Yarim o - Elektrotehnika va elektronika

16.4 Yarim o‘tkazgichlarning xususiyatlari.
Yarimo‘tkazgichlar, ularning xususiyatlari tufayli, o‘tkazgichlar va
dielektriklar o‘rtasida maxsus - oraliq holatni egallaydi. Yarimo‘tkazgichlarning
bir qator xususiyatlari ularning zamonaviy jihozlarda keng qo‘llanilishini
belgilaydi. Yarimo‘tkazgich qurilmalarini ishlab chiqarish texnologiyasi juda tez
rivojlanmoqda. Yaxshilangan tavsiflarga ega yarimo‘tkazgichli qurilmalar, shu
jumladan,
yangi
fizik
tamoyillarga
asoslanib
ishlaydigan
qurilmalar
yaratilmoqda.
Ko‘plab
elementlar
va
noorganik
birikmalar
va
moddalarni
yarimo‘tkazgichlarga kiritish mumkin - bular kremney, germaniy, indiy, fosfor
va boshqalar kabi kimyoviy elementlar oksidlar, sulfidlar, selenidlar va
telluridlar, ayrim qotishmalar va bir qator minerallardir. Kremniy karbidi va
arsenid galliy asosida yarimo‘tkazgichlar juda istiqbolli.
Yarimo‘tkazgichlar kristalli, amorfli va suyuq bo‘ladi.
Yarimo‘tkazgichlar metall va dielektriklar o‘rtasidagi aniq solishtirma elektr
o‘tkazuvchanligi mavjud bo‘lgan moddalarni o‘z ichiga oladi. Xona haroratida
yarim o‘tkazuvchilarning solishtirma elektr o‘tkazuvchanligi 10
-10
dan 10
3
Om
-
1
·sm
-1
ga (metall uchun 10
4
...10
6
Om
-1
·sm
-1
, dielektriklar uchun - 10
-12
…10
-11
Om
-
1
·sm
-1
) . Yarimo‘tkazgichlar texnikasida odatda faqat kristall yarimo‘tkazgichlar
(asosiy moddalarning 10
10
ta atomiga bir nechta kiritilgan atomining
aralashmalari bilan qo‘shiladigan kristallar).
Yarimo‘tkazgichlarning metallardan asosiy farqi, harorat ko‘tarilganda
o‘ziga xos elektr o‘tkazuvchanligining ortishi hisoblanadi. Metallarda esa harorat
oshib borishi bilan ularning elektr o‘tkazuvchanligi pasayadi.
Qurilmalarni loyihalashdagi muhim ustunligi yarim o‘tkazgichlarning elektr
o‘tkazuvchanligini tashqi ta’sirlarga: issiqlik, nurlanish, elektr va magnit
229
maydonlarga, bosim, tezlanishga, shuningdek, oz miqdorda aralashmalar
tarkibiga bog‘liqligi hisoblanadi.
16.4-rasm. Kristalli panjaradagi
bog‘lanishlar.
Yarimo‘tkazgichlarning xususiyatlari, qattiq moddalarning zonalar
nazariyasi yordamida yaxshi tushuntiriladi. Ushbu nazariyaga ko‘ra,
moddalarning atomlari yadro va yadro atrofida yopiq orbitada harakatlanadigan
elektronlardan iborat. Atomdagi elektronlar qobiqlarda guruhlanadi(bo‘linadi).
Asosiy yarimo‘tkazgichli materiallarda yarimo‘tkazgichli qurilmalarni yaratish
uchun - kremniy va germaniyni ishlatiladigan asosiy yarimo‘tkazgich materiallari
kristalli tetraidrik panjaradan foydalaniladi.
Har bir valentli elektron, ya’ni atomning tashqi, to‘lmagan qobig‘ida
joylashgan elektronlar, kristallda nafaqat o‘ziga, balki qo‘shni atom yadrosiga
ham tegishli. Kristall panjaradagi barcha atomlar bir-biridan bir xil masofada
joylashgan va kovalentli bog‘langan (ikki atomning valentligi ega elektron jufti
o‘rtasidagi bog‘liqlikga kovalent bog‘liqlik deyiladi, 16.4-rasmda germaniy
uchun ikki chiziqni ko‘rsatadi). Mazkur bog‘lanishlar ancha kuchli, va ularni
uzib tashlash uchun tashqi tomondan energiya qo‘yilish talab etiladi.
W elektron energiyasi diskretli bo‘lganligi uchun, elektron faqat uning
energiyasiga mos keladigan orbita bo‘ylabgina harakatlanishi mumkin.
Elektronlar egallashi mumkin bo‘lgan energetik daraja(sath), 16.5a.– rasmga
binoan keltirilgan diagrammada yaqqol tasvirlangan. Orbita yadrodan qanchalik
uzoq bo‘lsa, undagi elektronning energiyasi va energetik darajasi(sathi) (16.5a-
rasmda I, II, III tasvirlar) shunchalik yuqoriroq bo‘ladi. Barcha energetik
darajalar(sathlar) elektronlar uchun taqiqlangan energiyaga mos keladigan
taqiqlangan zonalar ΔW bilan ajratiladi. Energetik zonada ruxsat etilgan
daraja(sath)larning soni kristaldagi atomlar soniga teng. Ruxsat etilgan
230
zonalarning kengligi odatda bir necha elektron voltga teng. Elektronlar mavjud
bo‘lmagan, ruxsat etilgan, zonalar erkin deb ataladi (16.5-rasmda a I tasvir).
Nolga teng bo‘lgan haroratda elektronlari mavjud emas va yuqori haroratlarda
ular mavjud bo‘lgan erkin zonani o‘tkazuvchanlik zonasi deb ataladi. Qattiq
metallarning metall, yarim o‘tkazgich va dielektriklarga ajratilishi valentli
zona(I, II) bilan o‘tkazuvchanlik zonasi o‘rtasidagi ruxsat etilmagan zonanibg
kengligiga asoslangan, shuningdek, ruxsat etilgan energetik sathlarini to‘ldirish
darajasidan kelib chiqadi (16.5-rasm b-tasvirda mos ravishda metallar,
yarimo‘tkazgichlar va dielektriklardagi energetik sathlar ko‘rsatilgan).
Ruxsat etilmagan ΔW zonaning eni xususiy o‘tkazuvchanligining faollashuv
energiyasini aniqlaydi. Metalllar uchun u nolga teng, yarimo‘tkazgichlar uchun 2
eV dan kam va dielektriklar uchun 2 eV dan ortiq.
Biror element o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lishi uchun, u erkin zaryad
tashuvchilarga ega bo‘lishi kerak. Yarimo‘tkazgichlarda, zaryad tashuvchilar
elektronlar va kavaklardir. Metallarda tashuvchilar elektronlardir.
Nol haroratida, kiritmalari bo‘lmagan yarimo‘tkazgichlarda, erkin bepul
zaryad tashuvchilari mavjud emas. Biroq,
Shakl. 16.5-rasm. Energetik sathlar.
a - energiya darajasining zonalari; b - metall, yarimo‘tkazgich va dielektrik
energiya sathi.
tashqi ta’sirda, masalan, haroratning oshishi bilan kovalent bog‘lanishlarning bir
qismi uzilishi va erkin bo‘lgan valentli elektronlar o‘z atomlarini tark etishi
mumkin. Elektronni yo‘qotish atomni musbat ionga aylantiradi. Elektron ilgari
joylashgan joydagi bog‘lanishlarda erkin(bo‘sh) joy – kavak paydo bo‘ladi.
Kavakning zaryadi manfiy va absolyut qiymati bo‘yicha elektronning
zaryadiga teng bo‘ladi. Erkin joy - kavak qo‘shni atomning valentli elektronini
to‘ldirishi mumkin, bu yerda kovalent bog‘lanish va hokazolarda yangi bo‘sh
231
kavak hosil bo‘ladi. Shunday qilib, valentli elektronlarining ko‘chishi bilan bir
vaqtda kavaklar ham birga harakatlanadi. Bunday holda, atomdan elektronning
erkin bo‘lib chiqishi ionlashishga olib keladi va kavakning keyingi ko‘chishi esa
kristall panjara bilan mustaxkam bo‘g‘langan atomlarning navbatli ionlashishini
bildiradi. Elektr maydoni mavjud bo‘lmasa, o‘tkazuvchanlik elektronlari xaotik
issiqlik harakatni amalga oshiradi. Agar yarimo‘tkazgichni tashqi elektr
maydonida joylashtirilsa, u holda elektronlar xaotik issiqlik harakatida ishtirok
etadi va kavaklar elektr tokning oqimini hosil qiladigan maydon ta’sirida
harakatlana boshlaydi. Mazkur holda, elektronlar elektr maydoni yo‘nalishiga
teskari yo‘nalishda va kavaklar maydon yo‘nalishi bo‘yicha harakatlanadi.
Kovalent
aloqalarning
buzilishidan
kelib
chiquvchi
aralashmasiz
yarimo‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligini xususiy elektr o‘tkazuvchanligi
deb ataladi.
Zonali nazariyaga muvofiq, nol haroratda valentli zonaning barcha energetik
sathlari elektronlar bilan band bo‘ladi. Agarda, elektronlarga tashqaridan,
faollashtirish ΔW energiyasidan katta bo‘lgan energiya kiritilsa, u holda valentli
elektronlarning bir qismi o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tadi. Elektronlarning
valentli zonani tark etishi tufayli u yerda soni ketgan elektronlarning soniga teng
bo‘lgan kavaklar hosil bo ‘ladi (16.6, rasm 1-tasvir).
Guruh nazariyasiga ko'ra, valentlik bandining barcha energiya sathlari nolga
teng haroratda elektronlar tomonidan ishg'ol qilinadi. Agar elektronlar aktiv
energiya ΔW dan yuqori bo'lgan tashqi energiyadan xabardor bo‘lsa, u holda
valentlik elektronlarining bir qismi o'tkazgich bandiga o'tadi. Valantsion banddan,
undagi kavaklar hosil bo'ladi, ularning soni elektronlar soniga tengdir (16.6, 1-
rasm). Natijada, elektronlarharakatlanishining valentlik zonasida(elektronli
o‘tkazuvchanlik yoki n-o‘tkazuvchanlik) kavaklarning yo‘nalishiga teskari
yo‘nalishda harakatlanishiga sabab bo'ladi (kavakli o‘tkazuvchanlik yoki p-
o‘tkazuvchanligi).
Elektronlar valentlar qatorida harakat qilishlariga qaramay, kavaklarning
harakatini hisobga olish odatda qulaydir. Valentli zonada elektronlar harakatlansa
ham, odatda, kavaklarning harakatini qarash(o‘rganish) qulay bo‘ladi. Agarda
kavak electron bilan to‘lsa hosil bo‘lgan electron-kavakli juftliklari yo‘q bo‘lib
ketishi mumkin. Bunday holda, elektron erkin holatga o‘tmaydi va harakatlaninsh
imkonini yo‘qotadi, atomning ortiqcha musbat ioni esa neytral holatga o‘tadi.
Zonali nazariyaga muvofiq rekombinatsiyani elektronlarni o‘tkazuvchanlik
zonasidan valentli zonaning erkin(bo‘sh qolgan) joylariga o‘tishi kabi qarash
mumkin. Elektronlarning yuqori energetic sathdan quyi energetic sathga o‘tishi
energiyaning ajralib chiqish bilan kuzatiladi. Mazkur energiya yoki yorug‘lik
232
kvantlari(fotonlar)
kabi
nurlanadi,
yoki
kristalli
panjaraga
issiqlik
tebranishlari(fononlar) shaklida uzatiladi.
Shu bilan birga, ham kavak, ham elektron yo‘qoladi. Elektron va kavakni
birlashish jarayoni rekombinatsiya deb nomlanadi(16.6-rasm 2-tasvir). Guruhlar
nazariyasiga muvofiq rekombinatsiya elektronlarning o'tkazuvchanlik guruhidan
valentlik bandidagi erkin joylarga o'tishlari sifatida qaralishi mumkin.
Elektronlarni yuqori energiya darajasidan past darajaga o'tkazish yorug'lik kvantasi
(fotonlar) shaklida chiqariladigan yoki issiqlik salınımları (nonsonlar) shaklida
kristalli panjara uzatilgan energiyani chiqarish bilan birga keladi.
Juft zaryad eltuvchilarning o‘rtacha mavjud bo‘lish vaqti deb zaryad
eltuvchilarning umriga(mavjud bo‘lishiga) aytiladi. Zaryad eltuvchining umri
bo‘yi(mavjud bo‘lishi) vaqtida o ‘tilgan o ‘rtacha masofani - zaryad eltuvchining
|