კუთრი ელექტრული წინაღონის მნიშვნელობების მიხედვით ნახევარგამტარები შუალედურ ადგილს იკავებენ კარგ გამტარებსა და დიელექტრიკებს შორის. ნახევარგამტარებს ეკუთვნის მრავალი ქიმიური ელემენტი (გერმანიუმი, სილიციუმი, სელენი, ტელური, დარიშხანი და სხვა), შენადნობების და ქიმიური ნაერთების უზარმაზარი რაოდენობა. ჩვენი გარმომცველი სამყაროს თითქმის ყველა არაორგანული ნივთიერება ნახევარგამტარია. ბუნებაში ყველაზე გავრცელებული ნახევარგამტარი სილიციუმია, რომელის დედამიწის ქერქის 30 % შეადგენს.
ნახევარგანტარებსა და ლითონებს შორის ხარისხიბრივი განსხვავება პირველ რიგში კუთრი წინაღობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულებაში ვლინდება (იხ. ნახ. 4). ნახევარგამტარებში ტემპერატურის შემცირებისას წინაღობა პირიქით იზრდება და აბსოლურურ ნულთან ისინი პრაქტუკულად იზოლატორებად იქცევიან (ნახ. 1).
ნახ. 1.
სუფთა ნახევარგამტარის ρ კუთრი წინაღობის T აბსოლუტურ ტემპერატურაზე დამოკიდებულება
ρ (T) დამოკიდებულების ასეთი სვლა უჩვენებს, რომ ნახევარგამტარებში თავისუფალი მუხტის მატარებლების კონცენტრაცია არ არის მუდმივი, არამედ ტემპერატურის ზრდასთან ერთად იზრდება. ნახევარგამტარებში ელექტრული ველის მექანიზმი არ აიხსნება თავისუფალი ელექრონების აირის მოდელით. განვიხილოთ ეს მექანიძმი გერმანიუნის (Ge) მაგალითზე. სილიციუმის (Si) კრისტალშიც ანალოგიური მექანიზმია.
გერმანიუმის ატომს გარე შრეზე ოთხი სუსტ ბმაში მყოფი ელექტრონი აქვს. მათ ვალენტურ ელექტრონებს უწოდებენ. კრისტალურ მესერში ყოველი ატომი გარშემორტყმულია ოთხი უახლოესი მეზობლით. გერმანიუმის კრისტალში ატომებს შორის კავშირი კოვალენტურია, ე.ი. ხორციელდება ვალენტური ელექტრონების წყვილებით. ყოველი ვალენტური ელექტრონი ორ ატომს ეკუთვნის (ნახ. 2). გერმანიუმის კრისტალში ვალენტური ელექტრონები ატომთან უფრო ძლიერადაა დაკავშირებული, ვიდრე მეტალებში; ამიტომაც გამტარობის ელექტრონების კონცენტრაცია ნახევარგამტარებში ოთახის ტემპერატურაზე მრავალი რიგით ნაკლებია მეტალებთან შედარებით, აბსოლუტური ნულის მახლობლად გერმანიუმის კრისტალში ყველა ელექრონი კავშირების შექმნითაა დაკავებული. ასეთი კრისტალი ელექტრულ დენს არ ატარებს.
ნახ. 2.
წყვილური- ელექტრონული კავშირი გერმანიუმის კრისტალში და ელექტრონულ-ხვრელური წყვილის წარმოქმნა
ტემპერატურის გაზრდისას ვალენტური ელექტრონების გარკვეული ნაწილი მიიღებს კოვალენტური კავშირის გასაწყვეტად საკმარის ენერგიას. მაშინ კრისტალში წარმოიქმნება თავისუფალი ელექტრონები (გამტარობის ელექტრონები). ამავე დროს კავშირის წყვეტის ადგილებში იქმნება ვაკანსია, რომელიც არ არის დაკავებული ელექტრონით. ამ ვაკანსიებმა (თავისუფალმა ადგილებმა) მიიღეს ხვრელის სახელწოდება. ვაკანტური ადგილი შეიძლება სწრაფად იქნეს დაკავებული მეზობელი წყვილის ელექტრონის მიერ, მაშინ ხვრელი კრისტაში ახალ ადგილზე გადაინაცვლებს. ნახევარგამტარის გარკვეულ ტემპერატურაზე დროის ერთეულში წარმოიქმნება ელექტრონულ-ხვრელური წყვილების გარკვეული რაოდენობა. ამავე დროს მიმდინარეობს შებრუნებული პროცესი - თავისუფალი ელექტრონის ხვრელთან შეხვედრისას, ხდება გერმანიუმის ატომებს შორის კავშირის აღდგენა. ამ პროცესს რეკომბიბაცია ეწოდება. ელექტრონულ-ხვრელური წყვილები შეიძლება იბადებიდნენ ასევე ნახევარგამტარის განათებით, ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ხარჯზე. ელექტრული ველის არ არსებიბის შემთხვევაში გამტარობის ელექტრონები და ხვრელები ქაოსურ სითბურ მოძრაობაში მონაწილეობენ.
თუ ნახევარგამტარს ელექტრულ ველში მოვათავსებთ, მოწესრიგებულ მოძრაობაში ჩართული აღმოჩნდებიან არა მხოლოდ თავისუფალი ელექტრონები, არამედ ხვრელებიც, რომლებიც დადებითად დამუხტული ნაწილაკების მსგავსად იქცევიან. ამიტომ ნახევარგამტარში I დენი მიიღება In ელექტრონული და Ip ხვრელური დენების შეჯამებით:
I = In + Ip.
ნახევარგამტარში გამტარობის ელექტრონების კონცენტრაცია ხვრელების კონცენტრაციის ტოლია: nn = np. გამტარობის ელექტრონულ-ხვრელური მექანიზმი თავს იჩენს მხოლოდ სუფთა (ე.ი. მინარევების გარეშე) ნახევარგამტარებში. იგი ნახევარგამტარების თავისუფალ ელექტრულ გამტარობად იწოდება.
მინარევების არსებობის შემთხვევაში ელექტრული გამტარობა ძლიერ იცვლება. მაგალითად, სილიციუმის კრისტალში ფოსფორის 0,001 ატომური პროცენტის დამატებისას კუთრი წინაღობა ხუთ რიგზე მეტით მცირდება. მინარევების ასეთი ძლიერი ზეგავლევა შეიძლება ნახევარგამტარების ზემოთ მოცემული აგებულებით აიხსნას.
ნახევარგამტარის კუთრი წინაღობის მკვეთრი შემცირების აუცილებელ პირობას, მასში მინარევების შეტანისას, მინარევის ატომების ვალენტობის კრისტალის ძირითადი ატომების ვალენტობისაგან განსხვავებაა.
მინარევების არსებობის შემთხვევასი ნახევარგამტარების გამტარობას მინარევებიან გამტარობას უწოდებენ. ასხვავებენ ორი სახის მინარევებიან გამტარობას ელექტრონულს და ხვრელურს.
ელექტრონულ გამრატობას ადგილი აქვს, როცა ოთხვალენტიან ატომიანი გერმანიუმის კრისტალში შეყვანილია ხუთვალენტიან ატომი (მაგ. დარიშხანის ატომი, As)
ნახ. 3.
დარიშხანის ატომი გერმანიუმუს მესერში. n-ტიპის ნახევარგამტარი
ნახ. 3-ზე ნაჩვენებია ხუთვალენტიანი დარიშხანის ატომი, რომელიც გერმანიუმის კრისტალის მესერში აღმოჩნდა. დარიშხანის ოთხი ვალენტური ელექტრონი ჩართულია გერმანიუმის ატომებთან კოვალენტური კავშირის დამყარებაში. მეხუთე ვალენტური ელექტრონი ზედმეტი აღმოჩნდა; ის ადვილად წყდება დარიშხანის ატომს და ხდება თავისუფალი. ატომი, რომელმაც ელექტრონი დაკარგა, კრისტალური მესერის კვანძში მოთავსებულ დადებით იონად გადაიქცევა. მინარვს, რომელიც ვალენტობა ნახევარგამტარული კრისტალის ძირითადი ატომების ვალენტობას აჭარბებს, დონორულ მინარევს უწოდებენ. მისი შეყვანის შედეგად კრისტალში ჩნდება თავისუფალი ელექტრონების ნმიშვნელოვანი რაოდენობა. ამის გამო ხდება ნახევაგამტარის კუთრი წინაღობის მკვეთრი შემცირაბა - ათასობით და მილოონობით ჯერადაც კი. მინარევის დიდი შემცველობის ნახევარგამტარის კუთრი წინაღობა შეიძლება მიუახლოვდეს მეტალის გამტარის კუთრ წინაღობას.
დარიშხანის მინარევიან გერმანიუმის კრისტალში არის ელექტრონებიც და ხვრელებიც, როლებიც კრისტალის საკუთრ გამტარობაზე აგებენ პასუხს. მაგრამ თავისუფალი მუხტის ძირითად მატარებელს ელექტრონები წარმოადგენენ. ასეთ კრიტალში nn >> np. ასეთ გამტარობას ელექტრონულს უწოდებენ, ხოლო ნახევარგამტარს, რომელსაც ელექტრონული გამტარობა ახასიათენს n -ტიპოს ნახევარგამტარს.
ნახ. 4.
ინდიუმის ატომი გერმანიუმის მესერში. p-ტიპის ნახევარგამტარი
ხვრელური გამტარობა წარმოიშვება, როცა გერმანიმის კრისტალში შეჰყავთ სამვალენტიანი ატომი (მაგ., ინდიუმუს ატომი, In).
ნახ. 4-ზე ნაჩვენებია ინდიუმის ატომი, რომელიც თავისი ვალენტური ელექტრონების საშუალებით ამყარებს კოვალენტურ კავშირს გერმანიუმის მხოლოდ სამ მეზობელ ატომთან. გერმანიუმის მეოთხე ატომთან კავშირის დასამყარებლად ინდიუმს არ აქვს ელექტრონი. ელექტრონის ეს დანაკლისი ინდიუმის ატომმა შეიძლება შეივსოს გერმანიუმის მეზობელი ატომების კოვალენტური კავშირიდან მიტაცებით. ასეთ შემთხვევაში ინდიუმის ატომი კრისტალური მესერის კვანძში განთავსებულ უარყოფით იონად გადაიქცევა, მეზობელი ატომების კოვალენტურ კავშირში კი წარმოიქმნება ვაკანსია. მინარევს, რომლის ატომებსაც შეუძლიათ მიიტაცინ ელექტრონი აქცეპტორულ მინარევებს უწოდებენ. აქცეპტორული მინარევის შეყვანით კრისტაში ირღვევა მრავალი კოვალენტური კავშირი და წარმოიქმნება თავისუფალი ადგილი (ხვრელი). ამ ადგილებზე შეიძლება გადახტნენ ელექტრონები მეზობელი კოვალენტური კავშირებიდან, რაც კრისტალში ხვრელების ქაოსურ ხეტიალს იწვევს.
აქცეპტორული მინარევის არსებობა, თავისუფალი ხვრელების არსებობის ხარჯზე, მკვეთრად ამცირებს ნახევარგამტარის კუთრ წინარობას. აქცეპტორული მინარევიან ნახევარგამტარში ხვრელების კონცენტრაცია საგრძნობლად აჭარბებს ნახევარგამტარის საკუთარი ელექტროგამტარობის მექანიზმის ხარჯზე წარმოქმნილი ელექტრონების კონცენტრაციას: np >> nn. ამ ტიპის გამტარობას ხვრელურ გამტარობას უწოდებენ. მინარევიან ნახევარგამტარს, რომელსაც ხვრელური გამტარობა ახასიათებს p-ტიპის ნახევარგანტარს უწოდებენ. p-ტიპის ნახევარგანტარში თავისუფალი მუხტის ძირითად მატარებლებს ხვრელები წარმოადგენენ.
ხაზი უნდა გაესვას, რომ ხვრელური გამტარობა სინამდვილეში გამოწვეულია გერმანიუმის ერთი ატომის ვაკანსიიდან მეორეში კოვალენტურ კავშირის განმახორციელებელი ელექტრონების ესტაფეტური გადაადგილებით.
n- და p-ტიპის ნახევაგამტარებისთვის თავისუფალი მატარებლების კონცენტრაციის მუდმივობის პირობებში, ომის კანონი დენის ძალისა და ძაბვის გარკვეულ ინტერვალებში სრულდება.