Yarim o’tkazgichlar elektr o’tkazuvchanligining temperaturaga bog’liqligi

Yarim o’tkazgichlar elektr o’tkazuvchanligining temperaturaga bog’liqligi
Yarim o’tkazgichlarning elektr o’tkazuvchanligidan ko’rinadiki, elektron va teshiklarning harakatchanligi va konsentratsiyasiga bog’liqliq bo’ladi. Temperatura o’zgarishi bilan ayniqsa, zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi bir necha tartibga o’zgarib ketishi mumkin. Bu esa n- yarim o’tkazgich va p- yarim o’ykazgichni xususiy yarim o’tkazgichga aylantirib yuborish mumkin. Chunki temperatura ortishi bilan elektronlar bilan teshiklar konsentratsiyasi teng bo’lib qoladi. Siklatron rezonans va boshqa tajribalarda aniqlanishicha, yarim o’tkazgichlarda zaryad tashuvchilar – elektron va teshiklar bir necha xil bo’lib, ular bir-birlari bilan harakatchanlik va effektiv massalari bilan farqlanadi.Masalan germaniy elementida ikki xil teshik mavjudligi, tellurda esa ikki xil harakatchan teshik va ikki xil harakatchan elektron mavjudligi aniqlangan. Ularning harakatchanligi son qiymati bilan bir-birlaridan farq qiladi.Yarim o’tkazgichlar elektr o’tkazuvchanligining temperaturaga bog’liqligi zaryad tashuvchilarning harakatchanligi bilan konsentratsiyasiga temperaturaning tasiri orqali xarakterlanadi. Zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi va harakatchanligi temperaturaga bog‘liq bo‘lib, bu bog‘lanish bir-birlaridan farqlidir. Shuning uchun, ularni alohida-alohida ko‘rib chiqaylik. Biz oldin temperaturani zaryad tashuvchilarning harakatchanligiga qanday ta’sir ko‘rsata olishligini aniqlaylik.
Ma’lumki, zaryad tashuvchilarniig harakatchanligi o‘zlarining erkin yugurish yo‘li, issiqlik harakat tezligi va effektiv massasiga bog‘liqdir. Bu kattaliklar o‘z navbatida, temperatura o‘zgarishi bilan o‘zgaradigan kattaliklardir. Harakatchanlik shu kattaliklar orqali
(2.2.8)
formula bilan beriladi. Ayrim tajribalar yarim o‘tkazgichlardagi zaryad tashuvchilarning effektiv massasi temperaturaga bog‘liq bo‘lsa kerak, degan xulosaga kelgan bo‘lsada, hali biz temperaturaga qaysi tarzda bog‘lanishligini bilmaymiz. SHu sababga ko‘ra t ni o‘zgarmas kattalik deb ko‘rsak, xato qilgan bo‘lmaymiz.
Demak, “harakatchanlikka” temperaturaning ta’sirining temperatura o‘zgarishi bilan bo‘ladigan o‘zgarishi orqali aniqlaniladi. Temperaturaning erkin yugurish yo‘liga bo‘lgan ta’siri zaryad tashuvchilarning kristalldagi sochilish mexanizmlariga bog‘liqdir. Deyarli ko‘p yarimo‘tkazgichlarda zaryad tashuvchilarning sochilish markazlari asosan ion va atomlarning issiqlik tebranishi va aralashmalar bo‘lib hisoblanadilar. Boshqa nuqsonlar tufayli sochilishni hisobga olmasak ham bo‘ladi. Zaryad tashuvchilarning kristall panjaraning issiqlik tebranishidagi sochilishi tebranayotgan atom egallagan hajmining ko‘ndalang kesimiga bog‘liq. Ko‘ndalang kesimi tebranish amplitudasining kvadratiga, ya’ni atomiing energiyasiga bog‘liq bo‘ladi. Binobarin, zaryad tashuvchilarning tebranishlar soni tebranish energiyasiga to‘g‘ri proporsionaldir. Erkin yugurish yo‘li esa to‘qnashishlar soniga teskari proporsionaldir. Demak, erkin yugurish yo‘li aytilgan hol uchun bo‘lib, temperaturaga teskari proporsioial bo‘lar ekan.
Yarim o‘tkazgichlarda zaryad tashuvchilar tezligining temperaturaga bog‘lanishi metallardagi elektronlar tezligining temperaturaga bog‘lanishidan farq qiladi. chunki yarimo‘tkazgichlardagi zaryad tashuvchilar klassik statistikaga — Maksvell — Bolsman statistikasiga bo‘ysunadi. Shuning uchun kristallardagi zaryad tashuvchilar gazi, ideal gazlar kabi harakat qilib, qonuniyat bo‘yicha harakat qiladi, deb olsak xato qilmaymiz.
Demak,

ga asosan
 (2.2.9)
bu erda a₀ — o‘zgarmas son.
Temperatura pasayib borishi bilan kristall panjaraning issiqlik tebranishidagi sochilishi susayib boshqa sochilish mehanizmi, zaryad tashuvchilarning aralashma atomlaridagi sochilishi asosiy rol o‘ynaydi. Zaryad tashuvchilarning aralashma atomlaridagi sochilishi Rezerford tajribasidagi α-zarraning yadrodagi sochilishiga o‘xshaydi. SHuning uchun, erkin yugurish yo‘li α-zarraning sochilishidagi kabi tezlikning to‘rtinchi darajasiga proporsional bo‘ladi. U holda harakatchanlik temperaturaga quyidagicha bog‘lanadi:
 (2.2.10)
Bu ifodadagi aralashmalarning konsentratsiyasiga teskari proporsional bo‘lgan kattalikdir, demak, aralashmalar konsentratsiyasi ortishi bilan l ning kamayib borish hisobiga harakatchanlik kamayar ekan.Agar yarimo‘tkazgichda bir vaqtning o‘zida ikkala sochilish mehanizmi kuchga ega bo‘lsa, zaryad tashuvchilarning harakatchanligi
 (2.2.11)
formula orqali aniqlaniladi. (2.2.9) va (2.2.10)ga asosan (2.2.11)ni quyidagicha yozish mumkin:
 (2.2.12)
Bu ifodadan ko‘rinadiki, past temperaturalarda bo‘lib, harakatchanlik ga proporsional ravishda ortib boradi. Temperatura ortishi bilan bo‘lib qoladi va harakatchanlik T ga proporsional ravishda kamayib boradi. Demak, i temperaturaning ma’lum bir qiymatida maksimal qiymatga erishadi.



7- rasm. zaryad tashuvchilar harakatchanligining temperaturaga bog’liqligi

Funksiyaning ekstremum kiymatini topish shartiga asosan, dan

 ( 2.2.13)
Haqiqatdan ham, da
Harakatchanlikiing temperatura bo‘yicha o‘zgarishini ko‘rsatuvchi grafik 6- rasmda ko‘rsatilgan.
Endi zaryad tashuvchilar konsentratsiyasining temperaturaga qanday bog‘langanligini ko‘rib chiqaylik. Agar yarim o‘tkazgich xususiy yarim o‘tkazgich bo‘lsa, elektronlar konsentratsiyasi bilan teshiklarning konsentratsiyasi bir-biriga miqdor jihatidan teng bo‘ladi;
(2.2.14)
Bu ifodadagi Eg—man qilingan zonaning kengligi, Eg ham temperaturaga bog‘liq bo‘lib,

8-rasm Xususiy yarim o’tkazgichlar elektr o’tkazuvchanligini temperaturaga bog’
liqligi .
temperatura ortishi bilan miqdori kamayib boradi. Lekin bu bog‘lanish juda ham bo‘sh bo‘lganligi uchun hisobga olmasak ham bo‘ladi. (2.2.14) ifodadan ko‘rinadiki, zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi temperaturaga eksponensial bog‘langan. Bu ifodadan foydalanib xususiy yarimo‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligini quyidagicha yoza olamiz:
 (2.2.14)
temperatura o‘zgarishi bilan juda ham tez o‘zgaradi. Shuning uchun (8) da qavsning ichidagi kattalikning temperaturaga bog‘lanishini hisobga olmasak ham bo‘ladi. U holda
 (2.2.15)
yoki  (2.2.16)
bundan,





da . Demak A dagi σ ga teng.
Bu ifodaning grafigi 8-rasmda ko‘rsatilgan.
Amalda ko‘proq aralashmali yarimo‘tkazgichlar ishlatiladi. Biz xususiy holda, elektronli yarim o‘tkazgichni ko‘raylik. Bunday yarimo‘tkazgichlarda xususiy zaryad tashuvchilardan tashqari aralashmalarning o‘tkazuvchanlik zonasiga bergan elektronlari ham o‘tkazuvchanlikda ishtirok etadi. Donorlar energetik sathidan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tgan elektronlarning konsentratsiyasi agar donorlar to‘liq ionlashgan bo‘lmasa,
B
bo‘lib elektr o‘tkazuvchanlik
(2.2.17)
formula orqali aniqlaniladi. Bunda 𝛥E_d— o‘tkazuvchanlik zonasining eng pastki

energetik sathi bilan donorlarning energetik sathi orasidagi energetik masofa. Bu erda ham elektr o‘tkazuvchanlikni temperaturaga eksponensial bog‘lanishidan boshqasini hisobga olmadik. Ma’lumki, , shuning uchun da o‘tkazuvchanlik zonasidagi elektronlar asosan donorlardan o‘tgan elektronlar bo‘lib, elektr o‘tkazuvchanlik asosan aralashma donorlardan o‘tgan elektronlar hisobiga bo‘ladi (11) ning o‘ng tomonidagi ikkinchi qo‘shiluvchi birinchisiga qaraganda katta bo‘lib, elektr o‘tkazuvchanlikning temperaturaga bog‘liqligi shu ikkinchi had orqali aniqlaniladi.

Bizga ma’lumki, qattiq jismlarning elektrik o‘tkazuvchanligi bo‘yicha uch turga ajratish mumkin: metallar, yarimo‘tkazgichlar, dielektriklar. Ularni kvant mexanikasida qanday tushuntirilishi masalasiga to‘xtalib o‘tamiz.

Bu mulohazalar kvant mexanikasining asosiy qonunyatlari zaminida elektronlarning qattiq jismda (to‘g‘rirog‘i, kristall qattiq jismda) energiyalari spektri haqida to‘g‘ri xulosalarga olib keladi.
Agar temperatura ortib borib, donorlar to‘liq ionlashib, o‘tkazuvchanlik zonasidagi elektronlarning konsentratsiyasi temperaturaga bog‘liq bo‘lmay qoladi. Bu oraliqda elektr o‘tkazuvchanlikka temperaturaning ta’siri, zaryad tashuvchilarning harakatchanligiga temperaturaning ta’siri orqali belgilanadi.
Temperatura ortib borib, bo‘lib qolsa, elektr o‘tkazuvchanlik xususiy YArimo‘tkazgichlar kabi, ya’ni temperaturaga eksponensial holda o‘sa boshlaydi. Elektr o‘tkazuvchanlikning temperaturaga bog‘liqligi 9- rasmda ko‘rsatilgan.



9-rasm. Aralashmaga ega bo’lgan kremniy elementida elektr o’tkazuvchanlikning temperaturaga bog’liqligi (tajribada olingan)
e bilan valentlik zonasidan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tgan elektronlarning soni donorlar energetik sathidan o‘tgan kabi yozsak bo‘ladi. Aytilgan mulohazalar va formulalar teshikli yarimo‘tkazgichlar uchun ham to‘g‘ridir. Faqat formulalardagi elektronlar soniga qaraganda ko‘payib ketishi mumkin. Bu holda elektr o‘tkazuvchanlik formulasi bilan almashtirish kerak.
Biz yuqorida aralashmalarning konsentratsiyasi uncha katta bo‘lmagan yarimo‘tkazgichlarni ko‘rib chiqdik. Biz ko‘rib chiqqan hollarda zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi Maksvell—Bolsman statistikasiga bo‘ysunadi. Agar aralashmalarning konsentratsiyasi ortib borsa, ular orasidagi masofa kamayib boradi. Natijada, aralashma atomlarining o‘zaro ta’siri yuzaga kelib, aralashmalarning energetik sathi energetik zonani hosil qilishi mumkin. Aralashmalarning hosil qilgan energetik zonasi o‘tkazuvchanlik zonasi yoki valentlik zonasiga yaqin joylashgan bo‘lib,

o‘tkazuvchanlik metallarning o‘tkazuvchanligiga o‘xshab ketadi. Chunki bu holda zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi aynigan holatda bo‘lib, Bolsman taqsimotiga bo‘ysunmay, Fermi — Dirak taqsimotiga bo‘ysunadi. Endi yarimo‘tkazgichlar elektr o‘tkazuvchanligining temperaturaga bog‘liqligi zaryad tashuvchilarning harakatchanligiga temperaturaning ta’siri orqali harakterlanadi. Aynigan holatda zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi temperaturaga bog‘liq emas deb qarasak bo‘ladi. Demak, bu hol uchun yarimo‘tkazgichlar elektr o‘tkazuvchanligini temperatura ortishi bilan kamayib boradi