Читать книгу Электроника асослари. Ўқув қўлланма - Боходир Хошимович Каримов - Страница 5

Ярим ўтказгичли асбобларнинг ишлаши «электрон» ҳамда «тешикларнинг» харакатланишига асосланган. Ишлаб чиқаришда бу асбоблар содда – германий (Gе), кремний (Si), селен (Se) ёки мураккаб – арсенид галлий (Gа Аs), кремний карбиди (SiC), галлий фосфиди (GaР) ярим ўтказгич материалидан тайёрланади. Уларнинг хаммаси «олмос» турли мунтазам панжара таркибига эга бўлган кристаллдан иборат.

2.1-расмда атомларининг ташқи орбитасида тўрттадан электрони бўлган тоза германийнинг ясси эквивалент панжараси келтирилган. Электрон турғун холатда бўлиши учун, қўшни тўртта атом билан ковалент яъни қўш боғланади хамда валент электронлар бу боғланишда иштирок этади.

2.1-расм. Германийнинг кристалл панжараси.

Квант механикаси қонунларига, асосан, хар бир валент боғланган электрон учун маoлум бир энергия сатхи тўғри келади. Уларнинг тўплами «валент» (V – зона) зонани ташкил этади.

Электрондан холи бўлган энергетик сатхлар эркин зонани ташкил этади, улар «ўтказувчанлик» (С – зона) зонаси дейилади. Бу икки зона оралиғида учинчи, «тақиқланган» зона жойлашган. Идеал қаттиқ, кристалли жисмларда электронлар бундай энергияга эга эмас. Бундай холат абсолют нол харарот учун тўғри бўлади. Стабил холатни бузувчи ташқи факторлар: иссиклик, харорат, ёруғлик нури, электромагнит майдон ва бошқалар хисобланади. Уларнинг таъсири натижасида валент электронлар ядро билан боғланишни ўзиш учун етарли бўлган қўшимча энергия олиши мумкин. Бунинг учун зарур бўлган минимал энергия модданинг тақиқланган зонаси кенглиги (DW) билан аниқланади. 2.2 расмда ўтказгичлар, ярим ўтказгичлар ва диэлектрикларнинг энергетик зона диаграммалари келтирилган. Уй харакатида металларда тақиқланган зона нолга яқин, диэлектрик материалларда 3—7 ЭВ (олмос) ва ярим ўтказгичларда эса 0,5 – 2,5 ЭВ (германий DW = 0,66 ЭВ, кремний DW = 1,14 ЭВ) ни ташкил этади. Ковалент боғланишдан чиқиб кетган электрон эркин бўлиб қолади ва у кристалл бўйича тартибсиз харакатланади.

2.2 – расм. Энергетик зоналар, а – ўтказгичларники; б – ярим-ўтказгичларники; в – диэлектрикларники: 1 – ўтказувчанлик зона; 2- валент зона; 3 – тақиқланган зона.

Бу электроннинг энергияси ўтказувчанлик зонасидаги энергетик сатхлар қиймати билан аниқланади. Энергия ортиши билан, соф ярим ўтказгичда электрон валент зонанинг юқори сатхидан ўтказувчанлик зонасига ўтади. Бунга хусусий ўтказувчанлик дейилади. Валент зонасидан электрон чиқиб кетганда, унда «тешик» деб аталувчи бўш (вакант) ўрин хосил бўлади (2.3- расм). Эркин электрон бошқа заррачалар билан тўқнашганда, ўз энергиясининг бир қисмини сарфлайди ва бу энергия сатхида яна ковалент боғланишга киришади.

Бу ходисага рекомбинация жараёни дейилади. Электрон – тешик жуфтларининг хосил бўлиш жараёни, параллел равишда ўтади ва иссиқлик мувозанатида эркин электронларнинг сони ўрта хисобда ўзгармас сақланади. Атом билан боғланган электроннинг энергияси сатхдан ортиқроқ бўлса:

2.3 расм. Электрон – тешик жуфтларининг хосил бўлиши. а – германий, б – энергетик диаграмма: 1 – ўтказувчанлик зона, 2 – тақиқланган зона, 3 – валент дона, 4 – электрон – тешик жуфтларининг хосил бўлиши.

Валент зонасидаги вакант (бўш) сатхга ўтиши ва заряд ташувчи бўлиши мумкин. Соф ярим- ўтказгичларда заряд ташувчилар концентрацияси, яхни эркин электрон ва тешиклар сони бир сантиметр кубда 10¹⁷ та бўлиб, солиштирма электр қаршилиги 0,65 Ом м (германий) дан 10 Ом м (селен) гача бўлади. Ярим ўтказгичдаги жараёнларни моделлаштириш қулай бўлиши учун, боғланган электронлар харакати ўрнига заряд ва массалари электронларникига тенг, лекин ишораси қарама – қарши бўлган квази заррача – тешиклар харакати текширилади. Уларнинг харакат йўналиши электронлар харакати йўналишига тескари олинади. Заряд ташувчилар – электрон ва тешиклар харакати умумий холда, иккита компонентдан ташкил топади: концентрацияси кам бўлган йўналишида вужудга келаётган тартибсиз харакат – диффузия ва ташқи электр майдон таъсиридаги харакат – дрейфдан иборат. Соф яримўтказгич иштирокида кўриб ўтилган холат унга жуда оз миқдорда (10^—4 … 10^—6%) аралашма қўшилиши туфайли кескин ўзгариб кетади. Масалан, германий кристалл панжарасида беш валентли мишьяк атоми (расм 2.4 а-расм) аралашмаси бўлса, унинг валент боғланган тўртта электронлари германий атомлари билан ковалент боғланиш ўрнатишда иштирок этади. Бешинчи электрон атом билан кристалл панжарада мустахкам алоқада бўлмай, эркин электрон бўлиб қолади. Аралашманинг бешинчи «ортиқча» электрони ташқи таъсир натижасида «ўзининг» атоми таъсиридан чиқиб кетади ва заряд ташувчиларнинг дрейф оқимини хосил қилиши ёки эркин харакатланиши мумкин. Бошқача айтганда, ярим ўтказгичларда аралашмаларнинг бўлиши, легирланган ярим ўтказгич электр қаршилигининг кескин камайишига (германий учун 10^—4 Ом мм ва кремний учун 0,5 Ом мм) ва кўп миқдорда эркин электронлар ҳосил бўлишига олиб келади. Эркин электронлар харакати билан юзага келган ўтказувчанликни «n» – турли электрон ўтказувчанлик, материалнинг ўзини эса «n» – турли ярим – ўтказгич деб аталади (n – лотинча negativ – манфий сўзидан олинган). Ярим ўтказгичдаги электрон ўтказувчанликни хосил қилувчи аралашмалар донорлар дейилади. Донор аралашмали валент электронларнинг энергетик сатхлари (ўтказувчанлик зонаси) ярим – ўтказгичнинг тақиқланган зонасининг юқорироғида жойлашган бўлади. Бундай бўлиши материалларда донор сатхларини хосил қилади (расм 2.4 б-расм).

2.4 -расм. Мишяк аралашган германийнинг эквивалент панжараси (а) ва энергетик зона диаграммаси (б): 1 – ўтказувчанлик зонаси, 2 – тақиқланган зона, 3 – валент зона, 4 – акцептор сатхи, 5 – эркин электрон.

Донор сатхи энергиясига эга бўлган электронлар ўтказувчанлик зонасига осонгина ўтиб, заряд элтувчиларнинг диффузия оқимини хосил қилади.

Соф ярим ўтказгич германийга уч валентли индий аралашмаси киритилсин. 2.5а-расмда индий аралашмаси мавжуд бўлган германий кристалл панжараси кўрсатилган. Уч валентли индий атоми тўртта германий атоми билан ковалент боғланишга киришади ва унинг битта боғи электрон билан тўлмай қолади. Ташқи майдон қўшни атом электронини шу тўлмай қолган ковалент боғланишига (электрон ваканциясига) ўтишга мажбур этади, бўшаган ўринга эса ўз навбатида бошқа қўшни атомнинг электрони ўтади ва хоказо.

Индий аралашмали ярим ўтказгичда ўзига хос электронларнинг навбатма-навбат харакати вужудга келади. Бунда электрон лар атомлардан узоқлашиб кетмайди, доим улар билан ўзаро боғланган бўлади. Боғланган электронларнинг бундай кетма – кет силжишини шартли равишда, мусбат зарядга эга бўлган бўш ковалент боғланишга эга бўлган тешикларнинг электронлар томон харакати деб қараш мумкин. Тешиклар харакати билан юзага келган ўтказувчанликни ковакли (тешикли) ўтказувчанлик, материалнинг ўзини эса р – турли яримўтказгич деб аталади» (р лотинча – Роzitiv – мусбат сўзидан олинган). Яримўтказгичларда тешикли ўтказувчанликни ҳосил қилувчи аралашмаларга акцепторлар дейилади.

Акцептор – аралашмали яримўтказгичларда тақиқланган зонанинг пастки қисмида, валент электронлар зонаси яқинида, эркин энергетик сатхлар юзага келади, улар акцептор сатхлари деб аталади (2.5 б – расм). Валент зонадан электронлар акцепторлар сатхларига осонгина ўтиб, унда эркин электронлар ваканцияси – тешикларни хосил қилади. Шундай қилиб, соф ярим ўтказгичли материалга донорли (Аs) ёки акцепторли (Jn) аралашмалар қўшиб, сунoий равишда электрон (n – турли) ёки тешикли (р – турли) ўтказувчанликка эга бўлган яримўтказгичлар олиш мумкин. Бундай материаллардан қуйидаги ярим ўтказгичли асбоблар тайёрланади: диодлар, транзисторлар, тиристорлар ва хоказо.

2.5 -расм. Индий аралашган германийнинг эквивалент зонаси (а) ва энергетик зона диаграммаси (б):1 – ўтказувчанлик зонаси, 2 – тақиқланган зона, 4 – акцептор сатхи, 5 —электрон, 6 – тешик.