Elektronika va asbobsozlik

I = I_e + I_t
Yarim utkazgich xususiy elektr utkazuvchanlikka ega bulsa, elektronlar soni N_e va teshiklar soni N_t teng buladi. Birok I_e > I_t chunki elektronlarning xarakatchanligi teshiklarnikidan yukori. Tok tashuvchining xarakatchanligi elektronning kuchish tezligi υ_e yeki teshikning kuchish tezligi υ_t ning yarim utkazgichdagi elektr maydon kuchlanganligi Ye ga nisbatidan iborat. U xolda elektronning xarakatchanligi μ_e = υ_e/Ye; teshikning xarakatchanligi μ_t = υ_t/Ye. Shunday kilib, xarakatchanlik elektron yeki teshik Ye = 1 V/sm da 1 s vakt ichida kancha yul utirishini kursatadi. Baen kilinganlarni nazarda tutib elektron va teshik toklari uchun ushbu ifodalarni yezish mumkin:
I_e = N_e yeυ_e = N_e yeμ_e Ye;
I_t = N_t yeυ_r = N_t yeυ_t Ye;
bu yerda ye – elektron yeki teshikning zaryadi;
Ye – elektr maydon kuchlanganligi.
Yarim utkazgichdan utadigan 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.
Yarim utkazgich xususiy elektr utkazuvchanlikka ega bulganda elektronlar soni teshiklar soniga teng buladi, ya’ni N_e = N_t = N u xolda (8) ifodani yezish mumkin:
I = Ne (μ_e + μ_t) Ye
Yarim utkazgichli tugrilagichlar yaratish uchun n_tip yeki r_tip elektr utkazuvchanlikli yarim utkazgich materiallar talab kilinadi. Shu sababli tarkibida 10^-9 – 10^-11 (massasi buyicha % xisobida) aralashma bulgan yarim utkazgich yaxshilab tozalanadi, unga tegishli legirlovchi aralashma kiritiladi.
Yarim utkazgichni elektron bilan ta’minlaydigan legirlovchi aralashmalar donor aralashmalar yeki kiskacha donorlar deb ataladi. Yarim utkazgich atomlariga nisbatan kichik valentli aralashma atomlari uziga elektronlarni kushib olish kobiliyatiga ega; bunday aralashmalar akseptor aralashmalar yeki kiskacha anseptorlar deb ataladi.
Elektron elektr utkazuvchanlikka ega bulgan yarim utkazgich olish uchun uning tarkibiga valentligi bu asosiy element atomlari valentligidan bitta kup bulgan modda atomlari kiritiladi. Masalan, turt valentli atomlardan tashkil topgan germaniy Ge elementiga besh valentli donor aralashma – surma Sb yeki fosfor R kiritiladi. Kiritilgan aralashmaning atomlaridagi turtta elektron asosiy yarim utkazgich atomlaridagi turtta elektron bilan turtta kovalent juft boglanishni yuzaga keltiradi, beshinchi elektron esa bunday boglanishsiz koladi.
Demak, bu elektronni kuyilgan kuchlanish ta’sirida erkin elektronga aylantirish oson, u yarim utkazgichda elektron tokini xosil kilishda ishtirok etadi. Rasmdan kurinib turibdiki, asosiy tok tashuvchilar n_tip elektr utkazuvchanlikka sabab buluvchi elektronlardir. Uch elektron va unga mos teshik germaniy atomini ionlashtirish natijasida xosil bulgan. Bu tok tashuvchilar yarim utkazgichning xususiy utkazuvchanligiga sabab buladi. Yarim utkazgichdagi umumiy tok elektron va teshik toklarning yigindisiga teng, birok 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 boglanish xosil kiladi. Birok borning xammasi bulib uchta valent elektroni mavjud bulgani sababli germaniyning fakat uchta kushni atomi bilan shunday boglanish urnatish mumkin. Germaniyning turtinchi atomi bilan boglanish urnatish uchun borning boshka elektroni yuk. Shunday kilib bir nechta germaniy atomida bittadan elektron kovalent boglanishsiz koladi. Endi bu elektronlar uz urnini tashlab ketishi uchun va germaniy atomida tekshiklar xosil kilishi uchun uncha katta bulmagan tashki energetik ta’sir kifoya. Bor atomlari kamrab olgan 2, 4 va 6 bush elektronlar yarim utkazgichda elektr tokini yuzaga keltirmaydi. Germaniy atomlarida xosil bulgan 1 ,3 va 5 teshiklar esa kushni atomlardan elektronlar kelib utirishiga imkon beradi, u yerda uz navbatida yangi teshiklar xosil buladi.

Shundan kilib, xosil bulgan musbat zaryadlangan teshik germaniyning bir atomidan ikkinchisiga, undan esa boshkasiga utib yuradi. Kuyilgan tashki kuchlanish bu xarakatni tartibga solib turadi, ya’ni yarim utkazgichda aralashma teshik toki paydo buladi, natijada elektr utkazuvchanlik yuzaga keladi. R tip yarim utkazgichda gurmaniy atomlaridan uncha kup bulmagan mikdorda erkin elektronlar va teshiklar jufti kolgan buladi. Demak, xususiy elektr utkazuvchanlik xam mavjud.
Yarim utkazgichdagi umumiy tok avvalgidek elektron va teshik toklarning yigindisiga teng, bunda teshik toki elektron tokidan ancha katta buladi. Rasmda akseptor aralashmali yarim utkazgichda teshiklar va elektronlar sxemasi tasvirlangan. Bu sxemadan musbat zaryadli zarralar (teshiklar) elektronlarga nisbatan ancha kur ekani kurinib turibdi. Karab chikilgan misollar shuni kursatadiki, aralashmalar yarim utkazgichlarning elektr utkazuvchanligini oshirar ekan.
Yarim utkazgichlardagi elektronlar va teshiklar kuyilgan kuchlanish ta’sirida kuchaetib turli tusiklarga duch keladi. Bunda ular uzlarining bir kism energiyaisni yukotadi va uz yunalishidan ogadi, ya’ni tok tashuvchilar sochiladi. Bunga asosiy sabab aralashmada turli begona kushilma – kirishmalarning mavjudligidir. Yarim utkazgich kancha yaxshi tozalangan bulsa, tok tashuvchilar shuncha kam sochiladi va elektronlar xamda teshiklarning xarakatchanligi shuncha yukori buladi.
Temperatura ortgan sari barcha yarim utkazgichlarning tok utkazuvchanligi, yarim utkazgichga kancha kup donor yeki akseptor aralashma kiritilgan bulsa, shuncha tez usadi. Yarim utkazgichda T₁ temperaturagacha aralashma elektr utkazuvchanlik kuzatiladi. T₁ – T₂ temperaturalar oraligida yarim utkazgichning utkazuvchanligi birmuncha kamayadi. Bunga sabab erkin elektronlar va teshiklarning kuchishiga xalakit beruvchi atomlarning jadal issiklik tebranishlaridir. Temperatura bundan (T₂ dan) ortganda yarim utkazgichda xususiy elektr utkazuvchanlik ortib boradi va yangi elektronlar va teshiklar paydo bulib, ularning yunalishli kuchini yarim utkazgich tokini ortishini yuzaga keltiradi. Shu munosabat bilan yarim utkazgichning solishtirma utkazuvchanligi keskin ortib ketadi.

Rasmdagi egri chizik 2 T1 – T2 temperaturalar oraligida yukori darajada legirlangan yarim utkazgich utkazgichining kamayishini kursatmaydi. Bunga sabab aralashma elektronlar va teshiklar juda kup mikdorda yarim utkazgichga kirib keladi. Bu aralashma tok tashuvchilarning ishtiroki yarim utkazgich utkazuvchanligining bu temperaturalar oraligida barkaror bulishini ta’minlaydi.
Absolyut nol (-273°S) temperaturada elektronlar kuchmaydi, shuning uchun yarim utkazgich dielektrik bulib koladi.
Tok kuchining kuyilgan kuchlanishga nochizikli boglanishi; yarim utkazgichlarning uziga xos xususiyati xisoblanadi, ya’ni tok I kuchlanish U ga nisbatan juda tez ortadi. I tok ortishi bilan yarim utkazgichning R elektr karshiligi keskin kamayadi.
Kuchlanish +U dan –U ga uzgarganida yarim utkazgichdagi tok teskari yunalishda utadi va shunday konun buyicha uzgarib boradi. Demak, yarim utkazgich simmetrik volt-amper xarakteristikasiga ega.
Agar yarim utkazgich xajmining bir kismi elektronli elektr utkazuvchanlikka, xajmining ikkinchi kismi esa teshikli elektr utkazuvchandikka ega bulsa, u xolda yarim utkazgich shu bulaklarning chegarasi elektron teshikli utish (p-n utish) dan iborat bulib u nosimmetrik volt-amper xarakteristikasiga ega. Bu xolattok bir yunalishda utganida p – n utishning elektr karshiligi juda kichik bulib, tok teskari yunalishda utganida juda katta buladi. Xar xil turdagi elektr utkazuvchanli yarim utkazgich sistemasida turli yunalishda utaetgan tok turlicha buladi. Bunda I_tug tugri tok kuyilgan kuchlanish ortishi bilan juda tez ortadi. Bu sistemaga U kuchlanish berilganda dastlab shu sistema orkali I_tes teskari yunilishdagi tok amalga utmaydi. Teskari kuchlanish oshirilishi bilan oz mikdorda teskari tok paydo buladi.
Shunday kilib, elektr utkazuvchanligi xar xil bulgan yarim utkazgichning ikki soxadan iborat sistemasi teskari yunalishdagi tokni utkazmaydi. Yarim utkazgichlarning bu xossasidan yarim utkazgichli tugrilagichlarda keng foydalaniladi. Shunday sistemaga juda katta teskari kuchlanish kuyilganda, p – n utish soxasida elektr teshilish (proboy) yuz berishi mumkin. Shu sistemaga uzgaruvchan kuchlanishli ikkita yarim utkazgich ulanganda, p – n utish unga uzgaruvchan kuchlanishning bitta yarim tulkini kuyilgandagina tok utkazadi.
Yarim utkazgichlarning p – n utish utish xosil kilish xususiyatini batafsilrok kurib chikaylik. Ikkita yarim utkazgichdan iborat sistemaga tashki kuchlanish kuyilmaganda n turdagi yarim utkazgichda elektronlarning katta konsentratsiyasi, r turdagi yarim utkazgichlarda esa, teshiklarning katta konsentratsiyasi mavjud buladi. Undan tashkari ikkala yarim utkazgichda oz mikdorda asosiy bulmagan tok tashuvchilar buladi: n – turdagi yarim utkazgichda oz mikdorda teshiklar, r – turdagi yarim utkazgichda esa, elektronlar buladi.

Ikkita yarim utkazgichni, masalan, birini ikkinchisiga suyuklantirib kiritib uzaro zich biriktirilsa, n turdagi yarim utkazgichdagi elektronlar konsentratsiyalari juda kam bulgan r turdagi yarim utkazgichda diffuziyalanadi. Ayni vaktda r yarim utkazgichdagi teshiklar konsentratsiyalari juda oz bulgan n yarim utkazgichga uta boshlaydi (diffuziyalanadi). Teshiklar va elektronlarning bu uzaro diffuziyasi natijasida n yarim utkazgichning chegaraviy katlamidagi elektronlar konsentratsiyasi kamayadi va u yerda teshiklar paydo buladi. Bunda r yarim utkazgichning chegaraviy katlamida teshiklar konsentratsiyasi kamayadi; bu katlam elektronlar bilan tuladi. Shunday kilib 1 va 2 elektrodlarga tashki kuchlanish berilgunga kadar ikki yarim utkazgich chegarasida kush elektr katlami xosil buladi. Natijada bu yerda kush elektr katlamidagi manfiy zaryadlar tomoniga yunalgan Ye₀ kuchlanganlikni maxalliy (kontakt) elektr maydoni xosil buladi.

Ikkita yarim utkazgichdan iborat sistemaga rasmda kursatilgandek tashki kuchlanish kuyilganda, tashki manbaning Ye_t kuchlanganligi mavjud kontakt maydonning Ye₀ kuchlanganligiga teng bulsa, n yarim utkazgichdagi elektronlar va r yarim utkazgichdagi teshiklar 1 va 2 elektronlar tomon siljiydi. Natijada p – n utishdagi r yarim utkazgichning elektronlar soxasi va n yarim utkazgichning teshiklar soxasi kengayadi. Okibatda p – n utishning elektr karshiligi juda ortib ketadi va tok utmay koladi. Amalda esa, tasodifiy tok tashuvchilarning siljishi yuzaga keltirgan kichik tok utadi. U teskari tok (I_tes) deb ataladi.
Ye_t kuchlanganlik Ye₀ ga karshi yunalganda kontakt maydon sezilarli darajada susayadi, n – yarim utkazgichdagi elektronlar va r-yarim utkazgichdagi teshiklar p – n utish soxasiga siljiy boshlaydi. Natijada berkituvchi Katlam torayadi, uning elektr karshiligi esa, keskin kamayadi. Bu xolda p – n utish tok utkazadi. Bu tok I_tug tugri tok deyiladi, uning tugrilagichdagi yunalishini esa tugri yeki utkazish yunalishi deyiladi.
Tugri tok teskari tokdan kup marta kattadir. Yukorida aytilganidek, yarim utkazgichli volt-amper xarakteristikasi orkali baxolanadi. Uning kursatishicha, kichik kuchlanishda (2 V gacha) tugrilagich utkazadigan tugri tok nisbatan katta kiymatlarga (4 mA dan yukori) yetadi.

Tugrilagichga batareyaning musbatini n – yarim utkazgichga, manfiysini esa p – yarim utkazgichga kilib teskari kuchlanish kuyilganda, tugrilagich amalda tok utkazmaydi. Teskari kuchlanish 200 V dan ortishi bilan p – n utish kichik teskari tok (mikroamperlar) utkaza boshlaydi. Agar teskari kuchlanishni orttira boshlasak, bir ozvaktdan sung teskari tok juda xam oshib ketadi va p – n utishda teshilish buladigan kiymatga erishishi mumkin.
Yarim utkazgichli tugrilagichlarda p – n utish turli elektr utkazuvchanlikni ikkita yarim utkazgich orasidagi kotishma kontakt kurinishida yeki yarim utkazgich plastinkasi va utkazgich orasidagi kontakt kurinishida bajariladi. Birinchi xolda ikkita yarim utkazgichga kandaydir tegish (kontakt) yuzasi vujudga keladi (bunday tugrilagichlar tekisliksimon yarim utkazgichlar deyiladi). Ikkinchi xolda ulchami 2X2 mm bulgan yarim utkazgich (germaniy yeki kremniy) plastinkasi ingichka metall simning uchiga tutashadi (bunday tugrilagichlar nuktaviy tugrilagichlar deyiladi). Nuktaviy tugrilagichlarda p – n utish kichik sigimga ega buladi va yukori chastotalarda kullaniladi.
Biz yarim utkazgichlarning asosiy xossalarini kurib chikdik. Endi ularning ba’zi bir uziga xos xususiyatlari bilan tanishamiz.
Yeruglik ta’sirida ba’zi bir yarim utkazgichlar (masalan, selen) ning utkazuvchanligi keskin uzgarishi mumkin. Bunga sabab shuki, ma’lum tulkin uzunligidagi yeruglik nurlanishi yarim utkazgich elektronlariga, ular erkin bulib kolishlariga yetarli mikdorda energiya beradi. Natijada yarim utkazgichning karshiligi keskin kamayadi. Yarim utkazgichlarning bu xususiyatlaridan fotorezistorlar yaratishda foydalaniladi. Bu asboblar nurlanish spektrining nafakat kurinuvchi soxasiga, balki infrakizil nurlanishga niyabatan xam sezgirdir.

Yarim utkazgich kisman yeritilganda uning yeritilgan va yeritilmagan kismlari orasida foto E.Yu.K. paydo buladi. Bu xodisadan elektr energiyasi manbalari – foto-elementlar va Kuesh energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantira oluvchi Kuesh batareyalari yaratishda foydalaniladi.
Ba’zi bir yarim utkazgichlar (masalan, kremniy) ularga bulgan bosim ta’sirida uzining elektr karshiligini keskin uzgartiradi (tenzorezistor effekti). Yarim utkazgichlarning bu xodisalaridan sezgir bosim ulchagich – tenzodatchiklar tayerlashda foydalaniladi.
Agar yarim utkazgichlarda turli temperaturali ikkita soxa bulsa, erkin zaryalar kizigan soxadan sovuk soxaga uta boshlaydi. Bunda, agar tok tashuvchilar elektronlardan iborat bulsa, ular sovuk soxaga utishlarida uni manfiy elektr bilan zaryadlaydilar. Yarim utkazgichning kizigan soxasi elektronlarning bir kismini yukotib, musbat zaryadlanadi. Natijada yarim utkazgichning kizigan va sovuk soxalari orasida termol EYuK paydo buladi. Termoelektr deb atalgan bu xodisa issiklik energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantira oladigan termoelementlar va termogeneratorlar yaratishda kullaniladi.