Qattiq jismlar fizikasi elementlari. Yarim o’tkazgichlar Reja

Aim.Uz

Qattiq jismlar fizikasi elementlari. Yarim o’tkazgichlar
Reja

• 
  Kristallarda energetik zonalar.
  
• 
  Metallar, yarimo’tkazgichlar, dielektriklar.
  
• 
  Yarimo’tkazgichlarni xususiy elektr o’tkazuvchanligi.
  
• 
  Yarimo’tkazgichlarni aralashmali elektr o’tkazuvchanligi.
  
• 
  p-n o’tish va uning volt-amper xarakteristikasi.
  
• 
  Yarimo’tkazgichli diod va tranzistorlar.
  
• 
  Yarimo’tkazgichni fotoo’tkazuvchanligi.
  
• 
  Lyuminessension nurlanish.
  

Kristallardagi energetik zonalar. Ma’lumki atomdagielektronlar aniq diskret energetik qiymatlarga ega bo’ladi. Odatda, elektron ega bo’lishi mumkin bo’lgan energiyalarning qiymatlarini (gorizontal chizilar) ruxsat etilgan energetik qiymatlar deyiladi.

Bu gorizontal chiziqlar energetik sathlar deb ataladi. Ma’lumki atomni o’lchami a10-10m. Bir-biridan a10-9m masofada turgan atomning energetik sxemasi 1-rasmda keltirilgan.

1-rasm

Agar atomlar orasidagi masofa 10-9m dan kichik bo’lsa, (a10-9m) u holda atomlar orasidagi o’zaro ta’sir natijasida atomlarni ajratib turuvchi potetsial o’ra balandligi kamayadi. Bu bir atom elektronlarni qo’shni atom yadrosi tomonidan, tortishishi bilan tushuntiriladi (2-rasm).

2-rasm
Kristallarda atomlar orasidagi masofa a10-9m bo’lganligi uchun bu atomlar orasida kuchli o’zaro ta’sir mavjud. Bu esa atomlar orasidagi potensial to’siqni kamayishiga olib keladi.

Kvant nazariyasiga asosan elektronlar energiyasi energetik sath deb ataluvchi faqat diskret (ya’ni chekli oralilar bilan ajralgan) qiymatlarni qabul qila olishi mumkin.

Sathlarni elektronlar tomonidan ishg’ol etilishida Paulining taqiqlanish prinsipi bajarilishi kerak. 5 ta elektronli atomning asosiy holatida elektronlarning sathlar bo’yicha joylashishi 3-rasmda keltirilgan.

3-rasm
N dona atomni ko’z oldimizga keltiraylik. Agar bu atomlar bir-biri bilan o’zaro ta’sirlashmaydigan darajada o’zoqlikda (a10-9m) joylashgan bo’lsa (ya’ni izolyatsiyalangan bo’lsa), barcha atomlardagi energetik sathlar va bu sathlarning elektronlar tomonidan ishg’ol etilishi bir xil bo’ladi 4-rasm.

4-rasm

Bu N dona atom kristall bo’lagini tashkil etgan holni ko’raylik (a10-9m). Atom bir-biriga yaqinlashgan sari ular orasida kuchayib boruvchi o’zaro ta’sir paydo bo’ladi, bu esa sathlar holatining o’zgarishiga olib keladi.

Barcha N ta atom uchun bir xil bo’lgan bitta sath o’rniga, N ta bir-biriga juda yain bo’lgan, biroq ustma-ust tushmaydigan sathlar hosil bo’ladi.

Natijada izolyatsiyalangan atomdagi bitta energetik sath o’rniga qattiq jismda bir-biriga yaqin joylashgan N dona energetik sathlar gruppasi vujudga keladi. Bu sathlar gruppasi energetik zona deb ataladi. Bu ruxsat etilgan energetik zonalar taqiqangan zonalar bilan ajratilgan bo’ladi (5-rasm).

5-rasm
Odatda energetik zonaning kengligi bir necha elektron-volt bo’ladi. Agar kristall, masalan 1023 atomdan iborat bo’lsa, zonadagi sathlar oralig’i 10-23 eV bo’lar ekan. Absolyut nol haroratda kristall energiyasi minimal bo’lishi kerak. Shuning uchun valent elektronlar juft-juft holda ruxsat etilgan zonaning pastki sathini to’ldiradi. Bu sathlar atomning asosiy valent elektronlar egallagan sathdan xosil bo’ladi. Buni biz valent zona deb ataymiz. Bu zonaga eng yaqin turgan ruxsat etilgan zona, bo’sh zona yoki o’tkazuvchanlik zonasi deyiladi. Bu ikki zona taqiqlangan zona bilan ajratilgan bo’ladi (6-rasm).

6-rasm
Metallar. Yarimo’tkazgichlar, dielektriklar. Valent zonadagi energetik sathlar elektronlar tomonidan qanchalik ishg’ol etilganligi va taqiqlangan zonaning energetik kengligiga qarab barcha qattiq jismda uch sinfga bo’linadi.

Metallar (o’tkazgichlar). Metallarda valent zonadagi energetik sathlarning bir qismigina elektronlar tomonidan ishg’ol etilgan bo’ladi. Yuqori sathlarda turgan elektronlarga ularni yana ham yuqoriroq sathlarga o’tkazish uchun uncha katta bo’lmagan (10-23-10-22eV) energiya berish yetarlidir.Metallarning solishtirma elektr qarshiligi =10-610-5 om∙m

Yarimo’tkazgichlar. Yarimo’tkazgichlarda valent zonadagi barcha energetik sathlarni elektronlar egallagan bo’ladi. Taqiqlangan zonaning energetik kengligi W uncha katta bo’lmay (W3 eV) kristall haroratiy yetarlicha yuqori bo’lganda (masalan uy haroratida) issiqlik harakati energiyasi tufayli valent zonadagi elektronlarning bir qismi bo’sh zonadagi energetik sathlarga ko’tarilishga qodir bo’ladi. Yarim o’tkazgichlarning solishtirma elektr arshiligi =10-510-8 omm

Dielektriklar (izolyatorlar). Dielektriklarda ham valent zonadagi barcha sathlar elektronlar bilan to’lgan bo’ladi. Shu bilan birga dielektrniklarda W yetarlicha katta bo’lib (W3 eV) elektr maydon ta’sirida yoki issiqlik harakat energiyasi tufayli elektronlar valent zonadan bo’sh zonaga unga ko’p o’ta olmaydilar. Dielektriklarni solishtirma elektr qarshiligi =1081013 omm

Yarimo’tkazgichlarni xususiy elektr o’tkazuvchanligi. Barcha valent elektronlari kovaliyent bog’lanishda qatnashgan sof yarimo’tkazgich kristali izolyator bo’ladi, ya’ni elektr tokini o’tkazmaydi. Lekin biror ta’sir natijasida masalan qizdirganda kristallning ayrim qismlaridagi kovalent bog’lanish buzilishi mumkin. Bunda elektron o’z o’rnini tashlab kristall bo’ylab erkin harakat qila boshlaydi. Elektron bo’shagan joyni teshik deyiladi. Bu yerda manfiy zaryadli elektron yetishmaganligi uchun teshikning zaryadini musbat deb qabul qilingan.

Demak sof yarim o’tkazgichda elektron va teshiklar birgalikda, ya’ni juft bo’lib vujudga keladi yoki yo’oladi.

Energetik sathlar sxemasida elektron teshik juftini vujudga kelishiga taqiqlangan zonaning energetik kengligi (W) dan kattaroq qo’shimcha energiya olgan valent zonadagi biror elektronning o’tkazuvchanlik zonasiga o’tishi mos keladi.

Elektr maydon ta’sirida butun kristall bo’ylab elektronlar maydon kuchlanganligiga teskari, teshiklar esa maydon kuchlanganligi yo’nalishida harakat qiladi. Elektronlarning ham, teshiklarning ham harakati kristall bo’ylab zaryadlarni tashishga olib keladi. Bunday elektr o’tkazuvchanlik mexanizimi faqat sof yarim o’tkazgichlar uchun xos bo’lib, uni xususiy elektr o’tkazuvchanlik deyiladi. Demak xususiy elektr o’tkazuvchanlikning yuzaga kelishiga ikki xil ishorali zaryad tashuvchilar: manfiy elektronlar (n) va musbat teshiklar (p) sabab bo’ladi. Xususiy o’tkazuvchanlik yetarlicha yuqori haroratda hamma yarim o’tkazgichlarda kuzatiladi.

Yarim o’tkazgichlarning xususiy elektr o’tkazuvchanligi. haroratga proporsional ravishda ortib boradi. Qarshilik esa, aksincha (chunki ) kamayib boradi. Solishtirma qarshilik esa qonun bo’yicha o’zgaradi, metallarda esa bunda, ₀-0⁰C dagi solishtirma qarshilik.

Yarimo’tkazgichlarda qaralashmali elektr o’tkazuvchanlik. Tabiatda sof yarim o’tkazgich bo’lmaydi. Har qanday yarim o’tkazgichga bir oz miqdorda o’zga element atomlari aralashgan bo’ladi. Ma’lumki umuman, har qanday jismdagi aralashma ham shu jismning elektr hususiyatiga ta’sir etadi, masalan metallardagi aralashma ularni arshiligini ortiradi. Dielektriklarda aralashma tufayli tok tashuvchilar vujudga keladi. Faraz qilaylik to’rt valentli germaniy (Ge) yoki kremniy (Si) atomlaridan tuzilgan kristall panjaraning ba’zi tugunlarida besh valentli atom masalan fosfor (P) yoki mishyak (As) joylashgan bo’lsin.

Bu holda aralashma fosfor atomining to’rtta valent elektroni o’shni Ge atomlari bilan kovalent bog’lanishda bo’ladi. Beshinchi elektron esa atom bilan shunchalik zaif bog’langan bo’ladiki, xatto issiqlik harakat energiyasi ham bu elektronni atomdan ajralib ozod bo’lishiga yetarli bo’ladi.

To’rt valentli element atomlaridan tuzilgan kristallga besh valentli element atomlari aralashgan bo’lsa, bunday yarim o’tkazgichning elektr o’tkazuvchanligi elektronli o’tkazuvchanlik bo’ladi. Buni ko’pincha n-tip o’tkazuvchanlik deyiladi. Aralashma atomi yarim o’tkazgichga elektron berayotganligi uchun, odatda uni donor (“beruvchi”) deyiladi. n-tip aralashmalar tufayli taqiqlangan zonada donor sath vujudga keladi. Donor sathlar odatda, o’tkazuvchanlik zonasining tubiga yaqin joylashgan bo’ladi. Endi to’rt valentli element atomlaridan iborat bo’lgan kristall panjarasining ba’zi tugunlariga uch valentli element atomlari joylashgan bo’lsin. Masalan sof germaniyga indiy (In) qo’shilgan bo’lsa, indiyni uchta valent elektroni uchta qo’shni germaniy atomlari bilan kovalent bog’lanishda bo’ladi. Yetishmayotgan to’rtinchi elektron kristallning qo’shni joylaridan olinadi, bu joyda esa teshik hosil bo’ladi, indiy atomi manfiy ionga aylanadi.

7-rasm

Agar yarim o’tkazgichda elektr maydon hosil qilinsa, teshik elektr maydon kuchlanganlik vektori yo’nalishida ko’chib, yarim o’tkazgichda teshikli elektr o’tkazuvchanlik mavjud bo’ladi. Bunday elektr o’tkazuvchanlikni p-tip o’tkazuvchanlik (positiv-musbat) deb ham ataladi. p-tip yarim o’tkazgichdagi aralashma atomi kristallni tashkil etuvchi asosiy atomning elektronini qabul qilib olishi natijasida teshik vujudga kelganligi uchun, odatda uni akseptor (“qabul qiluvchi”) yoki p-tip aralashma deyiladi.

8-rasm

p-tip aralashmalar tufayli taqiqlangan zonada akseptor sathi vujudga keladi. Valent zonaning yuqori energetik sathdan akseptor sathga elektronning o’tishi uchun lozim bo’lgan energiya Wa taqiqlangan zonaning energetik kengligidan qancha kichik bo’ladi (Wa0,1 eV). Bu o’tish natijasida valent zonada bo’sh energetik sathlar vujudga keladi. Elektr maydon ta’sirida quyiroq sathlardagi elektronlar yuqoriroq sathlarga ko’tariladi. Natijada teshiklar elektronlarning ko’chishi teskari yo’nalishda ko’chadi.

p-n o’tishi va uning volt-amper xarakteristikasi. Ikkita bir xil element (masalan germaniy)dan iborat bo’lgan kristall parchasini ko’raylik. Birinchi kristall n-tip, ikkinchi kristall p-tip yarim o’tkazgich bo’lsin. Bu kristallar bir-biriga tegmagan (kontakt bo’lma-gan) hol 9-rasmda tasvirlangan. Endi, bu ikkala kristallni bir-biriga shunday jipslab tegizaylikki, natijada ular orasida nixoyat yaxshi elektr kontakt vujudga kelsin (9-rasm). Bu kontakt orqali birinchi kristalldagi zaryad tashuvchilar ikkinchi kristallga va aksincha, ikkinchi kristalldagi zaryad tashuvchilar birinchi kristallga o’ta boshlaydi. Natijada chegaraviy sohada qo’sh elektr qatlam vujudga keladi.

9-rasm.

Bu qatlamdagi zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi nixoyatda kichik. Shuning uchun bu qatlamning elektr qarshiligi nixoyatda katta bo’ladi.

10-rasm

Shunday qilib, n va p yarim o’tkazgichlarning bir-biriga tegib turgan sohasida (bu sohaning qalinligi 10^-7m chamasida) vujudga kelgan qatlamni p-n o’tish deb ataladi. p-n o’tish orqali qarama-qarshi yo’nalishlarda asosiy Ia (n-tip) yarimo’tkazgichda elektronlar va p-tip yarimo’tkazgichda teshiklar) va nasosiy In (n-tip yarimo’tkazgich sohasidagi teshiklar va p-tip yarimo’tkazgich sohasidagi elektronlar) toklar mavjud bo’ladi. Muvozanat vaziyatida bu toklarning absolyut qiymatlari teng bo’ladi, shuning uchun p-n o’tish orqali natijaviy tokning qiymati nolga teng bo’ladi:

I=Ia+In=0

Agar p va n-tipdagi yarimo’tkazgichlardan iborat kristallning n-sohasiga tok manbaining manfiy qutbini va p sohasiga musbat qutbini ulasak (11-rasm) p-n o’tish orqali otayotgan natijaviy tokning qiymati to’g’ri kuchlanishga proporsional ravishda ortib boradi va p sohadan n soha tomon yo’nalgan bo’ladi, chunki IaIn.

11-rasm.
Bu yo’nalishni to’g’ri yo’nalish deb taladi. Kristallning n sohasiga tok manbaining musbat qutbini, p sohasiga esa manfiy qutbini ulaylik (12-rasm). Bunday kuchlanishni teskari kuchlanish deb ataladi. Bu holda potensial to’siq balandligi eV oshadi. Natijada asosiy tokning qiymati kamayib ketadi. Bunda asosiy tokning qiymati noasosiy tokning qiymatidan kichik bo’ldai, ya’ni I_aI_n.

12-rasm.

Demak, har ikkala holda ham natijaviy tokning qiymati p-n o’tishga berilgan kuchlanishga bog’liq ravishda o’zgaradi. Bu bog’lanish p-n o’tishning volt-amper xarakteristikasi deyiladi. p-n o’tishning elektr qarshiligi to’g’ri yo’nalishda juda kichik qiymatga ega bo’ladi. Shuning uchun p-n o’tish orqali o’tuvchi to’g’ri yo’nalishdagi tokning qiymati teskari yo’nalishdagi tokning qiymatidan juda katta bo’ladi. Yarim o’tkazgichli diod va tranzistorlar. p-n o’tishning xususiyatlaridan foydalanib yarim o’tkazgichli to’g’rilagich (diod) va elektr signallarini kuchaytiruvchi qurilmalar (tranzistorlar) yasash mumkin. Ma’lumki p-n o’tishni p va n tipdagi yarim o’tkazgichlarni bir-biriga tegizish yo’li bilan hosil qilib bo’lmaydi. Shuning uchun p-n o’tishni hosil qilishni turli usullari mavjud.

1. n-tipdagi germaniy kristali ustiga ozgina indiy kristalining parchasini qo’yib, ularni asta-sekin qizdiriladi. Natijada n-tip germaniy ustida p-tip germaniydan iborat qatlam vujudga keladi. Ular oralitsida esa p-n o’tish hosil bo’ladi.

2. Biror idishga n-tip germaniy va unda p-tip o’tkazuvchanlik hosil qiluvchi galliy solaylik. Qizdirish tufayli galliy atomlari bug’lanadi va diffuziya hodisasi natijasida n-tip germaniy ichiga kirib boradi. Natijada galliy kirib bergan qatlam p-tip yarimo’tkazgichga aylanadi va yarimo’tkazgich (germaniy) sirtidan unchalik chuqur bo’lmagan masofoda p-n o’tish vujudga keladi.