Yarimo‘tkazgich — material bo‘lib, solishtirma elektr o‘tkazuvchanligi bo‘yicha o‘tkazgichlar bilan dielektriklar orasida oraliq o‘rinni egallaydi hamda o‘tkazgichlardan (metallardan) farqli ravishda uning solishtirma elektr o‘tkazuvchanligi aralashmalar konsentratsiyasi, harorat va turli xil nurlanishlar ta’siriga kuchli bog‘liq.

Yarimo‘tkazgichlarning asosiy xususiyati — harorat oshishi bilan elektr o‘tkazuvchanligining ortishidir.

Yarimo‘tkazgichlarga taqiqlangan zona kengligi taxminan bir elektronvolt (eV) bo‘lgan kristall moddalar kiradi. Masalan, olmosni keng zonali yarimo‘tkazgichlar qatoriga kiritish mumkin (taqiqlangan zona kengligi taxminan 5,47 eV), indiy arsenidi esa tor zonali yarimo‘tkazgichlarga kiradi (0,35 eV).

Yarimo‘tkazgichlar qatoriga ko‘plab oddiy moddalar (germaniy, kremniy, selen, tellur, margimush va boshqalar), juda ko‘p qotishmalar hamda kimyoviy birikmalar kiradi (muhim yarimo‘tkazgich birikmalar jumlasiga galliy arsenidi, galliy nitridi, KRT qotishmasi (kadmiy-simob-tellur), kadmiy telluridi, vismut telluridi va boshqalar kiradi).

Sof moddaning kristall panjarasida uchraydigan boshqa kimyoviy elementlarga tegishli atomlar (masalan, kremniy kristalidagi atomlar: fosfor, bor va hokazolar) aralashmalar yoki legirlovchi aralashmalar deb ataladi. Aralashma atomlari kristall panjarada elektronlarni berishiga (kremniyda fosfor) yoki ularni qabul qilishiga (kremniyda bor) qarab, aralashma atomlari donor yoki akseptor deb ataladi. Aralashmaning donor yoki akseptorlik xususiyati aralashma atomlari kristall panjaraning qaysi atomlarini almashtirishi va qaysi kristallografik tekislikka joylashishiga qarab o‘zgarishi mumkin.

Elektr o‘tkazuvchanligi yarimo‘tkazgichlarda haroratga bog‘liq. Mutlaq nol haroratiga yaqin sharoitda yarimo‘tkazgichlar elektr tokini o‘tkazmaydi va dielektrik hisoblanadi.

Aynan 1833-yilda ingliz tajribachi fizigi Maykl Faradey o‘zining «Elektr bo‘yicha eksperimental tadqiqotlar» asarida elektr o‘tkazuvchanligining haroratga g‘ayrioddiy bog‘liqligini kumush sulfidida tasvirlab bergan: harorat ko‘tarilganda u ortgan, metallarning o‘tkazuvchanligi esa qizdirilganda kamaygan. 1838-yilga kelib Faradey shu kabi xossalarga ega yana 5 ta moddani kashf etgan. Keyinchalik bunday moddalar «yarimo‘tkazgichlar» deb atalgan.

1820—1900-yillarda kristallarning turli xususiyatlarini o‘rganishga fransuz fiziklarining sulolasi — Bekkerellar katta hissa qo‘shgan: Antuan Sezar Bekkerel, Aleksandr Edmond Bekkerel va Antuan Anri Bekkerel. Ular kristallarning pyezoelektrik, termoelektrik xususiyatlarini o‘rganishgan, 1851-yilda Aleksandr Edmond Bekkerel fotogalvanik effektni elektrolit–yarimo‘tkazgich tutashuvida kashf etgan.

Yarimo‘tkazgichlar ham o‘tkazgichlar, ham dielektriklar xususiyatiga ega. Yarimo‘tkazgich kristallarida atomlar orasida kovalent bog‘lar mavjud (ya’ni kremniy kristalidagi bog‘langan bitta elektron ikkita atomga tegishli). Elektronni bo‘shatish uchun atomlar bilan bog‘ni uzishga yetarli qo‘shimcha energiya kerak (kremniyda bu energiya 1,76⋅10⁻¹⁹ J, izolyatorda esa 11,2⋅10⁻¹⁹ J bo‘lib, yarimo‘tkazgichlar va dielektriklar o‘rtasidagi farq shu bilan belgilanadi).

Harorat oshganda elektronlarga shunday energiya beriladi (masalan, xona haroratida atomlarning issiqlik harakati energiyasi taxminan 0,04⋅10⁻¹⁹ J). Statistik jihatdan faqat ayrim elektronlar atomdan ajralish uchun yetarli energiya olib, erkin elektronga aylanadi. Elektron atomdan ajralganda uning o‘rnida kovak deb ataladigan bo‘sh joy paydo bo‘ladi. Harorat ko‘tarilishi bilan erkin elektronlar va kovaklar soni ortadi; shuning uchun aralashmasiz yarimo‘tkazgichda zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi ortib, solishtirma elektr qarshiligi kamayadi. Shartli ravishda elektronlarning bog‘lanish energiyasi 1,5—2 eV dan kichik bo‘lgan moddalar yarimo‘tkazgich hisoblanadi. Sof (ya’ni aralashmasiz yoki legirlanmagan) yarimo‘tkazgichlarda elektron-kovakli o‘tkazuvchanlik mexanizmi kuzatiladi. U yarimo‘tkazgichlarning xususiy elektr o‘tkazuvchanligi deb ataladi.

Harakatchanlik

Asosiy maqola: Zaryad tashuvchilarning harakatchanligi

Harakatchanlik (dreyf tezligi bilan elektr maydoni orasidagi proporsionallik koeffitsiyenti) ${\displaystyle \mu }$ tok tashuvchilarning dreyf tezligi ${\displaystyle \overrightarrow{v}}$ hamda ularga qo‘llanilgan elektr maydoni ${\displaystyle \overrightarrow{E}:}$

${\displaystyle \overrightarrow{v}=\mu \overrightarrow{E}.}$.

Bunda, umuman olganda, anizotrop kristallarda harakatchanlik tenzor bo‘lib, uning komponentlari ${\displaystyle {\mu }_{\alpha \beta }:}$

${\displaystyle v_{\alpha }={\mu }_{\alpha \beta }{E}_{\beta }.}$.

Elektronlar va kovaklarning harakatchanligi ularning yarimo‘tkazgichdagi konsentratsiyasiga bog‘liq (rasmga qarang). Zaryad tashuvchilar o‘rtasidagi to‘qnashuvlar ehtimoli katta konsentratsiyada ortadi, natijada harakatchanlik kamayadi. Shunga qaramay, legirlash darajasi oshganda elektr o‘tkazuvchanligi ortadi, chunki harakatchanlik pasayishi zaryad tashuvchilar konsentratsiyasi ortishi hisobiga qoplanadi.

O‘lchov birligi: harakatchanlik m²/(V·s) SI tizimida yoki sm/(V·s), SGS tizimida.

Termodinamik muvozanatda yarimo‘tkazgichdagi elektronlar konsentratsiyasi harorat bilan quyidagi munosabat orqali bog‘langan:

${\displaystyle \overline{n}=\frac{2}{h^3}(2\pi mkT{)}^{3/2}{e}^{-\frac{E_C-E_F}{kT}}}$.

bu yerda ${\displaystyle h}$ — Plank doimiysi;

${\displaystyle m}$ — elektronning massasi;;

${\displaystyle T}$ — mutlaq harorat;

${\displaystyle E_C}$ — o‘tkazuvchanlik zonasi sathi;

${\displaystyle E_F}$ — Fermi sathi.

Yarimo‘tkazgichdagi kovaklar konsentratsiyasi ham harorat bilan quyidagi munosabat orqali bog‘langan:

${\displaystyle \overline{p}=\frac{2}{h^3}(2\pi mkT{)}^{3/2}{e}^{-\frac{E_F-E_V}{kT}}}$

bu yerda ${\displaystyle h}$ — Plank doimiysi.

${\displaystyle m}$ — kovakning effektiv massasi;

${\displaystyle T}$ — mutlaq harorat;

${\displaystyle E_F}$ — Fermi sathi;

${\displaystyle E_V}$ — valentlik zonasi sathi.

Xususiy konsentratsiya ${\displaystyle n_i}$ quyidagi kattaliklarga — ${\displaystyle \overline{n}}$ va ${\displaystyle \overline{p}}$ — bog‘liq bo‘lib, quyidagi munosabat bilan ifodalanadi:

${\displaystyle \overline{n}\overline{p}=n_i^2}$.

Quyidagi jadvalda ko‘plab yarimo‘tkazgich elementlar va ularning birikmalari bir necha turga ajratib ko‘rsatilgan:

• elementlar davriy sistemasining,
• IV guruhiga mansub bir elementli yarimo‘tkazgichlar; ikki elementdan tuzilgan murakkab A^IIIB^V va A^IIB^VI birikmalari, ya’ni mos ravishda uchinchi va beshinchi hamda ikkinchi va oltinchi guruh elementlari.

Barcha turdagi yarimo‘tkazgichlarda taqiqlangan zona kengligining davrga bog‘liqligi kuzatiladi: davr tartib raqami ortgan sari taqiqlangan zona kengligi kamayadi.

Yarimo‘tkazgichlarning fizik xususiyatlari metallar va dielektriklarga qaraganda batafsilroq o‘rganilgan. Bunga boshqa materiallarda kuzatilmaydigan, yarimo‘tkazgichlarning zonali tuzilishi va taqiqlangan zonasining nisbatan torligi bilan bog‘liq ko‘plab fizik hodisalar ham katta hissa qo‘shadi.

Yarimo‘tkazgich materiallarni o‘rganishning asosiy rag‘bati — yarimo‘tkazgichli asboblar va integral mikrosxemalar ishlab chiqarishdir. Bu, avvalo, kremniyga tegishli, ammo boshqa yarimo‘tkazgich materiallarga ham taalluqlidir (Ge, GaAs, InP, InSb).

Kremniy — bilvosita zonali yarimo‘tkazgich bo‘lib, uning optoelektrik xususiyatlaridan fotodiodlar va quyosh batareyalarini yaratishda keng foydalaniladi. Ammo kremniy asosida nurlanish manbaini yaratish qiyin. Shu bois bevosita zonali yarimo‘tkazgichlar — A^IIIB^V turidagi birikmalar, jumladan, GaAs, GaN qo‘llaniladi. Ulardan yorug‘lik diodlari va yarimo‘tkazgichli lazerlar.

Xususiy yarimo‘tkazgich mutlaq nol haroratida o‘tkazuvchanlik zonasida erkin zaryad tashuvchilarga ega bo‘lmaydi va o‘tkazgichlardan farqli ravishda dielektrik kabi tutadi. Kuchli legirlashda esa vaziyat o‘zgarishi mumkin (qarang: degeneratsiyalangan yarimo‘tkazgichlar).

Yarimo‘tkazgichlarning xususiyatlari ularni olish usuliga bog‘liq, chunki o‘sish jarayonida turli aralashmalar bu xususiyatlarni o‘zgartirishi mumkin. Texnologik monokristall kremniyni sanoat miqyosida olishning eng arzon usuli — Choxralskiy usuli. Texnologik kremniyni tozalash uchun zonali eritish usuli.

ham qo‘llaniladi. Yarimo‘tkazgich monokristallarini olishda fizik va kimyoviy cho‘ktirishning turli usullari ishlatiladi. Monokristall yupqa qatlamlarni o‘stirish uchun texnologlar qo‘llaydigan eng aniq va qimmat qurilmalar — molekulyar-nurli epitaksiya qurilmalari bo‘lib, ular kristallni bir atomli qatlam aniqligida o‘stirish imkonini beradi.

Yarimo‘tkazgichlarning yorug‘likni yutishi zonali tuzilmaning energetik holatlari o‘rtasidagi o‘tishlar bilan bog‘liq. Paulining taqiqlash prinsipiga ko‘ra, elektronlar faqat to‘lgan energetik sathdan bo‘sh sathga o‘tishi mumkin. Xususiy yarimo‘tkazgichda valentlik zonasidagi barcha holatlar to‘lgan, o‘tkazuvchanlik zonasidagi barcha holatlar esa bo‘sh bo‘ladi. Shuning uchun elektronlar faqat valentlik zonasidan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tishi mumkin. Bunday o‘tish uchun elektron yorug‘likdan taqiqlangan zona kengligidan katta energiya olishi kerak. Fotonlar energiyasi kichik bo‘lsa, yarimo‘tkazgichning elektron holatlari o‘rtasida o‘tish sodir bo‘lmaydi. Shu sababli bunday yarimo‘tkazgichlar ${\displaystyle \omega <E_g/\hslash }$ chastotalar sohasida shaffof bo‘ladi; bu yerda ${\displaystyle E_g}$ — taqiqlangan zona kengligi, ${\displaystyle \hslash }$ — Plank doimiysi. Ushbu chastota yarimo‘tkazgich uchun fundamental yutilish chegarasini belgilaydi. Elektronikada ko‘p ishlatiladigan yarimo‘tkazgichlar (kremniy, germaniy, galliy arsenidi) uchun bu chegara spektrning infraqizil sohasida joylashadi.

Yarimo‘tkazgichlarda yorug‘lik yutilishiga tanlash qoidalari, xususan, impulsning saqlanish qonuni. Impulsning saqlanish qonuniga ko‘ra, kvaziimpulsning oxirgi holatdagi qiymati dastlabki holatdagi qiymatdan yutilgan fotonning impulsi miqdoriga farq qilishi kerak. To‘lqin soni fotonda ${\displaystyle 2\pi /\lambda }$ bo‘lib, bu yerda ${\displaystyle \lambda }$ — to‘lqin uzunligi; u yarimo‘tkazgichning teskari panjara vektoriga nisbatan juda kichik. Boshqacha aytganda, ko‘rinadigan yorug‘lik fotonining to‘lqin uzunligi yarimo‘tkazgichdagi atomlararo xarakterli masofadan ancha katta. Shuning uchun elektron o‘tishida oxirgi holat kvaziimpulsi dastlabki holat kvaziimpulsiga deyarli teng bo‘lishi talab etiladi. Fundamental yutilish chegarasiga yaqin chastotalarda bu faqat bevosita zonali yarimo‘tkazgichlarda mumkin. Elektron impulsi deyarli o‘zgarmaydigan optik o‘tishlar bevosita yoki vertikal o‘tishlar deyiladi. Agar foton yutilishida uchinchi zarracha, masalan, fonon ham ishtirok etsa, oxirgi holat impulsi boshlang‘ich impulsdan sezilarli farq qilishi mumkin. Bunday o‘tishlar ham sodir bo‘ladi, ammo ularning ehtimoli kamroq. Ular bilvosita o‘tishlar.

deb ataladi. Shunday qilib, galliy arsenidi kabi bevosita zonali yarimo‘tkazgichlar yorug‘lik kvanti energiyasi taqiqlangan zona kengligidan oshganda yorug‘likni kuchli yuta boshlaydi. Bunday yarimo‘tkazgichlardan optoelektronikada.

foydalanish juda qulay. Kremniy kabi bilvosita zonali yarimo‘tkazgichlar esa yorug‘lik kvanti energiyasi taqiqlangan zona kengligidan sal katta bo‘lgan chastotalarda yorug‘likni ancha zaif yutadi. Bu yutilish faqat bilvosita o‘tishlar tufayli sodir bo‘ladi; ularning intensivligi fononlarning mavjudligiga, demak, haroratga bog‘liq. Kremniydagi bevosita o‘tishlarning chegara energiyasi 3 eV dan yuqori, ya’ni spektrning ultrabinafsha sohasida joylashgan.

Elektron valentlik zonasidan o‘tkazuvchanlik zonasiga o‘tganda yarimo‘tkazgichda erkin zaryad tashuvchilar va natijada fotoo‘tkazuvchanlik.

paydo bo‘ladi. Fundamental yutilish chegarasidan past chastotalarda ham yorug‘lik yutilishi mumkin. Bu hodisa eksitonlarning qo‘zg‘alishi, aralashma sathlari bilan ruxsat etilgan zonalar orasidagi elektron o‘tishlari, shuningdek, panjara tebranishlari va erkin zaryad tashuvchilar tomonidan yorug‘lik yutilishi bilan bog‘liq. Eksitonlarning bog‘lanish energiyasi tufayli eksiton zonalari yarimo‘tkazgichda o‘tkazuvchanlik zonasi tubidan biroz pastroqda joylashadi. Eksiton yutilish spektrlari energetik sathlarning vodorodsimon tuzilishiga ega. Xuddi shuningdek, akseptorlar yoki donorlar taqiqlangan zonada akseptor yoki donor sathlarini hosil qiladi. Ular legirlangan yarimo‘tkazgichning yutilish spektrini sezilarli o‘zgartiradi. Agar bilvosita zonali o‘tishda yorug‘lik kvanti bilan birga fonon ham yutilsa, yutilgan yorug‘lik kvanti energiyasi fonon energiyasi miqdorida kamroq bo‘lishi mumkin. Natijada fundamental yutilish chegarasidan biroz past energiyali chastotalarda ham yutilish yuz beradi.

Yarimo‘tkazgich birikmalar bir necha turga bo‘linadi:

• oddiy yarimo‘tkazgich materiallar — kimyoviy elementlardan hosil bo‘lgan oddiy moddalar: bor B, uglerod C, germaniy Ge, kremniy Si, selen Se, oltingugurt S, surma Sb, tellur Te va yod I. Germaniy, kremniy va selen mustaqil holda keng qo‘llanadi. Qolganlari ko‘pincha legirlovchi qo‘shimcha yoki murakkab yarimo‘tkazgich materiallarning tarkibiy qismi sifatida ishlatiladi;
• murakkab yarimo‘tkazgich materiallarga ikki, uch va undan ortiq kimyoviy element birikmalari kiradi. Ikki elementdan tuzilgan yarimo‘tkazgich materiallar binar deb ataladi. Kimyodagi odatga ko‘ra, ular metallik xususiyati kuchsizroq ifodalangan komponent nomi bilan ataladi. Masalan, margimush tutgan binar birikmalar arsenidlar, oltingugurt tutganlar sulfidlar, tellur tutganlar telluridlar, uglerod tutganlar esa karbidlar deb ataladi. Murakkab yarimo‘tkazgich materiallar komponentlari tegishli bo‘lgan D. I. Mendeleyev elementlar davriy sistemasining guruh raqami bo‘yicha birlashtiriladi va lotin alifbosi harflari bilan belgilanadi (A — birinchi element, B — ikkinchi va hokazo). Masalan, indiy fosfidi InP binar birikmasi A^IIIB^V

deb belgilanadi. Quyidagi birikmalar keng qo‘llanadi:

A^IIIB^V

• InSb, InAs, InP, GaSb, GaP, AlSb, GaN, InN

A^IIB^V

• CdSb, ZnSb

A^IIB^VI

• ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgSe, HgTe, HgS

A^IVB^VI

• PbS, PbSe, PbTe, SnTe, SnS, SnSe, GeS, GeSe

, shuningdek, qo‘rg‘oshin, qalay, germaniy va kremniyning ayrim oksidlari. Oksidlardan tashqari ferrit, amorf shishalar va ko‘plab boshqa birikmalar ham ishlatiladi (A^IB^IIIC₂^VI, A^IB^VC₂^VI, A^IIB^IVC₂^V, A^IIB₂^IIC₄^VI, A^IIB^IVC₃^VI).

Keltirilgan binar birikmalarning aksariyati asosida ularning qattiq eritmalarini olish mumkin: (CdTe)_x(HgTe)_1-x, (HgTe)_x(HgSe)_1-x, (PbTe)_x(SnTe)_1-x, (PbSe)_x(SnSe)_1-x va boshqalar.

A^IIIB^V birikmalari asosan o‘ta yuqori chastotalarda.

ishlaydigan elektron texnika buyumlarida qo‘llanadi. A^IIB^V birikmalari ko‘rinadigan spektr sohasidagi lyuminoforlar, yorug‘lik diodlari, , Xoll datchiklari

va modulyatorlar sifatida ishlatiladi. A^IIIB^V, A^IIB^VI va A^IVB^VI birikmalari yorug‘lik manbalari va qabul qilgichlari, indikatorlar hamda nurlanish modulyatorlarini tayyorlashda qo‘llanadi.

Oksidli yarimo‘tkazgich birikmalar fotoelementlar, to‘g‘rilagichlar va yuqori chastotali induktivlik g‘altaklarining o‘zaklarini tayyorlashda qo‘llanadi.

• Ya. Tauts Yarimo‘tkazgichlardagi fotoelektrik va termoelektrik hodisalar. — M.: Xorijiy adabiyotlar nashriyoti, 1962. — 256 bet.
• Ya. Tauts Yarimo‘tkazgichlarning optik xususiyatlari. — M.: Mir, 1967. — 74 bet.
• P. S. Kireyev Yarimo‘tkazgichlar fizikasi. — M.: Oliy maktab, 1975. — 584 bet. — 30 000 nusxa.
• S. S. Gorelik, V. Ya. Dashevskiy Yarimo‘tkazgichlar va dielektriklar materialshunosligi: Oliy o‘quv yurtlari uchun darslik. — M.: MISIS, 2003. — 480 bet — ISBN 5-87623-018-7.
• V. F. Kiselyov Yarimo‘tkazgichlar va dielektriklardagi sirt hodisalari. — M.: Nauka, 1970. — 399 bet. — 7800 nusxa.
• L. I. Anatichuk, L. P. Bulat Ekstremal harorat sharoitidagi yarimo‘tkazgichlar. — Sankt-Peterburg: Nauka, 2001. — 223 bet. — 1500 nusxa.
• I. B. Xenni Yarimo‘tkazgichlar. — M.: Xorijiy adabiyotlar, 1962. — 668 bet
• R. Smit Yarimo‘tkazgichlar. — M.: Xorijiy adabiyotlar, 1962. — 467 bet
• A. G. Jilich, B. S. Monozon Yarimo‘tkazgichlarda yorug‘likning magnit va elektr ta’sirida yutilishi. — L.: LDU nashriyoti, 1984.
• J. I. Alferov. XX asrda yarimo‘tkazgichlar sohasidagi inqilob (rus tilida) // Kimyo yutuqlari. — Rossiya Fanlar akademiyasi, 2013. — 82-jild, № 7. — 587—596-betlar.

• Mott—Shottki bog‘lanishlarini potensiodinamik elektrokimyoviy impedans spektroskopiyasi usuli bilan olish
• Yarimo‘tkazgich kristallarida sodir bo‘ladigan elektr hodisalari^{[aniqlashtirish]}
• Yarimo‘tkazgichlar ishlab chiqarish^{[aniqlashtirish]}