Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі

МАЗМҰНЫ
Кіріспе.................................................................................................................
1. Қатты дененің физика элементтері ..........................................................
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік .............................
1.2. Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай
өткізгіштер және диэлектриктер ..............................................................
2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу
2.1. Түйісу потенциалдар айырымы...................................................................
2.2. Термоэлектрлік құбылыс............................................................................. 11
2.3. Пельтье эффектісі......................................................................................... 13
2.4. Томсон эффектісі.......................................................................................... 15
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды пайдалану................................................
3. Негізгі қасиеттері бойынша өткізгіштердің, диэлектриктердің және
жартылай өткізгіштердің бір-бірінен айырмашылықтары........................
3.1. Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден
айырмашылығы............................................................................................ 18
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға
тәуелділігі .................................................................................................... 19
4. Жартылай өткізгіштердің түрлері ................................................................
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі .............................
4.2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі .......................................
4.3. р - n ауысуының қасиеттері .......................................................................
5. Жартылай өткізгіштік құралдар ................................................................
5.1. Жартылай өткізгіштік диод ........................................................................
5.2. Транзисторлар ............................................................................................. 40
Қорытынды ......................................................................................................... 47
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ....................................................................
КІРІСПЕ
Екі өткізгішті бір-біріне түйістірген кезде жылулық қозғалыстың әсерінен
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін зоналық теория негізінде тек кванттық
Бұл байланысты түсіндіру жеткілікті түрде оқу және әдістемелік әдебиеттерде
а) Егер жартылай өткізгіштің температурасы абсолют нөлге жақындаса, онда
ә) Температура жоғарылағанда немесе сыртқы әсердің себебінен кейбір байланыстар
б) Электроны кетіп, байланыстың үзілген орны «кемтік» деп аталады,
Электр өрісіндегі электрондар мен кемтіктердің қозғалысын оқушылар шын мәнінде
в) Егер жартылай өткізгіштер ұщтарына кернеу берілсе, онда электрондар
Жасанды жолмен жартылай өткізгіштегі еркін электрондардың санын не кемтіктердің
Бұл мәселелерді оқушылардың терең түсінуі үшін «Жартылай өткізгіштер және
р – n - ауысу. Жартылай өткізгіштерге тән
Бұл құбылыстардың себебі жөнінде сыныпта проблемалық жағдай туғызуға болады.
Міне осындай жартылай өткізгіштерді ток көзіне қосып көрейік. Егер
Егер ток көзінің электр өрісі р-n – ауысудағы
Қорыта келгенде, р- n – ауысудың токты бір
Жартылай өткізгішті диод. Диод деп бір р-n –ауысудан
Әрі қарай диодтың вольт-амперлік сипаттамасы қарастырылады. Токты өткізу бағытында
Транзистор. Екі р-n – ауысудан тұратын жартылай өткізгіштік
База қабаты өте жұқа болады, оның ені әдетте электрондардың
Міне, транзистордың осы айтылған қасиеті әлсіз электр сигналдарын күшейту
Басқа жартылай өткізгіш приборлар тәріздес транзисторлардың да радиотехникада, автоматикада,
Тақырыпты бекіту мақсатында, ең соңында жартылай өткізгіштердің электр өткізу
1. ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТТЕРІ
1.1. Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік
Еркін электрондар моделіне сәйкес металл атомдарының валенттілік электрондары үлгінің
Еркін электрондарды кристалда бір-біріне жақындатқанда валенттік электрондардың энергиясы квазиүздіксіз
салынған зоналардағы энергия мәндерін қабылдау мүмкін емес.
Зоналардың пайда болуын түсіну үшін атомдардың кристалдарға бірігу процесін
1 - сур.
жақындаған сайын бірте-бірте күшейе беретін өзара әсерлесу пайда болады,
Әртүрлі деңгейлер үшін ыдыраудың шамасы бірдей емес. Атомда сыртқы
2 - сур.
деңгейлердің ыдырауының атомдар аралық қашықтыққа r функциясы
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
Атомның негізгі күйіндегі валенттік электрондар тұратын рұқсат етілген зонаны,
3 - сур.
зонаны толығымен толтырмайды. Сондықтан, жоғары деңгейде тұрған электрондарға өте
Валенттік зонаны жарым-жартылай толтыру (металл жағдайында оны өткізгіштік зонасы
б және в жағдайларында (3-сур.) валенттік
Егер тыйым салынған зонаның ΔЕ ені үлкен
2. ӘРТҮРЛІ МАТЕРИАЛДАН ЖАСАЛҒАН ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ
ТҮЙІСУ ҚҰБЫЛЫСТАРЫ
2.1. Түйісу потенциалдар айырымы
Екі металл пластиналарды тығыз
4-сур.
еркін электрондар хаосты қозғалыста болатындықтан, пластинкалардың жанасу беттері арқылы
Әртүрлі металдан жасалынған екі пластинкаларды жанастырайық. Бұл пластиналарда көлем
Егер электрондардың зарядтары болмаса, онда бұлардың диффузиясы, екі пластинкадағы
Жанасқанға жейін металл пластинкалар электр нейтраль еді. Олар түйіскен
Металдар жанасқаннан кейін алғашқы қысқа уақыт аралығында,
электрондардың концентрацияларының айырмашылығы пайда болған электр өрісіне қарағанда,электрондарға артық
Әрбір екі металл үшін бірдей температурада динамикалық тепе-теңдік кезінде
Температура артқан кезде, екі металдағы еркін электрондар жылдам қозғала
Тәжірибенің көрсетуі бойынша, екі металдың әрбірінде берілген температурада түйісу
5-сур.
2.2. Термоэлектрлік құбылыс
Енді түйісу потенциалдар айырымы электр қозғаушы күшке себепті бола
сезімтал гальванометр жалғастырсақ, онда оның тілшесі ауытқымайды. Бұл тізбекте
Демек, жанасатын металдардың температурасы бірдей болған кезде, түйісу потенциалдар
Бұл қорытындыға басқаша жолмен де келуге болады. В
6-сур.
зарядталса, онда түйісу потенциалдар айырымы электрондарды Д
Егер В және Д түйісулерде температуралар
Сонымен, егер әртүрлі металдардың түйісулер температуралары бірдей болмаса, онда
Әртүрлі металдардан құрастырылған, олардың түйісулерінде әртүрлі температура болғанда тізбекте
Кейбір жағдайларда бұл ережеден ауытқулар байқалады, мұны температура аса
Екі әртекті металдардың ұштары дәнекерлеп жалғасқан және жылу берудің
7-сур.
2.3. Пельтье эффектісі
Тәжірибенің көрсетуі бойынша, өткізгіштің көлемінде токтың бөліп шығатын Джоуль-Ленц
Пельтье эффектісін 8 – суретте көрсетілген тәжірибе арқылы демонстрациялауға
8-сур.
өткізгіштерден жасалынған өзектер. Өзектер шыны баллонның ішіне ауа кірмейтіндей
Дәнекерленген орындағы Qn шығатын не жұтылатын Пельтье жылуы,
Qn = Пq = ПIt
П коэффициенті жалғасатын өткізгіштердің тегіне және температурасына тәуелді, оны
Пельтье жылуының табиғаты былай түсіндіріледі. Әрбір электрон өзінің қозғалысында
Өзгермейтін ток тығыздығында әртүрлі өткізгіштерде энергия ағыны әртүрлі. Сондықтан,
2.4. Томсон эффектісі
Термоэлектрлік құбылыстарды зерттей отырып, Томсон мынандай қорытындыға келді, егер
Томсон эффектісін бақылау үшін 9-сур. қызмет етеді. Бірдей материалдан
9-сур.
өзектердің ұштары әртүрлі температураларда ұсталынып тұрады (мысалы, 100 және
б нүктелеріндегі температуралар айырмашылығын өлшеу үшін термопара түйісу
Томсон эффектісінің таңбасы әртүрлі өткізгіштер үшін әртүрлі. Мысалы, висмут
Томсон эффектісі өткізгішті қыздырған кезде, оның қасиетінің өзгеруімен түсіндіріледі.
2.5. Термоэлектрлік құбылыстарды пайдалану
Термоэлектрлік құбылыс температураны өлшеу үшін кең түрде пайдаланылады. Бұл
металдан жасалынған екі өткізгіштен 1 және 2 тұрады,
ЭҚК-ті арттыру үшін термоэлементтер тізбектей жалғастырылып, батареяға
10-сур.
Температурада, ал барлық тақ түйісулер басқа температурада ұсталынып тұрады.
Екі әртүрлі өте жұқа металдардан құрастырылған миниатюрлік термобатареялар, жарықтың
Термобатареяларды аз қуатты электр тогының генераторы ретінде пайдалануға болады.
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
Металдарда барлық кезде өте көп еркін электрондар болады, олар
Өткізгіште қоспаның аздаған мөлшері болуы еркін зарядты тасымалдаушылардың концентрациясын
Диэлектриктерде еркін зарядты тасымалдаушылар тіптен болмайды. Олардың барлық электрондары
Диэлектриктердің электр өткізгіштігі негізінен онда бөгде қоспалардың барлығымен анықталады.
Жартылай өткізгіштер өткізгіштер мен диэлектриктердің аралық жағдайын алып жатады.
Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі олардың тазалығына өте күшті тәуелді.
3.2. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің
температураға тәуелділігі
Өзінің меншікті кедергісі ρ бойынша жартылай өткізгіштер
жатады. Меншікті кедергі бағанасында, кейбір металдардың, жартылай өткізгіштердің және
12– сур.
Алайда, меншікті кедергісі бойынша заттарды топтау едәуір шартты болып
13 - сур.
Енді температураның зттардың электр өткізгіштігіне әсерінің табиғатын қарастырайық.
Температура артқанда металдарда еркін зарядты тасымалдаушылардың концентрациясы өзгермейді, ал
Температура ртқанда диэлектриктердің электр өткізгіштігі нашар өседі. Алайда, диэлектрикте
Жартылай өткізгіштің температурасы артқанда оның атомдарының сыртқы қабатының жеке
Жартылай өткізгіштердің температурасы төмендеген кезде еркін зарядты тасымалдаушылар саны
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі температураға күшті байланысты. Бұл жартылай өткізгіште
4. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ ТҮРЛЕРІ
Жартылай өткізгіштерде Менделеев кестесінің орта тұсындағы он екі химиялық
Ge және кремний Sі жатады.
Жартылай өткізгіштер өзіндік (яғни қоспасыз) және қоспалы болып бөлінеді.
4.1. Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі
Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштік механизмін германийдің немесе кремнийдің
15 - сур.
сыртқы электрондық қабатта төрт электроны болады, яғни олардың валенттілігі
Атомның ең орнықты күйі, оның сыртқы электрондық қабатында сегіз
Әрбір екі көрші атомдар екі ортақ электрондары (электрондық жұп)
Бөлме температурасының өзінде жартылай өткізгіш кристалында жылжымалы электрондардың біраз
Атомнан электронды бөліп шығарған кезде атомның қабатшасында бос орын
Сонымен, бос электрондар және кемтіктер кристалл бойынша, қандай да
Әрбір белгілі-бір температурада жұптың пайда болуының «электрон-кемтік» (генерация)
Егер осындай кристалды электр тізбегіне қосса, онда оның ішінде
Сонымен, өрістің әсерінен кемтіктер де оң зарядты алып жүре
Бос электрон кемтікпен кездескенде олар рекомбинацияланады, сөйтіп олардың қозғалысы
Зоналық теория бойынша өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі валенттік зонаның
Жеткілікті жоғары температурада өзіндік жартылай өткізгіштің өткізгіштігі барлық жартылай
4. 2. Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі
Егер балқытылған таза германийге немесе кремнийге Менделеев кестесіндегі үшінші
Кристалл электронейтраль болып қала береді, бірақ ондағы теріс зарядталған
16 - сур.
кристалдың өткізгіштігі негізінен кемтік болады, өйткені кристалда пайда болған
Егер жартылай өткізгіште атомдары электрондарды қамтып алатын, Менделеев кестесіндегі
р- типті жартылай өткізгіштерде негізгі электр өткізгіштіктің рөлін –
Германий торына Менделеев кестесінің V тобының атомдарын
Сонымен, германий кристалының торына V топтың атомдарын
кристалды n-типті жартылай өткізгіш деп атайды («негатив»
n- типті жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігіне негізінен электрондар роль
17 - сур.
генерациясы жүріп жатқанымен (таза жартылай өткізгіштегі сияқты), n-қоспадағы
Жартылай өткізгіш кристалында қоспаның атомдарын иондау үшін, жартылай өткізгіштің
Төменгі температурада n-типті қоспаның атомдарына жататын электрондардың
Температураны біртіндеп көтерген кезде, n-типті қоспаның атомдарынан бөлінуге
Сондықтан, қоспасы жартылай өткізгіштерді қыздырған кезде, металдардағы сияқты, жылжымалы
Алайда жеткілікті жоғары температурада жартылай өткізгіштің өзіндік өткізгіштігі, «электрон-кемтік»
Жартылай өткізгіштің кристалына бір мезгілде акцепторлық және донорлық қоспа
n-типті жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің электрондық сипаты және
Қоспалар тордың өрісін айнытады, кристалдың тыйым салынған зонасында орналасқан,
18 - сур.
n – типті жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі тыйым салынған
Егер донорлық деңгейлер валенттік зонаның төбесінен алыс орналаспаса, олар
Акцепторлық деңгейлер кристалдың электрлік қасиетіне, егер олар валенттік зонаның
Температура жоғарылаған кезде токтың қоспалы тасымалдаушыларының концентрациясы тез өзінің
4.3. р - n ауысуының қасиеттері
Екі бөліктен тұратын жартылай өткізгіштің кристалын алайық: оның
Айталық, жартылай өткізгіштің бұл екі бөлігі енді ғана түйістірілсін
Кемтіктер мен электрондар зарядтарды тасымалдамайтын болса, олардың диффузиясы кемтіктер
Пайда болған электр өрісі кері ауысуға алып келеді: кемтіктерді
19 – сур.
Шын мәнінде, р-аймақта тұрған еркін электрон хаосты қозғалыс
Сондықтан АБ ауысу қабатында, р-аймақтан
19 – суретте көрсетілген процестерді айқынырақ түсіндірейік: а) р
Қалыңдығы өте аз (бірнеше микроннан артық емес) АБ ауысу
АБ аймағының сыртында электр өрісі болмағандықтан, сол және оң
р- n ауысуының пайда болуын энергетикалық зоналар
Ауысу аймағындағы энергетикалық зоналардың иілуінің себебі, тепе-теңдік күйде
20 – сур.
төмен болуы. Валенттік зонаның төменгі шекарасы электронның потенциалдық энергиясына
21 – сур.
Тепе-теңдік күйінде негізгі тасымалдаушылардың кейбір мөлшері потенциалдық бөгеттен өтіп
Кристалға, плюсі р – аймаққа, ал минусы -
Аймақтағы потенциалдың төмендеуіне (яғни Ерк кемиді, Ерэ артады) алып
22 – суретте р-n ауысудың вольт-амперлік сипаттамасы
22 – сур.
аймақтар арасындағы шекараға «сығады», осы себептен тасымалдаушылары жоқ ауысу
Енді кристалға n – аймаққа плюс, ал
22 – суреттен көрініп тұр, р-n ауысуы тура
5. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІК ҚҰРАЛДАР
5.1. Жартылай өткізгіштік диод
Егер р-n ауысуы бар кристалға сыртқы кернеу
Кристалға р – аймағындағы потенциалы n –
Бұл р-n ауысу арқылы кемтіктер мен электрондардың
Айта кету керек, тура ток кемтіктер тогы мен электрондар
23 – сур.
міндетті емес. Ауысу арқылы өтетін, кемтіктер жасаған ток, электрондар
Егер ауысудағы сыртқы кернеуді біртіндеп арттырта берсе, онда оның
Енді р-n ауысуға кері полярлы сыртқы кернеу
Демек, кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағындары кемиді, себебі
n – аймақтан р – аймаққа бағытталған қорытқы
Қарастырылып отырған жағдайдағы р-n ауысуға түсірілген кернеу
Кернеу артқан сайын кері ток жайлап өседі және кернеудің
Сонымен, егер р-n ауысуында тура кернеу вольттің
24 – сур.
25 – суретте диод пен жүктемеге, ток көзінен берілген,
25 – сур.
жарты периодында (25-сур.,а) диод өткізетін бағытта жалғассын. Бұл кезде
Периодтың келесі жартысында диод жабық, оның кедергісі өте үлкен,
Жартылай өткізгіштік диодтардың ең бір мәнді кемшілігі – температура
Алмаздағы көміртегі атомынан электрондарды жұлып алу үшін өте үлкен
Жартылай өткізгіштік диодтардың артықшылықтары мыналар: жоғары ПӘК
Соңында айта кететін нәрсе, екі әр текті металдардың түйісуінен
5.2. Транзисторлар
Жоғарыда айтылған р-n ауысудың қасиетін, жартылай өткізгіштік
Транзисторда кристалдың екі р – аймағы жіңішке
26 – сур.
р- n- р – типті транзистор негізінде жасалынған жартылай
Егер оң жақтағы ауысуға кері кернеу берсе ол жабық
Транзистордың р – аймағының бірі, мысалы сол жақтағы,
Егер а және б нүктелері
Транзистордың жұмысында (27-сур.) оң ауысуға жүктеме кедергісі R
27 – сур.
аздаған тура ток жүре бастайды. Дәл осындай ток, жүктеменің
Сол жақтағы ауысудағы тура кернеуді арттырған кезде оң жақтағы
Сонымен, сол жақтағы ауысуға, вольттің бөлігіне тең тура кернеу
Транзисторда мұндай жалғастыруда ток бойынша күшейтуді алуға болмайды, өйткені
Транзистордың жұмысын плотинаның әсерімен салыстыруға болады. Тұрақты көздің (өзеннің
n-p-n типті транзистордың жұмысы, p-n-p типті
28 – сур.
Өткізу бағытында қосылған ауысу (суретте – сол жағы) эмиттерлік,
Транзистордың қызмет ету мерзімі және оның экономдылығы, электрондық шамдарға
Қазіргі техникада транзисторлар ерекше кең таралды. Олар көптеген ғылыми,
Транзистордың кемшілігі, жартылай өткізгіштік диодтардың кемшілігімен бірдей. Олар температураның
Енді n-p-n – типті транзистордың жұмысын зоналар теориясы
29 – сур.
кернеу Uэ беріледі, ал база –
30 – суретте, ығыстырушы кернеулер және кіріс сигналы жоқ
өтуімен қоса жүреді. Базаға еніп кеткен электрондар коллектор бағытына
30 – сур.
дерліктей электрондар, рекомбинация жасауға үлгіре алмай, база – коллектор
Эмиттер тізбегіндегі кіріс кернеуге тәуелді Іэ тогының
Ік ≈ Іэ болсын. Бұл токтарды
.
Rшығ >> Rкір болғандықтан, Uшығ кернеуді кіріс
ҚОРЫТЫНДЫ
Өткізгіштер мен диэлектриктерден басқа, өткізгіштігі олардың аралығында жататын бір
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің механизмін, оның ішкі құрылысы арқылы түсіндіруге
Кремнийдің электрондық жұптар байланысы жеткілікті түрде берік және
Жартылай өткізгіштердің, онда еркін электрондарының болуы салдарынан өткізгіштігін, электрондық
Жартылай өткізгіштердің маңызды ерекшелігі, онда қоспалар болғанда, өзіндік өткізгіштікпен
Электрондарын жеңіл беретін, яғни еркін электрондардың санын көбейтетін қоспаларды
Егер енді төрт валенттік элементке үш валенттік элемент атомдарын
Электр өрісі болған кезде кемтіктер өріс бойымен орын ауыстырып,
р – және n- типті жартылай өткізгіштердің түйісу
Егер р-n ауысуға, р- типті
Егер потенциалды кері бағытта түсірсе, онда тізбектегі ток едәуір
р-n ауысудың қасиетін айнымалы токты түзету үшін пайдаланады.
Екі р-n ауысудан жасалған құралды транзистор деп
Жартылай өткізгіштердің тағы бір қасиетіне, онда жарық сәулесінің әсерінен
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ
1. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. –
Физматгиз, 1963.
2. Роуз А. Основы теории фотопроводимости. – М.:
3. Элементарный учебник физики. Т. 2. Электричество и магнетизм/Под
Г.С. Ландсберга. – М.: Наука, 1967.
4. Сахаров Д.И., Блудов М.И. Физика для техникумов. –
5. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов ІІІ и
групп. – М.: Мир, 1967.
6. Жданов Л.С., Маранджян В.А. Курс физики для средних
учебных заведений. Ч. 2. Электричество. Оптика. Атомная физика. –
Наука, 1968.
7. Блудов М.И. Физика жайлы әңгімелер. 2 бөлім. –
8. Цидильковский И.М. Электроны и дырки в полупроводниках. –
Наука, 1972.
9. Тамм И.Е. Основы теории электричества. – М.:
10. Зеегер К. Физика полупроводников. – М.: Мир,
11. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. –
12. Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов. –
1978.
13. Смит Р. Поупроводники. – М.: Мир, 1982.
14. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. – М.:
15. Буравихин В.А., Егоров В.А. Биография электрона. –
16. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика в помощь поступающим
М.: Высшая школа, 1989.
17. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. –
Наука, 1990.
18. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. Учебник
общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2001.
50

Ұқсас жұмыстар

Жартылай өткізгіштер

Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары

Шалаөткізгіштер

Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі

Жартылай өткізгіш диодтары

Жартылай өткізгіштердің зона құрылымы

Жартылай өткізгішті материалдар

Шоттка диоды

Жартылай өткізгіш диод