Электр майдон секинланувчи ва яқинлашаётган бўлса электрон тезлиги камайиб сочилади ва аксинча секинланувчи ва сочилувчи бўлса электронлар оқими фокусланади.
1.3. ЭЛЕКТРОННИНГ БИР ЖИНСЛИ БЎЛМАГАН МАГНИТ МАЙДОННИДАГИ ХАРАКАТИ
v
0
Бу ерда е электрон катталиги, v
0
Агар v0 = 0 бўлса F=0 га тенг бўлади, яхни бу холатда электрон характда бўлмайди ва Лоренц кучи нолга тенг бўлади. Лоренц кучи электроннинг тезлигига тўғри бурчак остида таъсир қилганда электроннинг траекторияси эгилади. Куч иш бажармагани учун электроннинг энергияси ва тезлиги ўзгармайди, фақат тезликнинг йўналиши ўзгаради.
1.6-расм. Бир жинсли кўндаланг магнит майдонда электроннинг харакати
Жисмнинг доимий V
0
Электроннинг харакат йўналиши магнит куч чизиғига нисбатан соат стрелкаси йўналиши бўйича бўлади. Электроннинг айлана бўйлаб харакатлангандаги r радусини топайлик.
Бунинг учун марказга интилма кучининг математик ифодасидан фойдаланамиз:
Буни (1.10) даги F билан тенглаштириб:
эканлиги топамиз. Қисқартиришларни бажариб эса ни аниклаймиз:
Электроннинг v
0
Магнит индукция В катта бўлганда Лоренц кучи F катта бўлиб, траектория кўпроқ эгилади, радиуси эса камаяди. Юқоридаги чиқарилган ифода ихтиёрий масса ва заряд учун тўғри.
Магнит майдонига ихтиёрий бурчак остида кираётган электроннинг харакатини кўрайлик. Электронниг бошланғич тезлик вектори ва Х ўқи билан В вектор мос келган координата юзасини танлаб олайлик. V
0
X
у
X
Агар электрон фақат Uy тезликка эга бўлса юзада магнит куч чизиқларига тик йўналишда айлана бўйича харакатланади. В, U
x
y
1.7-расм. Электронни бир жинсли магнит майдондаги спирал бўйича харакати.
Назорат саволлари.
1. Электронлар бир жинсли электр майдонда кандай харакат килади?
2. Электронлар тезлатувчи электр майдонида кандай харакат килади?
3. Электронларнинг кундаланг бир жинсли майдондаги харакатини тушунтиринг.
4. Электронларни бир жинсли булмаган магнит майдондаги харакатини тушунтиринг.
5. Электронлар бир жинсли магнит майдонида кандай харакат килади?
6. Электронларни бир жинсли кундаланг магнит майдондаги харакати кандай амалга оширилади?
2-БОБ ЯРИМ ЎТКАЗГИЧЛИ АСБОБЛАР
2 бобда ярим ўтказгичли асбоблар ҳосил қилишнинг физик асослари, «n-р» ўтиш ҳосил қилиш ва улар асосидаги приборлар-ярим ўтказгичли диодлар, транзисторларнинг схемадаги шартли белгиси, ишлатилиш сохаси ҳамда схемалари ёритилган.
2.1. ЯРИМ ЎТКАЗГИЧ АСБОБЛАР ХОСИЛ ҚИЛИШНИНГ ФИЗИК АСОСЛАРИ
Ярим ўтказгичли асбобларнинг ишлаши «электрон» ҳамда «тешикларнинг» харакатланишига асосланган. Ишлаб чиқаришда бу асбоблар содда германий (Gе), кремний (Si), селен (Se) ёки мураккаб арсенид галлий (Gа Аs), кремний карбиди (SiC), галлий фосфиди (GaР) ярим ўтказгич материалидан тайёрланади. Уларнинг хаммаси «олмос» турли мунтазам панжара таркибига эга бўлган кристаллдан иборат.
2.1-расмда атомларининг ташқи орбитасида тўрттадан электрони бўлган тоза германийнинг ясси эквивалент панжараси келтирилган. Электрон турғун холатда бўлиши учун, қўшни тўртта атом билан ковалент яъни қўш боғланади хамда валент электронлар бу боғланишда иштирок этади.
2.1-расм. Германийнинг кристалл панжараси.
Квант механикаси қонунларига, асосан, хар бир валент боғланган электрон учун маoлум бир энергия сатхи тўғри келади. Уларнинг тўплами «валент» (V зона) зонани ташкил этади.
Электрондан холи бўлган энергетик сатхлар эркин зонани ташкил этади, улар «ўтказувчанлик» (С зона) зонаси дейилади. Бу икки зона оралиғида учинчи, «тақиқланган» зона жойлашган. Идеал қаттиқ, кристалли жисмларда электронлар бундай энергияга эга эмас. Бундай холат абсолют нол харарот учун тўғри бўлади. Стабил холатни бузувчи ташқи факторлар: иссиклик, харорат, ёруғлик нури, электромагнит майдон ва бошқалар хисобланади. Уларнинг таъсири натижасида валент электронлар ядро билан боғланишни ўзиш учун етарли бўлган қўшимча энергия олиши мумкин. Бунинг учун зарур бўлган минимал энергия модданинг тақиқланган зонаси кенглиги (DW) билан аниқланади. 2.2 расмда ўтказгичлар, ярим ўтказгичлар ва диэлектрикларнинг энергетик зона диаграммалари келтирилган. Уй харакатида металларда тақиқланган зона нолга яқин, диэлектрик материалларда 37 ЭВ (олмос) ва ярим ўтказгичларда эса 0,5 2,5 ЭВ (германий DW = 0,66 ЭВ, кремний DW = 1,14 ЭВ) ни ташкил этади. Ковалент боғланишдан чиқиб кетган электрон эркин бўлиб қолади ва у кристалл бўйича тартибсиз харакатланади.
2.2 расм. Энергетик зоналар, а ўтказгичларники; б ярим-ўтказгичларники; в диэлектрикларники: 1 ўтказувчанлик зона; 2- валент зона; 3 тақиқланган зона.
Бу электроннинг энергияси ўтказувчанлик зонасидаги энергетик сатхлар қиймати билан аниқланади. Энергия ортиши билан, соф ярим ўтказгичда электрон валент зонанинг юқори сатхидан ўтказувчанлик зонасига ўтади. Бунга хусусий ўтказувчанлик дейилади. Валент зонасидан электрон чиқиб кетганда, унда «тешик» деб аталувчи бўш (вакант) ўрин хосил бўлади (2.3- расм). Эркин электрон бошқа заррачалар билан тўқнашганда, ўз энергиясининг бир қисмини сарфлайди ва бу энергия сатхида яна ковалент боғланишга киришади.
Бу ходисага рекомбинация жараёни дейилади. Электрон тешик жуфтларининг хосил бўлиш жараёни, параллел равишда ўтади ва иссиқлик мувозанатида эркин электронларнинг сони ўрта хисобда ўзгармас сақланади. Атом билан боғланган электроннинг энергияси сатхдан ортиқроқ бўлса:
2.3 расм. Электрон тешик жуфтларининг хосил бўлиши. а германий, б энергетик диаграмма: 1 ўтказувчанлик зона, 2 тақиқланган зона, 3 валент дона, 4 электрон тешик жуфтларининг хосил бўлиши.
Валент зонасидаги вакант (бўш) сатхга ўтиши ва заряд ташувчи бўлиши мумкин. Соф ярим- ўтказгичларда заряд ташувчилар концентрацияси, яхни эркин электрон ва тешиклар сони бир сантиметр кубда 10
17
4
6
4
2.4 -расм. Мишяк аралашган германийнинг эквивалент панжараси (а) ва энергетик зона диаграммаси (б): 1 ўтказувчанлик зонаси, 2 тақиқланган зона, 3 валент зона, 4 акцептор сатхи, 5 эркин электрон.
Донор сатхи энергиясига эга бўлган электронлар ўтказувчанлик зонасига осонгина ўтиб, заряд элтувчиларнинг диффузия оқимини хосил қилади.
Соф ярим ўтказгич германийга уч валентли индий аралашмаси киритилсин. 2.5а-расмда индий аралашмаси мавжуд бўлган германий кристалл панжараси кўрсатилган. Уч валентли индий атоми тўртта германий атоми билан ковалент боғланишга киришади ва унинг битта боғи электрон билан тўлмай қолади. Ташқи майдон қўшни атом электронини шу тўлмай қолган ковалент боғланишига (электрон ваканциясига) ўтишга мажбур этади, бўшаган ўринга эса ўз навбатида бошқа қўшни атомнинг электрони ўтади ва хоказо.
Индий аралашмали ярим ўтказгичда ўзига хос электронларнинг навбатма-навбат харакати вужудга келади. Бунда электрон лар атомлардан узоқлашиб кетмайди, доим улар билан ўзаро боғланган бўлади. Боғланган электронларнинг бундай кетма кет силжишини шартли равишда, мусбат зарядга эга бўлган бўш ковалент боғланишга эга бўлган тешикларнинг электронлар томон харакати деб қараш мумкин. Тешиклар харакати билан юзага келган ўтказувчанликни ковакли (тешикли) ўтказувчанлик, материалнинг ўзини эса р турли яримўтказгич деб аталади» (р лотинча Роzitiv мусбат сўзидан олинган). Яримўтказгичларда тешикли ўтказувчанликни ҳосил қилувчи аралашмаларга акцепторлар дейилади.
Акцептор аралашмали яримўтказгичларда тақиқланган зонанинг пастки қисмида, валент электронлар зонаси яқинида, эркин энергетик сатхлар юзага келади, улар акцептор сатхлари деб аталади (2.5 б расм). Валент зонадан электронлар акцепторлар сатхларига осонгина ўтиб, унда эркин электронлар ваканцияси тешикларни хосил қилади. Шундай қилиб, соф ярим ўтказгичли материалга донорли (Аs) ёки акцепторли (Jn) аралашмалар қўшиб, сунoий равишда электрон (n турли) ёки тешикли (р турли) ўтказувчанликка эга бўлган яримўтказгичлар олиш мумкин. Бундай материаллардан қуйидаги ярим ўтказгичли асбоблар тайёрланади: диодлар, транзисторлар, тиристорлар ва хоказо.
2.5 -расм. Индий аралашган германийнинг эквивалент зонаси (а) ва энергетик зона диаграммаси (б):1 ўтказувчанлик зонаси, 2 тақиқланган зона, 4 акцептор сатхи, 5 электрон, 6 тешик.
2.2. ЭЛЕКТРОН ТЕШИКЛИ «n-р» ЎТИШ
Жуда кўп яримўтказгичли асбобларнинг ишлаши турли хил ўтказувчанликка эга бўлган, ярим ўтказгич кристалларида суний йўл билан ҳосил қилинган, иккита қўшни соха чегарасида юз берадиган жараёнлар билан боғлиқдир. Бу чегаравий қатламлар электрон тешикли ёки «n-р» ўтиш деб айтилади.
Юқорида айтиб ўтилганидек (2.6а-расмга қаранг), кристалларнинг электрон «n» турли ўтказувчанлик сохасидаги асосий электр заряд элтувчилари эркин электронлар хисобланади. Аралашма атомларига эса фиксацияланган (аниқ белгиланган) мусбат зарядлар (донор аралашма ионлари) тўғри келади. Тешикли «р» турли ўтказувчанлик сохасидаги асосий заряд элтувчилар бўлиб коваклар (тешиклар) хисобланади, аралашма атомларида эса фиксацияланган манфий зарядлар (акцепторлар аралашма ионлари) тўғри келади.
Турли хил ўтказувчанликка эга бўлган кристалларни бир бирига бирлаштирилмаса, заряд ташувчилар уларнинг бутун хажми бўйича тенг тақсимланади. Агар сунъий равишда «n р» ўтишни эритиш, диффузия ёки ўстириш усули билан хосил қилиниб, кристаллар бирлаштирилса, чегара қатламида электрон ва тешикларнинг рекомбинацияси юз беради. «n» -тур ярим ўтказгичнинг ўтказувчанлик зонасидаги эркин электрон, «р» тур ярим ўтказгичнинг валент зонасидаги эркин коваклар сатхларини эгаллайди. Бунинг натижасида икки кристалл бирлашган чегаравий зона яқинида заряд элтувчилар йўқолади ва юқори электр қаршилигига эга бўлган қатлам хосил бўлади. Бу сийраклашган беркитувчи қатлам ёкиси «n -р» ўтиш деб айтилади. Унинг қалинлиги бир неча микрондан ортмайди. Беркитувчи қатламнинг кенгайишига харакатсиз донор ва акцептор ионлари қаршилик кўрсатади. Улар кристаллар чегарасида контакт потенциаллар фарқини потенциал тўсиқни вужудга келтиради. Хосил бўлган электр майдон (Е
о
е
B
»тескари улаш2.6 расм. n р ўтишнинг хосил бўлиши: а кристалларнинг бир бирига тегишигача бўлган таркиби б беркитувчи қатламларнинг ҳосил бўлиши, в ярим ўтказгич чегарасидаги контакт потенциаллар фарқи.
Агар ташқи манбани ярим ўтказгичга, юқорида кўрсатилганга нисбатан, тескари қутбли қилиб уланса (манфий қутб «n» турли кристаллга ва мусбат қутб «р» турли кристаллга), ташқи электр майдоннинг (Е
2
1
»2.7 расм. Яримўтказгичлардаги тўғри ва тескари йўналишларнинг хосил бўлиши: а тескари йўналиш, б потенциаллар фарқининг n-р-зона кенгайгандаги ўзгариш таксимоти в тўғри йўналиш, г контакт потенциаллар фарқининг n-р зона торайгандаги ўзгариш таксимоти.
2.3. ЯРИМ ЎТКАЗГИЧЛИ ДИОДЛАР УМУМИЙ ТУШУНЧАЛАР
Классификацияси ва белгиланиш системалари. ярим ўтказгичли диодиларнинг тузилиши ва катталиклари.
Ярим ўтказгичли диод деб, мавжуд технологик усулларидан бири қўлланилиб «n-р» ўтиш хосил қилинган ярим ўтказгич кристаллига айтилади.
2.8-расмда «р-n» ўтиш эга бўлган ярим ўтказгичли диоднинг вольт-ампер тавсифномаси (ВАТ) келтирилган.
2.8-расм «р-n» ўтишнинг вольт ампер тавсифномаси.
Диоднинг ВАТ жуда кўп факторларга боғлиқ. Масалан: ташқи таъсир, контакт сохасининг геометрик ўлчамларига, ток тошувчилар миқдорига, тескари кучланиш катталигига ва х.к.
Амалий жихатдан бу факторларни тескари токка бўлган таъсири катта. Масалан, мухит хароратининг кўтарилиши ёки тескари кучланишнинг бирор қийматгача оширилиши тескари токнинг бирданига кўпайиб кетиши натижасида р-n ўтишнинг бузилишига (куйишига) сабаб бўлади.
Умуман олганда р-n ўтишнинг бузилиши турлари хилма-хил бўлади.
Шулардан иссиқлик ва электр бузилишини кўрайлик.
Иссиқлик бузилиши солиштирма қаршилиги етарлича катта ва р-n ўтиш сохаси кенг бўлган ярим ўтказгичларда кузатилади. Ярим ўтказгичнинг қизиши билан кристалл панжаранинг иссиқлик харорати ортади ва кўплаб электронлар валент боғланишларини узиб эркин электронга айланади. Натижада кристаллнинг хусусий ўтказувчанлиги ортади. Бунда ярим ўтказгичнинг қизиши фақат ташқи мухит хароратининг ортиши билан белгиланмайди. р-n ўтишдан ўтадиган ток ҳам унинг қизишига олиб келади. Агар р-n ўтишда ажраладиган иссиқликни йўқотиш чораси кўрилмаса, иссиқлик бузилиши майдон кучланганлигининг кичик қийматларида хам содир бўлиши мумкин. Электр бузилиши асосий бўлмаган ток ташувчилар сонининг яримўтказгич хажмидаги электр майдон кучлаганлиги ортиши туфайли содир бўлади. Бунда майдон кучланганлиги ортиши билан ток ташувчиларнинг харакат тезлиги ортади. Натижада урилиш туфайли ионлашишнинг кучкисимон кўпайиши вужудга келади. У р-n ўтишнинг бузилишига олиб келади. Иккинчи томондан, майдон кучланганлигининг ортиши автоэлектрон эмиссия ходисасига хам сабаб бўлади. Бунинг натижасида хам бузилиш содир бўлади. Кенг р-n ўтишда диодларда урилиш ионланиши туфайли, тор р-n ўтишли диодларда эса, автоэлектрон эмиссия туфайли бузилиши содир бўлади. электр бузилишининг иссиқлик бузилишидан фарқи шундаки, унда кенг р-n ўтишда диодларда урилиш ионланиши туфайли, тор р-n ўтишли диодларда эса, автоэлектрон эмиссия туфайли бузилиши содир бўлади. Электр бузилишининг иссиқлик бузилишидан фарқи шундаки, унда кучланиш ўзгаришининг бирор оралиғида тескари ток кучланишига боғлиқ бўлмай қолади ва жараён қайтар бўлади, яъни майдон кучланганлиги йўқолиши билан бошланғич холат тикланади.
2.9-расмда ярим ўтказгичли диоднинг тўлиқ волpт-ампер тавсифномаси кўрсатилган.
2.9 расм. Ярим ўтказгич диоднинг тўлиқ вольт-ампер тавсифномаси.
Унда 1-чизиқ иссиқлик бузилиш, 2-чизиқ эса электр бузилишини кўрсатади. Контакт сохасининг кенгилигига қараб ярим ўтказгичли диодлар нуқтавий ва ясси диодларга ажратилади. Биз танишган диодлар ясси диодлардир. Улардан тўғри токнинг катталиги контакт юзаси кенглигига боғлиқ бўлиб, қиймати бир неча миллиампердан бир неча юз ампергача етади.
Нуқтавий диодларнинг контакт юзаси жуда кичик бўлади. Улар нуқта контактли пайвандлаш йўли билан хосил қилинади. Нуқтавий диодларнинг ясси диодлардан афзаллиги шундаки, уларнинг р-n ўтиш сиғими жуда кичик бўлади. Шунинг учун уларни юқори частотали қурилмаларда ишлатиш мумкин.
Хозирги пайтда инфрақизил, улpтрабинафша ва кўринувчи нурлар спекторини сезувчи оптоэлектрон диодлар катта қизиқиш уйғотмоқда.
2.10 расмда диодларнинг схемадаги шартли белгиланиши келтирилган.
2.10 расм. Ярим ўтказгич диодларининг схемадаги шартли белгиланиши. 1 диод, 2 туннелли диоди, 3 стабилитрон, 4 варикап.
ГОСТ 1086272 га мувофиқ, диодлар қуйидагича маркаланади. Биринчи элемент харф ёки рақам бўлиб фойдаланилган ярим ўтказгич материални билдиради. Г ёки I германий; К ёки 2 кремний; А ёки 3 галлий арсенид. Иккинчи элемент (харф) диодларнинг классини кўрсатади.
Ц тўғрилагич устунчалари; С стабилитронлар; В варикаплар;
И туннелли диод; А ёруғлик диодлари; ОД оптронлар ва хоказо.
Учинчи элемент (сон) диоднинг хусусиятини аниқлайди. Тўртинчи ва бешинчи элементлар (сонлар) диодларнинг технологик ишлаб чиқариш тартибини (0,1 дан 99 гача) белгилайди. Олтинчи элемент (харф) диоднинг параметрик группасини аниқлайди (параметрлар махлумотномалардан олинади). Масалан: «Г Д 10 7 А» қуйидагича тушунтирилади: германий кристаллидан тайёрланган (Г) ярим- ўтказгичли нуқтавий (Д), кичик қувватли (I), 7 ишлаб чиқаришда (07), «А» группа (тўғри ток £ 0,02 А, тўғри кучланиш IB, тескари ток £ 0,02 тескари кучланиш £ I5B) га хос диод.