Yarimo’tkazgichlarning xususiyatlari

|
Yarimo’tkazgichlarning xususiyatlari
|
bet | 40/119 | Sana | 14.06.2024 | Hajmi | 4,04 Mb. | | #263652 | Turi | Учебник |
Bog'liq 21558 2 CDEAD1DE360DB13C9B7A03EFD7ECBD40E7F94F1FYarimo’tkazgichlarning xususiyatlari. Zamonaviy elektronika qurilmalari yarimo’tkazgichli materiallardan tayyorlanadi. Yarim o’tkazichlar kristall, amorf va suyuq bo’ladi. Odatda yarim o’tkazgichlarga solishtirma elektr o’tkazuvchanligi s metallar va dielektriklar oralig’ida bo’lgan yarim o’tkazgichlar kiradi (ularning nomi ham shundan kelib chiqqan). Xona temperaturasida ularning solishtirma elektr o’tkazuvchanligi = ni tashkil etadi. Metallarda
= , dielektriklarda esa = . Yarimo’tkazgichlarning asosiy xususiyati shundaki, temperatura ortgan sari ularning solishtirma elektr o’tkazuchanligi ham ortib boradi, metallarda esa kamayadi. Yarimo’tkazgichlarning elektr o’tkazuvchanligi yorug’lik bilan nurlantirish va hatto juda kichik kiritma miqdoriga bog’liq.
Yarimo’tkazgichlarning xossalari qattiq jism zona nazariyasi bilan tushuntiriladi.
4.1-rasmda dielektrik, yarimo’tkazgich va metall o’tkazgichlarning (0 K temperaturada) energetik diagrammalari farqi keltirilgan.
4.1-rasm. Dielektrik, yarimo’tkazgich va metall o’tkazgichlarning (0 K temperaturada) energetik diagrammalari.
Taqiqlangan zona kengligi barcha dielektriklarda turlicha bo’lib, 8 eV gacha yetishi mumkin. Mikrozarralarning harakati kvant mexanika qonunlariga bo’ysunadi. Masalan, atomdagi bog’langan elektronlarda energiya faqat aniq, kvantlangan qiymatlar olishi mumkin. Qattiq jismda bu energiya sathlari taqiqlangan energiya sohalari bilan ajralgan zonalarga uyushadi. Pauli prinsipiga ko’ra, elektronlar pastki sathda yig’ilib qolmay, turli energiya sathlarida joylashadi. Buning natijasida zonadagi barcha energiya sathlari to’ldirilishi mumkin. Bunday qattiq jism dielektrik bo’ladi. Bundagi elektron energiyasini faqat birdaniga eng oxirgi kattalikkacha (taqiqlangan soha kengligicha, yoki, odatda aytilishicha energiya tirqishigacha) o’zgartirish mumkin. Shuning uchun dielektrikdagi elektronlar elektr maydonida tezlasha olmaydi va nolinchi temperaturada (issiqlik uyg’otishlar bo’lmaganda) o’tkazuvchanlik nolga teng bo’ladi (qarshilik cheksizdir).
Metallarda, aksincha, energiyaning yuqorigi to’lgan sathi zona ichida yotadi, elektronlar energiyasi deyarli uzluksiz o’zgarishi mumkin va elektr maydon tok
hosil qiladi. Elektronlarning maydon bo’ylab tartiblangan harakatiga intensiv tartibsiz harakat qo’shiladi. Elektronlarning maksimal energiyasi ularning konsentratsiyasi bilan belgilanadi. Tipik metallarda bu kattalik elektron-volt tartibidadir. Bu energiyaga mos temperatura ~ K. Shu sababli hatto absolyut nol haroratda ham metalldagi elektronlarning bir qismi keskin harakatlanadi va g’oyat yuqori effektli temperaturaga ega bo’ladi.
Yarimo’tkazgich — kichik energiya tirqishiga ega bo’lgan dielektrik. Issiqlik harakati elektronlarni erkin zonaga (uni to’lgan valent zonadan farqli ravishda o’tkazuvchanlik zonasi deyiladi) «uloqtirib» chiqargandan so’ng, u yerda ular elektr maydonda tezlashadi. Shu sababli, odatda yarimo’tkazgichlar temperaturaga keskin bog’liq bo’lgan kichik o’tkazuvchanlikka ega bo’ladi. Yarimo’tkazgich o’tkazuvchanligiga, shuningdek, maxsus kirishmalar kiritish orqali ta’sir ko’rsatish mumkin. Yarimo’tkazgich kristallar murakkab elektron yarimo’tkazgich asboblar, jumladan integral sxemalar deb ataladigan asboblar yaratish imkonini beradi. Hozirgi paytda shunday integratsiya darajasiga erishilganki, millionlab alohida elementlar 1 yuzada joylashishi mumkin. Bunday qurilma xuddi yagona kristallni hosil qiladi va shuning uchun ham texnikaning yangi sohasini bejiz qattiq jism elektronikasi deyishmaydi.
Yarimo’tkazgichlar - elektr tokini yaxshi o’tkazuvchi moddalar (o’tkazgichlar, asosan metallar) va elektr tokini amalda o’tkazmaydigan moddalar (izolyatorlar yoki dielektriklar) orasidagi oraliq vaziyatni egallagan moddalar sinfi. Yarimo’tkazgichlarning xossalari va xarakteristikalari ularning tarkibidagi kirishmalarning mikroskopik miqdoriga kuchli bog’langandir. Yarimo’tkazgich tarkibidagi kirishma miqdorini protsentning o’n millionli ulushlaridan to 0,1-1 % gacha o’zgartirib, uning elektr o’tkazuvchanligini millionlarcha marta oshirish mumkin. Yarimo’tkazgichlarning boshqa bir muhim xossasi shundaki, ularda elektr tokini o’tkazishda faqat manfiy zaryadlar - elektronlar emas, balki (qiymati elektron zaryadiga teng) musbat zaryadlar - kovaklar ham qatnashadi.
Misol uchun yarim o’tkazgichning tipik vakili bo’lgan germaniyni qaraylik. Uning tartib nomeri 32 va to’rtta elektron qobig’i mavjud: 1-qobig’ida 2 ta; 2- qobig’ida 8 ta, 3-qobig’ida 18 ta, 4-qobig’ida esa 4 ta elektron joylashgan. Uchta ichki qobiqdagi elektronlar turg’un bo’lib, kimyoviy reaksiyalarda ishtirok etmaydi. Oxirgi to’rtinchi qobiqdagi elektronlar esa atom yadrosi bilan juda kuchsiz bog’langan.
Aynan shu elektronlar elementning boshqa atomlarning nechtasi bilan kimyoviy bog’lanishga kira olish qobiliyatini ko’rsatib mazkur elementning valentligini aniqlaydi. Shuning uchun ham oxirgi qobiqdagi elektronlarga tashqi yoki valentli elektonlar deyiladi. Tashqi qobiqda to’rtta elektroni mavjud bo’lgan germaniyning valentligi to’rtga teng. Mazkur atomga boshqa atomlar yaqinlashganida valent elektronlar boshqa atomning valent elektronlari bilan oson ta’sirlashadi va kimyoviy bog’lanish hosil qiladi. Atom qobig’iga ma’lum energiya berilganda atomning ionlashuvi ro’y berishi mumkin. Aynan so‘nggi qobiqdagi elektronni ozod qilish uchun eng kam energiya taqozo qilinadi. Germaniy, kremniy va yarim o’tkazgichlarning boshqa bir qancha vakillari kristall moddalar hisoblanadi. Ularning atomlari ma’lum qonuniyatlarga muvofiq joylashgan bo’ladi.
Agar hech qanday kirishmalar mutlaqo bo’lmagan ideal yarimo’tkazgich kristallni olsak, uning elektr tokini o’tkazish xususiyati xususiy elektr o’tkazuvchanlik deb ataluvchi kattalik bilan aniqlanadi. Kimyoviy jihatdan toza yarim o’tkazgichlar xususiy yarim o’tkazgichlar deb ataladi. Ularga bir qator kimyoviy toza elementlar (germaniy-Ge, kremniy-Si, selen-Se, tellur-Te) va kimyoviy birikmalar (galliy arsenidi– GaAs, indiy arsenidi-InAs, indiy antimonidi
- InSb, Karbid kremniy-SiC va xokazolar) kiradi.
Yarimo’tkazgich kristallda atomlar tashqi elektron qobig’i elektronlari yordamida o’zaro bog’langan. Atomlarning issiqlik tebranishlari vaqtida issiqlik energiyasi bog’lanish hosil qiluvchi elektronlar orasida notekis taqsimlangan bo’ladi. Ayrim elektronlar o’z atomidan «uzilib ketish» va kristallda erkin ko’cha
olish imkonini beradigan yetarli miqdordagi issiqlik energiyasiga ega bo’lib olishi
mumkin (boshqacha aytganda, ular o’tkazuvchanlik zonasiga o’tadi). Elektronning bunday «uzilib ketishi» atomning elektr neytralligini buzadi, unda «ketib qolgan» elektron zaryadiga miqdoran teng musbat zaryad vujudga keladi. Elektrondan bo’shab qolgan bu holatni kovak deyiladi. Bo’sh holatni (vakant joyni) qo’shni bog’lanishdagi elektron egallashi mumkin bo’lgani sababli kovak ham kristall ichida ko’chib yura oladi va u musbat zaryadli tok tashuvchilik vazifasini o’taydi. Tabiiyki, bunday sharoitda elektronlar va kovaklar teng miqdorda vujudga keladi va bunday ideal kristallning elektr o’tkazuvchanligini ham musbat, ham manfiy zaryadlar bir xilda belgilaydi.
Agar asosiy yarimo’tkazgich atomi o’rniga tashqi elektronlar qobig’ida asosiy yarimo’tkazgich atomiga nisbatan bitta elektron ortiq bo’lgan kirishma atomi joylansa, u holda bunday elektron kristalldagi atomlararo bog’lanish tashkil qilish uchun kerakmasdek, o’z atomi bilan zaif bog’langandek bo’lib qoladi. Uni o’z atomidan ajratib yuborish va erkin elektronga aylantirish uchun yakka atomdan ajratish uchun kerak bo’ladiganidan o’nlarcha marta kam energiya yetarlidir. Bunday kirishmalarga donor kirishmalar, ya’ni “ortiqcha” elektron beradigan kirishmalar deyiladi. (4.2 a-rasm)
Elektronidan ajralgan kirishma atomi, tushunarliki, musbat zaryadlanadi, ammo bu holda kovak paydo bo’lmaydi, chunki faqat atomlararo to’lmagan bog’lanishdagi elektron vakansiyasi kovak bo’la oladi, mazkur holda esa barcha bog’lanishlar to’ldirilgan. Bu musbat zaryad o’z atomi bilan bog’langanligicha (harakatsiz) qoladi vae lektr o’tkazish protsessida qatnasha olmaydi. Yarimo’kazgichga tashqi elektronlar qobig’ida asosiy modda atomiga nisbatan kamroq elektron bo’lgan kirishma kiritilsa, u to’lmagan bog’lanishlar, ya’ni kovaklar paydo bo’lishiga olib keladi. Yuqorida aytilganidek, bu vakansiyani qo’shni bog’lanishdagi elektron egallashi mumkin bo’lib, bunda kovak kristall bo’yicha erkin ko’chish imkonini oladi. Elektronni “qabul qiluvchi” bunday kirishmalarga akseptor kirishmalar deyiladi. (4.2 b -rasm)
|
| |