Жарты өткізгіштер. Электрондық эмиссия теориясының негіздері

Жарты өткізгіштер. Электрондық эмиссия теориясының негіздері.

Металдарда еркін заряд тасушылар электрондар болып табылады. Электрондар ретсіз, жылулық қозғалысқа қатысады, олардың орташа жылдамдығы v=Ö 8kT/p m –ге тең. Қатты немесе сұйық денелерден қызған кезде электрондардың бөлініп шығу құбылысы термоэлеткрондық эмиссия деп аталады.

Металл өткізгіштерге тән қасиет-оларда еркін электрондар саны өте көп. Осы еркін өткізгіш электрондар металл ішінде қай температурада болса да, тіпті абсолют нольде (0 К) де сақталады. Сөйтіп, металдың бірлік көлеміндегі электрондар саны (бөлме температурасында) 1022-1023–дей болады. Егер температура 1 К болса жылулық қозғалыс энергиясы kT ~ 10 эВ жуық, яғни бұл энергия зоналардағы көршілес деңгейлердің энергия айырымынан (»10-22) әлде қайда көп екен.

Жартылай өткізгіштердің металдан айырмашылығы, ең алдымен оларда кәдімгі температурада еркін электрондар саны металдікінен анағұрлым кем, яғни бірлік көлемде (бөлме температурасында) 1012-1013-дей еркін электрондары болады. Жартылай өткізгіштерде еркін электрондар саны аз болғандықтан, олардың меншікті кедергісі (r) үлкен болады.

Жартылай өткізгіштердің қатарына германий, кремний, селен, мыстың шала оксиді, күкіртті қорғасын және басқа көптеген заттар жатады.

Жартылай өткізгішті ток көзіне жалғап, оны қыздырсақ, біз ондағы токтың кенет артқанын байқаймыз. Ал ток жүріп тұрған металл өткізгішті қыздырғанда, ондағы ток кемиді. Олай болса, жартылай өткізгіштердің металдардан өзгешелігі олрдың кедергісінің температураға тәуелділігінде жартылай өткізгіштерді қыздырғанда еркін электрондардың саны кенет көбейеді. Егер жартылай өткізгішті жоғары температураға дейін қыздырса, оның мешікті кедергісі металдың меншікті кедергісіне жуықтайды. Егер қыздыру температурасы 0 К болса, онда жартылай өткізгіштік диэлектрикке айналады.

Демек, жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі температураға байланысты тез өседі де, олардың меншікті кедергісі (r) осыған сәйкес кемиді.

Ішінде қоспсы жоқ жартылай өткізгіштің өткізгіштігін меншікті өткізгіштігі деп атайды.

Абсолют нөл (О К) температурадағы жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі болмайды деуге болады, себебі бұл температурада жартылай өткізгіштердің ішінде еркін электрондар, яғни өткізгіште электрондар жоқ деген сөз. Сонымен жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі металдардікінен аз да, диэлектриктердікінен көбірек болады.

Жартылай өткізгіштер тобына Менделеев ашқан элементтер жүйесінің (IV,V,VI) тобындағыөGe, Si, As, Te, Se сияқты элементтер және де оксидтер, сульфидтер, сонымен қатар осылардың қорытпалары жатады.

Жоғары температурада металдардың өз бойынан едәуір мөлшерде электрондарды бөліп шығару құбылысын термоэлектрондық эмиссия құбылысы деп аталатындығын айттық. Бұл құбылыстың механизмін түсіндіретін болсақ, электрондардың энергия бойынша таралуы салдарынан, металл шекарасында болатын потенциалдық тосқауылдарды жеңуге жетерліктей біраз электрондар болады. Температура артқан кезде осындай электрондардың мөлшері кенеттен артады, сөйтіп, олардың шығу жұмысының шамасынан әлдеқайда артық болғандықтан, осы кезде термоэлектрондық эмиссия құбылысының еселік артқандығын байқаймыз.

Егер қызған металдан бөлініп шыққан электрондарды сыртқы электр өрісімен үдетсек, онда ток пайда болады. Осындай электрондық токты вакуумда шығарып алуға болады.Электрондық токтың күшіне қарап, қызған металдан шығатын электрондар саны туралы қорытынды жасауға болады.

Әдетте термоэлектрондық эмиссия құбылысын қарапайым екі электродты шам (диод) арқылы зерттеуге болады. Сонда анодтық токтың (I~U) анодтық керенуге тәуелділігін 1-суретте кескінделген сызықтармен көрсетуге болады. Осындай қисық вольт-амперлік сипаттама деп аталады. Осы анодтық токтың кернеуге тәуелділігін орыс физигі С.А. Богуславский (1883-1923) және американ физигі И. Ленгмюр (1881-1957) мына формула арқылы өрнектеді:

                        I = CU3/2                                     (1)

мұндағы С- пропорционалдық коэффициент электродтардың (катод пен анод) пішіні мен мөлшеріне, сол сияқты олардың өзара орналасуына тәуелді. Кейде бұл заңдылықты екіден үш заңдылығы деп те атайды.

Анодтық кернеуді (U) өсіре бастасақ, анодтық ток та біршама артады да, одан кейін қанша өсіргенімен ток шамасы тұрақты болып қалады. Анодтық токтың осы шамасын токтың қанығуы деп атайды. Бұл құбылысты түсіндіретін болсақ, алғашқы кезде Uа  кернеудің өсуіне байланысты токтың пропорционалды түрде өсу сызығы (Uа -а) барлық  электрондардың катодтан анодқа жететіндігін көрсетеді. Одан кейін электр өрісінің кернеулігін қаншалықты арттырғанмен электрондар электрондық бұлттан өте алмайды да термоэлектронды ток өткізбейді. Сол себепті ток (а-с) кесіндісіндей бірқалыпты болып қалады, оны қанығу тогы деп атайды. Осы қанығу тогы электрондық эмиссияны сипаттайды. Егер бірлік уақыт ішінде катодтың бірлік бетінен n электрон бөлініп шықса, онда қанығу тогының шамасы I = en болады.

Анодтық керену Uа = 0 болғанда катодтан ұшып шыққан электрондар оның айналасында кеңістік электрон бұлтын тудырады. Бұл бұлт катодтан ұшып шығатын электрондарды ығыстырып, біраз бөлігін кері қайтарады. Сонда да болса, электрондардың біршама бөлігі анодқа дейін ұшып жетеді, соның нәтижесінде анодта әлсіздеу ток пайда болады. Электрондардың анодқа келіп жетуін түгелімен тоқтату, яғни Ia ток нольге тең болу үшін катод пен анод арасында теріс кернеу болуы керек. Сондықтан, диодтың вольт-амперлік сипаттамасы 0-ден емес, координат басының біршама сол жағынан басталуы орынды (1-сурет).

 

 

 

 

 

 

1-сурет

 

Қазіргі кезде термоэлектрондық эмиссия құбылысы электрондар ағынын вакуумда пайдаланатын аспаптарда кеңінен қолданылады. Мысалы, электрондық шамдарда, рентген түтікшелерінде, электрондық микроскоптарда, электротехникада, радиотехникада, автоматикада, телемеханикада айнымалы токты түзету үшін, электрлік дыбыстарды күшейту үшін, электромагниттік тербелістерді генерациялау үшін т.б. қолданылады.

Газдар аса жоғары емес температурада және атмосфералық қысымға жақын қысымда жақсы оқшаулағыш (изолятор) бола алады. Кәдімгі жағдайда газ нейтрал атомдар мен молекулалардан тұрады және бос зарядтары (электрондары мен иондары) болмайды. Газдың қандай да бір бөлігінің молекулалары ионданғанда, яғни нейтрал атомдар мен молекулалар иондар мен бос электрондарға ыдырағанда электр тогын өткізе алады. Ол үшін газға ионизатор арқылы әсер ету керек. Газды ионизациялағанда атомның немесе молекуланың электрондық қабықшасынан бір немесе бірнеше электрондар бөлініп шығады да бос электрондар мен оң иондардың пайда болуына әкеліп соғады. Электрондар нейтрал атомдармен немесе молекулалармен бірігіп, оларды теріс иондарға айналдырады. Сонда ионданған газда оң иондар мен теріс иондар және бос электрондар болады. 

Газдар арқылы электр тоғының өтуі газ разряды деп аталады.

Газ разряды әртүрлі ионизаторлардың әсеріне болады: күшті қыздыру(өте жылдам қозғалатын молекулалардың соқтығысуының күштілігі соншалық, олар иондарға бөлініп кетеді), қысқа электромагниттік сәлелендіру (ультрокүлгін, рентген және g-сәуле шығару), корпускулалық сәулелендіру (электрондардың, протондардың және a-бөлшектердің ағыны) және т.б. молекуладан (атомнан) бір электронды бөліп шығару үшін қажетті энергия –иондану энергиясы деп аталады.

Газдың иондануымен қатар бір уақытта әрқашанда кері процесс-рекомбинация процесі жүріп отырады. Рекомбинация процесі кезінде оң және теріс иондар, оң иондар мен электрондар кездесіп, өзара бірігеді де нейтрал атомдар мен молекулалар түзеді. Ионизатор әсеріне неғұрлым көп ион пайда болса, солғұрлым рекомбинация процесі интенсивті өтеді.

Газдарда пайда болатын ток электродтарға берілген кернеуге байланысты болады. Мұны токтың газдағы вольт амперлік сипаттамасы деп атайды.

I 0 = qnV                                                (24)

Мұндағы q- ионның заряды, n – оң және теріс иондардың бірлік көлеміндегі саны.

   J   E

 

                           В                          С         

                   А       D 

Jқ 

 

        0                                                      U         

                             2-сурет

 

2- суретте газ арқылы  өткен ток шамасының берілген  кернеуден тәуелділігі берілген. Графиктегі ОА бөлігі Ом заңына сәйкес ток күшінің кернеуге пропорционал артандығын көрсетеді. Кернеуді одан әрі арттырғада Ом заңы бұзылады: ток күшінің артуы бәсеңдейді (АВ) соңында ток күшінің артуы мүлде тоқтайды (ВС). Мұндай жағдай сыртқы ионизатордың әсерінен бірлік уақыт ішінде пайда болған иондар мен электрондардың осы уақыт ішінде электродқа жетуі салдарынан болады. Нәтижесінде қанығу тогын (Jқ) аламыз, оның мәні ионизатордың қуаттылығымен анықталады. Соныменен, қанығу тогы ионизатордың иондау әсерінің өлшемі болып табылады.

Электродтар арасындағы кернеуді одан әрі арттыру кезінде алғашында ток күші баяу артады (CD бөлігі), одан кейін күрт артады (DЕ бөлігі).

Газ разрядының екі түрін атауға болады: өзіндік және өзіндік емес (тәуелді және тәуелсіз).

Егер газдың электр өткізгіштігі сыртқы ионизаторлардың әсерінен болса, онда газдардағы осы электр тогы өзіндік емес (тәуелді) газ разряды деп аталады.

Сыртқы ионизатордың әсерін тоқтатқаннан кейін де газда разрядтың сақталуы өздік (тәуелсіз) разряд деп аталады.

Тәуелсіз разрядтың газдың қысымынан, электродтардың құрылысынан, сыртқы тізбектің параметрлерінен тәуелді болатын төрт типі бар: солғын, ұшқын, доғалық және тәжді. Солғын разряд төмен қысымда пайда болады. Ұшқынды разряд атмосфералық қысымдағы газдың электр өрісінің үлкен мәнінде пайда болады. Ұшқынды разрядтан соң электродтар арасын біртіндеп жақындатса, разряд үздіксіз болаы да доғалық разряд пайда болады. Тәжді разряд-жоғары қысымда біртекті емес өрісте электродтарға маңында үлкен қисықтық бетті жоғарывольтті электр разряды.

Газ разрядтарының сипаты газ құрамына, қысымына және температурасына байланысты болады. Газ разрядының жәй, солғын, доғалық, ұшқынды және тәжді деген түрлері болады.

Газ разряды көбінесе газдың күшті иондануынан болады, яғни катод пен анодтың аралығындағы кеңістік көп мөлшерде иондар мен электрондарға толы болады. Осындай күшті ионданған газ газ разрядты плазма деп аталады немесе жай плазма деп атайды. 

 

§ 12. ҚАТТЫ ДЕНЕЛЕР ФИЗИКАСЫНЫҢ ЭЛЕМЕНТТЕРІ

1. Металдардың электр өткізгіштігі. Металдағы ток тасымалдаушылар. Металдарда еркін заряд тасымалдаушылар электрондар, яни металдың кристалдық торының иондарымен әлсіз байланысқан электрондар болып табылады. Электрондар ретсіз, жылулық қозғалысқа қатысады, олардың орташа жылдамдығы v=Ö8kT/pm–ге тең. Металл өткізгіштерге тән қасиет-оларда еркін электрондар саны өте көп. Осы еркін өткізгіш электрондар металл ішінде қай температурада болса да, тіпті абсолют нольде де сақталады. Сөйтіп, металдың бірлік көлеміндегі электрондар саны (бөлме температурасында) 1022-1023–дей болады. Егер температура 1К болса жылулық қозғалыс энергиясы kT~10эВ-қа жуық, яғни бұл энергия зоналардағы көршілес деңгейлердің энергия айырымынан (»10-22) әлдеқайда көп екен.

2. Қатты денелердің  зоналық теориясы туралы түсінік. Кристал-дардағы энергияның мүмкін болатын мәндері зоналарға топталады. Атомдар жақындаған сайын күшейе түсетін өзара әсер пайда болады. Барлық атом үшін бірдей болатын бір деңгейдің орнына өте жақын орналасқан, бірақ бір біріне дәл келмейтін бірнеше деңгей пайда болып, оңашаланған деңгейге ажыратылады да, зона түзіледі. Нашар ажырасқан деңгейлерден пайда болған төменгі зоналар электрондармен толықтырылады. Сөйтiп олар кристалда өздерінің атомдарымен берік байланысын сақтайды. Валенттік электрондар энергиясының рұқсат етілген мәндері кристалда аралықтармен бөлінген валенттік зоналарға бірігеді, ал осы аралықтарда энергияның рұқсат етілмеген мәндері болады.

өткізігштік зона                               

                                                                           өткізігштік зона

 

 

 

 

 

DЕ

                                           тыйым                                                              қабысқан

                                          салынған зона

                                           зона

 

 

Кемтік                                                                 Валенттік зона

электрондармен

толтырылған зона

 

     Таза металл                                               Қоспа металл

        34 – сурет                                                       35 - сурет

Бұл аралықтар тыйым салынған немесе рұқсат етілмеген электронсыз зоналар деп аталады.

Валенттік зона атомның негізгі күйінде валенттік электрондар болатын деңгейлерден пайда болады. Рұқсат етілген аса жоғарғы зоналар электрон-дардан бос болады, яғни бос зона (34-сурет) түзіледі.

Валенттік зонаны электрондар толық толтырмайды. Электр өрісінің электрондарға әсер етуінен туған қосымша энергия электронды бос жоғарғы деңгейге көшіруге жеткілікті. Сондықтан электрондар электр өрісінде үдетіліп, өрістің бағытына қарама-қарсы бағытта қосымша жылдамдыққа ие болады да, ток пайда болады. Кейбір жағдайда толтырылған зона мен толтырылмаған зоналар қабысып (мұндай заттарға Менделеев кестесіндегі Be,Mg,Ca,Zn жатады), олардың арасындағы тыйым салынған зона жабылады. Сонымен, энергетикалық деңгейлерінің осындай схемасы бар кристалдар-металдар болып есептеледі (35-сурет).