Elektronika va asbobsozlik

I = I_e + I_t ( 13.1)
Yarim o‘tkazgich xususiy elektr o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lsa, elektronlar soni N_e va teshiklar soni N_t teng bo‘ladi. Birok I_e > I_t chunki elektronlarning harakatchanligi teshiklarnikidan yuqori. Tok tashuvchining xarakatchanligi elektronning ko‘chish tezligi υ_e yoki teshikning kuchish tezligi υ_t ning yarim o‘tkazgichdagi elektr maydon kuchlanganligi Ye ga nisbatidan iborat. U holda elektronning xarakatchanligi μ_e = υ_e/Ye; teshikning xarakatchanligi μ_t = υ_t/Ye. Shunday qilib, xarakatchanlik elektron yoki teshik Ye = 1 V/sm da 1 s vaqt ichida kancha yul o‘tirishini ko‘rsatadi. Baen qilinganlarni nazarda tutib elektron va teshik toklari uchun ushbu ifodalarni yozish mumkin:


I_e = N_e yeυ_e = N_e yeμ_e Ye; (13.2)


I_t = N_t yeυ_r = N_t yeυ_t Ye; (13.3)
bu yerda ye – elektron yoki teshikning zaryadi;
Ye – elektr maydon kuchlanganligi.
Yarim o‘tkazgichdan o‘tadigan umumiy tok:


I = I_e + I_t yoki I = N_e yeυ_e + N_t yeυ_t = N_e yeμ_e Ye + N_t yeμ_tE. (13.4)

Yarim o‘tkazgich xususiy elektr o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lganda elektronlar soni teshiklar soniga teng bo‘ladi, ya’ni N_e = N_t = N u holda (8) ifodani yozish mumkin:

I = Ne (μ_e + μ_t) Ye (13.5)

Yarim o‘tkazgichli to‘g‘rilagichlar yaratish uchun n_tip yoki r_tip elektr o‘tkazuvchanlikli yarim o‘tkazgich materiallar talab qilinadi. Shu sababli tarkibida 10^-9 – 10^-11 (massasi buyicha % hisobida) aralashma bo‘lgan yarim o‘tkazgich yaxshilab tozalanadi, unga tegishli legirlovchi aralashma kiritiladi.
Yarim o‘tkazgichni elektron bilan ta’minlaydigan legirlovchi aralashmalar donor aralashmalar yoki kiskacha donorlar deb ataladi. Yarim o‘tkazgich atomlariga nisbatan kichik valentli aralashma atomlari o‘ziga elektronlarni kushib olish kobiliyatiga ega; bunday aralashmalar akseptor aralashmalar yoki qisqacha akseptorlar deb ataladi.
Elektron elektr o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan yarim o‘tkazgich olish uchun uning tarkibiga valentligi bu asosiy element atomlari valentligidan bitta ko‘p bo‘lgan modda atomlari kiritiladi. Masalan, to‘rt valentli atomlardan tashkil topgan germaniy Ge elementiga besh valentli donor aralashma – surma Sb yoki fosfor R kiritiladi. Kiritilgan aralashmaning atomlaridagi to‘rtta elektron asosiy yarim o‘tkazgich atomlaridagi to‘rtta elektron bilan to‘rtta kovalent juft bog‘lanishni yuzaga keltiradi, beshinchi elektron esa bunday bog‘lanishsiz koladi.
Demak, bu elektronni qo‘yilgan kuchlanish ta’sirida erkin elektronga aylantirish oson, u yarim o‘tkazgichda elektron tokini xosil qilishda ishtirok etadi. Rasmdan ko‘rinib turibdiki, asosiy tok tashuvchilar n_tip elektr o‘tkazuvchanlikka sabab bo‘luvchi elektronlardir. Uch elektron va unga mos teshik germaniy atomini ionlashtirish natijasida xosil bo‘lgan. Bu tok tashuvchilar yarim o‘tkazgichning xususiy o‘tkazuvchanligiga sabab bo‘ladi. Yarim o‘tkazgichdagi umumiy tok elektron va teshik toklarning yig‘indisiga teng, biroq elektron toki teshik tokidan bir necha karra ko‘pdir.
Agar germaniy tarkibiga biror akseptor aralashma, masalan, bor V elementi atomlari kiritilsa, aralashmaning xar bir atomi germaniyning mos atomlari bilan uchta kovalent bog‘lanish xosil qiladi. Biroq borning hammasi bo‘lib uchta valent elektroni mavjud bo‘lgani sababli germaniyning faqat uchta qo‘shni atomi bilan shunday bog‘lanish o‘rnatish mumkin. Germaniyning to‘rtinchi atomi bilan bog‘lanish o‘rnatish uchun borning boshqa elektroni yuk. Shunday qilib bir nechta germaniy atomida bittadan elektron kovalent bog‘lanishsiz qoladi. Endi bu elektronlar o‘z o‘rnini tashlab ketishi uchun va germaniy atomida tekshiklar xosil qilishi uchun uncha katta bo‘lmagan tashqi energetik ta’sir kifoya. Bor atomlari qamrab olgan 2, 4 va 6 bush elektronlar yarim o‘tkazgichda elektr tokini yuzaga keltirmaydi. Germaniy atomlarida xosil bo‘lgan 1 ,3 va 5 teshiklar esa qo‘shni atomlardan elektronlar kelib o‘tirishiga imkon beradi, u yerda o‘z navbatida yangi teshiklar xosil bo‘ladi.

23-rasm

Shundan qilib, xosil bo‘lgan musbat zaryadlangan teshik germaniyning bir atomidan ikkinchisiga, undan esa boshqasiga o‘tib yuradi. Qo‘yilgan tashqi kuchlanish bu xarakatni tartibga solib turadi, ya’ni yarim o‘tkazgichda aralashma teshik toki paydo bo‘ladi, natijada elektr o‘tkazuvchanlik yuzaga keladi. R tip yarim o‘tkazgichda germaniy atomlaridan uncha ko‘p bo‘lmagan miqdorda erkin elektronlar va teshiklar jufti qolgan bo‘ladi. Demak, xususiy elektr o‘tkazuvchanlik ham mavjud.

Yarim o‘tkazgichdagi umumiy tok avvalgidek elektron va teshik toklarning yig‘indisiga teng, bunda teshik toki elektron tokidan ancha katta bo‘ladi. Rasmda akseptor aralashmali yarim o‘tkazgichda teshiklar va elektronlar sxemasi tasvirlangan. Bu sxemadan musbat zaryadli zarralar (teshiklar) elektronlarga nisbatan ancha ko‘p ekani ko‘rinib turibdi. Qarab chiqilgan misollar shuni ko‘rsatadiki, aralashmalar yarim o‘tkazgichlarning elektr o‘tkazuvchanligini oshirar ekan.
Yarim o‘tkazgichlardagi elektronlar va teshiklar qo‘yilgan kuchlanish ta’sirida ko‘chayotib turli to‘siqlarga duch keladi. Bunda ular o‘zlarining bir qism energiyaisni yo‘qotadi va o‘z yo‘nalishidan og‘adi, ya’ni tok tashuvchilar sochiladi. Bunga asosiy sabab aralashmada turli begona ko‘shilma – kirishmalarning mavjudligidir. Yarim o‘tkazgich qancha yaxshi tozalangan bo‘lsa, tok tashuvchilar shuncha kam sochiladi va elektronlar hamda teshiklarning xarakatchanligi shuncha yuqori bo‘ladi.
Temperatura ortgan sari barcha yarim o‘tkazgichlarning tok o‘tkazuvchanligi, yarim o‘tkazgichga kancha ko‘p donor yoki akseptor aralashma kiritilgan bo‘lsa, shuncha tez o‘sadi. Yarim o‘tkazgichda T₁ temperaturagacha aralashma elektr o‘tkazuvchanlik kuzatiladi. T₁ – T₂ temperaturalar oralig‘ida yarim o‘tkazgichning o‘tkazuvchanligi birmuncha kamayadi. Bunga sabab erkin elektronlar va teshiklarning ko‘chishiga xalaqit beruvchi atomlarning jadal issiqlik tebranishlaridir. Temperatura bundan (T₂ dan) ortganda yarim o‘tkazgichda xususiy elektr o‘tkazuvchanlik ortib boradi va yangi elektronlar va teshiklar paydo bo‘lib, ularning yo‘nalishli kuchini yarim o‘tkazgich tokini ortishini yuzaga keltiradi. Shu munosabat bilan yarim o‘tkazgichning solishtirma o‘tkazuvchanligi keskin ortib ketadi.
24-rasm

Rasmdagi egri chiziq 2 T1 – T2 temperaturalar oraligida yuqori darajada legirlangan yarim o‘tkazgich o‘tkazgichining kamayishini ko‘rsatmaydi. Bunga sabab aralashma elektronlar va teshiklar juda ko‘p miqdorda yarim o‘tkazgichga kirib keladi. Bu aralashma tok tashuvchilarning ishtiroki yarim o‘tkazgich o‘tkazuvchanligining bu temperaturalar oralig‘ida barqaror bo‘lishini ta’minlaydi.

Absolyut nol (-273°S) temperaturada elektronlar ko‘chmaydi, shuning uchun yarim o‘tkazgich dielektrik bo‘lib qoladi.
Tok kuchining qo‘yilgan kuchlanishga nochiziqli bog‘lanishi; yarim o‘tkazgichlarning o‘ziga xos xususiyati hisoblanadi, ya’ni tok I kuchlanish U ga nisbatan juda tez ortadi. I tok ortishi bilan yarim o‘tkazgichning R elektr qarshiligi keskin kamayadi.
Kuchlanish +U dan –U ga o‘zgarganida yarim o‘tkazgichdagi tok teskari yo‘nalishda o‘tadi va shunday qonun bo‘yicha o‘zgarib boradi. Demak, yarim o‘tkazgich simmetrik volt-amper xarakteristikasiga ega.
Agar yarim o‘tkazgich xajmining bir qismi elektronli elektr o‘tkazuvchanlikka, xajmining ikkinchi qismi esa teshikli elektr o‘tkazuvchandikka ega bo‘lsa, u holda yarim o‘tkazgich shu bo‘laklarning chegarasi elektron teshikli o‘tish (p-n o‘tish) dan iborat bo‘lib u nosimmetrik volt-amper xarakteristikasiga ega. Bu xolattok bir yo‘nalishda utganida p – n o‘tishning elektr qarshiligi juda kichik bo‘lib, tok teskari yo‘nalishda utganida juda katta bo‘ladi. Xar xil turdagi elektr o‘tkazuvchanli yarim o‘tkazgich sistemasida turli yo‘nalishda utaetgan tok turlicha bo‘ladi. Bunda I_tug to‘g‘ri tok qo‘yilgan kuchlanish ortishi bilan juda tez ortadi. Bu sistemaga U kuchlanish berilganda, dastlab shu sistema orqali I_tes teskari yunilishdagi tok amalga o‘tmaydi. Teskari kuchlanish oshirilishi bilan oz miqdorda teskari tok paydo bo‘ladi.
Shunday qilib, elektr o‘tkazuvchanligi har xil bo‘lgan yarim o‘tkazgichning ikki sohadan iborat sistemasi teskari yo‘nalishdagi tokni o‘tkazmaydi. Yarim o‘tkazgichlarning bu xossasidan yarim o‘tkazgichli to‘g‘rilagichlarda keng foydalaniladi. Shunday sistemaga juda katta teskari kuchlanish qo‘yilganda, p – n o‘tish sohasida elektr teshilish (proboy) yuz berishi mumkin. Shu sistemaga o‘zgaruvchan kuchlanishli ikkita yarim o‘tkazgich ulanganda, p – n o‘tish unga o‘zgaruvchan kuchlanishning bitta yarim to‘lqini qo‘yilgandagina tok o‘tkazadi.
Yarim o‘tkazgichlarning p – n o‘tish o‘tish xosil qilish hususiyatini batafsilroq ko‘rib chiqaylik. Ikkita yarim o‘tkazgichdan iborat sistemaga tashqi kuchlanish qo‘yilmaganda n turdagi yarim o‘tkazgichda elektronlarning katta konsentratsiyasi, r turdagi yarim o‘tkazgichlarda esa, teshiklarning katta konsentratsiyasi mavjud bo‘ladi. Undan tashqari ikkala yarim o‘tkazgichda oz miqdorda asosiy bo‘lmagan tok tashuvchilar bo‘ladi: n – turdagi yarim o‘tkazgichda oz miqdorda teshiklar, r – turdagi yarim o‘tkazgichda esa, elektronlar bo‘ladi.

25-rasm

Ikkita yarim o‘tkazgichni, masalan, birini ikkinchisiga suyuqlantirib kiritib o‘zaro zich biriktirilsa, n turdagi yarim o‘tkazgichdagi elektronlar konsentratsiyalari juda kam bo‘lgan r turdagi yarim o‘tkazgichda diffuziyalanadi. Ayni vaqtda r yarim o‘tkazgichdagi teshiklar konsentratsiyalari juda oz bo‘lgan n yarim o‘tkazgichga o‘ta boshlaydi (diffuziyalanadi). Teshiklar va elektronlarning bu o‘zaro diffuziyasi natijasida n yarim o‘tkazgichning chegaraviy qatlamidagi elektronlar konsentratsiyasi kamayadi va u yerda teshiklar paydo bo‘ladi. Bunda r yarim o‘tkazgichning chegaraviy qatlamida teshiklar konsentratsiyasi kamayadi; bu qatlam elektronlar bilan to‘ladi. Shunday qilib 1 va 2 elektrodlarga tashqi kuchlanish berilgunga qadar ikki yarim o‘tkazgich chegarasida qo‘sh elektr qatlami xosil bo‘ladi. Natijada bu yerda qo‘sh elektr qatlamidagi manfiy zaryadlar tomoniga yo‘nalgan Ye₀ kuchlanganlikni maxalliy (kontakt) elektr maydoni hosil bo‘ladi.

26-rasm

Ikkita yarim o‘tkazgichdan iborat sistemaga rasmda ko‘rsatilgandek tashqi kuchlanish qo‘yilganda, tashqi manbaning Ye_t kuchlanganligi mavjud kontakt maydonning Ye₀ kuchlanganligiga teng bo‘lsa, n yarim o‘tkazgichdagi elektronlar va r yarim o‘tkazgichdagi teshiklar 1 va 2 elektronlar tomon siljiydi. Natijada p – n o‘tishdagi r yarim o‘tkazgichning elektronlar sohasi va n yarim o‘tkazgichning teshiklar sohasi kengayadi. Okibatda p – n o‘tishning elektr qarshiligi juda ortib ketadi va tok o‘tmay koladi. Amalda esa, tasodifiy tok tashuvchilarning siljishi yuzaga keltirgan kichik tok o‘tadi. U teskari tok (I_tes) deb ataladi.

Ye_t kuchlanganlik Ye₀ ga qarshi yo‘nalganda kontakt maydon sezilarli darajada susayadi, n – yarim o‘tkazgichdagi elektronlar va r-yarim o‘tkazgichdagi teshiklar p – n o‘tish sohasiga siljiy boshlaydi. Natijada berkituvchi Qatlam torayadi, uning elektr qarshiligi esa, keskin kamayadi. Bu holda p – n o‘tish tok o‘tkazadi. Bu tok I_tug to‘g‘ri tok deyiladi, uning to‘g‘rilagichdagi yo‘nalishini esa to‘g‘ri yoki o‘tkazish yo‘nalishi deyiladi.
To‘g‘ri tok teskari tokdan ko‘p marta kattadir. yuqorida aytilganidek, yarim o‘tkazgichli volt-amper xarakteristikasi orqali baholanadi. Uning ko‘rsatishicha, kichik kuchlanishda (2 V gacha) to‘g‘rilagich o‘tkazadigan to‘g‘ri tok nisbatan katta qiymatlarga (4 mA dan yuqori) yetadi.

27-rasm

To‘g‘rilagichga batareyaning musbatini n – yarim o‘tkazgichga, manfiysini esa p – yarim o‘tkazgichga qilib teskari kuchlanish qo‘yilganda, to‘g‘rilagich amalda tok o‘tkazmaydi. Teskari kuchlanish 200 V dan ortishi bilan p – n o‘tish kichik teskari tok (mikroamperlar) o‘tkaza boshlaydi. Agar teskari kuchlanishni orttira boshlasak, bir oz vaqtdan so‘ng teskari tok juda ham oshib ketadi va p – n o‘tishda teshilish bo‘ladigan qiymatga erishishi mumkin.

Yarim o‘tkazgichli to‘g‘rilagichlarda p – n o‘tish turli elektr o‘tkazuvchanlikni ikkita yarim o‘tkazgich orasidagi qotishma kontakt ko‘rinishida yoki yarim o‘tkazgich plastinkasi va o‘tkazgich orasidagi kontakt ko‘rinishida bajariladi. Birinchi holda ikkita yarim o‘tkazgichga qandaydir tegish (kontakt) yuzasi vujudga keladi (bunday to‘g‘rilagichlar tekisliksimon yarim o‘tkazgichlar deyiladi). Ikkinchi holda o‘lchami 2X2 mm bo‘lgan yarim o‘tkazgich (germaniy yoki kremniy) plastinkasi ingichka metall simning uchiga tutashadi (bunday to‘g‘rilagichlar nuqtaviy to‘g‘rilagichlar deyiladi). Nuqtaviy to‘g‘rilagichlarda p – n o‘tish kichik sig‘imga ega bo‘ladi va yuqori chastotalarda qo‘llaniladi.
Biz yarim o‘tkazgichlarning asosiy xossalarini ko‘rib chikdik. Endi ularning ba’zi bir o‘ziga xos xususiyatlari bilan tanishamiz.
Yorug‘lik ta’sirida ba’zi bir yarim o‘tkazgichlar (masalan, selen) ning o‘tkazuvchanligi keskin o‘zgarishi mumkin. Bunga sabab shuki, ma’lum to‘lqin uzunligidagi yorug‘lik nurlanishi yarim o‘tkazgich elektronlariga, ular erkin bo‘lib qolishlariga yetarli miqdorda energiya beradi. Natijada yarim o‘tkazgichning qarshiligi keskin kamayadi. Yarim o‘tkazgichlarning bu xususiyatlaridan fotorezistorlar yaratishda foydalaniladi. Bu asboblar nurlanish spektrining nafaqat ko‘rinuvchi sohasiga, balki infraqizil nurlanishga nisbatan ham sezgirdir.

28-rasm

Yarim o‘tkazgich qisman yoritilganda uning yoritilgan va yoritilmagan qismlari orasida foto E.Yu.K. paydo bo‘ladi. Bu xodisadan elektr energiyasi manbalari – foto-elementlar va Quyosh energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantira oluvchi Quyosh batareyalari yaratishda foydalaniladi.

Ba’zi bir yarim o‘tkazgichlar (masalan, kremniy) ularga bo‘lgan bosim ta’sirida o‘zining elektr qarshiligini keskin o‘zgartiradi (tenzorezistor effekti). Yarim o‘tkazgichlarning bu xodisalaridan sezgir bosim ulchagich – tenzodatchiklar tayyorlashda foydalaniladi.
Agar yarim o‘tkazgichlarda turli temperaturali ikkita soha bo‘lsa, erkin zaryalar qizigan sohadan sovuq sohaga o‘ta boshlaydi. Bunda, agar tok tashuvchilar elektronlardan iborat bo‘lsa, ular sovuq sohaga o‘tishlarida uni manfiy elektr bilan zaryadlaydilar. Yarim o‘tkazgichning qizigan sohasi elektronlarning bir qismini yo‘qotib, musbat zaryadlanadi. Natijada yarim o‘tkazgichning qizigan va sovuq sohalari orasida termol EYuK paydo bo‘ladi. Termoelektr deb atalgan bu xodisa issiqlik energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantira oladigan termoelementlar va termogeneratorlar yaratishda qo‘llaniladi.

Adabiyotlar:

1)K.P.Bogorodiskiy, V.V.Pasinkov, “Elektrotexnicheskiy materiali”1985g

2)I.Xolikulov,M.M.Nishonova”Elektron texnika materiallari“ Toshkent shark 2006y
3)N.V.Nikulin, V.A.Nazarov ”Radiomateriallar va komponentlar “ Toshkent