АТТЫ ДЕНЕЛЕР ФИЗИКАСЫНЫҢ ЭЛЕМЕНТТЕРІ
1. Металдардың электр өткізгіштігі. Металдағы ток тасымалдау-
шылар.Металдарда еркін заряд тасымалдаушылар электрондар, яни металдың кристалдық торының иондарымен әлсіз байланысқан электрондар болып табылады. Электрондар ретсіз, жылулық қозғалысқа қатысады, олардың орташа жылдамдығы v=Ö8kT/pm–ге тең. Металл өткізгіштерге тән қасиет-оларда еркін электрондар саны өте көп. Осы еркін өткізгіш электрондар металл ішінде қай температурада болса да, тіпті абсолют нольде де сақталады. Сөйтіп, металдың бірлік көлеміндегі электрондар саны (бөлме температурасында) 1022-1023–дей болады. Егер температура 1К болса жылулық қозғалыс энергиясы kT~10эВ-қа жуық, яғни бұл энергия зоналардағы көршілес деңгейлердің энергия айырымынан (»10-22) әлдеқайда көп екен.
2. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік.Кристал-дардағы энергияның мүмкін болатын мәндері зоналарға топталады. Атомдар жақындаған сайын күшейе түсетін өзара әсер пайда болады. Барлық атом үшін бірдей болатын бір деңгейдің орнына өте жақын орналасқан, бірақ бір біріне дәл келмейтін бірнеше деңгей пайда болып, оңашаланған деңгейге ажыратылады да, зона түзіледі. Нашар ажырасқан деңгейлерден пайда болған төменгі зоналар электрондармен толықтыры-лады. Сөйтiп олар кристалда өздерінің атомдарымен берік байланысын сақтайды. Валенттік электрондар энергиясының рұқсат етілген мәндері кристалда аралықтармен бөлінген валенттік зоналарға бірігеді, ал осы аралықтарда энергияның рұқсат етілмеген мәндері болады.
өткізігштік зона
өткізігштік зона
DЕ
тыйым қабысқан
салынған зона
зона
Кемтік Валенттік зона
электрондармен
толтырылған зона
Таза металл Қоспа металл
34 – сурет 35 - сурет
Бұл аралықтар тыйым салынған немесе рұқсат етілмеген электронсыз зоналар деп аталады.
Валенттік зона атомның негізгі күйінде валенттік электрондар болатын деңгейлерден пайда болады. Рұқсат етілген аса жоғарғы зоналар электрон-дардан бос болады, яғни бос зона (34-сурет) түзіледі.
Валенттік зонаны электрондар толық толтырмайды. Электр өрісінің электрондарға әсер етуінен туған қосымша энергия электронды бос жоғарғы деңгейге көшіруге жеткілікті. Сондықтан электрондар электр өрісінде үдетіліп, өрістің бағытына қарама-қарсы бағытта қосымша жылдамдыққа ие болады да, ток пайда болады. Кейбір жағдайда толтырылған зона мен толтырылмаған зоналар қабысып (мұндай заттарға Менделеев кестесіндегі Be,Mg,Ca,Zn жатады), олардың арасындағы тыйым салынған зона жабылады. Сонымен, энергетикалық деңгейлерінің осындай схемасы бар кристалдар-металдар болып есептеледі (35-сурет).
Валенттік зонаның деңгейлерінде түгелдей электрондар орналасқан. Электрондарды бос зонаға өткізу үшін оның энергиясы тыйым салынған зонаның (DЕ) енінен кем болмауы тиіс. Егер DЕ үлкен болмаса, онда жылулық қозғалыстың энергиясы (kТ) электрондардың бір бөлігін жоғары бос зонаға көшіруге жеткілікті болады. Сонымен қатар валенттік зона электрондарының оның бос қалған жоғары деңгейіне көшуіне мүмкіндік туады. Сондықтан осындай заттар электрондық жартылай өткізгіш деп аталады (36-сурет).
Егер тыйым салынған зонаның DЕ ені үлкен болса, онда жылулық қозғалыс бос зонаға электрондарды жеткізе алмайды. Мұндай кристалдар изолятор деп аталады (37-сурет).
Сонымен электр тогы деп зона көлемінде электронның өріс әсерінен төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге ауысуын айтады. Ол үшін зонада иеленбеген деңгейлер болуы қажет. Сөйтіп зонада бос энергетикалық деңгейлердің бар болуы, өтікізгіштің қажетті шарты болып табылады. Осындай толтырылмаған зоналар (бос зона) өткізгіштік зона деп аталады.
Өткізігштік зона
Өткізігштік зона
тыйым
Е=6эВ салынған
(NaCl) зона
DЕ Е£1эВ тыйым
салынған
зона
Валенттік зона
Валенттік зона
Жартылай өткізгіш Диэлектрик
36 – сурет 37 - сурет
34-37-суреттерден зоналардың электрондармен толтырылу дәрежесіне қарай және тыйым салынған зонаның енділігіне сәйкес өзгешеліктерін айқын білуге болады.
3. Металдардың, жартылай өткізгіштердің және диэлектриктердің зоналық теориясы.Жартылай өткізгіштердің металдан айырмашылығы, ең алдымен оларда кәдімгі температурада еркін электрондар саны металдікінен анағұрлым кем, яғни бірлік көлемде (бөлме температурасында) 1011-1013-дей еркін электрондары болады. Жартылай өткізгіштерде еркін электрондар саны аз болғандықтан, олардың меншікті кедергісі (r) үлкен болады. Жартылай өткізгіштердің қатарына германий, кремний, селен, мыстың шала оксиді, күкіртті қорғасын және басқа көптеген заттар жатады.
Жартылай өткізгішті ток көзіне жалғап, оны қыздырсақ, біз ондағы токтың кенет артқанын байқаймыз. Ал ток жүріп тұрған металл өткізгішті қыздырғанда, ондағы ток кемиді. Олай болса, жартылай өткізгіштердің металдардан өзгешелігі олрдың кедергісінің температураға тәуелділігінде. Жартылай өткізгіштерді қыздырғанда еркін электрондардың саны кенет көбейеді. Егер жартылай өткізгішті жоғары температураға дейін қыздырса, оның мешікті кедергісі металдың меншікті кедергісіне жуықтайды. Мұның механизмі мынандай: жартылай өткізгіштердің валенттік зонасы түгелдей электрондармен толған, ал тыйым салынған зонаның ені онша үлкен емес, температура артуымен валенттік зонадағы электрондардың бір бөлігі өткізгіштік зонаға ауысады, ал төменгі зонадағы босап қалған орындар кемтіктер деп аталады (36-сурет). Өткізгіштік және валенттік зоналарда электр өрісінің әсерінен электрондар қосымша жылдамдық алады да, электр өткізгішті туғызады. Тыйым салынған зонаның ені, яғни энергиясы DЕ£1 эВ жуық. Егер қыздыру температурасы 0К болса, онда жартылай өткізгіштік диэлектрикке айналады.
Демек, жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі температураға байланысты тез өседі де, олардың меншікті кедергісі (r) осыған сәйкес кемиді.
Ішінде қоспасы жоқ жартылай өткізгіштің өткізгіштігін меншікті өткізгіштігі деп атайды.
Абсолют ноль (0К) температурадағы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі болмайды деуге болады, себебі бұл температурада жартылай өткізгіштердің ішінде еркін электрондар, яғни өткізгіште электрондар жоқ деген сөз. Сонымен жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі металдардікінен аз да, диэлектриктердікінен көбірек болады.
Жартылай өткізгіштер тобына Менделеев ашқан элементтер жүйесінің (IV,V,VI) тобындағы-Ge, Si, As, Te, Se сияқты элементтер және де оксидтер, сульфидтер, сонымен қатар осылардың қорытпалары жатады.
Жартылай өткізгіштердің температурасы жоғарлаған кезде валенттік электрондар қосымша энергия алып, олардың кейбіреулері атоммен байланысын үзіп, еркін электрондарға айналады. Электрондарды атомнан жұлып алуға қажетті энергияны иондалу энергиясы деп атайды.
Жартылай өткізгіштердегі өткізгіш электрондар металл ішіндегі өткізгіш электрондар тәрізді, яғни олар кеңістік тордың атомдары мен иондарының ара-арасында еркін орын ауыстырып жүре алады. Ал иондалған атомдар кристалдық тордың тораптарында берік байланысқандықтан олар еркін орын ауыстырып жүре алмайды.
Жартылай өткізгіштегі иондалған атомнан кеткен электронның орны босап (вакантты орын болады), осы орынды басқа электрон алуы мүмкін. Сондықтан осы бос орын кемтік деп аталады.
Егер бос орынға көршілес атомның байланысқан электрондарының біреуі ауысып келсе, бұл орын сонымен толады, бірақ оның есесіне көрші атомда бос орын пайда болады. Осылай, өз атомымен байланысын үзбеген немесе байланысқан электрондардың бос орындарға бірте-бірте ауысып, оларды толтырып отыруының салдарынан кемтік үздіксіз жылжып отырған тәрізденеді (38-сурет).
Сөйтіп таза жартылай өткізгіште кемтік саны қашанда электрондардың санына тең болады (ne=no), олар электрондар сияқты бейберекет қозғалып отырады.
Сонымен валенттік зонадан өткізгіштік зонаға ауысқан электрондар саны мына шамаға тең: n=Ae- DE/(kT) (12.1)
мұндағы А-температураға байланысты тұрақты шама, DЕ-тыйым салынған зонаның ені, яғни DЕ=Е2-Е1.
Сонда жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі электрондар арқылы жүргізілсе, онда оны электрондық өткізгіштік немесе n-типті өткізгіштік деп атайды.
Ал керісінше жартылай өткізгіштіктің мешікті өткізгіштігі кемтіктер арқылы жүргізілсе, онда мұндай өткізгішті кемтіктік өткізгіштік немесе р-типті өткізгіштік деп атаймыз.
өткізігштік зона Lns
E2
DЕ тыйым
EF салынған
зона
E1
Валенттік зона 1/T
38-сурет 39-сурет
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігін әдетте сыртқы әсерлердің жәрдемі арқылы іске асырылады. Мысалы, температурасын арттыру, сәулелендіру, күшті электр өрісін тудыру т.т. Сондықтан олардың өткізгіштіктері әр уақытта қоздырылған болып табылады.
38-суретте көрсетілген ЕF Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның қақ ортасында жатады, яғни ЕF=DЕ/2. Ал, тыйым салынған зонаның еніне лайық энергия DЕ негізінде валенттік зонаның ең жоғарғы деңгейінде (Е1) орналасқан электрондарды өткізгіштік зонаның ең төменгі деңгейіне (Е2) жеткізу үшін қажетті энергия шамасы болып есептеледі, сондықтан бұл энергия активтену энергиясы деп аталады. Олай болса, Ферми энергиясы жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігіндегі электрондар мен кемтіктерді қоздыру үшін қажетті энергия екен.
Демек, жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі (s) температураға байланысты тез өседі, ал керсінше олардың меншікті кедергісі (r) осыған сәйкес кемиді. Мысалы кремнийдің 200С-ғы меншікті кедергісі r=6·104 Ом·см болса, 7000 С-та r=0,1Ом·см ғана. Сөйтіп, температура өсуімен бірге өткізгіштіктің артуы жартылай өткізгіштерде тасушыларды туғызады деп түсіну керек.
Енді s~Т-ға тәуелділігін график түрінде көрсетуге болады. Мысалы, Ln s~1/T графикке салсақ (39-сурет), онда жартылай өткізгіштер үшін түзу сызық шығады. Сөйтіп оның көлбеулігі арқылы тыйым салынған зонаның енін DЕ анықтауға болады. Ал өткізгіштік шамасын мына өрнек арқылы табамыз: s=s0е-Е/(2kT) (12.2)
мұндағы sо-әр түрлі жартылай өткізгіштерге тән тұрақты шама.
Егер кемтіктер оң зарядталған бөлшектер ығысатын жаққа қарай орын ауыстырса, онда кемтікте абсолют шамасы электрон зарядына тең, оң зарядтың таңбасы бар деп ұйғаруымыз керек. Сонымен, жартылай өткізгіш ішіндегі ток тек өткізгіш электрондардың қозғалысымен ғана емес, кемтіктердің қозғалысымен де жасалады. Міне сондықтан, жартылай өткізгіштерде әрі электрондық, әрі кемтіктік өткізгіштік бар дейміз.
Өткізгіш электрондар кемтіктердің қозғалу процесінде еркін электрондар атом жүйесіндегі бос орындарды толтырып бейтарап күйге қайта көшіреді. Осындай процесінде еркін электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясы деп атайды. Бұл иондалуға кері процесс, өйткені мұндай өткізгіш электрондар мен кемтіктер жойылады. Жартылай өткізгіш ішінде осы көрсетілген екі процесс қабаттаса жүреді де, температура өзгермесе өткізгіш электрондар мен кемтіктердің тығыздығы бір қалпында сақталады.
4. Жартылай өткізгіштердің меншікті және қоспалы өткізгіштігі.Жартылай өткізгіштің қасиеттеріне және оның өткізгіштік сипатына қоспалар үлкен әсер етеді. Әдетте өткізгіш ішінде түрлі қоспалар бар, бірақ солардың ішінде жартылай өткізгіштің қасиетін айырып анықтап беретін біреуі болады.
Жартылай таза өткізгіш болатын германий (Ge) атомдарының арасындағы байланыстың табиғатын қарастырайық. Германий атомында төрт валентті электрон бар. Осы электрондардың әрқайсысы екі атомның ядроларына бірдей айналады. Сондықтан атомдар арасындағы әрбір байланыс түзілгенде екі электрон бір мезгілде қатысады, бірақ бұл электорндар әртүрлі атомдарға жатады. Атомдар арасындағы осындай байланыстар ковалентті байланыстар деп аталады.
Егер германийдің кристалды торына бес валентті сурьманың (Sb) атомын ендірсе, онда оның төрт электроны ковалентті байланыс жасауға қатысады, ал бесінші электрон байланыс жасауға қатыспайды. Ол ядроға нашар тартылып байланысады. Сондықтан жылулық қозғалыстың нәтижесінде, тіпті бөлме температурасының өзінде де, әлгі электрон оңай шетінеп кетіп еркін электрон болып шыға алады. Бұл жағдайда кемтік пайда болмайды, өйткені германийге тән кристалдың осы шыққан құрамындағы ковалентті байланыс қоспаның төрт электронымен толық қалпына келеді, бірақ тордың түйінінде германий атомының орнында қоспаның оң ионы тұрады. Осы ион тормен берік байланысқандықтан қозғалысқа қатыса алмайды. Сондықтан мұнан пайда болған жалғыз еркін заряд электрон болады. Осындай қоспаның электрондарының есесіне электрондық өткізгіш шығарып беретін жартылай өткізгіш n-типтес (теріс таңбалы) жартылай өткізгіш деп аталады.
Енді зоналық теория бойынша осы n-типтес жартылай өткізгіштік процесін түсіндірейік (40-сурет). Негізгі элементтің атомына қоспа атомын ендіру оның кеңістік торының өрісін өзгертіп, тыйым салынған зонаның ішінде қосымша Д деңгейдің пайда болуына әкеп соғады. Яғни, бұл сурьма атомының валенттік электрондарының орналасқан деңгейі. Сондықтан мұны қоспаның деңгейі немесе донорлық деңгей деп атайды. Ол өткізгіштік деңгейдің астынғы жағына жақын орналасады да энергиясы DЕr=0,015 эВ тең болады.
Әрине бұл энергияның шамасы тыйым салынған зонаның энергиясынан әлде қайда аз, яғни ЕD<<E. Сөйтіп, жай температуралардың өзінде де жылулық қозғалыс энергиясының өзі қоспа деңгейіндегі электрондарды өткізгіштік зонаға көтеру үшін жеткілікті.
Кристалдық торға қоспаның, мысалы индийдің (In) үш валентті атомын ендіруге болады. Бұл жағдайда толық ковалентті байланыс жасау үшін бір электрон жетіспейді. Бос орын пайда болады, бірақ төмен температураларда оның орны толмайды, өйткені оны толтырарлық электрондар жоқ. Температура көтерілген сайын валенттік байланыстарды үзетіндей қолайлы жағдайлар жасалады, ол өте жоғары температурада германийдің көрші атомдарындағы ковалентті байланыстарға қатысатын электрондары бос орынға ауысатынынан байқалады (41-сурет). Сөйтіп германий атомдарының валентті байланыстарының құрамында кемтік пайда болады. Бұл кемтік енді оң зарядты еркін тасушылар есебінде орын ауыстыра алады. Теріс таңбалы индий иондары кристалдық торлардың түйіндерінде қозғалмай тұра береді, өйткені олар германийдің көрші атомдарымен тығыз байланысқан. Осындай жартылай өткізгіште электр тобы кемтіктер қозғалысымен жасалады, сондықтан оның кемтіктік өткізгіштігі болады да, р-типтес (оң таңбалы) жартылай өткізгіш деп аталады.
Осы процестің механизмін зоналық теория бойынша түсіндірейік. Үш валентті индий атомын ендірудің нәтижесінде тыйым салынған зонаның төменгі жағында тағы да бір қосымша А деңгейі пайда болады. Бірақ бұл деңгей электрондармен толтырылған валенттік зонаның жоғары жағына орналасқан. Осы деңгейдің энергиясы ЕА=0,08 эВ тең болады да, мұны акцепторлық деңгей деп атайды. Бұл деңгейде электрондар заряд тасушылар ролін атқармайтын болғандықтан, заряд тасушылар тек валенттік зонада пайда болатын кемтіктер болып есептеледі.
өткізігштік зона өткізігштік зона
Д DЕД
DЕ
EF EF
DЕ
DЕД
Валенттік зона Валенттік зона
40-сурет 41-сурет
Lns а + а -
Меншікті
өткізгіштік j1j2
с в
в
A1
A2
қоспалы EF1
өткізгіштік d
EF2
1/Т
42 – сурет 43- сурет
Іс жүзінде жартылай өткізгіштердің бәрінде де әр түрлі қоспалар бар. Алайда осы қоспа түрлерінің біреуі басымдау болады. Осыған байланысты жартылай өткізгіштер екі типке бөлінеді. Егер электрондық өткізгіштік басым болса, онда негізгі заряд тасушылар электрондар деп, ал егер кемтіктік өткізгіштік басым болса, онда негізгі заряд тасушылар кемтіктер деп саналады. Дегенмен, негізгілерге таңбасы қарама-қарсы зарядтар да, негізгі емес заряд тасушылар да түрлі жартылай өткізгіштерде маңызды роль атқарады. 42-суретте жартылай өткізгіштердің меншікті және қоспалы өткізгіштіктерінің температураға тәуелділіктері көрсетілген, яғни Ins~1/T. Мұндағы ab кесіндісі меншікті өткізгіштікті сипаттайды. Ал cd кесіндісі жартылай өткізгіштіктердегі қоспалы өткізгіштіктерді көрсетеді. Онда негізінен қоспалы өткізгіштіктің заряд тасушылар консентрация-сының артуы температураның өсуіне байланысты артатындығын сипаттайды да, cd бөлігіндегі қоспадағы заряд тасушылар санының мүлдем азайғандығын көрсетеді.
Сонымен егер металдарда заряд тасушылар саны мен олардың энергиясы температураға тәуелді болмаса, жартылай өткізгіштерде заряд тасушылар саны және олардың энергиясы температураға күшті тәуелді болып, температура өскен сайын артып отырады.
5. Екі металдың түйісуі.Зоналық теорияны екі металдың түйісу құбылысын түсіндіру үшін қолданайық. Мысалы, 1-және 2-металдар өзара түйісіп тұрсын және металдардың ұштары потенциалдары j1 және j2 ток көздерімен тұйықталсын (43-сурет). Сонда электрондардың шығу жұмыстары А1және А2 электрондармен толтырылған Ферми деңгейлерінің биіктіктері EF1 және EF2 болсын. Суреттен байқағанымыздай А1<A2 болатындықтан 1-металдағы Ферми деңгейі 2-металдікінен биіктеу.
Олай болса, екі металдың түйіскен жерінде электрондар деңгейі биік металдан деңгейі төмен металға өтеді. Бұдан 1-металдың оң зарядталып, керсінше 2-металл теріс зарядталатынын байқаймыз. Осымен қатар оң зарядталған металдағы энергетикалық деңгейлердің төмендеп, ал теріс зарядталған металдағы энергетикалық деңгейлердің жоғарылағандығы байқалады. Сөйтіп осы процесс екі металдың деңгейлері Ферми деңгейіне жеткенде бір қалыпты күйге келеді.
Сонда ток көзімен тұйықталған металдардың ұштарындағы потенциал-дар айырымы мына өрнек арқылы анықталады:DU1=j1 -j2 =(A2–A1)/е (12.3)
Олай болса, осы DU1 мәні металдардың сыртқы түйісуінің потенциалдар айырымы деп аталады. Егер де түйісіп тұрған екі металдың Ферми деңгейлері әр түрлі болса, онда металдардың түйісу кезіндегі ішікі потенциалдар айырымын былайша анықтауға болады
DU2=(EF1–EF2)/е (12.4)
Осы ішкі потенциалдар айырымы кванттық теория бойынша түйісіп тұрған металдардағы заряд тасушы электрондар сандарына байланысты. Өйткені әр түрлі металдардың жылу өткізгіштігі мен электр тоғының өткізгіштігі әр түрлі болады. Бұл процесс металдардың қыздыру температурасына тәуелді. Сондықтан металдардың түйісу жерінде түйісу қабаты пайда болады. Осындай қабаттардың металдардағы қалыңдығы 10-10м, яғни кеңістік торындағы атомдық жазықтардың аралығына шамалас екен. Ал екі металдың түйісуі кезінде бір-біріне диффузиялық әдіспен өтетін электрондар саны металдың бет жағындағы барлық электрондар санының небәрі 2%-ы ғана болады.
Жартылай өткізгіштер түйіскен кездегі процестер қандай өзгерісте болады, енді осыны қарастырайық.
Егер n-типтес және p-типтес екі жартылай өткізгіш түйісіп тұрсын, сонда ондағы электрондар мен кемтіктер бірінен екіншісіне ауысып диффузияланады. Сөйтіп, жартылай өткізгіштердің арасында түйісу потенциалдар айырымы пайда болады. Шындығында n-типтес жартылай өткізгіштердің электрондары p-типтес жартылай өткізгіштің шекаралық қабатына өтеді де, кемтіктермен бірігіп, рекомбинацияланады, яғни қоспаның теріс иондарын туғызады. p-типтес жартылай өткізгіштің шекаралық қабатында теріс иондар туғызған теріс заряд пайда болады. Ал n-типтес жартылай өткізгіштің қабатында да әлгіндей процесс қоспаның оң иондарынан пайда болған оң зарядты туғызады. Сөйтіп қос электр ²қабаты² (конденсатордың зарядталған астарлары тәрізді) пайда болады. Қос электр қабатының DEж электр өрісі белгілі бір шамаға жеткенде,ол электондар мен кемтіктердің ары араласуына бөгет жасайды. Бірақ осының нәтижесінде жартылай өткізгіштердің шекаралық аймақтарында негізгі заряд тасушылар азаяды, сондықтан бұл аймақтардың кедергісі үлкейеді. Сондықтан осы аймақтың жиыны жаппалы қабат деп аталады.
Осы жаппалы қабаттың Еж электр өрісін көбінесе түйісу өрісі деп атайды. Түйісу өрісі негізгі заряд тасушылардың қозғалысына бөгет жасайды да, негізгі емес заряд тасушылардың қозғалысына көмектеседі.
Егер p-типті жартылай өткізгішті батареяның оң полюсімен, ал n-типті жартылай өткізгішті теріс полюсімен қоссақ, онда жартылай өткізгіштер ішінде Е¢ электр өрісі пайда болады (44,а-сурет). Осы өрістің күш сызықтары p-типті жартылай өткізгіштен n-типті жартылай өткізгішке қарай бағытталады. Бұл өріс түйісу өрісін нашарлатады. Сонда электрондар мен кемтіктер жартылай өткізгіштердің түйіскен шекарасына қарай бір-біріне қарсы қозғала бастайды да жаппалы қабатты негізгі заряд тасушылармен толықтырып, оның кедергісін кемітеді.
Шекаралық қабатта электрондар мен кемтіктер рекомбинацияланады, n-типті жартылай өткізгіштегі электрондардың кему есесін ток көзінің теріс полюсімен қосылған сымнан келетін электрондар толтырады, ал кемтіктердің азаю есесі электрондардың p-типті жартылай өткізгіштен ток көзінің оң полюсіне кетумен толады.
Олай болса, тізбек тұйық болған жағдайда осы айтылған процесс үздіксіз жүреді, сондықтан тізбекте үздіксіз ток болып тұрады. Бұл ток тура ток деп, ал оны шығаратын кернеуді тура кернеу деп атайды.
Кернеудің полюстерін өзгерткенде, яғни жартылай өткізгіштерге кернеуді кері бағытпен түсіре жартылай өткізгіштердің шекаралық қабатынан өтетін токтың шамасы кенет өзгереді.
Бұл жағдайда жартылай өткізгіштер ішіндегі сыртқы Е өрістің күш сызықтарының бағыты қарама-қарсы жаққа өзгереді. Сондықтан n-типті жартылай өткізгіш ішіндегі электрондар шекаралық қабаттан ток көзінің оң полюсіне қарай, ал p-типті жартылай өткізгіштегі кемтіктер ток көзінің теріс полюсіне қарай қозғала бастайды (44, б-сурет).
Еж Еж
n-типті p-типті n-типті p-типті
++
 | |  |
- + -
+
Е сыртқы Е сыртқы
а) 44 - сурет б)
Негізгі заряд тасушылардың осылайша қозғалысынан шекаралық қабат кеңейеді де, оның кедергісі артады. Бірақ электрондар мен кемтіктердің қозғалысы ұзаққа созылмайды, өйткені жартылай өткізгіштер шекарасының екі жағында да көлемдік электр зарядтары лезде көбейіп шығады. Негізгі тасушылардың одан ары қозғалуына әлгі көлемдік зарядтар бөгет жасайды да, тізбекте ток болмайды.
Іс жүзінде кернеу кері бағытпен түскенде біршама ток-кері ток болады. Мұның себебі жылу процестерінің әсерінен жартылай өткізгіштер ішінде аздаған еркін электрондар мен кемтіктер пайда болады, әрине бұлар негізгі заряд тасушылар емес. Осы электрон мен кемтіктер аздау кері ток тудырады. Жартылай өткізгіштердің температурасы өскенде, кері ток артады. Бір жақты өткізгіштік қабілет тек жартылай өткізгіштердің шекаралық қабаттарында ғана емес, сонымен қатар жартылай өткізгіш пен металдың шекаралық қабатында да болады. Дегенмен, бұл жағдайда өткізу тетігі анағұрлым күрделірек.
Итальян физигі А.Вольта мына элементтерді Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd реті бойынша бір-бірімен түйістіргенде алдыңғысы өзінен кейінгі металмен түйістіргенде оң зарядталатындығын анықтаған. Бұл қатар Вольта қатары деп аталады. Вольта экспериментті түрде екі заңын тағайындады:
1. Түйісу потенциалдар айырымы тек түйісетін металдардың химиялық
құрамынан және температурасынан тәуелді болады.
2. Тізбектей қосылған әр түрлі өткізгіштердің бірдей температурада
түйісу потенциалдар айырымы аралық өткізгіштердің химиялық құрамынан тәуелді болмайды және шеткі өткізгіштерді тікелей жалғанан кездегі пайда болатын түйісу потенциалдар айырымына тең болады.
6. Термоэлектрлік құбылыстар.Вольтаның екінші заңына сәйкес, бірдей температурадағы бірнеше металдан тұратын тұйық тізбекте э.қ.к.-і пайда болмайды, яғни электр тогының қозуы болмайды. Бірақ түйісудің температурасы бірдей болмаса, онда тізбекте пайда болатын ток термоэлектрлік ток деп аталады. Термоэлектрлік токтың қозу құбылысы (Зеебек құбылысы), сондай-ақ онымен тығыз байланысты Пельтье және Томсон құбылыстары да термоэлектрлік құбылыстар деп аталады.
1. Зеебек құбылысы. Неміс физигі Т.Зеебек өзара тізбектей жалғанған, түйісу аралығында температуралары әр түрлі болатын әр текті өткізгіштерден тұратын тұйық тізбекте электр тогы пайда болатынын анықтады. Температуралы әр түрлі Т1 (түйісу А) және Т2 (түйісу В) екі металл өткізгіштен (1 және 2) тұратын жапсырманы қарастырайық T1>T2 (45-сурет). Тұйық тізбекте көптеген металл жұптары үшін (мысалы, Cu-Bi, Ag-Cu, Au-Cu) электр қозғаушы күш түйісу орнында температуралар
айырымына тура пропорционал: e=a(T1-T2).
Осы э.қ.к. термоэлектр қозғаушы күш деп
аталады. Зеебек құбылысы термодинамиканың
екінші заңы на сәйкес келеді, өйткені бұл жағ-
A I B дайда ішкі энергия электр энергиясына айна-
Т1>Т2 лады. Зеебек құбылысы температураны өлшеу
үшін қолданылады. Ол үшін термоэлемент-
тер және термопаралар қолданылады.
45-сурет
2. Пельтье құбылысы. Француз физигі Ж.Пельтье әр түрлі екі металдың түйіскен тұсы арқылы электр тогы өткен кезде оның бағытына тәуелді джоульдік жылудан басқа қосымша жылу бөлінеді немесе жұтылады деп тұжырымдады. Соныменен, Пельтье құбылысы Зеебек құбылысына қатысты кері құбылыс болады. Ток күшінің екі дәрежесіне пропорционал болатын джоульдік жылудан айырмашылығы, Пельтье жылуы ток күшінің бір дәрежесіне пропорционал және ток бағыты өзгергенде таңбасы өзгереді. Пельтье құбылысын түсіндіретін болсақ, жапсардың әр түрлі жақтарында электрондар әр түрлі орташа энергияға ие болады.
3. Томсон құбылысы. В.Томсон (Кельвин) термоэлектрлік құбылысты зерттеп, эксперимент жүзінде біркелкі қыздырылмаған өткізгіш арқылы ток өткенде Пельтье жылуы сияқты қосымша жылу бөліну керек деп тұжырымдады. Бұл құбылыс Томсон құбылысы деп аталды. Бұл құбылысты түсіндіретін болсақ, өткізгіштің көбірек қызған бөлігінде электрондардың орташа энергиясы аз қызған бөлігіндегіден көп болады, температура кемитін бағытта қозғала отырып, олар энергиясының біраз бөлігін торға береді, нәтижесінде Томсон жылуы бөлінеді. Егер электрондар температураның өсу бағытында қозғалса, онда керісінше, өз энергиясын тордың энергиясы есебіне толтырады, нәтижесінде Томсон жылуы жұтылады.
7. Жартылай өткізгішті диодтар мен триодтар.Екі жартылай өткізгіштің (немесе металл мен жартылай өткізгіштің) түйісуінің бір бағытты өткізгіштігі айнымалы токты түзетуге және тудыру үшін қолданылады. Егер бір электронды-кемтікті ауысу болса, онда оның жұмыс істеуі екі электродты шам-диодтың жұмыс істеуімен бірдей болады. Сондықтан бір p-n ауысуы бар жартылай өткізгішті құрылғы жартылай өткізгішті (кристалды) диод деп аталады. Құрылысына қарай жартылай өткізгішті диодтар нүктелік және жазықтықтық деп бөлінеді. Мысал үшін нүктелік германий диодты қарастырамыз (46-сурет), жіңішке
Ag
2
46-сурет 47-сурет
вольфрам сым (1) үшкір ұшы жағымен алюминиймен қапталған n-германийге жапсырылады. Егер диод арқылы тура бағытта қысқа уақытта ток импульсін жіберсек, онда германийде алюминий диффузиясы күрт арта түседі де алюминиймен толыққан және р-өткізгіштікке ие болған германий қабаты түзіледі. Осы қабаттың шекарасында түзеткіш коэффициенті жоғары p-n ауысуы пайда болады. Түйісу қабатының сыйымдылығы аз болатындықтан нүктелік диодтар жоғары жиілікті тербелістер детекторы (түзеткіш) ретінде қолданылады. Жазықтықтық мыс оксидті түзеткіштің схемасы 47-суретте көрсетілген. Мыс пластинаға химиялық өңдеу көмегімен күміспен жабылған мыс оксидінің қабатын өсіреді. Күміс электрод түзеткішті тек тізбекке қосу үшін қолданылады.
Cu2O-ның Cu-мен жанасушы және онымен қаныққан (байытылған) қабаты электрондық өткізгіштікке ие болады, ал Ag-мен жанасқан және оттегімен қаныққан (байытылған) қабаты кемтіктік өткізгіштікке ие болады.
Осылайша мыс оксиді қалыңдығында токты Cu2O-дан Cu-ға бағыттайтын жапқыш қабат түзеді. Жартылай өткізгішті құралдардың ішіндегі ең маңыздысы-триодтар немесе транзисторлар. Транзистор деп күшейткіштік қасиеті негізгі емес заряд тасушылардың инжекциясы мен экстракциясына негізделген, бір-бірімен өзара әсерлесе алатын екі p-n ауысуына тұратын жартылай өткізгіш құралдарды айтады. Транзистор үш қабаттан тұрады және белгілі бір жағдайларда токты және кернеуді күшейте алатын қасиеті бар. Осы қасиетіне байланысты ол радиотехника
Э Б К Э Б К
48-сурет
мен электроникада кеңінен қолданылады. Қабаттарының орналасу реттеріне қарай p-n-p және n-p-n транзисторлар деп бөлінеді (48-сурет), олардың бір-бірінен айырмашылығы-тек тізбекке қосылу полярлығы мен жұмыс тогының бағытында, бірақ жұмыс істеу принциптері бірдей.
Транзистордың ортасындағы қабатты база (Б) деп, шеткі қабаттарының бірін эмиттер (Э), екіншісін-коллектор деп атайды. Эмиттер мен база арасындағы электрондық-кемтіктік өткелді эмиттерлік деп, ал база мен коллектор аралығындағысын коллекторлық деп атайды. Транзистор қабаттарының өткізгіштігі әр типті және меншікті кедергілерінің мәні әр түрлі болуы тиіс.
Дата добавления: 2015-08-08; просмотров: 5066;