Buch lesen: «Электроника асослари. Ўқув қўлланма»

Редактор Салим Мадрахимович Отажонов

Иллюстратор Боходир Хошимович Каримов

Дизайнер обложки Ибратжон Хатамович Алиев

Корректор Ибратжон Хатамович Алиев

Рецензент, физико-математика фанлари доктори, Фарғона Давлат Университети физика-техника факультети профессора Салим Мадрахимович Отажонов

© Боходир Хошимович Каримов, 2023

© Тожибой Мирзамахмудович Мирзамахмудов, 2023

© Боходир Хошимович Каримов, иллюстрации, 2023

© Ибратжон Хатамович Алиев, дизайн обложки, 2023

ISBN 978-5-0056-3165-7

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Кириш

Электроника фани университет ва техника олий ўқув юртларининг «Технологикй таълим», «Физика» «Асбобсозлик», «Электроника ва микроэлектроника» йўналишидаги ўқиётган бакалавр талабалари учун асосий курс хисобланади.

«Электроника асослари» ўқув қўлланмасида етарли даражада расмлар, графиклар, жадваллар ва маълумотномалар берилган.

ПФ-60-сон – 28.01.2022.

2022—2026 йилларга мўлжалланган янги Ўзбекистоннинг тараққиёт стратегияси тўғрисида адолатли ижтимоий сиёсат юритиш, инсон капиталини ривожлантириш масаласига давлат сиёсати даражасига кўтарилган. Тараққиёт стратегиясининг асосий масалаларидан бири бўлиб, ҳамма сохаларида, жумладан, электроника, хисоблаш техникаси, радиотехника, робототехника ва информатикада сохада рақобатбардош кадрларни таёрлашдан иборат.

Шу муносабат билан электрониканинг замонавий элемент базасини кўз олдига келтирувчи, электрон асбобларининг тугун ва схемаларидаги барча қисмидан ўтаётган жараёнларни ўқувчига тушунтирувчи, юкори даражали мутахассис педагог кадрлар ва мухандис кадрлар тайёрлашга талаблар ортиб бормокда. «Олий ва ўрта махсус таълим Низоми» да келажак ўкитувчи, тарбиячилар, мухандисларга энг замонавий билим ва яхши тайёргарлик бериш керак деб, таъкидлаб ўтилган.

Университет ва техника олий юртларида «Электроника асослари курси», «Радиоэлектроника», «Радиоэлектрон қурилмалар ишлаб чикариш технологияси», «Радиоэлектроникадан амалий машғулот», «Микропроцессор техникаси» ва бошқа фанлар қатори асосий талабага политехник тайёргарликни беради.

Якин келажакда физик, технологик, биологик, химик ва кибернетикизланишларни комплекс қўллаб, электроникада катта муваффакиятларга эришилишни педагоглари назарда тутиш керак.

Электроника ўзининг ривожланиш жараёни ва РЭА нинг қиёфасига катта таъсир килиб, замонавий саноат ва қишлоқ хўжалиги, илмий текшириш ва медицинада; маиший хизмат ва транспортда, ўқитиш усулубларни такомиллаштириш ва алоқа воситаси хамда инсон фаолиятининг ҳамма сохаларида принципиал янги асбобяратиш имконини беради. Биз қуйида замонавий электроника ривожланишнинг айрим сохаларни келтирамиз.

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. Қурилмаларнинг истемол энер гиясини камайтириш ва ишлашда ишончлиликни орттиришда, минитюризация килиш, хозирги замон микроэлектроникасини ривожланишдаги асосий тенденцияси, бўлиб катта (БИС) ва ўта катта (СБИС) интеграл микросхемаларни яратилиши электрон тугунлар ва дискрет радиодеталлар блокини алмаштириш имконини беради. Схемаларни кейинги миниатюризацияси электроника, хисоблаш курилмаси ва магнит ёзувчи курилмаларининг такомиллашишига, олдиндан берилган функцияли янги асбоблар яратилишига революцион таъсир кўрсатади. Шуни айтиш керакки, хозирги технологияда битта ярим ўтказгичли кристаллда миллионтагача радиодеталлар бўлган БИС лар яратиш мумкин.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА. Хозирги замон оптоэлектриникада катта сиғимли, тез ишловчи, юқори халақитлардан мухофаза қилинган толалар оптикаси линияларини яратишда фундаментал изланишлар олиб борилмоқда. Бундай линия орқали бир вактнинг ўзида 10000 гача телефон алоқалар, 10 каналгача булган юқори аниқликда рангли телевидения сигналларини жўнатиш мумкин. Оптоэлектроникада ёруғлик нурларининг фазо бўйича модуляция принципи қўлланилади. Бу асосда қуйидаги вакуумсиз электрон «қурилмалар» яратилади: оптоэлектрон кучайтиргичлар, мантиқий элементлар, ясси экранли рангли телевидение, жуда катта информацион табло ва х. з. Хозирда оптоэлектрон хотираловчи (оптик хотираловчи) дисклар яратилди хамда такомиллаштириш бўйича янгидан-янги изланишлар олиб борилмоқда.

КРИОГЕН ЭЛЕКТРОНИКА. Паст (криоген) температурадаги ходисалардан фойдаланилади, яхни бунда металл ва қотишмаларнинг ўта ўтказувчанлиги, изоляторларнинг диэлектрик киритувчанлигини электр майдон ва бошқаларга боғлиқлиги тушунилади. Бундай ходисалардан криоген триггерлар, ўта кенг полосали квант кучайтиргичлари, электр сигналларининг линия тутқичлари ва х.з асбоблар яратишда фойдаланилади. Шуни айтиб ўтиш керакки, криоген асосида мантиқий ва хотираловчи функцияларни бажарувчи БИС ларни хам яратиш мумкин. Электрон асбоб ўрнатилган бўлиб, унинг ёрдамида миллиард ёруғлик йили масофасидаги космик фазосини ўрганиш имконини беради.

МАГНИТ ЭЛЕКТРОНИКА. Бу жуда кичик тўйинган магнитланувчан материалларни вужудга келиши, унинг асосида юпқа плёнкали магнит қурилмалар ишлаб чиқарилишига, магнит плёнкалар, коммутацион қурилма, магнит ярим ўтказгичлар ва х.з ни яратилишига олиб келди. Унча катта бўлмаган магнит ярим ўтказгичли кристаллда мантиқий элементлар, коммутацияловчи қурилмалар ва хотираловчи элементларни хар-хил кўринишларини хосил қилувчи бир неча минг схемалар жойлаштириш мумкин. Бу кристалларда ҳосил қилинган қурилмалар 3*10⁶ бит/с тезликда информацияга ишлов бера олади, хотираси эса бир сантиметр квадратга 10⁵ ли ёзув зичлиги тўғри келади.

БИОЭЛЕКТРОНИКА. Электрониканинг ривожланишидаги яна бир йўналиш бўлиб, тирик организмнинг таркиби ва хаёт фаолиятини, (шу жумладан инсонни) тахлил қилишда, асаб системасини ўрганиш, хар-хил жинсли буғланиш (химиявий майдон), магнит майдони, инсон танаси ва х.з.ни радионурланиш каби муаммоларини ўз ичига олади. Электро радиокардиограмма (ЭКГ) дан фарқли ўлароқ юрак ишлаши сигналини аниқроқ ўлчовчи магнитокардиограмма асбобини яратиш мумкин. Инфарқизил (миокард) дан кейин юрак пайларидаги ўлган қисмларни магнит майдонли квант ўлчовчи асбоби қайд қилади. Кам халакитли радиопрёмниклар ёрдамида инсон танаси ичидаги температурани радионурланиш ёрдамида аниклаш мумкин. Бундай асбоб ёрдамида хроник апендицит, ўпкаларни шабадалаши ва х.з. ни диагноз қилиш мумкин. Инсон иссиқлик нурини ўлчаб жуда қизиқ информацияларни олиши мумкин. Бу био информацияларёрдамида томирлар холати, организмдаги шабадалаш жараёни ва х.з. лар хақида фикр юритиш мумкин. Бу айникса болалар педиатриясида катта ахамиятга чунки, сабаби улар ўзининг касалликлари хакида махлумот бера олмайдилар.

АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА. Электрониканинг бу йўналиши акустик ва пхезоэлектрик эффектларни электр майдони билан таъсирлашишига асосланган. Пхезоэлектрик ўзгартиргичлар, масалан, улpтратовуш линияларда электр сигналлари таъсирида акустик сигналлар хосил қилади ва аксинча. Барчамизки Маълумки, электромагнит ва акустик тўлқинларининг тарқалиш тезлиги ўзаро бир-биридан кескин фарқ қилади, шунга асосланиб эса вақт бўйича сигналларни силжиши ва ушланиб қолишини хосил қилиш мумкин. Пъезооэлектрик ярим ўтказгичлар электр майдони акустик тулқинларга хам таъсир килади. Бу эса телерадио қурилмаларнинг сигналларини ўлчаш имконини беради. Хозирги вақтда мусиқани юқори сифатда қайта эшиттирувчи қурилмалар яратилган.

КВАНТ ЭЛЕКТРОНИКАСИ. Кристалл атомида когерент нурларнинг тарқалиши, яъни мажбурий (индуцирланган) ходисадан фойдаланиб ўта юқори частотали электромагнит тебранишларни хосил қилиш ва кучайтириш усулларини ўрганади. Хозирги вақтда юқори қувватли, бир томонга юқори даража йўналтирилган, кўриш диапозони спекторида тўлқинлар тарқатувчи микро тўлқинли квант генераторлари (лазерлар) яратилган. Бизнинг мамлакатда квант электроникасига асосланган ўта юқори сиғимли, тола – оптик линияли алоқалар, хар-хил технологик қурилмалар, табобат асбоблари, аниқ геодезик механизмлар, атмосферани экологик холатини билувчи асбоблар, ўрганувчи автоматлар ва бошқалар яратилган.

ХЕМОТРОНИКА. Электрониканинг электрохимия билан ривожланишидаги бир йўналиши. Хемотроника паст частотали электрохимиявий ўзгартиргичлар яратади. Хозирги вақтда бир қатор хемотрон асбоблари яратилган: ион тўғрилагич, ўта паст частотали кучайтиргич, электро-химиявий ўзгартиргич. Келажакда суюқлик асосида бошқарилувчи система биоинформацион ўзгартиргич яратилади.

Электрониканинг эришилган ютуқлари унинг чексиз имконидан фойдаланишнинг бошланғич қадами холос. Келажакда ташқи таъсир шароитини ўзгаришга адектив реакция берувчи, сунoий интелектга эга бўлган ва сенсор система асосида жихозланган роботлар билан таoминлаш масаласи қўйилган.

Инсон фаолиятининг хар-хил сохасида электрониканинг қўлланиши узлуксиз кенгаймоқда, чуқурлашмоқда ва дифференциаллашиб бормоқда.

Хозирги замон электроникаси фан ва техникада олдинги ўринни эгаллаб, илмий-техниканинг ривожлантиришда катта ахамиятга эга.

1-БОБ. МАЙДОНДА ЭЛЕКТРОНЛАР ХАРАКАТИ

1 боб электронларнинг бир жинсли, бир жинсли бўлмаган электр майдондаги харакати ва бир жинсли бўлмаган магнит майдоннидаги харакатлари кўриб ўтилган.

1.1. ЭЛЕКТРОНЛАРНИНГ БИР ЖИНСЛИ ЭЛЕКТР МАЙДОНДАГИ ХАРАКАТИ

Электрон асбобларда электронларни электр майдони таъсирида харакатланиши асосий жараёнлардан хисобланади. Электронларни вакуумда харакатланиши оддий ҳамда ярим ўтказгич ёки газ разрядли асбобларида харакатланиши эса мураккаб жараён бўлади.

Бир жинсли электр майдонида электрон харакатини бошқа электронлар билан таъсири йўқ деб караш керак. Хақиқатда эса электронлар орасида ўзаро итаришиш кучи ҳам мавжуд. Электр майдони кўп холларда бир жинсли бўлмасдан мураккаб характерга эга ва у электрониканинг асосларидан бирини ташкил этади.

Маълумки, электрон заряди е=1,6*10^—19 Клга тенг бўлиб, массаси m=9,1*10^—31 кг. Назарий хисоблашлардан электрон тезлиги с=299 792 458 м/с бўлганда, массаси чексиз ортади.

Оддий электровакуум асбобларида электроннинг тезлиги 0,1 м/с ни ташкил этади, массасини эса доимий деб хисоблаш мумкин.

Электроннинг тезланувчи электр майдонидаги харакат

Икки электрод анод ва катод орасидаги электр майдон куч чизиқларини (кучланганлик чизиқлари) 1.1-расмда кўрсатилганидек тасвирлайлик.

Агар электродлар орасидаги потенциаллар айирмаси U, улар орасидаги масофани d десак, майдон кучланганлигини, деб ёзиш мумкин:

Бир жинсли майдон учун Е ўзгармас катталик. Катоддан чиққан электрон кинетик энергия W₀ ва бошланғич тезлик v₀ бўлган тезланувчан электр майдонига кирсин.

1.1-расм. Электроннинг тезлатувчи электр майдонидаги харакати

Майдон кучланганлиги мусбат бирлик зарядга таъсир этувчи кучга тенг бўлади. Шунинг учун битта электронга таъсир этувчи куч бўлади:

F куч E вектор катталигига қарама-қарши йўналгани учун минус ишораси қўйилган.

F куч таъсирида электрон тезланиш олади ва унинг ифодаси куйидагича бўлади:

Электрод томон харакатланаётган электрон харакат охирида энг катта v тезлик ва W кинетик энергияга эришади. Шундай қилиб, тезлатувчи майдонда электроннинг кинетик энергияси ортади. Бу энергия ортишини W—W₀ сифатида кўрсатиш мумкин. Энергиянинг сақланиш қонунига асосан қуйидагини ёзиш мумкин.

Агар электронни бошланғич тезлиги нолга тенг бўлса, бўлади:

Элекроннинг бошланғич тезлиги v₀ <<v бўлганда, қуйидаги тенглама бўйича аниқланади:

Агар U=1 Вольт десак электрон энергияси бир бирлик энергияга тенг булиб, у электрон – Вольт (эВ) деб аталади. Юқоридаги ифода (1.4) дан

e ва m ларни ўрнига қўйиб

дан электороннинг тезлигини топиш мумкин.

Шундай қилиб тезлатувчи майдонда электроннинг харакати потенциаллар фарқига боғлик экан. Электроннинг бошлангич энергиясини элеткрон – Вольтда қуйидагича

ёзиш мумкин. Потенцаиллар айирмаси U=1 Вольтда, тезлиги v=6*10⁵ м/с ва U=100 Вольт бўлганда эса v=6*10⁶ м/с бўлади.

Электроннинг электродлар орасида масофа d=3*10^—3 м ва кучланиши 100 Вольт бўлганда учиш вақти 10^—8 с ни ташкил қилади.

Электр майдони бир жинсли бўлмагани учун электроннинг харакати мураккаб бўлиб амалда бу вақт t=10^—8 – 10^—10 C га тенг.

Электорни секинлаштирувчи майдондаги харакати

Айтайлик электороннинг v₀ бошлангич тезлиги F кучга тескари йўналишда бўлсин (1.2-расм). F куч электоронни v₀ тезлигига тескари йўналишда бўлгани учун унинг харакати текис секинланувчан бўлади. Бундай майдонга секинлаштирувчи майдон дейилади. Ишни электрон бажаргани учун секинлаштирувчи майдонда электроннинг энергияси камаяди. Шундай килиб, секинлаштирувчи майдонда электрон ўз энергиясини майдонга беради.

Бошлангич энергияси еU₀ бўлган электрон потенциал айирмаси U₀ бўлган секинлаштирувчи майдонда харакатланганда энергияси еU₀ га камаяди. Агар eU_0> eU бўлса, электрон электродлар орасида харакатланиб кичик потенциал билан электродга урилади. Агар eU₀ <eU бўлса электрон тўлиқ энергиясини йўқотади. Унинг тезлиги 0 бўлиб, тескари томонга тезланувчан харакат қилади.

1.2-расм. Электроннинг секинлаштирувчи майдондаги харакати

Электроннинг бир жинсли кўндаланг майдондаги харакати

Агар электрон v₀ бошланғич тезлик билан майдон куч чизиқларига нисбатан тўғри бурчак остида харакатланса, майдон электронга F куч билан юқори потенциал йўналиш бўйича тахсир этади (1.3-расм).

1,3-расм. Электронни бир жинсли кўндаланг электр майдондаги харакати.

1.3-расм Электронни бир жинсли кўндаланг электр майдондаги харакати.

F куч бўлмаганда электрон тўғри чизиқли текис v₀ тезлик билан харакат қилар эди. F куч таъсирида электрон v₀ тезликка перпендикуляр бўлган йўналишда харакат қилсин. Бунда электроннинг траекторияси парабола кўринишида бўлиб, мусбат потенциал томон оғади. Электрон майдондан чиққандан сўнг хам инерция бўйича тўғри чизиқ бўйлаб текис харакат қилади.

Шундай қилиб, электрон ва майдон орасида ўзаро энергетик муносабат мавжуд.

1.2. ЭЛЕКТРОНЛАРНИ БИР ЖИНСЛИ БЎЛМАГАН ЭЛЕКТР МАЙДОНИДАГИ ХАРАКАТИ

Бир жинсли бўлмаган майдонда электронлар харакати мураккаб қонуниятлар билан боғланган холда ўзгаради.

Цилиндирсимон электродлар орасидаги радиал йўналишларда бир жинсли бўлмаган электр майдонни олайлик (1.4-расм).

Агар электрон ички электроддан куч чизиқлари бўйлаб харакатланса, у радиус бўйича тўғри чизиқли текис тезланувчан харакат қилади. Харакатланувчи электрон масса ва инерцияга эга бўлганлиги сабабли майдон остида F куч тахсир этади ва унинг траекторияси эгилади.

1.4-расм. Электронларнинг бир жинсли бўлмаган радиал электр майдонидаги харакати.

Агар майдон тезлатувчи характерда бўлса, электрон бошланғич v₀ тезлик билан эгри чизиқ бўйича харакат қилади. Секинлаштирувчи характерга эга бўлган бир жинсли бўлмаган электр майдонида электронларнинг траекторияси эгилади ва унинг тезлиги секинлашади.

1.5-расмда электронларнинг бир жинсли бўлмаган майдондаги харакат кўрсатилган, бунда уларнинг ўзаро таъсири хисобга олинмаган.

1.5-расм. Электронларнинг бир жинсли бўлмаган тезлатувчи майдондаги харакати.

Куч чизиқлари бир жойда тўпланишга харакат килиб куч чизиқлари орасига харакатланувчи электронлар оқими кирганда, уларнниг траекторияси электр майдон куч чизиқлари томон яқинлашади, яъни электронларнинг фокусланишига олиб келади.

Агар электр майдон куч чизиқлари ёйилувчан бўлса, электронлар бир-биридан узоқлашади ва сочилади.

Электр майдон секинланувчи ва яқинлашаётган бўлса электрон тезлиги камайиб сочилади ва аксинча секинланувчи ва сочилувчи бўлса электронлар оқими фокусланади.

1.3. ЭЛЕКТРОННИНГ БИР ЖИНСЛИ БЎЛМАГАН МАГНИТ МАЙДОННИДАГИ ХАРАКАТИ

v₀ бошлангич тезликка эга бўлган электрон бир жинсли магнит майдонида куч чизиқларига тик равишда харакат қилса, унга Лоренц кучи таъсир қилади.

Бу ерда е – электрон катталиги, v₀ – бошланғич тезлик, В – магнит индукция ветори.

Агар v₀ = 0 бўлса F=0 га тенг бўлади, яхни бу холатда электрон характда бўлмайди ва Лоренц кучи нолга тенг бўлади. Лоренц кучи электроннинг тезлигига тўғри бурчак остида таъсир қилганда электроннинг траекторияси эгилади. Куч иш бажармагани учун электроннинг энергияси ва тезлиги ўзгармайди, фақат тезликнинг йўналиши ўзгаради.

1.6-расм. Бир жинсли кўндаланг магнит майдонда электроннинг харакати

Жисмнинг доимий V₀ тезлик билан айлана бўйлаб харакатланиши марказга интилма куч хисобига бўлади.

Электроннинг харакат йўналиши магнит куч чизиғига нисбатан соат стрелкаси йўналиши бўйича бўлади. Электроннинг айлана бўйлаб харакатлангандаги r радусини топайлик.

Бунинг учун марказга интилма кучининг математик ифодасидан фойдаланамиз:

Буни (1.10) даги F билан тенглаштириб:

эканлиги топамиз. Қисқартиришларни бажариб эса ни аниклаймиз:

Электроннинг v₀ тезлиги қанча катта бўлса, инерция бўйича тўғри чизиқ бўйлаб хракатланишга интилади ва трокториясининг радиуси шунча катта бўлади.

Магнит индукция В катта бўлганда Лоренц кучи F катта бўлиб, траектория кўпроқ эгилади, радиуси эса камаяди. Юқоридаги чиқарилган ифода ихтиёрий масса ва заряд учун тўғри.

Магнит майдонига ихтиёрий бурчак остида кираётган электроннинг харакатини кўрайлик. Электронниг бошланғич тезлик вектори ва Х ўқи билан В вектор мос келган координата юзасини танлаб олайлик. V₀ ни иккита, яъни V_X ва V_у ташкил этувчиларга ажратайлик. V_X характаланувчи электроннинг йўналиши магнит куч чизиқлари йўналиши билан бир хил бўлганлиги учун унга магнит майдон таъсир қилмайди. Агар электрон фақат шу тезликка эга бўлганда, у тўғри чизиқли текис харакат қилар эди.

Агар электрон фақат Uy тезликка эга бўлса юзада магнит куч чизиқларига тик йўналишда айлана бўйича харакатланади. В, U_x ва U_y катталиклар иштрок этганилиги учун электроннинг натижаловчи харакати мураккаб бўлиб, траекторияси винт чизиқлари ёки спирал бўйича бўлади (1.7-расм). Спирал траекторияси катталикларга кўра торрок ёки кенгроқ бўлади.

1.7-расм. Электронни бир жинсли магнит майдондаги спирал бўйича харакати.

Назорат саволлари.

1. Электронлар бир жинсли электр майдонда кандай харакат килади?

2. Электронлар тезлатувчи электр майдонида кандай харакат килади?

3. Электронларнинг кундаланг бир жинсли майдондаги харакатини тушунтиринг.

4. Электронларни бир жинсли булмаган магнит майдондаги харакатини тушунтиринг.

5. Электронлар бир жинсли магнит майдонида кандай харакат килади?

6. Электронларни бир жинсли кундаланг магнит майдондаги харакати кандай амалга оширилади?

2-БОБ ЯРИМ ЎТКАЗГИЧЛИ АСБОБЛАР

2 бобда ярим ўтказгичли асбоблар ҳосил қилишнинг физик асослари, «n-р» – ўтиш ҳосил қилиш ва улар асосидаги приборлар-ярим ўтказгичли диодлар, транзисторларнинг схемадаги шартли белгиси, ишлатилиш сохаси ҳамда схемалари ёритилган.

2.1. ЯРИМ ЎТКАЗГИЧ АСБОБЛАР ХОСИЛ ҚИЛИШНИНГ ФИЗИК АСОСЛАРИ

Ярим ўтказгичли асбобларнинг ишлаши «электрон» ҳамда «тешикларнинг» харакатланишига асосланган. Ишлаб чиқаришда бу асбоблар содда – германий (Gе), кремний (Si), селен (Se) ёки мураккаб – арсенид галлий (Gа Аs), кремний карбиди (SiC), галлий фосфиди (GaР) ярим ўтказгич материалидан тайёрланади. Уларнинг хаммаси «олмос» турли мунтазам панжара таркибига эга бўлган кристаллдан иборат.

2.1-расмда атомларининг ташқи орбитасида тўрттадан электрони бўлган тоза германийнинг ясси эквивалент панжараси келтирилган. Электрон турғун холатда бўлиши учун, қўшни тўртта атом билан ковалент яъни қўш боғланади хамда валент электронлар бу боғланишда иштирок этади.

2.1-расм. Германийнинг кристалл панжараси.

Квант механикаси қонунларига, асосан, хар бир валент боғланган электрон учун маoлум бир энергия сатхи тўғри келади. Уларнинг тўплами «валент» (V – зона) зонани ташкил этади.

Электрондан холи бўлган энергетик сатхлар эркин зонани ташкил этади, улар «ўтказувчанлик» (С – зона) зонаси дейилади. Бу икки зона оралиғида учинчи, «тақиқланган» зона жойлашган. Идеал қаттиқ, кристалли жисмларда электронлар бундай энергияга эга эмас. Бундай холат абсолют нол харарот учун тўғри бўлади. Стабил холатни бузувчи ташқи факторлар: иссиклик, харорат, ёруғлик нури, электромагнит майдон ва бошқалар хисобланади. Уларнинг таъсири натижасида валент электронлар ядро билан боғланишни ўзиш учун етарли бўлган қўшимча энергия олиши мумкин. Бунинг учун зарур бўлган минимал энергия модданинг тақиқланган зонаси кенглиги (DW) билан аниқланади. 2.2 расмда ўтказгичлар, ярим ўтказгичлар ва диэлектрикларнинг энергетик зона диаграммалари келтирилган. Уй харакатида металларда тақиқланган зона нолга яқин, диэлектрик материалларда 3—7 ЭВ (олмос) ва ярим ўтказгичларда эса 0,5 – 2,5 ЭВ (германий DW = 0,66 ЭВ, кремний DW = 1,14 ЭВ) ни ташкил этади. Ковалент боғланишдан чиқиб кетган электрон эркин бўлиб қолади ва у кристалл бўйича тартибсиз харакатланади.

2.2 – расм. Энергетик зоналар, а – ўтказгичларники; б – ярим-ўтказгичларники; в – диэлектрикларники: 1 – ўтказувчанлик зона; 2- валент зона; 3 – тақиқланган зона.

Бу электроннинг энергияси ўтказувчанлик зонасидаги энергетик сатхлар қиймати билан аниқланади. Энергия ортиши билан, соф ярим ўтказгичда электрон валент зонанинг юқори сатхидан ўтказувчанлик зонасига ўтади. Бунга хусусий ўтказувчанлик дейилади. Валент зонасидан электрон чиқиб кетганда, унда «тешик» деб аталувчи бўш (вакант) ўрин хосил бўлади (2.3- расм). Эркин электрон бошқа заррачалар билан тўқнашганда, ўз энергиясининг бир қисмини сарфлайди ва бу энергия сатхида яна ковалент боғланишга киришади.

Бу ходисага рекомбинация жараёни дейилади. Электрон – тешик жуфтларининг хосил бўлиш жараёни, параллел равишда ўтади ва иссиқлик мувозанатида эркин электронларнинг сони ўрта хисобда ўзгармас сақланади. Атом билан боғланган электроннинг энергияси сатхдан ортиқроқ бўлса:

2.3 расм. Электрон – тешик жуфтларининг хосил бўлиши. а – германий, б – энергетик диаграмма: 1 – ўтказувчанлик зона, 2 – тақиқланган зона, 3 – валент дона, 4 – электрон – тешик жуфтларининг хосил бўлиши.

Валент зонасидаги вакант (бўш) сатхга ўтиши ва заряд ташувчи бўлиши мумкин. Соф ярим- ўтказгичларда заряд ташувчилар концентрацияси, яхни эркин электрон ва тешиклар сони бир сантиметр кубда 10¹⁷ та бўлиб, солиштирма электр қаршилиги 0,65 Ом м (германий) дан 10 Ом м (селен) гача бўлади. Ярим ўтказгичдаги жараёнларни моделлаштириш қулай бўлиши учун, боғланган электронлар харакати ўрнига заряд ва массалари электронларникига тенг, лекин ишораси қарама – қарши бўлган квази заррача – тешиклар харакати текширилади. Уларнинг харакат йўналиши электронлар харакати йўналишига тескари олинади. Заряд ташувчилар – электрон ва тешиклар харакати умумий холда, иккита компонентдан ташкил топади: концентрацияси кам бўлган йўналишида вужудга келаётган тартибсиз харакат – диффузия ва ташқи электр майдон таъсиридаги харакат – дрейфдан иборат. Соф яримўтказгич иштирокида кўриб ўтилган холат унга жуда оз миқдорда (10^—4 … 10^—6%) аралашма қўшилиши туфайли кескин ўзгариб кетади. Масалан, германий кристалл панжарасида беш валентли мишьяк атоми (расм 2.4 а-расм) аралашмаси бўлса, унинг валент боғланган тўртта электронлари германий атомлари билан ковалент боғланиш ўрнатишда иштирок этади. Бешинчи электрон атом билан кристалл панжарада мустахкам алоқада бўлмай, эркин электрон бўлиб қолади. Аралашманинг бешинчи «ортиқча» электрони ташқи таъсир натижасида «ўзининг» атоми таъсиридан чиқиб кетади ва заряд ташувчиларнинг дрейф оқимини хосил қилиши ёки эркин харакатланиши мумкин. Бошқача айтганда, ярим ўтказгичларда аралашмаларнинг бўлиши, легирланган ярим ўтказгич электр қаршилигининг кескин камайишига (германий учун 10^—4 Ом мм ва кремний учун 0,5 Ом мм) ва кўп миқдорда эркин электронлар ҳосил бўлишига олиб келади. Эркин электронлар харакати билан юзага келган ўтказувчанликни «n» – турли электрон ўтказувчанлик, материалнинг ўзини эса «n» – турли ярим – ўтказгич деб аталади (n – лотинча negativ – манфий сўзидан олинган). Ярим ўтказгичдаги электрон ўтказувчанликни хосил қилувчи аралашмалар донорлар дейилади. Донор аралашмали валент электронларнинг энергетик сатхлари (ўтказувчанлик зонаси) ярим – ўтказгичнинг тақиқланган зонасининг юқорироғида жойлашган бўлади. Бундай бўлиши материалларда донор сатхларини хосил қилади (расм 2.4 б-расм).

2.4 -расм. Мишяк аралашган германийнинг эквивалент панжараси (а) ва энергетик зона диаграммаси (б): 1 – ўтказувчанлик зонаси, 2 – тақиқланган зона, 3 – валент зона, 4 – акцептор сатхи, 5 – эркин электрон.

Донор сатхи энергиясига эга бўлган электронлар ўтказувчанлик зонасига осонгина ўтиб, заряд элтувчиларнинг диффузия оқимини хосил қилади.

Соф ярим ўтказгич германийга уч валентли индий аралашмаси киритилсин. 2.5а-расмда индий аралашмаси мавжуд бўлган германий кристалл панжараси кўрсатилган. Уч валентли индий атоми тўртта германий атоми билан ковалент боғланишга киришади ва унинг битта боғи электрон билан тўлмай қолади. Ташқи майдон қўшни атом электронини шу тўлмай қолган ковалент боғланишига (электрон ваканциясига) ўтишга мажбур этади, бўшаган ўринга эса ўз навбатида бошқа қўшни атомнинг электрони ўтади ва хоказо.

Индий аралашмали ярим ўтказгичда ўзига хос электронларнинг навбатма-навбат харакати вужудга келади. Бунда электрон лар атомлардан узоқлашиб кетмайди, доим улар билан ўзаро боғланган бўлади. Боғланган электронларнинг бундай кетма – кет силжишини шартли равишда, мусбат зарядга эга бўлган бўш ковалент боғланишга эга бўлган тешикларнинг электронлар томон харакати деб қараш мумкин. Тешиклар харакати билан юзага келган ўтказувчанликни ковакли (тешикли) ўтказувчанлик, материалнинг ўзини эса р – турли яримўтказгич деб аталади» (р лотинча – Роzitiv – мусбат сўзидан олинган). Яримўтказгичларда тешикли ўтказувчанликни ҳосил қилувчи аралашмаларга акцепторлар дейилади.

Акцептор – аралашмали яримўтказгичларда тақиқланган зонанинг пастки қисмида, валент электронлар зонаси яқинида, эркин энергетик сатхлар юзага келади, улар акцептор сатхлари деб аталади (2.5 б – расм). Валент зонадан электронлар акцепторлар сатхларига осонгина ўтиб, унда эркин электронлар ваканцияси – тешикларни хосил қилади. Шундай қилиб, соф ярим ўтказгичли материалга донорли (Аs) ёки акцепторли (Jn) аралашмалар қўшиб, сунoий равишда электрон (n – турли) ёки тешикли (р – турли) ўтказувчанликка эга бўлган яримўтказгичлар олиш мумкин. Бундай материаллардан қуйидаги ярим ўтказгичли асбоблар тайёрланади: диодлар, транзисторлар, тиристорлар ва хоказо.

2.5 -расм. Индий аралашган германийнинг эквивалент зонаси (а) ва энергетик зона диаграммаси (б):1 – ўтказувчанлик зонаси, 2 – тақиқланган зона, 4 – акцептор сатхи, 5 —электрон, 6 – тешик.