Nə etmək lazımdır

2. YARIMKEÇİRİCİLƏR ELEKTRONİKASININ FİZİKİ ƏSASLARI


2.1. Elektrik keçiriciliyi
Məlum olduğu kimi, bütün maddələr öz elektrik xassələrinə görə üç əsas sinfə bölünə bilərlər: keçiricilər, yarımkeçiricilər və dielektriklər. Belə təsnifat xüsusi müqavimətin () qiymətinə əsaslana bilər. Tipik keçiricilər üçün xüsusi müqavimət   10^-6 Omm, yarımkeçiricilər üçün   10⁸ Omm, nisbətən geniş yayılmış yarımkeçiricilər üçün  = 10^-5... 10⁷ Omm diapazonunda aralıq qiymətlərə malik olur.
Öz təbiətinə (kristal qəfəsin qurulma xüsusiyyətinə görə) görə və temperaturdan asılı olaraq müxtəlif sayda sərbəst elektronlara və deşiklərə malik ola bilən bərk materiallar yarımkeçirici termini ilə təsvir edilir. Sərbəst yük daşıyıcılarının miqdarından asılı olaraq materiallar yüksək və ya aşağı keçiriciliyə malik olacaq, keçiriciliyə əks olan kəmiyyət – xüsusi elektrik müqaviməti isə yarımkeçiricilər üçün otaq temperaturunda 10^-2 Om·sm-dən (məsələn, indium-arsenid və qalium-arsenid üçün) 10⁶ Om·sm-ə (selen üçün) qədər diapazonda olacaq. Sərbəst yük daşıyıcılarına sahib olmayan və bunun nəticəsində yüksək daxili müqavimətə malik olan materiallar dielektriklər (məsələn, şüşə (SiO₂), slyuda, kəhrəba, çini, polivinilxlorid (PVX)) adlanır. Öz keçiriciliyini hətta aşağı temperaturlarda belə saxlayan və normal şəraitlərdə son dərəcə aşağı müqavimətə malik olan materiallar keçiricilər (alüminium, mis, gümüş, qızıl) adlanır. Bərk metallardan fərqli olaraq, qazların və mayelərin keçiriciliyi bu maddələrin ionlarının hərəkətliliyindən, və deməli, maddənin özünün hərəkətliliyindən asılıdır.
Materialların elektrik xassələrinin fərqinin fiziki əsasını kvant-mexaniki yanaşmadan istifadə edərək zona nəzəriyyəsinə görə vermək olar. Məlumdur ki, izolyasiya olunmuş atomda elektronlar yalnız nüvə və onların öz aralarındakı qarşılıqlı əlaqə ilə müəyyən edilən diskret energetik səviyyələri tuta bilərlər. Bərk cisimdə bu qüvvələrə atomların qarşılıqlı əlaqəsi əlavə olunur ki, nəticədə atomda elektronların energetik vəziyyəti dəyişir. Elektronlar Pauli prinsipinə tabe olduğuna görə energetik səviyyələr parçalanır. Pauli prinsipinə görə kvant-mexaniki sistemdə eyni kvant ədədləri yığımına malik iki fermion mövcud ola bilməz. İstənilən makroskopik sistemdə zərrəciklərin sayı çox olduğundan bu parçalanmış səviyyələr biri-birinə çox yaxın olub, zonalar əmələ gətirir. Atomlar arasında müəyyən məsafə olduqda (məsələn, misdə 2,56 A, almazda 1,54 A) möhkəm stuktur (kristal qəfəs) yaranır ki, bu da elektronlar üçün energetik zona əmələ gətirir. Ümumi halda zona diaqramında bir-birindən qadağan zonası ilə ayrılan icazə verilmiş energetik səviyyəsi olmayan bir neçə icazə verilmiş zonalar olur. Ancaq bəzi hallarda icazə verilmiş zonalar bağlana bilər. Elektron buludların strukturundan və kristalda atomlararası məsafədən asılı olaraq, mütləq sıfra yaxın temperaturda icazə verilmiş zona qismən və ya tam elektronlarla dola bilər, yaxud boş ola bilər. Bir qayda olaraq, izolyasiya olunmuş atomların daxili buludları elektronlarla tam dolduqda, onların buna uyğun zonaları da dolmuş olur. Elektronlarla tam və ya qismən dolmuş ən yuxarı energetik zonanı valent zonası, ona ən yaxın boş zonanı isə keçiricilik zonası (sərbəst zona) adlandırırlar. Əgər keçiricilik zonasında N elektron yerləşirsə, onda mütləq sıfır temperaturunda onlar Pauli prinsipinə əsasən ən aşağı energetik səviyyələrin N/2-i tutur.
Bu şərtlər daxilində tutulmuş səviyyələrdən ən yüksək olanı Fermi səviyyəsi E_f adlanır. Metalların böyük hissəsi üçün Fermi enerjisinin E_f qiyməti 3-dən 15 eV-a qədər olur. Temperatur artan zaman elektronların bir hissəsi daha yüksək energetik səviyyələrə keçə bilər, həm də verilmiş mütləq temperaturda T səviyyələrin dolma ehtimalı p(E) Fermi-Dirak funksiyası ilə təyin edilir:


,

burada, E – elektronun enerjisi; k – Bolsman sabitidir.

Göstərilən düstur verilmiş səviyyənin elektronla tutulma ehtimalını verir. T = 0 temperaturunda
E E_F olduqda, p(E) =1
E E_F olduqda, p(E) =0 olur.
Düsturun analizi gostərir ki, sıfırdan fərqli istənilən temperaturda E = E_F olduqda, p(E) =1 olur.
Zona nəzəriyyəsi baxımından bütün bərk cismləri iki qrupa bölmək olar:

• 
  valent zonası ilə keçiricilik zonası birləşdirilmiş yaxud örtülmüş materiallar (şəkil 2.1,a);
  
• 
  valent zonası ilə keçiricilik zonası çox və ya az geniş qadağan olunmuş zona ilə ayrılan materiallar (şəkil 2.1,b).
  

Şəkil 2.1. Keçiricinin (a), məxsusi yarımkeçiricinin və dielektrikin (b) zona diaqramları

Birinci qrupa keçiricilər aiddir. Keçiricilərdə elektronlar hətta ən zəif xarici energetik təsirdən daha yüksək (və yaxın yerləşmiş) energetik səviyyələrə asanlıqla keçirlər ki, bu da keçiricilərin yüksək enerjikeçirmə qabiliyyəti ilə izah olunur. Keçiricilərə xarici elektrik sahəsi ilə təsir etdikdə keçiricilik zonasında olan elektronlar (yük daşıyıcıları) elektrik sahəsinə əks istiqamətdə hərəkət edirlər ki, bununla da elektrik cərəyanı yaradırlar.

İkinci qrupda isə elektronların daha yüksək icazə verilmiş energetik səviyyələrə keçməsi qadağan olunmuş zonanın enindən böyük xarici elektrik sahəsinin müəyyən həddinin olması ilə xarakterizə olunur. Geniş qadağan olunmuş zonaya (3 eV-dan çox) malik materiallara dielektriklər, nisbətən dar qadağan olunmuş zonaya (3 eV-dan az) malik materiallara isə yarımkeçiricilər aiddir. Zona nəzəriyyəsi nöqteyi-nəzərindən yarımkeçiricilər və dielektriklər arasındakı fərq yalnız kəmiyyət xarakterli olub, qadağan olunmuş zonanın eninin müxtəlif olmasından ibarətdir.