Жарты өткізгіштер. Электрондық эмиссия теориясының негіздері

Әрине бұл энергияның шамасы  тыйым салынған зонаның энергиясынан әлде қайда аз, яғни ЕD<<E. Сөйтіп, жай температуралардың өзінде де жылулық қозғалыс энергиясының өзі қоспа деңгейіндегі электрондарды өткізгіштік зонаға көтеру үшін жеткілікті.

Кристалдық торға қоспаның, мысалы индийдің (In) үш валентті атомын ендіруге болады. Бұл жағдайда толық ковалентті байланыс жасау үшін бір электрон жетіспейді. Бос орын пайда болады, бірақ төмен температураларда оның орны толмайды, өйткені оны толтырарлық электрондар жоқ. Температура көтерілген сайын валенттік байланыстарды үзетіндей қолайлы жағдайлар жасалады, ол өте жоғары температурада германийдің көрші атомдарындағы ковалентті байланыстарға қатысатын электрондары бос орынға ауысатынынан байқалады (41-сурет). Сөйтіп германий атомдарының валентті байланыстарының құрамында кемтік пайда болады. Бұл кемтік енді оң зарядты еркін тасушылар есебінде орын ауыстыра алады. Теріс таңбалы индий иондары кристалдық торлардың түйіндерінде қозғалмай тұра береді, өйткені олар германийдің көрші атомдарымен тығыз байланысқан. Осындай жартылай өткізгіште электр тобы кемтіктер қозғалысымен жасалады, сондықтан оның кемтіктік өткізгіштігі болады да, р-типтес (оң таңбалы) жартылай өткізгіш деп аталады.

Осы процестің механизмін зоналық теория бойынша түсіндірейік. Үш валентті индий атомын ендірудің нәтижесінде тыйым салынған зонаның төменгі жағында тағы да бір қосымша А деңгейі пайда болады. Бірақ бұл деңгей электрондармен толтырылған валенттік зонаның жоғары жағына орналасқан. Осы деңгейдің энергиясы ЕА=0,08 эВ тең болады да, мұны акцепторлық деңгей деп атайды. Бұл деңгейде электрондар заряд тасушылар ролін атқармайтын болғандықтан, заряд тасушылар тек валенттік зонада пайда болатын кемтіктер болып есептеледі.  

 

 

 

 

 

       

                                  

                 өткізігштік зона                                        өткізігштік зона       

 

                                                                                

                                                                                  

      Д                                           DЕД                                                                           

                                                                                                             DЕ

    EF                                                                     EF 

                                              DЕ           

                                                                                                                   DЕД

                                                        

 

               Валенттік зона                                          Валенттік зона                          

 

               

                    40-сурет                                                41-сурет                             

 

Lns         а + а -

                   Меншікті                

                    өткізгіштік                 j1      j2

                                    с                                                            в                               

 

                                                                                

               в                                                                   

       A1

   A2

қоспалы     EF1

                       өткізгіштік                       d

 

EF2

                                                                  1/Т

 

                            42 – сурет                                                     43- сурет

Іс жүзінде жартылай өткізгіштердің бәрінде де әр түрлі қоспалар бар. Алайда осы қоспа түрлерінің біреуі басымдау болады. Осыған байланысты жартылай өткізгіштер екі типке бөлінеді. Егер электрондық өткізгіштік басым болса, онда негізгі заряд тасушылар электрондар деп, ал егер кемтіктік өткізгіштік басым болса, онда негізгі заряд тасушылар кемтіктер деп саналады. Дегенмен, негізгілерге таңбасы қарама-қарсы зарядтар да, негізгі емес заряд тасушылар да түрлі жартылай өткізгіштерде маңызды роль атқарады. 42-суретте жартылай өткізгіштердің меншікті және қоспалы өткізгіштіктерінің температураға тәуелділіктері көрсетілген, яғни Ins~1/T. Мұндағы ab кесіндісі меншікті өткізгіштікті сипаттайды. Ал cd кесіндісі жартылай өткізгіштіктердегі қоспалы өткізгіштіктерді  көрсетеді. Онда негізінен қоспалы өткізгіштіктің заряд тасушылар консентрация-сының артуы температураның өсуіне байланысты артатындығын сипаттайды да, cd бөлігіндегі қоспадағы заряд тасушылар санының мүлдем азайғандығын көрсетеді.

Сонымен егер металдарда заряд тасушылар саны мен олардың энергиясы температураға тәуелді болмаса, жартылай өткізгіштерде заряд тасушылар саны және олардың энергиясы температураға күшті тәуелді болып, температура өскен сайын артып отырады.

5. Екі металдың  түйісуі. Зоналық теорияны екі металдың түйісу құбылысын түсіндіру үшін қолданайық. Мысалы, 1-және 2-металдар өзара түйісіп тұрсын және металдардың ұштары потенциалдары j1 және j2 ток көздерімен тұйықталсын (43-сурет). Сонда электрондардың шығу жұмыстары А1және А2 электрондармен толтырылған Ферми деңгейлерінің биіктіктері EF1 және EF2 болсын. Суреттен байқағанымыздай А1<A2 болатындықтан 1-металдағы Ферми деңгейі 2-металдікінен  биіктеу.

Олай болса, екі металдың түйіскен жерінде электрондар деңгейі биік металдан деңгейі төмен металға өтеді. Бұдан 1-металдың оң зарядталып, керсінше 2-металл теріс зарядталатынын байқаймыз. Осымен қатар оң зарядталған металдағы энергетикалық деңгейлердің төмендеп, ал теріс зарядталған металдағы энергетикалық деңгейлердің жоғарылағандығы байқалады. Сөйтіп осы процесс екі металдың деңгейлері Ферми деңгейіне жеткенде бір қалыпты күйге келеді.

Сонда ток көзімен тұйықталған металдардың ұштарындағы потенциал-дар айырымы мына өрнек арқылы анықталады:DU1=j1 -j2 =(A2–A1)/е (12.3)

Олай болса, осы DU1 мәні металдардың сыртқы түйісуінің потенциалдар айырымы деп аталады. Егер де түйісіп тұрған екі металдың Ферми деңгейлері әр түрлі болса, онда металдардың түйісу кезіндегі ішікі потенциалдар айырымын былайша анықтауға болады

                                    DU2=(EF1–EF2)/е                                     (12.4)

Осы ішкі потенциалдар айырымы кванттық теория бойынша түйісіп тұрған металдардағы заряд тасушы электрондар сандарына байланысты. Өйткені әр түрлі металдардың жылу өткізгіштігі мен электр тоғының өткізгіштігі әр түрлі болады. Бұл процесс металдардың қыздыру температурасына тәуелді. Сондықтан металдардың түйісу жерінде түйісу қабаты пайда болады. Осындай қабаттардың металдардағы қалыңдығы 10-10 м, яғни кеңістік торындағы атомдық жазықтардың аралығына шамалас екен. Ал екі металдың түйісуі кезінде бір-біріне диффузиялық әдіспен өтетін электрондар саны металдың бет жағындағы барлық электрондар санының небәрі 2%-ы ғана болады.

Жартылай өткізгіштер түйіскен кездегі процестер қандай өзгерісте болады, енді осыны қарастырайық.

Егер n-типтес және p-типтес екі жартылай өткізгіш түйісіп тұрсын, сонда ондағы электрондар мен кемтіктер бірінен екіншісіне ауысып диффузияланады. Сөйтіп, жартылай өткізгіштердің арасында түйісу потенциалдар айырымы пайда болады. Шындығында n-типтес жартылай өткізгіштердің электрондары p-типтес жартылай өткізгіштің шекаралық қабатына өтеді де, кемтіктермен бірігіп, рекомбинацияланады, яғни қоспаның теріс иондарын туғызады. p-типтес жартылай өткізгіштің шекаралық қабатында теріс иондар туғызған теріс заряд пайда болады. Ал n-типтес жартылай өткізгіштің қабатында да әлгіндей процесс қоспаның оң иондарынан пайда болған оң зарядты туғызады. Сөйтіп қос электр ²қабаты² (конденсатордың зарядталған астарлары тәрізді) пайда болады. Қос электр қабатының DEж электр өрісі белгілі бір шамаға жеткенде,ол электондар мен кемтіктердің ары араласуына бөгет жасайды. Бірақ осының нәтижесінде жартылай өткізгіштердің шекаралық аймақтарында негізгі заряд тасушылар азаяды, сондықтан бұл аймақтардың кедергісі үлкейеді. Сондықтан осы аймақтың жиыны жаппалы қабат деп аталады.

Осы жаппалы қабаттың Еж электр өрісін көбінесе түйісу өрісі деп атайды. Түйісу өрісі негізгі заряд тасушылардың қозғалысына бөгет жасайды да, негізгі емес заряд тасушылардың қозғалысына көмектеседі.

Егер p-типті жартылай өткізгішті батареяның оң полюсімен, ал n-типті жартылай  өткізгішті теріс полюсімен қоссақ, онда жартылай өткізгіштер ішінде Е¢ электр өрісі пайда болады (44,а-сурет). Осы өрістің күш сызықтары p-типті жартылай өткізгіштен n-типті жартылай өткізгішке қарай бағытталады. Бұл өріс түйісу өрісін нашарлатады. Сонда электрондар мен кемтіктер жартылай өткізгіштердің түйіскен шекарасына қарай бір-біріне қарсы қозғала бастайды да жаппалы қабатты негізгі заряд тасушылармен толықтырып, оның кедергісін кемітеді.

Шекаралық қабатта электрондар мен кемтіктер рекомбинацияланады, n-типті жартылай өткізгіштегі электрондардың кему есесін ток көзінің теріс полюсімен қосылған сымнан келетін электрондар толтырады, ал кемтіктердің азаю есесі электрондардың p-типті жартылай өткізгіштен ток көзінің оң полюсіне кетумен толады.

Олай болса, тізбек тұйық болған жағдайда осы айтылған процесс үздіксіз жүреді, сондықтан тізбекте үздіксіз ток болып тұрады. Бұл ток тура ток деп, ал оны шығаратын кернеуді тура кернеу деп атайды.

Кернеудің полюстерін өзгерткенде, яғни жартылай өткізгіштерге кернеуді кері бағытпен түсіре жартылай өткізгіштердің шекаралық қабатынан өтетін токтың шамасы кенет өзгереді.

Бұл жағдайда жартылай өткізгіштер ішіндегі сыртқы Е өрістің күш сызықтарының бағыты қарама-қарсы жаққа өзгереді. Сондықтан n-типті жартылай өткізгіш ішіндегі электрондар шекаралық қабаттан ток көзінің оң полюсіне қарай, ал p-типті жартылай өткізгіштегі кемтіктер ток көзінің теріс полюсіне қарай қозғала бастайды (44, б-сурет).

                                 Еж   Еж

           n-типті p-типті                                  n-типті p-типті

                           ++                                     

 

 

 - +  -

 +

 

Е сыртқы                             Е сыртқы

            а)                           44 - сурет                                б)

Негізгі заряд тасушылардың осылайша қозғалысынан шекаралық қабат кеңейеді де, оның кедергісі артады. Бірақ электрондар мен кемтіктердің қозғалысы ұзаққа созылмайды, өйткені жартылай өткізгіштер шекарасының екі жағында да көлемдік электр зарядтары лезде көбейіп шығады. Негізгі тасушылардың одан ары қозғалуына әлгі көлемдік зарядтар бөгет жасайды да, тізбекте ток болмайды.

Іс жүзінде кернеу кері бағытпен түскенде біршама ток-кері ток болады. Мұның себебі жылу процестерінің әсерінен жартылай өткізгіштер ішінде аздаған еркін электрондар мен кемтіктер пайда болады, әрине бұлар негізгі заряд тасушылар емес. Осы электрон мен кемтіктер аздау кері ток тудырады. Жартылай өткізгіштердің температурасы өскенде, кері ток артады. Бір жақты өткізгіштік қабілет тек жартылай өткізгіштердің шекаралық қабаттарында ғана емес, сонымен қатар жартылай өткізгіш пен металдың шекаралық қабатында да болады. Дегенмен, бұл жағдайда өткізу тетігі анағұрлым күрделірек.

Итальян физигі А.Вольта мына элементтерді Al, Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd реті бойынша бір-бірімен түйістіргенде алдыңғысы өзінен кейінгі металмен түйістіргенде оң зарядталатындығын анықтаған. Бұл қатар Вольта қатары деп аталады.  Вольта экспериментті түрде екі заңын тағайындады:

1. Түйісу потенциалдар айырымы тек түйісетін металдардың химиялық құрамынан және температурасынан тәуелді болады.
2. Тізбектей қосылған әр түрлі өткізгіштердің бірдей температурада түйісу потенциалдар айырымы аралық өткізгіштердің химиялық құрамынан тәуелді болмайды және шеткі өткізгіштерді тікелей жалғанан кездегі пайда болатын түйісу потенциалдар айырымына тең болады.

6. Термоэлектрлік құбылыстар. Вольтаның екінші заңына сәйкес, бірдей температурадағы бірнеше металдан тұратын тұйық тізбекте э.қ.к.-і пайда болмайды, яғни электр тогының қозуы болмайды. Бірақ түйісудің температурасы бірдей болмаса, онда тізбекте пайда болатын ток термоэлектрлік ток деп аталады. Термоэлектрлік токтың қозу құбылысы (Зеебек құбылысы), сондай-ақ онымен тығыз байланысты Пельтье және Томсон құбылыстары да термоэлектрлік құбылыстар деп аталады.

1. Зеебек құбылысы. Неміс физигі Т.Зеебек өзара тізбектей жалғанған, түйісу аралығында температуралары әр түрлі болатын әр текті өткізгіштерден тұратын тұйық тізбекте электр тогы пайда болатынын анықтады. Температуралы әр түрлі Т1 (түйісу А) және Т2 (түйісу В) екі металл өткізгіштен (1 және 2)  тұратын жапсырманы қарастырайық T1>T2 (45-сурет). Тұйық тізбекте көптеген металл жұптары үшін (мысалы, Cu-Bi, Ag-Cu, Au-Cu) электр қозғаушы күш түйісу орнында температуралар айырымына тура пропорционал: e=a(T1-T2). Осы э.қ.к. термоэлектр қозғаушы күш деп аталады. Зеебек құбылысы термодинамиканың екінші заңы на сәйкес келеді, өйткені бұл жағдайда ішкі энергия электр энергиясына айналады. Зеебек құбылысы температураны өлшеу үшін қолданылады. Ол үшін термоэлементтер және термопаралар қолданылады.