2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары

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

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.

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.

Әртүрлі деңгейлер үшін ыдыраудың шамасы бірдей емес. Атомда сыртқы электрондармен толтырылған деңгейлер күшті ауытқиды. 2 – суретте

2 - сур.

күйінде электрондармен толтырылмаған жоғарырақ деңгейлер де осындай ыдырауға ұшырайды.

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.

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.

Екі металл пластиналарды тығыз жанастырайық (4-сур.). Металдарда

4-сур.

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.

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.

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.

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.

Дәнекерленген орындағы Q_n шығатын не жұтылатын Пельтье жылуы, түйісу ауданы арқылы өтетін толық зарядтың q шамасына пропорционал

Q_n = П_q = 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.