Radiolampalardan

Giriş
Mülki aviasiyada çoxlu sayda müxtəlif təyinatlı radio elektron aparatlardan istifadə olunur. Bu avadanlıqlar bütün marşrut boyunca uçuşların idarə olunması və nəzarət olunmasını təmin edir. Müasir bort və yerüstü radiotexniki vasitələri birgə olaraq hava gəmilərinin uçuşlarının təhlükəsizliyinin, müntəzəmliyinin və qənaətcilliyinin təmin olunmasına birbaşa təsir edirlər.

Müasir element bazası əsasında qurulan radioelektron vasitələrin (REV) dahada peşəkar və effektli istismar olunması üçün onların quruluşunu, iş prinsipini və funksional imkanlarını bilməklə yanaşı bu vasitələrdə istifadə olunan elektron cihazlarının da quruluş və iş prinsipini yaxşı bilmək tələb olunur. Bütün növ REV-lərin quruluşu radioelektronikanın və elektronikanın əsas prinsipləri ilə müəyyən olunur. Ona görədə Elektronikanın əsaslarının öyrənilməsi gələcəkdə mülki aviasiyada uçuşların avtomatik idarə olunmasında, ətraf mühitin mühafizəsində, tətbiq olunan REV-lərin quruluşu və iş prinsipi daha yaxşı başa düşməyə imkan verir.

Elektronika aramsız olaraq inkişaf edir və bu prosesdə əsas rol elektronikanın element bazasının istehsal texnologiyasına məxsusdur. Elektronikanın element bazası öz inkişafında radiolampalardan başlayaraq mikroprosessorlara qədər bir neçə mərhələ keçmişdir.

Birinci mərhələ öz başlanğıcını 19-cu əsrin sonundan götürür. Siqnalları elektromaqnit (EM) dalğaları vasətəsilə uzaq məsafəyə ötürən radio qurğularının ixtira edilməsi (1895-ci il) müasir rabitə vasitələrinin inkişafına təkan verir. Bu mərhələdə əsasən passiv elementlər: naqillər, induktiv sarğaclar, maqnitlər, rezistorlar, kondesatorlar, elektromaqnit qoşucular və relelərin praktiki tətbiqi ilə xarakterizə olunur.

Ikinci mərhələ 1904-cü ildə ingilis alimi Y.Fleminqin ikielektrodlu lampadan elekrtovakuum diodu kimi istifadə etməsi ilə əlaqədardır. 1907-ci ildə elektrik rəqslərini gücləndirən və generasiya edən üç elektrodlu lampa – triod və bunun ardınca güclü generator lampaları ixtira olundu. Gücləndirici lampaların tətbiqi uzun rabitə xətlərində siqnalların sönməsinin qarşısını almağa, simsiz teleqrafdan istifadə isə səsi, musiqini və təsviri məsafəyə ötürməyə imkan yaratdı.

Bu müddətdə radioda, hərbi elektronikada və televiziyada çox böyük nailiyyətlər əldə edilmiş və elektron sənayesinin inkişafının əsası qoyulmuşdur. Külli miqdarda yeni ixtiranın tətbiqi nəticəsində aktiv və passiv elementlərin hazırlanması texnologiyası daim təkmilləşdirilmişdir. 1940-ci illərdə elementlərin texniki xarakteristikaları nəzəri hüdudlara çox yaxınlaşdığından yeni ixtiralar tətbiq edilmədən elektronikanı inkişaf etdirmək olmazdı.

1948- ci ildə ABŞ-da D.Bardin, U.Bratteyn, U.Şokli tərəfindən elektron lampasının vəzifələrini yerinə yetirən üç elektrodlu y/k –i cihaz – tranzistor ixtira olundu. Bu cihazların dövrəni açıb bağlama xüsusiyyətlərinə malik olması kiçik ölçüləri və yüksək etibarlılığı tezliklə elektron hesablayıcı maşınların istehsalında bir çox mütərəqqi ideyaların tətbiqinə yol açdı yalnız y/k – i cihazlar əsasında mürəkkəb aviasiya və kosmik elektron qurğuların yaradılması mümkün oldu. Diskret y/k – i cihazların yaranması elektronikanın inkişafında üçüncü mərhələsini xarakterizə edir.

Minlərlə diskret elektron elementlərdən ibarət qurğu və sistemlərin yaradılmasının reallığı elektronika və elektron sənayesinin inkişafında yeni ziddiyətlər ortaya çıxartdı. Bir sıra hallarda yeni qoyulan bəzi mürəkkəb məsələləri köhnə element bazası ilə həll etmək mümkün olmadı. Element bazasının yenisi ilə əvəz olunmasında əsas faktor onların etibarlılığı, ölçüsü, kütləsi, dəyəri və sərfiyyat gücü oldu. Sadə hesabat diskret tranzistor texnikasından mikroelektronikaya keçidin səbəbini aydın göstərir. Bu da elektron sənayesində mikroelektronikanın inkişafının əsasını qoydu. Ilk inteqral sxemlər 1958 – ci ildə ABŞ – da D.Kilbi və R.Noys tərəfindən yaradılmış və 1962 –ci ildən başlayaraq sənayedə geniş miqyasda buraxılmağa başlamışdır. Inteqral mikrosxemlər əsasında elektron qurğuların və sistemlərin yaradılması elektronikanın inkişafının dördüncü mərhələsinə aiddir. Bu mərhələdə yaranan aparatlara mikroelektron aparatlar deyilir.

Perspektivdə mikroelektronikanın inteqrasiya səviyyəsinin daha da artırılması nəzərdə tutulur ki, bu da mikrosxemlərin elementlərinin həndəsi ölçülərinin molekulların ölçülərinə yaxınlaşdırmağa imkan verəcəkdir. Son vaxtlar elm və texnikanın yeni sahəsi optoelektronika inkişaf etməyə başlamışdır. Onun fiziki əsasını elektrik siqnallarını optik siqnallara və tərsinə çevrilməsi və şüanın mühitlərdə yayılması hadisəsi təşkil edir. Optoelektronikanın müsbət xüsusiyyəti işçi tezliklərin sonsuz artırılması və məlumatın paralel işlənməsi imkanlarının mövcudluğudur.
1. Bərk cismin zona nəzəriyyəsinin əsasları. Yarımkeçiricilərdə yükdaşıyıcıların statistikası. Elektron-deşik keçidi (p-n- keçid)
1.1. Bərk cisimlərin kristall qəfəsinin strukturu

Bərk cisimlərin əsas parametrlərindən biri- məxsusi elektrik müqavimətidir (). Metallarda məxsusi elektrik müqaviməti , yarımkeçiricilərdə- , dielektriklərdə- -dən böyük hesab olunur. Lakin belə klassifikasiya şərti xarakter daşıyır. Məsələn, dielektrik və yarımkeçiricilərin təbiətində nəzərə çarpan prinsipial fərqlər yoxdur. Yarımkeçirici və metallar arasında əsas fərq ondan ibarətdir ki, ikincilərdə məxsusi elektrik müqaviməti temperaturun artması ilə artır, yarımkeçiricilərdə isə əksinə azalır. Bundan başqa, eyni bir maddənin atomları (məsələn, karbon- C) əmələ gətirdiy kristallik qəfəsin strukturundan asılı olaraq, həm keçirici (qrafit), həm də dielektrik (almaz) xassələrinə malik ola bilər.

Maddənin kristallik qəfəsi elementar hücrələrdən təşkil olunur və tərkibində minimal sayda atom və ya molekl mövcud olur. Belə qəfəslər Brave qəfəsləri adlanır. Şək.1.1.1-də sadə kubik Brave qəfəsi təsvir olunub.

Şək.1.1.1.

Kristallik qəfəsdə atomlar arasında əlaqə onlar arasındakı cəzb etmə və itələmə qüvvələri ilə təyin olunur. Bu əlaqələrin tipi və gücü konkret atomun quruluşundan asılıdır.
1.2. Metalların kristallik strukturu və atomlar arası rabitənin növləri

Metallik qəfəsin ən əsas xüsusiyyətlərindən biri odur ki, belə strukturda atomlar çox seyrək yerləşir (nüvələr arası məsafə böyükdür) və hər bir atomun çoxlu sayda qonşu atomu olur. Atomların radiuslarının böyük olması valent elektronlarının asanlıqla atomun nüvəsinin təsir zonasından çıxmasına səbəb olur. Beləliklə kristallik qəfəsin düyünlərin müsbət yüklənmiş ionlar formalaşır, ayrılmış elektronlar isə elektron qazı yaradaraq düyünlər arası fəzada hərəkət edir. Məsəllən, misin kristallik quruluşu şək.1.2.1- də təsvir olunmuşdur.

Şək.1.2.1.

1.3. Yarımkeçiricilərin kristallik strukturu və atomlar arası rabitənin növləri

Yarımkeçiricilik xaassələrinə Mendeleyevin dövri cədvəlində III, IV, V, VI qruplarında yerləşən elementlər və onların birləşmələri aiddir (Si, Ge, GaAs, InP, Se, Te). Bəzi elementlər və birləşmələr isə yalnız xüsusi emaldan (məsələn, maddənin təmizlənməsi) sonra yarımkeçirici xüsusiyyətlərə malik olur.

Müxtəlif elementlərin atomlarının quruluşuna diqqət yetirsək, daxili və xarici elektron səviyyələrinin (qatlarının) mövcud olduğunu yəqin etmək olar. Daxili səviyyələr tamamilə elektronlarla dolu, xarici səviyyələrdə isə valent elktronları mövcud olur. Valent elektronları atomun nüvəsi ilə zəif əlaqədə oluduğu üçün asanlıqla onunla əlaqəni qıra və istilik və elektrik keçiriciliyndə iştirak edə bilər.

1.4. Kristallik qəfəslərdə qüsurlar

Kristallik qəfəslər nə həcmi, nə də səthi baxımdan heç vaxt ideal struktura malik olmurlar. Adətən istehsal zamanı qəfəsin periodikliyi pozulur və müxtəlif kristall qüsurları meydana gəlir.

Qəfəs qüsurları boş düyün (Şottki qüsuru) və ya boş düyünlə düyünlərarası atomun vəhdəti (Frenkel qüsuru) formasında ola bilər. Belə qüsurlar nöqtəvi xarakter daşıyır (şək.1.4.1, a,b).

İstənilən yarımkeçirici materialın tərkibində aşqarlar mövcud olur: emal zamnı təmizlənməyən və yarımkeçiricinin tərkibində qalan parazit aşqarlar və kristala lazımi xüsusiyyətlər vermək üçün xüsusi olaraq əlavə olunan aşqarlar. Aşqar atomları (şək.1.4.1,c) kristall qəfəsin düyünləri arasında və ya düyünlərində yerləşə bilər. Sonuncu variant daha çox istifadə olunur.

Şək.1.4.1

Kristall qəfəsin spesifik xətti qüsuru- dislokasiya adlanır və qəfəs müstəvisinin yerini dəyişməsi ilə əlaqədardır. Dislokasiya qüsurunun xətti (şək.1.4.2,a) və vintvari (şək.1.4.2,b) növləri var. Xətti dislokasiya qəfəsin natamam sürüşməsi, vintvari dislokasiya isə qəfəsin tam sürüşməsi nəticəsində yer alır.

Şək.1.4.2.

Parazit aşqarların və dislokasiyanın olması yarımkeçirici cihazların parametrlərinin kənaraçıxmasına səbəb olur. Yarımkeçirici materialın səthində yerləşən atomların səthdən kənar oblastda qonşu atomlarının olmaması səbəbindən kovalent rabitə pozulur. Bu da öz növbəsində materialın səthində enerji balansının pozulmasına səbəb olur. Enerji balansı müxtəlif yollarla bərpa oluna bilər: səthə yaxın oblastda atomlar arasında məsafənin kiçilməsi, ətraf mühitdən yad atomların absorbsiyası nəticəsində qırılmış rabitənin tam və ya qismən bərpa olunması, səthin oksidləşməsi nəticəsində qırılmış rabitənin bərpa olunması. İstənilən halda səthə yaxın ərazinin təbiəti və xaassələri materialın daxilindəkindən fərqlənir.

1.5. Kristall üçün Şredinger tənliyi. Kroninq-Penni modeli

Sadə atomun quruluşuna baxaq. Məlumdur ki, atomun məkəzində müsbət yüklənmiş nüvə, onun ətrafında isə mənfi yüklənmiş elektron mövcuddur. Atomun dayanıqlı vəziyyətdə olması üçün, elektrona təsir edən Kulon və mərkəzdənqaçma qüvvələri biri birini kompensasiya etməlidir. Orbit üzrə müəyyən təcillə hərəkət edən elektron müəyyən intensivlikli enerji şüalandırır. Deyilənlərdən belə bir nəticə çıxarmaq olar ki, müəyyən zaman intervalından sonra elektron öz enerjisini tamamilə şüalandıraraq atomun nüvəsinin səthinə düşəcək. Yəni, əgər hissəcik (elektron) müəyyən təcillə hərəkət edirsə, atom mövcud ola bilməz. Göstərilən misal klassik fizikanan (və ya Nyuton mexanikasının) bu cür prosesləri təsvir etməkdə «gücsüz» olduğunu göstərir. Ona görə də yüklü hiccəciklərin təbiətini araşdırmaq üçün kvant fizikasından istifadə olunur.

Bərk cisimlərdə elektron nəzəriyyəsinin əsasını zona nəzəriyysi təşkil edir. Bərk cisimlərin fiziki xaassələri ancaq bu nəzəriyyəyə əsasən izah olunur. Atom hadisələri nə hissəciklərin hərəkəti, nə də dalğa prossesləri ilə izah oluna bilər. Mikrohissəciklər- elektron, proton, atom və s. həm korpuskulyar həm də dalğa xaassələrinə malikdir. Onlar həmişə hissəcik kimi qeyd olunur, onların hərəkəti isə Şredingerin dalğa tənliyi (Ervin Şredinger tərəfindən 1926-cı ildə çıxarılmışdır) ilə müəyyən edilir. Şredinger tənliyinin ciddi həlli yalnız sərbəst elektron və hidrogen atomu üçün mövcuddur. Qalan hallarda, yəni çoxelektronlu atomlar kristal üçün bu tənliyin təxmini həlli mövcuddur. Bu tənliyi atomlar üçün həll etdikdə alınır ki, istənilən atomdakı elektronlar stasionar halda diskret enerjiyə malikdir, yəni elektronlar müəyyən enerji səviyyələrində yerləşir.

Bərk cisimlərdə atomlar bir-birinə o qədər yaxın olur ki, ən azı hər bir atomdakı valent elektronları qonşu atomun güclü potensial sahəsində yerləşir. Başqa sözlə, kristal daxilində atomlar güclü qarşılıqlı təsirdə olur. Bu baxımdan kristal üçün Şredingerin dalğa tənliyini yazdıqda elektron və nüvələrin kinetik enerjiləri ilə yanaşı, bütün elektronlar, bütün nüvələr və elektronlarla nüvələr arasındakı qarşılıqlı təsir enerjisini də nəzərə almaq lazımdır. Ümumi şəkildə belə bir tənliyin həlli qeyri- mümkündür. Kristalın xarakterik xüsusiyyətlərini saxlamaqla sadələşmələr aparmaqla tənliyin həllinə çalışırlar. Belə sadələşmələrdən biri adiabatik yaxınlaşmadır. Nüvələrin kütləsi () elektronların kütləsindən () xeyli böyük olduğundan elektronlara nəzərən nüvələri tərpənməz qəbul edirlər. İkinci sadələşmə birelektronlu yaxınlaşma adlanır. Bu zaman kristaldakı elektronlardan biri baxılmaq üçün seçilir. Qalan elektronlara isə fəzada müəyyən qayda üzrə paylanmış effektiv elektrik yükü kimi baxılır. Seçilmiş elektron qalan elektronların sabit potensialı sahəsində hərəkət edir. Bu halda kristall üçün Şredinger tənliyi

(1.5.1)

şəklinə düşür. - gətirilmiş Plank sabiti, - elektronun dalğa funksiyası, - elektronun yerləşdiyi nöqtənin koordinatı, və - elektronun potensial və tam enerjiləridir. Elektronun dalğa funksiyası- kompleks ədəd olub sistemin koordinatlarından asılıdır. Bu kəmiyyətin modulunun kvadratı baxılan sistemin müəyyən zaman anında konkret koordinatlara malik olmasının ehtimal sıxlığını () göstərir:

. (1.5.2)

Burada - hissəciyin fəzanını istənilən həcmli oblastında olmasının ehtimalıdır.

(1.5.1) tənliyiyndəki funksiyası periodik funksiyadır, yəni kristall daxilində potensial sahəsi periodik dəyişir. Tənliyi həll etmək üçün ifadəsinin analitik şəklini bilmək lazımdır.

Kristalda potensial enerjinin paylanmasını təsvir edən modellərdən biri Kroninq-Penni modelidir (şək.1.5.1). Bu modeldə kristalda potensialın paylanması düzbucaqlı çüxur və çəpərlə əvəz edilmişdir. Belə sadələşmə məsələnin məhiyyətini dəyişmir, tənliyin həlli isə sadələşir.

Funksiyanın amplitud qiyməti periodikdir və onun periodu qəfəsin perioduna bərabərdir, yəni . Kroninq-Penni modelinə əsasən kristall üçün birelektronlu yaxınlaşmada Şredinger tənliyinin həlli göstərir ki, elektronun enerjisi müəyyən intervallar üzrə dəyişir. Bu intervallar enerjinin qadağan olunmuş qiymətləri ilə məhdudlaşır.

Bərk cisimlərin fiziki xaassələri əsasən valent və həyəcanlanmış elektronlarla müəyyən olunur. Bu baxımdan həmin elektronların yaratdığı enerji zonaları əhəmiyyət kəsb edir və bərk cisimlərin enerji diaqramında məhz bu zonalar göstərilir. Valent zonası ilə keçirici zona arasındakı qadağan olunmuş enerji intervalı qadağan zonası adlanır və kimi işarə olunur. Valent zonasının yuxarı hissəsi (tavanı) adətən , keçirici zonanın dibi isə kimi işarə olunur (şək.1.5.2). Enerji zonalarının eni artdıqca qadağan olunmuş zonaların eni azalır. Temperatur və təzyiq dəyişdikdə enerji zonalarının eni, eləcə də qadağan olunmuş zonaların eni dəyişir. Enerji zonaları çoxlu sayda bir-birinə çox yaxın enerji səviyyələrindən ibarətdir. Məsələn, zonanın eni 1 eV-sa, həmin zonadakı səviyyələr arasındakı fərq 10^-22 eV tərtibində olur, yə’ni enerji zonası daxilində enerjinin kvazikəsilməz dəyişdiyini qəbul etmək olar.

Valent zonasında olan elektronlar qadağan zonasını keçərək keçirici zonaya daxil olur və keçiricilikdə iştirak etməyə- elektrik sahəsinin təsir altında hərəkət etməyə başlayırlar.
1.6. Keçirici, dielektrik və yarımkeçiricilərin zona strukturu

Enerci zonalarının elektronlarla tutulmasına görə bərk cisimlər iki böyük qruppa ayrılır: keçiricilər və qeyri-keçiricilər.

Birinci qrupa o cisimləri aid edirlər ki, onlarda tamamilə dolu enerji zonasından yuxarıda elektronlarla qismən tutulmuş zona yerləşir (şək.1.6.1, a).

Şək.1.6.1.

Qismən dolu zolaqlar birici qrup elementlərinin kristallarında müşahidə edilir, məsələn, qələvi metallarda. Tam dolu zolağın boş zolaq və ya qismən dolu zolağın üzərinə düşməsi ilə də tam dolmayan zolaq almaq olar (şək.1.6.1, b), məsələn, Be və nadir torpaq elementləri. Qismən dolu enerji zonası metallara aiddir, yəni belə kristallar yaxşı keçiricidir. Metallarda qəbul edilir.

İkinci qrup cisimlərdə tam dolu enerji zonası üzərində tam boş zolaq yerləşir (şək.1.6.1, c). Belə cisimlərə misal olaraq dördüncü qrup elementlərini (C, Si, Ge, Sn) və bir sıra kimyəvi birləşmələri- metal oksidlərini, nitridləri, karbidləri, qələvi metalların halogenlərini və s. göstərmək olar.

Kristalla xarici elektrik sahəsi tətbiq etdikdə, birinci növ cisimlərdə elektronlar əlavə enerji qazanaraq qismən dolu enerji zonasında boş yerlərə keçərək elektrik keçiriciliyində iştirak edir. Belə maaddələr yaxşı keçiricidirlər.

İkinci qrup cisimlər üçün elektronlarla tutulmuş valent zonası tamamilə doludur. Fərz edək ki, qadağan zonası kifayət qədər genişdir. Başqa sözlə, valent zonası keçirici zonadan böyük enerji intervalı ilə ayrılmışdır. Belə kristalla xarici elektrik sahəsi tətbiq etdikdə, dolu zona daxilində elektronlar istiqamətli hərəkət edə bilmir, onların qazandığı əlavə enerji isə yuxarı boş zonaya keçməyə kifayət etmir. Nəticədə, belə kristalların elektrik keçiriciliyi praktiki sıfırdır. Qadağan zonasının eninə görə ikinci qrup kristallarını şərti olaraq dielektriklərə və yarımkeçiricilərə bölürlər. Adətən dielektriklərdə , yarımkeçiricilərdə isə olur. Məsələn, ən çox istifadə olunan yarımkeçiricilərdə qadağan olunmuş zonanın eni: Ge- , Si- , GaAs- .

Deyilənlərdən aydın olur ki, keçiricilər ilə qeyri-keçiricilər arasında aşağıdakı prinsipial fərq var: keçiricilərdə istənilən halda böyük miqdarda sərbəst yükdaşıyıcılar var və kiçik elektrik sahəsinin tə’siri ilə onlar istiqamətlənmiş hərəkət edərək cərəyanın keçməsində iştirak edirlər. Qeyri-keçiricilərdə isə sərbəst yükdaşıyıcılar yoxdur, onların yaranması və maddədən cərəyanın keçməsi üçün müxtəlif xarici həyəcanlandırıcı tə’sirlər, məsələn istilik enerjisi, şüalanma, qüvvətli elektrik sahəsi və s. tələb olunur.

Bundan başqa yarımkeçirici və dielektrik materialları bir-birindən kristal quruluşuna görə, yükdaşıyıcıların növü və elektrikkeçiriciliyinin mexanizminə görə, bir çox elektrofiziki, optik, fotoelektrik, istilik və s. xassələrinə görə fərqlənirlər.

1.7. Məxsusi yarımkeçirici

Kimyəvi təmiz yarımkeçirici maddə məxsusi yarımkeçirici adlanır. Onlara bir sıra kimyəvi təmiz elementlər (Ge, Si, Se, Te və s.) və bir sıra kimyəvi birləşmələr (GaAs, İnAs, CdSe, SiC və s.) aiddir.

Məxsusi yarımkeçicinin enerji diaqramı (zona quruluşu) şək.1.7.1-də göstərilmişdir. T=0K-də belə yarımkeçiricinin valent zolağı tamamilə dolu, keçirici zolağı isə tam boşdur (şək.1.7.1, a). Ona görə də, T=0K- də məxsusi yarımkeçirici dielektrik kimi «sıfır» keçiriciliyə malik olur. Ancaq temperatur artdıqca, valent zonasındakı bəzi elektronlar qadağan zonasını aşmağa kifayət edən enerji qazanır və keçirici zonaya keçir (şək.1.7.1, b). Nəticədə keçirici zonada sərbəst elektronlar, valent zonasında isə boş enerji səviyyələri meydana çıxır. Bu boş səviyyələrə həmin zonadakı digər elektronlar keçə bilər. Əgər belə kristala xarici elektrik sahəsi tətbiq edilsə, keçirici zonadakı və valent zonasındakı elektronlar istiqamətli hərəkət qazanır ki, bu da elektrik cərəyanı yaradır. Beləliklə kristal keçirici olur. Qadağan zonası dar və temperatur yüksək olduqca, kristalda daha çox elektron valent zonasından keçirici zonaya keçir. Bu halda kristall daha çox elektrik kçiriciliyi qazanır.

Şək.1.7.1.

Deyilənlərdən iki mühüm nəticə çıxarmaq olar:

1. Yarımkeçiricilərin keçiriciliyi həyəcanlanma keçiriciliyidir. Bu keçiricilik elektronların xarici təsirlər hesabına valent zonasıından keçirici zonaya keçməsi nəticəsində yaranır. Belə faktor kimi temperatur, işıqlanma, şüalanma və s. ola bilər.

2. Cisimlərin yarımkeçirici və dielektriklərə bölünməsi şərti xarakter daşıyır. Belə ki, aşağı temperaturda dielektrik olan material yuxarı temeperaturda özünü yarımkeçirici kimi aparır.

1.8. Donor və akseptor səviyyələri
İstənilən təmiz yarımkeçiricidə aşqar atomları mövcuddur. Bu aşqar atomları öz məxsusi enerji səviyyələrini yaradır ki, bunlar da aşqar səviyyələri adlanır. Bu aşqar səviyyələri əsasən qadağan zonasının daxilində yerləşir. Bir çox hallara yarımkeçirici materiallara aşqarlar onların xaassələrini dəyişmək üçün vurulur.

Donor səviyyələri. Fərz edək ki, Ge kristalında atomların bir hissəsi V qrup elementi (P, Sb, As) ilə əvəz olunmuşdur. Ge almas tipli kubik qəfəsə malikdir və hər bir atom dörd yaxın qonşu atomla əhatə olunmuşdur. Bu atomlar arasında kovalent rabitə mövcuddur. Ge atomu hər bir qonşusundan bir valent elektronu qəbul edir, eyni zamanda öz 4 valent elektronunu qonşu atomlarla bölüşür. V qrup elementi məsələn, As 5 valent elektronuna malikdir. Onlardan dördü qonşu Ge atomları ilə əlaqəyə giri və biri artıq qalır (şək.1.8.1). Bu artıq elektron öz atomu ilə çox zəif əlaqədə olur və onun aktivləşmə enerjisi çox kiçik olur. Elektrona bu enrji verildikdə o, Ge kristalında sərbəst hərəkət edir və keçiricilikdə iştirak edir.

Zona nəzəriyyəsi baxımından As atomunun beşinci elektronunun enerji səviyyəsi qadağan zonasında keçirici zonanın dibinə yaxın yerləşir. Keçirici zonanın dibindən onun məsafəsi olur. Bu enerji səviyyələrində yerləşən elektronlara enerjisi verildikdə, onlar keçirici zolağa keçir. Bu zaman yaranan və As atomunda lokallaşan müsbət yük elektrik keçiriciliyində iştirak etmir.

Şək.1.8.1.

Keçirici zolağı elektronlarla təmin edən aşqarlar donor, onların yaratdığı enerji səviyyələri isə donor səviyyələri adlanır. Donor aşqarlı yarımkeçirici donor və ya n-tip yarımkeçirici adlanır.

Akseptor səviyyələri. Fərz edək ki, Ge kristall qəfəsində atomların bir hissəsi III qrup elementi (Al, In) ilə, məsələn, indiumla əvəz edilmişdir. Dörd yaxın qonşusu ilə kimyəvi əlaqə yaratmaq üçün In-un bir valen elektronu çatışmır. Başqa sözlə, kimyəvi rabitələrdən biri dolmamış boş qalır. Bu boş rabitə (yer) özünü müsbət yüklü zərrəcik, yəni deşik kimi aparır (şək.1.8.2). Bu deşik aşqar atomu ilə zəif kimyəvi əlaqədə olur. Ona enerji verdikdə, deşik asanlıqla öz atomundan ayrılır və sərbəstləşir.

Zona nəzəriyyəsi baxımından In atomlarının boş səviyyələri qadağan zonasında valent zonasının tavanına çox yaxın, təxminən 0,01eV məsafədə yerləşir. Çox aşağı temperaturlarda valent zonasındakı elektronlar bu boş səviyyələrə keçir. In atomu ilə əlaqəyə girən bu elektronlar bağlı halda olur və keçiricilikdə iştirak etmir. Elektrik keçiriciliyində valent zonasındakı deşiklər iştirak edir.

Şək.1.8.2.

Yarımkeçiricinin valent zonasında elektronları qəbul edən aşqarlar akseptor aşqarları, onların yaratdığı enerji səviyyələri isə akseptor səviyyələri adlanır. Akseptor aşqarlı yarımkeçirici p-tip və ya akseptor yarımkçirici adlanır.
1.9. p-n keçid
Elektron–deşik keçidi və ya p–n keçid əks tip keçiriciliyə malik iki yarımkeçiricinin kontaktında yaranan elektrik keçididir. Kontakta gətirilən yarımkeçiricilər eyni materialdan olduqda homo p–n keçid, müxtəlif materiallardan olduqda hetero p–n keçid alınır.

İki yarımkeçiricinin bilavasitə kontakta gətirilməsi ilə p–n keçid almaq demək olar ki, mümkün deyil. Çünki, tstənilən təmizlənmədən sonra kristalların səthlərində böyük miqdarda aşqarlar, müxtəlif defektlər olur ki, onlar da yarımkeçiricinin xassələrininin kəskin dəyişməsinə səbəb olur. Odur ki, p–n keçidlər planar texnologiya və ya epitaksiya üsulları ilə alınır. Planar texnologiyada p–n keçidlər n–tip yarımkeçiricinin bir hissəsinə akseptor aşqarları və ya p–tip yarımkeçiricinin bir hissəsinə donor aşqarları diffuziya etdirməklə alınır. Diffuziya prosesləri yüksək temperaturlarda (1100–1300⁰C) aparılır. Epitaksiya üsulunda monokristallik altlıq, məsələn n–tip Si silisiumun üzərinə p–tip monokristallik silisium təbəqəsi çökdürülür. Bu zaman altlıq ilə çökdürülmüş təbəqə arasında p–n keçid yaranır. Epitaksial təbəqə ya qaz, ya da maye fazadan çökdürülə bilər. Molekulyar–şüa epitaksiya üsulunda altlıq üzərinə çökdürülən maddənin atomlarının seli yönəldilir. Əgər kimyəvi birləşmə və ya bərk məhlul çökdürülürsə, onda altlıq üzərinə hər bir komponentin atomları ayrı–ayrı mənbələrdən göndərilir. Bu üsulla çox nazik, hətta bir neçə nanometr qalınlıqlı təbəqələr almaq mümkündür.

P–n keçidlər öz əlamətlərinə görə simmetrik və qeyri–simmetrik, kəskin və tədrici (səlis), nöqtəvi və müstəvi və s. kimi növlərə ayrılırlar. Simmetrik p–n keçidlərdə n– və p–oblastlar eyni səviyyədə aşqarlanır, yəni donor və akseptorların konsentrasiyası eyni olur: N_d=N_a. Qeyri–simmetrik keçidlərdə isə aşqarlanma dərəcələri müxtəlif olur. Kəskin p–n keçidlərdə kontakt sahəsində aşqarların tipinin və konsentrasiyası dəyişdiyi oblastın qalınlığı çox kiçik olur: Δx→0, yəni kontakt müstəvisində keçiricilik növü kəskin şəkildə dəyişir. Tədrici p–n keçidlərdə isə bu qiymət tədricən dəyişir.

Fərz edək ki, MM müstəvisi eyni bir yarımkeçiricinin iki müxtəlif keçiriciliyə malik hissələrini bir birindən ayıran müstəvidir (şək.1.9.1, a). ondan solda p-tip yarımkeçirici, sağda isə n-tip yarımkeçirici yerləşir. Akseptor və donorların konsentrasiyalarını (N_a və N_d ) biri birinə bərabər hesab edək. Şək.1.9.1, b-də akseptor və donorların x oxu boyunca paylanması göstərilmişdir. Kontakt yaranan ilk anda sərhəd yaxınlığında hər iki tərəfdə əsas yükdaşıyıcıların böyük konsentrasiyası yaranır. Bu isə elektronlarının n–oblastdan p–oblasta, deşiklərin isə p–oblastdan n–oblasta diffuziyasına səbəb olur. Nəticədə sərhəddi keçən elektronlar sərhəd yaxınlığında p–oblastda əsas yükdaşıyıcılar olan deşiklərlə rekombinasiya edir. Eləcə də, n–oblasta keçən deşiklər sərhəd yaxınlığında əsas yükdaşıyıcılar olan elektronlarla rekombinasiya edirlər. Beləliklə, kontakta yaxın n- hissədə sərbəst elektronlar, p-hissədə isə deşiklər demək olar ki qalmır. Kontakt yaxınlığında n-hissədə donor aşqarlarının müsbət həcmi yükləri, p-hissədə isə akseptor aşqarlarının mənfi yüklü ionları formalaşır. Şək.1.9.1, c-də p-n keçid oblastında sərbəst yükdaşıyıcıların, şək.1.9.1, ç- də isə hərəkətsiz həcmi yüklərin paylanması göstərilmişdir. Burada və - həcmi yüklərin p və n hissədəki eni, p-n keçidin tam eni, - p- hissədə deşiklərin konsentrasiyası, - p- hissədə elektronların konsentrasiyası, - n- hissədə deşiklərin konsentrasiyası, - n- hissədə elektronların konsentrasiyasıdır.

Hərəkətsiz həcmi yüklər p-n keçiddə daxili elektrik sahəsi və kontakt potensiallar fərqi yaradır. Yarımkeçiricinin n-hissədən p- hissəsinə yönəlmiş bu daxili elektrik sahəsi əsas daşıyıcıların sonrakı hərəkətinə mane olur və kontaktı keçən əsas daşıyıcıların sayı xeyli azalır. Qeyri-əsas daşıyıcılar isə kontaktı maneəsiz keçir. Hesablama göstərir ki, kontakt potensiallar fərqinin qiyməti aşağıdakı kimi hesablanır:

. (1.9.1)

Əgər yarımkeçirici təbəqəlri ayıran müstəvidə (MM) aşqarlar sıçrayışla bir növdən digərinə keçirsə belə keçid kəskin keçid adlanır. P-n keçid təbəqəsində aşqarlar səlis şəkildə (tədricən) bir növdən digərinə keçirsə, belə keçid səlis keçid adlanır. Xüsusi halda aşqarlar p-n keçid daxilində xətti qanunla paylanmış olsa, belə keçid xətti keçid adlanır.

Kəskin keçidlər üçün tarazlıq halında keçidin eni

. (1.9.2)

Burada - elektrik sabiti, - materialın nisbi dielektrik nüfuzluluğu.

Şək.1.9.1.

p–n keçid tutum xassələrinə də malikdir. Belə ki, müsbət və mənfi həcmi yüklər təbəqələri özlərini kondensatorun köynəkləri kimi aparırlar. Adi kondensatorlardan fərqli olaraq p–n keçidin tutumu xarici gərginlikdən asılı olaraq dəyişir. Keçiddəki həcmi yüklərin hesabına yaranan tutum çəpər tutumu və ya beryer tutumu adlanır: , burada dQ yükün, dU xarici gərginliyin dəyişməsidir. Əks gərginliyin təsirilə həcmi yüklər oblastının eni dəyişir, bu da çəpər tutumunun dəyişməsinə gətirir: N_d>>N_a olan halda

. (1.9.3)

Burada -p-n- keçidin sahəsidir. Çəpər tutumu əsasən əks gərginlikdə özünü göstərir və U_əks artdıqca azalır. Nəzəri olaraq düz istiqamətdə də çəpər tutumu mövcuddur. Lakin, düz istiqamətdə diffuziya tutumu daha böyükqiymət alır. Diffuziya tutumu düz gərginliyin təsirilə keçidə cəlb olunan yükdaşıyıcıların yaratdığı tutumdur. İstənilən halda p–n keçidin tutumu onun ətalətliliyinə səbəb olur.

p-n- keçidin p- qatının xarici gərginlik mənbəyinin müsbət, n- qatının isə mənfi qütbünə qoşulması düzünə qoşulma, əks halda isə əksinə qoşulma adlanır. Düzünə qoşulma zamanı keçiddən axan cərəyanın qiymətindən asılı olaraq müxtəlif iki rejim ayırd edilir. Normal rejim- keçiddən axan düzünə cərəyan milliamperlər, qütblərdəki gərginlik düşgüsü isə 0,7 V təşkil edir. Mikro rejim- keçiddən axan düzünə cərəyan mikroamperlər, qütblərdəki gərginlik düşgüsü isə 0,5 V təşkil edir.