Qattiq jismlar fizikasi elementlari. Yarim o’tkazgichlar Reja

Yarimo’tkazgichni fotoo’tkazuvchanligi. Elektromagnit nurlanish ta’sirida yarim o’tkaznichlar elektr o’tkazuvchanligining ortishi fotoo’tkazuvchanlik bilan bog’liqdir. Quyidagi ikki holni ko’raylik.

1. Sof yarim o’tkazgichga energiyasi h bo’lgan elektromagnit nurlanitsh kvanti tushganda va bu energiya taqiqlangan zonaning kengligi W ga teng yoki undan katta bo’lsa (ya’ni hW) valent zonadagi elektron o’tkazuvchanlik zonasiga o’tadi. Elektromagnit nurlanish ta’sirida sof yarimo’tkazgichdan qo’shimcha elektron-teshik juftlari vujudga keladi, bu esa o’z navbatida xususiy fotoo’tkazuvchanlikka sabab bo’ladi.

2. Yarimo’tkazgich tarkibida aralashmalar mavjud bo’lgan holda hW shart bajarilmasa ham fotoo’tkazuvchanlik kuzatilishi mumkin. Agar yarim o’tkazichda donor aralashma mavjud bo’lsa hWd shart bajarilsa, donor sathidagi elektron o’tkazuvchanlik zonasiga o’ta oladi. Agar yarim o’tkazgichda akseptor aralashma mavjud bo’lsa hWa shart bajarilsa valent zonadagi elektron elektromagnit nurlanish kvantining energiyasi hisobiga akseptor sathiga ko’tariladi.

Natijada elektomagnit nurlanish ta’sirida aralashmali elektr o’tkazuvchanlik ortadi, bunda yarim o’tkazgichning aralashmali fotoo’tkazuvchanligi sodir bo’ladi.

Lyuminessension nurlanish. Ba’zi jismlar yorug’lik, ultrabinafsha yoki rentgen nurlari ta’sirida shu’lalanadi, boshqacha aytganda nurlanish chiqaradi. Bu nurlanish lyuminessensiya deb ataladi. Bayon etilgan hodisa nurlar ta’sirida vujudga kelganligi tufayli uni fotolyuminessensiya deb ham ataladi.Nurlardan boshqa ta’sirlar ham lyuminessensiyani vujudga keltirishi mumkin.Jism elektronlar yoki boshqa zarralar bilan bombardimon qilinganda hosil qilingan nurlanish katodolyuminessensiya (televizor ekranining nurlanishi) deyiladi. Jismdan elektr tok o’tganda elektrolyuminessensiya kuzatiladi. Ximiyaviy reaksiya tufayli vujudga keladigan nurlanish xemilyuminessensiya deyiladi. (fosforning oksidlanishidagi nurlanish).

Lyuminessension nurlanish chiqaradigan jismlar juda ham ko’p: ba’zi elementlarni bug’lari va gazlar ba’zi jismlarning tuzlari va eritmalari benzol, naftalin, antratsid kabi organik jismlar.Tarkibiga metall ionlari aralashgan ba’zinoorganik jismlar. Bu jismlarning hammasi lyuminoforlar deb ataladi. Tajribalarda lyuminessensiyani vujudga keltiruvchi sabab ta’siri to’xtagandan so’ng nurlanishi ma’lum muddat davom etadi. So’nish vaqti 10-9-10-8s bo’lgan lyuminessensiyani fluoressensiya deyiladi.

Lyuminessension nurlanish spektri lyuminoforning ximiyaviy tarkibiga va uning molekulyar tuzilishiga bog’liq. Lyuminessensiya gaz-yorug’lik lampalarda, teatral texnikada reklamalarda keng qo’llaniladi

Normal temperaturadagi solishtirma qarshiligi o’tkazgichlarnikidan katta, biroq dielektriklarnikidan kichik bo’lgan materiallar yarim o’tkazgichlar deb ataladi. Bu turkumga elektron elektr o’tkazuvchanlikka ega va solishtirma qarshiligi 10-6 – 10+8 Om×m bo’lgan materiallar kiradi. Yarim o’tkazgichlardagi elektronlar soni boshqa materiallarga nisbatan ancha kam bo’ladi. Yarim o’tkazgichlarning elektr o’tkazuvchanligi tashqi energetik ta’sirga va mazkur jism tarkibidagi qo’shimchalarga ko’p jihatdan bog’likdir. Yarim o’tkazgichning elektr o’tkazuvchanligini boshqarish temperatura, nur, elektr va magnit maydoni, mexanik kuchlanishga asoslangandir.

Yarim o’tkazgichlarda elektr o’tkazuvchanlikning ikki: elektron (n) va elektron-teshik (r) turi mavjud bo’lib, ular jismda n-p o’tishni vujudga keltiradi.

Yarim o’tkazgichli uzgartkichlar turli ko’rinishdagi energiya (issiqlik, yorug’lik) ni elektr energiyasiga aylantirib beradi.

Yarim o’tkazgichlardan isitkich asboblarida, radioaktivli nur indikatorlarida va magnit maydon kuchlanganligini o’lchashda foydalaniladi. Hozirgi davrda shishasimon va suyuq yarim o’tkazgichlar o’rganilmoqda.

Yarim o’tkazgich ishlatilgan asbob-uskunalar xizmat muddatining yuqoriligi, hajmi va og’irligining nisbatan kichikligi, oddiy va ishonchli ishlashi, iqtisodiy samaradorligi va boshqa sifatlari bilan ajralib turadi.

Yarim o’tkazgichlarning elektr o’tkazuvchanligi.

Yarim o’tkazgichlarning taqiq zonalari o’tkazgich va dielektriklarning taqiq zonalari oralig’ida joylashib, mazkur zona ancha kichik va uni yengib utish uchun ma’lum darajali energetik ta’sir yetarlidir. Agar tashqi ta’sir etayotgan maydon energiyasi taqiq zonadagi elektronlarning energiyasi darajasiga yetsa, yarim o’tkazgichlarda elektr o’tkazuvchanlik sodir bo’ladi.

To’ldirilgan (valent) zonadan elektron ketishi bilan uning o’rnida teshik hosil bo’ladi va bu teshik ekvivalent musbat zaryad sifatida maydon yo’nalishi bo’yicha siljiydi. Bu siljish elektronlarning maydonga teskari harakati natijasida ruy berib, teshiklar siljiyotgan elektronlar bilan to’ldiriladi. Temperatura ortishi bilan yarim o’tkazgichda ozod elektronlar soni ko’paya boradi, temperatura absolyut nolga yaqinlashganda esa ularning soni nolgacha kamayadi. Agar yarim o’tkazgichda ozod elektron umuman bo’lmasa (T=0 K), elektr potentsiali ta’sir etgani bilan undan tok o’tmaydi.

Elektronlarning ozod holatga o’tishi uchun sarf qilingan energiyani faqat issiqlik harakati orqali emas, balki nur, elektronlar oqimi, yadro zarralari, elektr va magnit maydonlari, mexanik ta’sir orqali ham yuzaga keltirish mumkin.

Yarim o’tkazgichlarda energetik tusiq kichik bo’lib, uni yengish uchun uncha katta bo’lmagan energiya talab etiladi. Ozod elektronlar miqdori va yarim o’tkazgichning o’tkazuvchanligi unga ta’sir ettirilgan energiya miqdoriga bog’liq bo’ladi. Mazkur energiya elektronlarining to’siqni yengib ozod zonaga o’tishiga yordam beradi.

Qo’llanilayotgan aksariyat yarim o’tkazgichlar taqiq zonasining kengligi (0,8-4,0)×10-19J, yoki 0,5-2,5 eV ga teng. Ular valent zonalarining sathlari elektronlar bilan to’latilgan bo’lib, ma’lum temperatura (T) ta’sirida o’tkazuvchan zonaga bir necha elektron o’tadi va valent zonada ushancha teshik hosil bo’ladi.

Natijada har bir g’alayonlantirishda yarim o’tkazgichda bir vaqtning o’zida qarama-qarshi ishorali ikkita zaryad hosil bo’ladi.

G’alayonlantirish va rekombinatsiya jarayonlari natijasida jismda (istalgan temperaturada) g’alayonlantirilgan eltuvchilar (elektronlarni yoki teshiklarni) ning muvozanatlashgan miqdori qaror topadi.

bunda: W–yarim o’tkazgich taqiq zonasi, N₀–ozod (o’tkazuvchan) zonadagi yarim o’tkazgichning hajm birligidagi energetik sathlar soni, N_B–valent zonasidagi xuddi shuningdek sathlar soni, 2 raqami N oldidagi) har bir sathda 2 ta elektron bo’lishini ko’rsatadi.

Yarim o’tkazgich tarkibidagi qo’shimchalar. Yarim o’tkazgich kristallarida qo’shimchalarning juda kam (10) miqdori xam uning elektr o’tkazuvchanligiga katta ta’sir ko’rsatadi. Qo’shimcha taqiq zonada yangi energetik sathini vujudga keltiradi. Agar bunday energetik sath ozod zonaga yaqin joylashgan bo’lsa, bu sathdan elektron ozod zonaga osonlikcha o’tib (kichik energiya ta’sirida) kristallda elektron o’tkazuvchanlikni sodir etadi. Bunday yarim o’tkazgich n turli bo’lib, tarkibiga kiritilgan qo’shimcha «donor» deyiladi.

Agar qo’shimchaning energetik sathi taqiq zonaga yaqin joylashsa elektron to’la zonadan pastroq zonaga o’tishi natijasida «teshik yoki kovak» qoldiradi. Elektron bir sathdan ikkinchi sathga kuchishida uning o’rnida qolgan teshik ham siljiydi. Teshikning siljish yunalishi maydon vektori (E) yunalishiga yoki musbat zaryad yunalishiga mos tushadi. Bu turdagi yarim o’tkazgichlar teshikli (R–turli) yarim o’tkazgichlar deyilib, ularning qo’shimchalari «aktseptor» lar deyiladi.

Yarim o’tkazgichlarning «n» turida asosiy zaryad eltuvchilar elektronlar, “p” turlisida esa teshiklar hisoblanadi «r-n» o’tish yarim o’tkazgich (germaniy, kremnik va h.k.) yuzasida qo’shimcha (indiy, fosfor) larni eritish orqali hosil qilinadi. «r-n» o’tishi elektrokimyoviy kristall olish (ustirish mobaynida) va boshqa usullarda ham hosil bo’ladi.

Agar yarim o’tkazgich kristallida r-n-r yoki (n-p-n) o’tishlari hosil qilinib, bu qismlar (emitter – 1, kollektor – 2, elektord – 3) ga simlar ulansa, tok kuchaytiruvchi asbob – tranzistor vujudga keladi.

«p-n» o’tishli diodlarning belgilanishidagi birinchi harf G–germaniy, K–kremniy, A–galliy, I–indiy: ikkinchi harf: D–to’grilagich, impuls, magnit va termodiod, TS–to’g’rilagich ustuni (bloki), V–varikap, I–tunelli, A-yuqori chastotali, S–stabilitron, G–shovqin generatori, L–nurlatuvchi asbob, N–diodli tiristor, U–triodli tiristor; uchinchi harf: asbob parametri, qo’llanilishi, ish printsipini; to’rtinchisi: asbob tayyorlanish turini; beshinchisi – asbob klassifikatsiyasini bildiradi.

Tranzistorlarning belgilanishdagi birinchi harf: G–germaniy, K–kremniy, G-galliy va x.k; ikkinchisi: T–qo’sh qutbli tranzistor; uchinchisi: sarflanadigan energiya va chastotani; to’rtinchisi: asbob tartibi va guruhini bildiradi;

Tristorda p-n qatlamlari ketma-ket qaytarilib, chekka qismlarida chiquv simlariga ega. O’rta qismida qo’shimcha chiquv simlariga ega tiristor trinistor deyiladi. Tashqi nur yordamida boshqariladigan tiristor–fototiristor, ichki nurli signalda boshqariladigani optotiristor deyiladi. optoelektronli yarim o’tkazuvchilarga nur tarqatuvchi diod (Al navli) infraqizil nurlatuvchi diod (IK) diod misol bo’la oladi.

Yarim o’tkazuvchanlik xossasiga ega elementlar.

Germaniy tabiatda kam uchraydigan elementdir. Xom ashyoni kimyoviy qayta ishlash orqali germaniy tetroxloridi olinadi va undan o’z navbatida oq kukun ko’rinishidagi germaniy dioksidi (GeO2) ishlab chiqariladi. Bu kukun vodorodli toblagichda 650-7000S haroratda qayta ishlanib, elementar germaniy (kulrang kukun) olinadi. Germaniy kukuni kislota eritmasida tozalanadi va eritib quyma holiga keltiriladi.

Germaniy tarkibida Ni, Ca, Cu, Mn, As, Fe, Si kabi qo’shimchalar uchraydi. Tozalash davrida bu qo’shimchalar quymaning bir chetiga (20-25 mm uzunlikda) yig’ilib qoladi. Yarim o’tkazgichli asboblarni yasashda germaniy quymalari yupqa plastina shaklida kesiladi. Kesilgan plastina yuzasi nuqsonlarni yo’qotish maqsadida sayqallanadi.

Germaniydan turli quvvatli o’zgaruvchan tok to’g’rilagichlari, har xil tranzistorlar ishlab chiqarishda foydalaniladi. Undan Xoll o’zgartkichlari ham tayyorlanadi. Germaniyning optik xossalaridan fototranzistor, optik linza, optik filtir va nur modulyatori tayyorlashda foydalaniladi. Germaniyli diod (to’grilagich) ning volt-amper xaraktiristikasida keltirilgan.

Germaniyli asboblarning ish temperaturasi –60 dan +700S gacha bo’lib, temperatura yanada orttirilsa, teskari tokning qiymati 2,5-3 barobar ko’payib ketadi.

Mazkur asboblar namdan yaxshi muhafaza qilinishi kerak.

Kremniy davriy sistemaning IV gruppasidagi ko’p panjarali, kovalentli kristall bo’lib, tabiatda keng tarqalgan element hisoblanadi. Texnik kremniy elektr pechida olinadi, so’ngra kimyoviy ishlov berish va vodorod muhitida yuqori temperatura (12500S) da tiklash orqali kremniy sterjenlari tayyorlanadi. Germaniy kabi kremniy elektr o’tkazuvchanligi ham uning tarkibilagi qo’shimchalar miqdoriga kuchli ravishda bog’liq bo’ladi. Kremniy yarim o’tkazgichli asboblar tayyorlashda asosiy material bo’lib hisoblanadi. Undan diod, tranzistor, fotoelement, tenzoo’zgartirgichlar tayyorlashda va mikroelektronika sxemalarida keng ko’lamda foydalaniladi.