ნახევრგამტარი

ნახევარგამტარი, ნახევრად გამტარი — მასალა, რომელიც ელექტროგამტარობის თვალსაზრისით, შუალედურ რგოლს იკავებს გამტარსა და დიელექტრიკს შორის და განსხვავდება გამტარებისგან (ლითონებისგან) ელექტროგამტარობის ძლიერი დამოკიდებულებით მინარევების კონცენტრაციაზე, ტემპერატურაზე და სხვადასხვა სახის გამოსხივების ზემოქმედებაზე.

მგრძნობიარობა ტემპერატურლი ცვლილებების მიმართ

ნახევარგამტარის გამტარისაგან ყველაზე მკაფიოდ გამტარობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულების ხასიათი განასხვავებს. გაზომვები გვიჩენებს, რომ ბევრი ელემენტისა (სილიციუმი, გერმანიუმი, სელენი და სხვა) და ნაერთის (${\ce {PbS}}$, ${\ce {CdS}}$ და სხვა) კუთრი წინაღობა ლითონის მსგავსად კი არ იზრდება ტემპერატურის ზრდასთან ერთად, არამედ პირიქით მკვეთრად მცირდება, ამასთან ერთად ტემპერატურის ცვლილების საკმარისად დიდ ინტერვალში კუთრი გამტარობა, როგორც წესი, იზრდება ექსპონენციალური კანონით:

$\sigma =\sigma _{0}exp(-E_{A}/kT)$,

სადაც $k$ ბოლცმანის მუდმივაა, $E_{A}$ — ნახევარგამტარებში ელექტრონების აქტივაციის ენერგია, $\sigma _{0}$ — პროპორციულობის კოეფიციენტი, რომელიც სინამდვილეში დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, მაგრამ გაცილებით სუსტად, ვიდრე ექსპონენციალური მამრავლი. ტემპერატურის გარზდისას სითბური მოძრაობა არღვევს ელექტრონების ბმას მათი ნაწილი, რომელიც $exp(-E_{A}/kT)$ პროპორციულია, დენის თავისუფალი მატარებელი ხდება. ელექტრონების ბმა შეიძლება დაირღვეს აგრეთვე ნახევარგამტარებზე გარე ზემოქმედებით: სინათლის დასხივებით, ჩქარი ნაწილაკების ნაკადით, ძლიერი ელექტრული ველით და ა. შ. ამიტომ ნახევარგამტარისთვის დამახასიათებელია ელექტროგამტარობის უაღრესად დიდი მგრძნობიარობა გარე ზემოქმედების მიმართ. ვინაიდან ბევრ შემთხვევაში კრისტალის დეფექტებთან ან მინარევებთან ლოკალიზებული ელექტრონის E_A ენერგია მნიშვნელოვნად მცირეა, ვიდრე მოცემული ნახევარგამტარის იდეალურ კრისტალში, ნახევარგამტარის ელექტროგამტარობა ასევე ძლიერ მგრძნობიარეა კრისტალის დეფექტებისა და მინარევების შემცველობის მიმართ.

ამგვარად, ტემპერატურის ცვლილებებით, მინარევების შეყვანით და ა. შ. შესაძლებელია ნახევარგამტარის ელექტროგამტარობის ცვლილება დიდ ინტერვალში.

ტემპერატურის კლებასთან ერთად ნახევარგამტარის კუთრი წინაღობა იზრდება და უტოლდება დიელექტრიკს.

ნახევარგამტარის აგებულება

იმისათვის, რომ გავარკვიოთ ნახევარგამტარის გამტარობის მექანიზმი, აუცილებელია ვიცოდეთ ნახევარგამტარის კრისტალის აგებულება და იმ კავშირის ბუნება, რომელიც კრისტალის ატომებს აკავებს ერთმანეთის მახლობლად.

სილიციუმის კრისტალის კოვალენტური ბმა

მაგალითისათვის განვიხილოთ სილიციუმის კრისტალი. სილიციუმი ოთხვალენტიანი ელემენტია. ეს ნიშნავს, რომ ატომის გარეთა შრეში ოთხი ელექტრონია, რომლებიც შედარებითსუსტადაა დაკავშირებული ბირთვთან. სილიციუმის თითოეული ატომის უახლოეს მეზობელ ატომთა რიცხვიც ოთხის ტოლია.

მეზობელი ატომების წყვილთა ურთიერთქმედება წყვილელექტრონული კავშირით, ანუ ე. წ. კოვალენტური კავშირით ხორციელდება. ამ კავშირის შექმნაში თითოეული ატომიდან თითო სავალენტო ელექტრონი მონაწილეობს. ეს ელექტრონი წყდება ატომს (საერთო ხდება კრისტალისათვის) და მოძრაობის დროის უმეტეს ნაწილს მეზობელ ატომებს შორის არსებულ სივრცეში ატარებს. მისი უარყოფითი მუხტი სილიციუმის დადებით იონებს ერთმანეთის მახლობლად აკავებს.

არ უნდა ვიფიქროთ, რომ საერთო ელექტრონთა წყვილი მხოლოდ ორ ატომს ეკუთვნის. თითოეული ატომი მეზობელ ატომებთან ქმნის ოთხ კავშირს და მოცემული სავალენტო ელექტრონი შეიძლება ნებისმიერ მათგანშ მოძრაობდეს. მეზობელ ატომამდე მისული, ის შეიძლება გადავიდეს მომდევნოში, და ასე გადაინაცვლოს მთელი კრისტალის გასწვრივ. საერთო სავალენტო ელექტრონი მთელ კრისტალს ეკუთვნის.

სილიციუმის წყვილელქეტრონული კავშირი საკმაოდ მტკიცეა და დაბალ ტემპერატურაზე არ წყდება. ამიტომ სილიციუმი დაბალ ტემპერატურაზე დენს არ ატარებს. ატომთა კავშირში მონაწილე სავალენტო ელექტრონები მჭიდროდაა დაკავშირებული კრისტალურ მესერთან და გარე ელექტრული ველი ვერ ახდენს შესამჩნევ გავლენას მათ მოძრაობაზე. მსგავსი აგებულება აქვს გერმანიუმის კრისტალსაც.

ელექტრონული გამტარობა

სილიციუმის გახურებისას სავალენტო ელექტრონის კინეტიკური ენერგია მატულობს და ცალკეული კავშირები ირღვევა. ზოგიერთი ელექტრონი ტოვებს თავის „გათელილ გზას“ და ხდება თავისუფალი — ლითონის ელექტრონების მსგავსად. ელექტრულ ველში ისინი გადაადგილდებიან მესრის კვანძებს შორის და ქმნიან ელექტრულ დენს.

ნახევარგამტარის გამტარობას, რომელიც განპირობებულია მასში თავისუფალი ელექტრონების არსებობით, ელექტრონული გამტარობა ეწოდება. ტემპერატურის ზრდასთან ერთად იზრდება გაწყვეტილ კავშირთა და, მაშასადამე, თავისუფალ ელექტრონთა რაოდენობაც.

300-700 K-მდე გათბობის დროს მუხტის თავისუფალ გადამტანთა რიცხვი იზრდება $10^{17}{\text{მ}}^{-3}$-დან $10^{24}{\text{მ}}^{-3}$-მდე. ეს ამცირებს წინაღობას.

ხვრელური კავშირი

კავშირის გაწყვეტისას იქმნება ვაკანტური ადგილი, რომელსაც აკლია ელექტრონი. მას ხვრელი ეწოდება. ხვრელში არის ჭარბი დადებითი მუხტი დანარჩენ, ნორმალურ კავშირებთან შედარებით.

კრისტალში ხვრელის მდებარეობა უცვლელი როდია. უწყვეტად მიმდინარეობს შემდეგი პროცესი. შექმნილი ხვრელის ადგილს იკავებს ერთ-ერთი იმ ელექტროდებიდან, რომლებიც ატომებს აკავშირებდა და აღადგენს აქ წყვილელექტრონულ კავშირს. იმ ადგილას, საიდანაც „გადმოხტა“ ელექტრონი, იქმნება ახალი ხვრელი. ამრიგად, ხვრელი გადაადგილდება მთელ კრისტალში.

თუ ელექტრული ველის დაძაბულობა საცდელ ნიმუშში ნულის ტოლია, მაშინ ხვრელების გადაადგილება, რაც დადებითი მუხტებისგადაადგილების ტოლფასია, ქაოსურია და ამიტომ ელექტრულ დენს ვერ ქმნის. მაგრამ თუ საცდელ ნიმუშში ელექტრული ველი არსებობს, მაშინ ხვრელები მოწესრიგებულად გადაადგილდება და, ამგვარად, თავისუფალი ელექტრონების ელექტრულ დენს დაემატება ხვრელების მოწესრიგებული მოძრაობით შექმნილი ელექტრული დენი. ხვრელების მოძრაობის მიმართულება ელექტრონთა მოძრაობის მიმართულების საპირისპიროა.

ამრიგად, ნახევარგამტარში არის მუხტის ორი ტიპის გადამტანი: ელექტრონი და ხვრელი. ამიტომ ნახევარგამტარს ახასიათებს არა მარტო ელექტრონული, არამედ ხვრელური გამტარობაც.

ნახევარგამტართა ელექტოგამტარობა მინარევის არსებობის დროს

ნახევარგამტარის საკუთარი გამტარობა ჩვეულებრივ დიდი არაა, რადგან მასში თავისუფალი ელექტრონები ცოტაა. მაგალითად, გერმანიუმში ოთახის ტემპერატურაზე $n_{e}=3\cdot 10^{13}{\text{სმ}}^{-3}$. ამავე დროს გერმანიუმის ატომთა რიცხვი $1{\text{სმ}}^{3}$-ში დაახლოებით $10^{23}$ რიგისაა. ასე, რომ თავისუფალ ელექტრონთა რაოდენობა ატომთა საერთო რაოდენობის დაახლოებით მეატმილიარდედი ნაწილია. ნახევარგამტარის საკუთარი გამტარობა ძალიან ჰგავს ელექტროლიტის წყალხსნარის ან ნადნობის გამტარობას. ორივე შემთხვევაში მუხტის თავისუფალ გადამტანთა რიცხვი იზრდება სითბური მოძრაობის ინტენსივობის ზრდასთან ერთად. ამიტომ ნახევარგამტარის, ელექტროლიტის წყალხსნარისა და ნადნობის გამტარობა იზრდება ტემპერატურის ზრდასთან ერთად.

ნახევარგამტარის არსებითი თავისებურება ისაა, რომ მასში მინარევების არსებობისას საკუთარ გამტარობასთან ერთად იმნება დამატებითი — მინარევული გამტარობა. მინარევის კონცენტრაციის შეცვლით შეიძლება საგრძნობლად ვცვალოთ ამა თუ იმ ნიშნის მუხტის გადამტანთა რაოდენობა. ამის შედეგად შეიძლება დავამზადოთ ნახევარგამტარი, რომელშიც გვექნება უარყოფითი ან დადებითი მუხტის გადამტანების უპირატესი კონცენტრაცია. ნახევარგამტარის სწორედ ეს თავისებურება ქმნის მისი პრაქტიკული გამოყენების ფართო შესაძლებლობას.

დონორული მინარევი

n-ტიპის ნახევარგამტარი

როგორც ცნობილია, თუ ნახევარგამტარში არის მინარევი, მაგალითად, დარიშხანის ატომები (ძალიან მცირე კონცენტრაციის დროსაც კი), მაშინ მასში თავისუფალი ელექტრონების რიცხვი მეტისმეტად იზრდება. ეს ხდება შემდეგი მიზეზის გამო. დარიშხანის ატომს აქვს ხუთი სავალენტო ელექტრონი. ოთხი მათგანი მონაწილეობს მოცემული ატომის გარემომცველ ატომებთან, მაგალითად, სილიციუმის ატომებთან, კოვალენტურ კავშირში. მეხუთე სავალენტო ელექტრონი სუსტად არის დაკავშირებული ატომთან. ის ადვილად ტოვებს დარიშხანის ატომ სდა ხდება თავისუფალი.

თუ დარიშხანის ატომების რიცხვი ერთი მეათმილიონედი ნაწილი იქნება სილიციუმის რიცხვისა, მაშინთავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაცია ტოლი გახდება $10^{16}{\text{სმ}}^{-3}$-სა. ეს ათასჯერ მეტია სუფთა ნახევარგამტარის თავისუფალი ელექტრონების კონცენტრაციაზე.

იმ მინარევს, რომელიც ადვილად გასცემს ელექტრონებს და, მაშასადამე, ზრდის თავისუფალი ელექტრონების რიცხვს, დონორული (გამცემი) მინარევი ეწოდება.

რადგან დონორული მინარევის შემცველ ნახევარგამტარში თავისუფალი ელექტრონები გაცილებით მეტია, ვიდრე ხვრელები, მას n-ტიპის (სიტყვიდან ინგლ. negativ — „უარყოფითი“) ნახევარგამტარს ოწოდებენ. n-ტიპის ნახევარგამტარში ელექტრონები მუხტის ძირითდი გადამტანებია, ხვრელიები კი — არაძირითადი.

აქცეპტორული მინარევი

p-ტიპის ნახევარგამტარი

თუ მინარევად ინდიუმს გამოვიყენებთ, რომლის ატომი სამვალენტიანია, ნახევარგამტარის გამტარობის ხასიათი შეიცვლება. ამ შემთხვევაშ მეზობლებთან ნორმალური წყვილელექტრონული კავშირების შესაქმნელად ინდიუმის ატომს აკლია ერთი ელექტრონი. ამის შედეგად იქმნება ხვრელი. ხვრელების რიცხვი კრისტალშ ტოლი იქნება მინარევის ატომთა რიცხვისა. ამგვარ მინარევს აქცეპტორული (მიმღები) მინარევი ეწოდება.

ელექტრულ ველში ხვრელები გადაადგილდება ველის მიმართულებით და, ამრიგად, იქმნება ხვრელური გამტარობა. ნახევარგამტარს, რომლის ხვრელური გამტარობა მეტია ელექტრონულთან შედარებით, p-ტიპის (სიტყვიდან ინგლ. positiv — „დადებითი“) ნახევარგამტარი ეწოდება. p-ტიპის ნახევარგამტარში ხვრელები მუხტის ძირითადი გადამტანებია, ელექტრონები კი — არაძირითადი.

ელექტრული დენი p- და n-ტიპის ნახევარგამტართა კონტაქტში

ელექტრული დენი p- და n-ტიპის ნახევარგამტართა კონტაქტში

სურათზე გამოსახულია ნახევარგამტარის სქემა, რომლის მარჯვენა მხარე შეიცავს დონორულ მინარევს და ამიტომ იგი n-ტიპი ნახევარგამტარია, მარცხენა მხარე კი აქცეპტორულ მინარევს შეიცავს და იგი p-ტიპის ნახევარგამტარია. ელექტრონები გამოსახულია სტაპილოსფერი წრეებით, ხვრელები კი — შავით. სხვადასხვა ტიპის ორი ნახევარგამტარის კონტაქტს p-n გადასვლა ეწოდება.

კონტაქტის წარმოქმნისას ელექტრონები ნაწილობრივ n-ტიპის ნახევარგამტარიდან p-ტიპის ნახევარგამტარში გადადიან, ხვრელები კი საპირისპიროდ მოძრაობს. ხდება დიფუზია, რაც მოგვაგონებს ასეთივე მოვლენას აირში: ორი სხვადასხვა აირის ურთიერთშეხებისას სითბური მოძრაობის გამო მათი მოლეკულების ერთმანეთში შერევას. ამის შედეგად n-ტიპის ნახევარგამტარი იმუხტება დადებითად, p-ტიპისა კი — უარყოფითად. დიფუზია წყდება მას შემდეგ, რაც გადასვლის ზონაში აღძრული ველი ხელს უშლის ელექტრონებისა და ხვრელების შემდგომ გადაადგილებას.

თუ ჩავრთავთ p-n გადასვლის მქონე ნახევარგამტარს ელექტრულ წრედში ისე, რომ p-ტიპის ნახევარგამტარის პოტენციალი დადევითი იყოს, n-ტიპისა კი — უარყოფითი. ამ დროს p-n გადასვლა განხორციელდება ძირითადი გადამტანებით: n უბნიდან pუბანში ელექტრონებით, ხოლო p-დან n-ში ხვრელებით. ამის გამო მთელი ნიმუშის გამტარობა იქნება დიდი, წინაღობა კი — მცირე.

აღნიშნულ გადასვლას პირდაპირი გადასვლა ეწოდება. დენის ძალის დამოკიდებულება პოტენციალთა სხვაობაზე — ვოლტამპერული მახასიათებელი — პირდაპირი გადასვლისთვის გამოსახულია გრაფიკზე უწყვეტი წირით.

თუ მოცემულ ნახევარგამტარს წრედში ჩავრთავთ შეცვლილი პოლუსებით, მაშინ იმავე პოტენციალთა სხვაობისას დენის ძალა წრედში საგრძნობლად ნაკლები აღმოჩნდება, ვიდრე პირდაპირი გადასვლის დროს იყო. ეს განპირობებულია შემდეგით: ელექტრონები კონტაქტზე ახლა გადის p უბნიდან n უბანში, ხვრელები კი — n-დან p-ში. მაგრამ p-ტიპის ნახევარგამტარში ცოტაა თავისუფალი ელექტრონი, n-ტიპისაში კი ცოტაა ხვრელები. ახლა კონტაქტზე გადასვლა ხორციელდება არაძირითადი გადამტანებით, რომელთა რიცხვი მცირეა. ამის გამო ნიმუშის გამტარობა იქნება უმნიშვნელო, წინაღობა კი — დიდი. იქმნება ე. წ. ჩამკეტი შრე. ამ გადასვლას შექცეული გადასვლა ეწოდება. მისი ვოლტამპერული მახასიათებელი გამოსახულია გრაფიკზე პუნქტირწირით.

ამრიგად p-n გადასვლა დენის მიმართ არასიმეტრიულია: პირდაპირი მიმართულებით წინაღობა საგრძნობლად ნაკლებია, ვიდრე შექცეული მიმართულებით. p-n გადასვლის ეს თვისება გამოყენებულია ცვლადი დენის გამართვისათვის. ნახევარპერიოდის განმავლობაში, როცა p-ტიპის ნახევარგამტარის პოტენციალი დადებითია, დენი თავისუფლად გადადის p-n გადასვლაზე. პერიოდის შემდეგ ნახევარში დენი პრაქტიკულად ნულის ტოლია.

ნახევარგამტარები ფართოდ გამოიყენება: ნახევარგამტარულ დიოდებში, ტრანზისტორებში, თერმისტორებში, თერმორეზისტორებსა და სხვადასხვა ტიპის მიკროსქემებში.