24 Лекция. Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштігі. Қатты денелердің люминесценциясы

24.1. Өткізгіштіктің пайда болу механизмі

24.2. Фотоөткізгіштіктің түрлері.

24.3. Қатты денелер люминесценциясы

24.4. Жартылай өткізгіштердің түйісуі. Диод. Триод.

Жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштігі-жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігінің электромагниттік сәуле әсерінен арту құбылысы негізгі заттың, сондай-ақ ондағы қоспалардың қасиеттерімен байланысты. Бірінші жағдайда фотон энергиясы рұқсат етілмеген зона еніне тең немесе үлкен болса , онда электрондар валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауыстырылып қосымша электрондар (өткізгіштік зонада) және кемтіктер (валенттік зонада) пайда болады. Нәтижесінде электрондар мен кемтіктер туғызған меншікті фотоөткізгіштік пайда болады.

Егер жартылай өткізгіште қоспа болса, онда фотоөткізгіштік болғанда да пайда бола алады; донорлы қоспалы жартылай өткізгіш үшін фотон энергиясы ал акцептрлі қоспалы жартылай өткізгіш үшін .

Сонымен меншікті жартылай өткізгіш үшін, қоспалы жартылай өткізгіштер үшін. Мұндағы –қоспалы атомдардың активация энергиясы.

Люминесценция – берілген температурада жылулық сәуле шығаруға қосымша тепе-теңдіксіз және ұзақтығы жарықтың тербеліс периодынан үлкен сәуле шығару. Жарық тербелісінің периоды шамамен , ал люминесценттік жарықтың ұзақтығы .

Қозу тәсілі бойынша: фотолюминесценция (жарық әсерінен), ренгенлюминесценция (ренген сәулесінің әсерінен), электролюминесценция (электр өрісінің әсерінен), радиолюминесценция (ядролылық сәуле - –сәуле, нейтрон, протон әсеріне), хемилюминесценция (химиялық түрлену кезінде), триболюминесценция (кейбір кристалдарды, мысалды қантты үйкегенде немесе шаққанда). Жарқырау ұзақтығы бойынша флуоросценцияны () және фосфоросценцияны – қоздырушы әсер тоқтаған соң біз жарқырауды ажыратады.

Стокс заңы: люминесценттік сәуленің толқын ұзындығы оны қоздырған жарықтың толқын ұзындығынан үлкен болады.Жартылай өткізгіштер түйіскен кездегі процестер қандай өзгерісте болады, енді осыны қарастырайық. Егер n-типтес және р-иптес екі жартылай өткізгіш түйісіп тұрсын, сонда ондағы электрондар мен кемтіктер бірінен екіншісіне ауысып диффузияланады (сурет). Сөйтіп, жартылай өткізгіштердің арасында түйісу потенциалдар айырымы пайда болады. Шындығында n-типтес жартылай өткізгіштің электрондары р-типтес жартылай өткізгіштің шекаралық қабатына өтеді де, кемтіктермен бірігіп, рекомбинацияланады, яғни қоспаның теріс иондарын туғызады. р-типтес жартылай өткізгіштің шекаралық қабатында теріс иондар туғызған теріс заряд пайда болады. Ал n-типтес жартылай өткізгіштің шекаралық қабатында да әлгіндей процесс қоспаның оң иондарынан пайда болған оң зарядты туғызады. Сөйтіп қос 52-52-сурет. электр «қабаты» (конденсатордың зарядталған астарлары тәрізді) пайда болады. Қос электр қабатының электр өрісі белгілі бір шамаға жеткенде, ол электрондар мен кемтіктердің ары араласуына бөгет жасайды. Бірақ осының нәтижесінде жартылай өткізгіштің шекаралық аймақтарында негізігі заряд тасушылар азаяды, сондықтан бұл аймақтардың кедергісі үлкейеді. Сондықтан осы аймақтың жиыны жаппалы қабат деп аталады. Осы жаппалы қабаттың

24.1-сурет

электр өрісін көбінесе түйісу өрісі деп атайды (сурет). Түйісу өрісі негізгі заряд тасушылардың қозғалысына бөгет жасайды да, негізгі емес заряд тасушылардың қозғалысына көмектеседі.р-типті жартылай өткізгішті батареяның оң полюсімен, ал n-типті жартылай өткізгішті теріс полюсімен қоссақ, онда жартылай өткізгіштер ішінде электр өрісі пайда болады (24.1-сурет). Осы өрістің күш сызықтары р-типті жартылай өткізгіштен n-типті жартылай өткізгішке қарай бағытталады.Бұл өріс түйісу өрісін нашарлатады. Сонда электрондар мен кемтіктер жартылай өткізгіштердің түйіскен шекарасына қарай бір-біріне қарсы қозғала бастайды да жаппалы қабатты негізгі заряд тасушылармен толықтырып, оның кедергісін кемітеді.

Шекаралық қабатта электрондар мен кемтіктер рекомбинацияланады, n-типті жартылай өткізгіштегі электрондардың кему есесін ток көзінің теріс полюсімен қосылған сымнан келетін электрондар толтырады, ал кемтіктердің азаю есесі электрондардың р-типті жартылай өткізгіштен ток көзінің оң полюсіне кетумен толады.

Олай болса, тізбек тұйық болған жағдайда осы айтылған процесс үздіксіз жүреді, сондықтан тізбекте үздіксіз ток болып тұрады. Бұл ток тура ток деп, ал оны шығаратын кернейді тура кернеу деп атайды.

Кернеудің полюстерін өзгерткенде, яғни жартылай өткізгіштерге кернеуді кері бағытпен түсіре жартылай өткізгіштердің шекаралық қабатынан өтетін токтың шамасы кенет өзгереді.

Біз жоғарыда екі жартылай өткізгіштердің шекарасындағы қабатта-жаппалы қабаттың р-n ауысуының пайда болатынын айтқан болатынбыз. Олай болса, осы р-n ауысуында біржақты өткізгіштік қасиеті бар жартылай өткізгіш диод деп аталады. Диодтардың әр түрлі типтері бар. Соның бірі германийлі диод.

Германийлі диодты германий атомдарына мышьяк, сурьма сияқты қоспа атомдарын араластыру алқылы алады. Ал бұл қоспалар оның n-типті өткізгіштігін жақсартады. Сонымен қатар германий пластинасының бір жағына кішкентай индий кесегін балқытып ұстатады, ол р-типті өткізгіштігін арттырады. Сөйтіп германий пластинасында өткізгіштігі әр түрлі, екі аймақ пайда болады. Олар диффузияның нәтижесінде бір-біріне тікелей жанасып тұрады да, (р-n) ауысуын туғызады.

Жартылай өткізгіш диодтар айналмалы токтарды түзету үшін өте кең қолданылады.

Зат ішіндегі электрондардың жарық әсерінен байланысқан күйден еркін күйге көшу құбылысы фотоэффект деп аталады.

Енді осы құбылысқа негізделген кейбір процестерді қарастырайық. Соның бірі вентильді фотоэффект деп аталады. Мұнда жарықтанған заттан босап шыққан электрондар шекаралық жұқа жаппалы қабаттан өтіп, жарықтанбаған заттың ішіне кіреді. Бұл құбылыс ғылым мен техникада фотоэлементтер жасауға қолданылады.