Qattiq jismlar fizikasi elementlari. Yarim o’tkazgichlar Reja

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.