Предмет: Сирек заттар
Тип: Дипломдық жұмыс
Объем: 56 стр.
Год: 2009
|
Закрыть
|
Қатты дененің физика элементтері
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 3
1 ҚАТТЫ ДЕНЕНІҢ ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТТЕРІ 8
1.1 Қатты денелердің зоналық теориясы туралы түсінік 8
1.2 Зоналар теориясы бойынша металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер 10
2 ӘРТҮРЛІ МАТЕРИАЛДАН ЖАСАЛҒАН ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ТҮЙІСУ ҚҰБЫЛЫСТАРЫ 12
2.1 Түйісу потенциалдар айырымы 12
2.2 Термоэлектрлік құбылыс 14
2.3 Пельтье эффектісі 16
2.4 Томсон эффектісі 18
2.5 Термоэлектрлік құбылыстарды пайдалану 19
3 НЕГІЗГІ ҚАСИЕТТЕРІ БОЙЫНША ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ, ДИЭЛЕКТРИКТЕРДІҢ ЖӘНЕ ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ БІР-БІРІНЕН АЙЫРМАШЫЛЫҚТАРЫ 21
3.1 Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден айырмашылығы 21
3.2 Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділігі 22
4 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ ТҮРЛЕРІ 25
4.1 Өзіндік жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі 25
4.2 Қоспалы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі 28
4.3 р - n ауысуының қасиеттері 34
5 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІК ҚҰРАЛДАР 41
5.1 Жартылай өткізгіштік диод 41
5.2. Транзисторлар 46
ҚОРЫТЫНДЫ 52
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 56
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.
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.
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 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.
2 ӘРТҮРЛІ МАТЕРИАЛДАН ЖАСАЛҒАН ӨТКІЗГІШТЕРДЕГІ ТҮЙІСУ ҚҰБЫЛЫСТАРЫ
2.1 Түйісу потенциалдар айырымы
Екі металл пластиналарды тығыз жанастырайық (4-сур.). Металдарда 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
4.2 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.
4.3 р - n ауысуының қасиеттері
Екі бөліктен тұратын жартылай өткізгіштің кристалын алайық: оның біреуі р-типті қоспалы және екіншісі n-типті қоспалы болсын. Бұл екеуінің шекарасы р-n ауысуы деп аталынады.
Айталық, жартылай өткізгіштің бұл екі бөлігі енді ғана түйістірілсін (шын мәнінде бұл бір кристалдың екі бөлігі, оның біреуінде р-типті қоспа басым болады). Сонда бірден электрондары көп n-типті жартылай өткізгіштен электрондар, олардың саны аз р-типті жартылай өткізгішке ауысады, ал кемтіктер кері бағытқа қарай орын ауыстырады. Бұл электрондар мен кемтіктердің диффузиясы екі сұйықтармен немесе газдармен өзара диффузиясына ұқсас, бірақ бұл процестерден айырмашылығы, электрондар мен кемтіктердің диффузиясы өте жылдам өтеді.
5 ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІК ҚҰРАЛДАР
5.1 Жартылай өткізгіштік диод
Егер р-n ауысуы бар кристалға сыртқы кернеу түсірсе не болатынын қарастырайық. 23 – суретте а) кернеу жоқ кездегі АБ ауысу аймағы бар осындай кристалл бейнеленген. Бұл жағдайда, АБ ауысу аймағындағы өріс жасаған, n – аймақтағы кемтіктердің диффузиялық ағыны, р – аймақтағы кемтіктердің қарсы ағынына тең. Бұл айтылғандар қарсы ағатын электрондарға да қатысты, сондықтан кристалда ток болмайды.
5.2. Транзисторлар
Жоғарыда айтылған р-n ауысудың қасиетін, жартылай өткізгіштік триод немесе транзистор деп аталынатын, электрлік тербелістерді күшейткіштер жасау үшін пайдалануға болады.
Транзисторда кристалдың екі р – аймағы жіңішке n – аймағымен бөлінеді (26-сур.). Мұндай транзисторды р-n-р деп шартты белгілейді. n- р- n – типті транзистор да жасауға болады, яғни кристалдың екі n – аймағы жіңішке р – аймағымен бөлінеді.
ҚОРЫТЫНДЫ
Өткізгіштер мен диэлектриктерден басқа, өткізгіштігі олардың аралығында жататын бір топ заттар бар. Бұл заттарды жартылай өткізгіштер деп атайды. Өткізгіштерден жартылай өткізгіштердің ең басты айырмашылығы, олардың электр өткізгіштігінің температураға тәуелділік сипаты арқылы. Өлшеулердің көрсетуі бойынша бірқатар элементтердің (кремний, германий, селен және басқалар) және қоспалардың (РвS, CdS және басқалар) меншікті кедергісі температура артқан сайын, металдардағы сияқты артпайды, керісінше, төтенше кенет төмендейді.
Жартылай өткізгіштердің өткізгіштігінің механизмін, оның ішкі құрылысы арқылы түсіндіруге болады. Мысалы, кремний – төрт валенттік элемент. Бұл атомның сыртқы қабатшасында, ядромен әлсіз байланысқан, төрт электрон бар екендігін білдіреді. Кремнийдің әрбір атомының жақын көршілерінің саны да төртке тең. Көрші атомдар жұбының өзара әсерлесуі электрондық жұптар байланысының көмегімен іске асады, мұны коваленттік байланыс деп атайды.
