Бекітемін Физика кафедрасының меңгерушісі Косов В. Н. 2019 ж. «Атом, атом ядросы және қатты дене физикасы»
ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІНІҢ
жүктеу/скачать 5,44 Mb.
|
5 АТОМНАЯ ФИЗИКА КАЗ лаб 2019 дайын
- Бұл бет үшін навигация:
- Қажетті құрал-жабдықтар
| ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕРДІҢ ЭЛЕКТР ӨТКІЗГІШТІГІНІҢ
ТЕМПЕРАТУРАҒА ТӘУЕЛДІЛІГІ Жұмыстың мақсаты: Зертханалық электропеште металл және жартылай өткізгіш үлгілерін қыздырып, температурасын өзгерткен кезде үлгінің электрлік кедергісін тікелей өлшеу арқылы электрөткізгіштіктің өзгерісін зерттеу. Қажетті құрал-жабдықтар: Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігінің температураға тәуелділігін оқып-зерттеуге арналған қондырғы ФПК-07. Қысқаша теориялық мәліметтер Атомдарды кристалдық денеге біріктіргенде электрондар энергиясының деңгейлері маңызды өзгерістерге ұшырайды. Бұл өзгерістер ішкі, толтырылған қабықшалардан түзілген тереңде орналасқан деңгейлерге әсер етпейді. Бірақ сыртқы деңгейлер түпкілікті өзгеріске ұшырайды. Көрсетілген айырмашылықтар энергетикалық деңгейлердің тереңінде жатқан және бетіндегі электрондардың кеңістікте таралуына байланысты. Кристалдағы атомдар бір-біріне тығылысып орналасқан. Сыртқы электрондардың толқындық функциялары жасырын қалады, соның нәтижесінде бұл электрондар қоғамдастырылады, олар бірегей атомға емес бүкіл кристаллға жатады. Сонымен қатар ішкі электрондардың толқындық функциялары бір-бірімен мүлдем жабылмайды. Кристалдағы бұл атомдардың орындары олардың оқшауланған атомдардағы орындарынан айырмашылығы өте аз. Бір элементтің жеке атомдарының сәйкес деңгейлеріндегі энергиялары дәл бірдей. 1-суретте көрсетілгендей атомдар бір біріне жақындаған кезде бұл энергиялар ажырай бастайды. Энергетикалық деңгейлердің ыдырауы бір жиілікке келтірілген бірдей маятниктер немесе электрлік тербелмелі контурлар арасында байланыс пайда болғанда өтетін тербеліс жиіліктерінің ыдырауына ұқсас. «Ажыраған» деңгейлер жүйесі кристаллда рұқсат етілмеген зонамен бөлінген рұқсат етілген энергетикалық зоналар жасайды. Зоналардың ені атом аралық байланыс шамасымен анықталады және кристалдағы атомдар санына тәуелді емес. Сонымен қатар зонадағы деңгейлер саны атомдар санына тең бірдей және ондаған немесе бірнеше ондаған нөлдері бар сандармен суретеледі. Сонымен, деңгейлер арасындағы ара қашықтық елеусіз, сондықтан зонадағы жекеленген деңгейлердің орны туралы айтудың мағынасы жоқ. Дей тұрғанмен, деңгейлер саны анық мағынасын сақтайды, өйткені атомдар бір-біріне жақындаған кезде мүмкін болатын күйлердің саны, яғни күйлерді толтырып тұрған электрондар саны өзгермейді. Кристалдағы қоғамдастырылған электрондардың күйін сипаттайтын кванттық сандар оқшауланған атомдардағы электрондардың кванттық санымен ешқандай ортақтығы жоқ. Атомдарда электрондарға әсер ететін өріс центрлік өріс болып табылады, сондықтан импульс сақталады. Сондықтан импульс моменті квантталуға негізгі қызмет етеді: деңгейлер бір бірінен осы моменттің шамасы мен бағыты арқылы ажыратылады. Қатты денелерде электрлік күштер центрлік емес және импульс моменті жайлы айтудың қажеті жоқ. Криталдағы электр өрісінің негізгі айырмашылығы оның периодтылығы болып табылады. Электрондардың кванттық күйі импульспен (дәлірек айтсақ квазиимпульспен), яғни қозғалыстың жылдамдығымен және бағытымен ажыратылады. 1-сурет. a) Атомдар арасындағы қашықтық кішірейген кезде энергетикалық деңгейлердің ажырауы; б) Кристаллда энергетикалық зоналардың пайда болуы: тор атомдары арасындағы арақашықтық Кристалдардың өткізгіштігі электрондардың деңгейлерде таралуымен анықталады. Изоляторларда электрондар (валенттік зона деп аталатын) толтырылған зоналардың соңғысын жоғарысына дейін толтырады. Келесі – рұқсат етілген – зонада (өткізгіштік зонада) электрондар болмайды. Валенттік зона мен өткізгіштік зонаны бөліп тұрған рұқсат етілмеген зонаның ені үлкен болады, сол себептен қарапайым жағдайда электрондар оны «секіріп» өте алмайды. Кристалл симметриясына байланысты валенттік зонада орналасқан және қарама-қарсы жаққа қозғалатын электрондар саны бірдей болғандықтан кристалда электр тоғы болмайды. Өріс болған жағдайда да бірде бір электрон өз қозғалысын өзгерте алмайды (мысалы, «өріс бойымен» импульсін «өріске қарсы» импульспен), өйткені зонада бос энергетикалық күйлер жоқ. Металлдарда электрондар толтырылған зоналардың соңғысын жартылай толтырады және оларда бос күйлер бар. Өріс болған кезде электрондары осы күйлерді толтыра алады, бұл электрондардың «өріске қарсы» импульс алуымен бірдей және кристалл ток өткізеді. Жартылай өткізгіштерге төмен температурада изолятор болатын заттар жатады. Олар кәдімгі изоляторларға қарағанда рұқсат етілмеген зонасының ені кіші болуымен ажыратылады. Қалыпты температурада жылулық қозғалыс электрондардың бір бөлігін валенттік зонадан өткізгіштік зонаға лақтырады. Осы кезде электр өткізгіштік өткізгіштік зонада және валенттік зонада да пайда болады. Өткізгіштік зонада ол электрондардың бар болуымен анықталады (электрондық өткізгіштік). Валенттік зонада өткізгіштік бір бөлігі зона электрондарымен толтырылған бос күйлердің пайда болуы арқылы жүзеге асырылады (кемтіктік өткізгіштік). Жартылай өткізгіштердегі өткізгіштік шамасы өткізгіштік зонадағы электрондар және валенттік зонадағы кемтіктердің санымен анықталады (бұл сандар қоспасыз жартылай өткізгіштерде бір-біріне тең). Өткізгіштік зонада орналасқан электрондар саны бар болуы мүмкін деңгейлердің санын оларды толтыру ықтималдығына көбейткенге тең. Деңгейлердің толу ықтималдылығы Ферми функциясымен анықталады, ол біздің жағдайда қарапайым эеспонентадан айырмашылығы жоқ: (1) болғандықтан . (2) (2)-формулада өткізгіштік зонадағы энергия деңгейі, Ферми энергиясы деп аталатын қандай-да бір константа. Меншікті жартылай өткізгіштерде Ферми энергиясы рұқсат етілмеген зонаның ортасына жақын жатыр (2-сурет). Өткізгіштік зонадағы электрондар концентрациясы келесідей анықталады: , (3) мұндағы рұқсат етілмеген зонаның ені. Өріс болған кезде өткізгіштік зонадағы электрондардың көп бөлігі өріске қарама-қарсы бағытта қозғала бастайды. Электрондардың орташа жылдамдығы нөлге тең болмайды және өріс бойымен бағытталған. Сонымен қатар ең күшті өрістер үшін де формула (шарт) орындалады: . (4) мұндағы электрондар жылдамдығының орташа мәні, электр өрісінің кернеулігі, пропорционалдық коэффицент, нақты атауы электрондардың қозғалғыштығы. 2-сурет. Меншіктік өткізгіштіктің пайда болуын түсіндіретін (а) және донорлық пен акцепторлық деңгейлердің орналасуын көрсететін (б) энергетикалық зоналардың схемасы (3)-формуланы өткізгіштік зонадағы электрондар мен валенттік зонадағы кемтіктерге қолдана отырып, мынаны табамыз: , (5) электр тоғының тығыздығы. (5)-ке мәнін қоя отырып, мынаны аламыз: , (6) мұндағы экспонента алдындағы көбейткіш константасына ауыстырылған. меншікті өткізгіштікті температура функциясы деп өлшеп, нәтижені жартылайлогорифмдік масштабтағы графикте бейнелейік: . (7) (6)-формула графиктің түрі көлбеуі бар түзу сызық болу керектігін көрсетеді. (7)-дегі түзудің көлбеуі рұқсат етілмеген зонаның енін анықтауға мүмкіндік береді. Келтірілген мысалдар тек жартылай өткізгіштің өткізгіштігі электрондардың валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өтуі арқылы анықталғанда, яғни өткізгіштікке жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі үлес қосқанда ғана дұрыс. Төмен температураларда бұл әдетте білінбейді, өйткені жартылай өткізгіште әрқашанда қоспалар бар. Жартылай өткізгіштің тазалығына байланысты қоспалы өткізгіштік көп немесе аз үлес қосуы мүмкін. Ол меншікті өткізгіштің температуралық тәуелділігін бұрмалайды. Рұқсат етілмеген зонаның енін дұрыс анықтау үшін өлшеулерді температураның кең интервалында жүргізіп, өткізгіштіктің -ға тәуелділігі экспонента сипатында болатын бөлікті таңдау керек. Жартылай өткізгіштің өткізгіштігі әртүрлі әдістермен анықталуы мүмкін. Әдісті таңдаған кезде өлшеу нәтижелерін бұрмалауы мүмкін факторларды ескеру керек. Зерттелетін үлгінің өткізгіш сымдарымен контакт орындары аса қауіпті болып табылады. Контакт кедергісі зерттелетін үлгінің кедергісімен бірдей болуы мүмкін, мұндай жағдайда әрине өлшеулер қате болуы мүмкін. Контакт омдық болмауы мүмкін (контактының кедергісі токтың шамасына тәуелді) және температураға тәуелділігі күрделі болуы да мүмкін. Жартылай өткізгіштің металмен контактілерінде термо-Э.Қ.К. пайда болуы мүмкін, оның мөлшері температураға байланысты өзгереді. Бұл өзгеріс градусқа милливольт үлесіндейге дейін жетуі мүмкін. жүктеу/скачать 5,44 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|