2-Маъруза. ЯримўТКАЗГИЧЛАРНИНГ ЭЛЕКТРОФИЗИК ХОССАЛАРИ Яримўтказгичларда контакт ходисалари. Режа

Элементлар гуруҳлари тартиб рақами

II	III	IV	V	VI
4 Be	5 B	6 C	7 N	8 O
12 Mg	13 Al	14 Si	15 P	16 S
30 Zn	31 Ga	32 Ge	33 As	34 Se
48 Cd	49 In	50 Sn	51 Sb	52 Te

Қаттиқ жисмда қўшни атомлар бир-бирига жуда яқин жойлашган бўлгани учун энергетик сатҳлар силжиши ва парчаланиши юзага келади, натижада, рухсат этилган зона деб аталувчи энергетик зоналар ҳосил бўлади. Рухсат этилган зоналар орасида тақиқланган зоналар жойлашади. Энергетик зонада рухсат этилган сатҳлар сони кристаллдаги атомлар сонига тенг. Рухсат этилган зоналар кенглиги одатда, бир неча электрон-вольтни ташкил этади. Рухсат этилган зонадаги минимал энергетик сатҳ (W_С) – зона туби деб, максимал сатҳ (W_υ) эса – зона шипи деб аталади.

Яримўтказгич ёки диэлектрикнинг рухсат этилган энг юқори энергетик сатҳлари ўтказувчанлик зона деб аталади. Ушбу зона энергияларига эга бўлган электронлар яримўтказгич ҳажмида ташқи электр майдон таъсирида ҳаракатланиб, электр ўтказувчанликни ҳосил қиладилар. Ўтказувчанлик зонасига тегишли энергетик сатҳда жойлашган электрон ўтказувчанлик электрони ёки эркин заряд ташувчи деб аталади. Тақиқланган зона остида жойлашган рухсат этилган зона валент зона деб аталади. Қаттиқ жисмнинг зоналар диаграммаси 2.2-расмда келтирилган.

2.2-расм. Қаттиқ жисм зоналар энергетик диаграммаси.


Кўпчилик яримўтказгич асбобларнинг ишлаши валент зона шипи ва ўтказувчанлик зона туби энергияларига яқин ((2÷3)kТ энергетик оралиқдаги) энергияга эга электрон ҳаракати билан белгиланади. Бир жинсли (ҳажмнинг исталган нуқтасидаги кимёвий таркиби бир хил) арсенид галлий ва кремнийнинг зоналар энергетик диаграммалари, мос равишда, 2.3-а ва б расмларда келтирилган.
Электронлар ҳаракатланганда уларнинг испульси P ва энергияси W ўзгаради. Бунда электрон энергиясининг импульсга боғлиқлиги ўтказувчанлик зона туби ва валент зона шипи яқинида тахминан квадратик (электрон массаси тахминан ўзгармас) бўлади. Импульс P электронлар тўлқин вектори k билан бевосита боғлиқ. Арсенид галлий ва кремний учун W=f(k) боғлиқлик 2.3-расмда келтирилган. Арсенид галлийнинг валент ва ўтказувчанлик зоналари учун W=f(k) параболанинг чўққилари k нинг бир хил қийматларига, кремний учун эса турли қийматларига мос келади. Арсенид галлийда электрон зоналараро ўтганда ҳаракатнинг аввалги ҳолатида қолади, яъни k қиймати ўзгармайди. Кремнийда эса электроннинг тўлқин вектори k зоналараро ўтиш амалга оширилганда аниқлик киритилишига муҳтож. Кристалл панжара тебранишлари зоналараро ўтиш содир этаётган электронга унинг импульсини сақлаш имконини яратади.
Одатда, арсенид галлий ҳолида зоналараро тўғри (вертикал) ўтиш ҳақида, кремний ҳолида эса, тўғри бўлмаган зоналараро ўтиш ҳақида сўз юритилади ва улар мос равишда, зоналараро тўғри

2.3-расм. Бир жинсли яримўтказгич материаллар –арсенид галлий (а) ва кремний (б)да валент зона шипи (W_υ) ва ўтказувчаник зона туби (W_C) нинг энергетик ўринлари ҳамда арсенид галлий (в) ва кремний (г)да W_υ ва W_C қийматларининг тўлқин вектори k га боғлиқлиги.

ҳамда тўғри бўлмаган ўтиш деб аталади. Умумий ҳолда, электрон энергиясининг зонадаги импульсга боғлиқлиги квадратик эмас. Ўтказувчанлик зона туби яқинида бир ёки бир нечта локал минимумлар мавжудлиги туфайли W=f(k) боғланиш юқори аниқликда парабола кўринишда, электронларнинг эффектив массаси эса, ўзгармас бўлиши мумкин. Ушбу минимумларнинг тўлқин сони нолдан фарқли қийматларда жойлашади.

Масалан, арсенид галлийда тақиқланган зона кенглиги ўтказувчанлик зона тўғри ўтиши минимуми 1,43 эВ (2.3 в-расм, Г- минимум) билан аниқланади, энергия 1,9 эВга тенг бўлганда эса, <100> кристаллографик йўналишга силжиган, тўғри бўлмаган минимум (Х – минимум) мавжуд.
Кремнийда Х – минимум тақиқланган зона кенглигини аниқловчи асосий минимумдир (2.3-б ва г-расмлар). Бу ҳолда, яримўтказгич «тўғри бўлмаган» зоналар тизимига эга бўлади. Бунда электронларнинг валент зонадан ўтказувчанлик зонага ёруғлик кванти таъсири остида hν≥Wg ўтиши қийинроқ кечади. Ҳақиқатан ҳам, бунда электрон ўзининг ҳаракат ҳолатини (∆k қийматга) кескин ўзгартириши ҳамда унга узатиладиган ёки ундан олинадиган энергия ∆га ўзгартирилиши керак (2.3 г-расмга қаранг).
Яримўтказгичларда тақиқланган зона кенглиги Wg энг муҳим параметр ҳисобланади. Температура ортиши билан тақиқланган зона кенглиги камайиб боради. Кремний ва арсенид галлий учун Wg(Т) боғланиш монотон бўлиб, у қуйидаги ифодага биноан аппроксимацияланади:


[эВ],
(2.4)
[эВ].

Электроникада кенг қўлланиладиган яримўтказгичларнинг хона температураси (300 К)да тақиқланган зона кенглиги Wg германий учун – 0,67 эВ, кремний учун – 1,12 эВ, арсенид галлий учун – 1,43 эВ ни ташкил этади. Диэлектрикларнинг тақиқланган зона кенглиги Wg 3 эВ.

Абсолют ноль температурада (0 К) яримўтказгич ва диэ-лектриклар валент зонасининг барча энергетик сатҳлари электронлар билан тўлдирилган, ўтказувчанлик соҳасидаги энергетик сатҳлар эса бўш бўлади. Металларда ўтказувчанлик зонасининг фақат пастки қисми тўлдирилиши мумкин.