S. o r I f j o n o V elektromagnitizm
Xullas atomlarning fizik va kimyoviy hossalari ulardagi yuqori
Download 48 Kb. Pdf ko'rish
|
Xullas atomlarning fizik va kimyoviy hossalari ulardagi yuqori elektron qatlamda nechta o'rin va nechta elektron borligi bilan aniqlanadi. Bu qatlam elektronlar bilan to'lgan bo'lsa, bunday atomlardan tuzilgan kristall — dielektrik hossalarga, bu qatlam to'lmagan bo'lsa — o'tkazgich (metall) hossalariga ega boladi. Bayon etilgan fikrlar yakkalangan atomlarga taalluqlidir. Kristallar ko'plab ( N ) atomlarning yaqinlashib, elektromagnit ta’sirlashuvi oqibatida hosil bo'ladi. Ayrim atomlarda bir xil energiyaga ega bo'lgan elektronlar kristall deb nomlanadigan sistemada Pauli prinsipiga binoan holatlari bir-biridan farq qilishi kerak. Atomlar kristallga birlashganda elektronlar ayrim atom yoki ionga tegishli bo'lmay, butun kristallga tegishli bo'lib qoladi, ular kristall bo'ylab, kristall panjara tugunlari orasida harakatlanadi. Ularning bunday harakatining yo'nalishi va energiyasi ulaming to'lqin vektori к bilan aniqlanadi. Masalan, elektronlarning energiyasi sodda hollarda Ek = £, + T r k 2 / 2 m formula bilan ifoda lanadi, ayrim atomlarda E { eneriyali bo'lgan holatlar kristallda o'zaro ta’sirlashuv tufayli ma’lum kenglikka ega bo'lgan elektron zonaga aylanadi. Elektron zonalaming orasi ta’qiqlangan zona deb ataladi, uning kengligi Es deb belgilanadi. Bunday zonalardan pastki bir nechtasi elektronlar bilan to'la bo'lsa, krisstall dielektrik xossaga ega bo'ladi. Elektronlarning krictall bo'ylab harakatlanishiga qaramay, ulaming dielektrikdagi toki nolga tengligini aytib o'taylik. Haqiqatan, k\ to'lqin vektori bo'lgan holda harakatlanayotgan elektronni ko'raylik. Elektronlar bilan to'la zonada albatta modul jihatdan xuddi shunday to'lqin vektori, lekin yo'nalishi teskari bo'lgan yana bir elektron bo'lib, bu ikki elektronning to'liq toki nolga teng bo'ladi. Bu mulohazalar zonadagi barcha elektronlar uchun o'rinli bo'lib, muvozanatli holda zona elektronJari tok hosil qilmaydi. Kristallga elektr maydoni ta’sir etganda, elektr maydon jumladan zonadagi barcha elektronlarga ta’sir etadi. Elektronlar tok hosil qilishi uchun o'z harakatini (to'lqin vektorini) o'zgar- tirishi kerak. Zona ichida birorta bo'sh ruxsat berilgan holat bo'lma- gani uchun, elektronlar o'z holatini, harakatini o'zgartirolmaydi va zona tokka hissa qo'sholmaydi. Kristallda yana boshqa elektronlar bilan to'la zonalar bo'lsa, ular ham tokka hissa qo'sholmaydi. Ayrim kristallarning dielektrik xossalari ularda faqat elektronlar bilan to'la zonalar borligi bilan tushuntiriladi. Dielektriklar tok o'tkazmasada, sirtlari zaryadlanishi mumkin, elektr maydonda qutblanishi, magnit maydonda — magnit xossa larini namoyon etishi mumkin. S a v o l va m a s a la la r 55.1. Kristalldagi elektron zo nalar qanday hosil bo'ladi? 55.2. Kristalldagi elektron zonalar orasi qanday nom lanadi? 55.3. N im a u ch u n dielektriklar tok o ‘tkazmaydi? 5 6 - § . Y a r im o ‘tk a z g i c h l a r Kristallardagi dielektrik xossalar past haroratda kuzatilishi mumkin. Temperatura oshishi bilan dielektrik kristallarda kuza- tiladigan jarayonlarni o'rganaylik. Dielektrik kristallarda elektronlar bilan to'la zonalarni valen t zona deb ataladi. Taqiqlangan zona (Eg) valent zonani yuqoridagi, о ‘tkazuvchanlik zonasidan ajratib turadi. Nima uchun dielektrikdagi yuqoridagi zona о 'tkazuvchanlik zonasi deb atalishini tushuntiraylik. Dielektrikdagi elektronlarning aksariyati valent zonada joy lashadi. Elektronlarning ayrimlari fotonni yutib, yoki temperatura oshganda kristalldagi issiqlik tebranishlarining energiyasini yutib, ta’qiqlangan zonaning yuqorisida joylashgan elektronlardan bo‘sh zonaga o'tib qolishi mumkin. Temperatura yoki yoritilish ortishi bilan bunday elektronlar soni oshib boradi. Elektr maydon bo'lmaganda bu elektronlar betartib harakatlanib, tok hosil qilmaydi. Kristall elektr maydonga kiritilsa, maydon ularning har biriga ta’sir etib, ularning harakatini o'zgartiradi, harakatlariga tartib kiritadi va elektr toki vujudga keladi: ] = nev Bu formulada n — elektronlar konsentratsiyasi, v — ularning elektr maydondagi tartibli harakat tezligi. Bu tezlik maydon ta’sirida vujudga kelib, maydon kuchlanganligiga mutanosib bo'ladi: v = /< £ . Mutanosiblik koeffitsiyenti ц zaryadli zarralaming harakatlanish sharoiti bilan bog'liq bo'lib, h a r a k a tl a n u v c h a n li k deb nomlanadi. Miqdor jihatdan harakatlanuvchanlik zarralaming birlik elektr maydondagi tartibli h a r a k a t tezligiga teng. Shunday qilib, o'tkazuvchanlik zonasida elektr maydonda tok vujudga keladi: Manfiy zaryadli zarralar uchun /и ham manfiy bo'lib, ep. ko'paytma musbat, tok elektr maydon yo'nalishida bo'ladi. Shuning uchun ularning ishorasiga e’tibor bermaslik mumkin. Valent zonasidagi ayrim elektronlar o'tkazuvchanlik zonasiga o'tishi bilan, bo'sh holatlar — k a v a k l a r paydo bo'ladi. Dielektrik dagi valent zonada deyarli barcha ruxsat berilgan holatlarda elektron lar bo'lgani holda, ayrim holatlarning bo'sh bo'lishi — kavak deb ataladi. Valent zona elektronlar bilan to'la bo'lganida elektr toki hosil qilmas edi. Elektr maydonda kavaklar maydon bo'ylab, elektronlar maydonga nisbatan teskari harakatlanadi, ulaming ikkisi ham tokka musbat hissa qo'shadi: j = ne/jE . (56.1) j = ( п+м+ + п_ 1 л_) еЕ. (56.2) Konsentratsiyalar teng bo'lsa: Tokning qiymatiga ta’sir etuvchi eng kuchli miqdor — zaryadli zarralar konsentratsiyasidir. 0 ‘tkazuvchanlik elektronlari va kavak lar temperatura yoki boshqa sababga ko‘ra vujudga keladi, hara katlanadi, bir-biri bilan uchrashganda neytrallashadi, ilmiy tilda — rekombinatsiyalashadi. Ularning konsentratsiyasi shunday dinamik sharoitda vujudga keladi. Temperatura ortishi bilan elektronlarning valent zonasidan o'tkazuvchanlik zonasiga o'tishi keskin oshadi va oradagi taqiqlangan zona kengligiga {E^ kuchli bog'liq bo'ladi. Eg kichik bo'lsa, elektronlarning o'tkazuvchanlik zonasiga o'tishi yengillashadi va ulaming konsentratsiyasi nisbatan katta bo'ladi. Faqat temperatura ta’sirida vujudga keladigan konsen- tratsiya Richardson — Deshman formulasi bilan ifodalanadi: n = A T 2 exp V k T (56.4) Bu yerda A — doimiy koeffitsient, к — Bolsman doimiysi. Misol uchun E g = 2 e V = 3.2 I O '19/ T = 300 К bo'lsin. Unda: n » 2.4 10~29(ЛЛ'2) . Taqiqlangan zona Es = 2 .2 e V bo'lsa, konsen- tratsiya =103 marta kamayadi, f ’^ l.S eF b o'lsa, konsentratsiya »103 ortadi. Shunday qilib taqiqlangan zonani kichik o'zgarishi ham o'tkazuvchanlik elektronlarining konsentratsiyasiga va o'tkazuvchan- likka kuchli ta’sir etadi. Shuning uchun Eg = 2cKshartli ravishda dielektriklar va yarimo'tkazgichlar orasida chegara deb olingan. Eg> 2eV bo'lgan kristallar dielektriklar deb hisoblanadi, bundan kichik taqiqlangan zonaga ega bo'lgan kristallar yarimo'tkazgichlar deb ataladi. Yorug'lik fotonlarining energiyasi 1.55+3. leKoraliqda bo'lib, chegara yorug'lik nurlari sohasiga to'g'ri keladi. Optik toza dielektriklar bo'lganida yorug'lik nurlarini yutmaydi, shaffof bo'ladi, lekin chastotasi yetarli bo'lgan ultrabinafsha nurlarni yutadi. Jumladan oddiy shisha ko'zoynak ham ko'zni ultrabinafsha nurlardan asraydi. Dielektriklar va yarimo'tkazgichlar orasida sifat jihatdan farq yo'q, miqdoriy farq bor. Dielektriklar taqiqlangan zonasi Eg > 2 eV katta bo'lgani uchun ularda odatdagi sharoitda o'tkazuvchanlik elektronlarining konsentratsiyasi shunchalik kichik bo'ladiki, ularni tok o'tkazmaydi deb hisoblash mumkin, ular uchun р108ч- 1010Q/n. Yarimo‘tkazgichlarda taqiqlangan zona kichikroq bo‘lgani uchun ularning o'tkazuvchanligi nisbatan katta, solishtirma qarshiligi kichik bo'ladi. Yarimo'tkazgichlarni taqiqlangan zonasi kichik bo'lgan dielektriklar deb atash mumkin. O'tkazuvchanlik yana temperaturaga keskin bog'liqdir. Masalan, temperaturani 10% kamayishi o'tkazuvchanlikni =104 marta kamaytiradi, 10% ortishi — 103 marta oshiradi. Yarimo'tkazgichlar o'tkazuvchanligini temperatura bilan ortishi o'tkazuvchanlik elek- tronlari va kavaklar konsentratsiyasini keskin ortishi bilan tushun tiriladi. Metallarda esa temperatura ortishi bilan o'tkazuvchanlik chiziqli ravishda kamayadi. Yarimo'tkazgichlar deganda fizikada dastlab to'rt valentli Ge va Si moddalari tushuniladi, ulaming fizik xossalari ayniqsa batafsil o'rganilgan. Mendeleev jadvalida shu guruxda turgan olmos ham yarimo'tkazgich hisoblanadi, lekin uni hosil qilish qiyinroq. Uch valentli elementlami besh valentli elementlar bilan birikmalari A }BS ( GaAs, InSb, GaP, In P ...) yarimo'tkazgichli kristallar hosil qiladi. Shu kabi А ЪВ5 tipdagi birikmalar ( Z n T e, ZnSe, CdTe, CdS) va boshqa tipdagi yarimo'tkazgichlar ma’lum. Yarimo'tkazgichlar borgan sari ko'proq qo'llanilayotgan sharoitda, kremniy Si tabiatda keng tarqalgan modda sifatida borgan sari ko'proq qo'llanilmoqda. Texnikada qo'llaniladigan Si nihoyatda toza bo'lishi kerak, undagi aralashma atomlarning soni kremniy atomlar sonining 10-8 qismidan oshmasligi kerak. Bunday tozalikni amalga oshiradigan texnologik jarayonlarni o'zlashtirgan firmalar ko'p emas, texnik kremniy esa qimmatbaho mahsulot hisoblanadi. O'zbekistonda Elektronika Instituti Koreya Respublikasi firmalari bilan birgalikda Respublika kremniy zaxiralaridan texnik kremniy olish bo'yicha amaliy ishlar olib bormoqda. Yarimo'tkazgichlaming elektr xossalari yoritilganlikka, turli nurlanishlarga, elektr va magnit maydonlarga, turli aralashmalaiga juda sezgir bo'ladi. Bunday ilmiy ma’lumotlar minglab ilmiy maqolalarda va ilmiy kitoblarda bayon etilgan. Yarimo'tkazgich laming hossalariga asoslangan bir necha o'nlab elektron asboblar yaratilgan. Ushbu qo'llanma doirasida ulaming ayrimlarinigina yoritish imkoniyati mavjud. Yarimo‘tkazgichli f o t o d i o d l a r . Chastotasi yetarli boMgan ( fico > Eg ) elektromagnit toMqin, yorugMik yarimo‘tkazgichda yutiladi va o ‘tkazuvchanlikni keskin oshiradi. Bunga asoslangan sezgir fotodiodlar yaratilgan. Ular, masalan, metroda ham qoMla niladi. YarimoMkazgichlarda fotonning yutilish jarayonida elektron ning energiya va impulsi fotonning energiya va impulsi hisobiga o'zgaradi, bunda saqlanish qonunlari bajariladi: E 2 - E y = Tico, p 2 - P i = tik. (56.1) Fotonning impulsi nk modul bo‘yicha hco/c ga teng boMib, elektron impulsidan juda kichik, shuning uchun fotonning yutilishi jarayonida elektronning impulsi o ‘zgarmaydi ( p2 = P l ) deb hisob lash mumkin. YorugMikning bunday yutilishi kuchli boMib, yutilish koeffitsiyenti =Ю5Д« qiymatga erishishi mumkin. Ayrim yarimoMkazgichlarda energiyaning saqlanish qonuni bajarilgani holda, elektron valent va oMkazuvchanlik zonasida turli impulsga ega boMishi kerak. Bunday kristallarda yutilish jarayoni kristall ionlarining tebranish impulsining (ilmiy tilda fonon impul- sining) yutilishi bilan borishi mumkin. Uchta zarra (foton, elek tron, fonon) ishtirokida ro‘y beradigan jarayon ehtimolligi kichik boMgani uchun, nurlarning bunday yutilish koeffitsiyenti deyarli yuz marta kichikroq, =10 }/sm boMadi. Shunday qilib, yorugMik yutilishi jarayoni ham kristallning ichki xossalari haqida, elektron zonalari haqida maMumot olish imkoniyatini yaratar ekan. A ralash m ali y a rim o ‘tkazgichlar. YarimoMkazgichning har bir atomi qo'shni atomlar bilan to'rt kovalent bogManish hosil qiladi. Bunday kristallarga kiritilgan besh valentli aralashma (P, As, Sb) atomi ham bunday bogManishlarda ishtirok etadi, tashqi qobigMdagi bir elektron esa, ortiqcha boMib qoladi. Bu elektronning aralashma atomiga bogManishi kuchsiz boMib (masalan, Ge da 0.01 eV), temperatura ta’sirida undan ajrab ketadi. Aralashma atomi musbat ionga aylanadi va elektr o ‘tkazuvchanlikda ishtirok etmaydi, elektron esa o'tkazuvchanlik zonasiga o ‘tib, o‘tkazuvchanlikka hissa qo‘shadi. Shunday qilib har bir besh valentlik aralashma atomi temperatura- dan qat’i nazar bitta oMkazuvchanlik elektroni hosil qiladi. Bunday aralashma donor deb ataladi, yarimo‘tkazgich esa n — tipdagi yarimo‘tkazgich deb ataladi (negative, manfiy so‘zidan olingan). Ularda o'tkazuvchanlik elektronlari ko‘p bo'lgani holda, oz miqdorda kavaklar ham bo'ladi (asosiy bo'lmagan o'tkazuvchanlik zarralari), ularning konsentratsiyasi, yuqorida bayon etilganidek, temperaturaga kuchli bog'liq bo'ladi. Yarimo'tkazgichga uch valentli aralashmalar kiritilsa, ular ham atrofdagi kristall atomlari bilan ta’sirlashib, to'rt kovalent bog'lanish hosil qilishadi, buning uchun kristalda uchrab turadigan elektronlardan biri ishlatiladi, demak bironta asosiy atomda elek tronning kamomadi vujudga keladi, har bir aralashma atomi bir kavakni vujudga keltiradi. Bunday aralashmalar ( В, Al, Ga, In) akseptor, yarimo'tkazgich esa p tipdagi yarimo'tkazgich deb ataladi (positive, musbat so'zidan olingan). Ularda ham asosiy bo'lmagan o'tkazuvchanlik zarralari, o'tkazuvchanlik elektronlari bo'ladi, .lekin ulaming konsentratsiyasi harorat pasayishi bilan keskin kamayib ketadi. Shunday qilib, aralashmalar yordamida yarimo'tkazgichlarda temperaturaga bog'liq bo'lmagan o'tkazuvchanlik hosil qilinadi. Aralashmali yarimo'tkazgichlaming eng muhim xossalari ularning bir-biriga ulanishida, kontaktda namoyon bo'ladi. n - tipdagi va p - tipdagi yarimo'tkazgichlaming kontaktini ko'rib chiqaylik (56.1-rasm). Ularni ayrim yaratilib, so'ngra ulash shart emas, bunday kontakt yasash uchun yagona yarimo'tkazgich asos olinib, uning ikki qismiga ikki turdagi aralashma singdiriladi. Integral mikrosxemalaming yasalishi ham huddi shunday texnolo- giyalarga asoslanadi. Donorli yarimo'tkazgichda o'tkazuvchanlik elektronlari ko'p p 56. l-ra sm . П bo'lib, ular issiqlik harakati tufayli kontaktga yaqinlashib, akseptorlik yarimo'tkazgichdan issiqlik harakati tufayli yetib kelgan kavaklar bilan uchrashib, neytrallashadi (rekom- binatsiyalashadi). Bundayjarayonda donorli yarimo'tkazgich musbat, akseptorlik yarimo'tkazgich manfiy zaryadlanib qolib, ular orasida kontakt p o te n sia lla r f a r q i vujudga keladi, bu elektr maydon asosiy tok tashuvchilarining kontakt sohasiga qarab harakatlanishiga to'sqinlik qiladi. Kontaktga tashqi kuchlanish berilsa, u kontakt potensiallar farqini oshirishi mumkin, unda elektr maydonining tok oqishiga to‘sqinligi yanada ortib, tok oqmaydi, yoki kontakt potensiallar farqini va tokka to'sqinligini kamaytirishi mumkin, bunda kontakt orqali tok oqadi. Tashqi kuchlanishni ishorasi o ‘zgarganda p — n kontaktning qarshiligi 105—106 marta o'zgarishi mumkin. Shuning uchun p — n kontakt bir yo'nalishda tok o'tkazuvchi element, yarimo‘tkazgichli diod sifatida qo'llaniladi (36-§ ga qarang). p — n kontaktdan tok o'tayotganda kontaktda rekombinatsiyala- shayotgan elektronlar va kavaklar elektromagnit to‘lqin kvantlari — fotonlami nurlatadi. Fotonlami kristaldan tashqariga chiqishidagi toMa ichki qaytish hodisasiga qarshi choralar ko‘rib, nurlanishning bir yo‘nalishda chiqishi uchun akslantiruvchi ko‘zgular yasab, yorug‘lik diodlarida elektr energiyaning 40% ining yorugMikka aylanishiga erishilgan. Juda ihcham, qizimaydigan, energiyani tejovchi bunday yorugMik diodlarining turli elektronika asboblari, televizordan tortib, kompyutergacha, hattoki o‘yinchqlarda ko‘plab qo‘llanishini ko'ramiz. YorugMik kvantlari ayrim atomlar va boshqa zarralar tomoni dan nurlanadi. Ularning nurlanish vaqti, yo‘nalishi, qutblanishi, ayrim hollarda chastotalari ham bir-biridan farq qiladi. Bunday nurlanish nokogerent nurlanish deb ataladi. Inson yaratgan la z e r nomli qurilmalarda elektromagnit nurlanish A.Eynshteyn nazariy bashorat qilgan majburiy nurlanish hodisasiga asoslangan. Hosil qilinadigan lazer nurlanishi nihoyatda yo'nalganligi, qutblangan- ligi, chastotasining doimiyligi, barcha tebranishlar yagona tebra nish kabi ekanligi (kogerentligi) bilan ajralib turadi. Kichik quwatli lazerlar jumladan yorugMik diodini, yarimo'tkazgichli p — n o'tishni mahsus yorugMik rezonatoriga o ‘rnatilib hosil qilinadi. Ko'pchilik lazerlar doimiy toMqin uzunligida nurlanish chiqa radi. Yarimo‘tkazgichli lazerlarning materiallarini yasash texnolo- giyasiga o'zgartirish kiritib, turli chastotali lazerlar yasash mumkin. Yarimo‘tkazgichli lazerlar ixchamligi bilan ajralib turadi. Hatto, integrali mikrosxemalarda qo'llanishi uchun mikroskopik o'lchamlarga ega lazerlar yaratilgan. Yarimo'tkazgichli boshqa muhim qurilma — tranzistor bo‘lib, bipolyar tranzistor dastlab amerikalik olimlar Uilyam Shokli, Djon Bardin, Uolter Bratteyn tomonidan 1947-yilda yara tilgan. Bu kashfiyotlari uchun ular 1956- yilda Nobel mukofotiga sazovor bo‘lishgan. Ulardan Jon Bardin o ‘ta o'tkazuvchanlik nazariyasini yaratishdagi hissasi uchun ikkinchi bor bu buyuk mukofotga sazovor bo'lgan. Bu olimlaming ismlari Kulon, Amper, Ersted va boshqa buyuk fiziklar qatoridan o'rin olgan. Tranzistor (bipolyar tranzistor) ikkita p — n o'tishdan iborat qurilmadir (56.2-rasm). n — p — n v a p — n — p tipdagi tranzis- torlari farqlanadi, lekin ularning ishlashi o'xshash bo'ladi. Bunday qurilmadan tok o'tkazmoqchi bo'lsak, kontaktlardan biri tokni o'tkazgani bilan, ikkinchisi o'tkazmaydi. Agar qurilmaning o'rta qatlamiga ishorasini tanlab, kuchsiz kuchlanish Us (signal) ulansa, tranzistordan Us Download 48 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling