Ma’ruza. Mavzu: yarim o‘tkazgichli qurilmalar reja yarim o‘tkazgichli diodlar va tranzistorlar

MA’RUZA.
MAVZU: YARIM O‘TKAZGICHLI QURILMALAR
REJA

1. 
   Yarim o‘tkazgichli diodlar va tranzistorlar.
   
2. 
   Tranzistor va tiristorlar.
   

1. 
   O‘tkazgich va yarim o‘tkazgichlar xaqida tushuncha
   

O‘tkazgichlar. Ma’lumki, atomlarning o‘zaro ta’sirlashuvi natijasida, qattiq jism atomlari bir-birlaridan ma’lum masofalarda joylashgan holda, krisstal panjaralarni tashkil qiladi.

a b v

1. 
   -rasm. Qattiq jism atomining energetik sathlari. a-o‘tkazgichlar; b- yarim o‘tkazgichlar; v-dielektriklar.1-o‘tkazuvchanlik zonasi, 2-
   

taqiqlangan zona, 3-valentli zona.

Atomlar orasidagi bu masofa gaz atomlari orasidagi masofaga qaraganda juda kichik bo‘lib, qo‘shni atomlarning tashqi elektron qobiqlari bir-birlariga tegib turishi, hatto qo‘shilib ketishi ham mumkin. Natijada atomning energetik sathlari juda zich joylashgan, mayda energetik sathlarga bo‘linib ketadi.

Qattiq moddada elektr o‘tkazuvchanlik yuzaga kelishi uchun, o‘tkazuv- chanlik zonasida bo‘sh energetik sathlar bo‘lishi zarur. Metallarda o‘tkazuvchanlik zonasi qisman elektronlar bilan to‘ldirilgan bo‘ladi. Tashqi ta’sir natijasida valentli zonadagi elektronlar, o‘tkazuvchanlik zonasiga osongina o‘tishi mumkin. Lekin bu elektronlarning konsentratsiyasi, valentli zonadagi elektronlar konsentrayaisidan juda kam, shuning uchun temperaturaning ortishi o‘tkazuvchanlikka deyarli ta’sir etmaydi deb qarash mumkin. Temperatura ortishi bilan metallarda elektr o‘tkazuvchanlikning kamayishi esa, elektronlar erkin yugurish yo‘lining kamayishi bilan bog‘liq. Chunki, temperatura ortsa, atomning kristall panjaradagi tebranish amplitudasi ortib, erkin elektronlarning atomga yutilishi ehtimolligi ortadi. Natijada zaryad tashish jarayonida qatnashayotgan elektronlar konsentratsiyasi kamayadi.Qattiq jism, masalan metallarda atomlarning bir-birlari bilan o‘zaro tasirlashuvidan kristall panjaralar hosil bo‘ladi 2-rasm. Bu panjaraning tugunlarida atomlar joylashgan bo‘lib, elektronlar o‘z atomlari atrofida, o‘zlarining orbitalarida harakatlanadi.

temir mis alyumin

2- rasm. Metall o‘tkazgichlarning kristall panjaralari.
Krisstal panjara moddaga qattiqlik, elastiklik, issiqlik o‘tkazuvchanlik xususiyatlar bilan birga elektr o‘tkazuvchanlik xususiyatini ham beradi. Chunki, metallarning kristall panjarasida atomlar bir-birlariga juda yaqinligi tufayli, atomlarning tashqi elektron qobiqlaridagi elektronlar o‘z yadrolarini juda oson tark etadi va butun kristall panjara bo‘ylab erkin harakatlanishi mumkin. Metallarda bunday elektronlarning konsentratsiyasi yetarlicha katta (T = 0°K da konsentratsiya o‘rtacha 10²⁷ m^-3) bo‘lib, tashqi tasir natijasida bu elektronlar tartibli harakatga keladi va elektr tokini hosil qiladi 3-a rasm.
Lekin elektronlarning bir tomonlama tartibli harakati modda ko‘chishi bilan bog‘liq emas. Ya’ni metallardagi
elektr o‘tkazuvchanlik faqat elektron xususiyatga ega. Metallardan elektr tokining o‘tishining faqat elektron
o‘tkazuvchanlik hisobiga sodir bo‘lishini 1901 yilda nemis olimi Karl Viktor Rikke juda oddiy tajriba yordamida
amalda isbotlab bergan (Rikke Karl Viktor Eduard, 1845-1915 yillarda yashab ijod qilgan nemis olimi,
metallarning elektron o‘tkazuvchanlik nazariyasi-Rikke nazariyasi
asoschisi). Rikke o‘z tajribasida ikkita mis tayoqcha orasiga alyumin tayoqchasini ulab, ulardan bir yil davomida
uzluksiz, bir miqdorda o‘zgarmas elektr tokini o‘tkazib turgan 3-b rasm.


yadrolar

erkin

elektronlar

a

b

3-rasm. Metallarning krisstal panjarasi va erkin elektronlari (a), Rikke tajribasining sxemasi (b)

tayoqchalarning bir-biriga tegib turgan sirtlarini tekshirib, misda alyumin atomlari va aksincha, alyuminda mis atomlari yo‘qligini aniqlagan.

Demak, metallardan elektr toki o‘tishi, modda atomlari ko‘chishi bilan bog‘liq bo‘lmay, faqat elektronlar harakatidan iborat ekan. Bu tajriba faqatgina kuzatuvga asoslangan bo‘lgani uchun, elektron o‘tkazuvchanlikka doir biror kattalik miqdoriy jihatdan o‘rganilmagan. Lekin shunga qaramay tajriba natijasi o‘sha davr fani, ayniqsa elektrotexnika sanoati va texnologiyalari uchun juda muhim xulosa edi.

1913 yilda Leonid Mandelshtam va Nikolay Papaleksi aylanuvchi g‘altak orqali o‘tkazgan tajribasida ham, elektr o‘tkazuvchanlik faqatgina elektronlar bilan bog‘liq bo‘lib, ionli xarakterga ega emasligini isbotladi. Ular tajribada (fanda bu tajriba Mandelshtam –Papaleksi tajribasi deyiladi) 500m uzunlikdagi mis simdan g‘altak yasab, bu g‘altakni o‘z o‘qi atrofida katta tezlikda aylantirgan va birdan tormozlab to‘xtatgan. Tajriba shuni ko‘rsatdiki, g‘altak tinch turgan holda, va bir xil tezlikda aylanganda, g‘altak uchlariga ulangan galvanometr nol holatni ko‘rsatadi, agar g‘altakni birdaniga tormozlab to‘xtatsak, qisqa vaqt davomida g‘altakda tok hosil bo‘lgan (g‘altak katta tezlanish bilan harakatlanganda).

kontaktlar

4- rasm. Mandelshtam –Papaleksi (Tolmen-Styuart) tajribasi
L. Mandelshtam taklif etgan tajribaning ma’nosi quyidagicha. Agar elektron massaga ega bo‘lsa, u inertlik xususiyatiga ega bo‘lishi kerak. Shunday ekan tarkibida erkin elektronlari ko‘p bo‘lgan, katta tezlikda harakatlanayotgan o‘tkazgich keskin tormozlansa, atomlarga bog‘lanmagan elektronlar (3-a rasmga qarang) inersiya tufayli ma’lum muddat bir tomonga, inersiya kuchi yo‘nalishida harakatlanishi kerak. Elektronlarnig bir tomonga harakati esa, bu elektr tokidir.
Tajriba natijasi esa, kutilganday bo‘lib chiqdi. Haqiqatan ham, tajribada g‘altak keskin tormozlanganida, g‘altakda qisqa muddatli tok hosil bo‘lgan va bu tok membranada tovush (akustik tebranish) sifatida qayd etilgan.
Keyinchalik, 1916 yilda bu tajriba amerikalik olimlar Richard Tolmen va Styuart tomonidan miqdoriy jihatdan o‘rganildi. Ular membrana o‘rniga sezgir galvanometr ishlatib, inersiya tasirida hosil bo‘lgan elektr zaryadini o‘lchashgan 8.5-rasm.
Tormozlovchi tashqi kuch F = m a, yoki

8.1)
Bu yerda m –elektron massasi, v- g‘altakning chiziqli tezligi.

Maydon kuchlanganligi Ye_st = F/q (zaryad miqdori sifatida elektron zaryadini olsak q=ye) ekanligini hisobga olib, tasir etuvchi kuch hosil qilgan maydonning kuchlanganligi uchun quyidagiga ega bo‘lamiz

8.2)
Bu kuchlanganlik ostida l uzunlikdagi simda hosil bo‘lgan e.yu.k

G‘altakdan oqib o‘tgan zaryadni topish uchun, tomozlanish vaqti davomidagi tok kuchini vaqt bo‘yicha integrallaymiz

(8.3)

Bu yerda I - g‘altakdagi tok kuchining oniy qiymati, v₀ - g‘altakning tormoz- lanishdan oldingi chiziqligi tezligi, R-g‘altak simining aktiv qarshiligi.

Tolmen va Styuartlar tajriba yordamida q zaryad miqdorini o‘lchab (8.3) ifoda orqali elektronning massasini aniqlagan. Tajriba natijalariga ko‘ra elektron massasi 9,1 x10^-31 kg bo‘lib chiqqan.

Shunday qilib, metallarda elektr o‘tkazuvchanlik erkin elektronlarning harakati bilan bog‘liq. Metallardan tok o‘tganda modda ko‘chishi yuz bermaydi. Tok tashuvchi erkin elektronlarning konsentratsiyasi esa metallarning kristall panjara tuzilishiga, atomdagi elektronlarning orbital joylashuviga, kristall panjaraga, yoki atomga

tasir etuvchi tashqi kuchlarga bog‘liq holda o‘zgaradi.
Yarim o‘tkazgichlar. Yarim o‘tkazgich			sifatida eng keng tarqalgan kimyoviy elementlar germaniy (Ge)
taqiqlangan zonasi kengligi	E = 0,67eV, kremniy (Si ) taqiqlangan zonasi kengligi			E=1,12eV, arsenid galliy
(GaAs) taqiqlangan zonasi	kengligi		E= 1,43eV. 2000-2002-yillarda krisstallarni sun’iy o‘stirish
texnologiyalari juda rivojlandi, natijada			sun’iy o‘stirilgan karbid kremniy (Sic)	yarim o‘tkazgichlari hosil
qilindi. Bu yarim o‘tkazgichning taqiqlangan zonasi kengligi, uning turlariga qarab 2,4 eV dan 3,4eV gacha.
Izoh:Elektronning elektr	maydondagi potensial energiyasi Ye = eU, bu yerdae=1,6 x10^-19Kl-elektron zaryadi, U-yelektronga
energiya beruvchi maydonning potensiallari farqi. Demak 1eV = 1,6x10^-19 J.

O‘tkazuvchanlik zonasida elektron bir sathdan boshqasiga osongina o‘tishi mumkin, chunki bu sathda elektronlarning yo‘l qo‘yilgan orbitalari bir-biriga juda yaqin joylashgan. Qo‘shni sathlarning energiya farqlari 10^-8 eV dan 10^-4 eV gacha bo‘lishi mumkin. Bu shuni bildiradiki, atomning issiqlik tebranishlari, tashqi maydon ta’sirida elektron tezlanishining ortishi, atomga yorug‘lik kvantining yutilishi va boshqa ta’sirlar elektronni yuqori energiyali boshqa orbitaga o‘tishiga sabab bo‘lishi mumkin. Lekin, modda atomlarida, taqiqlangan zona kengligi bir necha elektron volt bo‘lganda, elektronlar tashqi maydon ta’sirida bu zonadan o‘ta olmaydi. Shuning uchun, moddaning elektr o‘tkazuvchanlik xususiyatini o‘zgartirish imkoniyati taqiqlangan zona kengligiga bog‘liq.

Dielektrik va yarim o‘tkazgich moddalarda esa, qisman to‘ldirilgan zonalar yo‘q. Absolyut nol haroratda valentli zona elektronlar bilan to‘liq band bo‘lib, o‘tkazuvchanlik zonasida elektronlar deyarli yo‘q. O‘tkazuvchanlik

zonasiga elektronlarni o‘tkazish uchun esa, unga taqiqlangan zona kengligidan kattaroq energiya berishga to‘g‘ri keladi.

Yarim o‘tkazgichlarda elektr toki. Elektr o‘tkazuvchanlik tushunchasi o‘ta nisbiy bo‘lib, moddalarni aniq chegara bilan o‘tkazgich va dielektriklarga bo‘lib bo‘lmaydi. Buning ustiga moddalarning o‘tkazuvchanlik xususiyatlari tashqi muxit ta’siriga ham kuchli bog‘liq. Ayniqsa bu yarim o‘tkazgichlarda kuchli namoyon bo‘ladi. Qayd etilganidek, yarim o‘tkazgichlar elektr tokini metallarga nisbatan yomonroq, dielektriklarga nisbatan esa yaxshiroq o‘tkazadi. Ularning o‘tkazuvchanligi tempertura ortishi bilan yoki yorug‘lik ta’sirida ortishi mumkin. Temperatura ortishi bilan valentli elektronning kinetik energiyasi ortadi, natijada uning energiyasi atomni tark etishga yetarli bo‘lib qoladi va erkin elektronga aylanadi. Masalan kremniyda tashqi qobiqda 4 ta elektron mavjud bo‘lib (5-a rasm) tashqi ta’sir natijasida bu elektronlardan biri o‘z qobig‘ini tark etib, erkin elektronga ylanishi mumkin 5 -b rsm. Endi kremniyga tashqi elektr maydon ta’sir qilsa, elektron bu maydon ta’sirida harakatlanadi, ya’ni kremniy elektr tokini o‘tkaza boshlaydi. Lekin bunday erkin elektronlarning konsentratsiyasi juda kam. Tajriba natijalariga ko‘ra 300°K da konsentratsiya 10¹⁷ m^-3 bo‘lib, temperatura 700°K ga yetganda konsentratsiya 10²⁴ m^-3 gacha yetadi. Lekin shunda ham, bu ko‘rsatkich metallardagi erkin elektronlar konyentratsiyasidan minglab marta kam.

a b

5 –rasm. Kremniyda erkin elektronlar hosil bo‘lishi.

Bunday o‘tkazuvchanlik boshqa yarim o‘tkazgich moddalarda ham kuzatiladi. Sof yarim o‘tkazgichlardagi bu elektr o‘tkazuvchanlik yarim o‘tkazgichning xususiy o‘tkazuvchanligi deb yuritiladi.

Atomdagi elektron o‘z o‘rnini tashlab kristal bo‘ylab erkin harakatlanuvchi elektronga aylanganda, uning joyi bo‘sh qoladi. Bu joy teshik deb ataladi. Elektronlar kristall bo‘ylab harakatlangani singari, teshiklar ham kristall bo‘lab, elektron harakatiga teskari tomonga qarab harakatlanadi. Ya’ni, teshikka boshqa elektron kelib tushishi natijasida teshik elektron kelgan tomonga qarab siljiydi. Demak yarim o‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligi elektron va teshik o‘tkazuvchanliklardan iborat bo‘ladi.