Читать книгу Elektronika asoslari. O'quv qo'llanma - Boxodir Xoshimovich Karimov - Страница 5

Yarim o’tkazgichli asboblarning ishlashi «elektron» hamda «teshiklarning» xarakatlanishiga asoslangan. Ishlab chiqarishda bu asboblar sodda – germaniy (Ge), kremniy (Si), selen (Se) yoki murakkab – arsenid galliy (ga Aѕ), kremniy karbidi (SiC), galliy fosfidi (gar) yarim o’tkazgich materialidan tayyorlanadi. Ularning xammasi «olmos» turli muntazam panjara tarkibiga ega bo’lgan kristalldan iborat.

2.1-rasmda atomlarining tashqi orbitasida to’rttadan elektroni bo’lgan toza germaniyning yassi ekvivalent panjarasi keltirilgan. Elektron turg’un xolatda bo’lishi uchun, qo’shni to’rtta atom bilan kovalent ya’ni qo’sh bog’lanadi xamda valent elektronlar bu bog’lanishda ishtirok etadi.

2.1 – rasm. Germaniyning kristall panjarasi.

Kvant mexanikasi qonunlariga, asosan, xar bir valent bog’langan elektron uchun maolum bir energiya satxi to’g’ri keladi. Ularning to’plami «valent» (V – zona) zonani tashkil etadi.

Elektrondan xoli bo’lgan energetik satxlar erkin zonani tashkil etadi, ular «o’tkazuvchanlik» (S – zona) zonasi deyiladi. Bu ikki zona oralig’ida uchinchi, «taqiqlangan» zona joylashgan. Ideal qattiq, kristalli jismlarda elektronlar bunday energiyaga ega emas. Bunday xolat absolyut nol xararot uchun to’g’ri bo’ladi. Stabil xolatni buzuvchi tashqi faktorlar: issiklik, xarorat, yorug’lik nuri, elektromagnit maydon va boshqalar xisoblanadi. Ularning ta’siri natijasida valent elektronlar yadro bilan bog’lanishni o’zish uchun etarli bo’lgan qo’shimcha energiya olishi mumkin. Buning uchun zarur bo’lgan minimal energiya moddaning taqiqlangan zonasi kengligi (W) bilan aniqlanadi. 2.2 rasmda o’tkazgichlar, yarim o’tkazgichlar va dielektriklarning energetik zona diagrammalari keltirilgan. Uy xarakatida metallarda taqiqlangan zona nolga yaqin, dielektrik materiallarda 3—7 EV (olmos) va yarim o’tkazgichlarda esa 0,5 – 2,5 EV (germaniy W = 0,66 EV, kremniy W = 1,14 EV) ni tashkil etadi. Kovalent bog’lanishdan chiqib ketgan elektron erkin bo’lib qoladi va u kristall bo’yicha tartibsiz xarakatlanadi.

2.2-rasm. Energetik zonalarniki, a-oqekazgihlarniki; b-yarim-oqekazgihlarniki; c – dielektriklarniki: 1 – oqekazuvchanlik zonasi; 2 – valent zona; 3 – jamoa zonasi.

2.2-rasm. Energetik zonalarniki, a-oqekazgihlarniki; b-yarim-oqekazgihlarniki; c – dielektriklarniki: 1 – oqekazuvchanlik zonasi; 2 – valent zona; 3 – jamoa zonasi.

2.2-rasm. Energetik zonalarniki, a-oqekazgihlarniki; b-yarim-oqekazgihlarniki; c – dielektriklarniki: 1 – oqekazuvchanlik zonasi; 2 – valent zona; 3 – jamoa zonasi.

Bu elektronning energiyasi o’tkazuvchanlik zonasidagi energetik satxlar qiymati bilan aniqlanadi. Energiya ortishi bilan, sof yarim o’tkazgichda elektron valent zonaning yuqori satxidan o’tkazuvchanlik zonasiga o’tadi. Bunga xususiy o’tkazuvchanlik deyiladi. Valent zonasidan elektron chiqib ketganda, unda «teshik» deb ataluvchi bo’sh (vakant) o’rin xosil bo’ladi (2.3 – rasm). Erkin elektron boshqa zarrachalar bilan to’qnashganda, o’z energiyasining bir qismini sarflaydi va bu energiya satxida yana kovalent bog’lanishga kirishadi.

Bu xodisaga rekombinasiya jarayoni deyiladi. Elektron – teshik juftlarining xosil bo’lish jarayoni, parallel ravishda o’tadi va issiqlik muvozanatida erkin elektronlarning soni o’rta xisobda o’zgarmas saqlanadi. Atom bilan bog’langan elektronning energiyasi satxdan ortiqroq bo’lsa:

2.3 rasm. Elektron – teshik juftlarining xosil bo’lishi. a – germaniy, b – energetik diagramma: 1 – o’tkazuvchanlik zona, 2 – taqiqlangan zona, 3 – valent dona, 4 – elektron – teshik juftlarining xosil bo’lishi.

Valent zonasidagi vakant (bo’sh) satxga o’tishi va zaryad tashuvchi bo’lishi mumkin. Sof yarim – o’tkazgichlarda zaryad tashuvchilar kontsentrasiyasi, yaxni erkin elektron va teshiklar soni bir santimetr kubda 1017 ta bo’lib, solishtirma elektr qarshiligi 0,65 Om m (germaniy) dan 10 Om m (selen) gacha bo’ladi. Yarim o’tkazgichdagi jarayonlarni modellashtirish qulay bo’lishi uchun, bog’langan elektronlar xarakati o’rniga zaryad va massalari elektronlarnikiga teng, lekin ishorasi qarama – qarshi bo’lgan kvazi zarracha – teshiklar xarakati tekshiriladi. Ularning xarakat yo’nalishi elektronlar xarakati yo’nalishiga teskari olinadi. Zaryad tashuvchilar – elektron va teshiklar xarakati umumiy xolda, ikkita komponentdan tashkil topadi: kontsentrasiyasi kam bo’lgan yo’nalishida vujudga kelayotgan tartibsiz xarakat – diffuziya va tashqi elektr maydon ta’siridagi xarakat – dreyfdan iborat. Sof yarimo’tkazgich ishtirokida ko’rib o’tilgan xolat unga juda oz miqdorda (10—4 … 10—6%) aralashma qo’shilishi tufayli keskin o’zgarib ketadi. Masalan, germaniy kristall panjarasida besh valentli mishyak atomi (rasm 2.4 a-rasm) aralashmasi bo’lsa, uning valent bog’langan to’rtta elektronlari germaniy atomlari bilan kovalent bog’lanish o’rnatishda ishtirok etadi. Beshinchi elektron atom bilan kristall panjarada mustaxkam aloqada bo’lmay, erkin elektron bo’lib qoladi. Aralashmaning beshinchi «ortiqcha» elektroni tashqi ta’sir natijasida «o’zining» atomi ta’siridan chiqib ketadi va zaryad tashuvchilarning dreyf oqimini xosil qilishi yoki erkin xarakatlanishi mumkin. Boshqacha aytganda, yarim o’tkazgichlarda aralashmalarning bo’lishi, legirlangan yarim o’tkazgich elektr qarshiligining keskin kamayishiga (germaniy uchun 10—4 Om mm va kremniy uchun 0,5 Om mm) va ko’p miqdorda erkin elektronlar hosil bo’lishiga olib keladi. Erkin elektronlar xarakati bilan yuzaga kelgan o’tkazuvchanlikni «n» – turli elektron o’tkazuvchanlik, materialning o’zini esa «n» – turli yarim – o’tkazgich deb ataladi (n – lotincha negativ – manfiy so’zidan olingan). Yarim o’tkazgichdagi elektron o’tkazuvchanlikni xosil qiluvchi aralashmalar donorlar deyiladi. Donor aralashmali valent elektronlarning energetik satxlari (o’tkazuvchanlik zonasi) yarim – o’tkazgichning taqiqlangan zonasining yuqorirog’ida joylashgan bo’ladi. Bunday bo’lishi materiallarda donor satxlarini xosil qiladi. (rasm 2.4 b-rasm).

2.4 -rasm. Mishyak aralashgan germaniyning ekvivalent panjarasi (a) va energetik zona diagrammasi (b): 1 – o’tkazuvchanlik zonasi, 2 – taqiqlangan zona, 3 – valent zona, 4 – aktseptor satxi, 5 – erkin elektron.

Donor satxi energiyasiga ega bo’lgan elektronlar o’tkazuvchanlik zonasiga osongina o’tib, zaryad eltuvchilarning diffuziya oqimini xosil qiladi.

Sof yarim o’tkazgich germaniyga uch valentli indiy aralashmasi kiritilsin. 2.5 a-rasmda indiy aralashmasi mavjud bo’lgan germaniy kristall panjarasi ko’rsatilgan. Uch valentli indiy atomi to’rtta germaniy atomi bilan kovalent bog’lanishga kirishadi va uning bitta bog’i elektron bilan to’lmay qoladi. Tashqi maydon qo’shni atom elektronini shu to’lmay qolgan kovalent bog’lanishiga (elektron vakantsiyasiga) o’tishga majbur etadi, bo’shagan o’ringa esa o’z navbatida boshqa qo’shni atomning elektroni o’tadi va xokazo.

Indiy aralashmali yarim o’tkazgichda o’ziga xos elektronlarning navbatma-navbat xarakati vujudga keladi. Bunda elektron lar atomlardan uzoqlashib ketmaydi, doim ular bilan o’zaro bog’langan bo’ladi. Bog’langan elektronlarning bunday ketma – ket siljishini shartli ravishda, musbat zaryadga ega bo’lgan bo’sh kovalent bog’lanishga ega bo’lgan teshiklarning elektronlar tomon xarakati deb qarash mumkin. Teshiklar xarakati bilan yuzaga kelgan o’tkazuvchanlikni kovakli (teshikli) o’tkazuvchanlik, materialning o’zini esa r – turli yarimo’tkazgich deb ataladi» (r lotincha – Rozitiv – musbat so’zidan olingan). Yarimo’tkazgichlarda teshikli o’tkazuvchanlikni hosil qiluvchi aralashmalarga aktseptorlar deyiladi.

Aktseptor – aralashmali yarimo’tkazgichlarda taqiqlangan zonaning pastki qismida, valent elektronlar zonasi yaqinida, erkin energetik satxlar yuzaga keladi, ular aktseptor satxlari deb ataladi (2.5 b – rasm). Valent zonadan elektronlar aktseptorlar satxlariga osongina o’tib, unda erkin elektronlar vakantsiyasi – teshiklarni xosil qiladi. Shunday qilib, sof yarim o’tkazgichli materialga donorli (Aѕ) yoki aktseptorli (Jn) aralashmalar qo’shib, sunoiy ravishda elektron (n – turli) yoki teshikli (r – turli) o’tkazuvchanlikka ega bo’lgan yarimo’tkazgichlar olish mumkin. Bunday materiallardan quyidagi yarim o’tkazgichli asboblar tayyorlanadi: diodlar, tranzistorlar, tiristorlar va xokazo.

2.5 -rasm. Indiy aralashgan germaniyning ekvivalent zonasi (a) va energetik zona diagrammasi (b):1 – o’tkazuvchanlik zonasi, 2 – taqiqlangan zona, 4 – aktseptor satxi, 5 —elektron, 6 – teshik.