Yarimoʻtkazgich

Yarimoʻtkazgichlar oʻtkazuvchanligi jihatidan metall va dielektriklar orasidagi moddalar boʻlib, oʻz fizik xususiyatlarini turli tashqi taʼsirlar (masalan yoritish, isitish va hokazo) natijasida keng intervalda oʻzgartira olish xususiyatiga ega. Yarimoʻtkazgichlar elektronika va mikroelektronikada juda keng qoʻllanilib, zamonaviy elektr jihozlarning deyarli hammasi — kompyuterlardan tortib to uyali aloqa telefonlarigacha barchasi yarimoʻtkazgichli texnologiyaga asoslangan. Eng keng qoʻllaniladigan yarimoʻtkazgich modda kremniy boʻlib, boshqa moddalar ham keng qoʻllaniladi.

Yarimoʻtkazgichlar — elektr tokini yaxshi oʻtkazuvchi moddalar (oʻtkazgichlar, asosan, metallar) va elektr tokini amalda oʻtkazmaydigan moddalar (dielektriklar) orasidagi oraliq vaziyatni egallaydigan moddalar. Mendeleyev davriy sistemasida II, III, IV, V va VI guruhlarda joylashgan koʻpchilik elementlar. Masalan: kremniy (Si), germaniy (Ge), mishyak-galliy (GaAs), kadmiy-tellur (CdTl) va h.k. Sof yarimoʻtkazgichlar (Cr, Ge)oʻzidan elektr tokini oʻtkazmaydi. Ularning bir qator birikmalari yarimoʻtkazgichlar jumlasiga kiradi. Ya.da ham metallardagi kabi elektr oʻtkazuvchanlik elektronlarning harakati tufayli yuzaga keladi. Biroq elektronlarning harakatlanish sharoitlari metallar va Ya.da turlicha boʻladi. Ya. quyidagi asosiy xususiyatlarga ega: Ya.ning elektr oʻtkazuvchanligi temperatura koʻtarilishi bilan ortib boradi (mas, temperatura 1 K ga ortganda Ya.ning solishtirma oʻtkazuvchanligi 16—17 marta ortadi); Ya.ning elektr oʻtkazuvchanligida atom bilan sust (V guruh elementi qoʻshilganda) bogʻlangan elektronlardan tashqari atom bilan kuchliroq bogʻlangan elektronlar ham ishtirok etadi (baʼzi hollarda bogʻlangan elektronlar asosiy rol oʻynaydi); sof Ya.ga oz miqdorda qoʻshilma kiritib, uning oʻtkazuvchanligini keskin oʻzgartirish mumkin (mas, 0,01% qoʻshilma kiritilganda Ya. ning oʻtkazuvchanligi 10000 marta ortib ketadi).

Past temperaturalarda Ya.ning solishtirma qarshiligi juda katta boʻladi va amalda ular izolyator hisoblanadi, lekin temperatura ortishi bilan ularda zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi keskin ortadi. Mas, kremniyga biror element qoʻshganimizda 20° T.da erkin elektronlar konsentratsiyasi ~10៱17 m³ boʻlsa. 700° da 10៱24 m³ gacha, yaʼni million martadan koʻproq ortadi. Ya.da elektronlar konsentratsiyasining T.ga bunday keskin bogʻlikligi oʻtkazuvchanlik elektronlari issiqlik harakati taʼsirida hosil boʻlishini koʻrsatadi. Yarimoʻtkazgich kristallda atomlar valent elektronlari yordamida oʻzaro bogʻlangan. Atomlarning issiqlik tebranishlari vaqtida issiqlik energiyasi valent elektronlar orasida notekis taqsimlanadi. Ayrim elektronlar oʻz atomi bilan bogʻlanishni uzib, kristallda erkin koʻchib yurish imkonini beradigan yetarli miqdordagi issiqlik energiyasiga ega boʻlib qolishi va erkin elektronlarga aylanishi mumkin.

Tashqi elektr maydon boʻlmaganda bu erkin elektronlar tartibsiz harakat qiladi. Elektr maydon taʼsirida esa maydonga qarshi yoʻnalishda tartiblangan harakatga kelib, Ya.da tok hosil qiladi. Erkin elektronlar yuzaga keltirgan oʻtkazuvchanlik elektron yoki n-tip oʻtkazuvchanlik deb ataladi (bu holatda sof yarimoʻtkazgichga V guruh elementi qoʻshilgan holat).

Bogʻlangan elektronning oʻz atomini „tashlab ketishi“ atomning elektr neytralligini buzadi. unda „ketib qolgan“ elektron zaryadiga miqdoran teng musbat zaryad — teshik vujudga keladi. Tashqi elektr maydon boʻlmaganda elektronlar ham, teshiklar ham tartibsiz harakatlanadi, tashqi maydon boʻlganda esa elektronlar maydonga qarshi, teshiklar maydon boʻylab koʻchadi. Teshiklarning koʻchishi bilan bogliq oʻtkazuvchanlik teshikli yoki p-tip oʻtkazuvchanlik deyiladi (bu holatda sof yarimoʻtkazgichga III guruh elementi qoʻshilgan holat). Erkin elektronlar soni bilan teshiklar soni bir-biriga tengligi tushunarli. Aniklanishicha, ularning harakatlanish tezligi ham bir xil ekan. Demak, Ya.dagi tok ayni vaqtda ham elektron, ham teshikli oʻtkazuvchanlikdan vujudga keladi. Bunday elektronteshikli oʻtkazuvchanlik Ya.ning xususiy oʻtkazuvchanligi deyiladi. Xususiy oʻtkazuvchanlik sof Ya.da kuzatiladi. Biroq tabiatda sof Ya. yoʻq. Baʼzi qoʻshilmalar Ya.ni erkin elektronlar bilan boyitsa, boshqa baʼzi qoʻshilmalar teshiklar bilan boyitadi. Ya.da yuzaga keladigan bunday oʻtkazuvchanlik aralashmali oʻtkazuvchanlik deb ataladi.

Agar asosiy Ya. atomi oʻrniga elementlar davriy sistemasida undan keyingi guruhda turgan element atomi kiritilsa, bu qoʻshilma atomning bitta valent elektroni atomlararo bogʻlanishda ishtirok etmaydi va erkin elektronlar safiga qoʻshiladi, binobarin, n-tip oʻtkazuvchanlik ortadi. Va, aksincha, undan oldingi oʻrinda turgan element atomi kiritilsa, atomlararo toʻla bogʻlanishda 1 ta elektron yetishmaydi, teshik hosil boʻladi. Bunda p-tip oʻtkazuvchanlik ortadi. Qoʻshimcha ikkinchi holda donor (elektron beruvchi) qoʻshilma, birinchi holda esa akseptor (elektron oluvchi) qoʻshilma deb ataladi.

Shunday qilib, Ya.ning elektr oʻtkazuvchanligi xususiy va aralashmali oʻtkazuvchanliklar yigʻindisidan iborat boʻladi. Yuqori T.larda xususiy oʻtkazuvchanlik, past T.larda esa qoʻshilmali oʻtkazuvchanlik asosiy rol oʻynaydi.

Sunnat Gʻoipov.

Yarim oʻtkazgichlarning tuzilishi

Misol uchun yarim oʻtkazgichning tipik vakili boʻlgan germaniyni qaraylik. Uning tartib nomeri 32 va toʻrtta elektron qobigʻi mavjud: 1-qobiqda 2 ta; 2-qobiqda 8ta, 3-qobiqda 18 ta, 4- qobiqda esa 4 ta elektron joylashgan. Uchta ichki qobiqdagi elektronlar turgʻun boʻlib, kimyoviy reaksiya-larda ishtirok etmaydi. Oxirgi toʻrtinchi qobiqdagi elektronlar esa atom yadrosi bilan juda kuchsiz bogʻlangan.
Aynan shu elektronlar elementning boshqa atomlarining nechtasi bilan kimyoviy bogʻlanishga kira olish qobiliyatini koʻrsatib, mazkur elementning valentligini aniqlaydi. Shuning uchun ham oxirgi qobiqdagi elektronlarga tashqi yoki valentli elektronlar deyiladi. Tashqi qobigʻida toʻrtta elektroni mavjud boʻlgan germaniyning valentligi toʻrtga teng. Mazkur atomga boshqa atomlar yaqinlashganida valent elektronlar boshqa atomning valent elektronlari bilan oson taʼsirlashadi va kimyoviy bogʻlanish hosil qiladi.
Atom qobigʻiga maʼlum energiya berilganda atomnig ionlashuvi roʻy berishi mumkin. Aynan soʻnggi qobiqdagi elektronni ozod qilish uchun eng kam energiya taqozo qilinadi. Germaniy, kremniy va yarim oʻtkazgichlarning boshqa bir qancha vakillari kristall moddalar hisoblanadi. Ularning atomlari maʼlum qonuniyatlarga muvofiq joylashgan boʻladi.

Oʻtkazgichlar, yarim oʻtkazgichlar, izolyatorlar  Elektronni valent zonadan oʻtkazish zonasiga oʻtkazish uchun tashqaridan malum energiya berish kerak. Elektron turgʻun holatdan (toʻldirilgan holatdan) . erkin holatga (oʻtkazish zonasiga) oʻtishda yengish kerak boʻlgan man qilingan zonanirtg kengligi qattiq jismlarni metallar, yarim oʻtkazgichlar va izolyatorlarga ajratishning asosiy mezonlaridan biridir. Bunga keltirilgan sxemalardan osongina ishonch hosil qilish mumkin. Zonalarning elektronlar bilan toʻldirilganligi va man qilingan zonaning kengligiga qarab toʻrtta hoi boʻlishi mumkin. Eng yuqori zona elektronlar bilan qisman toʻldirilgan, yaʼni unda boʻsh sathlar mavjud. Bu holda elektron juda kam energiya olganda ham shu zonaning yuqoriroq energetik sathiga oʻtishi, yaʼni erkin boʻlib, tok oʻtkazishda ishtirok etishi mumkin. Demak, qattiq jismda qisman toʻldirilgan zona mavjud boʻlsa, bu jism elektr tokini oʻtkazadi. Aynan shu xususiyat metallarga xosdir. Agar valent zona va oʻtkazish (erkin) zonasi bilan qisman ustma-ust tushsa ham, qattiq jism elektr tokini oʻtkazuvchi boʻladi. Bu Mendeleyev elementlar davriy sistemasidagi II guruh elementlari Be, Mg, Ca, Zn ….larga xos xususiyatdir. Energetik sathlari faqat valent zona va oʻtkazish zonasidan iborat qattiq jismlar, man qilingan zonasining kengligiga qarab dielektriklar va yarim oʻtkazgichlarga ajratiladi.
Agar kristallning man qilingan zonasining kengligi bir necha elektron-volt boʻlsa, issiqlik harakati elektronni valent zonadan oʻtkazish zonasiga sakrata olmaydi va bunday kristallarga dielektriklar deyiladi. Agar man qilingan zona uncha katta boʻlmasa (AE~ 1 eV), elektronni valent zonadan oʻtkazish zonasiga issiqlik yoki biror boshqa taʼsir bilan koʻchirish mumkin. Bunday kristallarga yarim oʻtkazgich-lar deyiladi. Masalan, germaniy uchun AE= 0,72 eV, kremniy uchun AE=1.11 eV ni tashkil qiladi. Shunday qilib, oʻtkazgichlar uchun man qilingan zonaning kengligi noʻlga teng, yarim oʻtkazgichlar uchun 2eV dan oshmaydi, dielektriklar uchun esa 2eV dan katta boʻladi

Toʻsiq sigʻimi

Toʻsiq (yoki zaryad) sigʻimi oʻtish joyidagi potentsial toʻsiqning oʻzgarishi bilan bogʻliq va teskari siljish paytida yuzaga keladi. Bu dielektrik qatlami qulflash qatlami boʻlib xizmat qiladigan tekis kondansatör sigʻimiga teng va p va n — oʻtish joylari plitalar boʻlib xizmat qiladi. Toʻsiq sigʻimi oʻtish maydoniga va yarimoʻtkazgichning nisbiy dielektrik oʻtkazuvchanligiga bogʻliq.