O’zbekiston respublikasi oliy va orta ta’lim vazirligi

I BOB

1.1 . Yarimo‘tkazgichlarning asosiy hossalari
Uzoq vaqtlargacha fizikada eng qiziqarli masala — bu mikrodunyo va makrokosmosni tadqiq qilishdan iborat deb hisoblanardi. Aynan shu sohalarda lii/ni qurshagan dunyoning tuzilishini izohlashga oid eng muhim, fundamental '.avollarga javoblar topishga harakat qilinardi. Mana endi tadqiqotlaming nchinchi fronti vujudga keldi — qattiq jismlarni o‘rganishga kirishildi. 0 ‘zlarining elektron xossalari bo‘yicha qattiq jismlar metallarga, diclektriklarga va yarimo‘tkazgichlarga ajraladi. Bundan tashqari, past lcmperaturalarda maxsus o‘ta o‘tkazuvchanlik holati mavjud bo‘lib, bu liolatda elektr tokiga qarshilik nolga teng bo‘ladi. Mikrozarralarning harakati kvant mexanika qonunlariga bo‘ysunadi. Masalan, atomdagi bog‘langan elektronlarda energiya faqat aniq, kvantlangan qiymatlar olishi mumkin. Qattiq jismda bu energiya sathlari laqiqlangan 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 I o‘Idirilishi mumkin. Bunday qattiq, jism dielektrik bo‘ladi. Bundagi elektron energiyasini faqat birdaniga eng oxirgi kattalikkacha (taqiqlangan soha kengligicha, yoki, odatda aytilishicha, energiya tirqishigacha) o‘zgargirish mumkin. Shuning uchun dielektrikdagi elektronlar elektr maydonida tezlasha olmaydi va noiinchi 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
9
kattalik elektron-volt tartibidadir. Bu energiyaga mos temperatura ~ 104 K. Shu sababli, hatto absolyut nolda ham metalldagi elektronlarning bir qismi keskin harakatlanadi va g‘oyat yuqori effekti 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, yarim o‘tkazgichlar tem peraturaga keskin bog‘liq b o ‘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 I sm: yuzada joylashishi mumkin. Bunday qurilma xuddi yagona kristallni hosil qiladi va shuning uchun ham texnikaning yangi sohasini bejiz qattiq jism elektronikasi deyishmaydi. Qattiq jism qanchalik murakkab tuzilgan bo‘lsa, kollektiv effektni oshkor qilish shunchalik qiyindir. Organik qattiq jismlar, ayniqsa, murakkab tuzilgan bo'lsalarda, ularda ham muayyan struktura mavjud. Bu yerda tartiblanish qanday vujudga keladi, — u qanday kollektiv xossalarga olib keladi, bu savollar hali javobini kutadi. Biroq jonli tabiat sirlarini tushunib olishning kaliti aynan shu yo'lda yotganligi ayondir. 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 modda—lar 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
10
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. 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. 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 boiib qoladi. Uni o‘z atomidan ajratib yuborish va erkin elektronga aylantirish uchun yakka atomdan ajratish uchun kerak boiadiganidan o‘nlarcha m arta kam energiya yetarlidir. Bunday kirishmalarga donor kirishmalar, ya'ni «ortiqcha» elektron
11
beradigan kirishmalar deyiladi. Elektronidan ajralgan kirishma atomi, tushunarliki, musbat zaryadlanadi, ammo bu holda kovak paydo boimaydi, chunki l'aqat atomlararo toimagan bogianishdagi elektron vakansiyasi kovak boia oladi, mazkur holda esa barcha bogianishlar toidirilgan. Bu musbat zaryad o‘z atomi bilan bogianganligicha (harakatsiz) qoladi va, binobarin, elektr oikazish protsessida qatnasha olmaydi. Yarimoikazgichga tashqi elektronlar qobigida asosiy modda atomiga nisbatan kamroq elektron boigan kirishma kiritilsa, u toimagan bogianishlar, ya’ni kovaklar paydo boiishiga olib keladi. Yuqorida aytilganidek, bu vakansiyani qo‘shni bogianishdagi elektron egallashi mumkin boiib, bunda kovak kristall bo‘yicha erkin ko‘chish imkonini oladi. Boshqacha aytganda, kovakning harakati elektronning bir qo‘shni bogianishidan ikkinchisiga ketma-ket o‘tishidir. Elektronni «qabul qiluvchi» bunday kirishmalarga akseptor kirishmalar deyiladi. U yoki bu tipdagi kirishmalar miqdori oshgan sari kristallning elektr o‘tkazuvchanligi borgan sari ravshan ifodalanadigan elektron yoki kovak o‘tkazuvchanlik bo‘lib qoladi. Negativ va positiv degan lotin so‘zlarining birinchi harflari bilan muvofiq ravishda elektron elektr o‘tkazuvchanlikka n-tip, kovak elektr o‘tkazuvchanlikka p-tip elektr o'tkazuvchanlik deyiladi. Shu yo‘sinda mazkur yarimo‘tkazgich uchun harakatchan zaryad tashuvchilarning qaysi tipi asosiy, qaysinisi asosiy emasligi ta’kidlanadi. Kirishmalar mavjudligidagi (ya’ni kirishmali) elektr o‘tkazuvchanliklar kristallda awalgidek ikki tipdagi tashuvchilar qolaveradi: yarimo‘tkazgichga asosan kirishmalar kiritish hisobiga paydo bo‘lgan asosiy tashuvchilar va issiqlik harakati taqozo qilgan asosiy bo‘lmagan tashuvchilar bo‘ladi. Muayyan yarimo‘tkazgich uchun ma'lum temperaturada 1 sm3 dagi elektronlar soni (konsentratsiyasi) n va kovaklar soni p ko‘paytmasi o‘zgarmas miqdorlari soni bo‘lishini ta'kidlab o‘tish lozim. Bu kirishmalarni kiritish hisobiga mazkur tipdagi tashuvchilar konsentratsiyasini bir necha marta orttirib, boshqa tipdagi
12
tashuvchilar konsentratsiyasini o‘shancha marta kamaytirish demakdir. Yarimo‘tkazgichlaming yuqorida bayon qilinganlardan kelib chiqadigan muhim xossasi ulaming temperaturaga va nurlanishga kuchli sezgirligidir. Temperatura ko‘tarilgan sari kristallda atomlaming tebranishlari o‘rtacha energiyasi ortadi va tobora ko'proq miqdorda bog‘lanishlar uziladi. Tobora yangi va yangi elektronlar hamda kovaklar juftlari paydo bo‘ladi. Yetarlicha yuqori temperaturalarda xususiy issiqlik o'tkazuvchanlik kirishma o'tkazuvchanligi bilan tenglashadi, hatto undan oshib ketadi. Kirishmalar konsentratsiyasi qancha yuqori bo‘lsa, bu effekt shuncha yuqoriroq temperaturada sodir bo'ladi. Agar yorug‘lik kvantlari energiyasi yarimo'tkazgichdagi bog'lanishlarni uzib yuborish uchun yetarli bo‘lsa, u holda yarim o‘tkazgichli yorug‘lik bilan nurlantirib ham bog‘lanishlarni uzib yuborish mumkin. Turli yarimo'tkazgichlarda bog'lanishlarni uzish energiyasi turlicha, shuning uchun ular nurlanish spektrining u yoki bu uchastkasini turlicha sezadi. Yarimo‘tkazgichlarning bu eng muhim xossalaridan vazifasi va qo'llanish sohasi turlicha bo‘lgan yarimo'tkazgich asboblar yaratishda foydalaniladi. Birinchi bo‘lib amaliy qo‘llana boshlangan yarimo'tkazgich material selen bo‘lgan edi. Hozirgi vaqtda germaniydek yarimo'tkazgichni ortda qoldirib eng ko‘p qo‘llanilayotgan yarimo‘tkazgich — bu kremniydir. Selen, germaniy va kremniy elementar yarimo'tkazgichlar, ya’ni D. I. Mendeleyev davriy sistemasi elementlari bo'lgan yarimo‘tkazgichlar turkumiga taalluqli. Germaniy va kremniy bilan bir qatorda davriy sistemaning III va V, II va IV, II va VI guruhlari elementlarining murakkab birikmalari tobora keng qoilanilayotir. Bu yerda, masalan, galliy bilan margimush (galliy arsenidi), galliy bilan fosfor, kadmiy, simob bilan tellur birikmalarini va boshqa birikmalarni esga olish lozim. Yarimo‘tkazgichlarga zarur xossalar beradigan kirishmalar sifatida bor, fosfor, indiy, margimush, surma va boshqa ko‘p elementlar ishlatiladi. Yarimo‘tkazgichga kiritiluvchi kirishmalarning odatdagi
13
miqdori prosentning o‘nli va yuzli ulushlari orasida bo‘ladi. Muntazam kristall panjarali (monokristall) hamda kirishmaning zarur miqdori va taqsimoti qat'iy nazorat qilinuvchi yarimo'tkazgich kristallarni hosil qilish — maxsus tozalikka rioya qilingan sharoitda yuqori darajada aniq va murakkab asbob-uskunalar ishlatiladigan juda ham murakkab texnologik jarayon. Yuqorida bayon qilingan barcha jarayonlarni zonalar nazariyasi yordamida tushuntirish mumkin. Qattiq jismlarning o'tkazuvchanligi kvant nazariyasi zonalar nazariyasiga asoslangan. Qattiq jismlarda elektronlar faqat muayyan qiymatli energiyalarga ega bo‘la oladi. Sathlar zonalarni tashkil qiladi, ular birbiridan zonaga tegishli energiya oraliqlari bilan ajralgan bo‘ladi. Metallarda zonalar yo o‘zaro ustma-ust tushgan yoki elektronlar bilan chala to'ldirilgan bo‘ladi. Metallda ham elektr maydon ta’sirida elektron sathdan sathga erkin o‘tadi, chunki zonadagi sathlar orasidagi masofa 10-28 ey^ elektronning manbaning elektr maydonida oladigan energiyasi 'sii I0‘4 — 10'seV. Sathdan sathga o‘tishning osonligi elektronning erkin liiimkatini bildiradi.