Радиоэлектроника асослари муҳаррир — Қ. Азимов

3.5-расм. p ва л қатламларнинг мувозанат ҳолати (а) ва р—п ўтишнинг зона диаграммалари (б).


3.5- расмда р ва п ўтказувчанликли ярим ўтказгич- нинг зоналар диаграммаси (а) ва р — п ўтишнинг му­возанат ҳолат учун диаграммаси (б) тасвирланган. Унда:
φ₃ — тўсиқ зонанинг потенциали (энергияси);
φ_д—донорлар аралашмаси учун энергия сатҳининг по­тенциали;
φ_А— акцептор аралашмаси учун энергия сатхининг потен­циали;
φ_ғ — Ферми сатхи деб аталувчи энергетик сатхининг потенциали.
Ферми сатҳи деганда тўлдирилиш эхтимоллиги 0,5 га тенг бўлган энергетик сатҳ тушунилади.
Ғалаёнсиз ярим ўтказгичларда Ферми сатҳи тўсиқ зона ўртасида ётади. Ғалаёнланган ярим ўтказгичларда
эса, у рухсат этилган, яъни ўтиш мумкин бўлган бирон зонанинг ичига жойлашган бўлади.
Физикавий жиҳатдан олганда Ферми потенциали яримўтказгичнииг кимёвий ва электр потенциаллари- иинг алгебраик йиғиидисини ташкил қилади. Шунинг учун уни электрокимёвий потенциал деб ҳам ата­лади.
Маълумки, кимёвий потенциал модда зарралари- нинг концентрациясига боғлиқ миқдордир. Шунинг учун ким­ёвий потенциаллар фарқининг мавжудлиги модда зарралари концентрациясининг фарқи мавжудлигини кўрсатади. Зарра концентрациясида фарқ бўлиши, ўз навбатида, уларнинг катта концентрацияли ўриндан кичик концентрацияли ўринга кўчишига олиб келади, яъни зарралар диффузиясини вужудга келтиради. Шунга кўра кимёвий потенциал эркин зарраларнинг (электр зарядга эга бўлиш ёки бўлмаслигидан қатъий назар) диффузиялана олиш имкониятини ифодалайди. Электр потенциал эса, зарядланган зарраларнинг электр май- донида кўча олиш имкониятини—дрейфни ифодалайди. Демак, Ферми потенциалининг градиента бир вақтда икки хил ҳаракат — диффузия ва дрейфни характер­лайди.
Системанинг мувозанат ҳолатида Ферми потенциали­нинг градиента нолга тенг бўлади, яъни φ_F-const дир. Шунинг учун Ферми сатҳи доимий (горизонтал) жойлашган бўлади. Лекин бу электр ва кимёвий потенциалларнинг ҳам доимийлиги деган ran эмас. Бошқача айтганда, системанинг мувозанат ҳолатида унинг электр ва кимёвий потенциаллари ўзгариши мумкин, яъни зар­раларнинг диффузия ва дрейф оқимлари мавжуд бўлади, лекин бу оқимлар бир-бирини мувозанатлаб туради.
Шуни айтиш керакки, «Ферми сатҳи» сўзи асосан мувозанат ҳолатдаги системалар учун ишлатилади, чунки бунда эркин электронлар ва кавакларнинг сони, мос равишда, тенг бўлади. Система мувозанатда бўлмаганда эса, бу тенглик сақланмайди ва «Ферми сатҳи» ўзгаришга учрайди. Бу ҳолда уни «Фермининг квази сатҳлари» ( ф_Ғп ва ф_Ғр ) деб аталади.
Умуман олганда потенциал тўсиқнинг катталиги кў- чиб ўтган ток ташувчиларнинг концентрацияси ва тем- пературага боғлиқ бўлади ва қуйидагича ифодала- нади:
(3.1)
Бунда N_p = р — соҳадаги асосий ток ташувчилар (каваклар);
N_e — п — соҳадаги асосий ток ташувчилар (электрон­лар);
п_р —р — соҳадаги асосий бўлмаган ток ташувчилар;
п_е — п — сохадаги асосий бўлмаган ток ташувчилар;
п₁ — ярим ўтказгич кристалининг хусусий ток ташув чилар концентрацияси.
U_T катталик температуравий потенциаллар айирмаси ёки температура потенциали деб аталади ва қуйидагича ифода ланади:
(3.2)
q — электрон заряди;
к — 1,37-10 ж/град — Больдман доимийси;
Т — абсолют температура.
Температура потенциалининг физик моҳияти шундан иборатки, у электр бирликларида ифодаланган статис­тик температура ёки электрон газдаги эркин электронларнинг ўртача кинетик энергиясидир. Уй температурасида (Т=300°К) у 25 милливольтга тенг бўлади. Температура потенциалининг максимал қиймати ярим ўтказгич материали тўсиқ зонасининг кенглиги Дш ни ифодаловчи потенциаллар айирмасига тенг бўлади.
Потенциал тўсиқнинг температурага боғлиқлиги, асосан, ярим ўтказгичнинг хусусий ток ташувчилари концентрациясининг температурага боғлиқлиги орқали белгиланади:
(3.3.)
Бунда А — ярим ўтказгич материалига боғлиқ коэф- фи­циент.
Температуранинг ҳар бир даражага ортиши билан потенциал тўсиқнинг 2 милливольтга камайиши аниқ- ланган.
Потенциал тўсиқнинг ташқи манба таъсирида ўзга- ришини, яъни ининг мувозанати ҳам бузилиб, натижавии токнинг катталиги ташқи манбанинг кучланишига боғлиқ бўлиб қолади. Бу боғланишни аналитик ҳисоблаб, графикда тасвирлаш мумкин. Уни р — п — ўтишнинг вольт-ампер характеристикаси деб аталади.
Вольт-ампер ха|рактеристикани аниқлашда осон бў- лиши учун ташқи манбанинг кучланиши фақат контакт соҳасига қўйилган деб қаралади, яъни ярим ўтказгич ҳажмидаги потенциал тушуви ҳисобга олинмайди.
Биринчи ҳолда ташқи манбани шундай улайликки, уньнг ҳосил қилган майдон кучланганлик вектори р — п — ўтишнинг хусусий майдон кучланганлиги век- тори билан мос тушеин. Бунинг учун манбанинг мусбат қутби п — соҳа контактига. манфий қутби эса, р—соҳа контактига уланиши керак (3.6а-расм). Бунда натижавий майдон кучланганлиги ортади, яъни потенциал тўлиқ катталашиб, асосий ток ташувчиларнинг ҳаракати янада қийинлашади (3.6 б-расм).