Жартылай өткізгіштер негізгі қасиеттері

Пән: Электротехника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 10 бет
Таңдаулыға:

Кіріспе. Жартылай өткізгіштер негізгі қасиеттері.

Жоспары:

1. Жартылай өткізгіштік материалдардың негізгі қасиеттері.

2. Жартылай өткізгіштердің электр тогын өткізу қасиеті.

3. Холл эффектісі.

Жартылай өткізгіштердегі электр тогы. Электр тогын өткізу қабілетіне немесе меншікті кедергілерінің шамаларына қарай барлық қатты денелер өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер немесе изоляторлар болып үш топқа бөлінеді: электр тогын жақсы өткізетін заттар - өткізгіштер [ρ=(10 ^-5 -10 ^-8 ) Ом ^. м], электр тогын нашар өткізетін заттар - диэлектриктер [ρ=(10 ⁸ -10 ¹⁷ ) Ом ^. м] және электр тогын өткізгіштігі өткізгіш пен диэлектрик арасында жататын заттар - жартылай өткізгіштер [ρ=(10 ⁴ -10 ^-5 ) Ом ^. м] (1-сурет) .

Өткізгіштерде еркін заряд тасымалдаушылардың көп болуы, олардың жақсы өткізгіштік қасиетін түсіндіреді. Бірақ өткізгіштің құрамындағы қоспа оның кедергісін арттырады. Себебі еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өзгермесе де, олардың қозғалысына қоспа кедергі жасайды.

Диэлектриктерде еркін заряд болмағандықтан, олар электр тогын нашар өткізеді. Диэлектриктердің құрамында қоспа болса, онда, әдетте, оның электрондары өзінің атомдарымен нашар байланысқан. Сондықтан олар атомдарды оңай тастап кетеді де, еркін күйге өтіп диэлектриктің кедергісін азайтады.

Сурет 1

Электрондар концентрацияларының қатыстары мынадай болады:

n _МЕ >> n _ЖӨ >>n _Д

Өткізгіштер тобына металдар жатады, оларда жоғары электр өткізгіштікті, өткізгіштік электрондар концентрациясының жоғарылығы қамтамасыз етеді. Керісінше диэлектриктерде, әдетте бөлме температурасында, өткізгіштік электрондар концентрациясы өте төмен, сондықтан олардың ток өткізгіштігі негізінен иондық сипатта болады. Аралық топқа жартылай өткізгіштер енеді, олардың құрамы мен қоспаларының концентрациясына байланысты, электрондар концентрациясы нөлге жуықтайды (онда олар изоляторларға жатады), немесе металдардағы электрондар концентрациясына жуықтайды (онда олар өткізгіштерге айналады) . Электр өткізгіштік қабілеттерін, тек қана технологиялық әдістермен емес, сондай-ақ сыртқы әсерлермен де, кең ауқымды өзгерте алу мүмкіндігі жартылай өткізгіштердің негізінде қатты денелік құралдар жасауға үлкен жол ашты. Дәл осы құралдарды және сол құралдардың ішіндегі электрондық ағындарды басқара білуді оқып үйрену, біз оқитын курстың негізгі мазмұны болып табылады.

Металдар мен жартылай өткізгіштер электр өткізгіштік қабілеттерімен қатар электр өткізгіштік қабілеттерінің температураға тәуелділігімен де ерекшеленеді. Металдарда электр өткізгіштік, әдетте температураға байланысты, сызықтық заңмен төмендейді.

, (3)

мұндағы T и T ₀ - өлшеу температуралары (T > T ₀ ), α - температуралық коэффициент.

Холл эффектісі. 1880 жылы Холл мынадай қүбылысты байқады: егер өн бойымен тұрақты электр тогы ағатын металл пластинканы оған перпендикуляр болатын магнит өрісіне орналастырсақ, онда ток пен өріске параллель жақтар арасында U _н = φ ₁ - φ ₂ потенциалдар айырмасы пайда болады. Магнит өрісін қосқан кезде әрбір токты тасушы Лоренц күшінің әсерінде болады, ал бұл күш пластинканың b (b - пластинка ені) қабырғасының бойымен бағытталған (2-сурет) әрі модулы бойынша мынаған тең:

(4)

Сурет 2

Холл құбылысы тек металдарда ғана емес, сонымен қатар жартылай өткізгіштерде де бақыланады, онымен бірге бұл эффектінің таңбасы бойынша жартылай өткізгіштің n -типке немесе р -типке жататындығы туралы пікір айтуға болады. 2-суретте оң және теріс токты тасушылары бар үлгілердің Холл эффектісі салыстырылған. Лоренц күшінің бағыты, заряд қозғалысының бағытын өзгерткенде де сондай-ақ зарядтың тақбасын өзгерткенде де, қарама-қарсы жаққа қарай өзгереді. Демек, токтьщ бірдей бағытында он. және теріс токты тасушыларға әсер ететін Лоренц күшінің бағыты бірдей болады. Сондықтан оң токты тасушылар жағдайында пластинканың жоғарғы жағының потенциалы төменгісіне қарағанда жоғары, ал теріс токты тасушылар жағдайында - төмен болады. Сонымен, Холл-дың потенциалдар айырмасының тақбасын анықтасақ, токты тасушылардың таңбасын табуға болады.

Кейбір металдардың U _н таңбасының оң токты тасушыларға сәйкес келетіндігі таңғаларлық. Бүл зоналардың бірін-бірі ерекше жауып түратындығымен түсіндіріледі, мұнда электрондардың бір бөлігі валенттік зонаның жоғарғы денгейлерінен басқа зонаның төменгі деңгейлеріне ауысады. Осының нәтижесінде еркін электрондар да, сондай-ақ кемтіктер де тең мөлшерде пайда болады. Осьшдай металдың өткізгіштігі аралас (электрондық-кемтіктік) сипатта болады. Холл эффектісінің аномаль таңбасы (металдар үшін) кемтіктердің электрондарға қарағанда көбірек қозғалғыштыққа ие болатындығынан туады.

Дәріс 2.

Тақырыбы : Диэлектриктердегі электр өрісі.

Жоспары:

1. Диэлектриктердің поляризациялануы.

2. Полярлық диэлектриктер.

3. Полярлық емес диэлектриктер.

Диэлектрик (dielectric) - поляризацияға қабілеттілігі негізгі электрлік қасиеті болып табылатын, металлдармен шалаөткізгіштерге қарағанда электр тогын нашар өткізетін, үлестік электр кедергісі өте үлкен (j = 10^6/10^16 Ом • м) қатты, сұйық және газ тәріздес заттар. Әрбір диэлектрик үшін диэлектрикті ойып-тесетін сыртқы электр өрісі кернеулігінің шектік мәні бар. Поляризация түріне қарай диэлектрик екі топқа бөлінеді: активті және пассивті. Активті диэлектриктерге сегнетоэлектриктер, пъезоэлектриктер мен электриктер жатады. Қалған диэлектрик пассивті деп аталады.

а б

Сурет 1 - Бірқалпы электр өрісінде электризациялау:

а-өткізгіштің; б-диэлектриктің

Диэлектрик бұл электрді өткізбейтіндер тобына жатқызылады. Енді электр өрісінде диэлектрик орналасқан болса, қандай өзгерістер байқалады. Диполь ұғымынан кейін диэлектриктерде поляризация деп аталатын құбылысты толық түсінген болса, студентке материалды әрі қарай алып кетуге әбден мүмкін. Егер құбылысты елестете, көре білмесе мүлдем түсіну қыйынға соғады. Диэлектрик түрлері және онда Гаусс теоремасын пайдалану, диэлектриктегі өрісті бағалайды. Поляризация және индукция векторларының қасиеттеріне тоқталып, бағалайды.

Ортаның диэлектриктiк өтуi (енуi) деп бiртектi диэлектрик iшiнде электр өрiсi кернеулiгiнiң модулi бостықтағы (вакуумдегi) өрiс кернеулiгi модулiнен неше есе кем екенiн көрсететiн физикалық шама:

. (1)

Диэлектриктердi поляризациялау. Диэлектриктер (немесе изоляторлар) деп электр тогын өткiзбейтiн денелердi айтады.

Изолятордың немесе диэлектриктiң еркiн электр заряды жоқ нейтраль атомдарда электрондар мен ядролар бiр-бiрiмен байланысқан және электр өрiсiнiң әсерiнен бүкiл денеге орынауыстыра алмайды.

Өткiзгiштер мен диэлектриктер электростатикалық өрiсте өздерiн әрқалай ұстайды. Диэлектрик iшiнде электр өрiсi болуы мүмкiн; бұл жағдайда диэлектрик өрiске белгiлi бiр әсер бередi.

Диэлектриктердi екi түрге ажыратады: полярлық емес және полярлық.

а б

Сурет 2 - Электр аластыру поляризацияуның схемасы

Полярлық емес диэлектриктер молекулаларында және атомдарында оң және терiс зарядтардың таралу центрлерi сәйкес келедi. Мысалға, сутегi атомында оң заряд - протон - центрде болады, терiс заряд - электрон - ядро маңайында өте жоғары жылдамдықпен айналады, сондықтан уақыт бойынша орташа терiс зарядтың таралу центрi ортасына келедi, яғни оң зарядталған ядромен сәйкес келедi.

Полярлық емес диэлектриктер - инерттi газдар, сутегi, азот, көмiртегi және басқалар.

Полярлық диэлектриктер молекулаларында оң және терiс зарядтардың центрлерi сәйкес келмейдi. Мысалға, ас тұзының NaCl пайда болуы кезiнде, жетi валенттiк электрондары бар хлор атомы натрий атомының бiр валенттiк электронын iлестiредi. Өз ядросымен әлсiз байланысқан. Нейтраль атомдардың әрқайсысы таңбалары қарама-қарсы екi ионнан тұратын жүйеге айналады. Үлкен арақашықтықта молекуланың модульдерi бойынша тең және зарядтары бойынша бiр-бiрiнен L арақашықтықта қарама-қарсы екi нүктелiк зарядтардың жиынтығы ретiнде қарастыруға болады. Бұндай зарядтардың бүтiндей нейтраль жүйесiн электр диполi деп атайды.

Дипольдiк момент бағыты дипольдiң терiс зарядтан оң зарядқа қараған осiмен сәйкес келедi.

Полярлық диэлектриктерге спирт, су және басқа заттар жатады.

Диэлектриктiң iшкi электр өрiсiне орынауыстыру кезiнде поляризация процесi жүредi. Поляризация деп диэлектриктiң оң жәнен терiс байланысқан зарядтарының қарама-қарсы бағыттарда араласуын айтады.

Полярлық диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне енгiзген кезде полярлық диэлектриктiң әрбiр диполiне модульдары бойынша бiрдей және бағыттары бойынша қарама-қарсы екi күш әсер ете бастайды. Олар, өрiс күш сызықтары бойымен бағытталған ось бойынша бұрайтын, күш моментiн жасайды. Бұл жағдайда дипольдiң оң шетi электр өрiсi бағытына, ал терiс жағы - керi бағытта ойысады. Дипольдiк молекулалардың қатаң бағытталуына олардың жылулық қозғалысы кедергi жасайды. Сондықтан өрiстiң әсерiнен электрлiк дипольдердiң бағытталуы байқалады. Диэлектрик бетiнде байланысқан заряд туындайды. Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд бұрынғыдай нөлге тең.

Полярлық емес диэлектриктiң поляризациясы. Iшкi электр өрiсiне орналасқан полярлық емес диэлектрикте молекулалардың оң және терiс зарядтардың бiр-бiрiне қатысты араласуы өтедi. Оң және терiс зарядтардың центрлерiнiң таралуы сәйкес келмейдi (беттеспейдi) . Бұндай деформацияланған молекулаларды осi өрiс бойымен бағытталған электрлiк диполь ретiнде қарастыруға болады. Диэлектрик бетiнде полярлық диэлектриктi поляризациялау кезiндегiдей байланысқан зарядтар бола бастайды.

Диэлектрик iшiнде дипольдердiң оң және терiс заряды бiр-бiрiн теңгередi және орташа байланысқан заряд бұрынғыдай нөлге тең.

Дәріс 3.

Тақырыбы : Аймақтық теория.

Жоспары:

1. Қатты денелер элементтердың аймақтық теория.

2. Өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диэлектриктерде

аймақтық диаграммасы. Өткізгіштік және валенттік аймақтар.

3. Жартылай өткізгіштердің электр тоғын өткізу қасиетін зондық

теориямен дәлелдеген жөн.

Кристалдағы энергияның мүмкін болатын мәндері зоналарға топталады. Атомдар жақындаған сайын күшейе түсетін өзара әсер пайда болады. Барлық атом үшін бірдей болатын бір деңгейдің орнына өте жақын орналасқан, бірақ бір-біріне дәл келмейтін бірнеше деңгей пайда болып, оңашаланған деңгейге ажыратылады да, зона түзеледі. Нашар ажырасқан деңгейлерден пайда болған төменгі зоналар электрондармен толықтырылады, сөйтіп олар кристалда өздерінің атомдарымен берік байланысын сақтайды. Валенттік электрондар энергиясын рұқсат етілген мәндері кристалда аралықтарымен бөлінген валенттік зоналарға бірігеді де, ал осы аралықтарда энергияның рұқсат етілмеген мәндері болады (сурет 1) . Бұл аралықтар тыйым салынған немесе рұқсат етілмеген электронсыз зоналар деп аталады. Валенттік зона атомның негізгі күйінде валенттік электрондар болатын деңгейлерден пайда болады. Рұқсат етілген аса жоғары зоналар электрондардан бос болады, яғни бос зона түзеледі. Валенттік зонаны электрондар толық толтырмайды. Электр өрісінің электрондарға әсер етуінен туған қосымша энергия электронды бос жоғары деңгейге көшіруге жеткілікті. Сондықтан электрондар электр өрісінде үдетіліп, өрістің бағытына қарама-қарсы бағытта қосымша жылдамтыққа ие болады да, тоқ пайда болады.

Сурет 1

Кейбір жағдайда толтырған зонамен толтырылмаған зоналар қабысып, олардың арасындағы тыйым салынған зона жабылады. Сонымен, энергетикалық деңгейлерінің осындай схемасы бар кристалдар металлдар болып есептеледі. Валенттік зонаның деңгейлерінде түгелдей электрондар орналасқан. Электрондарды бос зонаға өткізу үшін оның энергиясы тыйым салынған зонаның ( енінен кем болмауы тиіс. Егер ( болмаса, онда жылылық қозғалыстың энергиясы электрондардың бір бөлігі жоғары бос зонаға көшіруге жеткілікті болады. Сонымен қатар, валенттік зона электрондарының оның бос қалған жоғары деңгейіне көшуіне мүмкідік туады. Сондықтан