Toshkent davlat transport universiteti

§ 2.2. Sof va aralashmali elektr o’tkazuvchanlik. Fermi sathi va uning holati

Yarim o’tkazgichlar xususiy va aralashmali yarim o’tkazgichlarga bo’linadi.

T=0 K da xususiy yarim o’tkazgichlarning valent zonasi elektronlar bilan butunlay to’lgan bo’ladi, bu holda yarim o’tkazgich sof dielektrik bo’ladi. Agar temperatura T=0 K bo’lsa, valent zonaning yuqori satrlardagi bir qism elektronlar o’tkazuvchanlik zonasining pastki sathlariga o’tadi (2.5-rasm). Bu holda elektr maydoni ta’sirida o’tkazuvchanlik zonasidagi elektronlarning xolati o’zgaradi. Bundan tashqari valent zonada hosil bo’lgan bo’sh joylar xisobiga ham elektronlar o’z tezligini o’zgartiradi. Natijada yarim o’tkazgichning elektr o’tkazuvchanligi noldan farqli bo’ladi, yaoni sof yarim o’tkazgichda erkin elektron va teshik vujudga keladi.
Elektr maydoni ta’sirida butun kristall bo’ylab elektronlar maydonga teskari yo’nalishida, teshiklar esa maydon yo’nalishda harakatga keladi. Bunday elektr o’tkazuvchanlik faqat sof yarim o’tkazgichlar uchun xos bo’lib, uni xususiy elektr o’tkazuvchanlik deyiladi.
Sof yarimo’tkazgichlarda m – manfiy qiymatga ega bo’ladi va Fermi sathi o’tkazuvchanlik sohasining tubidan pastda joylashadi.
O’tkazuvchanlik sohasidan Fermi sathigacha bo’lgan energetik masofani m va valent sohasi shipidan bu sathgacha bo’lgan energetik masofani m¢ deb belgilaymiz va ular taqiqlangan soha kengligi bilan quyidagicha bog’lanadi:
, (2.1)
bu yerda E_g – taqiqlangan sohaning kengligi. T temperaturada o’tkazuvchanlik sohasidagi elektronlarning konsentrasiyasini 0 dan E_γ gacha energiya oralig’ida integrallash bilan topamiz.
, (2.2)
E ortishi bilan funksiyasi juda tez kamayib borishini e’tiborga olsak, integrallash chegarasini 0 dan ¥ gacha deb olish mumkin
, (2.3)
Bu funksiyaning yechimi xususiy yarimo’tkazgichning o’tkazuvchanlik sohasidagi elektronlarning konsentrasiyasi ifodasini beradi:
, (2.4)
Xuddi shu amallarni valent sohasidagi kovaklar uchun qo’llab ularning konsentrasiyasi uchun quyidagi munosabatga ega bo’lamiz:
, (2.5)
(2.4) va (2.5) – ifodalarda m_n va m_p elektron va kovaklarning effektiv massalaridir. Shu ifodalardan ko’rinib turibdiki, Fermi sathi bilan sohalar o’rtasidagi energetik masofa kengayishi bilan shu sohaga tegishli zaryad tashuvchilar konsentrasiyalari (n va p) kamayib boradi.
Aynimagan yarim o’tkazgichlarda, belgilangan biror T – temperatura uchun, elektronlar bilan kovaklar konsentrasiyalarining ko’paytmasi o’zgarmas kattalikdir.
, (2.6)
Xususiy yarimo’tkazgichlarda o’tkazuvchanlik sohasidagi elektronlar konsentrasiyasi n_i valent sohadagi kovaklar konsentrasiyasi p_i ga tengdir:
, (2.7)
chunki, valent sohadan o’tkazuvchanlik sohasiga qancha elektron o’tsa, shuncha bo’sh energetik o’rinlar, ya’ni kovaklar hosil bo’ladi. Shuning uchun (2.4) – va (2.5) – ifodalarning o’ng tomonlarini tenglashtirsak quyidagi ifodaga ega bo’lamiz:

Bu ifodani m ga nisbatan yechib, xususiy yarimo’tkazgichning Fermi sathi holatini aniqlaymiz:
, (2.8)
T = 0 K bo’lgan holda ga teng, ya’ni Fermi sathi taqiqlangan sohaning qoq o’rtasida joylashgan. Temperatura ortishi bilan, agar m_p > m_n bo’lsa, Fermi sathi o’tkazuvchanlik sohasi tubi tomon siljiydi, m_n > m_p bo’lsa, valent sohasi shipi tomon siljiydi. Lekin bu siljishlar shunchalik kichikki, ularni ayrim hollarda e’tiborga olmasa ham bo’ladi .
Fermi sathining qiymatini (2.4) – va (2.5) –ifodalarga qo’ysak, xususiy yarimo’tkazgichlardagi elektron va kovaklar konsentrasiyasini aniqlashimiz mumkin:
, (2.9)
ular taqiqlangan soha kengligi va temperaturaga bog’liqdir. Xususiy yarimo’tkazgichlarda belgilangan T – temperatura uchun elektronlar va kovaklar konsentrasiyalarining ko’paytmasi o’zgarmas kattalikdir:
, (2.10)
Demak, xususiy yarim o’tkazgichlarda Fermi sathi (E) taqiqlangan zonaning o’rtasida joylashadi.
Yarim o’tkazgichning o’tkazuvchi va valent zonalaridagi elektron va kovaklar zaryad tashuvchilardir. Ma’lumki, o’tkazuvchanlik zaryad tashuvchilarning konsentrasiyasiga proporsional bo’ladi, u holda xususiy yarim o’tkazgichlarning elektr o’tkazuvchanligi s temperatura ortishi bilan ortadi va quyidagi qonuniyat bo’yicha o’zgaradi