სილიციუმის ატომის კოვალენტური კავშირი ყველა კოვალენტური ობლიგაცია სტაბილურია და გამტარობისათვის არ არის ხელმისაწვდომი მატარებლები. აქ შინაგანი ნახევარგამტარი იქცევა როგორც იზოლატორი ან არაგამტარი. ახლა, თუ გარემოს ტემპერატურა მიუახლოვდება ოთახის ტემპერატურას, კოვალენტური ბმები დაიწყებენ რღვევას. ამრიგად, ვალენტური გარსის ელექტრონები იხსნება მონაწილეობის მისაღებად. რაც უფრო მეტი მატარებელი იხსნება გამტარობისთვის, ნახევარგამტარი იწყებს იქცევა როგორც გამტარი მასალა. ქვემოთ მოცემული ენერგეტიკული დიაგრამა განმარტავს მატარებლების ამ გადასვლას ვალენტობის ზოლიდან გამტარუნარიანობაზე. ენერგიის ზოლის დიაგრამა ფიგურა 2 (ა) -ში ნაჩვენები ენერგეტიკული ზოლების დიაგრამა ასახავს ორ დონეს, გამტარუნარიანობას და ვალენციის ბენდს. ორ ზოლს შორის სივრცეს ეწოდება აკრძალული უფსკრული სურათი 2 (ა). ენერგიის ზოლების დიაგრამა ფიგურა სურათი 2 (ბ). გამტარობა და ვალენტობის დიაპაზონის ელექტრონები ნახევარგამტარში როდესაც ნახევარგამტარული მასალა ექვემდებარება სითბოს ან გამოყენებული ძაბვას, კოვალენტური ბმებიდან რამდენიმე იშლება, რაც წარმოქმნის თავისუფალ ელექტრონებს, როგორც ნაჩვენებია 2 (ბ) სურათზე. ეს თავისუფალი ელექტრონები აღელვებულნი არიან და იძენენ ენერგიას, რომ გადალახონ აკრძალული უფსკრული და შევიდნენ გამტარობის ზონაში ვალენტობის ზოლიდან. როდესაც ელექტრონი ტოვებს ვალენტურობის ზოლს, ის ტოვებს ხვრელს ვალენტურობის ზოლში. შინაგან ნახევარგამტარში ყოველთვის იქმნება თანაბარი რაოდენობის ელექტრონები და ხვრელები და, შესაბამისად, ის ავლენს ელექტრულ ნეიტრალიტეტს. ორივე ელექტრონები და ხვრელები პასუხისმგებელნი არიან დენის გამტარობაზე შინაგან ნახევარგამტარში. რა არის გარეგანი ნახევარგამტარი? გარეგანი ნახევარგამტარი განისაზღვრება, როგორც მასალა, რომელსაც აქვს დამატებითი მინარევები ან დოპირებული ნახევარგამტარი. დოპინგი არის მინარევების მიზანმიმართული დამატების პროცესი მატარებლების რაოდენობის გაზრდის მიზნით. გამოყენებული მინარევების ელემენტებს უწოდებენ დოპანტებს. ვინაიდან ელექტრონებისა და ხვრელების რაოდენობა უფრო დიდია გარე გამტარებში, ის უფრო მეტ გამტარობას ავლენს, ვიდრე შინაგანი ნახევარგამტარები. გამოყენებული დოპანტების მიხედვით, გარეგანი ნახევარგამტარები შემდგომში კლასიფიცირდება როგორც "N-ტიპის ნახევარგამტარები" და "P-ტიპის ნახევარგამტარები". ხუთვალენტურ ელემენტებს ასე უწოდებენ, რადგან მათ აქვთ 5 ელექტრონი თავიანთ ვალენტურ გარსში. ხუთვალენტიანი მინარევების მაგალითებია ფოსფორი (P), დარიშხანი (როგორც), ანტიმონი (Sb). როგორც მე -3 ფიგურაში არის ნაჩვენები, დოპანტური ატომი აყალიბებს კოვალენტურ კავშირებს მისი ვალენტობის ოთხი ელექტრონის გაზიარებით სილიციუმის ოთხ მეზობელ ატომთან. მეხუთე ელექტრონი თავისუფლად არის მიბმული დოპანტის ატომის ბირთვთან. ძალიან ნაკლები იონიზაციის ენერგიაა საჭირო მეხუთე ელექტრონის გასათავისუფლებლად ისე, რომ ის დატოვოს ვალენტობის ზოლი და შევიდეს გამტარობის ზოლში. ხუთვალენტიანი მინარევები ანიჭებს დამატებით ელექტრონს მედის სტრუქტურას და ამიტომ მას უწოდებენ დონორის მინარევებს.სურათი 3. N ტიპის ნახევარგამტარი დონორის მინარევებით P ტიპის ნახევარგამტარები: P ტიპის ნახევარგამტარები დოპინგდება სამვალენტიანი ნახევარგამტარებით. სამვალენტიან მინარევებს აქვთ 3 ელექტრონი თავიანთ ვალენტურ გარსში. სამვალენტიანი მინარევების მაგალითებია ბორი (B), გალიუმი (G), ინდიუმი (In), ალუმინი (Al). როგორც მე -4 ფიგურაში არის ნაჩვენები, დამხობილი ატომი აყალიბებს კოვალენტურ კავშირებს სილიციუმის მხოლოდ სამი მეზობელი ატომით და სილიციუმის მეოთხე ატომთან კავშირში წარმოიქმნება ხვრელი ან ვაკანსია. ხვრელი მოქმედებს როგორც პოზიტიური მატარებელი ან სივრცე ელექტრონის დასაკავებლად. ამრიგად, სამმაგი უწმინდურებამ გამოიწვია პოზიტიური ვაკანსია ან ხვრელი, რომელსაც შეუძლია ადვილად მიიღოს ელექტრონები და, შესაბამისად, მას ეწოდება მიმღების უწმინდურება.  სურათი 4. P-ტიპის ნახევარგამტარი მიმღები მინარევებით მატარებლის კონცენტრაცია შიდა ნახევარგამტარში შინაგანი მატარებლის კონცენტრაცია განისაზღვრება, როგორც ელექტრონების რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე გამტარობის ზოლში ან ხვრელების რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე ვალენტურ ზოლში. გამოყენებული ძაბვის გამო, ელექტრონი ტოვებს ვალენტობის ზოლს და ქმნის მის პოზიტიურ ხვრელს. ეს ელექტრონი შემდგომში შედის გამტარ ჯგუფში და მონაწილეობს დენის გამტარობაში. შიდა ნახევარგამტარში, გამტარობის ზოლში წარმოქმნილი ელექტრონები ტოლია ვალენტურობის ზოლში ხვრელების რაოდენობას. ამიტომ ელექტრონის კონცენტრაცია (n) უდრის ხვრელის კონცენტრაციას (p) შინაგან ნახევარგამტარში. შიდა გადამზიდავი კონცენტრაცია შეიძლება მივიღოთ შემდეგნაირად: n_i = n = p სად, n_i: შინაგანი გადამზიდავის კონცენტრაცია n: ელექტრო გადამზიდავი კონცენტრაცია p: ხვრელი -გადამზიდავი კონცენტრაცია შინაგანი ნახევარგამტარის გამტარობა როგორც შინაგანი ნახევარგამტარი ექვემდებარება სითბოს ან გამოყენებულ ძაბვას, ელექტრონები გადადიან ვალენტური ბენდიდან გამტარ ზოლში და ტოვებენ პოზიტიურ ხვრელს ან ვაკანსიას ვალენტობის ზოლში. ისევ ეს ხვრელები ივსება სხვა ელექტრონებით, რადგან უფრო კოვალენტური ობლიგაციები იშლება. ამრიგად, ელექტრონები და ხვრელები მოძრაობენ საპირისპირო მიმართულებით და შინაგანი ნახევარგამტარი იწყებს გამტარობას. გამტარობა იზრდება მაშინ, როდესაც რამოდენიმე კოვალენტური ობლიგაცია იშლება, რაც უფრო მეტ ელექტრონს წარმოქმნის ხვრელებს გამტარობისათვის. შინაგანი ნახევარგამტარის გამტარობა გამოიხატება მუხტის მატარებლების მობილურობითა და კონცენტრაციით. შინაგანი ნახევარგამტარის გამტარობის გამოხატულება მოცემულია როგორც:σ_i=n_i e(μ_e+μ_h) სადაც σ_i: შინაგანი გამტარობა. ნახევარგამტარი n_i: შინაგანი გადამზიდავი კონცენტრაცია μ_e: ელექტრონების მობილურობა μ_h: ხვრელების მობილურობა

დატოვე შეტყობინება 

შეტყობინება სია