Yarim o‘tkazgichlarning elektr xususiyatlari

Yarim o‘tkazgichlarning elektr xususiyatlari
Yarim o‘tkazgichlar elektr o‘tkazuvchanligi jihatidan metall o‘tkazgichlar va dielektriklar orasida turuvchi materiallar hisoblanishadi. Metall o‘tkazgichlarning solishtirma o‘tkazuvchanligi 104-106Om-1∙sm-1, yarim o‘tkazgichlarniki 10-10-104 Om-1·sm-1, dielektriklarda esa bu qiymat 10-20–10-10Om-1∙sm-1 ni tashkil etadi. Bundan tashqari, barcha metall o‘tkazgichlarning harorat ko‘tarilishi bilan elektr o‘tkazuvchanligi pasaysa, o‘z navbatida yarim o‘tkazgichlarda va dielektriklarda oshadi.
O‘tkazgichlarda ko‘plab miqdordagi erkin elektronlar bo‘lib, ularning yo‘naltirilgan harakati tufayli tok o‘tkazuvchanligi yuzaga keladi. Yarim o‘tkazgichlarda esa erkin elektronlarning soni kam. Yarim o‘tkazgichlarda valentli elektronlarning o‘z atomlari bilan bog‘lanib turishi, ya’ni ularning erkin bo‘lmasligi bilan bu holat tushuntiriladi. Yarim o‘tkazgichlarning yana bir o‘ziga xos xususiyati shundan iboratki, ularga tashqi tomondan ta’sir ko‘rsatish, ya’ni qizdirish, nurlantirish va aralashmalar qo‘shish hisobiga tok hosil qilish va ularni keng chegaralarda o‘zgartirish mumkin. Bu yarim o‘tkazgichlardagi valentli elektronlarning energiyasini oshishiga sabab bo‘ladi. Ushbu energiya hisobiga valentli elektronlar o‘z atomlaridan ajralib chiqadi va berilgan kuchlanish ta’sirida yo‘naltirilgan xarakatga kelishadi, ya’ni tok tashuvchilar yuzaga keladi.
Q anchalik yarim o‘tkazgichning harorati yuqori yoki intensiv ravishda nurlantirish amalga oshirilsa, shunchalik unda erkin elektronlar soni ko‘p, natijada yarim o‘tkazgichda tokning miqdori ham yuqori bo‘ladi. Buning natijasida yarim o‘tkazgichda elektron elektr o‘tkazuvchanlik yoki p-tipidagi* o‘tkazuvchanlik yuzaga keladi. Erkin elektronlar yarim o‘tkazgichning o‘z atomiga tegishli bo‘lganligi bois, bunday elektr o‘tkazuvchanlik – xususiy o‘tkazuvchanlik deb ataladi.
Elektronlarini yo‘qotgan yarim o‘tkazgich atomlari musbat zaryadlangan ionlarga aylanishadi. Ushbu atomlar o‘z joylarida mustahkam turgan holda harakatlanisha olishmaydi. Atomning tashqi orbitasida elektron ketgan joy – teshik deb ataladi. Bu joyni qo‘shni atomni tashlab ketgan boshqa bir elektron egallashi mumkin. Shu tarzdagi elektronlarning saqrashi hisobiga qo‘shni atomda ham teshik paydo bo‘ladi, ya’ni u musbat zaryadlangan zarracha ionga aylanadi.
Agar yarim o‘tkazgichga elektr kuchlanish berilsa, elektronlar bir atomdan boshqasiga bir xil yo‘nalishda harakatga keladi. Teshiklar esa qarama-qarshi yo‘nalishda paydo bo‘ladi. Zaryadi elektron zaryadiga teng bo‘lgan musbat zaryadlangan zarracha teshik deb ataladi.
Elektronlar harakatiga qarama-qarshi yo‘nalgan teshiklarning harakati teshikli tok deb ataladi. Teshikli tok tufayli yuzaga kelgan yarim o‘tkazgichning elektr o‘tkazuvchanligi teshikli yoki n-tipidagi* o‘tkazuvchanlik deyiladi.
Shunday qilib, elektronlarning bir yo‘nalish, teshiklarning qarama-qarshi yo‘nalish bo‘yicha harakatlanishi yarim o‘tkazgichlarning xususiy o‘tkazuvchanligini belgilaydi, chunki tok tashuvchilar (elektronlar va teshiklar) yarim o‘tkazgichning xususiy atomiga tegishli hisoblanishadi.
Bu holatda umumiy tok I elektron Ie va teshikli toklar It ning yig‘indisidan tashkil topadi.
Yarim o‘tkazgichlarning xususiy elektr o‘tkazuvchanligi paytida elektronlar Ne va Nt teshiklar soni bir biriga teng. Ammo Ia > It, chunki, elektronlarning harakatchanligi teshiklarnikidan yuqori. Tok tashuvchilarning harakatchanligi elektronlar υe yoki va teshiklar harakat tezligi υt ning yarim o‘tkazgichdagi elektr maydoni kuchlanishi E ga nisbatiga teng.
Bu paytda elektronlarning harakatchanligi μe=υe/E, teshiklar harakatchanligi μd=υt /E ga tengligi aniqlanadi. Shunday qilib, hxarakatchanlik E = 1 V/sm kuchlanish ostida 1 s ichida elektron yoki teshiklarning qancha masofa bosib o‘tganligini ko‘rsatadi. Yuqoridagilarni hisobga olib, elektron va teshikli toklar uchun quyidagi ifodani yozish mumkin:
bu erda e — elektrona yoki teshikning zaryadi; E — elektr maydoni kuchlanishi.
Bu paytda Yarim o‘tkazgichdagi umumiy tok quyidagiga teng:
Yarim o‘tkazgichlarning xususiy elektr o‘tkazuvchanligi paytida elektronlar soni teshiklar soniga teng, ya’ni
Ushbu ifodani hisobga olgan holda (8) formulani quyidagicha yozish mumkin:
* p – lotincha «negativus» so‘zining birinchi harfidan olingan bo‘lib, manfiy ma’nosini bildiradi, chunki elektron – manfiy zaryadlangan zarracha hisoblanadi.
* r - lotincha «pozitivus» so‘zining birinchi harfidan olingan bo‘lib, musbat ma’nosini bildiradi, chunki teshik – musbat zaryadlangan ionni hosil bo‘lganligini bildiradi.
Yarim o‘tkazgichli to‘g‘rilagichlar yaratish uchun ko‘pincha p - yoki n-tipidagi elektr o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan yarim o‘tkazgichli materiallar kerak bo‘ladi. Shuning uchun, 10-9 — 10-11 (massasi bo‘yicha) miqdordagi aralashmasi bo‘lgan yaxshilab tozalangan yarim o‘tkazgichga o‘lchangan qiymatlarda legirlovchi aralashma qo‘shiladi.
Atomlari yarim o‘tkazgichlarni erkin elektronlar bilan ta’minlovchi legirlovchi aralashmalar donorli* aralashmalar deb ataladi. Yarim o‘tkazgich atomlariga nisbatan kichik valentlikka ega bo‘lgan aralashma atomlari o‘zlariga elektronlarni qo‘shib olish xususiyatiga ega. Bunday aralashmalar akseptor aralashmalar deyiladi.
Elektron o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan yarimo‘tkazgich olish uchun, uning tarkibiga asosiy yarim o‘tkazgich atomi valentligidan bitta valentlikka yuqori bo‘lgan atomli moddalar qo‘shiladi. To‘rt valentli bo‘lgan germaniy (Ge) atomiga, atomi besh valentli bo‘lgan surma (Sb) yoki fosfor (P) qo‘shiladi.
Kiritilgan aralashmalar har bir atomining to‘rtta elektroni asosiy yarim o‘tkazgich atomlari bilan chambarchas kovalent (juft) bog‘lanish hosil qilishadi, beshinchi elektron esa bunday aloqada qatnashmaydi.
2-rasm. Donor aralashma sifatida fosfor qo‘shilgan yassi kristall panjarali germaniy
O‘z navbatida ushbu elektron erkin holatga o‘tishi va berilgan kuchlanish ta’sirida yarim o‘tkazgichda elektronli tokni yuzaga keltirishi mumkin. Rasmdan ko‘rinib turibdiki, asosiy tok taShuvchilar elektronlar hisoblanishadi. Ular n-tipidagi aralashmali elektr o‘tkazuvchanlikni hosil qilishadi.
Germaniy atomini ionlashlashtirish hisobiga uchta elektron va unga mos ravishda uchta teshik hosil qilinadi. Ushbu tok tashuvchilar yarim o‘tkazgichning xususiy elektr o‘tkazuvchanligini yuzaga keltiradi. Yarim o‘tkazgichda umumiy tok elektron va teshikli toklarning yig‘indisiga teng, ammo elektron tok teshikli tokka nisbatan ko‘p marta katta (2-rasm).
*Donor – lotincha «donare» so‘zidan olingan bo‘lib, sovg‘a qilish, berish ma’nolarini bildiradi.
*Akseptor - lotincha «akseptare» so‘zidan olingan bo‘lib, qabul qilish, olish ma’nolarini bildiradi.
3-rasm. Donor aralashmali yarim o‘tkazgichlarda elektron va teshiklarning harakat sxemasi
Agar germaniyga qandaydir akseptorli aralashma, misol uchun bor (B) qo‘shilsa, aralashmalarning har bir atomlari germaniy atomi bilan mos ravishda uchta kovalent bog‘lanish hosil qilishadi. Ammo, borda faqatgina uchta valentli elektronlar bo‘lganligi bois, germaniyning yaqin bo‘lgan uchta atomlari bilan aloqa o‘rnatishi mumkin. Germaniyning to‘rtinchi atomi bilan bog‘lanadigan borning to‘rtinchi elektroni yo‘q. Shunday qilib, germaniyning bir nechta atomlarida bittadan kovalent bog‘lanmagan elektronlari hosil bo‘lib qoladi. Unchalik katta bo‘lmagan tashqi ta’sir tufayli elektronlarni joylarini tashlab ketgazishga va germaniy atomlarida teshiklarni yuzaga kelishiga erishish mumkin (3-rasm).
4-rasm. Akseptor aralashma sifatida bor elementi qo‘shilgan yassi kristall panjarali germaniy: 1,3 va 5 – hosil bo‘lgan teshiklar; 2,4 va 6 ozod bo‘lgan elektronlar
Ozod bo‘lgan 2,4 va 6 germaniy atomining elektronlari bor atomi bilan bog‘lanadi. Bor atomlari bilan egallangan 2,4 va 6 elektronlar yarim o‘tkazgichda elektr toki hosil qila olishmaydi. Germaniy atomida hosil bo‘lgan 1,3 va 5 teshiklar o‘rniga qo‘shni atomlardan elektronlar o‘ta boshlaydi. Ularning o‘rnida o‘z navbatida yangidan teshiklar paydo bo‘ladi.
Shunday qilib, hosil bo‘lgan musbat zaryadli teshik germaniyning bir atomidan boshqasiga, undan esa keyingisiga o‘tadi va hokazo. Berilayotgan kuchlanish hisobiga bu teshiklarning harakati tartibga solinadi, ya’ni yarim o‘tkazgichda teshikli tok hosil bo‘ladi, buning natijasida n-tipidagi elektr o‘tkazuvchanlik yuzaga keladi. Yarim o‘tkazgichlarda aralashmali n-tipidagi elektr o‘tkazuvchanlikdan tashqari germaniy atomining erkin holdagi bir qancha elektron va teshiklar jufti ham bo‘ladi. O‘z navbatida xususiy elektr o‘tkazuvchanlik ham kuzatiladi.
Yarim o‘tkazgichda umumiy tok ilgarigidek elektron va teshikli toklarning yig‘indisiga teng, bu holatda teshikli tokning qiymati elektronnikidan etarli darajada yuqori bo‘ladi. 4-rasmda akseptor aralashmali yarim o‘tkazgichda teshik va elektronlarning harakat sxemasi tasvirlangan. Sxemadan ko‘rinib turibdiki, musbat zaryadlangan zarrachalar (teshiklar) elektronlardan anchagina ko‘p. Ko‘rib o‘tilgan misollar shuni ko‘rsatadiki, aralashmalar sezilarli darajada yarim o‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligini oshiradi.
5-rasm. Akseptor aralashmali yarim o‘tkazgichlarda elektron va teshiklarning harakat sxemasi
Berilayotgan kuchlanish ta’siri hisobiga elektron va teshiklar yarim o‘tkazgichda harakat paytida turli xil to‘siqlarga uchraydi. Bu paytda ular o‘zlarining ma’lum bir energisini yo‘qotishadi va o‘z yo‘lidan chekkaga og‘ishi mumkin, ya’ni tok tashuvchilarning behudaga tarqalishi kuzatiladi. Bu holatning yuz berishi asosan turli xil zararli aralashmalarga bog‘liq. Qanchalik yarim o‘tkazgich toza bo‘lsa, shunchalik tok tashuvchilar behudaga kamroq tarqaladi va shunchalik elektron va teshiklarning harakatchanligi yuqori bo‘ladi.
Harorat oshishi bilan barcha yarim o‘tkazgichlarning o‘tkazuvchanligi oshadi (5-rasm) hamda yarim o‘tkazgichga qancha ko‘p donorli va akseptorli aralashma kiritilgan bo‘lsa, shunchalik o‘tkazuvchanlik intensiv ravishda o‘sadi. T1 haroratgacha yarim o‘tkazgichda aralashmalar zaryadining yo‘naltirilgan harakati hisobiga yuzaga kelgan aralashmali o‘tkazuvchanlik kuzatiladi. T1-T2 harorat chegarasida yarim o‘tkazgichning o‘tkazuvchanligi bir muncha pasayadi. Bu holat, uning atomlarida kuzatiladigan erkin elektron va teshiklarning harakatiga to‘sqinlik qiladigan intensiv darajadagi issiqlik tebranishlari hisobiga yuz beradi. Haroratni yanada oshirganda (T2 dan yuqori) yarim o‘tkazgichda xususiy o‘tkazuvchanlik yuzaga keladi va ko‘plab yangi teshik va elektronlar paydo bo‘ladi. Ularning yo‘naltirilgan harakati hisobiga yarim o‘tkazgichlarda tokning qiymati oshadi. Buning hisobiga yarim o‘tkazgichning solishtirma o‘tkazuvchanligi keskin ko‘tariladi.
6-rasm. Yarim o‘tkazgich solishtirma o‘tkazuvchanligining haroratga bog‘liqlik grafigi: 1–legirlovchi aralashma kam qatnashgan (kichik konsentratsiyali) yarim o‘tkazgich; 2-legirlovchi aralashma ko‘p qatnashgan (yuqori konsentratsiyali) yarim o‘tkazgich
2 egri chiziq T1-T2 harorat intervalida yuqori darajada legirlangan yarim o‘tkazgich o‘tkazuvchanligining pasayganligini ko‘rsatmaydi. Bu holatning kuzatilishiga yarim o‘tkazgichga ko‘plab darajadagi aralashmali elektron va teshiklarning kiritilganligi sabab bo‘ladi. Ushbu aralashmali tok tashuvchilarning qatnashishi T1-T2 haroratlarda to‘liq darajada yarim o‘tkazgichlar o‘tkazuvchanligi turg’un bo‘lishiga ko‘maklashadi.
Absolyut nol harorat sharoitida (-273ºC) elektronlar o‘z harakatchanligini yo‘qotiladi, shuning uchun yarim o‘tkazgichlar dielektriklarga aylanadi.
Yarim o‘tkazgichlarda tokning berilgan kuchlanishga chiziqli bo‘lmagan bog‘liqligi, yarim o‘tkazgichning xarakterli xususiyati hisoblanadi, ya’ni bu paytda tok I kuchlanish U ga nisbatan sezilarli darajada tezroq o‘sadi (6-rasm). Shu bilan birgalikda tok I oshishi bilan yarim o‘tkazgichning elektr qarshiligi R kamayadi.
7-rasm. Yarim o‘tkazgichda tok va qarshilikning berilayotgan kuchlanishga bog‘liqlik grafigi
Kuchlanishni +U dan –U ga o‘zgartirganda tok yarim o‘tkazgichda teskari yo‘nalishda harakatlanadi va 7-rasmda ko‘rsatilgan qonun bo‘yicha o‘zgaradi. Demak, yarim o‘tkazgich simmetrik bo‘lgan voltamper xarakteristikasiga ega ekan.
8-rasm. Yarim o‘tkazgichning simmetrik volt-amper xarakteristikasi
Agar ikkita bir-biri bilan zich kontakt holatida joylashgan yarim o‘tkazgichlarni olib, ularning biri p–tipidagi, ikkinchisi esa n-tipidagi elektr o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lishsa, bu paytda ular nosimmetrik voltamper xarakteristikasiga ega bo‘lishadi (8-rasm).Toklar bir yo‘nalish bo‘yicha xarakatlanganda ushbu ikkita yarim
o‘tkazgichlar tizimi juda kichik qarshilikka ega bo‘ladi, teskari yo‘nalishda harakatlanganda esa qarshilikning yuqori bo‘lishi kuzatiladi. Turli xil tipga ega bo‘lgan ikkita yarim o‘tkazgichlar tizimida har xil yo‘nalishlarda o‘tadigan tok o‘tkazuvchanligi ham turlicha bo‘ladi. Bu paytda to‘g‘ri tok Ito‘g‘. berilayotgan kuchlanish ortishi bilan tezda o‘sadi. Ushbu tizimga –U kuchlanish bersak, boshlang‘ich paytda ushbu tizim orqali teskari yo‘nalishdagi tok o‘tmaydi.
9-rasm. Yarim o‘tkazgichning nosimmetrik voltamper xarakteristikasi
Teskari kuchlanish miqdori oshirilganda juda kichik miqdordagi teskari tok hosil bo‘ladi.
Shunday qilib, turli xil tipdagi elektr o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan ikkita yarim o‘tkazgichlar tizimi teskari yo‘nalishdagi tokni o‘tkazmaydi. Yarim o‘tkazgichlarning ushbu xususiyati yarim o‘tkazgichli to‘g‘rilagichlarda keng qo‘llaniladi. Bunday tizimga yuqori teskari kuchlanish berilganda ushbu ikki yarim o‘tkazgichlarning bir-biriga tegish joyida elektr teshilish sodir bo‘lishi mumkin. Turli xil tipdagi elektr o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan ikkita yarim o‘tkazgichlarning bir biriga jips tekkan joyi n-p o‘tish deb ataladi. Ushbu tizimli ikkita yarim o‘tkazgichlarga o‘zgaruvchan kuchlanish berilganda, n-p o‘tish faqat unga o‘zgaruvchan kuchlanishning yarim davri berilgandagina tokni o‘tkazadi.
|