Ю., Ташкеева Г.Қ. Физикалық материалтануға кіріспе
жүктеу/скачать 5,26 Mb.
|
treatise13466
| § 2. Электрлік қасиеттер
Барлық дерлік материалдар белгілі бір дәрежеде электр тогын өткізеді, яғни электрөткізгіштікке ие. Осы тұрғысынан материалдар өткізгіштер, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер болып бөлінеді. Физикада металдар немесе бейметалдар болып бөлінуі материалдардың электрлік кедергісінің тәртібімен анықталынады: металдарда ол электрондық бұлттардың құрылымдалуымен және Т ® 0 К, r ® 0 кезінде анықталынады. Ол бейметалдарда, яғни жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде Т ® 0 К, r ® ¥ кезінде анықталынады. Электрфизикалық қасиеттері бойынша (меншікті электрлік кедергісі r) негізгі үлкен 3 топқа бөлінуі мүмкін: металдар: ρ = (10-6 – 10-4) ом*см, жартылай өткізгіштер: ρ = (10-4 – 1010) ом*см, диэлектриктер: ρ > 1010 ом*см. Бұл интервалдар шартты, әртүрлі факторлардың әсер ету салдарынан ρ мәнінің шекті мәні жабылып қалуы мүмкін. Жартылай өткізгіштердің меншікті электрөткізгіштігі металдар мен диэлектриктердің σ арасындағы аралық болып табылады. Материалдардың электр тогын өткізу қабілеттілігі мен мүмкіндігі негізгі жағдайда: химиялық байланыс түрімен, тыйым салынған аумақтың енімен, еркін заряд тасымалдаушылардың түрлерімен, концентрациясы және қозғалғыштығымен қамсыздандырылған. Электрлік қасиеттерін сипаттайтын негізгі параметрлер болып: меншікті электр өткізгіштік γ (Ом-1*м-1); меншікті электр кедергісі ρ (Ом*м); меншікті электр кедергісінің температуралық коэффициенті αρ (К-1) табылады. Меншікті электр өткізгіштігі γ ток тығыздығы ј (А/м2) осы токты тудыратын электрлік өрістің кернеулігін Е (В/м) байланыстырады, ол: ј = γЕ (1.1) (Ом заңының дифференциалдық формасы) тәуелділігімен беріледі. Меншікті электр кедергі - меншікті электрлік өткізгіштікке кері шама болып табылады: , (1.2) мұндағы, γ - меншікті электр өткізгіштігі, [γ] = [См/м], (См – Сименс). Ток тығыздығы ј токты тасымалдаушы зарядқа е, оның санына n және өрістің кернеулігіне: j = еnμЕ (1.3) қатынасымен байланысты. Мұндағы, μ - заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы, өріс бойымен бағытталған зарядталған бөлшектердің 1В/см кезіндегі дрейфтік жылдамдығына сандық тұрғыдан тең болады: [Е]= [1 В/см]), [μ] – [см2 / (В*с)]. Заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы химиялық байланыстардың түрінен тәуелді және әртүрлі заттар үшін 10-нан 105 [см2 / (В*с)] шектерде құбылып отырады. Электр өткізгіштің құрылымдық сезімталдылығы заряд тасымалдаушылар қозғалғыштығына құрылымдық шексіз мүмкіндіктің әсерінен туындайды. Материалдардағы заряд тасымалдаушылардың әртүрлі тектерінің бар болуынан (электрон, кемтік, ион) электр өткізгіштік: γ = Σ eniµi (1.4) формуласымен анықталынады, бұдан шығатыны, берілген материал түрінің заряд тасымалдаушылардың электр өткізгіштігі, олардың концентрацияларының электр өткізгіштігі олардың концентрациясы мен қозғалғыштығына тәуелді болып табылады. Заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы мынаған тең: µ= = (1.5) мұндағы m* – тасымалдаушылардың эффективті массасы; l – еркін жүру жолының ұзындығы; v – заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығының жылулық жылдамдығы; τ – еркін жүру жолының немесе релаксация уақыты. Онда: (1.6) яғни электр өткізгіштік заряд тасымалдаушылар концентрациясына, олардың қозғалғыштығына, еркін жүру жолына тура пропорционал болса, эффективті массасына кері пропорционал болады. Электронның еркін жүру жолының ұзындығы 10-6 < lсм< 10-5 және одан аз аймақтар шегінде табылады, атомдардың жылулық тербелуінің немесе атомдардың бей-берекет қозғалуларының әсерінен туындаған, матрицалықтан ерекшеленген (статикалық бұрмаланумен) атомдық радиуспен басқа текті атомдардың араласуынан туындаған кристалдық, иондық сүйеуіштері өрісінің периодтық потенциалдары барынша күшті. Бөлме температурасында азғындалмаған жартылай өткізгіштердегі электрондардың жылулық температурасы 10см/с-тең, ал металдарда, яғни электрондық газ азғындалған заттарда, жылдамдық шамамен ретке жоғары болады. Бұл жерден еркін электрондардың толқын ұзындығы де Бройль тәуелділігінен шығады: (1.7) Жартылай өткізгіштерде шамамен алғанда, 7*10-7 см, ал металдарда бір ретке аз болып, 5*10-8 см құрайды, яғни атомаралық қашықтықтағы сияқты реттіліктің мәні болып табылады. Бұдан шығатыны, электрондардың нүктелік дефектілер шашырауы металдарда, ұзартылған ақауларда (дислокацияда, аралық шекара мен дәндердің шегінде) – жартылай өткізгіштердегі өте күшті бейнеленген болуы керек. Физикалық табиғатына сәйкес заряд тасымалдаушыларды электр өткізгіштік түріне қарай негізгі: электрондық және иондық сияқты екі түрге ажыратады. Электрондардың электр өткізгіштігі таза электронды (металдарда), таза кемтікті және аралас, яғни электр өткізгіштік электрондар сияқты рөл атқарғанда, сондай-ақ кемтікті (жартылай өткізгіштер) иондық өткізгіштік катионды, анионды және аралас болуы мүмкін. Электронды электр өткізгіштігі қасиетке металдар, жартылай өткізгіштер және диэлектриктер ие болады. Диэлектриктерде электронды электр өткізгіштік тек өте жоғары кернеуліктер (ойылуға жақын) кезінде ғана байқалады. Ионды электр өткізгішті сұйық электролиттер және ионды кристалдардан (сілтілі-галоидты және т.б.) байқауға болады. Иондық электр өткізгіштің айтарлықтай маңызды ерекшелігі оның заттардың тасымалдануы арқылы өтуінен болып табылады. Электр өткізгіштік температураға, қысымға, сәулелендіруге, қоспа қосылуына тәуелді болып келеді. Жартылай өткізгіштердің әртүрлі әсер етулердің түрінен ұшқыр тәуелділігі оларда датчик сапасында кең көлемде қолданылуында жатыр. Жартылай өткізгіштерде температураның жоғарылауымен және басқа да әсер ету түрлерінің әсерінен заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығына металдардікіне әсер еткендей әсер етеді, бірақ сонымен қатар осы кезде тасымалдаушылар концентрациялары артады, тыйым салынған аумақтың ені және басқа да сипаттамалары өзгеруі мүмкін. Бұл өзгерістер жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісін заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығының өзгерісіне қарағанда күштірек әсер етеді. Сондықтан жартылай өткізгіштердегі меншікті кедергінің температураға тәуелділігі айтарлықтай күрделі сипатқа ие. Меншікті кедергіге ρ деформацияның әсері материал табиғатына, деформацияның серпімді немесе пластикалық түрлеріне тәуелді. Пластикалық деформация кезінде ρ меншікті кедергіге түр, концентрация және құрылымдық ерекшеліктердің таралу сипаттамасы әсер етеді. Серпімді деформация әсер еткендегі жартылай өткізгіштердің ρ өзгерісі – механикалық кернеуліктер датчиктерде қолданатын тензорезистивті эффектіні қамтамасыз етеді. Пластикалық деформация және сәулелендіру заряд тасымалдаушылардың концентрациясын ұлғайтып, сонымен қатар қозғалғыштықты төмендетеді, көбінде бірінші эффектіге болады да, ρ төмендейді. Тұрақты көлденең қимасы S, кедергіге R және ұзындыққа l ие заттар үшін ρ: (1.8) формуласы бойынша анықталынады Электр өткізгіштік теориясымен келісе отырып, γ: (1.9) фомуласымен өрнектелген болар еді, мұндағы q және m – сәйкесінше заряд тасымалдаушылардың заряды мен массасы (өткізгіштердегі электронның, жартылай өткізгіштердегі электрондар мен кемтіктердің, диэлектриктердегі иондардың); және λ – заряд тасымалдаушылардың еркін жүру жолының жылдамдығы мен ұзындығы; n – заряд концентрациясы, яғни көлем бірлігіндегі оның мөлшері. Меншікті электр өткізгіштіктің өзгерісі, сәйкесінше, меншікті электр кедергісінің өзгерісі реалды материалдарда концентрация мен заряд тасымалдаушылардың еркін жүру жолдарының өзгерісімен байланысты. Электр өрісінің әсерінен заряд тасымалдаушылар үдеуге ие болады, ал олардың жылдамдығы өріс кернеулігіне пропорционал болады: (1.11) Осыдан: γ =qnu. (1.12) Өткізгіштік аумағы Ес Е Тыйым салынған аумақ Валенттік аумақ жүктеу/скачать 5,26 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|