Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары
МАЗМҰНЫ
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 2
1. Қатты дененің физика элементтері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 6
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік ... ... ... ... ... ... ... . 6
1.2. Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 7
2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары ... 10
2.1. Түйісу потенциалдар айырымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 10
2.2. Термоэлектрлік құбылыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 11
2.3. Пельтье эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 13
2.4. Томсон эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 15
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды пайдалану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
3. Негізгі қасиеттері бойынша өткізгіштердің, диэлектриктердің және
жартылай өткізгіштердің бір.бірінен айырмашылықтары ... ... ... ... ... ... 18
3.1. Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден
айырмашылығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 18
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға
тәуелділігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
4. Жартылай өткізгіштердің түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі ... ... ... ... ... ... ... . 22
4.2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25
4.3. р . n ауысуының қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
5. Жартылай өткізгіштік құралдар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 36
5.1. Жартылай өткізгіштік диод ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 36
5.2. Транзисторлар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 40
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 47
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 50
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 2
1. Қатты дененің физика элементтері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 6
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік ... ... ... ... ... ... ... . 6
1.2. Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 7
2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары ... 10
2.1. Түйісу потенциалдар айырымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 10
2.2. Термоэлектрлік құбылыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 11
2.3. Пельтье эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 13
2.4. Томсон эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 15
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды пайдалану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16
3. Негізгі қасиеттері бойынша өткізгіштердің, диэлектриктердің және
жартылай өткізгіштердің бір.бірінен айырмашылықтары ... ... ... ... ... ... 18
3.1. Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден
айырмашылығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 18
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға
тәуелділігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 19
4. Жартылай өткізгіштердің түрлері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 22
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі ... ... ... ... ... ... ... . 22
4.2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25
4.3. р . n ауысуының қасиеттері ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 31
5. Жартылай өткізгіштік құралдар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 36
5.1. Жартылай өткізгіштік диод ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 36
5.2. Транзисторлар ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 40
Қорытынды ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 47
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 50
КІРІСПЕ
Екі өткізгішті бір-біріне түйістірген кезде жылулық қозғалыстың әсерінен электрондар бір өткізгіштен басқа өткізгішке өтеді. Егер түйісетін өткізгіштер әртүрлі материалды болып келсе немесе олардың әртүрлі нүктелеріндегі температуралары бірдей болмаса, онда электрондар диффузиясының екі жақты ағындары бірдей болмайды, осының нәтижесінде бір өткізгіш оң, ал екіншісі – теріс зарядталып қалады. Сондықтан өткізгіштің ішінде және өткізгіштер арасындағы сыртқы кеңістікте электр өрісі пайда болады. Тепе-теңдік күйінде өткізгіштің ішінде диффузия ағындарының айырмашылығын дәл компенсациялайтын өріс тұрақталанады. Осы электр өрістерінің болуына өткізгіш-өткізгіш, өткізгіш-жартылай өткізгіш, жартылай өткізгіш – жартылай өткізгіш түйісулерінде пайда болатын бірқатар құбылыстар негізделінген.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін зоналық теория негізінде тек кванттық механика жан-жақты түсіндіріп бере алады. Орта мектепте ол кристалдардағы коваленттік байланыс моделінің, мысалы кремний немесе германий кристалдарындағы, көмегімен түсіндіріледі. Кристалдың әр атомы (мысалы, а- атомы) өзіне жақын орналасқан төрт атоммен сегіз электрон көмегімен байланысады: оның төртеуі – қарастырылып отырған атомның электрондары да, ал қалған төртеуі бір біреуден байланысқа түсіп отырған атомдардікі.
Бұл байланысты түсіндіру жеткілікті түрде оқу және әдістемелік әдебиеттерде келтірілгендіктен, модель көмегімен талқылау керек болатын басты мәселелерге ғана тоқталамыз:
а) Егер жартылай өткізгіштің температурасы абсолют нөлге жақындаса, онда кристалдағы барлық байланыстар бұзылмайды, сондықтан жартылай өткізгіш диэлектрикке айналады.
ә) Температура жоғарылағанда немесе сыртқы әсердің себебінен кейбір байланыстар бұзылып, кристалл ішінде электр өрісінде қозғала алатын «еркін» электрондар пайда болады.
б) Электроны кетіп, байланыстың үзілген орны «кемтік» деп аталады, оның заряды оң, сондықтан кемтіктер де электр өрісінде қозғала алады.
Электр өрісіндегі электрондар мен кемтіктердің қозғалысын оқушылар шын мәнінде түсінуі тиіс. Ол үшін көрермендер залындағы бос орындар ұқсастығын пайдалануға болады. Көрермендер ауысып отырғанда бос орындар да жылжиды.
в) Егер жартылай өткізгіштер ұщтарына кернеу берілсе, онда электрондар да, кемтіктер де қозғалысқа түседі. Жалпы ток электрондар мен кемтіктер жасайтын токтардың қосындысына тең. Таза жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі меншікті өткізгіштік деп аталады, олардағы электрондар саны мен кемтіктер саны өзара тең.
Жасанды жолмен жартылай өткізгіштегі еркін электрондардың санын не кемтіктердің санын көбейтуге болады. Ол үшін кремний кристалына бес валентті мышьяк атомдарын, болмаса үш валентті индий атомдарын ендіреді. Бірінші жағдайда кемтіктеріне қарағанда электрондары өте көп жартылай өткізгіш қоспа алынады, оны n –типті (negativus – теріс сөзінің бас әріпі) жартылай өткізгіш деп атайды. Ал, екінші жағдайда – кемтік саны көп болады, мұндай қоспаны р –типті (positivus – оң сөзінің бас әріпі) жартылай өткізгіш деп атайды. Ондай жағдайда n –типті жартылай өткізгіштердегі негізгі заряд тасымалдаушы – электрондар, ал р –типті жартылай өткізгіштерде – кемтіктер болып қалады.
Бұл мәселелерді оқушылардың терең түсінуі үшін «Жартылай өткізгіштер және олардың техникада қолданылуы» фильмінің сәйкес фрагменттерін көрсетуге болады.
р – n - ауысу. Жартылай өткізгіштерге тән қасиеттердің ең маңыздысы - әр типті екі жартылай өткізгіштердің түйісуі екендігі, оның р-n – ауысу деп аталатындығы айтылады. р-n – ауысу қасиетін түсіндіруді тәжірибеден бастаған тиімді. Жартылай өткізгішті диодтың бір бағытта токты жақсы өткізетіндігін, екінші бағытта өте нашар өткізетіндігі көрсетіледі.
Бұл құбылыстардың себебі жөнінде сыныпта проблемалық жағдай туғызуға болады. Алдымен әр типті өткізгіштерді түйістіргенде жүретін процесс түсіндіріледі. Дереу түйісу арқылы негізгі заряд тасымалдаушылардың nдиффузиясы басталады да, түйісу аймағында зарядтардың бейтараптануы нәтижесінде аймақтың кедергісі артып кетеді. Жартылай өткізгіштердің түйіскен жерінде пайда болған қосарланған электр қабаты зарядтар қозғалысына кедергі жасап, белгілі моментте диффузия процесін тоқтатып тастайды.
Міне осындай жартылай өткізгіштерді ток көзіне қосып көрейік. Егер ток көзінің электр өрісі р-n – ауысуда пайда болған қосарланған электр қабатының өрісіне қарама-қарсы бағытта болса, онда сыртқы электр өрісі негізгі заряд тасымалдаушыларды түйісуге қарай қозғап, ол аймақтың кедергісін азайтып жібереді. Мұндай жағдайда р-n – ауысу арқылы ток жүреді.
Егер ток көзінің электр өрісі р-n – ауысудағы электр өрісімен бағыттас болса, онда сыртқы электр өрісі негізгі заряд тасымалдаушыларды жан-жаққа тартып кетеді де, р-n – ауысу аймағындағы кедергі күрт өседі. Бұл жағдайда түйісу аймағында жапқыш қабат пайда болады деп айтады, өте аз ғана ток жүреді. Токты негізгі емес заряд тасымалдаушылар жасайды.
Қорыта келгенде, р- n – ауысудың токты бір бағытта өткізіп, екінші бағытта, практикалық тұрғыдан қарағанда, өткізбейтін қасиеті бар екен.
Жартылай өткізгішті диод. Диод деп бір р-n –ауысудан тұратын жартылай өткізгішті приборларды айтады. Диодтың құрылысын арнайы дайындалған кесте көмегімен түсіндіріп, оның жұмысын тәжірибе жасап көрсеткен тиімді.
Әрі қарай диодтың вольт-амперлік сипаттамасы қарастырылады. Токты өткізу бағытында кернеуге байланысты ток жылдам өседі де, жапқыш бағытта ток аз және кернеуге айтарлықтай тәуелді емес. Графиктен р-n – ауысудағы токтың Ом заңына бағынбайтығын байқауға болады. Жартылай өткізгішті диодтардың айнымалы токты түзету үшін қолданылатындығы айтылады. Сонымен қатар әр түрлі мақсаттарда диодтардың радио – техникада, автоматикада, телемеханикада, кеңінен қолдалынып келе жатқандығын айту керек.
Транзистор. Екі р-n – ауысудан тұратын жартылай өткізгіштік құрылғыны транзистор деп атайды (transfer – тасу, resistor – кедергі) оны екі р- типті жартылай өткізгіштер қабатының арасына n- типті жартылай өткізгіш қабатын орналастыру арқылы, немесе екі n- типті жартылай өткізгіш қабатының ортасына p- типті жартылай өткізгіш орналастыру арқылы дайындайды. Екі шеткі жартылай өткізгіштердің бірі эмиттер деп, екіншісі – коллектор деп аталады, ортағы қабатты база дейді. Бұл алынған екі р-n – ауысулардың электр тогын өткізу бағыттары бір-біріне қарама-қарсы. Эмиттер база арасына ε1 , база коллектор арасына ε2 батареяларын қосамыз. Сол жақтағы р-n – ауысу арқылы ток өтеді – ол р-n – ауысу ашық, ал оң жақтағы р-n – ауысуға батарея ток өткізбейтіндей бағытта жалғанған.
База қабаты өте жұқа болады, оның ені әдетте электрондардың еркін жолының орташа ұзындығымен өлшемдес. База енінің мұншалықты жұқа болуы эмиттерден базаға өткен электрондардың түгел дерлік екінші р-n – ауысуға өтіп кетуіне мүмкіндік жасайды. Соның нәтижесінде база-коллектор тізбегінде ток пайда болады. Ол ток шамасы эмиттер – база тізбегіндегі ток шамасына тәуелді болатындығы өзінен өзі түсінікті. Егер эмиттер – база тізбегіндегі ток өзгеретін болса, онда синхронды түрде база-коллектор тізбегіндегі ток та өзгереді.
Міне, транзистордың осы айтылған қасиеті әлсіз электр сигналдарын күшейту мақсатында қолданылады. Ол үшін әлсіз сигнал көзін эмиттер-база тізбегіне тізбектеп қосады, ондай жағдайда R кедергісін үлкен етіп алу нәтижесінде, оған түсетін кернеудің мәнін де үлкейтіп алуға болады. Транзистор көмегімен әлсіз сигналды он мың есеге дейін күшейте аламыз.
Басқа жартылай өткізгіш приборлар тәріздес транзисторлардың да радиотехникада, автоматикада, телемеханикада және техниканың басқа да салаларында қолданылатындығы жөнінде мысалдар келтіруге болады.
Тақырыпты бекіту мақсатында, ең соңында жартылай өткізгіштердің электр өткізу қасиетін металдардың электр тогын өткізумен салыстыруға болады.
Екі өткізгішті бір-біріне түйістірген кезде жылулық қозғалыстың әсерінен электрондар бір өткізгіштен басқа өткізгішке өтеді. Егер түйісетін өткізгіштер әртүрлі материалды болып келсе немесе олардың әртүрлі нүктелеріндегі температуралары бірдей болмаса, онда электрондар диффузиясының екі жақты ағындары бірдей болмайды, осының нәтижесінде бір өткізгіш оң, ал екіншісі – теріс зарядталып қалады. Сондықтан өткізгіштің ішінде және өткізгіштер арасындағы сыртқы кеңістікте электр өрісі пайда болады. Тепе-теңдік күйінде өткізгіштің ішінде диффузия ағындарының айырмашылығын дәл компенсациялайтын өріс тұрақталанады. Осы электр өрістерінің болуына өткізгіш-өткізгіш, өткізгіш-жартылай өткізгіш, жартылай өткізгіш – жартылай өткізгіш түйісулерінде пайда болатын бірқатар құбылыстар негізделінген.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін зоналық теория негізінде тек кванттық механика жан-жақты түсіндіріп бере алады. Орта мектепте ол кристалдардағы коваленттік байланыс моделінің, мысалы кремний немесе германий кристалдарындағы, көмегімен түсіндіріледі. Кристалдың әр атомы (мысалы, а- атомы) өзіне жақын орналасқан төрт атоммен сегіз электрон көмегімен байланысады: оның төртеуі – қарастырылып отырған атомның электрондары да, ал қалған төртеуі бір біреуден байланысқа түсіп отырған атомдардікі.
Бұл байланысты түсіндіру жеткілікті түрде оқу және әдістемелік әдебиеттерде келтірілгендіктен, модель көмегімен талқылау керек болатын басты мәселелерге ғана тоқталамыз:
а) Егер жартылай өткізгіштің температурасы абсолют нөлге жақындаса, онда кристалдағы барлық байланыстар бұзылмайды, сондықтан жартылай өткізгіш диэлектрикке айналады.
ә) Температура жоғарылағанда немесе сыртқы әсердің себебінен кейбір байланыстар бұзылып, кристалл ішінде электр өрісінде қозғала алатын «еркін» электрондар пайда болады.
б) Электроны кетіп, байланыстың үзілген орны «кемтік» деп аталады, оның заряды оң, сондықтан кемтіктер де электр өрісінде қозғала алады.
Электр өрісіндегі электрондар мен кемтіктердің қозғалысын оқушылар шын мәнінде түсінуі тиіс. Ол үшін көрермендер залындағы бос орындар ұқсастығын пайдалануға болады. Көрермендер ауысып отырғанда бос орындар да жылжиды.
в) Егер жартылай өткізгіштер ұщтарына кернеу берілсе, онда электрондар да, кемтіктер де қозғалысқа түседі. Жалпы ток электрондар мен кемтіктер жасайтын токтардың қосындысына тең. Таза жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі меншікті өткізгіштік деп аталады, олардағы электрондар саны мен кемтіктер саны өзара тең.
Жасанды жолмен жартылай өткізгіштегі еркін электрондардың санын не кемтіктердің санын көбейтуге болады. Ол үшін кремний кристалына бес валентті мышьяк атомдарын, болмаса үш валентті индий атомдарын ендіреді. Бірінші жағдайда кемтіктеріне қарағанда электрондары өте көп жартылай өткізгіш қоспа алынады, оны n –типті (negativus – теріс сөзінің бас әріпі) жартылай өткізгіш деп атайды. Ал, екінші жағдайда – кемтік саны көп болады, мұндай қоспаны р –типті (positivus – оң сөзінің бас әріпі) жартылай өткізгіш деп атайды. Ондай жағдайда n –типті жартылай өткізгіштердегі негізгі заряд тасымалдаушы – электрондар, ал р –типті жартылай өткізгіштерде – кемтіктер болып қалады.
Бұл мәселелерді оқушылардың терең түсінуі үшін «Жартылай өткізгіштер және олардың техникада қолданылуы» фильмінің сәйкес фрагменттерін көрсетуге болады.
р – n - ауысу. Жартылай өткізгіштерге тән қасиеттердің ең маңыздысы - әр типті екі жартылай өткізгіштердің түйісуі екендігі, оның р-n – ауысу деп аталатындығы айтылады. р-n – ауысу қасиетін түсіндіруді тәжірибеден бастаған тиімді. Жартылай өткізгішті диодтың бір бағытта токты жақсы өткізетіндігін, екінші бағытта өте нашар өткізетіндігі көрсетіледі.
Бұл құбылыстардың себебі жөнінде сыныпта проблемалық жағдай туғызуға болады. Алдымен әр типті өткізгіштерді түйістіргенде жүретін процесс түсіндіріледі. Дереу түйісу арқылы негізгі заряд тасымалдаушылардың nдиффузиясы басталады да, түйісу аймағында зарядтардың бейтараптануы нәтижесінде аймақтың кедергісі артып кетеді. Жартылай өткізгіштердің түйіскен жерінде пайда болған қосарланған электр қабаты зарядтар қозғалысына кедергі жасап, белгілі моментте диффузия процесін тоқтатып тастайды.
Міне осындай жартылай өткізгіштерді ток көзіне қосып көрейік. Егер ток көзінің электр өрісі р-n – ауысуда пайда болған қосарланған электр қабатының өрісіне қарама-қарсы бағытта болса, онда сыртқы электр өрісі негізгі заряд тасымалдаушыларды түйісуге қарай қозғап, ол аймақтың кедергісін азайтып жібереді. Мұндай жағдайда р-n – ауысу арқылы ток жүреді.
Егер ток көзінің электр өрісі р-n – ауысудағы электр өрісімен бағыттас болса, онда сыртқы электр өрісі негізгі заряд тасымалдаушыларды жан-жаққа тартып кетеді де, р-n – ауысу аймағындағы кедергі күрт өседі. Бұл жағдайда түйісу аймағында жапқыш қабат пайда болады деп айтады, өте аз ғана ток жүреді. Токты негізгі емес заряд тасымалдаушылар жасайды.
Қорыта келгенде, р- n – ауысудың токты бір бағытта өткізіп, екінші бағытта, практикалық тұрғыдан қарағанда, өткізбейтін қасиеті бар екен.
Жартылай өткізгішті диод. Диод деп бір р-n –ауысудан тұратын жартылай өткізгішті приборларды айтады. Диодтың құрылысын арнайы дайындалған кесте көмегімен түсіндіріп, оның жұмысын тәжірибе жасап көрсеткен тиімді.
Әрі қарай диодтың вольт-амперлік сипаттамасы қарастырылады. Токты өткізу бағытында кернеуге байланысты ток жылдам өседі де, жапқыш бағытта ток аз және кернеуге айтарлықтай тәуелді емес. Графиктен р-n – ауысудағы токтың Ом заңына бағынбайтығын байқауға болады. Жартылай өткізгішті диодтардың айнымалы токты түзету үшін қолданылатындығы айтылады. Сонымен қатар әр түрлі мақсаттарда диодтардың радио – техникада, автоматикада, телемеханикада, кеңінен қолдалынып келе жатқандығын айту керек.
Транзистор. Екі р-n – ауысудан тұратын жартылай өткізгіштік құрылғыны транзистор деп атайды (transfer – тасу, resistor – кедергі) оны екі р- типті жартылай өткізгіштер қабатының арасына n- типті жартылай өткізгіш қабатын орналастыру арқылы, немесе екі n- типті жартылай өткізгіш қабатының ортасына p- типті жартылай өткізгіш орналастыру арқылы дайындайды. Екі шеткі жартылай өткізгіштердің бірі эмиттер деп, екіншісі – коллектор деп аталады, ортағы қабатты база дейді. Бұл алынған екі р-n – ауысулардың электр тогын өткізу бағыттары бір-біріне қарама-қарсы. Эмиттер база арасына ε1 , база коллектор арасына ε2 батареяларын қосамыз. Сол жақтағы р-n – ауысу арқылы ток өтеді – ол р-n – ауысу ашық, ал оң жақтағы р-n – ауысуға батарея ток өткізбейтіндей бағытта жалғанған.
База қабаты өте жұқа болады, оның ені әдетте электрондардың еркін жолының орташа ұзындығымен өлшемдес. База енінің мұншалықты жұқа болуы эмиттерден базаға өткен электрондардың түгел дерлік екінші р-n – ауысуға өтіп кетуіне мүмкіндік жасайды. Соның нәтижесінде база-коллектор тізбегінде ток пайда болады. Ол ток шамасы эмиттер – база тізбегіндегі ток шамасына тәуелді болатындығы өзінен өзі түсінікті. Егер эмиттер – база тізбегіндегі ток өзгеретін болса, онда синхронды түрде база-коллектор тізбегіндегі ток та өзгереді.
Міне, транзистордың осы айтылған қасиеті әлсіз электр сигналдарын күшейту мақсатында қолданылады. Ол үшін әлсіз сигнал көзін эмиттер-база тізбегіне тізбектеп қосады, ондай жағдайда R кедергісін үлкен етіп алу нәтижесінде, оған түсетін кернеудің мәнін де үлкейтіп алуға болады. Транзистор көмегімен әлсіз сигналды он мың есеге дейін күшейте аламыз.
Басқа жартылай өткізгіш приборлар тәріздес транзисторлардың да радиотехникада, автоматикада, телемеханикада және техниканың басқа да салаларында қолданылатындығы жөнінде мысалдар келтіруге болады.
Тақырыпты бекіту мақсатында, ең соңында жартылай өткізгіштердің электр өткізу қасиетін металдардың электр тогын өткізумен салыстыруға болады.
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. – М.:
Физматгиз, 1963.
2. Роуз А. Основы теории фотопроводимости. – М.: Мир, 1966.
3. Элементарный учебник физики. Т. 2. Электричество и магнетизм/Под ред.
Г.С. Ландсберга. – М.: Наука, 1967.
4. Сахаров Д.И., Блудов М.И. Физика для техникумов. – М.: Наука, 1967.
5. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов ІІІ и V
групп. – М.: Мир, 1967.
6. Жданов Л.С., Маранджян В.А. Курс физики для средних специальных
учебных заведений. Ч. 2. Электричество. Оптика. Атомная физика. – М.:
Наука, 1968.
7. Блудов М.И. Физика жайлы әңгімелер. 2 бөлім. – Алматы: Мектеп, 1969.
8. Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках. – М.:
Наука, 1972.
9. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.: Наука, 1976.
10. Зеегер К. Физика полупроводников. – М.: Мир, 1977.
11. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. – М.: Наука, 1978.
12. Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов. – М.-Л.: Наука,
1978.
13. Смит Р. Поупроводники. – М.: Мир, 1982.
14. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Мир, 1984.
15. Буравихин В.А., Егоров В.А. Биография электрона. – М.: Знание, 1985.
16. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика в помощь поступающим в вузы. –
М.: Высшая школа, 1989.
17. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. – М.:
Наука, 1990.
18. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. Учебник для 10 класса
общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2001.
1. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. – М.:
Физматгиз, 1963.
2. Роуз А. Основы теории фотопроводимости. – М.: Мир, 1966.
3. Элементарный учебник физики. Т. 2. Электричество и магнетизм/Под ред.
Г.С. Ландсберга. – М.: Наука, 1967.
4. Сахаров Д.И., Блудов М.И. Физика для техникумов. – М.: Наука, 1967.
5. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов ІІІ и V
групп. – М.: Мир, 1967.
6. Жданов Л.С., Маранджян В.А. Курс физики для средних специальных
учебных заведений. Ч. 2. Электричество. Оптика. Атомная физика. – М.:
Наука, 1968.
7. Блудов М.И. Физика жайлы әңгімелер. 2 бөлім. – Алматы: Мектеп, 1969.
8. Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках. – М.:
Наука, 1972.
9. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.: Наука, 1976.
10. Зеегер К. Физика полупроводников. – М.: Мир, 1977.
11. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. – М.: Наука, 1978.
12. Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов. – М.-Л.: Наука,
1978.
13. Смит Р. Поупроводники. – М.: Мир, 1982.
14. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Мир, 1984.
15. Буравихин В.А., Егоров В.А. Биография электрона. – М.: Знание, 1985.
16. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика в помощь поступающим в вузы. –
М.: Высшая школа, 1989.
17. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. – М.:
Наука, 1990.
18. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. Учебник для 10 класса
общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2001.
МАЗМҰНЫ
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 2
1. Қатты дененің физика элементтері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік
... ... ... ... ... ... ... . 6
1.2. Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары ...
10
2.1. Түйісу потенциалдар
айырымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
10
2.2. Термоэлектрлік
құбылыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... 11
2.3. Пельтье
эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... .. 13
2.4. Томсон
эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... 15
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды
пайдалану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 16
3. Негізгі қасиеттері бойынша өткізгіштердің, диэлектриктердің және
жартылай өткізгіштердің бір-бірінен
айырмашылықтары ... ... ... ... ... ... 18
3.1. Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден
айырмашылығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... 18
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға
тәуелділігі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... 19
4. Жартылай өткізгіштердің түрлері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 22
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
... ... ... ... ... ... ... . 22
4.2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25
4.3. р - n ауысуының қасиеттері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
5. Жартылай өткізгіштік құралдар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 36
5.1. Жартылай өткізгіштік диод
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
36
5.2. Транзисторлар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... . 40
Қорытынды
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... . 47
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
50
КІРІСПЕ
Екі өткізгішті бір-біріне түйістірген кезде жылулық қозғалыстың
әсерінен электрондар бір өткізгіштен басқа өткізгішке өтеді. Егер түйісетін
өткізгіштер әртүрлі материалды болып келсе немесе олардың әртүрлі
нүктелеріндегі температуралары бірдей болмаса, онда электрондар
диффузиясының екі жақты ағындары бірдей болмайды, осының нәтижесінде бір
өткізгіш оң, ал екіншісі – теріс зарядталып қалады. Сондықтан өткізгіштің
ішінде және өткізгіштер арасындағы сыртқы кеңістікте электр өрісі пайда
болады. Тепе-теңдік күйінде өткізгіштің ішінде диффузия ағындарының
айырмашылығын дәл компенсациялайтын өріс тұрақталанады. Осы электр
өрістерінің болуына өткізгіш-өткізгіш, өткізгіш-жартылай өткізгіш, жартылай
өткізгіш – жартылай өткізгіш түйісулерінде пайда болатын бірқатар
құбылыстар негізделінген.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін зоналық теория негізінде
тек кванттық механика жан-жақты түсіндіріп бере алады. Орта мектепте ол
кристалдардағы коваленттік байланыс моделінің, мысалы кремний немесе
германий кристалдарындағы, көмегімен түсіндіріледі. Кристалдың әр атомы
(мысалы, а- атомы) өзіне жақын орналасқан төрт атоммен сегіз электрон
көмегімен байланысады: оның төртеуі – қарастырылып отырған атомның
электрондары да, ал қалған төртеуі бір біреуден байланысқа түсіп отырған
атомдардікі.
Бұл байланысты түсіндіру жеткілікті түрде оқу және әдістемелік
әдебиеттерде келтірілгендіктен, модель көмегімен талқылау керек болатын
басты мәселелерге ғана тоқталамыз:
а) Егер жартылай өткізгіштің температурасы абсолют нөлге жақындаса,
онда кристалдағы барлық байланыстар бұзылмайды, сондықтан жартылай өткізгіш
диэлектрикке айналады.
ә) Температура жоғарылағанда немесе сыртқы әсердің себебінен кейбір
байланыстар бұзылып, кристалл ішінде электр өрісінде қозғала алатын еркін
электрондар пайда болады.
б) Электроны кетіп, байланыстың үзілген орны кемтік деп аталады,
оның заряды оң, сондықтан кемтіктер де электр өрісінде қозғала алады.
Электр өрісіндегі электрондар мен кемтіктердің қозғалысын оқушылар
шын мәнінде түсінуі тиіс. Ол үшін көрермендер залындағы бос орындар
ұқсастығын пайдалануға болады. Көрермендер ауысып отырғанда бос орындар да
жылжиды.
в) Егер жартылай өткізгіштер ұщтарына кернеу берілсе, онда
электрондар да, кемтіктер де қозғалысқа түседі. Жалпы ток электрондар мен
кемтіктер жасайтын токтардың қосындысына тең. Таза жартылай өткізгіштердің
электр өткізгіштігі меншікті өткізгіштік деп аталады, олардағы электрондар
саны мен кемтіктер саны өзара тең.
Жасанды жолмен жартылай өткізгіштегі еркін электрондардың санын не
кемтіктердің санын көбейтуге болады. Ол үшін кремний кристалына бес
валентті мышьяк атомдарын, болмаса үш валентті индий атомдарын ендіреді.
Бірінші жағдайда кемтіктеріне қарағанда электрондары өте көп жартылай
өткізгіш қоспа алынады, оны n –типті (negativus – теріс сөзінің бас әріпі)
жартылай өткізгіш деп атайды. Ал, екінші жағдайда – кемтік саны көп болады,
мұндай қоспаны р –типті (positivus – оң сөзінің бас әріпі) жартылай
өткізгіш деп атайды. Ондай жағдайда n –типті жартылай өткізгіштердегі
негізгі заряд тасымалдаушы – электрондар, ал р –типті жартылай
өткізгіштерде – кемтіктер болып қалады.
Бұл мәселелерді оқушылардың терең түсінуі үшін Жартылай өткізгіштер
және олардың техникада қолданылуы фильмінің сәйкес фрагменттерін көрсетуге
болады.
р – n - ауысу. Жартылай өткізгіштерге тән қасиеттердің ең маңыздысы
- әр типті екі жартылай өткізгіштердің түйісуі екендігі, оның р-n – ауысу
деп аталатындығы айтылады. р-n – ауысу қасиетін түсіндіруді тәжірибеден
бастаған тиімді. Жартылай өткізгішті диодтың бір бағытта токты жақсы
өткізетіндігін, екінші бағытта өте нашар өткізетіндігі көрсетіледі.
Бұл құбылыстардың себебі жөнінде сыныпта проблемалық жағдай туғызуға
болады. Алдымен әр типті өткізгіштерді түйістіргенде жүретін процесс
түсіндіріледі. Дереу түйісу арқылы негізгі заряд тасымалдаушылардың
nдиффузиясы басталады да, түйісу аймағында зарядтардың бейтараптануы
нәтижесінде аймақтың кедергісі артып кетеді. Жартылай өткізгіштердің
түйіскен жерінде пайда болған қосарланған электр қабаты зарядтар
қозғалысына кедергі жасап, белгілі моментте диффузия процесін тоқтатып
тастайды.
Міне осындай жартылай өткізгіштерді ток көзіне қосып көрейік. Егер
ток көзінің электр өрісі р-n – ауысуда пайда болған қосарланған электр
қабатының өрісіне қарама-қарсы бағытта болса, онда сыртқы электр өрісі
негізгі заряд тасымалдаушыларды түйісуге қарай қозғап, ол аймақтың
кедергісін азайтып жібереді. Мұндай жағдайда р-n – ауысу арқылы ток
жүреді.
Егер ток көзінің электр өрісі р-n – ауысудағы электр өрісімен
бағыттас болса, онда сыртқы электр өрісі негізгі заряд тасымалдаушыларды
жан-жаққа тартып кетеді де, р-n – ауысу аймағындағы кедергі күрт өседі.
Бұл жағдайда түйісу аймағында жапқыш қабат пайда болады деп айтады, өте аз
ғана ток жүреді. Токты негізгі емес заряд тасымалдаушылар жасайды.
Қорыта келгенде, р- n – ауысудың токты бір бағытта өткізіп, екінші
бағытта, практикалық тұрғыдан қарағанда, өткізбейтін қасиеті бар екен.
Жартылай өткізгішті диод. Диод деп бір р-n –ауысудан тұратын
жартылай өткізгішті приборларды айтады. Диодтың құрылысын арнайы
дайындалған кесте көмегімен түсіндіріп, оның жұмысын тәжірибе жасап
көрсеткен тиімді.
Әрі қарай диодтың вольт-амперлік сипаттамасы қарастырылады. Токты
өткізу бағытында кернеуге байланысты ток жылдам өседі де, жапқыш бағытта
ток аз және кернеуге айтарлықтай тәуелді емес. Графиктен р-n – ауысудағы
токтың Ом заңына бағынбайтығын байқауға болады. Жартылай өткізгішті
диодтардың айнымалы токты түзету үшін қолданылатындығы айтылады. Сонымен
қатар әр түрлі мақсаттарда диодтардың радио – техникада, автоматикада,
телемеханикада, кеңінен қолдалынып келе жатқандығын айту керек.
Транзистор. Екі р-n – ауысудан тұратын жартылай өткізгіштік
құрылғыны транзистор деп атайды (transfer – тасу, resistor – кедергі) оны
екі р- типті жартылай өткізгіштер қабатының арасына n- типті жартылай
өткізгіш қабатын орналастыру арқылы, немесе екі n- типті жартылай өткізгіш
қабатының ортасына p- типті жартылай өткізгіш орналастыру арқылы
дайындайды. Екі шеткі жартылай өткізгіштердің бірі эмиттер деп, екіншісі –
коллектор деп аталады, ортағы қабатты база дейді. Бұл алынған екі р-n –
ауысулардың электр тогын өткізу бағыттары бір-біріне қарама-қарсы. Эмиттер
база арасына ε1 , база коллектор арасына ε2 батареяларын қосамыз. Сол
жақтағы р-n – ауысу арқылы ток өтеді – ол р-n – ауысу ашық, ал оң
жақтағы р-n – ауысуға батарея ток өткізбейтіндей бағытта жалғанған.
База қабаты өте жұқа болады, оның ені әдетте электрондардың еркін
жолының орташа ұзындығымен өлшемдес. База енінің мұншалықты жұқа болуы
эмиттерден базаға өткен электрондардың түгел дерлік екінші р-n – ауысуға
өтіп кетуіне мүмкіндік жасайды. Соның нәтижесінде база-коллектор тізбегінде
ток пайда болады. Ол ток шамасы эмиттер – база тізбегіндегі ток шамасына
тәуелді болатындығы өзінен өзі түсінікті. Егер эмиттер – база тізбегіндегі
ток өзгеретін болса, онда синхронды түрде база-коллектор тізбегіндегі ток
та өзгереді.
Міне, транзистордың осы айтылған қасиеті әлсіз электр сигналдарын
күшейту мақсатында қолданылады. Ол үшін әлсіз сигнал көзін эмиттер-база
тізбегіне тізбектеп қосады, ондай жағдайда R кедергісін үлкен етіп алу
нәтижесінде, оған түсетін кернеудің мәнін де үлкейтіп алуға болады.
Транзистор көмегімен әлсіз сигналды он мың есеге дейін күшейте аламыз.
Басқа жартылай өткізгіш приборлар тәріздес транзисторлардың да
радиотехникада, автоматикада, телемеханикада және техниканың басқа да
салаларында қолданылатындығы жөнінде мысалдар келтіруге болады.
Тақырыпты бекіту мақсатында, ең соңында жартылай өткізгіштердің
электр өткізу қасиетін металдардың электр тогын өткізумен салыстыруға
болады.
1. ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТТЕРІ
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік
Еркін электрондар моделіне сәйкес металл атомдарының валенттілік
электрондары үлгінің шегінде еркін орын ауыстыра алады. Металдардың электр
өткізгіштігін нақ осы валенттілік электрондар жасайды, осы себебтен оларды
өткізгіштік электрондар деп атайды.
Еркін электрондарды кристалда бір-біріне жақындатқанда валенттік
электрондардың энергиясы квазиүздіксіз өзгереді. Бұл, рұқсат етілген
энергия мәндерінің өте көп жақын орналасқан дискретті деңгейлерден
тұратынын білдіреді. Шын мәнінде кристалда валенттілік электрондар
толығымен еркін қозғала алмайды – оларға тордың периодтық өрісі әсер етеді.
Бұл жағдай, валенттік электрондардың энергияларының мүмкін болатын
мәндерінің спектрінің бір қатар, рұқсат етілген және тыйым салынған
зоналарға ыдырайды (1-сур.). Рұқсат етілген зоналар шегінде энергия
квазиүздіксіз өзгереді. Тыйым
салынған зоналардағы энергия мәндерін қабылдау мүмкін емес.
Зоналардың пайда болуын түсіну үшін атомдардың кристалдарға бірігу
процесін елестетіп көрейік. Айталық алғашқыда кейбір заттың N оқшауланған
атомдары болсын. Атомдар бір-бірімен жеке – дара тұрғанда олардың бәрін де
бірдей сұлбада энергетикалық деңгейлер болады. Әрбір атомда энергетикалық
деңгейлердің электрондармен толықтырылуы басқа атомдардың сәйкес
деңгейлерінің толықтырылуына тәуелсіз болады. Атомдар біріне-бірі
1 - сур.
жақындаған сайын бірте-бірте күшейе беретін өзара әсерлесу пайда болады,
бұл деңгейлердің орналасу жағдайларының өзгеруіне алып келеді. Барлық N
атомға бірдей деңгейлердің орнына, N өте жақын орналасқан, бірақ бір-
біріне дәл келмейтін деңгейде р пайда болады. Сонымен оқшау тұрған атомның
әрбір деңгейі кристалда ыдырап, N тығыз орналасқан деңгейлер жолақ немесе
зона құрайды.
Әртүрлі деңгейлер үшін ыдыраудың шамасы бірдей емес. Атомда сыртқы
электрондармен толтырылған деңгейлер күшті ауытқиды. 2 –
суретте
2 - сур.
деңгейлердің ыдырауының атомдар аралық қашықтыққа r функциясы
ретіндекөрсетілген. Сұлбадан, кристалда ішкі электрондардың орын алған
деңгейлерінің ыдырауы өте аз екендігі көрініп тұр. Тек валенттік
электрондармен толтырылған деңгейлер едәуір ыдырайды. Атомның негізгі
күйінде электрондармен толтырылмаған жоғарырақ деңгейлер де осындай
ыдырауға ұшырайды.
1.2. Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер
Энергетикалық зоналардың болуы, бір көзқарас тұрғысынан, металдардың,
жартылай өткізгіштердің және диэлектриктің болуын, түсіндіреді.
Атомның негізгі күйіндегі валенттік электрондар тұратын рұқсат
етілген зонаны, валенттік зона деп атаймыз. Абсолюттік нольде валенттік
электрондар валенттік зонаның төменгі деңгейлерін екі-екіден толтырады.
Жоғарырақ рұқсат етілген зоналар электрондардан бос болады. Валенттік
зонаның толу дәрежесіне қарай және тыйым салынған зонаның еніне қарай, 3 –
суретте көрсетілгендей, үш жағдай болуы мүмкін. а жағдайында электрондар
валенттік
3 - сур.
зонаны толығымен толтырмайды. Сондықтан, жоғары деңгейде тұрған
электрондарға өте аз энергия берілсе болды, олар жоғарғы деңгейге ауысады.
Электр өрісінің электронға әсерінен пайда болған қосымша энергия да,
электрондарды жоғарырақ деңгейге ауыстыруға жеткілікті болады. Сондықтан,
электр өрісінен электрондар үдетіліп және, өріске қарсы бағытта, қосымша
жылдамдық алады. Сонымен, осындай сұлбалы энергетикалық деңгейлері бар
кристалл металл болып саналады.
Валенттік зонаны жарым-жартылай толтыру (металл жағдайында оны
өткізгіштік зонасы деп те атайды), атомдағы соңғы орын алған деңгейде тек
бір ғана электрон болады немесе зоналардың бірін-бірі көмкеруі бақыланады.
Бірінші жағдайда N өткізгіштік электрондар валенттік зонаның жартысын
ғана жұптасып толтырады. Екінші жағдайда, өткізгіштік зонасында
деңгейлердің саны N-нен артық болады, егер де тіптен өткізгіштік
электрондардың саы 2N болса да, олар зонаның барлық деңгейін толтыра
алмайды.
б және в жағдайларында (3-сур.) валенттік зонаның деңгейлері
электрон электрондармен толық толтырылған – зона толған. Электронның
энергиясын арттыру үшін, оған тыйым салынған зонаның енінен ΔЕ кем емес
энергия мөлшерін беру керек. электр өрісі (кристалдың электрлік тесілуі
болмайтын кернеулікте) мұндай энергияны электрондарға бере алмайды. Мұндай
жағдайда кристалдың электрлік қасиеттері тыйым салынған зонаның ΔЕ енімен
анықталады. Егер бұл ен үлкен болмаса (оннан бір электроновольт), жылулық
қозғалыстың энергиясы, электрондардың бір бөлігін жоғары еркін зонаға
ауыстыруға, жеткілікті болады. Бұл электрондар, металдағы валенттік
электрондар тұрған жағдайға ұқсас күйде болады. Еркін зона олар үшін
өткізгіштік зона болып саналады. Бір мезгілде валенттік зонадағы
электрондардың жоғары босаған орындарға ауысу мүмкіндіктері туады. Мұндай
затты өзіндік жартылай өткізгіш деп атайды.
Егер тыйым салынған зонаның ΔЕ ені үлкен болса (бірнеше
электроновольттай), жылулық қозғалыс еркін зонаға едәуір электрондардың
санын лақтырып тастай алмайды. Бұл жағдайда кристалл диэлектрик болып
саналады.
2. ӘРТҮРЛІ МАТЕРИАЛДАН ЖАСАЛҒАН ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ
ТҮЙІСУ ҚҰБЫЛЫСТАРЫ
2.1. Түйісу потенциалдар айырымы
Екі металл пластиналарды тығыз жанастырайық (4-сур.).
Металдарда
4-сур.
еркін электрондар хаосты қозғалыста болатындықтан, пластинкалардың жанасу
беттері арқылы электрондардың диффузиясы басталады. Егер жанасатын металдар
бірдей және олар бір температурада тұрса, онда тек электрондармен ғана
алмасу жүреді, өйткені электрондардың бір пластинкадан екінші пластинкаға
өту шарттары бірдей болады.
Әртүрлі металдан жасалынған екі пластинкаларды жанастырайық. Бұл
пластиналарда көлем бірлігінде еркін электрондардың саны әртүрлі, яғни
еркін электрондардың концентрациясы әртүрлі. Айталық Б металында
электрондардың концентрациясы, А металға қарағанда көп болсын. Сонда Б
металдан А металға, қарама-қарсы бағытқа қарағанда, көп электрон өтеді.
Егер электрондардың зарядтары болмаса, онда бұлардың диффузиясы, екі
пластинкадағы электрондардың концентрациялары теңескенге дейін жүрер еді.
Электронда зарядтың болуы бұл кескінді өзгертеді.
Жанасқанға жейін металл пластинкалар электр нейтраль еді. Олар
түйіскен кезде Б металы электрондарын жоғалтып оң зарядталады, ал А
металы электрондарды қабылдап теріс зарядқа ие болады. Сондықтан
пластинкалар арасында, электрондардың теңдей өтпеуі себептен, потенциалдар
айырымы пайда болады. Әртекті металдар жанасқан кезде пайда болатын
потенциалдар айырымын, түйісу потенциалдар айырымы деп атайды. Бұл
потенциалдар айырымы электрондардың Б металдан А металға көшуіне
қарсылық жасайды.
Металдар жанасқаннан кейін алғашқы қысқа уақыт аралығында,
электрондардың концентрацияларының айырмашылығы пайда болған электр өрісіне
қарағанда,электрондарға артық әсер етеді, сондықтан электрондар көбінесе Б
металдан А металға өтеді. Бұл кезде электрондардың концентрациялар
айырымы азайып, түйісу потенциалдар айырымы артады. Бұл процесс металдардың
түйісу беті арқылы екі жақты өтетін электрондардың сандарының динамикалық
тепе-теңдігі орнағанға дейін жүреді.
Әрбір екі металл үшін бірдей температурада динамикалық тепе-теңдік
кезінде түйісу потенциалдар айырымы ең үлкен мәнге ие болады. Түйісу
потенциалдар айырымы туралы сөз болғанда оның максимал мәні айтылады.
Металдарда электрондардың концентрацияларының айырымы вольттің жүзден бір
бөлігіндей ғана потенциалдар айырымын жасай алады.
Температура артқан кезде, екі металдағы еркін электрондар жылдам
қозғала бастайды; концентрациясы артық металда бұл жылдамдық артығырақ
болады. Ал бұл қарама-қарсы бағытта өтіп жатқан электрондардың сандарын
өзгертіп, динамикалық тепе-теңдікті бұзады. Б металдан А металға өтіп
жатқан артық электрондар қайтадан пайда болады, бұл түйісу потенциалдар
айырымының артуына алып келеді. Мұндай арту келесі динамикалық тепе-теңдік
орнағанға дейін жүреді. Сондықтан, түйісу потенциалдар айырымы
температураға тәуелді, жанасатын металдардың температурасы артқан кезде
өсіп отырады.
Тәжірибенің көрсетуі бойынша, екі металдың әрбірінде берілген
температурада түйісу потенциалдар айырымы тұрақты және олардың араларында
басқа металл барма, немесе тікелей жанаса ма, оған тәуелді емес (5-сур.).
5-сур.
2.2. Термоэлектрлік құбылыс
Енді түйісу потенциалдар айырымы электр қозғаушы күшке себепті бола
ала ма, соны қарастырайық. Егер әртүрлі металдан тұйық тізбек жасап, оған
сезімтал гальванометр жалғастырсақ, онда оның тілшесі ауытқымайды. Бұл
тізбекте электр қозғаушы күштің жоқ екендігін білдіреді.
Демек, жанасатын металдардың температурасы бірдей болған кезде,
түйісу потенциалдар айырымы, электр қозғаушы күш жасай алмайды.
Бұл қорытындыға басқаша жолмен де келуге болады. В және Д
нүктелерінде түйіскен, екі А және Б металдан тұратын тұйық тізбекті
қарастырайық (6-сур.). Егер А металы жанасқан кезде теріс,
ал Б – оң
6-сур.
зарядталса, онда түйісу потенциалдар айырымы электрондарды Д түйісуде
сағат тілінің бағытымен, ал В түйісуде сағат тілінің бағытына қарама-
қарсы орын ауыстырады. В және Д түйісі потенциалдар айырымы бірдей
болып және қарама-қарсы бағытталғандықтан, ешқандай ток жүрмейді.
Егер В және Д түйісулерде температуралар әртүрлі болса, онда бұл
көрініс өзгереді. Д нүктесіндегі температураның артуы, Д түйісу арқылы Б-
дан А-ға қарай электрондардың қосымша ауысуына алып келеді. Бұл жерде А
металының Д ұшында электрондардың концентрациясы, В ұшына салыстырғанда
артық болады да, электрондар А металында Д-дан В-ға қарай бағытта орын
ауыстырады. Бұл А металының В ұшында электрондардың тығыздығының артуына
алып келеді, ал Д ұшында электрондардың тығыздығының кемуіне алып келеді.
Сонда Б металында электрондар В-дан Д-ға қарай орын ауыстыра бастайды. Бұл
В түйісуіндегі динамикалық тепе-теңдікті бұзады, өйткені В түйісу
төңірегінде А металындағы электрондардың тығыздығы артады, ал Б металда –
кемиді. Бұл кезде электронда В түйісу арқылы А-дан Б-ға қарай өте бастайды.
Сонымен, егер әртүрлі металдардың түйісулер температуралары бірдей
болмаса, онда оларда электрондардың бағытталынған қозғалысы пайда болады,
яғни мұндай тізбекте ток жүреді. Бұл тізбекте электр зарядтарына энергия
беретін электр қозғаушы күші пайда болатындығын көрсетеді. Бұл жағдайда,
электр энергиясы Д түйісудегі металдарды қыздыруға жұмсалынған энергияның
есебінен алынады.
Әртүрлі металдардан құрастырылған, олардың түйісулерінде әртүрлі
температура болғанда тізбекте пайда болатын электр қозғаушы күшін,
термоэлектрлік қозғаушы күш деп атайды. Термоэлектрлік қозғаушы күшінің
шамасы жанасушы металдардың тегіне және олардың түйісулерінің
температуралар айырымына байланысты. Тәжірибенің көрсетуі бойынша, ол
көрсетілген температуралар айырымына пропорционал.
Кейбір жағдайларда бұл ережеден ауытқулар байқалады, мұны температура
аса жоғарылағанда электрондардың тығыздығының өзгеруімен түсіндіруге
болады. Термоэлектрлік қозғаушы күштің шамасы өте аз, әртекті металдардың
бірігу температураларының айырымы бір градус болғанда вольттың бірнеше жүз-
мыңдаған бөлігі шамасына жетеді.
Екі әртекті металдардың ұштары дәнекерлеп жалғасқан және жылу берудің
есебінен электр энергиясын жасаушы аспапты термопара, немесе термоэлемент
деп атайды. Термопара электр энергиясының көзі болып саналады. Сыртқы
тізбекті бұл ток көзіне жалғастыру үшін металдарды бір нүктесінде үзеді,
оның бос ұштары полюстерге айналады. Кейде металдардың ұштарының бір жұбын
ғана дәнекерлейді, ал екінші ұшын бос қалдырады. Сонда металдардың бос
ұштары полюстер болып шығады (7-сур.).
7-сур.
2.3. Пельтье эффектісі
Тәжірибенің көрсетуі бойынша, өткізгіштің көлемінде токтың бөліп
шығатын Джоуль-Ленц жылуынан басқа, әртүрлі өткізгіштердің түйісуінде, егер
бұл өткізгіштер алғашында бірдей температурада тұрса да, олардың түйісу
аймағында жылулық құбылыстар болады. Бұл түйісуде ток жүрген кезде, токтың
бағытына байланысты жылудың бөлінуі немесе жұтылуы болады, түйісу аймағы не
қызады, не салқындайды. Бұл құбылыс Пельтье эффектісі деп аталынады.
Пельтье эффектісін 8 – суретте көрсетілген тәжірибе арқылы
демонстрациялауға болады. Мұнда 1 және 2 – бір-бірімен жалғасқан екі
әртүрлі
8-сур.
өткізгіштерден жасалынған өзектер. Өзектер шыны баллонның ішіне ауа
кірмейтіндей тығыз орналастырылған, ол баллон горизонталь Т түтікшемен
жалғасқан және түтікшенің ішіне су тамшысы ендірілген. Шыны баллон
атмосферамен К краны арқылы жалғастырылып немесе онан бөлініп тасталына
алады, сөйтіп бұл газ термометрі қызметін атқарады. Өткізгіштердің
жалғасқан жері қызған кезде баллонның ішіндегі қысым артып, су тамшысы оңға
қарай ығысады; дәнекерленген орын салқындаған кезде тамшы кері бағытқа
қарай қозғалады. Тәжірибе үшін сурьмадан (Sb) және висмуттан (Ві)
жасалынған өзектер алған қолайлы. Токтың бағыты Sb-дан Ві-ге қарай
болғанда дәнекерленген орын қызады.
Дәнекерленген орындағы Qn шығатын не жұтылатын Пельтье жылуы, түйісу
ауданы арқылы өтетін толық зарядтың q шамасына пропорционал
Qn = Пq = ПIt
П коэффициенті жалғасатын өткізгіштердің тегіне және температурасына
тәуелді, оны Пельтье коэффициенті деп атайды.
Пельтье жылуының табиғаты былай түсіндіріледі. Әрбір электрон өзінің
қозғалысында заряд қана тасымалдамай, өзіне тән энергия да тасымалдайды.
Сондықтан электр тогы болған кезде өткізгіште белгілі-бір энергия ағыны
пайда болады. Бұл мына жағдайда да, өткізгіштің барлық нүктелерінде
температура бірдей және жылу өткізгіштіктік салдарынан энергия ағыны жоқ
кезде де, пайда болады. Энергия ағыны электрондардың қозғалыс бағытымен
сәйкес келеді, яғни ток тығыздығының бағытына қарама-қарсы.
Өзгермейтін ток тығыздығында әртүрлі өткізгіштерде энергия ағыны
әртүрлі. Сондықтан, 1 өткізгіштегі түйісу жазықтығына келетін энергия
ағыны, 2 өткізгіштегі түйісу жазықтығынан кететін энергия ағынына тең
болмайды. Осы энергиялардың айырмашылығы Пельтье жылуы болады.
2.4. Томсон эффектісі
Термоэлектрлік құбылыстарды зерттей отырып, Томсон мынандай
қорытындыға келді, егер өткізгіш біртекті болса да және ол біртекті
қыздырылмаса, бұл өткізгіштен ток жүрген кезде жылу шығару немесе жұтылу
болады, ол Джоуль-Ленц жылуына қосылады немесе одан алынады. Бұл құбылыс
Томсон эффектісі деп аталынады, дәлірек айтсақ түйісу құбылысына жатпайды.
Алайда оның пайда болуы түйісуде болатын құбылыстармен тығыз байланысты.
Томсон эффектісін бақылау үшін 9-сур. қызмет етеді. Бірдей
материалдан жасалынған 1 және 2 өткізгіштер ток тізбегіне
жалғасқан, ал
9-сур.
өзектердің ұштары әртүрлі температураларда ұсталынып тұрады (мысалы, 100
және 00 С). Өзектерде температура градиенті ΔТ Δх пайда болады және жылу
ағыны басталады. Бір өзекте токтың бағыты және температура градиенті
бірдей, ал басқасында – қарама-қарсы. Тәжірибеде, ток жүрмеген кезде а
және
б нүктелеріндегі температуралар айырмашылығын өлшеу үшін термопара түйісу
ұшы орналастырылады. Ток жүрген кезде а және б нүктелерінің
температуралары әртүрлі болады, мұнан бір өзекте Джоуль-Ленц жылуына
қосымша жылу бөлінетіндігін, ал басқа өзекте жылу жұтылатынын (Томсон
эффектісі) көрсетеді.
Томсон эффектісінің таңбасы әртүрлі өткізгіштер үшін әртүрлі. Мысалы,
висмут және цинкте, егер жылу ағыны мен ток бағыты сәйкес келгенде, жылу
бөліну бақыланады. Бірақ дәл осындай жағдайда темірде, платинада, сурьмада
жылу жұтылу бақыланады.
Томсон эффектісі өткізгішті қыздырған кезде, оның қасиетінің
өзгеруімен түсіндіріледі. Алғашқы біртекті өткізгіш біртекті қыздырылмаған
кезде біртекті болмай қалады және сондықтан Томсон эффектісі мәні бойынша
өзіндік Пельтье құбылысы болып саналады, тек мұнда өткізгіштердің біртекті
еместігі өткізгіштердің химиялық құрамының әртүрлілігінен емес,
температуралардың әртүрлілігінен болады.
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды пайдалану
Термоэлектрлік құбылыс температураны өлшеу үшін кең түрде
пайдаланылады. Бұл үшін термоэлементтер (термопаралар) қызмет етеді.
Техникалық термопараның схемасы 10 – суретте көрсетілген. Ол
әртүрлі
металдан жасалынған екі өткізгіштен 1 және 2 тұрады, олардың ұштары бір-
бірімен денекерленген (1 түйісу). Екі өткізгіште, түйіскен жеріне химиялық
әсерден сақтау үшін, фарфор түтікшеге Т орналастырылған. Екінші түйісу
ұшы (ІІ) өзгермейтін температурада ұсталынып тұрады. а және б ұштарын
милли вольтметрге жалғастырады. Температуралардың артықшылығы өте жоғары,
не өте төмен температураларды да өлшей алады.
ЭҚК-ті арттыру үшін термоэлементтер тізбектей жалғастырылып, батареяға
біріктіреді (11-сур.). Бұл кезде барлық жұп түйісулер
бір
10-сур.
11-сур.
Температурада, ал барлық тақ түйісулер басқа температурада ұсталынып
тұрады. Мұндай батареяның ЭҚК-і, олардың жеке-жеке элементтерінің ЭҚК-
терінің қосындысына тең.
Екі әртүрлі өте жұқа металдардан құрастырылған миниатюрлік
термобатареялар, жарықтың интенсивтілігін өлшеу үшін табысты пайдаланылады.
Мұндай термоэлектрлік қабылдағыштарды сезімтал гальванометрмен жалғастырған
кезде сезгіштігі өте жоғарылайды. Олар, мысалы, бірнеше метр қашықтықта
тұратын, адам қолынан бөлінетін көрінбейтін жылулық сәуле шығаруды байқай
алады.
Термобатареяларды аз қуатты электр тогының генераторы ретінде
пайдалануға болады. Бұл генераторлар өте қарапайым және айналып тұратын
бөлігі болмайды.
3. НЕГІЗГІ ҚАСИЕТТЕРІ БОЙЫНША ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ,
ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ЖӘНЕ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ
БІР-БІРІНЕН АЙЫРМАШЫЛЫҚТАРЫ
3.1. Жартылай өткізгіштердің металдардан және
диэлектриктерден айырмашылығы
Электр тогын өткізу қабілетіне байланысты барлық материалдар
өткізгіштер, диэлектриктер және жартылай өткізгіштер болып бөлінеді.
Бұлардың электрлік қасиеттерін салыстырайық. Өткізгіштерде өте көп бос
зарядты тасымалдаушы бөлшектер болады. Қатты өткізгіштердің көпшілігін
металдар құрайды. Металдардың жоғарғы электр өткізгіштігі олардың
кристалдық торының құрылымымен түсіндіріледі.
Металдарда барлық кезде өте көп еркін электрондар болады, олар оң
зарядталған иондардан тұратын кристалдық тордың ішінде қозғалады. Заттардың
электр өткізгіштігі еркін зарядты тасымалдаушылардың концентрациясына n
пропорционал, яғни олардың көлем бірлігіндегі санына. Алайда электр
өткізгіштік n-нің мәнімен ғана анықталып қоймайды, еркін зарядта
тасымалдаушылар, электр өрісінің әсерінен кристалдық тордың ішінде
қозғалғанда, сол заттың торы тарапынан кездесетін кедергіге де тәуелді,
яғни заттағы осы тасымалдаушылардың қозғалғыштығымен де анықталады.
Өткізгіште қоспаның аздаған мөлшері болуы еркін зарядты
тасымалдаушылардың концентрациясын елеулі шамада өзгерте алмайды, бірақ
олардың қозғалғыштығына қатты әсер етеді. Металдардың кристалдық торының
құрылымының, қоспаның болуының арқасындағы бүлінуі, әдетте электрондардың
қозғалғыштығын едәуір азайтып жібереді. Сондықтан, мысалы таза мыстың
өткізгіштігі, аздаған қоспасы бар мыстың өткізгіштігіне салыстырғанда
едәуір жоғары болады.
Диэлектриктерде еркін зарядты тасымалдаушылар тіптен болмайды.
Олардың барлық электрондары белгілі бір атомдармен байланысқан болады, және
электронды атомнан бөліп алу үшін едәуір энергия жұмсау керек болады.
Жылулық қозғалыстың әсерінен кейбір электрондар атомдардан бөлініп шығуы
мүмкін, бірақ ондай электрондардың саны диэлектриктерде өте аз болады.
Диэлектриктердің электр өткізгіштігі негізінен онда бөгде қоспалардың
барлығымен анықталады. Диэлектрикте, электронын жеңіл беретін бөгде атом
болса, онда еркін зарядты тасымалдаушылар пайда болады, яғни олардың
концентрациясын n арттырады. Сонымен, диэлектрикке қоспа ендіру әдетте
оның электр өткізгіштігінің едәуір артуына алып келеді.
Жартылай өткізгіштер өткізгіштер мен диэлектриктердің аралық жағдайын
алып жатады. Таза жартылай өткізгіштерде диэлектриктерден принципиалдық
айырмашылығы жоқ. Себебі бұл екеуінде де еркін зарядты тасымалдаушылар жоқ,
оларды пайда ету үшін (электрондарды атомдардан жұлып алу үшін) кейбір
энергия жұмсау керек. Бірақ егер бұл энергия диэлектриктер үшін өте үлкен
болса, ал жартылай өткізгіштер үшін ол аз шама.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі олардың тазалығына өте
күшті тәуелді. Диэлектриктердегі сияқты, жартылай өткізгіштерде бөгде
қоспалардың болуы, мысалы басқа элементтің аздаған атомының болуы, оның
электр өткізгіштігін едәуір арттырады.
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің
температураға тәуелділігі
Өзінің меншікті кедергісі ρ бойынша жартылай өткізгіштер
металдармен ( ρ = 10-7 – 10-8 Ом.м) және диэлектриктердің (ρ 1∙ 108 Ом.м)
аралығын ала
жатады. Меншікті кедергі бағанасында, кейбір металдардың, жартылай
өткізгіштердің және диэлектриктердің алатын орны 12– суретте
бейнеленген.
12– сур.
Алайда, меншікті кедергісі бойынша заттарды топтау едәуір шартты болып
саналады, өйткені бірқатар факторлардың әсерінен (температура, сәулелену,
қоспалар) көптеген заттардың меншікті кедергісі өзгереді, ал оның үстіне
жартылай өткізгіштерде ол қатты өзгереді. Сондықтан, жартылай өткізгіштерді
металдардан ажырату үшін жалпы белгілер бойынша қарастыру керек және
алдымен температураға байланысты меншікті кедергінің тәуелділік сипаты
бойынша. Жартылай өткізгіштерде температура өскен сайын меншікті кедергі
азаяды (13-сур.), ал металдарда температура артқан сайын меншікті кедергі
артады (14-сур.).
13 - сур.
14 - сур.
Енді температураның зттардың электр өткізгіштігіне әсерінің табиғатын
қарастырайық.
Температура артқанда металдарда еркін зарядты тасымалдаушылардың
концентрациясы өзгермейді, ал олардың қозғалғыштығы төмендейді, өйткені
тордың түйіндерінде тұрған иондардың жылулық тербелісінің амплитудасы
артады, осының салдарынан, электр өрісінің әсерінен қозғалатын электрондар
ағынының шашырауы артады. Сондықтан, температура көтерілгенде металдардың
өткізгіштігі төмендейді, ал төмендегенде – артады, және температура 00 К-
ге жақындағанда, яғни тордың түйіндерінде тұрған бөлшектердің жылулық
тербелісі толық тоқталады, осы кезде кейбір металдардың электр өткізгіштігі
секірмелі түрде кенет артады (төтенше өткізгіштік құбылысы).
Температура ртқанда диэлектриктердің электр өткізгіштігі нашар өседі.
Алайда, диэлектрикте еркін зарядты тасымалдаушылар пайда болу үшін қажетті
энергия өте жоғары, сондықтан диэлектрикті қыздырған кезде, онда елеулі
еркін зарядты тасымалдаушылар мөлшері пайда болғанша, оның термиялық
бүлінуі басталады.
Жартылай өткізгіштің температурасы артқанда оның атомдарының сыртқы
қабатының жеке электрондары, атомнан бөлінуге жеткілікті энергия қабылдап,
онан бөлініп шығып, еркін электрондарға айналады. Жартылай өткізгіштің
температурасы жоғарылаған сайын, ондағы еркін электрондардың саны артады
және электр өткізгіштігі жоғарылайды.
Жартылай өткізгіштердің температурасы төмендеген кезде еркін зарядты
тасымалдаушылар саны күрт төмендеп, төменгі температураларда оның
өткізгіштігі іс жүзінде нольге тең болады. Жартылай өткізгіштерде, төменгі
температураларда өткізгіштіктің жоқ болуы – металл өткізгіштерден жартылай
өткізгіштердің тағы да бір сипатты айырмашылығы болып саналады және ол
өткізгіштерде еркін зарядты тасымалдаушылардың пайда болуының жылулық
табиғаты бар екендігін көрсетеді.
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі температураға күшті байланысты.
Бұл жартылай өткізгіште жасалған әртүрлі термо сезімтал құралдардың
құрылысында пайдаланылады. Жартылай өткізгіштерде еркін зарядты
тасымалдаушылар тек қана қыздыру арқылы пайда болмайды екен. Олар жартылай
өткізгішке түскен сәуленің де әсерінен пайда болады. Сондықтан, жартылай
өткізгіштердің өткізгіштігі және де жарықталынуға күшті тәуелді.
4. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ ТҮРЛЕРІ
Жартылай өткізгіштерде Менделеев кестесінің орта тұсындағы он екі
химиялық элементтер жатады. Олар: бор (В), көміртегі (С), кремний (Si),
германий (Ge), қалайы (Sn), фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), күкірт
(S), селен (Se), телмур (Те), йод (І). Мұнан басқа үшінші топтағы
элементтердің, бесінші топтағы элементтермен қосындысы, көптеген
металдардың оксидтері мен сульфидтері, бір қатар химиялық қоспалар, кейбір
органикалық заттар. Ғылым мен техникада ең көп қолданылатын жартылай
өткізгіштерге германий
Ge және кремний Sі жатады.
Жартылай өткізгіштер өзіндік (яғни қоспасыз) және қоспалы болып
бөлінеді. Қоспалы жартылай өткізгіш өз ретінде донорлық және акцепторлық
болып бөлінеді.
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштік механизмін
германийдің немесе кремнийдің монокристалының мысалында қарастыру қолайлы,
оның құрылымының сұлбасы (бір жазықтықта) 15 – суретте бейнеленген. Себебі
өте кең қолданылатын жартылай өткізгіштер Ge және Sі
15 - сур.
сыртқы электрондық қабатта төрт электроны болады, яғни олардың валенттілігі
төртке тең. Мұндай элементтердің кристалдық торында (алмаз типті тор деп
аталынатын) германийдің Ge немесе кремнийдің Sі әрбір атомы, бірдей
қашықтықта орналасқан, көрші төрт атоммен қоршалған.
Атомның ең орнықты күйі, оның сыртқы электрондық қабатында сегіз
электрог тұрған кезде екендігі белгілі. Сондықтан Ge және Sі атомдары
электрондық қабаттарды сегіз электронға дейін толтырып, көрші атомдармен
жалпы электрондық жұп құрайды (коваленттік байланыс).
Әрбір екі көрші атомдар екі ортақ электрондары (электрондық жұп)
болады. Сонымен, әрбір атом сыртқы қабатында сегіз электроннан болады, олар
бір мезгілде көрші атомдарға да жатады (15-сур.). Алмаз типті торды шартты
түрде жазық етіп бейнелеуге болады, өйткені мұнда да әрбір атом көрші төрт
атоммен қоршалған. Төменгі температурада жартылай өткізгіштің кристалында
барлық электрондар атомдармен байланысқан және еркін электрондары жоқ, яғни
кристалл диэлектрик болып саналады. Жартылай өткізгіштің температурасын
көтерген кезде кейбір электрондар атомнан бөлініп, жылжымалы күйге түсіп,
оған кернеу түсіргенде, кристалда ток жасайды.
Бөлме температурасының өзінде жартылай өткізгіш кристалында жылжымалы
электрондардың біраз сандары болады және температураның артуына байланысты
олардың саны тез көбейеді. Германий Ge жағдайында, кремнийге Si
қарағанда, атомнан электронды жұлып алу үшін энергия аз жұмсалады.
Сондықтан таза германийдің Ge кедергісі, кремнийдікіне Si қарағанда
едәуір аз (ρGe ≈ 0,5 Ом.м, ал ρSi ≈ 2 ∙ 103 Ом.м).
Атомнан электронды бөліп шығарған кезде атомның қабатшасында бос орын
пайда болады, ол орынды кемтік деп атайды. Ортақ электрондары бар көрші
атомдар, электрондармен үнемі алмасып тұратындықтан, бұл кемтік басқа
электронмен толтырылуы мүмкін және бұл кезде енді басқа атомда бір электрон
жетпей тұрады. Электрон үзіліп шыққанға дейін атом электрлік нейтраль
болғандықтан, онда электронның жетіспеуі атомға оң заряд береді. Сондықтан,
электронның бос орны – кемтіктің зарядын оң деп санайды. Бұл бос орын –
кемтік – кристалл көлемінде үнемі және тынымсыз орын ауыстыруда болады, бұл
заряды сандық жағынан электрон зарядына тең оң зарядтық осылай ауысып
отырумен бірдей болады.
Сонымен, бос электрондар және кемтіктер кристалл бойынша, қандай да
бір еркін электрон атом қабатшасындағы кемтікпен кездескенше, ретсіз орын
ауысып отырады (бос орынға тап болғанша). Бұл кезде қозғалыстағы екі
зарядты тасымалдаушылар жоқ болады: бос электрон және кемтік, яғни
рекомбинация жүреді.
Әрбір белгілі-бір температурада жұптың пайда болуының электрон-
кемтік (генерация) және олардың жойылуының (рекомбинация) аралығында
динамикалық тепе-теңдік орнайды. Неғұрлым температура жоғары болған сайын,
солғұрлым электрон – кемтік жұптары пайда болып, жартылай өткізгіш
кристалында олардың бір мезгілде болуының саны артады.
Егер осындай кристалды электр тізбегіне қосса, онда оның ішінде
электрондар, теріс полюстен оң полюске қарай реттеліп қозғала бастайтын
болады. Өрістің әсерінен байланысқан электрондар да көбінесе өрістің күш
сызықтары бойымен көрші атомдардан бос орындарға көше бастайды, ал бос
орындар (кемтіктер) осы сызықтардың бойымен қарсы жаққа қарай орын ауыстыра
бастайды.
Сонымен, өрістің әсерінен кемтіктер де оң зарядты алып жүре отырып
реттелген қозғалысқа түседі. Шын мәнінде, бір жаққа тек бос электрондар мен
байланысқан (валенттілік) электрондар орын ауыстыратындықтан, бос
электрондарды бір жаққа қарай, ал оң зарядты тасымалдаушы кемтіктерді
екінші жаққа қарай қозғалады деп санауға болады.
Бос электрон кемтікпен кездескенде олар рекомбинацияланады, сөйтіп
олардың қозғалысы тоқталады. Бос электрон мен кемтіктің рекомбинацияға
дейінгі орташа еркін жол жүру ұзындығы өте аз (0,1 мм-ден артық емес).
Тынымсыз жылулық генерация жаңадан электрон – кемтік жұбының пайда
болуына алып келеді, олар қайтадан зарядты тасымалдай бастайды. Сонымен,
электр өрісінің әсерінен кристалда еркін зарядты тасымалдаушылардың
үздіксіз реттелген қозғалысы жүреді, яғни ток ағады. Мұндай өткізгіштік
өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі деп аталынады.
Зоналық теория бойынша өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі
валенттік зонаның жоғары деңгейлерінен электрондардың өткізгіштік зонаға
ауысуынан пайда болады. Бұл кезде өткізгіштік зонада ток тасымалдаушылардың
бірнеше саны – зонаның түбіне жақын деңгейлерде орналасқан, электрондар
пайда болады; валенттік зонаның жоғары деңгейлерінде бір мезгілде осынша
саны бар бос орындар пайда болады, осының нәтижесінде кемтіктер пайда
болады. Керісінше рекомбинация процесіне электронның өткізгіштік зонадан
валенттік зонаның бір бос деңгейіне ауысуы сәйкес келеді.
Жеткілікті жоғары температурада өзіндік жартылай өткізгіштің
өткізгіштігі барлық жартылай өткізгіштердің түрлерінде байқалады. Алайда,
қоспасы бар жартылай өткізгіштерде, электр өткізгіштік өзіндік және қоспалы
өткізгіштіктердің қосындысынан тұрады.
4. 2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі
Егер балқытылған таза германийге немесе кремнийге Менделеев
кестесіндегі үшінші топтың элементтерінің атомдарының (Іn, Al, Ga, B және
басқалар) аздаған мөлшерде қосса, мысалы Іn, онда қатайғаннан кейін Іn
атомдары кристалдық тордың кейбір түйіндерінен орын алып, кристалдық
құрамына енеді. In атомдары кристалда төрт көрші Ge атомдарымен ортақ
электрондық жұп құрайды. Алайда индий Іn атомында сыртқы электрондық
қабатта үш қана электрон болғандықтан, сегіз электроннан тұратын орнықты
қабат құру үшін, оған бір ортақ электрон жетіспейді. Іn атомы жетіспейтін
электронды көрші германийдің Ge атомынан қамтып алуы мүмкін. Сонда ол
теріс зарядталады да, ал қандай да бір орында жылжымалы кемтік пайда
болады.
Кристалл электронейтраль болып қала береді, бірақ ондағы теріс
зарядталған In атомдары тормен байланысқан (локалданылған), ал оң
зарядталған кемтіктер электр тогына қатысуы мүмкін (16-сур.).
Мұндай
16 - сур.
кристалдың өткізгіштігі негізінен кемтік болады, өйткені кристалда пайда
болған кемтіктердің саны, аздаған қоспаны ендіргеннің өзінде (10-4 – 10-6
%), қоспасыз жартылай өткізгіштегі электрон-кемтік жұбының санынан
едәуір көп болады.
Егер жартылай өткізгіште атомдары электрондарды қамтып алатын,
Менделеев кестесіндегі ІІ топтағы элементтердің қоспасы болса, онда мұндай
қоспаны р-типті қоспа деп атайды (позитив - оң деген сөз) немесе
акцепторлық (аламан) қоспа, ал кристалл р-типті жартылай өткізгіш деп
аталынады.
р- типті жартылай өткізгіштерде негізгі электр өткізгіштіктің рөлін –
жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары – кемтіктер атқарады.
Германий торына Менделеев кестесінің V тобының атомдарын ендірсе
(As, Sв, Р және басқалар), мысалы мышьякты Аs, сыртқы қабатшадағы төрт
электрон (қоспа атомының сыртқы қабатшасындағы бес электрондардың төртеуі)
көрші төрт германий Ge атомдарымен ортақ электрондық жұптар құрады, және
де әрбір атомда, соның ішінде мышьяк As атомында да, ортақ электрондардың
арқасында сыртқы электрондық қабат орнықты болатын санға жетеді (сегіз
электрон). Мышьяк As атомының бесінші сыртқы электроны артық болып
қалады. Ол, басқа электрондарға қарағанда ядромен нашарырақ байланысқан,
және де оны аздаған энергия шығындап, атомнан бөліп бос электронға
айналдыруға болады. Бұл кезде мышьяк As атомы оң зарядталады (иондалады).
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 2
1. Қатты дененің физика элементтері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 6
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік
... ... ... ... ... ... ... . 6
1.2. Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 7
2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары ...
10
2.1. Түйісу потенциалдар
айырымы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
10
2.2. Термоэлектрлік
құбылыс ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... 11
2.3. Пельтье
эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... .. 13
2.4. Томсон
эффектісі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... 15
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды
пайдалану ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 16
3. Негізгі қасиеттері бойынша өткізгіштердің, диэлектриктердің және
жартылай өткізгіштердің бір-бірінен
айырмашылықтары ... ... ... ... ... ... 18
3.1. Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден
айырмашылығы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
... ... ... ... ... ... ... 18
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға
тәуелділігі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... 19
4. Жартылай өткізгіштердің түрлері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 22
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
... ... ... ... ... ... ... . 22
4.2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 25
4.3. р - n ауысуының қасиеттері
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...
31
5. Жартылай өткізгіштік құралдар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 36
5.1. Жартылай өткізгіштік диод
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
36
5.2. Транзисторлар
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... . 40
Қорытынды
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..
... ... ... ... ... ... ... . 47
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .
50
КІРІСПЕ
Екі өткізгішті бір-біріне түйістірген кезде жылулық қозғалыстың
әсерінен электрондар бір өткізгіштен басқа өткізгішке өтеді. Егер түйісетін
өткізгіштер әртүрлі материалды болып келсе немесе олардың әртүрлі
нүктелеріндегі температуралары бірдей болмаса, онда электрондар
диффузиясының екі жақты ағындары бірдей болмайды, осының нәтижесінде бір
өткізгіш оң, ал екіншісі – теріс зарядталып қалады. Сондықтан өткізгіштің
ішінде және өткізгіштер арасындағы сыртқы кеңістікте электр өрісі пайда
болады. Тепе-теңдік күйінде өткізгіштің ішінде диффузия ағындарының
айырмашылығын дәл компенсациялайтын өріс тұрақталанады. Осы электр
өрістерінің болуына өткізгіш-өткізгіш, өткізгіш-жартылай өткізгіш, жартылай
өткізгіш – жартылай өткізгіш түйісулерінде пайда болатын бірқатар
құбылыстар негізделінген.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін зоналық теория негізінде
тек кванттық механика жан-жақты түсіндіріп бере алады. Орта мектепте ол
кристалдардағы коваленттік байланыс моделінің, мысалы кремний немесе
германий кристалдарындағы, көмегімен түсіндіріледі. Кристалдың әр атомы
(мысалы, а- атомы) өзіне жақын орналасқан төрт атоммен сегіз электрон
көмегімен байланысады: оның төртеуі – қарастырылып отырған атомның
электрондары да, ал қалған төртеуі бір біреуден байланысқа түсіп отырған
атомдардікі.
Бұл байланысты түсіндіру жеткілікті түрде оқу және әдістемелік
әдебиеттерде келтірілгендіктен, модель көмегімен талқылау керек болатын
басты мәселелерге ғана тоқталамыз:
а) Егер жартылай өткізгіштің температурасы абсолют нөлге жақындаса,
онда кристалдағы барлық байланыстар бұзылмайды, сондықтан жартылай өткізгіш
диэлектрикке айналады.
ә) Температура жоғарылағанда немесе сыртқы әсердің себебінен кейбір
байланыстар бұзылып, кристалл ішінде электр өрісінде қозғала алатын еркін
электрондар пайда болады.
б) Электроны кетіп, байланыстың үзілген орны кемтік деп аталады,
оның заряды оң, сондықтан кемтіктер де электр өрісінде қозғала алады.
Электр өрісіндегі электрондар мен кемтіктердің қозғалысын оқушылар
шын мәнінде түсінуі тиіс. Ол үшін көрермендер залындағы бос орындар
ұқсастығын пайдалануға болады. Көрермендер ауысып отырғанда бос орындар да
жылжиды.
в) Егер жартылай өткізгіштер ұщтарына кернеу берілсе, онда
электрондар да, кемтіктер де қозғалысқа түседі. Жалпы ток электрондар мен
кемтіктер жасайтын токтардың қосындысына тең. Таза жартылай өткізгіштердің
электр өткізгіштігі меншікті өткізгіштік деп аталады, олардағы электрондар
саны мен кемтіктер саны өзара тең.
Жасанды жолмен жартылай өткізгіштегі еркін электрондардың санын не
кемтіктердің санын көбейтуге болады. Ол үшін кремний кристалына бес
валентті мышьяк атомдарын, болмаса үш валентті индий атомдарын ендіреді.
Бірінші жағдайда кемтіктеріне қарағанда электрондары өте көп жартылай
өткізгіш қоспа алынады, оны n –типті (negativus – теріс сөзінің бас әріпі)
жартылай өткізгіш деп атайды. Ал, екінші жағдайда – кемтік саны көп болады,
мұндай қоспаны р –типті (positivus – оң сөзінің бас әріпі) жартылай
өткізгіш деп атайды. Ондай жағдайда n –типті жартылай өткізгіштердегі
негізгі заряд тасымалдаушы – электрондар, ал р –типті жартылай
өткізгіштерде – кемтіктер болып қалады.
Бұл мәселелерді оқушылардың терең түсінуі үшін Жартылай өткізгіштер
және олардың техникада қолданылуы фильмінің сәйкес фрагменттерін көрсетуге
болады.
р – n - ауысу. Жартылай өткізгіштерге тән қасиеттердің ең маңыздысы
- әр типті екі жартылай өткізгіштердің түйісуі екендігі, оның р-n – ауысу
деп аталатындығы айтылады. р-n – ауысу қасиетін түсіндіруді тәжірибеден
бастаған тиімді. Жартылай өткізгішті диодтың бір бағытта токты жақсы
өткізетіндігін, екінші бағытта өте нашар өткізетіндігі көрсетіледі.
Бұл құбылыстардың себебі жөнінде сыныпта проблемалық жағдай туғызуға
болады. Алдымен әр типті өткізгіштерді түйістіргенде жүретін процесс
түсіндіріледі. Дереу түйісу арқылы негізгі заряд тасымалдаушылардың
nдиффузиясы басталады да, түйісу аймағында зарядтардың бейтараптануы
нәтижесінде аймақтың кедергісі артып кетеді. Жартылай өткізгіштердің
түйіскен жерінде пайда болған қосарланған электр қабаты зарядтар
қозғалысына кедергі жасап, белгілі моментте диффузия процесін тоқтатып
тастайды.
Міне осындай жартылай өткізгіштерді ток көзіне қосып көрейік. Егер
ток көзінің электр өрісі р-n – ауысуда пайда болған қосарланған электр
қабатының өрісіне қарама-қарсы бағытта болса, онда сыртқы электр өрісі
негізгі заряд тасымалдаушыларды түйісуге қарай қозғап, ол аймақтың
кедергісін азайтып жібереді. Мұндай жағдайда р-n – ауысу арқылы ток
жүреді.
Егер ток көзінің электр өрісі р-n – ауысудағы электр өрісімен
бағыттас болса, онда сыртқы электр өрісі негізгі заряд тасымалдаушыларды
жан-жаққа тартып кетеді де, р-n – ауысу аймағындағы кедергі күрт өседі.
Бұл жағдайда түйісу аймағында жапқыш қабат пайда болады деп айтады, өте аз
ғана ток жүреді. Токты негізгі емес заряд тасымалдаушылар жасайды.
Қорыта келгенде, р- n – ауысудың токты бір бағытта өткізіп, екінші
бағытта, практикалық тұрғыдан қарағанда, өткізбейтін қасиеті бар екен.
Жартылай өткізгішті диод. Диод деп бір р-n –ауысудан тұратын
жартылай өткізгішті приборларды айтады. Диодтың құрылысын арнайы
дайындалған кесте көмегімен түсіндіріп, оның жұмысын тәжірибе жасап
көрсеткен тиімді.
Әрі қарай диодтың вольт-амперлік сипаттамасы қарастырылады. Токты
өткізу бағытында кернеуге байланысты ток жылдам өседі де, жапқыш бағытта
ток аз және кернеуге айтарлықтай тәуелді емес. Графиктен р-n – ауысудағы
токтың Ом заңына бағынбайтығын байқауға болады. Жартылай өткізгішті
диодтардың айнымалы токты түзету үшін қолданылатындығы айтылады. Сонымен
қатар әр түрлі мақсаттарда диодтардың радио – техникада, автоматикада,
телемеханикада, кеңінен қолдалынып келе жатқандығын айту керек.
Транзистор. Екі р-n – ауысудан тұратын жартылай өткізгіштік
құрылғыны транзистор деп атайды (transfer – тасу, resistor – кедергі) оны
екі р- типті жартылай өткізгіштер қабатының арасына n- типті жартылай
өткізгіш қабатын орналастыру арқылы, немесе екі n- типті жартылай өткізгіш
қабатының ортасына p- типті жартылай өткізгіш орналастыру арқылы
дайындайды. Екі шеткі жартылай өткізгіштердің бірі эмиттер деп, екіншісі –
коллектор деп аталады, ортағы қабатты база дейді. Бұл алынған екі р-n –
ауысулардың электр тогын өткізу бағыттары бір-біріне қарама-қарсы. Эмиттер
база арасына ε1 , база коллектор арасына ε2 батареяларын қосамыз. Сол
жақтағы р-n – ауысу арқылы ток өтеді – ол р-n – ауысу ашық, ал оң
жақтағы р-n – ауысуға батарея ток өткізбейтіндей бағытта жалғанған.
База қабаты өте жұқа болады, оның ені әдетте электрондардың еркін
жолының орташа ұзындығымен өлшемдес. База енінің мұншалықты жұқа болуы
эмиттерден базаға өткен электрондардың түгел дерлік екінші р-n – ауысуға
өтіп кетуіне мүмкіндік жасайды. Соның нәтижесінде база-коллектор тізбегінде
ток пайда болады. Ол ток шамасы эмиттер – база тізбегіндегі ток шамасына
тәуелді болатындығы өзінен өзі түсінікті. Егер эмиттер – база тізбегіндегі
ток өзгеретін болса, онда синхронды түрде база-коллектор тізбегіндегі ток
та өзгереді.
Міне, транзистордың осы айтылған қасиеті әлсіз электр сигналдарын
күшейту мақсатында қолданылады. Ол үшін әлсіз сигнал көзін эмиттер-база
тізбегіне тізбектеп қосады, ондай жағдайда R кедергісін үлкен етіп алу
нәтижесінде, оған түсетін кернеудің мәнін де үлкейтіп алуға болады.
Транзистор көмегімен әлсіз сигналды он мың есеге дейін күшейте аламыз.
Басқа жартылай өткізгіш приборлар тәріздес транзисторлардың да
радиотехникада, автоматикада, телемеханикада және техниканың басқа да
салаларында қолданылатындығы жөнінде мысалдар келтіруге болады.
Тақырыпты бекіту мақсатында, ең соңында жартылай өткізгіштердің
электр өткізу қасиетін металдардың электр тогын өткізумен салыстыруға
болады.
1. ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТТЕРІ
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік
Еркін электрондар моделіне сәйкес металл атомдарының валенттілік
электрондары үлгінің шегінде еркін орын ауыстыра алады. Металдардың электр
өткізгіштігін нақ осы валенттілік электрондар жасайды, осы себебтен оларды
өткізгіштік электрондар деп атайды.
Еркін электрондарды кристалда бір-біріне жақындатқанда валенттік
электрондардың энергиясы квазиүздіксіз өзгереді. Бұл, рұқсат етілген
энергия мәндерінің өте көп жақын орналасқан дискретті деңгейлерден
тұратынын білдіреді. Шын мәнінде кристалда валенттілік электрондар
толығымен еркін қозғала алмайды – оларға тордың периодтық өрісі әсер етеді.
Бұл жағдай, валенттік электрондардың энергияларының мүмкін болатын
мәндерінің спектрінің бір қатар, рұқсат етілген және тыйым салынған
зоналарға ыдырайды (1-сур.). Рұқсат етілген зоналар шегінде энергия
квазиүздіксіз өзгереді. Тыйым
салынған зоналардағы энергия мәндерін қабылдау мүмкін емес.
Зоналардың пайда болуын түсіну үшін атомдардың кристалдарға бірігу
процесін елестетіп көрейік. Айталық алғашқыда кейбір заттың N оқшауланған
атомдары болсын. Атомдар бір-бірімен жеке – дара тұрғанда олардың бәрін де
бірдей сұлбада энергетикалық деңгейлер болады. Әрбір атомда энергетикалық
деңгейлердің электрондармен толықтырылуы басқа атомдардың сәйкес
деңгейлерінің толықтырылуына тәуелсіз болады. Атомдар біріне-бірі
1 - сур.
жақындаған сайын бірте-бірте күшейе беретін өзара әсерлесу пайда болады,
бұл деңгейлердің орналасу жағдайларының өзгеруіне алып келеді. Барлық N
атомға бірдей деңгейлердің орнына, N өте жақын орналасқан, бірақ бір-
біріне дәл келмейтін деңгейде р пайда болады. Сонымен оқшау тұрған атомның
әрбір деңгейі кристалда ыдырап, N тығыз орналасқан деңгейлер жолақ немесе
зона құрайды.
Әртүрлі деңгейлер үшін ыдыраудың шамасы бірдей емес. Атомда сыртқы
электрондармен толтырылған деңгейлер күшті ауытқиды. 2 –
суретте
2 - сур.
деңгейлердің ыдырауының атомдар аралық қашықтыққа r функциясы
ретіндекөрсетілген. Сұлбадан, кристалда ішкі электрондардың орын алған
деңгейлерінің ыдырауы өте аз екендігі көрініп тұр. Тек валенттік
электрондармен толтырылған деңгейлер едәуір ыдырайды. Атомның негізгі
күйінде электрондармен толтырылмаған жоғарырақ деңгейлер де осындай
ыдырауға ұшырайды.
1.2. Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер
Энергетикалық зоналардың болуы, бір көзқарас тұрғысынан, металдардың,
жартылай өткізгіштердің және диэлектриктің болуын, түсіндіреді.
Атомның негізгі күйіндегі валенттік электрондар тұратын рұқсат
етілген зонаны, валенттік зона деп атаймыз. Абсолюттік нольде валенттік
электрондар валенттік зонаның төменгі деңгейлерін екі-екіден толтырады.
Жоғарырақ рұқсат етілген зоналар электрондардан бос болады. Валенттік
зонаның толу дәрежесіне қарай және тыйым салынған зонаның еніне қарай, 3 –
суретте көрсетілгендей, үш жағдай болуы мүмкін. а жағдайында электрондар
валенттік
3 - сур.
зонаны толығымен толтырмайды. Сондықтан, жоғары деңгейде тұрған
электрондарға өте аз энергия берілсе болды, олар жоғарғы деңгейге ауысады.
Электр өрісінің электронға әсерінен пайда болған қосымша энергия да,
электрондарды жоғарырақ деңгейге ауыстыруға жеткілікті болады. Сондықтан,
электр өрісінен электрондар үдетіліп және, өріске қарсы бағытта, қосымша
жылдамдық алады. Сонымен, осындай сұлбалы энергетикалық деңгейлері бар
кристалл металл болып саналады.
Валенттік зонаны жарым-жартылай толтыру (металл жағдайында оны
өткізгіштік зонасы деп те атайды), атомдағы соңғы орын алған деңгейде тек
бір ғана электрон болады немесе зоналардың бірін-бірі көмкеруі бақыланады.
Бірінші жағдайда N өткізгіштік электрондар валенттік зонаның жартысын
ғана жұптасып толтырады. Екінші жағдайда, өткізгіштік зонасында
деңгейлердің саны N-нен артық болады, егер де тіптен өткізгіштік
электрондардың саы 2N болса да, олар зонаның барлық деңгейін толтыра
алмайды.
б және в жағдайларында (3-сур.) валенттік зонаның деңгейлері
электрон электрондармен толық толтырылған – зона толған. Электронның
энергиясын арттыру үшін, оған тыйым салынған зонаның енінен ΔЕ кем емес
энергия мөлшерін беру керек. электр өрісі (кристалдың электрлік тесілуі
болмайтын кернеулікте) мұндай энергияны электрондарға бере алмайды. Мұндай
жағдайда кристалдың электрлік қасиеттері тыйым салынған зонаның ΔЕ енімен
анықталады. Егер бұл ен үлкен болмаса (оннан бір электроновольт), жылулық
қозғалыстың энергиясы, электрондардың бір бөлігін жоғары еркін зонаға
ауыстыруға, жеткілікті болады. Бұл электрондар, металдағы валенттік
электрондар тұрған жағдайға ұқсас күйде болады. Еркін зона олар үшін
өткізгіштік зона болып саналады. Бір мезгілде валенттік зонадағы
электрондардың жоғары босаған орындарға ауысу мүмкіндіктері туады. Мұндай
затты өзіндік жартылай өткізгіш деп атайды.
Егер тыйым салынған зонаның ΔЕ ені үлкен болса (бірнеше
электроновольттай), жылулық қозғалыс еркін зонаға едәуір электрондардың
санын лақтырып тастай алмайды. Бұл жағдайда кристалл диэлектрик болып
саналады.
2. ӘРТҮРЛІ МАТЕРИАЛДАН ЖАСАЛҒАН ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ
ТҮЙІСУ ҚҰБЫЛЫСТАРЫ
2.1. Түйісу потенциалдар айырымы
Екі металл пластиналарды тығыз жанастырайық (4-сур.).
Металдарда
4-сур.
еркін электрондар хаосты қозғалыста болатындықтан, пластинкалардың жанасу
беттері арқылы электрондардың диффузиясы басталады. Егер жанасатын металдар
бірдей және олар бір температурада тұрса, онда тек электрондармен ғана
алмасу жүреді, өйткені электрондардың бір пластинкадан екінші пластинкаға
өту шарттары бірдей болады.
Әртүрлі металдан жасалынған екі пластинкаларды жанастырайық. Бұл
пластиналарда көлем бірлігінде еркін электрондардың саны әртүрлі, яғни
еркін электрондардың концентрациясы әртүрлі. Айталық Б металында
электрондардың концентрациясы, А металға қарағанда көп болсын. Сонда Б
металдан А металға, қарама-қарсы бағытқа қарағанда, көп электрон өтеді.
Егер электрондардың зарядтары болмаса, онда бұлардың диффузиясы, екі
пластинкадағы электрондардың концентрациялары теңескенге дейін жүрер еді.
Электронда зарядтың болуы бұл кескінді өзгертеді.
Жанасқанға жейін металл пластинкалар электр нейтраль еді. Олар
түйіскен кезде Б металы электрондарын жоғалтып оң зарядталады, ал А
металы электрондарды қабылдап теріс зарядқа ие болады. Сондықтан
пластинкалар арасында, электрондардың теңдей өтпеуі себептен, потенциалдар
айырымы пайда болады. Әртекті металдар жанасқан кезде пайда болатын
потенциалдар айырымын, түйісу потенциалдар айырымы деп атайды. Бұл
потенциалдар айырымы электрондардың Б металдан А металға көшуіне
қарсылық жасайды.
Металдар жанасқаннан кейін алғашқы қысқа уақыт аралығында,
электрондардың концентрацияларының айырмашылығы пайда болған электр өрісіне
қарағанда,электрондарға артық әсер етеді, сондықтан электрондар көбінесе Б
металдан А металға өтеді. Бұл кезде электрондардың концентрациялар
айырымы азайып, түйісу потенциалдар айырымы артады. Бұл процесс металдардың
түйісу беті арқылы екі жақты өтетін электрондардың сандарының динамикалық
тепе-теңдігі орнағанға дейін жүреді.
Әрбір екі металл үшін бірдей температурада динамикалық тепе-теңдік
кезінде түйісу потенциалдар айырымы ең үлкен мәнге ие болады. Түйісу
потенциалдар айырымы туралы сөз болғанда оның максимал мәні айтылады.
Металдарда электрондардың концентрацияларының айырымы вольттің жүзден бір
бөлігіндей ғана потенциалдар айырымын жасай алады.
Температура артқан кезде, екі металдағы еркін электрондар жылдам
қозғала бастайды; концентрациясы артық металда бұл жылдамдық артығырақ
болады. Ал бұл қарама-қарсы бағытта өтіп жатқан электрондардың сандарын
өзгертіп, динамикалық тепе-теңдікті бұзады. Б металдан А металға өтіп
жатқан артық электрондар қайтадан пайда болады, бұл түйісу потенциалдар
айырымының артуына алып келеді. Мұндай арту келесі динамикалық тепе-теңдік
орнағанға дейін жүреді. Сондықтан, түйісу потенциалдар айырымы
температураға тәуелді, жанасатын металдардың температурасы артқан кезде
өсіп отырады.
Тәжірибенің көрсетуі бойынша, екі металдың әрбірінде берілген
температурада түйісу потенциалдар айырымы тұрақты және олардың араларында
басқа металл барма, немесе тікелей жанаса ма, оған тәуелді емес (5-сур.).
5-сур.
2.2. Термоэлектрлік құбылыс
Енді түйісу потенциалдар айырымы электр қозғаушы күшке себепті бола
ала ма, соны қарастырайық. Егер әртүрлі металдан тұйық тізбек жасап, оған
сезімтал гальванометр жалғастырсақ, онда оның тілшесі ауытқымайды. Бұл
тізбекте электр қозғаушы күштің жоқ екендігін білдіреді.
Демек, жанасатын металдардың температурасы бірдей болған кезде,
түйісу потенциалдар айырымы, электр қозғаушы күш жасай алмайды.
Бұл қорытындыға басқаша жолмен де келуге болады. В және Д
нүктелерінде түйіскен, екі А және Б металдан тұратын тұйық тізбекті
қарастырайық (6-сур.). Егер А металы жанасқан кезде теріс,
ал Б – оң
6-сур.
зарядталса, онда түйісу потенциалдар айырымы электрондарды Д түйісуде
сағат тілінің бағытымен, ал В түйісуде сағат тілінің бағытына қарама-
қарсы орын ауыстырады. В және Д түйісі потенциалдар айырымы бірдей
болып және қарама-қарсы бағытталғандықтан, ешқандай ток жүрмейді.
Егер В және Д түйісулерде температуралар әртүрлі болса, онда бұл
көрініс өзгереді. Д нүктесіндегі температураның артуы, Д түйісу арқылы Б-
дан А-ға қарай электрондардың қосымша ауысуына алып келеді. Бұл жерде А
металының Д ұшында электрондардың концентрациясы, В ұшына салыстырғанда
артық болады да, электрондар А металында Д-дан В-ға қарай бағытта орын
ауыстырады. Бұл А металының В ұшында электрондардың тығыздығының артуына
алып келеді, ал Д ұшында электрондардың тығыздығының кемуіне алып келеді.
Сонда Б металында электрондар В-дан Д-ға қарай орын ауыстыра бастайды. Бұл
В түйісуіндегі динамикалық тепе-теңдікті бұзады, өйткені В түйісу
төңірегінде А металындағы электрондардың тығыздығы артады, ал Б металда –
кемиді. Бұл кезде электронда В түйісу арқылы А-дан Б-ға қарай өте бастайды.
Сонымен, егер әртүрлі металдардың түйісулер температуралары бірдей
болмаса, онда оларда электрондардың бағытталынған қозғалысы пайда болады,
яғни мұндай тізбекте ток жүреді. Бұл тізбекте электр зарядтарына энергия
беретін электр қозғаушы күші пайда болатындығын көрсетеді. Бұл жағдайда,
электр энергиясы Д түйісудегі металдарды қыздыруға жұмсалынған энергияның
есебінен алынады.
Әртүрлі металдардан құрастырылған, олардың түйісулерінде әртүрлі
температура болғанда тізбекте пайда болатын электр қозғаушы күшін,
термоэлектрлік қозғаушы күш деп атайды. Термоэлектрлік қозғаушы күшінің
шамасы жанасушы металдардың тегіне және олардың түйісулерінің
температуралар айырымына байланысты. Тәжірибенің көрсетуі бойынша, ол
көрсетілген температуралар айырымына пропорционал.
Кейбір жағдайларда бұл ережеден ауытқулар байқалады, мұны температура
аса жоғарылағанда электрондардың тығыздығының өзгеруімен түсіндіруге
болады. Термоэлектрлік қозғаушы күштің шамасы өте аз, әртекті металдардың
бірігу температураларының айырымы бір градус болғанда вольттың бірнеше жүз-
мыңдаған бөлігі шамасына жетеді.
Екі әртекті металдардың ұштары дәнекерлеп жалғасқан және жылу берудің
есебінен электр энергиясын жасаушы аспапты термопара, немесе термоэлемент
деп атайды. Термопара электр энергиясының көзі болып саналады. Сыртқы
тізбекті бұл ток көзіне жалғастыру үшін металдарды бір нүктесінде үзеді,
оның бос ұштары полюстерге айналады. Кейде металдардың ұштарының бір жұбын
ғана дәнекерлейді, ал екінші ұшын бос қалдырады. Сонда металдардың бос
ұштары полюстер болып шығады (7-сур.).
7-сур.
2.3. Пельтье эффектісі
Тәжірибенің көрсетуі бойынша, өткізгіштің көлемінде токтың бөліп
шығатын Джоуль-Ленц жылуынан басқа, әртүрлі өткізгіштердің түйісуінде, егер
бұл өткізгіштер алғашында бірдей температурада тұрса да, олардың түйісу
аймағында жылулық құбылыстар болады. Бұл түйісуде ток жүрген кезде, токтың
бағытына байланысты жылудың бөлінуі немесе жұтылуы болады, түйісу аймағы не
қызады, не салқындайды. Бұл құбылыс Пельтье эффектісі деп аталынады.
Пельтье эффектісін 8 – суретте көрсетілген тәжірибе арқылы
демонстрациялауға болады. Мұнда 1 және 2 – бір-бірімен жалғасқан екі
әртүрлі
8-сур.
өткізгіштерден жасалынған өзектер. Өзектер шыны баллонның ішіне ауа
кірмейтіндей тығыз орналастырылған, ол баллон горизонталь Т түтікшемен
жалғасқан және түтікшенің ішіне су тамшысы ендірілген. Шыны баллон
атмосферамен К краны арқылы жалғастырылып немесе онан бөлініп тасталына
алады, сөйтіп бұл газ термометрі қызметін атқарады. Өткізгіштердің
жалғасқан жері қызған кезде баллонның ішіндегі қысым артып, су тамшысы оңға
қарай ығысады; дәнекерленген орын салқындаған кезде тамшы кері бағытқа
қарай қозғалады. Тәжірибе үшін сурьмадан (Sb) және висмуттан (Ві)
жасалынған өзектер алған қолайлы. Токтың бағыты Sb-дан Ві-ге қарай
болғанда дәнекерленген орын қызады.
Дәнекерленген орындағы Qn шығатын не жұтылатын Пельтье жылуы, түйісу
ауданы арқылы өтетін толық зарядтың q шамасына пропорционал
Qn = Пq = ПIt
П коэффициенті жалғасатын өткізгіштердің тегіне және температурасына
тәуелді, оны Пельтье коэффициенті деп атайды.
Пельтье жылуының табиғаты былай түсіндіріледі. Әрбір электрон өзінің
қозғалысында заряд қана тасымалдамай, өзіне тән энергия да тасымалдайды.
Сондықтан электр тогы болған кезде өткізгіште белгілі-бір энергия ағыны
пайда болады. Бұл мына жағдайда да, өткізгіштің барлық нүктелерінде
температура бірдей және жылу өткізгіштіктік салдарынан энергия ағыны жоқ
кезде де, пайда болады. Энергия ағыны электрондардың қозғалыс бағытымен
сәйкес келеді, яғни ток тығыздығының бағытына қарама-қарсы.
Өзгермейтін ток тығыздығында әртүрлі өткізгіштерде энергия ағыны
әртүрлі. Сондықтан, 1 өткізгіштегі түйісу жазықтығына келетін энергия
ағыны, 2 өткізгіштегі түйісу жазықтығынан кететін энергия ағынына тең
болмайды. Осы энергиялардың айырмашылығы Пельтье жылуы болады.
2.4. Томсон эффектісі
Термоэлектрлік құбылыстарды зерттей отырып, Томсон мынандай
қорытындыға келді, егер өткізгіш біртекті болса да және ол біртекті
қыздырылмаса, бұл өткізгіштен ток жүрген кезде жылу шығару немесе жұтылу
болады, ол Джоуль-Ленц жылуына қосылады немесе одан алынады. Бұл құбылыс
Томсон эффектісі деп аталынады, дәлірек айтсақ түйісу құбылысына жатпайды.
Алайда оның пайда болуы түйісуде болатын құбылыстармен тығыз байланысты.
Томсон эффектісін бақылау үшін 9-сур. қызмет етеді. Бірдей
материалдан жасалынған 1 және 2 өткізгіштер ток тізбегіне
жалғасқан, ал
9-сур.
өзектердің ұштары әртүрлі температураларда ұсталынып тұрады (мысалы, 100
және 00 С). Өзектерде температура градиенті ΔТ Δх пайда болады және жылу
ағыны басталады. Бір өзекте токтың бағыты және температура градиенті
бірдей, ал басқасында – қарама-қарсы. Тәжірибеде, ток жүрмеген кезде а
және
б нүктелеріндегі температуралар айырмашылығын өлшеу үшін термопара түйісу
ұшы орналастырылады. Ток жүрген кезде а және б нүктелерінің
температуралары әртүрлі болады, мұнан бір өзекте Джоуль-Ленц жылуына
қосымша жылу бөлінетіндігін, ал басқа өзекте жылу жұтылатынын (Томсон
эффектісі) көрсетеді.
Томсон эффектісінің таңбасы әртүрлі өткізгіштер үшін әртүрлі. Мысалы,
висмут және цинкте, егер жылу ағыны мен ток бағыты сәйкес келгенде, жылу
бөліну бақыланады. Бірақ дәл осындай жағдайда темірде, платинада, сурьмада
жылу жұтылу бақыланады.
Томсон эффектісі өткізгішті қыздырған кезде, оның қасиетінің
өзгеруімен түсіндіріледі. Алғашқы біртекті өткізгіш біртекті қыздырылмаған
кезде біртекті болмай қалады және сондықтан Томсон эффектісі мәні бойынша
өзіндік Пельтье құбылысы болып саналады, тек мұнда өткізгіштердің біртекті
еместігі өткізгіштердің химиялық құрамының әртүрлілігінен емес,
температуралардың әртүрлілігінен болады.
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды пайдалану
Термоэлектрлік құбылыс температураны өлшеу үшін кең түрде
пайдаланылады. Бұл үшін термоэлементтер (термопаралар) қызмет етеді.
Техникалық термопараның схемасы 10 – суретте көрсетілген. Ол
әртүрлі
металдан жасалынған екі өткізгіштен 1 және 2 тұрады, олардың ұштары бір-
бірімен денекерленген (1 түйісу). Екі өткізгіште, түйіскен жеріне химиялық
әсерден сақтау үшін, фарфор түтікшеге Т орналастырылған. Екінші түйісу
ұшы (ІІ) өзгермейтін температурада ұсталынып тұрады. а және б ұштарын
милли вольтметрге жалғастырады. Температуралардың артықшылығы өте жоғары,
не өте төмен температураларды да өлшей алады.
ЭҚК-ті арттыру үшін термоэлементтер тізбектей жалғастырылып, батареяға
біріктіреді (11-сур.). Бұл кезде барлық жұп түйісулер
бір
10-сур.
11-сур.
Температурада, ал барлық тақ түйісулер басқа температурада ұсталынып
тұрады. Мұндай батареяның ЭҚК-і, олардың жеке-жеке элементтерінің ЭҚК-
терінің қосындысына тең.
Екі әртүрлі өте жұқа металдардан құрастырылған миниатюрлік
термобатареялар, жарықтың интенсивтілігін өлшеу үшін табысты пайдаланылады.
Мұндай термоэлектрлік қабылдағыштарды сезімтал гальванометрмен жалғастырған
кезде сезгіштігі өте жоғарылайды. Олар, мысалы, бірнеше метр қашықтықта
тұратын, адам қолынан бөлінетін көрінбейтін жылулық сәуле шығаруды байқай
алады.
Термобатареяларды аз қуатты электр тогының генераторы ретінде
пайдалануға болады. Бұл генераторлар өте қарапайым және айналып тұратын
бөлігі болмайды.
3. НЕГІЗГІ ҚАСИЕТТЕРІ БОЙЫНША ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ,
ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ЖӘНЕ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ
БІР-БІРІНЕН АЙЫРМАШЫЛЫҚТАРЫ
3.1. Жартылай өткізгіштердің металдардан және
диэлектриктерден айырмашылығы
Электр тогын өткізу қабілетіне байланысты барлық материалдар
өткізгіштер, диэлектриктер және жартылай өткізгіштер болып бөлінеді.
Бұлардың электрлік қасиеттерін салыстырайық. Өткізгіштерде өте көп бос
зарядты тасымалдаушы бөлшектер болады. Қатты өткізгіштердің көпшілігін
металдар құрайды. Металдардың жоғарғы электр өткізгіштігі олардың
кристалдық торының құрылымымен түсіндіріледі.
Металдарда барлық кезде өте көп еркін электрондар болады, олар оң
зарядталған иондардан тұратын кристалдық тордың ішінде қозғалады. Заттардың
электр өткізгіштігі еркін зарядты тасымалдаушылардың концентрациясына n
пропорционал, яғни олардың көлем бірлігіндегі санына. Алайда электр
өткізгіштік n-нің мәнімен ғана анықталып қоймайды, еркін зарядта
тасымалдаушылар, электр өрісінің әсерінен кристалдық тордың ішінде
қозғалғанда, сол заттың торы тарапынан кездесетін кедергіге де тәуелді,
яғни заттағы осы тасымалдаушылардың қозғалғыштығымен де анықталады.
Өткізгіште қоспаның аздаған мөлшері болуы еркін зарядты
тасымалдаушылардың концентрациясын елеулі шамада өзгерте алмайды, бірақ
олардың қозғалғыштығына қатты әсер етеді. Металдардың кристалдық торының
құрылымының, қоспаның болуының арқасындағы бүлінуі, әдетте электрондардың
қозғалғыштығын едәуір азайтып жібереді. Сондықтан, мысалы таза мыстың
өткізгіштігі, аздаған қоспасы бар мыстың өткізгіштігіне салыстырғанда
едәуір жоғары болады.
Диэлектриктерде еркін зарядты тасымалдаушылар тіптен болмайды.
Олардың барлық электрондары белгілі бір атомдармен байланысқан болады, және
электронды атомнан бөліп алу үшін едәуір энергия жұмсау керек болады.
Жылулық қозғалыстың әсерінен кейбір электрондар атомдардан бөлініп шығуы
мүмкін, бірақ ондай электрондардың саны диэлектриктерде өте аз болады.
Диэлектриктердің электр өткізгіштігі негізінен онда бөгде қоспалардың
барлығымен анықталады. Диэлектрикте, электронын жеңіл беретін бөгде атом
болса, онда еркін зарядты тасымалдаушылар пайда болады, яғни олардың
концентрациясын n арттырады. Сонымен, диэлектрикке қоспа ендіру әдетте
оның электр өткізгіштігінің едәуір артуына алып келеді.
Жартылай өткізгіштер өткізгіштер мен диэлектриктердің аралық жағдайын
алып жатады. Таза жартылай өткізгіштерде диэлектриктерден принципиалдық
айырмашылығы жоқ. Себебі бұл екеуінде де еркін зарядты тасымалдаушылар жоқ,
оларды пайда ету үшін (электрондарды атомдардан жұлып алу үшін) кейбір
энергия жұмсау керек. Бірақ егер бұл энергия диэлектриктер үшін өте үлкен
болса, ал жартылай өткізгіштер үшін ол аз шама.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі олардың тазалығына өте
күшті тәуелді. Диэлектриктердегі сияқты, жартылай өткізгіштерде бөгде
қоспалардың болуы, мысалы басқа элементтің аздаған атомының болуы, оның
электр өткізгіштігін едәуір арттырады.
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің
температураға тәуелділігі
Өзінің меншікті кедергісі ρ бойынша жартылай өткізгіштер
металдармен ( ρ = 10-7 – 10-8 Ом.м) және диэлектриктердің (ρ 1∙ 108 Ом.м)
аралығын ала
жатады. Меншікті кедергі бағанасында, кейбір металдардың, жартылай
өткізгіштердің және диэлектриктердің алатын орны 12– суретте
бейнеленген.
12– сур.
Алайда, меншікті кедергісі бойынша заттарды топтау едәуір шартты болып
саналады, өйткені бірқатар факторлардың әсерінен (температура, сәулелену,
қоспалар) көптеген заттардың меншікті кедергісі өзгереді, ал оның үстіне
жартылай өткізгіштерде ол қатты өзгереді. Сондықтан, жартылай өткізгіштерді
металдардан ажырату үшін жалпы белгілер бойынша қарастыру керек және
алдымен температураға байланысты меншікті кедергінің тәуелділік сипаты
бойынша. Жартылай өткізгіштерде температура өскен сайын меншікті кедергі
азаяды (13-сур.), ал металдарда температура артқан сайын меншікті кедергі
артады (14-сур.).
13 - сур.
14 - сур.
Енді температураның зттардың электр өткізгіштігіне әсерінің табиғатын
қарастырайық.
Температура артқанда металдарда еркін зарядты тасымалдаушылардың
концентрациясы өзгермейді, ал олардың қозғалғыштығы төмендейді, өйткені
тордың түйіндерінде тұрған иондардың жылулық тербелісінің амплитудасы
артады, осының салдарынан, электр өрісінің әсерінен қозғалатын электрондар
ағынының шашырауы артады. Сондықтан, температура көтерілгенде металдардың
өткізгіштігі төмендейді, ал төмендегенде – артады, және температура 00 К-
ге жақындағанда, яғни тордың түйіндерінде тұрған бөлшектердің жылулық
тербелісі толық тоқталады, осы кезде кейбір металдардың электр өткізгіштігі
секірмелі түрде кенет артады (төтенше өткізгіштік құбылысы).
Температура ртқанда диэлектриктердің электр өткізгіштігі нашар өседі.
Алайда, диэлектрикте еркін зарядты тасымалдаушылар пайда болу үшін қажетті
энергия өте жоғары, сондықтан диэлектрикті қыздырған кезде, онда елеулі
еркін зарядты тасымалдаушылар мөлшері пайда болғанша, оның термиялық
бүлінуі басталады.
Жартылай өткізгіштің температурасы артқанда оның атомдарының сыртқы
қабатының жеке электрондары, атомнан бөлінуге жеткілікті энергия қабылдап,
онан бөлініп шығып, еркін электрондарға айналады. Жартылай өткізгіштің
температурасы жоғарылаған сайын, ондағы еркін электрондардың саны артады
және электр өткізгіштігі жоғарылайды.
Жартылай өткізгіштердің температурасы төмендеген кезде еркін зарядты
тасымалдаушылар саны күрт төмендеп, төменгі температураларда оның
өткізгіштігі іс жүзінде нольге тең болады. Жартылай өткізгіштерде, төменгі
температураларда өткізгіштіктің жоқ болуы – металл өткізгіштерден жартылай
өткізгіштердің тағы да бір сипатты айырмашылығы болып саналады және ол
өткізгіштерде еркін зарядты тасымалдаушылардың пайда болуының жылулық
табиғаты бар екендігін көрсетеді.
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі температураға күшті байланысты.
Бұл жартылай өткізгіште жасалған әртүрлі термо сезімтал құралдардың
құрылысында пайдаланылады. Жартылай өткізгіштерде еркін зарядты
тасымалдаушылар тек қана қыздыру арқылы пайда болмайды екен. Олар жартылай
өткізгішке түскен сәуленің де әсерінен пайда болады. Сондықтан, жартылай
өткізгіштердің өткізгіштігі және де жарықталынуға күшті тәуелді.
4. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ ТҮРЛЕРІ
Жартылай өткізгіштерде Менделеев кестесінің орта тұсындағы он екі
химиялық элементтер жатады. Олар: бор (В), көміртегі (С), кремний (Si),
германий (Ge), қалайы (Sn), фосфор (Р), мышьяк (As), сурьма (Sb), күкірт
(S), селен (Se), телмур (Те), йод (І). Мұнан басқа үшінші топтағы
элементтердің, бесінші топтағы элементтермен қосындысы, көптеген
металдардың оксидтері мен сульфидтері, бір қатар химиялық қоспалар, кейбір
органикалық заттар. Ғылым мен техникада ең көп қолданылатын жартылай
өткізгіштерге германий
Ge және кремний Sі жатады.
Жартылай өткізгіштер өзіндік (яғни қоспасыз) және қоспалы болып
бөлінеді. Қоспалы жартылай өткізгіш өз ретінде донорлық және акцепторлық
болып бөлінеді.
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштік механизмін
германийдің немесе кремнийдің монокристалының мысалында қарастыру қолайлы,
оның құрылымының сұлбасы (бір жазықтықта) 15 – суретте бейнеленген. Себебі
өте кең қолданылатын жартылай өткізгіштер Ge және Sі
15 - сур.
сыртқы электрондық қабатта төрт электроны болады, яғни олардың валенттілігі
төртке тең. Мұндай элементтердің кристалдық торында (алмаз типті тор деп
аталынатын) германийдің Ge немесе кремнийдің Sі әрбір атомы, бірдей
қашықтықта орналасқан, көрші төрт атоммен қоршалған.
Атомның ең орнықты күйі, оның сыртқы электрондық қабатында сегіз
электрог тұрған кезде екендігі белгілі. Сондықтан Ge және Sі атомдары
электрондық қабаттарды сегіз электронға дейін толтырып, көрші атомдармен
жалпы электрондық жұп құрайды (коваленттік байланыс).
Әрбір екі көрші атомдар екі ортақ электрондары (электрондық жұп)
болады. Сонымен, әрбір атом сыртқы қабатында сегіз электроннан болады, олар
бір мезгілде көрші атомдарға да жатады (15-сур.). Алмаз типті торды шартты
түрде жазық етіп бейнелеуге болады, өйткені мұнда да әрбір атом көрші төрт
атоммен қоршалған. Төменгі температурада жартылай өткізгіштің кристалында
барлық электрондар атомдармен байланысқан және еркін электрондары жоқ, яғни
кристалл диэлектрик болып саналады. Жартылай өткізгіштің температурасын
көтерген кезде кейбір электрондар атомнан бөлініп, жылжымалы күйге түсіп,
оған кернеу түсіргенде, кристалда ток жасайды.
Бөлме температурасының өзінде жартылай өткізгіш кристалында жылжымалы
электрондардың біраз сандары болады және температураның артуына байланысты
олардың саны тез көбейеді. Германий Ge жағдайында, кремнийге Si
қарағанда, атомнан электронды жұлып алу үшін энергия аз жұмсалады.
Сондықтан таза германийдің Ge кедергісі, кремнийдікіне Si қарағанда
едәуір аз (ρGe ≈ 0,5 Ом.м, ал ρSi ≈ 2 ∙ 103 Ом.м).
Атомнан электронды бөліп шығарған кезде атомның қабатшасында бос орын
пайда болады, ол орынды кемтік деп атайды. Ортақ электрондары бар көрші
атомдар, электрондармен үнемі алмасып тұратындықтан, бұл кемтік басқа
электронмен толтырылуы мүмкін және бұл кезде енді басқа атомда бір электрон
жетпей тұрады. Электрон үзіліп шыққанға дейін атом электрлік нейтраль
болғандықтан, онда электронның жетіспеуі атомға оң заряд береді. Сондықтан,
электронның бос орны – кемтіктің зарядын оң деп санайды. Бұл бос орын –
кемтік – кристалл көлемінде үнемі және тынымсыз орын ауыстыруда болады, бұл
заряды сандық жағынан электрон зарядына тең оң зарядтық осылай ауысып
отырумен бірдей болады.
Сонымен, бос электрондар және кемтіктер кристалл бойынша, қандай да
бір еркін электрон атом қабатшасындағы кемтікпен кездескенше, ретсіз орын
ауысып отырады (бос орынға тап болғанша). Бұл кезде қозғалыстағы екі
зарядты тасымалдаушылар жоқ болады: бос электрон және кемтік, яғни
рекомбинация жүреді.
Әрбір белгілі-бір температурада жұптың пайда болуының электрон-
кемтік (генерация) және олардың жойылуының (рекомбинация) аралығында
динамикалық тепе-теңдік орнайды. Неғұрлым температура жоғары болған сайын,
солғұрлым электрон – кемтік жұптары пайда болып, жартылай өткізгіш
кристалында олардың бір мезгілде болуының саны артады.
Егер осындай кристалды электр тізбегіне қосса, онда оның ішінде
электрондар, теріс полюстен оң полюске қарай реттеліп қозғала бастайтын
болады. Өрістің әсерінен байланысқан электрондар да көбінесе өрістің күш
сызықтары бойымен көрші атомдардан бос орындарға көше бастайды, ал бос
орындар (кемтіктер) осы сызықтардың бойымен қарсы жаққа қарай орын ауыстыра
бастайды.
Сонымен, өрістің әсерінен кемтіктер де оң зарядты алып жүре отырып
реттелген қозғалысқа түседі. Шын мәнінде, бір жаққа тек бос электрондар мен
байланысқан (валенттілік) электрондар орын ауыстыратындықтан, бос
электрондарды бір жаққа қарай, ал оң зарядты тасымалдаушы кемтіктерді
екінші жаққа қарай қозғалады деп санауға болады.
Бос электрон кемтікпен кездескенде олар рекомбинацияланады, сөйтіп
олардың қозғалысы тоқталады. Бос электрон мен кемтіктің рекомбинацияға
дейінгі орташа еркін жол жүру ұзындығы өте аз (0,1 мм-ден артық емес).
Тынымсыз жылулық генерация жаңадан электрон – кемтік жұбының пайда
болуына алып келеді, олар қайтадан зарядты тасымалдай бастайды. Сонымен,
электр өрісінің әсерінен кристалда еркін зарядты тасымалдаушылардың
үздіксіз реттелген қозғалысы жүреді, яғни ток ағады. Мұндай өткізгіштік
өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі деп аталынады.
Зоналық теория бойынша өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі
валенттік зонаның жоғары деңгейлерінен электрондардың өткізгіштік зонаға
ауысуынан пайда болады. Бұл кезде өткізгіштік зонада ток тасымалдаушылардың
бірнеше саны – зонаның түбіне жақын деңгейлерде орналасқан, электрондар
пайда болады; валенттік зонаның жоғары деңгейлерінде бір мезгілде осынша
саны бар бос орындар пайда болады, осының нәтижесінде кемтіктер пайда
болады. Керісінше рекомбинация процесіне электронның өткізгіштік зонадан
валенттік зонаның бір бос деңгейіне ауысуы сәйкес келеді.
Жеткілікті жоғары температурада өзіндік жартылай өткізгіштің
өткізгіштігі барлық жартылай өткізгіштердің түрлерінде байқалады. Алайда,
қоспасы бар жартылай өткізгіштерде, электр өткізгіштік өзіндік және қоспалы
өткізгіштіктердің қосындысынан тұрады.
4. 2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі
Егер балқытылған таза германийге немесе кремнийге Менделеев
кестесіндегі үшінші топтың элементтерінің атомдарының (Іn, Al, Ga, B және
басқалар) аздаған мөлшерде қосса, мысалы Іn, онда қатайғаннан кейін Іn
атомдары кристалдық тордың кейбір түйіндерінен орын алып, кристалдық
құрамына енеді. In атомдары кристалда төрт көрші Ge атомдарымен ортақ
электрондық жұп құрайды. Алайда индий Іn атомында сыртқы электрондық
қабатта үш қана электрон болғандықтан, сегіз электроннан тұратын орнықты
қабат құру үшін, оған бір ортақ электрон жетіспейді. Іn атомы жетіспейтін
электронды көрші германийдің Ge атомынан қамтып алуы мүмкін. Сонда ол
теріс зарядталады да, ал қандай да бір орында жылжымалы кемтік пайда
болады.
Кристалл электронейтраль болып қала береді, бірақ ондағы теріс
зарядталған In атомдары тормен байланысқан (локалданылған), ал оң
зарядталған кемтіктер электр тогына қатысуы мүмкін (16-сур.).
Мұндай
16 - сур.
кристалдың өткізгіштігі негізінен кемтік болады, өйткені кристалда пайда
болған кемтіктердің саны, аздаған қоспаны ендіргеннің өзінде (10-4 – 10-6
%), қоспасыз жартылай өткізгіштегі электрон-кемтік жұбының санынан
едәуір көп болады.
Егер жартылай өткізгіште атомдары электрондарды қамтып алатын,
Менделеев кестесіндегі ІІ топтағы элементтердің қоспасы болса, онда мұндай
қоспаны р-типті қоспа деп атайды (позитив - оң деген сөз) немесе
акцепторлық (аламан) қоспа, ал кристалл р-типті жартылай өткізгіш деп
аталынады.
р- типті жартылай өткізгіштерде негізгі электр өткізгіштіктің рөлін –
жылжымалы зарядтардың негізгі тасымалдаушылары – кемтіктер атқарады.
Германий торына Менделеев кестесінің V тобының атомдарын ендірсе
(As, Sв, Р және басқалар), мысалы мышьякты Аs, сыртқы қабатшадағы төрт
электрон (қоспа атомының сыртқы қабатшасындағы бес электрондардың төртеуі)
көрші төрт германий Ge атомдарымен ортақ электрондық жұптар құрады, және
де әрбір атомда, соның ішінде мышьяк As атомында да, ортақ электрондардың
арқасында сыртқы электрондық қабат орнықты болатын санға жетеді (сегіз
электрон). Мышьяк As атомының бесінші сыртқы электроны артық болып
қалады. Ол, басқа электрондарға қарағанда ядромен нашарырақ байланысқан,
және де оны аздаған энергия шығындап, атомнан бөліп бос электронға
айналдыруға болады. Бұл кезде мышьяк As атомы оң зарядталады (иондалады).
... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz