Reja: Yarimo‘tkazgich materiallar

Yarimo’tkazgichlar elektr o’tkazuvchanligi

O’zidan elektr tokini o’tkazish darajasiga qarab barcha qattiq jismlar o’tkazgichlar, yarimo’tkazgichlar va dielektriklar (yoki izolyatorlar) kabi turlarga bo’linadi. O’tkazgichlarga solishtirma elektr o’tkazuvchanligi (SEO’) σ > 10⁶ Om^-1sm^-1 bo’lgan materiallar kirib, ularning yuqori darajadagi o’tkazuvchanligini katta kontsentratsiyadagi o’tkazuvchanlik elektronlari ta’minlaydi. Aksincha dielektriklarda xona temperaturasida elektronlar soni juda kam bo’lib, ularning o’tkazuvchanligi ion xarakteriga ega bo’ladi va shuning uchun ularning SEO’ σ < 10^-10 Om^-1sm^-1bo’ladi. O’tkazgichlar va dielektriklar oralig’iga yarimo’tkazgichlar to’g’ri keladi va ular o’z tarkibi hamda aralashmalar kontsentratsiyasiga bog’liq ravishda juda kam elektronlar kontsentratsiyasiga (bu holda ular dielektrik yoki izolyator bo’lib hisoblanadi) yoki metallardagi elektronlar kontsentryatsiyasiga yaqin bo’lgan elektronlar kontsentratsiyasiga (bu holda ular o’tkazgich bo’lib hisoblanadi) ega bo’lishlari mumkin. Nafaqat texnologik usular yordamida balki tashqi ta’sirlar ostida elektr o’tkazuvchanlikni o’zgartirasmh yarimo’tkazgichlar asosida qattiq jismli elektron asboblar yaratish imkonini beradi.
Metallar va yarimo’tkazgichlar elektr o’tkazuvchanlik kattaligi bilan bir qatorda elektr o’tkazuvchanlikning temperatura ta’sirida o’zgarasmhi bilan ham farq qiladi. Metallarda elektr o’tkazuvchanlik odatda temperaturaning ortishi bilan quyidagi chiziqli qonuniyat asosida kamayadi:
, (1.1)
bu yerda T va T₀ – o’lchash temperaturalari (T > T₀), α – qarshilikning temperatura koeffitsienti.
Nuqsonlar va aralashmalardan holi bo’lgan yarimo’tkazgichlarda (ularni xususiy yarimo’tkazgichlar deb atash qabul qilingan) temperaturaning oshishi bilan SEO’ taxminan quyidagi ko’rinishdagi eksponentsial qonun bilan ortadi:
(1.2)
Bu yerda σ₀ – qandaydir kuchsiz o’zgaruvchi kattalik (ko’p hollarda bu kattalikning temperatura ta’siridagi o’zgarasmhlari hisobga olinmaydi), ΔE – o’tkazuvchanlikning temperatura ta’siridagi faollashish (aktivatsiya) energiyasi bo’lib uni eV larda o’lchash qabul qilingan, k=8.614210^-5 eV^.K^-1 – Bolьtsman doimiysi, T - absolyut temperatura (gradus K larda). (1.2) – ifodani logarifmlasak, quyidagiga ega bo’lamiz:
(1.3)

1.1. – rasm. Legirlanmagan materiallarning SEO’ning temperaturaga bog’liqligi.

(1.3) – ifodadan ko’rinib turibdiki SEO’ logorifmi 1/T ga chiziqli bog’liq va bu chiziqning qiyalik burchagidan foydalanib ΔE kattalik qiymatini aniqlash mumkin. SHuning uchun yarimo’tkazgichlar SEO’ grafigini chizishda vertikal o’qqa SEO’ kattaligini logorifmik masshtabda, gorizontal o’qqa esa teskari temperatura kattaligini qo’yish juda qulay (odatda qulaylik uchun 1/T ning qiymatiga 1000 soni ko’paytiriladi) (1.1. – rasmga qarang).

Navbatdagi 1.2. - rasmda xususiy kremniy SEO’ning Quyosh nuri bilan yoritilgan holatida temperaturaga bog’liqligi tasvirlangan. Rasmdan ko’rinib turibdiki bunda kremniyning SEO’ barcha yarimo’tkazgichlarniki singari kuchli o’zgarar ekan.

1.2. – rasm. Xususiy kremniy SEO’ kattaligiga temperaturaning ta’siri: 1 – qorong’ulikda o’lchangan bog’lanish, 2 – yorug’likda o’lchangan bog’lanish.

SEO’ o’zgarasmhlari zaryad tashuvchilar kontsentratsiyasi va ularning harakat tezliklari o’zgarasmhlari bilan bog’liq bo’lishi mumkin. O’tkazilgan tajribalar yarimo’tkazgichlarda SEO’ning o’zgarasmhiga ko’p hollarda kontsentratsiya o’zgarasmhi sabab bo’lishini ko’rsatdi. Bunda zaryad tashuvchilarning kuchli o’zgarasmhi kiritilgan aralashmalar kontsentratsiyasiga bog’liq bo’ladi (bu holda odatda yarimo’tkazgichning legirlanish darajasi haqida gapiriladi). 1.3. – rasmda fosfor va bor aralashmasi bilan legirlangan kremniy namunasi solishtirma elektr qarshiligi (SEQ) ρ = 1/σ ning aralashma kontsentratsiyasiga bog’lanish grafigi keltirilgan. Grafikdan ko’rinib turibdiki aralashmalar kiritish yo’li bilan yarimo’tkazgichning elektr o’tkazuvchanligini metallar elektr o’tkazuvchanligi σ ≈ 10⁴ (ρ ≈ 10^-4) ga yaqin darajagacha o’zgartirasmh mumkin ekan.

1.3. – rasm. Legirlash darajasining kremniy SEQga ta’siri (punktir chiziq bilan chiziqli bog’lanish ko’rsatilgan).

SHunga e’tiborni qaratish lozimki aralashma kontsentratsiyasi 9 tartibga oshganida namuna o’tkazuvchanligi 8 tartibga oshar ekan, ya’ni boshqacha so’z bilan aytganda o’tkazuvchanlik va aralashmalar kontsentratsiyasi orasida qariyib chiziqli bog’lanish bor ekan.

Legirlash nafaqat SEO’ kattaligi qiymatiga balki uning temperaturaga bog’lanish xarakteriga ham ta’sir qilar ekan. Bu 3.4. – rasmda keltirilgan gafikda tasvirlangan. Grafiklardan ko’rinib turibdiki yuqori temperaturalar sohasida legirlangan material SEO’ kattaligi legirlanmagan material SEO’ kattaligiga qarab intilar ekan. Pas temperaturalar sohasida SEO’ sezilarsiz darajada o’zgarib, kuchsiz nomoyon bo’luvchi maksimmuga ega bo’lar ekan. Kuchli legirlangan kristallar uchun SEO’ temperatura ta’sirida metallarnikiga o’xshash tarzda o’zgarar ekan.

1.4. – rasm. Legirlangan kristallar SEO’ning temperaturaga bog’liqligi. Legirlanish darajasining qiymati har bir chiziq yoniga sm^-3 o’lchov birliklarida ko’yilgan, punktirli chiziq legirlanmagan materialga to’g’ri keladi.

Berilgan xarakterasmtikalarga ega bo’lgan yarimo’tkazgichli asboblarni yasash uchun yarimo’tkazgichlardagi kuzatiladigan o’ziga xosliklarni tushintirasmh, ularni boshqara olish va materialning u yoki bu sharoitlarda o’zini tutishini bashorat qilish uchun yarimo’tkazgichlar elektr o’tkazuvchanligini tavsiflovchi model yaratish kerak bo’ladi. Bu model birinchi yaqinlashishda quyidagilarni tushintira olishi kerak:

• 
  Legirlanmagan materiallar uchun o’tkazuvchanlikning eksponentsial o’sishini;
  

• 
  Yarimo’tkazgichlarni legirlaganda ular o’tkazuvchanligi kattaligi o’zgarasmhini va temperaturaga bog’lanish xarakterini;
  
• 
  Yarimo’tkazgichni yoritganimizda, yuqori energiyali zarrachalar bilan bombardimon qilganimizda, va h.k.larda ular o’tkazuvchanligi kattaligi o’zgarasmhini va temperaturaga bog’lanish xarakterini;
  

Ta’rif bo’ycha elektr o’tkazuvchanlik namunaga berilgan kuchlanishning o’zgarasmhi tufayli undan oqib o’tayotgan tok kuchining o’zgarasmhi bilan xarakterlanadi. O’z navbatida tok kuchi kattaligi vaqt birligi ichida o’tkazgich ko’ndalang kesimi yuzasidan oqib o’tadigan zaryad kattaligi bilan xarakterlanadi. Buning uchun esa biz zaryad tashuvchilar kontsentratsiyasi va tezligini bilishimiz kerak bo’ladi.

1.5. – rasm. Kristallarda valent elektronlari hosil qiladigan energetik zonalarning mumkin bo’lgan strukturalari.



1.6. – rasm. Nuqsonlarsiz, ikki o’lchovli



1.7. – rasm. Kristall yorug’lik kvantini yutganida elektron va
kovakning hosil bo’lishi sxemasi.



1.8. – rasm. Mukammal kristallda elektron va kovakning
paydo bo’lishini tushuntiruvchi energetik diagramma.

Elementar yarimo’tkazgichlar kristall panjarasi tugunlari bir xil atomlardan tashkil topgan bo’ladi. Quyidagi Si, Ge va Sn elementar yarimo’tkazgichli materiallar to’rttadan valent elektronlariga ega va 1.9-rasmda ko’rsatilgandek kristall panjarada to’rttadan atomlar bilan bog’lanish xususiyatiga egadir. Bu xususiyatlari ularning olmos kristall panjaraga ega bo’lishlarini namoyon etadi.

Rux obmanka kristall panjarasini ikkita yonlari markazlashgan kub panjara bir - biridan hajm dioganali bo’yicha ¼ qismga siljigan elementar yacheykalardan tashkil topgan deb qarash mumkin (rasm-1.3).

Olmos va boshqa turdagi kristall panjarani hosil qiluvchi yarimo’tkazgichli materiallardan rux obmanka kristall panjarasi farqi elementar yacheyka tugunida bir element atomi joylashsa, yacheykaning ikkinchi tugunida boshqa element atomi joylashgan bo’ladi. Misol uchun Ga va As hosil qilgan kristall panjarani qarashimiz mumkin. Bunday ko’rinishlarga ega bo’lgan panjarani quyidagi yarimo’tkazgich materiallar hosil qiladi: AlAs, AlP, BN, BP, GaAs, GaP, GaSb, InAs, InP va x.k. 1.4 - rasmda A^IIIB^V birikmali yarimo’tkazgichli materiallarning tetraedrik, ion – kovalent bog’lanishi keltirilgan: