Yarim o’tkazgichli asboblar. Umumiy takrorlash. Reja

Yarim oʻtkazgichlar - elektr tokini yaxshi oʻtkazuvchi moddalar (oʻtkazgichlar, asosan, metallar) va elektr tokini amalda oʻtkazmaydigan moddalar (dielektriklar) orasidagi oraliq vaziyatni egallaydigan moddalar. Mendeleyev davriy sistemasida II, III, IV, V va VI guruhlarda joylashgan koʻpchilik elementlar. ularning bir qator birikmalari yarim o'tkazgichlar jumlasiga kiradi. Yarim o'tkazgichlarda ham metallardagi kabi elektr oʻtkazuvchanlik elektronlarning harakati tufayli yuzaga keladi. Biroq elektronlarning harakatlanish sharoitlari metallar va yarim o'tkazgichlarda turlicha boʻladi. Yarim o'tkazgichlar quyidagi asosiy xususiyatlarga ega: yarim o’tkazgichlarning elektr oʻtkazuvchanligi temperatura koʻtarilishi bilan ortib boradi (masalan, temperatura 1 K ga ortganda yarim o’tkazgichlarning solishtirma oʻtkazuvchanligi 16-17 marta ortadi); yarim o’tkazgichlarning elektr oʻtkazuvchanligida erkin elektronlardan tashqari atom bilan bogʻlangan elektronlar ham ishtirok etadi (baʼzi hollarda bogʻlangan elektronlar asosiy rol oʻynaydi); sof yarim o’tkazgichlarga ozmiqdorda qoʻshilma kiritib, uning oʻtkazuvchanligini keskin oʻzgartirish mumkin (masalan, 0,01% qoʻshilma kiritilganda yarim o’tkazgichlarning oʻtkazuvchanligi 10000 marta ortib ketadi). Past tralarda yarim o’tkazgichlarning solishtirma qarshiligi juda katta boʻladi va amalda ular izolyator hisoblanadi, lekin temperatura ortishi bilan ularda zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi keskin ortadi. Masalan, sof kremniyda 20° trada erkin elektronlar konsentratsiyasi ~1017m~3boʻlsa. 700° da 1024 m"3gacha, yaʼni million martadan koʻproq ortadi. Yarim o’tkazgichlarda erkin elektronlar konsentratsiyasining traga bunday keskin bogʻlikligi oʻtkazuvchanlik elektronlari issiqlik harakati taʼsirida hosil boʻlishini koʻrsatadi. Yarimoʻtkazgich kristallda atomlar valent elektronlari yordamida oʻzaro bogʻlangan. Atomlarning issiqlik tebranishlari vaqtida issiqlik energiyasi valent elektronlar orasida notekis taqsimlanadi. Ayrim elektronlar oʻz atomi bilan bogʻlanishni uzib, kristallda erkin koʻchib yurish imkonini beradigan yetarli miqdordagi issiqlik energiyasiga ega boʻlib qolishi va erkin elektronlarga aylanishi mumkin. Tashqi elektr maydon boʻlmaganda bu erkin elektronlar tartibsiz harakat qiladi. Elektr maydon taʼsirida esa maydonga qarshi yoʻnalishda tartiblangan harakatga kelib, Yarim o’tkazgichlarda tok hosil qiladi. Erkin elektronlar yuzaga keltirgan oʻtkazuvchanlik elektron yoki p tip oʻtkazuvchanlik deb ataladi. Bogʻlangan elektronning oʻz atomini "tashlab ketishi" atomning elektr neytralligini buzadi. unda "ketib qolgan" elektron zaryadiga miqdoran teng musbat zaryad - teshik vujudga keladi. Tashqi elektr maydon boʻlmaganda elektronlar ham, teshiklar ham tartibsiz harakatlanadi, tashqi maydon boʻlganda esa elektronlar maydonga qarshi, teshiklar maydon boʻylab koʻchadi. Teshiklarning koʻchishi bilan bogliq oʻtkazuvchanlik teshikli yoki rtmp oʻtkazuvchanlik deyiladi. Erkin elektronlar soni bilan teshiklar soni bir-biriga tengligi tushunarli. Anqlanishicha, ularning harakatlanish tezligi ham bir xil ekan. Demak, yarim o’tkazgichlardagi tok ayni vaqtda ham elektron, ham teshikli oʻtkazuvchanlikdan vujudga keladi. Bunday electron teshikli oʻtkazuvchanlik yarim o’tkazgichlarning xususiy oʻtkazuvchanligi deyiladi. Xususiy oʻtkazuvchanlik sofda kuzatiladi. Biroq tabiatda sof yarim o’tkazgichlar yoʻq. Baʼzi qoʻshilmalar yarim o’tkazgichlarni erkin elektronlar bilan boyitsa, boshqa baʼzi qoʻshilmalar teshiklar bilan boyitadi. Yarim o’tkazgichlarda yuzaga keladigan bunday oʻtkazuvchanlik qoʻshilmali oʻtkazuvchanlik deb ataladi. Agar asosiy yarim o’tkazgichlar atomi oʻrniga elementlar davriy sistemasida undan keyingi guruhda turgan element atomi kiritilsa, bu qoʻshilma atomning bitta valent elektroni atomlararo bogʻlanishda ishtirok etmaydi va erkin elektronlar safiga qoʻshiladi, binobarin, itip oʻtkazuvchanlik ortadi. Va, aksincha, undan oldingi oʻrinda turgan element atomi kiritilsa, atomlararo toʻla bogʻlanishda 1 ta electron yetishmaydi, teshik hosil boʻladi. Bunda rtip oʻtkazuvchanlik ortadi. Qoʻshimcha birinchi holda donor (elektron beruvchi) qoʻshilma, ikkinchi holda esa akseptor (elektron oluvchi) qoʻshilma deb ataladi. Shunday qilib, yarim o’tkazgichlarning elektr oʻtkazuvchanligi xususiy va aralashmali oʻtkazuvchanliklar yigʻindisidan iborat boʻladi. Yuqori tralarda xususiy oʻtkazuvchanlik, past tralarda esa qoʻshilmali oʻtkazuvchanlik asosiy rol oʻynaydi. O‘tkazgichlarda erkin zaryadlar mavjud bo‘lganligi uchun tashqi elektrostatik maydon ta’sirida o‘tkazgich sirtining bir qismida musbat ishorali erkin zaryad, boshqa ikkinchi qismida esa manfiy ishorali zaryad paydo bo‘ladi. O‘tkazgich ichida hech qanday erkin zaryad bo‘lmagani uchun elektrostatik maydonham bo‘lmaydi. O‘tkazgichning sirti ekvipotensial sirt bo‘lgani uchun zaryadlangan o‘tkazgichni potensial bilan harakterlash mumkin. O‘tkazgichning zaryadi ortgan sari uning potensiali ham ortadi. O‘tkazgichning elektr zaryad to‘plash xususiyatini ifodalovchi elektr kattalik elektr sig‘imi deyiladi. Miqdor jihatidan yakkalangan o‘tkazgichning potensialini bir birlikka o‘zgartirish uchun zarur miqdoriga teng. Elektr sig‘imi o‘tkazgichning o‘lchamlariga, geometrik shakliga va atrof muhitning dielektrik singdiruvchanligiga bog‘liq. Amalda kondensatorlarni parallel, ketmaket yoki aralash yo‘li bilan zarur elektr sig‘imi olinadi.
Elektr toki paydo bo‘lishi va doimo paydo bo‘lib turishi uchun:
1) moddada erkin elektr zaryadlari,
2) ularni tartibli harakatga keltiruvchi elektr maydon va
3) zanjir berk bo‘lishi kerak.
Yarim o’tkazgichlar-moddaning ajoyib turi bo‘lib, ular o‘ziga xos xossalari bilan boshqalardan yaqqol ajralib turadi. Umuman olganda, elektrik o‘tkazuvchanligiga qarab moddalar uchta katta sinfga: o‘tkazgichlarga (elektrik o‘tkazuvchanligi 10⁶ Om/sm dan katta), yarim o’tkazgichlarga (elektrik o‘tkazuvchanligi 10^-8 ÷10^-6 Om/sm oralig‘ida) va dielektriklarga (elektrik o‘tkazuvchanligi 10^-8 Om/sm dan kichik) bo‘linadi. Yarim o’tkazgichlarning elektrik o‘tkazuvchanli-gi juda keng oraliqda yotishi yuqoridagi ma’lumotlardan ko‘rinib turibdi. Shu bilan birga yarim o’tkazgichlarning o‘ziga xos muhim xususiyatlaridan biri elektrik o‘tkazuvchanligining ulardagi kirishmalarning turi va konsentratsiyasiga nihoyatda sezgirligidir. Masalan, toza yarim o’tkazgichga 10^-7÷10^-10 % miqdorda kirishma kiritish bilan uning elektrik o‘tkazuvchanligini keskin o‘zgartirish mumkin. SHu bilan birga yarim o’tkazgichlarning yana bir muhim xususiyati - ular elektrik o‘tkazuvchanligining temperaturaga o‘tasezgirligidir. Bunday bog‘lanishni quyidagicha ifodalash mumkin:
σ=V∙exp(-W_a / kT)
bu yerda, -berilgan T-temperaturadagi elektrik o‘tkazuvchanlik, V-o‘zgarmas doimiy, Wa
-zaryad tashuvchilarning faollanish energiyasi, k-Bolsman doimiysi, Tmutlaq temperatura. Chunonchi, yarimo‘tkaz-gichning temperaturasi 1℃ ga o‘zgarganda uning elektrik o‘tkazuv-chanligi 5-6 ga o‘zgarishi mumkin. Juda ko‘plab yarim o’tkazgichlarga va ular asosida yasalgan asboblarga yorug‘lik, ionlovchi nurlar va shu kabilarning ta’sirlari ham elektrik o‘tkazuvchanlikning keskin o‘zgarishiga olib keladi. Bunga turli yarim o’tkazgich detektorlarni, yorug‘lik diodlarini, yorug‘lik rezistorlarini va qator boshqa asbob-larni ham misol qilib ko‘rsatish mumkin. Shuni eslatib o‘tish joizki, yarimo‘tkazuvchanlik xossasi faqat qattiq jismlargagina xos bo‘lmay, suyuq holatdagi organik birikmalardan iborat shisha-simon, amorf tuzilishga ega bo‘lgan yarim o’tkazgichlar ham shunday xossalarga egadirlar. Ular o‘zlarining bir qator ma’lum kamchilik-lari tufayli hozircha texnikada keng tatbiq qilinganicha yo‘q. Qattiq jismlardan yarim o’tkazgich xossasiga ega bo‘lgan moddalar qato-riga juda ko‘p turli moddalar, masalan, kremniy, germaniy, bor, olmos, fosfor, oltingugurt, selen, tellur, ko‘pchilik tabiiy minerallar va qator birikmalar: GaAs, GaP, JnSb, SiC, ZnS, CdTe, GaSb va hokazolar kiradi. Bu yarim o’tkazgichlar o‘zlarining xilma-xil xossalari bilan birbirlaridan ancha farq qiladilar. SHuning uchun ham turli maqsadlar uchun turli yarim o’tkazgichlar qo‘llaniladi. Biroq, hozirgi zamon texnikasida asosan bir necha xil yarim-o‘tkazgichlar keng ishlatilmoqda. Bularning ichida eng oldingi o‘rinlarda kremniy (Si), germaniy (Ge), galliy margimushi (GaAs) turadi. Ayniqsa kremniy hozirgi zamon mikroelektronikasida o‘zining ko‘p xossalari bilan murakkab texnologik talablarga javob beranligi sababli asosiy material o‘rnini egallab turibdi. Elektron texnikasida ishlatiladigan ko‘pchilik yarim o’tkazgich materiallar kristall tuzilshga ega. Yarim o’tkazgichning kristall tu-zilishi naqadar mukammalligi, unda turli nuqsonlarning bor yoki yo‘qligi va ularning miqdori yarim o’tkazgichning asosiy xossalarini belgilab beruvchi omildir. SHu boisdan, qisqa bo‘lsa ham asosiy yarim o’tkazgich moddalar - kremniy va germaniyning kristall tuzilishi va uning
asosiy xususiyatlari haqida to‘xtalib o‘tamiz.