электроника. Технологиянинг ривожланиши янги вазифаларни яди, бу еса ал илиш учун янги материалларни талаб илади
 Скачать 110.18 Kb.
|
|
КИРИШ Технологиянинг ривожланиши янги вазифаларни қўяди, бу еса ҳал қилиш учун янги материалларни талаб қилади. Шундай қилиб, авиациянинг ривожланиши енгил қотишмаларнинг ривожланишига олиб келди, ракета муҳандислигининг ривожланиши ўтга чидамли ва ёнғинга чидамли материалларни яратишга олиб келди ва ҳоказо. Бизнинг вақтимиз техник бокира ернинг даражаси ва даражасини кўтарган пластмасса ва яримўтказгичлар билан ажралиб туради. Яқин вақтгача електротехника мис ва изоляторларни билар еди, машинасозлик − темир, радиотехника вакуум найчаларида қурилган. Ва нисбатан яқинда яримўтказгичлар техник уфқда пайдо бўлди − биринчи навбатда АC ректификаторлари ва қуёш хужайралари сифатида. Ўшандан бери улар радиотехника, автоматлаштириш ва сигнализация тизимларини, ўлчаш ускуналарини кенг тўлқинда босиб олишди. Ҳозирги вақтда кўплаб саноат тармоқлари яримўтказгичларга асосланган ва бу фақат кучли ривожланаётган ҳаракатнинг бошланиши. Кенг доираларда яримўтказгичлар ғояси радиотехника ва қисман ректификаторлар билан боғлиқ. Фақатгина Ақшда уларни ишлаб чиқариш кўлами бир миллиард доллардан ошади. Radio найчаларини яримўтказгичли диодлар ва триодлар билан алмаштиришнинг аҳамияти жуда яхши маълум. Ҳар бир вакуум қувурлар фарқли ўлароқ, янги қурилмалар улар мисли кўрилмаган кичик ҳажми ишлаб мумкин, улкан куч ва чидамлилик бор, зарба қўрқмайдилар, олд иситиш талаб қилмайдиган, кўп марта кам электр истеъмол, деб билади. ГДР даги Ван Арденс яримўтказгичли радиостансияни инсон ошқозонига киритишга муваффақ бўлди ва яқинда биз сунъий протезни намойиш қилдик, унда ҳаракатлар тирик одамнинг биологик оқимлари томонидан бошқарилади. Мис оксиди ва селендан тайёрланган АC ректификаторлари тахминан 30% енергия йўқотишларига олиб келди. Енди германий ва кремний даврида янги ректификаторлар йўқотишларни 1-2% гача камайтирди ва алюминий ва бошқа металларни електролиз қилиш муаммоларини ҳал қилди, електромобилларда ва тўғридан-тўғри оқим зарур бўлган бошқа жойларда қўлланилади. Яримўтказгичларни қўллашнинг учинчи соҳаси-қуёш хужайралари қуёш нурлари ягона ва ўзгармас енергия манбаига айланадиган сунъий йўлдош ва космик кемаларда қўлланилиши туфайли аллақачон кенг тарқалган. Ушбу енергиянинг 10-15% қуёш батареялари томонидан електр енергиясига айланади. Бироқ, кремнийли қуёш батареяларининг нархи ҳали ҳам шунчалик юқорики, қуёш енергиясини электр энергиясига кенг миқёсда айлантириш ҳақида гапиришга ҳали ерта. 1111111111111111111 Яримўтказгичлар електр ўтказувчанлиги бўйича оралиқ позицияни эгаллайди (ёки қаршилик) ўтказгичлар ва диелектриклар ўртасида. Бироқ, барча моддаларнинг електр ўтказувчанлик хусусиятига кўра бўлиниши шартли ҳисобланади, чунки бир қатор сабаблар (аралашмалар, нурланиш, иситиш) таъсирида кўплаб моддаларнинг електр ўтказувчанлиги ва қаршилиги жуда сезиларли даражада ўзгаради, айниқса яримўтказгичларда. Шу муносабат билан яримўтказгичлар металлардан бир қатор хусусиятлари билан ажралиб туради: яримўтказгичларнинг нармал шароитда қаршилиги металларга қараганда анча катта; ) соф яримўтказгичларнинг қаршилиги ҳарорат ошиши билан камаяди (металлар учун у ортади);) яримўтказгичларни ёритишда уларнинг қаршилиги сезиларли даражада пасаяди (металларнинг қаршилигига ёруғлик деярли таъсир қилмайди);) аралашмаларнинг аҳамияциз миқдори яримўтказгичларнинг қаршилигига кучли таъсир қилади. Яримўтказгичлар диелектриклардан фарқи шундаки, диелектрик кристалнинг тармоқли оралиғи бир неча електрон волт тартибида бўлади, кейин иссиқлик ҳаракати електронларни валентлик тасмасидан ўтказувчанлик тасмасига ўтказа олмайди ва кристалл диелектрик бўлиб, уни барча ҳақиқий ҳароратларда қолдиради. Яримўтказгичларда тармоқли бўшлиқ жуда тор тартибидаги , шакл , кейин узатиш валентлик диапазонидан ўтказувчанлик диапазонигача бўлган електронлар иссиқлик қўзғалиши ёки енергияни електронларга ўтказишга қодир ташқи манба томонидан нисбатан осон амалга оширилиши мумкин ва кристалл яримўтказгичдир. 1-расм  Яримўтказгичлар-бу Т = 0 К да электронлар томонидан тўлиқ эгалланган валентлик тасмаси билан ажралиб турадиган ва юқорида айтиб ўтилганидек, valent тасма ўтказувчанлик диапазонидан нисбатан тор тармоқли оралиғи билан ажралиб турадиган қаттиқ моддалардир. Уларнинг ўтказувчанлиги металларнинг ўтказувчанлигидан камроқ ва диелектрикларнинг ўтказувчанлигидан кўпроқ еканлиги учун улар ўз номларини қарздор. Яримўтказгичларга даврий жадвалнинг ўрта қисмидаги 12 та кимёвий элемент киради - В, С, Ge, Sn, Р, Те, Se, I, Sb, As, S, Si,, учинчи гуруҳ элементларининг бешинчи гуруҳ елементлари билан бирикмалари, кўплаб металл оксидлари ва сулфидлар, бир қатор бошқа кимёвий бирикмалар, баъзи органик моддалар. GermaniumGe и кремний Si илм-фан ва технология учун енг катта фойдаланишга ега. Яримўтказгичлар тоза ва аралашмалар билан бўлиши мумкин. Шунга кўра, яримўтказгичларнинг ички ва нопоклик ўтказувчанлиги ажралиб туради. Нопокликлар, ўз навбатида, донор ва аксепторга бўлинади.Яримўтказгичлардаги электр токи электронлар ва тешикларнинг икки қарама-қарши йўналишдаги тартибли ҳаракати билан ҳосил бўлади. 222222222222222 Ички яримўтказгичлар кимёвий жиҳатдан тоза яримўтказгичлардир ва уларнинг ўтказувчанлиги дейилади ички ўтказувчанлик. Хусусий яримўтказгичларга мисол сифатида кимёвий тоза Ге, Се, шунингдек кўплаб кимёвий бирикмалар бўлиши мумкин: InSb, GaAs, CdS ва бошқалар. 0 К да ва бошқа ташқи омиллар бўлмаса, ички яримўтказгичлар диелектриклар каби ҳаракат қилишади. Ҳарорат кўтарилгач, и valent диапазонининг юқори даражаларидаги електронлар II ўтказувчанлик диапазонининг пастки даражаларига ўтказилиши мумкин (расм. 2). Кристаллга електр майдони қўлланилганда, улар майдонга қарши ҳаракатланиб, електр токини ҳосил қилади. Шундай қилиб, II зона електронлар билан қисман "кадрлар" туфайли ўтказувчанлик тасмасига айланади. Ички яримўтказгичларнинг електронлар туфайли ўтказувчанлиги дейилади електрон ўтказувчанлиги ёки н типидаги ўтказувчанлик (расм. 2) (лотин negative - салбий). И зонадан II зонага иссиқлик електронлари чиқиши натижасида валентлик диапазонида тешиклар деб аталадиган бўш ҳолатлар пайдо бўлади. Ташқи електр майдонида қўшни даражадаги електрон електрондан озод қилинган жойга - тешикка ўтиши мумкин ва электрон кетган жойда тешик пайдо бўлади ва ҳоказо. Тешикларни электронлар билан тўлдиришнинг бундай жараёни тешикни электроннинг ҳаракатига қарама-қарши йўналишда ҳаракатлантиришга тенгдир, гўё тешик електроннинг зарядига тенг мусбат зарядга ега еди. Квазипартикуллар - тешиклар туфайли ички яримўтказгичларнинг ўтказувчанлиги дейилади тешик ўтказувчанлиги ёки р типидаги ўтказувчанлик (дан positive-ижобий). 2-расм  Шундай қилиб, хусусий яримўтказгичларда иккита ўтказувчанлик механизми кузатилади: электрон ва тешик. Ўтказувчанлик диапазонидаги электронлар сони валентлик диапазонидаги тешиклар сонига тенг, чунки иккинчиси ўтказувчанлик диапазонидаги қўзғалган электронларга тўғри келади. Шунинг учун, агар ўтказувчанлик електронлари ва тешикларининг концентрацияси мос равишда белгиланса  ва кейн Яримўтказгичларнинг ўтказувчанлиги ҳар доим ҳаяжонланади, яъни у фақат ташқи омиллар (ҳарорат, нурланиш, кучли електр майдонлари ва бошқалар) таъсири остида пайдо бўлади.). хусусий яримутказгични ферми такикланган сохани ўртасида жойлашган (расм. 3). Дарҳақиқат, активланиш енергияси електронни валентлик тасмасининг юқори даражасидан ўтказувчанлик тасмасининг пастки даражасига ўтказиш учун ишлатилади, бу тақиқланган зонанинг кенглигига тенг. Шунинг учун бир жуфт оқим ташувчини шакллантиришга сарфланган энергия иккита тенг қисмга бўлиниши керак. Ярмига мос келадиган энергия (расм . 3) тармоқли бўшлиқ кенглиги електронни узатишга кетади ва бир хил енергия тешик ҳосил бўлишига сарфланади, бу жараёнларнинг ҳар бири учун бошланғич нуқта тармоқли бўшлиқнинг ўртасида бўлиши керак. Ўзининг яримўтказгичидаги Ферми энергияси электронлар ва тешикларнинг қўзғалиши содир бўладиган энергиядир. Чунки хусусий яримўтказгичларда ∆Е >> kТ, Fermi-Дирак тақсимоти Максвелл-Болцман тақсимотига ўтади.  сунгра оламиз  Ўтказувчанлик диапазонига ўтказилган электронлар сони ва шунинг учун ҳосил бўлган тешиклар сони мутаносибдир (N( Е)) . Шундай қилиб, ўз яримўтказгичларининг ўзига хос ўтказувчанлиги   -ушбу яримўтказгичнинг доимий характеристикаси.Яримўтказгичларнинг ҳарорат ошиши билан ўтказувчанлигининг ошиши уларнинг характерли хусусияти ҳисобланади (металларда ҳарорат ошиши билан ўтказувчанлик пасаяди). Тармоқли назария нуқтаи назаридан, бу ҳолатни жуда оддий тушунтириш мумкин: ҳароратнинг ошиши билан электронлар сони ортади, улар иссиқлик қўзғалиши туфайли ўтказувчанлик диапазонига ўтади ва ўтказувчанликда иштирок этади. Шунинг учун ўз яримўтказгичларининг ўзига хос ўтказувчанлиги ҳарорат ошиши билан ортади. Агар қарамликни тасаввур қилсак  ундан  кейин ўз яримўтказгичлари учун бу тўғри чизиқ , унинг қиялиги тармоқли кенглигининг кенглигини аниқлай олади ∆Е. ва унинг давоми бўйлаб - (тўғри чизиқ ордината ўқига тенг сегментни кесиб ташлайди  Энг кўп ишлатиладиган яримўтказгич элементларидан бири германий бўлиб, у олмос типидаги панжарага эга бўлиб, унда ҳар бир атом тўртта енг яқин қўшнилар билан ковалент боғланишлар билан боғланган . Ge кристалидаги атомларнинг жойлашишининг соддалаштирилган текис диаграммаси расмда келтирилган, бу ерда ҳар бир чизиқ битта електрон томонидан амалга ошириладиган алоқани билдиради. Т = 0 К даги идеал кристалда бундай структура диэлектрикдир, чунки барча valent електронлар боғланиш ҳосил бўлишида иштирок етади ва шунинг учун ўтказувчанликда қатнашмайди.  Ҳароратнинг ошиши билан (ёки бошқа ташқи омиллар таъсири остида) панжаранинг термал тебранишлари баъзи валентлик боғланишларининг ёрилишига олиб келиши мумкин, бунинг натижасида баъзи електронлар бўлинади ва улар еркин бўлади. Ташлаб кетилган електрон жойда тешик пайдо бўлади (у оқ доира билан ифодаланади, қўшни жуфтликдан электронлар билан тўлдирилиши мумкин. Натижада, тешик, шунингдек, чиқарилган електрон кристалл орқали ҳаракатланади. Електр майдони бўлмаганда ўтказувчанлик електронлари ва тешикларнинг ҳаракати хаотикдир. Агар кристаллга электр майдони қўлланилса, електронлар майдонга, тешикларга - майдон бўйлаб ҳаракатлана бошлайди, бу электронлар ва тешиклар туфайли германийнинг ўз ўтказувчанлигининг пайдо бўлишига олиб келади. Яримўтказгичларда электронлар ва тешикларни ҳосил қилиш жараёни билан бирга рекомбинация жараёни мавжуд; электронлар ўтказувчанлик тасмасидан валентлик тасмасига ўтиб, панжарага энергия беради ва электромагнит нурланиш квантларини чиқаради. Натижада, ифода бўйича ҳарорат билан ўзгариб турадиган ҳар бир ҳарорат учун електронлар ва тешикларнинг маълум бир мувозанат концентрацияси ўрнатилади.  Яримўтказгичларнинг аралашмалар туфайли ўтказувчанлиги нопоклик ўтказувчанлиги деб аталади ва яримўтказгичларнинг ўзи нопоклик яримўтказгичлардир. примесли ўтказувчанлиги ифлосликлар (бегона элементларнинг атомлари), шунингдек ортиқча атомлар (стехиометрик таркибга нисбатан), термал (бўш тугунлар ёки интернодлардаги атомлар) ва механик (ёриқлар, дислокациялар ва бошқалар) каби нуқсонлардан келиб чиқади.) нуқсонлар. Яримўтказгичда нопоклик мавжудлиги унинг ўтказувчанлигини сезиларли даражада ўзгартиради. Масалан, кремнийга қилинганида, тахминан 0,001 дан. % бор унинг ўтказувчанлиги тахминан 10 баравар ошади. Яримўтказгичларнинг примис ўтказувчанлиги Ge ва Si мисолида кўриб чиқилади, унга бир бирлик учун асосий атомларнинг валентлигидан фарқ қиладиган валентли атомлар киритилади. Мисол учун, германий атомини беш валент мишяк As атоми билан алмаштиришда , битта электрон ковалент ҳосил қила олмайди, у ортиқча бўлиб чиқади ва панжаранинг иссиқлик тебранишлари пайтида атомдан осонгина ажралиб чиқиши мумкин, яъни.еркин бўлиш. Эркин электроннинг шаклланиши ковалент боғланишнинг бузилиши билан бирга келмайди, шунинг учун муҳокама қилинган ҳолатдан фарқли ўлароқ, тешик пайдо бўлмайди. примисли атоми яқинида пайдо бўладиган ортиқча мусбат заряд нопоклик атоми билан боғланган ва шунинг учун панжара орқали ҳаракатлана олмайди.  33333333333333333333333333333333 Диод-бу иккита яримўтказгичнинг бирикмаси, улардан бири электрон, иккинчиси эса электрон-тешик бирикмаси (ёки p−n− бирикмаси) деб аталадиган тешик ўтказувчанлигига эга. Ушбу ўтишлар кўплаб яримўтказгичли қурилмаларнинг ишлаши учун асос бўлиб, катта амалий аҳамиятга эга. p−n−ўтиш шунчаки иккита яримўтказгичнинг механик уланиши билан амалга оширилмайди. Одатда, ҳар хил ўтказувчанлик минтақалари кристалларни ўстириш ёки тегишли кристалларни қайта ишлаш орқали яратилади. Мисол учун, бир индий "планшет" бир n−тури германий кристалли устига . Ушбу тизим вакуумда ёки инерт газ атмосферасида тахминан 500 °C да иситилади; индий атомлари германийга маълум чуқурликка тарқалади. Кейин эритма аста-секин совутилади. Индий (In) ўз ичига олган германий (Ge) тешик ўтказувчанлигига ега бўлгани учун, кристалланган еритма ва н типидаги германий чегарасида p-n бирикмаси ҳосил бўлади.  p-n ўтишда содир бўладиган физик жараенни кўриб чиқамиз чиқиш келинг донор яримўтказгичга операцияси-Аn, Ферми даражаси-ЕFN булса Консентрацияси юқори бўлган n−яримўтказгичдаги 'лектронлар консентрацияси паст бўлган p-яримўтказгичга тарқалади. Тешикларнинг тарқалиши тескари йўналишда – p-n йўналиши бўйича содир бўлади.  n-яримўтказгичда электронларнинг чегара яқинида кетиши туфайли стационар ионланган донор атомларининг компенсацияланмаган ижобий ҳажм заряди қолади. p-яримўтказгичда чегара яқинидаги тешикларнинг кетиши туфайли стационар ионланган аксепторларнинг салбий ҳажм заряди ҳосил бўлади (расмда). Ушбу оммавий зарядлар чегарада қўшалоқ электр қатламини ҳосил қилади, унинг майдони n−минтақадан p−минтақага йўналтирилган бўлиб, электронларнинг n−минтақадан п-йўналишга ўтишига тўсқинлик қилади ва п-йўналишдаги тешиклар. ва p- типидаги яримўтказгичлар бир хил, кейин d ва d қатламларининг қалинлиги (расм с) стационар зарядлар локализация қилинган, тенг (d=d). П - н бирикмасининг маълум бир қалинлигида иккала яримўтказгич учун Fermi даражаларини тенглаштириш билан тавсифланган мувозанат ҳолати содир бўлади (расм, c). p−n бирикмаси минтақасида енергия зоналари егилиб, натижада електронлар ва тешиклар учун потенциал тўсиқлар пайдо бўлади. Потенциал тўсиқнинг баландлиги ебумуман иккала яримўтказгичдаги Ферми даражасининг позицияларидаги дастлабки фарқ билан белгиланади. Қабул қилувчи яримўтказгичнинг барча энергия даражалари донор яримўтказгич даражаларига нисбатан еφ га тенг баландликка кўтарилади ва кўтарилиш икки қаватли d қалинлигида содир бўлади. ) яримўтказгичларда p-n бирикмасининг d қатламининг қалинлиги тахминан 10 - 10 м ва kontakt потенциали фарқи волтнинг ўндан бир қисмидир. Ҳозирги ташувчилар бундай потенциал фарқни фақат бир неча минг даража ҳароратда енгишга қодир, нормал ҳароратларда мувозанат контакт қатлами қулфланади (қаршилик кучайиши билан тавсифланади). Қулфлаш қатламининг қаршилигини ташқи электр майдони ёрдамида ўзгартириш мумкин. p−n бирикманинг қўлланиладиган ташқи электр майдон р− учун n−semiconductor (расм, а), яъни.контакт қатламининг майдонига тўғри келади, кейин у n-яримўтказгичдаги электронларнинг ҳаракатини ва p−яримўтказгичдаги тешикларни p-n туташув чегарасидан қарама-қарши томонларга олиб келади. Натижада, қулфлаш қатлами кенгаяди ва унинг қаршилиги ошади. Қулфлаш қатламини кенгайтирадиган ташқи майдоннинг йўналиши қулфлаш (тескари) деб аталади. Бу йўналишда электр токи деярли p-n бирикмасидан ўтмайди. Қулфлаш йўналишидаги қулфлаш қатламидаги оқим фақат асосий бўлмаган оқим ташувчилар томонидан ҳосил бўлади (p−яримўтказгичдаги електронлар ва n-яримўтказгичдаги тешиклар).  Агар p-n бирикмасига қўлланиладиган ташқи электр майдони алоқа қатлами майдонига қарама-қарши йўналтирилган бўлса (расм, б), кейин у бир−бирига томон p-n бирикманинг чегарасига p−утказувчи ва ковак n-semiconductor электронлар ва тешик ҳаракатини сабаб бўлади. Ушбу соҳада улар рекомбинация қилинади, алоқа қатламининг қалинлиги ва унинг қаршилиги пасаяди. Бинобарин, бу йўналишда электр токи n-яримўтказгичдан p-яримўтказгичга йўналишда p-n бирикмаси орқали ўтади; у олдинга (олдинга) дейилади. Шундай қилиб, (металл−контакт сингари ярим утказгичлига алоқада ўхшаш) p-n утказувчи эса (расмда) бир томонлама (вентил) ўтказувчанликга ухшащ. |