Yarimo’tkazgichlar moddalarning ajoyib turi bo’lib, ular o’ziga xos xususi-yatlari bilan boshqa moddalardan ajralib turadi

Ma’ruza № 6
Yarimo’tkazgichlarni elektrofizik xususiyatlari

Yarimo’tkazgichlar moddalarning ajoyib turi bo’lib, ular o’ziga xos xususi-yatlari bilan boshqa moddalardan ajralib turadi. Hozirgi kunda zamonaviy elektro-nika qurilmalarning ko’pchiligi asosan yarim o‘tkazgichli materiallardan tayyorla-nadi. Umuman olganda moddalar elektr o’tkazuvchanligiga qarab uchta katta sinfga bo’linadi: elektr o’tkazuvchanligi 10⁶ Sm/m dan katta bo’lgan o’tkazgichlar – metallar, yarimo’tkazgichlar va dielektriklar. Yarimo‘tkazichlar kristall, amorf va suyuq holatlarda bo‘ladi. Yarim o‘tkazgichli texnikada asosan mono va polikristall yarim o‘tkazgichlar (10¹⁰ asosiy modda tarkibida bir atomdan ortiq bo‘lmagan kirishma monokristallari) qo‘llaniladi. Odatda yarim o‘tkazgichlarga solishtirma elektr o‘tkazuvchanligi metallar va dielektriklar oralig‘ida bo‘lgan yarim o‘tkazgichlar kiradi (ularning nomi ham shundan kelib chiqadi). Xona haroratsida ularning solishtirma elektr o‘tkazuvchanligi 10^-8 dan 10⁵ gacha Sm/m (metrga Simens)ni tashkil etadi. Dielektriklarda esa =10^-8-10^-13 Sm/m. Yarim o‘tkazgichlarning asosiy xususiyati shundaki, yarimo’tkazgich kirishmalar-ning turi va konsentratsiyasiga juda sezgirdir, hamda harorat ortgan sari ularning solishtirma elektr o‘tkazuchanligi ham ortib boradi, metallarda esa kamayadi. Yarimo’tkazgich elektr o’tkazuvchanligining haroratga bog’liqligini quyidagicha ifodalash mumkin:

bu yerda, T haroratdagi yarimo’tkazgichning elektr o’tkazuvchanligi, zaryad tashuvchilarning faollashish energiyasi, k – Boltsman doimiysi.
Yarim o’tkazgichning harorati 1^oC ga o’zgarganda uning elektr o’tkazuvchanligi 5-6%ga o’zgarishi mumkin. Toza yarimo’tkazgichga 10^-7‒10^-10% miqdorda kirishma kiritib ularning elektr o’tkazuvchanligini keskin o’zgartirish mumkin. Bundan tashqari, yarim o‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligini yorug‘lik bilan nurlantirish, elektr va magnit maydonlari ta’sirida o’zgartirish mumkin.

6.1-rasm. Xususiy (a) va legirlangan (b) kremniy nisbiy solishtirma o’tkazuvchanligining haroratga bog’liqligi.

Kremniy uchun nisbiy xususiy o'tkazuvchanlikning haroratga bog'liqlik grafigi 6.1 -rasmda yarim logarifmik masshtabda ko'rsatilgan. Amaliyot uchun taalluqli bo'lgan harorat diapazonida (-60 ÷ +125°C) kremniyning xususiy o'tkazuvchanligi 5 tartibga o'zgarishi 6.1, a-rasmdan ko'rinib turibdi. Taqiqlangan zona kengligi kremniynikiga nisbatan tor bo'lgan materiallarda (masalan, germaniyda) σ ning nisbiy o'zgarishlari kichikroq, σ ning qiymatlari esa sezilarli katta bo'ladi.

Elektr o'tkazuvchanlik, ya’ni elektr kuchlanish ta’sirida moddalardan elektr toki o‘tishi uning elektr maydonga nisbatan asosiy xususiyatini belgilaydi. Bu kattalik qiymat jihatdan Om qonunining differensial ko‘rinishi bo‘lib, solishtirma elektr o‘tkazuvchanlik σ bilan baholanadi:

bu yerda: j — tok zichligi vektori, E — elektr maydon kuchlanganligi vektori.
Shunday qilib, σ ni va uning kirishmalar konsentratsiyasi hamda haroratga bog'liqligini aniqlash uchun yarimo'tkazgichda hosil bo‘ladigan erkin zaryad tashuvchilar turlari, ularning konsentratsiyasi va elektr maydondagi tezligi kabi masalalarni hal etish talab qilinadi. Bular yarimo‘tkazgichning fizik modeli deb ataluvchi zonalar nazariyasi asosida tushuntiriladi.
D.I. Mendeleyev davriy sistemasining IV guruh elementlari qattiq holatdagi monoatom (sodda, elementar) yarimo'tkazgichlardir. Davriy sistemasining IV guruh elementlari, germaniy va kremniy olmossimon kristall panjaraga ega bo'lib, ularning har bir atomi tasavvurdagi tetraedr uchlarida o'zidan baravar uzoqlikda joylashgan (ekvidistant) to'rtta qo'shni atom bilan o'ralgan bo’ladi.
Davriy kristall tuzilishiga ega bo’lgan boshqa moddalar kabi, yarim o‘tkaz-gichlar xususiyatlari ham qattiq jism zona nazariyasi bilan tushuntiriladi.
Har bir qattiq jism ko‘p sonli bir-biri bilan kuchli o‘zaro ta’sirlashayotgan atomlardan tarkib topgan. Shu sababli bir bo‘lak qattiq jism tarkibidagi atomlar majmuasi yagona tuzilma deb qaraladi. Qattiq jismda atomlar bog‘liqligi atomning tashqi qobig‘idagi elektronlarni juft bo‘lib birlashishlari (valent elektronlar) natijasida yuzaga keladi. Bunday bog‘lanish kovalent bog‘lanish deb ataladi.
Atomdagi biror elektron kabi valent elektron energiyasi W ham diskret yoki kvantlangan bo‘ladi, ya’ni elektron energetik sath deb ataluvchi biror ruxsat etilgan energiya qiymatiga ega bo‘ladi. Energetik sathlar elektronlar uchun ta’qiqlangan energiyalar bilan ajratilgan. Ular ta’qiqlangan zonalar deb ataladi. Qattiq jismlarda qo‘shni elektronlar bir-biriga juda yaqin joylashganligi uchun, energetik sathlarni siljishi va ajralishiga olib keladi va natijada ruxsat etilgan energetik zonalar yuzaga keladi. Energetik zonada ruxsat etilgan sathlar soni kristaldagi atomlar soniga teng bo‘ladi. Ruxsat etilgan zonalar kengligi odatda bir necha elektron – voltga teng (elektron – volt – bu 1 V ga teng bo‘lgan potensiallar farqini yengib o‘tgan elektronning olgan energiyasi). Ruxsat etilgan zonadagi minimal energiya sathi tubi (Ec), maksimal energiya esa shipi (Ev) deb ataladi.
Yarimo'tkazgich yoki dielektrikning ruxsat etilgan eng yuqori energetik sathlari o'tkazuvchanlik zona deb ataladi. Ushbu zona energiyalariga ega bo'lgan elektronlar yarimo'tkazgich hajmida tashqi elektr maydon ta’sirida harakatlanib elektr o'tkazuvchanlikni hosil qiladilar. O'tkazuvchanlik zonasiga tegishli energetik sathda joylashgan elektron o'tkazuvchanlik elektroni yoki erkin zaryad tashuvchi deb ataladi.
Taqiqlangan zona ostida joylashgan ruxsat etilgan zona valent zona deb ataladi. Qattiq jismning energetic zonalar diagrammasi 6.2-rasmda keltirilgan. Ko'pchilik yarim o'tkazgich asboblarning ishlashi valent zona shipi va o'tkazuv-chanlik zona tubi energiyalariga yaqin energiyaga ega elektron harakati bilan belgilanadi.
6.2-rasmda yarim o‘tkazgichning zona diagrammasi keltirilgan. Ta’qiqlan-gan zona kengligi E_g yarim o‘tkazgichning asosiy parametri bo‘lib hisoblanadi.

6.2 – rasm. Yarim o‘tkazgichning energetik zona diagrammasi.

Yarimo‘tkazgichlarda taqiqlangan zona kengligi deb ataluvchi E_g parametr eng muhim parametr hisoblanib, harorat ortishi bilan kamayib boradi.

Elektronikada keng qo‘llaniladigan yarim o‘tkazgichlarning ta’qiqlangan zona kengliklari E_g (eV) quyidagiga teng: germaniy uchun – 0,67, kremniy uchun – 1,12 va galliy arsenidi uchun -1,38.
Dielektriklarda ta’qiqlangan zona kengligi E_g 3 eV, metallarda esa ruxsat etilgan zonalar bir – biriga kirib ketgan bo‘ladi, ya’ni mavjud emas.
Absolyut nol haroratda (0 K) yarim o‘tkazgichning valent zonasidagi barcha sathlar elektronlar bilan to‘lgan, o‘tkazuvchanlik zonasidagi sathlar esa elektronlardan xoli bo‘ladi. Absolyut noldan farqli haroratlarda yarimo‘tkazgichda elektron – kovak juftliklarining generatsiya va rekombinatsiyasi hamda kirishmalar atomlarining ionlashuvi va neytrallashuvi sodir bo‘ladi. Bunda elektronlar W energiyali u yoki bu energetik sathlarni egallaydilar. Muvozanat holatda (T=const) o‘tkazuvchanlik elektronlari va kovaklarining o‘zgarmas konsentratsiyalari yuzaga keladi.