Досаева Б. Т., Койшыбаев Н., Жаугашева С. А
Таза (қоспасыз) жартылай өткізгіштер. Термисторлар
жүктеу/скачать 4.06 Mb.
|
| Таза (қоспасыз) жартылай өткізгіштер. Термисторлар. Германий мен кремнийдің негізінде, таза жартылай өткізгіштерде қозғалғыш заряд тасымалдаушылардың қалай пайда болатындығын қарастырайық. Бұл элементтердің сыртқы валенттік электрондық қабатында төрт-төрттен электрондар болады. Қатты күйде бұл заттардың кристалдық құрылымы болады, онда әрбір атомның төрт-төрттен көршілес атомдары болады. Мұндай тордағы көршілес атомдар өзара коваленттік байланыста болады, яғни көршілес екі атом өздерінің екі электрондарымен байланысқа енеді (әр атомнан бір-бір электроннан), олар электрондық жұптар түзеді. Германийдің немесе кремнийдің атомдарының коваленттік байланысы 3.28-суретте шартты түрде жазық етіп көрсетілген.
Төменгі температуралар кезінде жартылай өткізгіштің барлық электрондары атомдармен байланыста болады. Мұндай кристалда еркін заряд тасымалдаушылар жоқ, ол изолятор болып табылады. Егер осындай кристалдың температурасын арттырса, онда жеке-дара электрондар артық энергия алып (бей-берекет қозғалыстың арқасында), бұл энергияның атомды тастап кетуге жеткілікті болып шығуы мүмкін. Міне осындай электрондар жартылай өткізгіш кристалының өткізгіштігін тудырады. Бөлме температурасында германий мен кремний кристалдарында еркін электрондар болады. Германийде электрондардың атомнан жұлынып алынуына қажетті энергия кремнийге қарағанда төменірек болады. Сөйтіп, бірдей температура кезінде германийдің меншікті кедергісі кремнийдің меншікті кедергісінен төмен болады (200С кезінде Ge=0,6 Ом⁎м, Sі=2103 Ом⁎м). Электрон еркін күйге өткен кезде жартылай өткізгіш атомының қабықшасында бос орын пайда болады, оны қуыс деп атап кеткен. Электронынан айырылғанға дейін атом нейтрал болғандықтан, онан айырылғаннан кейін оның заряды оң болады да, бұл заряд қуыстікі болып саналады. Жартылай өткізгіштің іргелес атомдары үздіксіз электрондар алмасып отыратындықтан, атомның қуысын басқа атомның электроны толтырып, өз кезегінде жаңа қуыстың пайда болуы мүмкін. Сонымен, оң зарядты қуыстар жартылай өткізгіштің ішінде еркін электрондар тәрізді хаостық қозғалыста бола алады екен. Міне сондықтан, шартты түрде жартылай өткізгіштердегі қуыстарды да қозғалғыш заряд тасымалдаушылар деп қарастырады. Шындығында да, электр өрісі жоқ кезде жартылай өткізгіште қуыстар хаосты түрде қозғалып жүретін болса, сыртқы өрісті берген кезде олар осы өріс бағытында қозғала бастайды, яғни электр тоғын тудырады. Сонымен, жартылай өткізгішті қыздыру қозғалғыш заряд тасымалдаушылардың қосағын – “электрон-қуыс” қосағын тудырады. Электрондар мен қуыстар жартылай өткізгіште хаостық қозғалыс кезінде кездесіп қалуы мүмкін, сонда еркін электрон атомның қабықшасындағы бос орынды толтырады да, жартылай өткізгіште бірден екі заряд тасымалдаушылар жоғалып кетеді – “электрон-қуыс” қосағы рекомбинацияланады. Еркін электронның немесе қуыстың пайда болғаннан жоғалып кеткенге дейінгі еркін өту жолы өте аз болады (0,1 мм шамалас). Жартылай өткізгіштің температурасы тұрақты болатын болса, онда “электрон-қуыс” қосағының генерациясы (пайда болуы) мен рекомбинациясының (жоғалуының) арасында динамикалық тепе-теңдік орнайды. Осы кезде жартылай өткізгіште зарядты тасымалдаушылардың белгілі саны болады. Таза жартылай өткізгіште әрқашанда еркін электрондар мен қуыстардың теңбе-тең саны болады. Сондықтан, таза жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі жартылай электрондық және жартылай қуыстық болады. Мұндай өткізгіштікті жартылай өткізгіштердің меншікті өткізгіштігі деп атайды. Сөйтіп, таза жартылай өткізгішті тізбекке қосса, онда тоқ жүреді. Осы кезде еркін электрондар теріс полюстен оң полюске, ал қуыстар – кері қарай қозғалатын болады. Жартылай өткізгіштердің температуралық кедергі коэффициенті металдарға қарағанда көп артық және теріс болатындықтан, жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігін автоматты қондырғыларда температура шектен жоғары көтеріліп кеткен кезде тоқ тізбегін қосатын тетіктерде пайдалануға болады. Қалыпты жағдайларда кедергісі өте үлкен болатын жартылай өткізгіш қоңыраулы сигнал тізбекке немесе тоқ беруді басқару тізбегіне қосылады. Температура шектен шығып бара жатқан кезде жартылай өткізгіштің кедергісі түседі де, сигнал тізбегінде тоқ пайда болып, ол қоңырауды іске қосады немесе қызуды тудырған тоқты ағытып тастайды. Мұндай жартылай өткізгіш аспаптар термисторлар деп аталады. Термисторлардың мөлшерлері кішкентай болатындықтан, олардың көмегімен кішкентай қуыстардағы температураның өзгерісін байқауға немесе өлшеуге болады. Қоспалық жартылай өткізгіштер. Таза жартылай өткізгіштерге әдейі таңдап алынған қоспаларды қосу арқылы жасанды түрде, негізінен электрондық немесе қуыстық өткізгіштіктері болатын жартылай өткізгіштерді жасауға болады. Балқытылған таза германийге 10-5% шамалас Менделеев кестесінің V тобының қайсы-бір элементінің атомдарынан тұратын қоспаны (мысалға, мышьяк болсын) қосайық. Сонда, қатқаннан кейін германийдің байырғы торы пайда болады, тек онда кейбір түйіндерде германий атомдарының орнында мышьяк атомдары орналасады (3.29-сурет). Осы кезде мышьяктың төрт валенттік электрондары көршілес германий атомдарының электрондарымен коваленттік байланыс жасайды да, ал бесінші электрон мұндай жағдайларда атоммен өте әлсіз байланысқан болып шығады, енді оны жұлып алу үшін онша көп энергия қажет болмайды, бұл энергияның мәні жартылай өткізгіштің атомдарын ионизациялауға қажет энергиядан көп кіші болады. Сонда, байырғы температурада мышьяктың барлық атомдары жартылай өткізгіште ионизацияланған болып шығады. Мышьяктың оң зарядталған атомдары тормен байланысқан (локалданған, бір орынға байланған) және де сыртқы электр өрісі күштерінің әсерінен орын ауыстыра алмайды, ал еркін электрондар (қоспаның әрбір атомынан бір-бірден) қозғалғыш заряд тасымалдаушылар болады. Мұндай кристалдың өтізгіштігі негізінен электрондық болады және оны n-типтік өткізгіштік ("негатив"–теріс), ал кристалдың өзін n-типтік жартылай өткізгіш деп атайды. Жартылай өткізгіште еркін электрондарды беретін қоспалар донорлық (беруші) немесе n-типтік қоспа деп аталады. Егер таза германийге Менделеев кестесінің ІІІ тобының элементтерінің, мысалға, индийдің атомдарын қосатын болсақ, онда олардың үш валенттік электрондары германийдің көршілес үш атомымен коваленттік байланыс ұйымдастыру үшін индийдің атомы көрші атомдардың бірінен бір электронды қосып алып, өзі теріс ионға айналады, ал германийдің атомдарының біреуінде қуыс пайда болып, ол кристалдың бойында бей-берекет қозғалыста болады (3.30-сурет). ІІІ топтың элементерінің атодарынан тұратын қоспасы бар германий кристалының өткізгіштігі негізінен қуыстық болып табылады. Оны р-типтік ("позитив"–оң деген сөзден) деп атайды. Осындай өткізгіштікті тудыратын қоспаны акцепторлық (қабылдаушы) немесе р-типтік деп атайды. Қоспалық жартылай өткізгіштерде байырғы температуралардың өзінде-ақ электрон-қуыс қосағының генерациясы болып жатады. Сондықтан онда негізгі тоқ тасымалдаушылармен қатар азды-көпті қарама-қарсы таңбалы тоқтың тасымалдаушылары да (тоқтың негізгі емес тасымалдаушылары) болады. Жоғары емес температуралар кезінде тоқтың негізгі емес тасымалдаушылары электр өткізгіштікте оншалықты рөл атқара қоймайды. Бірақта, жоғары температуралар кезінде электрон-қуыс қосақтары өршелей пайда бола бастайды да, жартылай өткізгіштің өткізгіштігі аралас сипатта болады. Сөйтіп, қоспалық жартылай өткізгіштерде негізінен қуыстық немесе электрондық өткізгіштік тек жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі басым бола бастайтын температурадан төмен температуралар кезінде ғана сақталады. жүктеу/скачать 4.06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|