Mavzu : Metall, vakuum va gazlardagi elektr toki

Yarimoʻtkazgichlar — elektr tokini yaxshi oʻtkazuvchi moddalar (oʻtkazgichlar, asosan, metallar) va elektr tokini amalda oʻtkazmaydigan moddalar (dielektriklar) orasidagi oraliq vaziyatni egallaydigan moddalar. Mendeleyev davriy sistemasida II, III, IV, V va VI guruhlarda joylashgan koʻpchilik elementlar. Masalan: kremniy (Si), germaniy (Ge), mishyak-galliy (GaAs), kadmiy-tellur (CdTl) va h.k. Sof yarimo'tkazgichlar (Cr, Ge)o'zidan elektr tokini o'tkazmaydi. Ularning bir qator birikmalari yarimo'tkazgichlar jumlasiga kiradi. Ya.da ham metallardagi kabi elektr oʻtkazuvchanlik elektronlarning harakati tufayli yuzaga keladi. Biroq elektronlarning harakatlanish sharoitlari metallar va Ya.da turlicha boʻladi. Ya. quyidagi asosiy xususiyatlarga ega: Ya.ning elektr oʻtkazuvchanligi temperatura koʻtarilishi bilan ortib boradi (mas, temperatura 1 K ga ortganda Ya.ning solishtirma oʻtkazuvchanligi 16—17 marta ortadi); Ya.ning elektr oʻtkazuvchanligida atom bilan sust (V guruh elementi qo'shilganda) bog'langan elektronlardan tashqari atom bilan kuchliroq bogʻlangan elektronlar ham ishtirok etadi (baʼzi hollarda bogʻlangan elektronlar asosiy rol oʻynaydi); sof Ya.ga oz miqdorda qoʻshilma kiritib, uning oʻtkazuvchanligini keskin oʻzgartirish mumkin (mas, 0,01% qoʻshilma kiritilganda Ya. ning oʻtkazuvchanligi 10000 marta ortib ketadi).
Past temperaturalarda Ya.ning solishtirma qarshiligi juda katta boʻladi va amalda ular izolyator hisoblanadi, lekin temperatura ortishi bilan ularda zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasi keskin ortadi. Mas, kremniyga biror element qo'shganimizda 20° T.da erkin elektronlar konsentratsiyasi ~10៱17 m³ boʻlsa. 700° da 10៱24 m³ gacha, yaʼni million martadan koʻproq ortadi. Ya.da elektronlar konsentratsiyasining T.ga bunday keskin bogʻlikligi oʻtkazuvchanlik elektronlari issiqlik harakati taʼsirida hosil boʻlishini koʻrsatadi. Yarimoʻtkazgich kristallda atomlar valent elektronlari yordamida oʻzaro bogʻlangan. Atomlarning issiqlik tebranishlari vaqtida issiqlik energiyasi valent elektronlar orasida notekis taqsimlanadi. Ayrim elektronlar oʻz atomi bilan bogʻlanishni uzib, kristallda erkin koʻchib yurish imkonini beradigan yetarli miqdordagi issiqlik energiyasiga ega boʻlib qolishi va erkin elektronlarga aylanishi mumkin. Tashqi elektr maydon boʻlmaganda bu erkin elektronlar tartibsiz harakat qiladi. Elektr maydon taʼsirida esa maydonga qarshi yoʻnalishda tartiblangan harakatga kelib, Ya.da tok hosil qiladi. Erkin elektronlar yuzaga keltirgan oʻtkazuvchanlik elektron yoki n-tip oʻtkazuvchanlik deb ataladi (bu holatda sof yarimo'tkazgichga V guruh elementi qo'shilgan holat). Bogʻlangan elektronning oʻz atomini "tashlab ketishi" atomning elektr neytralligini buzadi. unda "ketib qolgan" elektron zaryadiga miqdoran teng musbat zaryad — teshik vujudga keladi. Tashqi elektr maydon boʻlmaganda elektronlar ham, teshiklar ham tartibsiz harakatlanadi, tashqi maydon boʻlganda esa elektronlar maydonga qarshi, teshiklar maydon boʻylab koʻchadi. Teshiklarning koʻchishi bilan bogliq oʻtkazuvchanlik teshikli yoki p-tip oʻtkazuvchanlik deyiladi (bu holatda sof yarimo'tkazgichga III guruh elementi qo'shilgan holat). Erkin elektronlar soni bilan teshiklar soni bir-biriga tengligi tushunarli. Aniklanishicha, ularning harakatlanish tezligi ham bir xil ekan. Demak, Ya.dagi tok ayni vaqtda ham elektron, ham teshikli oʻtkazuvchanlikdan vujudga keladi. Bunday elektronteshikli oʻtkazuvchanlik Ya.ning xususiy oʻtkazuvchanligi deyiladi. Xususiy oʻtkazuvchanlik sof Ya.da kuzatiladi. Biroq tabiatda sof Ya. yoʻq. Baʼzi qoʻshilmalar Ya.ni erkin elektronlar bilan boyitsa, boshqa baʼzi qoʻshilmalar teshiklar bilan boyitadi. Ya.da yuzaga keladigan bunday oʻtkazuvchanlik aralashmali oʻtkazuvchanlik deb ataladi. Agar asosiy Ya. atomi oʻrniga elementlar davriy sistemasida undan keyingi guruhda turgan element atomi kiritilsa, bu qoʻshilma atomning bitta valent elektroni atomlararo bogʻlanishda ishtirok etmaydi va erkin elektronlar safiga qoʻshiladi, binobarin, n-tip oʻtkazuvchanlik ortadi. Va, aksincha, undan oldingi oʻrinda turgan element atomi kiritilsa, atomlararo toʻla bogʻlanishda 1 ta elektron yetishmaydi, teshik hosil boʻladi. Bunda p-tip oʻtkazuvchanlik ortadi. Qoʻshimcha ikkinchi holda donor (elektron beruvchi) qoʻshilma, birinchi holda esa akseptor (elektron oluvchi) qoʻshilma deb ataladi. Shunday qilib, Ya.ning elektr oʻtkazuvchanligi xususiy va aralashmali oʻtkazuvchanliklar yigʻindisidan iborat boʻladi. Yuqori T.larda xususiy oʻtkazuvchanlik, past T.larda esa qoʻshilmali oʻtkazuvchanlik asosiy rol oʻynaydi. Yarim o'tkazgichlarning tuzilishi
Misol uchun yarim o'tkazgichning tipik vakili bo'lgan germaniyni qaraylik. Uning tartib nomeri 32 va to'rtta elektron qobig'i mavjud: 1-qobiqda 2 ta; 2-qobiqda 8ta, 3-qobiqda 18 ta, 4- qobiqda esa 4 ta elektron joylashgan. Uchta ichki qobiqdagi elektronlar turg'un bo'lib, kimyoviy reaksiya-larda ishtirok etmaydi. Oxirgi to'rtinchi qobiqdagi elektronlar esa atom yadrosi bilan juda kuchsiz bog'langan. Aynan shu elektronlar elementning boshqa atomlarining nechtasi bilan kimyoviy bog'lanishga kira olish qobiliyatini ko'rsatib, mazkur elementning valentligini aniqlaydi. Shuning uchun ham oxirgi qobiqdagi elektronlarga tashqi yoki valentli elektronlar deyiladi. Tashqi qobig'ida to'rtta elektroni mavjud bo'lgan germaniyning valentligi to'rtga teng. Mazkur atomga boshqa atomlar yaqinlashganida valent elektronlar boshqa atomning valent elektronlari bilan oson ta'sirlashadi va kimyoviy bog'lanish hosil qiladi. Atom qobig'iga ma'lum energiya berilganda atomnig ionlashuvi ro'y berishi mumkin. Aynan so'nggi qobiqdagi elektronni ozod qilish uchun eng kam energiya taqozo qilinadi.