Fizika · Atom va kvant fizikasi · 9-sinf

Yarimo‘tkazgichlar fizikasi

Quyosh paneli issiqda nega sust ishlaydi va svetodiod rangi nimaga bog‘liq?

Vaziyat

Toshkentda yozning tush paytida quyosh har kvadrat metr yuzaga taxminan 1000 Vt nur energiyasi yuboradi, shuning uchun ko‘plab uylar tomida quyosh panellari paydo bo‘lmoqda. Panel ichidagi kremniy plastinkalar yorug‘likni to‘g‘ridan-to‘g‘ri elektr tokiga aylantiradi, kechasi esa xuddi shunday p–n o‘tishli svetodiodlar ko‘chani yoritadi. Nega jazirama kunda panel kamroq quvvat beradi, svetodiod rangi nimaga bog‘liq va panelni qanday yuklamada ishlatish eng foydali?

Mavzu

Yarimo‘tkazgichlar fizikasi. Quyosh paneli, tranzistor va smartfon protsessori

Asosiy tushunchalar

p–n o‘tish
Taqiqlangan zona
Quyosh elementi

Formulalar

I = I_{s} (e^{q V / n k T} - 1)

Shokli diod tenglamasi: to‘g‘ri yo‘nalishda tok eksponensial o‘sadi.

I = I_{p h} - I_{0} (e^{q (V + I R_{s}) / n N_{s} k T} - 1) - \frac{V + I R_{s}}{R_{s h}}

Quyosh paneli: fototok minus diod toki ( $N_{s} = 60$ ketma-ket hujayra).

F F = \frac{P_{m a x}}{V_{o c} I_{s c}}, η = \frac{P_{m a x}}{G S}

To‘ldirish koeffitsienti va FIK ( $G$ — yoritilganlik, Vt/m², $S$ — panel yuzi).

λ = \frac{h c}{E_{g}} \approx \frac{1240 eV·nm}{E_{g}}

Svetodiod nurining to‘lqin uzunligi taqiqlangan zona kengligi bilan aniqlanadi.

V_{b i} = \frac{k T}{q} \ln \frac{N_{A} N_{D}}{n_{i}^{2}}

p–n o‘tishdagi ichki potensiallar farqi (kremniyda ≈ 0,7 V).

Nazariya

Zonalar va legirlash

Kristallda elektronlar energiyasi zonalarga birlashadi: to‘lgan valent zona va bo‘sh o‘tkazuvchanlik zonasi orasida taqiqlangan zona $E_{g}$ bor (kremniyda 1,12 eV). Metallda zona chala to‘lgan, erkin elektronlar ko‘p — qarshilik qizdirilganda ortadi (tebranayotgan ionlar elektronlarni ko‘proq sochadi). Yarimo‘tkazgichda esa erkin zaryad tashuvchilar issiqlik yoki yorug‘lik ta’sirida paydo bo‘ladi, shuning uchun qarshilik qizdirilganda yoki yoritilganda keskin kamayadi. Toza kremniyda erkin elektronlar juda kam ( $n_{i} \approx 10^{10}$ sm⁻³). Fosfor qo‘shilsa, uning beshinchi elektroni o‘tkazuvchanlik zonasidan atigi ≈ 0,045 eV pastdagi donor sathda turadi va xona haroratida deyarli hammasi erkin bo‘ladi — n-tip; bor qo‘shilsa, valent zonadan sal yuqoridagi akseptor sath elektron tortib oladi va kovak — musbat zaryadli bo‘sh o‘rin — qoladi: p-tip. Fermi sathi $E_{F}$ — elektronlar bilan to‘lish ehtimoli 1/2 bo‘lgan energiya: n-tipda u $E_{c}$ ga, p-tipda $E_{v}$ ga yaqin (zonalar diagrammasidagi shtrix chiziq). Kristalldagi elektron va kovakning effektiv massasi hamda zonalar tuzilishi — «Qattiq jismlarda zonalar» tajribasida.

p–n o‘tish va diod

p va n sohalar tutashganda elektronlar p ga, kovaklar n ga diffuziyalanib, bir-biri bilan rekombinatsiyalanadi. Chegarada qo‘zg‘almas ionlardan iborat kambag‘allashgan qatlam (≈ 0,4 mkm) va ichki elektr maydon hosil bo‘ladi — zonalar diagrammasida bu “tepalik” ( $q V_{b i}$ ). To‘g‘ri kuchlanish tepalikni pasaytiradi va tok eksponensial o‘sadi; teskari kuchlanish qatlamni kengaytiradi va faqat juda kichik teskari tok qoladi (kremniyda nanoamperlar) — bu diod. Teskari tokni issiqlik bilan hosil bo‘lgan asosiy bo‘lmagan zaryad tashuvchilar beradi, shuning uchun u har 7–10 °C da taxminan ikki marta ortadi. Juda katta teskari kuchlanishda teshilish ro‘y beradi (stabilitronlar shunda ishlaydi). Metall va yarimo‘tkazgich kontaktida ham to‘siq hosil bo‘lishi mumkin — Shottki diodi; kontakt potensiallar farqi chiqish ishlari farqining $e$ ga nisbatiga teng.

Quyosh elementi va geliotexnika

Energiyasi $h ν > E_{g}$ bo‘lgan foton elektron–kovak juftini hosil qiladi (ichki fotoeffekt). Ichki maydon ularni ajratadi: elektron n tomonga, kovak p tomonga — tashqi zanjirda tok oqadi. Yuklama nolga yaqin bo‘lsa, kuchlanish yo‘q; juda katta bo‘lsa, tok yo‘q — quvvat $P = V I$ oraliqda maksimal (MPP). Quyosh stansiyalari invertoridagi MPPT kontroller yuklamani doim shu nuqtaga moslab turadi. Qizish $I_{0}$ ni keskin oshiradi, shuning uchun $V_{o c}$ har hujayrada ≈ 2 mV/K ga kamayadi: issiq kunda panel quvvati pasayadi. Quyosh paneli — muqobil energiyadan ishlaydigan tok manbai: uning EYuK si ( $V_{o c}$ ) va qisqa tutashuv toki $I_{s c}$ yuklama tanlab o‘lchanadi. O‘zbekistonda quyoshli kunlar ko‘p: Toshkent viloyatining Parkent tumanida 1987-yilda ishga tushgan Katta Quyosh pechi (issiqlik quvvati 1 MVt) 62 ta geliostat va paraboloid konsentrator bilan nurni yig‘ib, 3000 °C gacha harorat hosil qiladi; 2021-yilda Navoiy viloyatida 100 MVt quvvatli “Nur Navoiy” quyosh elektr stansiyasi ishga tushirilgan. Panellarning asosiy materiali — o‘ta toza kremniy: quyosh energetikasi yarimo‘tkazgichlar sanoatisiz bo‘lmaydi.

Svetodiod va model

Svetodiodda jarayon teskari: to‘g‘ri tok kiritgan elektron va kovaklar o‘tishda rekombinatsiyalanib, energiyasi ≈ $E_{g}$ bo‘lgan foton chiqaradi — elektrolyuminessensiya. GaAs (1,42 eV) — infraqizil, GaAsP va AlGaInP — qizil, GaP — yashil, InGaN — ko‘k. Kremniy va GaP da zona “bilvosita” — nurlanish juda kuchsiz. Bu qattiq jismlar optikasining bir qismi. Yarimo‘tkazgich $h ν < E_{g}$ nurni deyarli yutmaydi, $h ν > E_{g}$ ni esa kuchli yutadi — yutilish chegarasi; intensivlik $I = I_{0} e^{- α x}$ kabi kamayadi. To‘g‘ri zonali GaAs da chegaradan yuqorida $α \sim 10^{4}$ sm⁻¹ — bir necha mikrometr qatlam yorug‘likning deyarli hammasini yutadi; bilvosita zonali kremniyda yutilish sustroq, shuning uchun quyosh elementi plastinkasi taxminan 0,15–0,2 mm qalin. Chegara ostida, past haroratda, Kulon kuchi bilan bog‘langan elektron–kovak jufti — eksiton — vodorodsimon chiziqlar beradi; GaAs da bog‘lanish energiyasi atigi ≈ 4 meV, xona haroratida ( $k T \approx 26$ meV) eksitonlar parchalanib ketadi. Lyuminessensiya — yutilgan energiyaning yorug‘lik bo‘lib qaytishi: yorug‘lik bilan uyg‘otilsa — fotolyuminessensiya, tok bilan — elektrolyuminessensiya (svetodiod). Model: 60 ta 156 mm hujayra, bitta diodli sxema ( $n = 1,2$ , $R_{s} = 0,3 Ω$ , $R_{s h} = 400 Ω$ , standart sharoitda $I_{s c} = 9,7$ A, $V_{o c} = 39,6$ V); svetodiod uchun $I_{s}$ shunday tanlanganki, 20 mA tok $V \approx E_{g} / q$ da oqadi; to‘g‘rilagich diodlari SPICE turidagi model bilan hisoblanadi. p–n o‘tish rasmi sxematik.

Xususiy va aralashmali o‘tkazuvchanlik: termistor va fotorezistor

Toza (xususiy) yarimo‘tkazgichda elektronlar va kovaklar soni teng: $n_{i} \propto T^{3 / 2} e^{- E_{g} / 2 k T}$ — harorat bilan juda tez o‘sadi. Aralashmali kremniyda (“Si: n(T)” grafigi): past haroratda donorlar “muzlagan”, elektronlar kam; ≈ 150–500 K da hamma donor ionlangan va $n \approx N_{d}$ — tranzistorlar shu oraliqda ishlaydi; yuqori haroratda $n_{i}$ donorlardan oshib ketadi va o‘tkazuvchanlik yana xususiy bo‘ladi. Termistor (NTC) — qarshiligi qizdirilganda kamayadigan yarimo‘tkazgich rezistor: $R = R_{25} e^{B (1 / T - 1 / T_{25})}$ , 1 °C da ≈ 4 % o‘zgaradi, mis simniki esa atigi 0,4 %. Uning VAX i chiziqli emas: tok rezistorni qizdiradi, qarshilik kamayadi, shuning uchun kuchlanish maksimumdan keyin tok ortsa ham kamayadi. Elektron termometrlar, quyosh panellari va akkumulyatorlarning harorat datchiklari, harorati sozlanadigan elektr choynaklar shunday ishlaydi. Fotorezistorda (CdS) yorug‘lik elektron–kovak juftlarini hosil qiladi — fotoo‘tkazuvchanlik: qorong‘ida qarshilik megaomlar, quyoshda yuzlab omlar. Ko‘cha chiroqlarining fotorelesi shom tushganda (≈ 10–30 lx) chiroqni yoqadi. Yarimo‘tkazgichdagi termoelektrik hodisalar — «Termoelektrik hodisalar» tajribasida.

Diod VAX, to‘g‘rilagich va tranzistor

Laboratoriya ishi: “Diod VAX” rejimida kuchlanishni 0 dan 0,8 V gacha va 0 dan −20 V gacha o‘zgartirib, nuqtalarni yozing: to‘g‘ri yo‘nalishda tok milliamperlarda, teskarida — nano- yoki mikroamperlarda, demak diod tokni bir tomonga o‘tkazadi. Vakuum diod (qizdirilgan katod va anod) ham shunday ishlaydi, lekin qizdirish uchun quvvat, katta o‘lcham va odatda yuzlab volt kerak; yarimo‘tkazgich diod kichik, darhol ishlaydi va 0,7 V da ochiladi. To‘g‘rilagich: bitta diod o‘zgaruvchan kuchlanishning faqat musbat yarim to‘lqinini o‘tkazadi, to‘rtta diodli ko‘prik ikkala yarim to‘lqinni bir yo‘nalishga buradi; kondensator so‘ng pulsatsiyani tekislaydi — telefon zaryadlagichi ichida ham tarmoq kuchlanishi avval diod ko‘prigida to‘g‘rilanadi. Tranzistor (Bardin, Bratteyn, Shokli, 1947) — ikkita p–n o‘tish: n-p-n tuzilmada emitter yupqa bazaga elektronlar “otadi”, ularning deyarli hammasi bazadan o‘tib kollektorga yetadi; kichik baza toki katta kollektor tokini boshqaradi: $I_{K} = β I_{B}$ , $β \approx 50$ – $300$ — kuchaytirgich va kalit. Vakuum triodda ham setka kichik kuchlanish bilan anod tokini boshqaradi, lekin tranzistor qizdirishsiz ishlaydi va mikrosxemada milliardlab joylashadi (smartfon protsessori). Tranzistor tebranish konturiga o‘z vaqtida energiya qo‘shib, so‘nmas tebranishlar generatorini hosil qiladi — «Tebranish konturi (LC)» tajribasida.

Bilasizmi?

Tranzistorni 1947-yil dekabrida Bell laboratoriyasida John Bardeen va Walter Brattain yaratgan; William Shockley bilan birga ular 1956-yilda fizika bo‘yicha Nobel mukofotini olishgan.
Kremniyning taqiqlangan zonasi xona haroratida ≈ 1,12 eV — shuning uchun kremniy quyosh elementi ≈ 1100 nm dan uzun infraqizil nurni deyarli sezmaydi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Fotoeffekt — 11-sinf
Atom tuzilishi va spektrlar — 11-sinf
Radioaktivlik, yarim yemirilish — 11-sinf
Yadro reaksiyalari — 11-sinf
Vodorod atomi orbitallari — 11-sinf
Issiqlik nurlanishi va Plank — 11-sinf
Foton impulsi va Kompton effekti — 11-sinf
De Broyl to‘lqinlari — 11-sinf
Rezerford tajribasi — 11-sinf
Atom yadrosi va bog‘lanish — 11-sinf