O‘zbekiston respublikasi oliy va o‘rta maxsus ta’lim vazirligi m. M. Nishonova elektronikaning fizik asoslari o‘quv qo

1.4. Yarim o‘tkazgichlarning energetik strukturasi

Qattiq jismdagi atomlar atom radiusi tartibidagi masofada joylashganligi sababli, qo‘shni atomlarning elektron qatlamlari bir-biri bilan qo‘llanadi va elektronlar atomdan atomga o‘tishiga imkoniyat paydo bo‘ladi. Masalan, oddiy kremniy yarim o‘tkazgichda, barcha atomlar neytral holatda va bir-biri bilan kovalent bog‘lanishda - ikkita elektron har bir juft qo‘shni atom o‘rtasidagi bog‘lanishga ega. Atomlarga bog‘langan bunday elektronlar elektr o‘tkazuvchanligida qatnashmaydi. O‘tkazuvchanlik yuzaga kelish uchun qizdirish, fotonni yutulishi va hokazolar natijasida kamida bitta bog‘lanishni uzish orqali elektronni kristallda erkin harakatlana olishini ta’minlash zarur. Bunday elektron kristall bo‘ylab erkin harakatlanishi mumkin, u elektr o‘tkazuvchanlikda ishtirok etadi va o‘tkazuvchanlik elektroni deyiladi. Uzilgan bog‘lanish bir juft atomdan qo‘shnisiga o‘tishi va kristal bo‘ylab harakatlanishi mumkin. Elektroni bo‘lmagan bunday bog‘lanish atom yoki juft atomlarda uzilgan bog’lanish bilan birga ko‘chuvchi musbat zaryadga ega ekanligini anglatadi. Musbat zaryadga ega bog‘lanish kovak o‘tkazuvchanligi deyiladi.
Yarim o‘tkazgichlarda zaryad tashuvchilarning tabiati va ularning harakat qonunlari qattiq jismlarning kvant nazariyasi yordamida tasvirlanadi. Yarim o‘tkazgichlarning zonalar strukturasini asosiy qoidalari quyidagilardir:
1. Yarim o‘tkazgichlardagi elektronlar aniq belgilangan energiyaga ega – ruxsat etilgan energetik zonalar deb ataladigan elektronlarning to‘la energiyasini diskret sohalar tashkil qiluvchi ma’lum energetik satxlarni egallaydi. Ruxsat etilgan zonalar taqiqlangan energetik zona deb ataluvchi, elektronlar ega bo‘lishi mumkin bo‘lmagan energetik oraliq bilan ajratilgan.
2. Elektronning energetik holati energiya va kvaziimpuls bilan tavsiflanib, ma’lum impulsli fazo sohasi bilan cheklangan, Brillyuen zonalari deb ataladigan oralida har qanday qiymatlarni qabul qiladi. Brillyuen zonalarining shakli va o‘lchamlari kristalning simmetriyasi va uning atomlar o‘rtasidagi masofalari bilan aniqlanadi.
3. Haroratning mutlaq nolida elektronlar energiyaning minimal bo‘lgan past darajalarini egallaydi. Pauli printsipiga ko‘ra, har bir energetik holatda bitta elektron mavjud bo‘lishi mumkin. Shuning uchun, yarim o‘tkazgichdagi elektronlar kontsentratsiyasiga bog’liq ravishda bir necha pastki satxlarni to‘ldiradi, yuqorida joylashgan satxlar esa bo‘sh qoladi. Ruxsat etilgan satxlarning to‘ldirilgan yuqorisi valent zona, to‘ldirilmagan eng quyi satx esa o‘tkazuvchan zona deb ataladi. T>0 K da, issiqlik harakat ba’zi valent bog‘lanishlarni uzilishiga olib keladi va elektronlar valent zonadan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tadi va u yerda erkin zaryad tashuvchiga aylanadi. Valent zonada zaryad tashuvchi kovak paydo bo‘ladi.
Izolyatsiyalangan atomni qarab chiqaylik. Atom yadrodan va uning atrofida ma’lum energetik holatlarda turuvchi elektronlardan iborat. Bu elektronlarning holatlari 4 ta kvant soni bilan xarakterlanadi: n —bosh kvant soni, l - orbital kvant soni, m. —magnit kvant soni va s - spin. Ular n= 1.2.3… l= 0. 1. 2 .3 … m= 0.±1. ±2. ± 3…. s= ± qiymatlarni qabul qiladi. Spektral analizda l= 0 da s holat l= 1 da p holat l= 2 da d holat l = 3 da d - holat va x. k. deb yuritiladi. Masalan, kremniy (Si) elementida 14 elektron bo‘lib, normal sharoitda ular 1 2 2 3 3 holatlarda bo‘ladi. Har bir holat 2(2l+1) elektronlarning holatlaridan iborat, ya’ni 2(2l+1) karrali „aynigan“ bo‘ladi. Boshqacha qilib aytganda, s- holatdagi 2 ta elektron bir xil energiyaga, p- holatdagi 6 ta elektron ham bir xil energiyaga ega bo‘ladi va x. k. Yuqorida aytilganlardan ko‘rinadiki, atomlardagi elektronlar ixtiyoriy energiyaga ega bo‘lmasdan diskret qiymatlarni qabul qilar ekan. Izolyatsiyalangan atomda har bir holat energetik sxemada bitta energetik satxni tashkil qiladi (8 - rasm).