Жарым өткөргүчтөр

Киришүү

Баардык заттар электр тогун өткөрүмдүүлүгүнө жараша өткөргүчтөр, диэлектриктер жана жарым өткөргүчтөр болуп бөлүнүшөт.Жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгү температурага көз каранды болуп, температура төмөндөсө, өткөрүмдүүлүгү азаят, жогорулаганда көбөйөт.

Жарым өткөргүчтөрдөгү өздүк өткөрүмдүүлүк жана кошулмалуу өткөрүмдүүлүк деген түшүнүк киргизебиз. Өздүк өткөрүмдүүлүк аралашмасы болбогон, таза жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгү аталат.

Кошулмалуу өткөрүмдүүлүк жарым өткөргүчтүн касиетине жана анын өткөрүмдүүлүк мүнөзүнө аралашма чоң таасир тийгизет. Демейде, жарым өткөргүчтөрдө көп аралашмалар болушат. Бирок, ошолордун ичинен негизги ролду ойногон бирөө табылат да ошол негизгиси б.а. таза эмес кошулмалары бар жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгүн айтабыз. Биз бул бөлүмдө жарым өткөргүчтөрдүн касиетин, транзисторлор, p –n өтүүсү жана колдонулуштары жөнүндө сөз кылабыз.

Донордук жана акцептордук түшүнүктөрү, дегеле жарым өткөргүчтөрдүн өткөргүчтөрдөн негизги кандай айырмачылыктары жана көз карандылыктары жөнүндө маалымат менен таанышалы.

§ 1. Жарым өткөргүчтөгү токтун табияты

Жарым өткөргүчтөр – электр өткөргүчтүгү металлдыкынан аз, диэлектриктикинен көп заттар. Жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгү температурага көз каранды жана электрондор атомдор менен байланышкан.

Металлдардын көлөмүндө сандагы эркин электрондор болот. Ал эми жарым өткөргүчтөрдүн көлөмүндө сандагы эле эркин электрондор болот, б.а. жарым өткөргүчтөрдө эркин электрондордун саны өткөргүчтөрдөгүдөн бир нече миллионго аз. Ошондуктан алар жарым –жартылай өткөргүч болуп эсептелет.

Температура төмөндөгөндө жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгү азаят. Температура жогорулаган сайын жылуулук кыймылынын эсебинен байланыштар үзүлүп, электрондор бош зарядка ээ болот Температуранын көтөрүлүшү менен кристаллдык торчонун жылуулук термелүүлөрү валенттүү электрондорго бериле баштайт. Натыйжада алардын кээ бирлери коваленттик байланыштан чыгып эркин электрондорго айланышат. Электрондон бошонгон клваленттик орбита – бош орун заттагы ар кандай башка электрон менен толтурулушу мүмкүн. Бул бош орун оң зарядды алып жүрүүчү катары каралат да, көңдөйчө деп аталат. Сырткы электр талаасынын таасиринен электрондор жана көңдөйчөлөр бири бирине карама –каршы кыймылга келүү менен электр тогун пайда кыла башташат.

Электр талаасынын таасири астындагы эркин электрондордун бир багыттагы, ал эми көңдөйчөлөрдүн карама –каршы багыттагы ирээттүү кыймылынан жарым өткөргүчтөрдө электр тогу пайда болот.

Демек, жарым өткөргүчтөр дүүлүккөн кезде гана электр тогун өткөзө алат. Электрондордун байланышы жылуулук энергиясынан башка дагы тышкы күчтөрдүн энергиясынан бузулушу мүмкүн. Мисалы: жарык, күчтүү электр талаасы, жогорку энергиялуу бөлүкчөлөрдүн агымы ж.б.

Жарыктын таасири астында каршылыгын өзгөрткөн жарым өткөргүчтөр фотокаршылыктар деп аталышат. Фотокаршылыктарда жарыктын таасири астында эркин электрондор кескин көбөйөт да андагы ток күчү жана каршылыгы өзгөрөт. Ошондуктан жарым өткөргүчтөрдү ысытуудан каршылыгын аябай өзгөртүүчү түзүлүштөрдө, ысытуу менен анын каршылыгын кескин азайтып, токту кескин чоңойтот. Жарым өткөргүчтөрдүн электр өткөрүмдүүлүгү айлана – чөйрөнүн таасирине жана кошулма атомдорго, кристаллдардын кемчиликтерине өтө сезгич болот.

Классикалык жарым өткөргүчтөргө мезгилдүү таблицанын IV тобундагы германий (Ge) жана кремний (Si) элементтери кирет. Бүгүнкү күндө эң кеңири таралган жана касиеттери толук изилденип үйрөнүлгөн жарым өткөргүчтөр болуп, германий менен кремний эсептелинет.Бул кристаллдык заттардын атомдору мейкиндикте алмаздын кристаллдык торчолоруна окшогон өтө белгилүү тактыкта жайланышкан. Алмаз өзү да жарым өткөргүчтөр касиетине ээ. Германий жана кремний бул элементтердин атомдору 4 валенттүү электрондор менен коваленттик байланыштагы кристаллдык алмаз торчолорун түзөт. Кристаллдык торчону түзгөн эки атомго 8 электрондор туура келет.Демек, баардык заттар электр тогун өткөрүмдүүлүгүнө жараша өткөргүчтөр, диэлектриктер жана жарым өткөргүчтөр болуп бөлүнөрүн билдик. Өткөргүчтөр эң жогорку, диэлектриктер болсо эң төмөнкү электр өткөрүмдүүлүккө ээ. Ал эми жарым өткөргүчтөр болсо, өткөргүчтөр менен диэлектриктердин ортосундагы абалга ээ болушат. Жарым өткөргүчтөрдө кошумча энергиянын булагынын кереги жок, жөн гана донордук же акцептордук кошулманы пайдалануу менен ишке ашат.

Жарым өткөргүчтүү аспаптарды түзүүдө көбүнчө температурага жараша заряд алып жүрүүчүлөрүнүн саны өзгөрө турган өздүк өткөрүмдүүлүктөгү жарым өткөргүчтөр колдонулбастан, n жана p тибиндеги өткөрүмдүүлүктөрү бар кошулмалуу жарым өткөргүчтөр колдонулат.

§ 2. p –n тибиндеги жарым өткөргүчтөр

n-тибиндеги жарым өткөргүчтөр. Өздүк өткөрүмдүүлүктүү жарым өткөргүчтөркө беш валенттүү сурма (Sb) кошулса, анда төрт валенттүү жарым өткөргүч германий кош электрондук байланыш түзөт да, ,электрондордун концентрациясы б.а. бир электрон ашыкча болуп калат. Ал электрон өткөрүмдүү, эркин электронго айланат жана мындай жарым өткөргүчтүн кошулмасында токтун негизги алып жүрүүчүсү терс заряддалган, коваленттик байланышка кирбей, ашып калган электрон болгондуктан n- тибиндеги ( негатив, терс деген сөздөн) жарым өткөргүч деп аталат же донордук электронун берүүчү деп аталат.

p-тибиндеги жарым өткөргүчтөр. Өздүк өткөрүмдүүлүктүү жарым өткөргүчкө үч валенттүү акцептордук кошулманы, мисалы: индий ( ) кошулса коваленттик байланышка эми электрон жетпей калат да, көңдөйчө ашыкча болуп калат. Жарым өткөргүчтөрдүн мындай тиби p – тибиндеги (позитив,р) жарым өткөргүч деп же акцептордук –кошуп алуучу деп аталат. Себеби бул аралашмада электрон жетишпейт, ошондуктан ал кошуп алууга даяр деген мааниде.

Ошентип, кошулмалуу же аралашмалуу жарым өткөргүчтөр: n- тибиндеги, заряддын негизги алып жүрүүчүлөрү электрондор болушкан жана p – тибиндеги көңдөйчөлөр болушат.

Бири p – тибиндеги, ал эми экинчиси n- тибиндеги электр өткөрүмдүүлүккө ээ болгон жарым өткөргүчтөрдүн областтарынын ортосундагы электрдик өтүү электрондук –көңдөйчөлүү же p –n өтүүсү деп аталат. p –n өтүүсүн алуунун бир нече технологиялары бар.

Түзөтүүчү диоддордун – негизги арналышы, өзгөрмө электр тогун турактуу токко өзгөртүү, б.а. түзөтүү болуп саналат. Биринчи түзөтүүчү диод германийден жасалган. Азыркы күндөгү эң таза кремнийди алуу технологиясы аны көбүнчө кремнийден жасоого мүмкүндүк берди. Түзөтүүчү диод p–n өтүүгө ээ болгон жарым өткөргүчтөрдүн кристаллынан турат. Ал металл же пластмасса тулкусуна салынат да, p –n областтарынан чыккан туташтыруучу учтары болот. Түзөтүүчү диоддун негизги касиеттери p –n өтүүсүнүн касиеттери менен аныкталат.Башкача айтканда p –n өтүүсүнүн касиети өзгөрмө токту түзөтүү үчүн түзөткүчтөрдө пайдаланылат.

§ 3. Эки уюлдуу жана бир уюлдуу транзисторлор

Эки уюлдуу (биполярдуу) транзисторлор. Эки уюлдуу транзисторлор үч катмарлуу түзүлүшкө жана тиешелүү түрдө үч бириктирүүчү учтарга ээ. Ал транзистордун ортоңку областы база , ал эми эки четкиси бирөө эмиттер, экинчиси коллектор деп аталышат. Мындай транзисторлор эки уюлдуу деп аталат. Анткени, мында токтун өтүшү заряд ташуучулардын эки тиби – электрондор жана көңдөйчөлөр аркылуу иш жүзүнө ашырылат.

Кошундулардын концентрациясы, демек заряддарды негизги ташуучулар эмиттерде эң жогору, ал эми базада эң аз болот, коллектордук областта, эмиттердегидей эле болушу мүмкүн.Транзистордун базасы эң эле жука ( бир нече микрометр) жасалат, ал эми коллектор болсо аспап иштегенде бөлүнүп чыккан жылуулукту бөлүп өткөрүп кетүүгө мүмкүндүк берүүсү зарыл.

Эки уюлдуу транзисторлор токтун база аркылуу ташып өтүлүү механизмине жараша эки топко –дрейфтүү жана дрейфтүү эмес болуп бөлүнөт. Дрейфтүү эмес транзистор үчүн базада кошундунун бирдей жайланышы мүнөздүү болуп эсептелет. Ошондуктан мындай транзисторлордо көңдөйчөлөр негизинен диффузиянын натыйжасында базадан өтө алышат.

Дрейфтүү транзисторлордо болсо, базада кошундулар бир калыпта таралган эмес: эмиттердик өтүүдөн алыстаган сайын, анын концентрациясы азаят. Ошондуктан, базада ар дайым болуучу электр талаасы негизги эмес ташуучулардын эмиттердик өтүүдөн коллектордукка өтүшүнө шарт түзөт.

Бир уюлдуу транзисторлор. Бир уюлдуу транзисторлордо эки уюлдууларга караганда токту өткөрүүгө заряд алып жүрүүчүлөрдүн бир түрлүү тиби – электрондор же көңдөйчөлөр катышат. Бул негизинен өткөрүмдүүлүк материалдан (p –n тибинде) жасалганына жараша болот.Бир уюлдуу транзистордун артыкчылыгыөтө кичине кубаттуулукту талап кылгандыгында болуп саналат. Кемчилиги эки уюлдуу транзисторлорго караганда тез аракет этүүнүн жоктугу саналат.Бир уюлдуу транзистордун каналы көңдөйчөлүү электр өткөрүмдүүлүккө ээ.Демек, бир уюлдуу транзистордо тогу өтө аз ( жүздүн үлүштөрүнөн бир нече ондогон наноампер) болгондуктан ал p –n өтүүсүнүн тескери тогу болуп эсептелет.

§4. p –n өтүүсү жок жарым өткөргүчтүү

куралдардын колдонулушу

Мындай жарым өткөргүчтүү куралдардын иштөө принциптери жарым өткөргүчтүү материалдардын көлөмдүк касиетин пайдаланууга негизделген. Мындай куралдарга: варисторлор, термо жана p –n өтүүсү болбогон фоторезисторлор кирет.

Варисторлор. Кремний карбидинен жасалган сызыктуу эмес жарым өткөргүчтүү резистордун каршылыгы ага берилген чыңалууга жараша азайган куралдарды атайбыз.Варисторлор турактуу жана өзгөрмөлүү токтун чынжырында чыңалууну турактуу абалга келтирүү үчүн колдонулат.

Варисторлор стержень же диска түрүндө чыгарылат. Чачыратуучу кубаттуулугу 0,8ден 3 Вт ка эсептелген. Стержень түрүндөгү варисторлордун иштөөчү чыңалуусу -33 Втан 25 кВка чейин, ал эми дика түрүндөгүсү 15тен 270 В ка чейин.

Терморезисторлор. Каршылыктары температурага абдан көз каранды болгон жарым өткөргүчтүү резисторлор терморезисторлор деп аталат. Терморезисторлор марганецтин, жездин жана кобальттын оксиддеринен жасалат. Терморезисторлордун каршылыктарынын температуралык коэффициенти тескери б.а. температуранын жогорулашы менен алардын каршылыктары азаят.

Терморезисторлор өтө сезгич катары ар кандай чөйрөнүн температурасын өлчөөдө, электр өлчөөчү куралдарда температуралык компенсациялоо жүргүзүү үчүн, ошондой эле жарым өткөргүчтүү куралдардын иштөө режимин текшерүүдө, автоматтык түрдө температураны бир калыпта кармоочу түзүлүштөрдө, телемеханикалык куралдарда колдонулат.

Фоторезисторлор. Жарык нурунун таасири астында ички фотоэффектинин натыйжасында каршылыктары азайган жарым өткөргүчтүү куралдар фоторезисторлор деп аталышат.Фоторезисторлор күкүрттүү жана селендүү кадмийлерден жана коргошундан жасалат.

Фоторезисторлор жарыктанышты, нерсенин ордун жана жылышын белгилөөчү датчиктер катары колдонулат.

Корутунду

Демек, өзгөрмө электр тогун түзөтүү үчүн азыркы кезде радиосхемаларда эки электроддуу электрондук лампа менен катар, бир топ артыкчылыкка ээ болгон жарым өткөргүчтүү диоддор көп колдонулат. Жарым өткөргүчтөрдө кошумча энергиянын булагынын кереги жок, жөн гана донордук же акцептордук кошулманы пайдалануу менен ишке ашат. Татаал схемаларда энергиянын бул үнөмү бир топ өлчөмдө болот. Жарым өткөргүчтүү түзөткүчтөр, ваакумдукка караганда бир кыйла кичине, компакттуу келет. Натыйжада жарым өткөргүчтөрдөн жыйналган радио түзүлүштөр жыйнактуу келишет. Жогорудагы артыкчылыктар Жердин жасалма спутниктеринде, космос кемелеринде, ЭЭМде ж.б.пайдаланууда өтө маанилүү. Жарым өткөргүчтүү диоддор германий, селен, кремний ж.б. заттардан жасашат.

Азыркы мезгилде симметриялуу транзисторлор да кеңири колдонулуда. Анда башкаруучу торчого кабар берилгенде түз дагы, тескери дагы багытта бириктирилүү болуп өтөт. Ошондуктан бул куралдын аткарган жумушу – өзгөрмө токтун чынжырдагы нагрузканы жөнгө салуу болуп эсептелет.

Колдонулган адабияттар

1. М. Койчуманов, О. Сулайманова

Физика: Орто мектептердин 10-классы үчүн окуу китеби. Бишкек 2008- жыл

2. М.М.Кидибаев, К.Шаршеев

Жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгү. Бишкек 2011- жыл

3. Физика боюнча энциклопедия Бишкек 1994 жыл

4. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. — К.: Техника, 1969

6