Kvant elektronikasının əsasları

§ 1.1. Enerji səviyyələri və spektrlər
Kvant mexanikasından məlumdur ki, atom sistemləri yalnız stasionar hallarda dayanıqlı ola bilər. Həmin hallarda atom sisteminin ala biləcəyi enerjilərin ardıcıllığı (enerji səviyyələri) sistemin enerji spektrini təşkil edir. Atom sisteminin enerjisinin dəyişməsi yalnız onun bir stasionar haldan digər hala sıçrayışı (bir enerji E səviyyəsindən digərinə keçidi) nəticəsində baş verir. Enerjinin saxlanması qanununa görə atom sistemi bir enerji seviyyəsindən digərinə keçdikdə həmin sistem enerjini udur və yaxud şüalandırır. Hər hansı aşağı enerji səviyyəsindən yuxarı səviyyələrə keçidi zamanı sistemin enerjisi artır, yəni kvantlar udulur. İxtiyari yuxan enerji səviyyəsindən aşağı səviyyələrə keçid nəticəsində sistemin enerjisi azalır, yəni kvantlar şüalanır. Atom sisteminin E_n stasionar halından E_m stasionar keçidi nəticəsində baş verən elektromaqnit şüalanmasının tezliyi v_nm Bor münasibəti ilə təyin olunur:

E_n-E_m=hν_nm (1)

Buradah = 6,63 10 ^-34 C·san- Plank sabiti adlanır.

Yuxarı enerji səviyyələrindən aşağı səviyyələrə keçidlər çoxluğu şüalanma spektrini, aşağı səviyyələrdən yuxarı səviyyələrə keçidlər çoxluğu isə udulma spektrini əmələ gətirir . Spektr qrafık şəklində intensivliyin tezlikdən (yaxud dalğa uzun-luqlarına) görə paylanması kimi təsvir olunur. İki növ spektr - bütöv (şəkil a, b) və d iskret (şəkil c) spektr vardır. Enerji səviyyələri diskret və ya kəsilməz ola bilər. Bor münasibəti enerji səviyyələrinin həm diskret həm də kəsilməz halları üçün doğrudur.

Diskret səviyyələr arasında baş verən keçidlər nəticəsində udulma və şüalanma spektrləri diskret olacaqdır. Diskret-kəsilməz və kəsilməz-kəsilməz enerji səviyyələri arasında baş verən şüalanma və udulma spektrləri isə bütöv olur. Sərbəst atomların spektri diskretdir, yəni müəyyən eni olan xəttlərdən ibarətdir. İkiatomlu molekulların spektri də müəyyən zolaqlardan ibarət diskret xəttlərdir. Belə spektrlər diskret zolaqlı spektrlər adlanır. Çoxatomlu molekulların spektri isə enli bütöv zolaqlardan ibarət olur.

Atomların və molekulların enerji səviyyələri bir-birindən kəskin fərqlənir. Atomların enerji səviyyələri əsasən elektronların enerjisi ilə təyin olunur. Molekulda isə elektronların nüvələrə nisbətən hərəkətindən başqa atomların bir-birinə nəzərən rəqsi hərəkəti və molekulun fırlanma hərəkətləri mümkündür.

Həyəcanlanmamış halda olan molekulun tam enerjisi E_el elektron, E_r - rəqsi və E_f fırlanma enerjilərinin cəminə bərabərdir:

E = E_el + E_r + E_f

enerjilər kvantlanmışdır və E_el » E_r » E_f şərti ödənilir.

Molekulun elektron səviyyələri arasmdakı fərq 1-2 eV, rəqsi səviyyələr üçün

0,1-0,01 eV, fırlanma səviyyələri üçün 0,001-0,0001 eV təşkil edir.

Molekul bir stasionar haldan başqa stasionar hala keçdikdə yalnız frrlanma enerjisi dəyişərsə, onda təmiz fırlanma spektri müşahidə olunur. Molekulların təmiz fırlanma spektri uzaq infraqırmızı şüalanma tezliklərinə uyğun gəlir. Sərbəst molekullar üçün bu spektr diskretdir. Molekulun fırlanma və rəqsi enerjilərinin dəyişilməsi nəticəsində rəqsi-fırlanma spektri yaranır. Molekulların rəqsi-fırlanma spektri yaxın və orta infraqırmızı şüalanma tezliklərinə uyğundur.

Elektron-rəqsi-fırlanma spektri molekulun elektron, rəqsi və fırlanma enerjilərinin mümkün olan dəyişmələrinə uyğun keçidlərin nəticəsində yaranır. Spektrin bu növü elektron spektri də adlanır. Bu spektrlər şüalanmanın və ultrabəriövşəyi hissələrinə uyğun gəlir. Sərbəst ikia­tomlu mollekulların elektron-rəqsi-fırlanma spektrləri diskretdir. Elektron spektrlərinin xarakterinə görə molekullar şərti olaraq iki qrupa bölünür: sadə və mürəkkəb.

Molekulu təşkil edən atomların sayı artdıqca əvvəlcə fırlanma səviyyələrinin sonra isə rəqsi enerji səviyyələrinin diskretliyi itir. Mürəkkəb molekulların enerji səviyyələri bütöv zolaqlardan ibarətdir Molekulun müxtəlif elektron enerji səviyyələri arasında kvant keçidləri Frank-Kondon prinsipinə görə molekulların bir elektron halından başqasına keçməsi zamanı nə nisbi halında nə də molekulların atom nüvələrinin sürətində nəzərə çarpan dəyişikliklər baş vermir. Başqa sözlə molekulun müxtəlif elektron səviyyələrinə uyğun potensial əyriləri diaqramında keçidlər yalnız şaquli istiqamətdə ola bilər.

Atom və molekullardan fərqli olaraq bərk cisimlərin enerji səviyyələri zonalardan ibarətdir.

Yanmkeçiricilər üçün qadağan olunmuş zonanın eni 10^-3- 2eV intervalında olur. Ona görə də yanmkeçiricilərdə işığın təsirilə elektronun valent zonasından keçirici zonaya keçməsi üçün hωΔEq şərti ödənilməlidir. Bu halda zona-zona keçidi nəticəsində elektron- deşik cütü yaranır. Keçirici zonadan elektronun valent zonasına qayıtması əksinə baş verən prosesdir. Həmin prosesdə elektronla deşiyin rekombinasiyası baş verir. Rekombinasiya prosesi spontan və məcburi olaraq baş verə bilər. Aşqar yanmkeçiricilərin donor və akseptor enerji səviyyələri şəkil 1.3-də göstərilmişdir. Mütləq sıfır temperaturda valent zonası ilə donorun əsas eneıji səviyyəsi elektronlarla dolu, keçirici zona və akseptorun əsas enerji səviyyəsi isə boş olur. T 0 olduqda donor aşqar yanmkeçiricilərdə elektronlar donor səviyyələrdən keçirici zonaya keçir. Bu halda yanmkeçiricidə əsas yükdaşıyıçılar elektronlar olduğuna görə belə yarımkeçirici n-tip adlanır, T≠0 olduqda akseptor aşqar yarımkeçiricilərdə elektronlar valent zonasından akseptor zonalarına keçir. Valent zonasında deşiklər yaranır və onlar da əsas yükdaşıyıcılardır. Belə yarımkeçirici p-tip olacaqdır.

p- və n-tip yarımkeçiricilərin kontaktı nəticəsində alınan sistem xüsusilə maraqlıdır. Belə sistem p-n keçidi adlanır.