Elektronika va asbobsozlik

I_e = N_e yeυ_e = N_e yeμ_e Ye; (16.2)


I_t = N_t yeυ_r = N_t yeυ_t Ye; (16.3)
bu yerda ye – elektron yeki teshikning zaryadi;
Ye – elektr maydon kuchlanganligi.
Yarim o‘tkazgichdan o‘tadigan umumiy tok:


I = I_e + I_t yeki I = N_e yeυ_e + N_t yeυ_t = N_e yeμ_e Ye + N_t yeμ_tE. (16.4)

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 xolda (8) ifodani yezish mumkin:

I = Ne (μ_e + μ_t) Ye (16.5)

Yarim o‘tkazgichli tug‘rilagichlar yaratish uchun n_tip yeki r_tip elektr o‘tkazuvchanlikli yarim o‘tkazgich materiallar talab qilinadi. Shu sababli tarkibida 10^-9 – 10^-11 (massasi buyicha % xisobida) aralashma bo‘lgan yarim o‘tkazgich yaxshilab tozalanadi, unga tegishli legirlovchi aralashma kiritiladi.
Yarim o‘tkazgichni elektron bilan ta’minlaydigan legirlovchi aralashmalar donor aralashmalar yeki kiskacha donorlar deb ataladi. Yarim o‘tkazgich atomlariga nisbatan kichik valentli aralashma atomlari uziga elektronlarni qo‘shib olish kobiliyatiga ega; bunday aralashmalar akseptor aralashmalar yeki kiskacha anseptorlar 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 yeki 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 kilishda ishtirok etadi. Rasmdan kurinib turibdiki, asosiy tok tashuvchilar n_tip elektr o‘tkazuvchanlikka sabab buluvchi elektronlardir. Uch elektron va unga mos teshik germaniy atomini ionlashtirish natijasida xosil bulgan. 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 kupdir.
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 kiladi. Birok borning xammasi bo‘lib uchta valent elektroni mavjud bulgani sababli germaniyning faqat uchta qo‘shni atomi bilan shunday bog‘lanish o‘rnatish mumkin. Germaniyning turtinchi atomi bilan bog‘lanish o‘rnatish uchun borning boshqa elektroni yo‘q. Shunday qilib bir nechta germaniy atomida bittadan elektron kovalent bog‘lanishsiz qoladi. Endi bu elektronlar uz o‘rnini tashlab ketishi uchun va germaniy atomida tekshiklar hosil 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 hosil bo‘lgan 1 ,3 va 5 teshiklar esa ko‘shni atomlardan elektronlar kelib o‘tirishiga imkon beradi, u yerda uz navbatida yangi teshiklar xosil bo‘ladi.

33-rasm

Shundan qilib, hosil 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 gurmaniy atomlaridan uncha ko‘p bo‘lmagan miqdorda erkin elektronlar va teshiklar jufti qolgan bo‘ladi. Demak, xususiy elektr o‘tkazuvchanlik xam mavjud.
Yarim o‘tkazgichdagi umumiy tok avvalgidek elektron va teshik toklarning yigindisiga 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 kur 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 ko‘yilgan kuchlanish ta’sirida kuchaetib turli to‘siklarga duch keladi. Bunda ular o‘zlarining bir qism energiyaisni yo‘qotadi va o‘z yo‘nalishidan ogadi, ya’ni tok tashuvchilar sochiladi. Bunga asosiy sabab aralashmada turli begona kushilma – kirishmalarning mavjudligidir. Yarim o‘tkazgich qancha yaxshi tozalangan bo‘lsa, tok tashuvchilar shuncha kam sochiladi va elektronlar xamda 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 qo‘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 yunalishli kuchini yarim o‘tkazgich tokini ortishini yuzaga keltiradi. Shu munosabat bilan yarim o‘tkazgichning solishtirma o‘tkazuvchanligi keskin ortib ketadi.
34-rasm

Rasmdagi egri chiziq 2 T1 – T2 temperaturalar oraligida yuqori darajada legirlangan yarim o‘tkazgich o‘tkazgichining kamayishini kursatmaydi. 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 kuchmaydi, shuning uchun yarim o‘tkazgich dielektrik bo‘lib koladi.
Tok kuchining kuyilgan kuchlanishga nochizikli bog‘lanishi; yarim o‘tkazgichlarning uziga xos xususiyati xisoblanadi, 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 uzgarganida yarim o‘tkazgichdagi tok teskari yunalishda utadi va shunday konun buyicha uzgarib 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 bulsa, u xolda yarim o‘tkazgich shu bo‘laklarning chegarasi elektron teshikli o‘tish (p-n utish) dan iborat bo‘lib u nosimmetrik volt-amper xarakteristikasiga ega. Bu xolatmtok bir yo‘nalishda o‘tganida p – n o‘tishning elektr qarshiligi juda kichik bo‘lib, tok teskari yunalishda o‘tganida 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 tugri tok kuyilgan kuchlanish ortishi bilan juda tez ortadi. Bu sistemaga U kuchlanish berilganda dastlab shu sistema orqali I_tes teskari yo‘nilishdagi tok amalga o‘tmaydi. Teskari kuchlanish oshirilishi bilan oz miqdorda teskari tok paydo bo‘ladi.
Shunday qilib, elektr o‘tkazuvchanligi xar xil bulgan yarim o‘tkazgichning ikki soxadan iborat sistemasi teskari yunalishdagi tokni o‘tkazmaydi. Yarim o‘tkazgichlarning bu xossasidan yarim o‘tkazgichli tug‘rilagichlarda keng foydalaniladi. Shunday sistemaga juda katta teskari kuchlanish quyilganda, p – n utish soxasida elektr teshilish (proboy) yuz berishi mumkin. Shu sistemaga uzgaruvchan kuchlanishli ikkita yarim o‘tkazgich ulanganda, p – n utish unga o‘zgaruvchan kuchlanishning bitta yarim to‘lkini quyilgandagina tok o‘tkazadi.
Yarim o‘tkazgichlarning p – n o‘tish o‘tish xosil qilish xususiyatini batafsilrok ko‘rib chiqaylik. Ikkita yarim o‘tkazgichdan iborat sistemaga tashqi kuchlanish quyilmaganda 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.

35-rasm

Ikkita yarim o‘tkazgichni, masalan, birini ikkinchisiga suyuqlantirib kiritib uzaro 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 bulgan n yarim o‘tkazgichga uta boshlaydi (diffuziyalanadi). Teshiklar va elektronlarning bu uzaro diffuziyasi natijasida n yarim o‘tkazgichning chegaraviy qatlamidagi elektronlar konsentratsiyasi kamayadi va u yerda teshiklar paydo bo‘ladi. Bunda r yarim o‘tkazgichning chegaraviy katlamida teshiklar konsentratsiyasi kamayadi; bu qatlam elektronlar bilan tuladi. Shunday qilib 1 va 2 elektrodlarga tashqi kuchlanish berilgunga qadar ikki yarim o‘tkazgich chegarasida kush elektr qatlami xosil bo‘ladi. Natijada bu yerda qo‘sh elektr katlamidagi manfiy zaryadlar tomoniga yo‘nalgan Ye₀ kuchlanganlikni maxalliy (kontakt) elektr maydoni hosil bo‘ladi.
36-rasm

Ikkita yarim o‘tkazgichdan iborat sistemaga rasmda kursatilgandek tashqi kuchlanish kuyilganda, 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 utishdagi r yarim o‘tkazgichning elektronlar soxasi va n yarim o‘tkazgichning teshiklar soxasi kengayadi. Okibatda p – n utishning elektr qarshiligi juda ortib ketadi va tok o‘tmay qoladi. 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 soxasiga siljiy boshlaydi. Natijada berkituvchi Qatlam torayadi, uning elektr qarshiligi esa, keskin kamayadi. Bu xolda p – n o‘tish tok o‘tkazadi. Bu tok I_tug tug‘ri tok deyiladi, uning to‘g‘rilagichdagi yo‘nalishini esa tug‘ri yeki o‘tkazish yunalishi deyiladi.
Tug‘ri tok teskari tokdan kup marta kattadir. Yuqorida aytilganidek, yarim o‘tkazgichli volt-amper xarakteristikasi orqali baxolanadi. Uning ko‘rsatishicha, kichik kuchlanishda (2 V gacha) to‘g‘rilagich o‘tkazadigan to‘g‘ri tok nisbatan katta qiymatlarga (4 mA dan yukori) yetadi.

37-rasm

To‘g‘rilagichga batareyaning musbatini n – yarim o‘tkazgichga, manfiysini esa p – yarim o‘tkazgichga kilib teskari kuchlanish quyilganda, to‘g‘rilagich amalda tok o‘tkazmaydi. Teskari kuchlanish 200 V dan ortishi bilan p – n utish kichik teskari tok (mikroamperlar) o‘tkaza boshlaydi. Agar teskari kuchlanishni orttira boshlasak, bir oz vaqtdan so‘ng teskari tok juda xam 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 yeki yarim o‘tkazgich plastinkasi va o‘tkazgich orasidagi kontakt ko‘rinishida bajariladi. Birinchi xolda ikkita yarim o‘tkazgichga qandaydir tegish (kontakt) yuzasi vujudga keladi (bunday tugrilagichlar tekisliksimon yarim o‘tkazgichlar deyiladi). Ikkinchi xolda o‘lchami 2X2 mm bo‘lgan yarim o‘tkazgich (germaniy yeki 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 chiqdik. Endi ularning ba’zi bir o‘ziga xos xususiyatlari bilan tanishamiz.
Yeruglik 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 etarli miqdorda energiya beradi. Natijada yarim o‘tkazgichning qarshiligi keskin kamayadi. Yarim o‘tkazgichlarning bu xususiyatlaridan fotorezistorlar yaratishda foydalaniladi. Bu asboblar nurlanish spektrining nafakat ko‘rinuvchi soxasiga, balki infraqizil nurlanishga niyabatan xam sezgirdir.

38-rasm

Yarim o‘tkazgich kisman yeritilganda uning yeritilgan va yeritilmagan kismlari orasida foto E.Yu.K. paydo bo‘ladi. Bu xodisadan elektr energiyasi manbalari – foto-elementlar va Quesh energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantira oluvchi Quesh 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 o‘lchagich – tenzodatchiklar tayerlashda foydalaniladi.
Agar yarim o‘tkazgichlarda turli temperaturali ikkita soxa bo‘lsa, erkin zaryalar qizigan soxadan sovuq soxaga o‘ta boshlaydi. Bunda, agar tok tashuvchilar elektronlardan iborat bulsa, ular sovuq soxaga o‘tishlarida uni manfiy elektr bilan zaryadlaydilar. Yarim o‘tkazgichning qizigan soxasi elektronlarning bir qismini yo‘qotib, musbat zaryadlanadi. Natijada yarim o‘tkazgichning qizigan va sovuk soxalari orasida termol EYuK paydo bo‘ladi. Termoelektr deb atalgan bu xodisa issiqlik energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantira oladigan termoelementlar va termogeneratorlar yaratishda ko‘llaniladi.