Agar maydon tezlatuvchi xarakterda bolsa, elektron boshlangich v0 tezlik bilan egri chiziq boyicha xarakat qiladi. Sekinlashtiruvchi xarakterga ega bolgan bir jinsli bolmagan elektr maydonida elektronlarning traektoriyasi egiladi va uning tezligi sekinlashadi.
1.5-rasmda elektronlarning bir jinsli bolmagan maydondagi xarakat korsatilgan, bunda ularning ozaro tasiri xisobga olinmagan.
1.5-a-rasm. Elektronlarning bir jinsli bolmagan tezlatuvchi maydondagi xarakati.
1.5-b-rasm. Elektronlarning bir jinsli bolmagan tezlatuvchi maydondagi xarakati.
1.5-c-rasm. Elektronlarning bir jinsli bolmagan tezlatuvchi maydondagi xarakati.
Kuch chiziqlari bir joyda toplanishga xarakat kilib kuch chiziqlari orasiga xarakatlanuvchi elektronlar oqimi kirganda, ularnnig traektoriyasi elektr maydon kuch chiziqlari tomon yaqinlashadi, yani elektronlarning fokuslanishiga olib keladi.
Agar elektr maydon kuch chiziqlari yoyiluvchan bolsa, elektronlar bir-biridan uzoqlashadi va sochiladi.
Elektr maydon sekinlanuvchi va yaqinlashayotgan bolsa elektron tezligi kamayib sochiladi va aksincha sekinlanuvchi va sochiluvchi bolsa elektronlar oqimi fokuslanadi.
1.3. ELEKTRONNING BIR JINSLI BOLMAGAN MAGNIT MAYDONNIDAGI XARAKATI
v0 boshlangich tezlikka ega bolgan elektron bir jinsli magnit maydonida kuch chiziqlariga tik ravishda xarakat qilsa, unga Lorents kuchi tasir qiladi.
Bu erda e elektron kattaligi, v0 boshlangich tezlik, V magnit induktsiya vetori.
Agar v0 = 0 bolsa F=0 ga teng boladi, yaxni bu xolatda elektron xaraktda bolmaydi va Lorents kuchi nolga teng boladi. Lorents kuchi elektronning tezligiga togri burchak ostida tasir qilganda elektronning traektoriyasi egiladi. Kuch ish bajarmagani uchun elektronning energiyasi va tezligi ozgarmaydi, faqat tezlikning yonalishi ozgaradi.
1.6-rasm. Bir jinsli kondalang magnit maydonda elektronning xarakati
Jismning doimiy V0 tezlik bilan aylana boylab xarakatlanishi markazga intilma kuch xisobiga boladi.
Elektronning xarakat yonalishi magnit kuch chizigiga nisbatan soat strelkasi yonalishi boyicha boladi. Elektronning aylana boylab xarakatlangandagi r radusini topaylik.
Buning uchun markazga intilma kuchining matematik ifodasidan foydalanamiz:
Buni (1.10) dagi F bilan tenglashtirib
ekanligi topamiz. Qisqartirishlarni bajarib esa ni aniklaymiz:
Elektronning v0 tezligi qancha katta bolsa, inersiya boyicha togri chiziq boylab xrakatlanishga intiladi va troktoriyasining radiusi shuncha katta boladi.
Magnit induktsiya V katta bolganda Lorents kuchi F katta bolib, traektoriya koproq egiladi, radiusi esa kamayadi. Yuqoridagi chiqarilgan ifoda ixtiyoriy massa va zaryad uchun togri.
Magnit maydoniga ixtiyoriy burchak ostida kirayotgan elektronning xarakatini koraylik. Elektronnig boshlangich tezlik vektori va X oqi bilan V vektor mos kelgan koordinata yuzasini tanlab olaylik. V0 ni ikkita, yani VX va Vu tashkil etuvchilarga ajrataylik. VX xaraktalanuvchi elektronning yonalishi magnit kuch chiziqlari yonalishi bilan bir xil bolganligi uchun unga magnit maydon tasir qilmaydi. Agar elektron faqat shu tezlikka ega bolganda, u togri chiziqli tekis xarakat qilar edi.
Agar elektron faqat Uy tezlikka ega bolsa yuzada magnit kuch chiziqlariga tik yonalishda aylana boyicha xarakatlanadi. V, Ux va Uy kattaliklar ishtrok etganiligi uchun elektronning natijalovchi xarakati murakkab bolib, traektoriyasi vint chiziqlari yoki spiral boyicha boladi (1.7-rasm). Spiral traektoriyasi kattaliklarga kora torrok yoki kengroq boladi.
1.7-rasm. Elektronni bir jinsli magnit maydondagi spiral boyicha xarakati.
Nazorat savollari
1. Elektronlar bir jinsli elektr maydonda kanday xarakat kiladi?
2. Elektronlar tezlatuvchi elektr maydonida kanday xarakat kiladi?
3. Elektronlarning kundalang bir jinsli maydondagi xarakatini tushuntiring.
4. Elektronlarni bir jinsli bulmagan magnit maydondagi xarakatini tushuntiring.
5. Elektronlar bir jinsli magnit maydonida kanday xarakat kiladi?
6. Elektronlarni bir jinsli kundalang magnit maydondagi xarakati kanday amalga oshiriladi?
2-BOB YARIM OTKAZGICHLI ASBOBLAR
2 bobda yarim otkazgichli asboblar hosil qilishning fizik asoslari, «n-r» otish hosil qilish va ular asosidagi priborlar-yarim otkazgichli diodlar, tranzistorlarning sxemadagi shartli belgisi, ishlatilish soxasi hamda sxemalari yoritilgan.
2.1. YARIM OTKAZGICH ASBOBLAR XOSIL QILISHNING FIZIK ASOSLARI
Yarim otkazgichli asboblarning ishlashi «elektron» hamda «teshiklarning» xarakatlanishiga asoslangan. Ishlab chiqarishda bu asboblar sodda germaniy (Ge), kremniy (Si), selen (Se) yoki murakkab arsenid galliy (ga Aѕ), kremniy karbidi (SiC), galliy fosfidi (gar) yarim otkazgich materialidan tayyorlanadi. Ularning xammasi «olmos» turli muntazam panjara tarkibiga ega bolgan kristalldan iborat.
2.1-rasmda atomlarining tashqi orbitasida torttadan elektroni bolgan toza germaniyning yassi ekvivalent panjarasi keltirilgan. Elektron turgun xolatda bolishi uchun, qoshni tortta atom bilan kovalent yani qosh boglanadi xamda valent elektronlar bu boglanishda ishtirok etadi.
2.1 rasm. Germaniyning kristall panjarasi.
Kvant mexanikasi qonunlariga, asosan, xar bir valent boglangan elektron uchun maolum bir energiya satxi togri keladi. Ularning toplami «valent» (V zona) zonani tashkil etadi.
Elektrondan xoli bolgan energetik satxlar erkin zonani tashkil etadi, ular «otkazuvchanlik» (S zona) zonasi deyiladi. Bu ikki zona oraligida uchinchi, «taqiqlangan» zona joylashgan. Ideal qattiq, kristalli jismlarda elektronlar bunday energiyaga ega emas. Bunday xolat absolyut nol xararot uchun togri boladi. Stabil xolatni buzuvchi tashqi faktorlar: issiklik, xarorat, yoruglik nuri, elektromagnit maydon va boshqalar xisoblanadi. Ularning tasiri natijasida valent elektronlar yadro bilan boglanishni ozish uchun etarli bolgan qoshimcha energiya olishi mumkin. Buning uchun zarur bolgan minimal energiya moddaning taqiqlangan zonasi kengligi (W) bilan aniqlanadi. 2.2 rasmda otkazgichlar, yarim otkazgichlar va dielektriklarning energetik zona diagrammalari keltirilgan. Uy xarakatida metallarda taqiqlangan zona nolga yaqin, dielektrik materiallarda 37 EV (olmos) va yarim otkazgichlarda esa 0,5 2,5 EV (germaniy W = 0,66 EV, kremniy W = 1,14 EV) ni tashkil etadi. Kovalent boglanishdan chiqib ketgan elektron erkin bolib qoladi va u kristall boyicha tartibsiz xarakatlanadi.
2.2-rasm. Energetik zonalarniki, a-oqekazgihlarniki; b-yarim-oqekazgihlarniki; c dielektriklarniki: 1 oqekazuvchanlik zonasi; 2 valent zona; 3 jamoa zonasi.
2.2-rasm. Energetik zonalarniki, a-oqekazgihlarniki; b-yarim-oqekazgihlarniki; c dielektriklarniki: 1 oqekazuvchanlik zonasi; 2 valent zona; 3 jamoa zonasi.
2.2-rasm. Energetik zonalarniki, a-oqekazgihlarniki; b-yarim-oqekazgihlarniki; c dielektriklarniki: 1 oqekazuvchanlik zonasi; 2 valent zona; 3 jamoa zonasi.
Bu elektronning energiyasi otkazuvchanlik zonasidagi energetik satxlar qiymati bilan aniqlanadi. Energiya ortishi bilan, sof yarim otkazgichda elektron valent zonaning yuqori satxidan otkazuvchanlik zonasiga otadi. Bunga xususiy otkazuvchanlik deyiladi. Valent zonasidan elektron chiqib ketganda, unda «teshik» deb ataluvchi bosh (vakant) orin xosil boladi (2.3 rasm). Erkin elektron boshqa zarrachalar bilan toqnashganda, oz energiyasining bir qismini sarflaydi va bu energiya satxida yana kovalent boglanishga kirishadi.
Bu xodisaga rekombinasiya jarayoni deyiladi. Elektron teshik juftlarining xosil bolish jarayoni, parallel ravishda otadi va issiqlik muvozanatida erkin elektronlarning soni orta xisobda ozgarmas saqlanadi. Atom bilan boglangan elektronning energiyasi satxdan ortiqroq bolsa:
2.3 rasm. Elektron teshik juftlarining xosil bolishi. a germaniy, b energetik diagramma: 1 otkazuvchanlik zona, 2 taqiqlangan zona, 3 valent dona, 4 elektron teshik juftlarining xosil bolishi.
Valent zonasidagi vakant (bosh) satxga otishi va zaryad tashuvchi bolishi mumkin. Sof yarim otkazgichlarda zaryad tashuvchilar kontsentrasiyasi, yaxni erkin elektron va teshiklar soni bir santimetr kubda 1017 ta bolib, solishtirma elektr qarshiligi 0,65 Om m (germaniy) dan 10 Om m (selen) gacha boladi. Yarim otkazgichdagi jarayonlarni modellashtirish qulay bolishi uchun, boglangan elektronlar xarakati orniga zaryad va massalari elektronlarnikiga teng, lekin ishorasi qarama qarshi bolgan kvazi zarracha teshiklar xarakati tekshiriladi. Ularning xarakat yonalishi elektronlar xarakati yonalishiga teskari olinadi. Zaryad tashuvchilar elektron va teshiklar xarakati umumiy xolda, ikkita komponentdan tashkil topadi: kontsentrasiyasi kam bolgan yonalishida vujudga kelayotgan tartibsiz xarakat diffuziya va tashqi elektr maydon tasiridagi xarakat dreyfdan iborat. Sof yarimotkazgich ishtirokida korib otilgan xolat unga juda oz miqdorda (104 106%) aralashma qoshilishi tufayli keskin ozgarib ketadi. Masalan, germaniy kristall panjarasida besh valentli mishyak atomi (rasm 2.4 a-rasm) aralashmasi bolsa, uning valent boglangan tortta elektronlari germaniy atomlari bilan kovalent boglanish ornatishda ishtirok etadi. Beshinchi elektron atom bilan kristall panjarada mustaxkam aloqada bolmay, erkin elektron bolib qoladi. Aralashmaning beshinchi «ortiqcha» elektroni tashqi tasir natijasida «ozining» atomi tasiridan chiqib ketadi va zaryad tashuvchilarning dreyf oqimini xosil qilishi yoki erkin xarakatlanishi mumkin. Boshqacha aytganda, yarim otkazgichlarda aralashmalarning bolishi, legirlangan yarim otkazgich elektr qarshiligining keskin kamayishiga (germaniy uchun 104 Om mm va kremniy uchun 0,5 Om mm) va kop miqdorda erkin elektronlar hosil bolishiga olib keladi. Erkin elektronlar xarakati bilan yuzaga kelgan otkazuvchanlikni «n» turli elektron otkazuvchanlik, materialning ozini esa «n» turli yarim otkazgich deb ataladi (n lotincha negativ manfiy sozidan olingan). Yarim otkazgichdagi elektron otkazuvchanlikni xosil qiluvchi aralashmalar donorlar deyiladi. Donor aralashmali valent elektronlarning energetik satxlari (otkazuvchanlik zonasi) yarim otkazgichning taqiqlangan zonasining yuqorirogida joylashgan boladi. Bunday bolishi materiallarda donor satxlarini xosil qiladi. (rasm 2.4 b-rasm).
2.4 -rasm. Mishyak aralashgan germaniyning ekvivalent panjarasi (a) va energetik zona diagrammasi (b): 1 otkazuvchanlik zonasi, 2 taqiqlangan zona, 3 valent zona, 4 aktseptor satxi, 5 erkin elektron.
Donor satxi energiyasiga ega bolgan elektronlar otkazuvchanlik zonasiga osongina otib, zaryad eltuvchilarning diffuziya oqimini xosil qiladi.
Sof yarim otkazgich germaniyga uch valentli indiy aralashmasi kiritilsin. 2.5 a-rasmda indiy aralashmasi mavjud bolgan germaniy kristall panjarasi korsatilgan. Uch valentli indiy atomi tortta germaniy atomi bilan kovalent boglanishga kirishadi va uning bitta bogi elektron bilan tolmay qoladi. Tashqi maydon qoshni atom elektronini shu tolmay qolgan kovalent boglanishiga (elektron vakantsiyasiga) otishga majbur etadi, boshagan oringa esa oz navbatida boshqa qoshni atomning elektroni otadi va xokazo.
Indiy aralashmali yarim otkazgichda oziga xos elektronlarning navbatma-navbat xarakati vujudga keladi. Bunda elektron lar atomlardan uzoqlashib ketmaydi, doim ular bilan ozaro boglangan boladi. Boglangan elektronlarning bunday ketma ket siljishini shartli ravishda, musbat zaryadga ega bolgan bosh kovalent boglanishga ega bolgan teshiklarning elektronlar tomon xarakati deb qarash mumkin. Teshiklar xarakati bilan yuzaga kelgan otkazuvchanlikni kovakli (teshikli) otkazuvchanlik, materialning ozini esa r turli yarimotkazgich deb ataladi» (r lotincha Rozitiv musbat sozidan olingan). Yarimotkazgichlarda teshikli otkazuvchanlikni hosil qiluvchi aralashmalarga aktseptorlar deyiladi.
Aktseptor aralashmali yarimotkazgichlarda taqiqlangan zonaning pastki qismida, valent elektronlar zonasi yaqinida, erkin energetik satxlar yuzaga keladi, ular aktseptor satxlari deb ataladi (2.5 b rasm). Valent zonadan elektronlar aktseptorlar satxlariga osongina otib, unda erkin elektronlar vakantsiyasi teshiklarni xosil qiladi. Shunday qilib, sof yarim otkazgichli materialga donorli (Aѕ) yoki aktseptorli (Jn) aralashmalar qoshib, sunoiy ravishda elektron (n turli) yoki teshikli (r turli) otkazuvchanlikka ega bolgan yarimotkazgichlar olish mumkin. Bunday materiallardan quyidagi yarim otkazgichli asboblar tayyorlanadi: diodlar, tranzistorlar, tiristorlar va xokazo.
2.5 -rasm. Indiy aralashgan germaniyning ekvivalent zonasi (a) va energetik zona diagrammasi (b):1 otkazuvchanlik zonasi, 2 taqiqlangan zona, 4 aktseptor satxi, 5 elektron, 6 teshik.
2.2. ELEKTRON TESHIKLO «N-P» OTISH
Juda kop yarimotkazgichli asboblarning ishlashi turli xil otkazuvchanlikka ega bolgan, yarim otkazgich kristallarida suniy yol bilan hosil qilingan, ikkita qoshni soxa chegarasida yuz beradigan jarayonlar bilan bogliqdir. Bu chegaraviy qatlamlar elektron teshikli yoki «n-r» otish deb aytiladi.
Yuqorida aytib otilganidek (2.6 a-rasmga qarang), kristallarning elektron «n» turli otkazuvchanlik soxasidagi asosiy elektr zaryad eltuvchilari erkin elektronlar xisoblanadi. Aralashma atomlariga esa fiksasiyalangan (aniq belgilangan) musbat zaryadlar (donor aralashma ionlari) togri keladi. Teshikli «r» turli otkazuvchanlik soxasidagi asosiy zaryad eltuvchilar bolib kovaklar (teshiklar) xisoblanadi, aralashma atomlarida esa fiksasiyalangan manfiy zaryadlar (aktseptorlar aralashma ionlari) togri keladi.
Turli xil otkazuvchanlikka ega bolgan kristallarni bir biriga birlashtirilmasa, zaryad tashuvchilar ularning butun xajmi boyicha teng taqsimlanadi. Agar suniy ravishda «n r» otishni eritish, diffuziya yoki ostirish usuli bilan xosil qilinib, kristallar birlashtirilsa, chegara qatlamida elektron va teshiklarning rekombinasiyasi yuz beradi. «n» -tur yarim otkazgichning otkazuvchanlik zonasidagi erkin elektron, «r» tur yarim otkazgichning valent zonasidagi erkin kovaklar satxlarini egallaydi. Buning natijasida ikki kristall Birlashgan chegaraviy zona yaqinida zaryad eltuvchilar yoqoladi va yuqori elektr qarshiligiga ega bolgan qatlam xosil boladi. Bu siyraklashgan berkituvchi qatlam yokisi «n -r» otish deb aytiladi. Uning qalinligi bir necha mikrondan ortmaydi. Berkituvchi qatlamning kengayishiga xarakatsiz donor va aktseptor ionlari qarshilik korsatadi. Ular kristallar chegarasida kontakt potentsiallar farqini potentsial tosiqni vujudga keltiradi. Xosil bolgan elektr maydon (eo) kuch chiziqlarini yonalishi «n» soxadan «r» soxa tomon boladi va u elektron hamda teshiklarni xarakatlanishiga tosqinlik qiladi, yani qarshilik korsatadi. Bu maydon tasirida «n-r» otishning qarshiligi ortadi. (2.6-v-rasmda) «n r» otishli yarim otkazgich qatlamlariga mos keluvchi elektrostatik potentsial (e) ning taqsimlanishi korsatilgan. Agar ana shunday yarim otkazgichga tashqi manba (GB) dan «r» tur kristallga «musbat» va r-tur kristallga «manfiy» kuchlanish berilsa (2.7 a-rasm) berkituvchi qatlam yanada kengayadi, chunki kontakt zonalardan xam musbat («r» zona ichiga), xam manfiy («n» zona ichiga) tashuvchilarning (elektron va teshiklar) «sorilishi» yuz beradi. Demak, tashqi manba qutblari 2.7 a rasmda korsatilgandek bolsa, «n r» otishning qarshiligi ortib ketadi va undan oqib otayotgan tok miqdori oz boladi. Manbaning bunday ulanishi teskari ulash deyiladi.