Қатты дененің физика элементтері

Егер  а  және  б  нүктелері аралығындағы кернеу жоқ болса,  n-р ауысуындағы ток өте аз болады,  а және  б қысқаштарында кернеу пайда болғаннан кейін бұл ток, сол жақтағы ауысудағы тура ток сияқты, үлкен болады. Осындай әдіспен, сол жақтағы р-n  ауысуының көмегімен, оң жақтағы (жабық)  n-р ауысуындағы ток күшін басқаруға болады. Сол жақтағы ауысуды жаба отырып, оң жақтағы ауысуды токты тоқтатамыз;  сол жақтағы ауысуды аша отырып, оң жақтағы ауысудан өтетін ток аламыз. Сол жақтағы ауысудағы тура кернеуді өзгерте отырып, сол арқылы оң жақтағы ауысудағы ток күшін өзгертеміз.  р-n-р типті транзисторды күшейткіш ретінде пайдалану осыған негізделген.

Транзистордың жұмысында (27-сур.) оң ауысуға жүктеме кедергісі R  және  Б батареясының көмегімен, ауысуды жабатын, кері кернеу беріледі (ондаған вольт). Бұл кезде ауысу арқылы өте аз кері ток жүреді, ал батареяның  Б  барлық кернеуі  n-р ауысуына түседі. Жүктемеде кернеу нольге тең болады. Егер сол жақтағы ауысуға енді аздаған тура  кернеу   берілсе,  онда  ол   арқылы

27 – сур.

аздаған тура ток жүре бастайды. Дәл осындай ток, жүктеменің  R  кедергісіне кернеудің түсуін жасай отырып, оң жақтағы ауысу арқылы да аға бастайды. Бұл кезде n-р ауысуындағы кернеу кеми бастайды, өйткені батареяның кернеуінің бір бөлігі енді жүктеме кедергісіне түседі.

Сол жақтағы ауысудағы  тура кернеуді арттырған кезде оң жақтағы ауысу арқылы өтетін ток  көбейіп, жүктеменің  R  кедергісіндегі кернеу өседі. Сол жақтағы р-n  ауысуы ашық болған кезде, оң жақтағы n-р ауысуынан өтетін ток, батареяның  Б кернеуінің едәуір бөлігі жүктеменің  R  кедергісіне түсетіндей, үлкен шамаға ие болады.

Сонымен, сол жақтағы  ауысуға, вольттің бөлігіне тең тура кернеу бере отырып, жүктеме арқылы үлкен ток алуға болады, және де оған түскен кернеу батареяның  Б  кернеуінің едәуір бөлігін құрайды, яғни ондаған вольт. Сол жақтағы ауысуға берілген кернеуді вольттің жүзден бір бөлігіндей өзгерте отырып, жүктемедегі кернеуді ондаған вольтқа дейін өзгертеміз. Осындай әдіспен кернеу бойынша күшейтуді алады.

Транзисторда мұндай жалғастыруда ток бойынша күшейтуді алуға болмайды, өйткені оң жақтағы ауысу арқылы жүретін ток, сол жақтағы ауысу арқылы жүретін токтан, оның үстіне, аздап аз болады. Бірақ кернеудің күшеюіне байланысты мұнда қуаттың күшеюі болады. Ең соңында қуат бойынша күшею энергия көзінің  Б  есебінен болады.

Транзистордың жұмысын плотинаның әсерімен салыстыруға болады. Тұрақты көздің (өзеннің ағысы) және плотинаның көмегімен су деңгейінің құламасы жасалынады. Қақпаның вертикаль орын ауыстыруына өте аз энергия жұмсай отырып, біз үлкен қуатты су ағынын басқара аламыз, яғни қуатты тұрақты көздің энергиясын басқарамыз.

n-p-n типті транзистордың жұмысы,  p-n-p  типті транзистордың жұмысына мүлтіксіз ұқсас, тек ауысудағы кернеу кері полярлығы болады (28-сур.) және транзистордағы ток негізінен электрондардан тұрады.

28 – сур.

Өткізу бағытында қосылған ауысу (суретте – сол жағы) эмиттерлік, жабылу жағындағы ауысу (суретте  – оң жағы) – коллекторлық деп аталынады. Ортаңғы аймақ база, сол жақтағы – эмиттер, ал оң жақтағы коллектор деп аталынады. Базаның қалыңдығы миллиметрдің тек бірнеше жүздеген немесе мыңдаған бөлігін құрайды.

Транзистордың қызмет ету  мерзімі және оның экономдылығы, электрондық шамдарға қарағанда көп есе артық. Транзистор деген сөз, trasfer – ауыстыру , resistor – кедергі деген ағылшын сөздерінен құралған.

Қазіргі техникада транзисторлар  ерекше кең таралды. Олар көптеген ғылыми, өндірістік және үй-тұрмысындағы аппаратуралардың электрлік тізбектерінде электрондық  шамдарды алмастырады. Осындай құралдарды пайдаланатын, портативті радиоқабылдағыштарды күнделікті өмірде транзисторлар деп атайды. Мұндай транзисторлардың электрондық шамдармен салыстырғанда артықшылықтары, ең алдымен көп энергия қабылдайтын және оның қызуы үшін уақыттың қажет болатын жарқырап қызатын катодтың болмауы. Мұнан басқа бұл құралдар өлшемдері және массасы бойынша, электрондық шамдарға қарағанда ондаған және жүздеген есе кіші. Олар төменірек температурада жұмыс істейді.

Транзистордың кемшілігі, жартылай өткізгіштік диодтардың кемшілігімен бірдей. Олар температураның көтерілуіне, электрлік асқын жүкке және күшті  көктеп өтуші сәулеленуге өте сезімтал.

Енді  n-p-n – типті транзистордың жұмысын зоналар теориясы бойынша түсіндірейік. 29 – суретте күшейту тізбегіне жалғасқан осындай транзистор көрсетілген. Эмиттер – база  ауысуына  тура    бағытта   тұрақты   ығыстырушы

                    

                                                              29 – сур.

кернеу   U_э  беріледі, ал база – коллектор ауысуына кері бағытта тұрақты ығыстырушы кернеу U_к  беріледі. Айнымалы күшейтілетін кернеу  U_кір  аз шамадағы кіріс кедергісіне R_кір  беріледі. Осы көрсетілген жалғасуда ығыстырушы кернеулердің таңбасында, эмиттер – база ауысуының кедергісі улкен емес, ал керісінше, база – коллектор ауысуының кедергісі өте үлкен. Бұл  R_шығ  шамасын өте улкен етіп алуға мүмкіндік береді.

30 – суретте, ығыстырушы кернеулер және кіріс сигналы жоқ жағдайдағы, электрондардың (тұтас сызық) және кемтіктердің (үзінді сызық) потенциалдық энергияларының жолы көрсетілген. Тура кернеуді  U_э  қосу, бірінші ауысудағы потенциалдық бөгетті төмендетеді, ал кері кернеуді қосу екінші ауысудағы потенциалдың бөгеттегі потенциалдық бөгетті өсіреді (30-сур.,б).  Эмиттер тізбегіндегі  токтың  жүруі   электрондардың   база   аймағына

өтуімен қоса жүреді. Базаға еніп кеткен электрондар коллектор бағытына қарай еріксіз диффузияланады. Егер базаның қалыңдығы үлкен болмаса, барлық

                         

                                                    30 – сур.    

                                             

дерліктей электрондар, рекомбинация жасауға үлгіре алмай, база – коллектор шекарасында  тұрған потенциалдық төбешіктен «дөңгелеп» түседі де, коллектор тізбегіне келеді.

Эмиттер тізбегіндегі кіріс  кернеуге тәуелді  І_э  тогының өзгеруі коллекторға енетін электрондар санының өзгеруіне алып келеді, демек, коллектор тізбегіндегі  І_к  токты дәл осындай өзгеріске ұшыратады.   Айталық,

І_к  ≈ І_э  болсын. Бұл токтарды сәйкес кернеулер және кедергілер арқылы өрнектеп, мына қатынасты аламыз  U_кір / R_кір ≈ U_шығ / R_шығ. Мұнан

 

                                          .   

                                

R_шығ >> R_кір  болғандықтан,  U_шығ кернеуді кіріс кернеуден U_кір  едәуір артық болады. Сонымен, транзистор кернеу мен қуатты арттырады. Құралдан алынған жоғарылатылған қуат, коллектор тізбегіне жалғасқан ток көзінің есебінен болады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

Кремнийдің  электрондық  жұптар байланысы жеткілікті түрде  берік және төменгі температура  кезінде үзілмейді. Сондықтан кремний  төменгі температурада электр тогын өткізбейді. Кремнийді қыздырған кезде бөлшектердің кинетикалық энергиясы артады да, жеке байланыстардың үзілуі басталады. Кейбір электрондар өзінің байланыста тұрған кезіндегі орбитасынан ауытқып еркін күйге көшеді. Электр өрісінде олар тордың түйіндерінің арасында қозғалып, электр тогын тудырады.

Жартылай өткізгіштердің, онда еркін электрондарының болуы  салдарынан өткізгіштігін, электрондық өткізгіштік   деп   атайды.   Байланыс үзілген кезде электрон жетіспейтін бос орын пайда болады. Оны кемтік деп атайды. Кемтікте, басқа қалыпты байланыстарға салыстырғанда артық оң заряд болады. Кристалда кемтіктердің орны тұрақты болып қалмайды. Атомдардың байланысын қамтамасыз ететін бір электрон, пайда болған кемтікке секіріп көшіп орналасады, ал ол электронның тұрған орнында жаңа кемтік пайда болады. Сонымен, кемтіктер бүкіл кристалл бойымен орын ауыстыруы мүмкін. Электр өрісі болған кезде кемтіктердің реттелген орын ауыстыруы болады, сонымен еркін электрондардың электр тогына, кемтіктердің орын ауыстыруымен байланысты электр тогы қосылады. Кемтіктердің қозғалыс бағыты электрондардың қозғалыс бағытына қарама қарсы. Сонымен, жартылай өткізгіштерде зарядты тасымалдаушылардың екі типі болады:  электрондар және кемтіктер. Демек жартылай өткізгіштер электрондық өткізгіштікпен бірге кемтіктік өткізгіштікке ие болады. Бұл өткізгіштік механизмі таза жартылай өткізгіштер үшін. Мұндай жағдайдағы өткізгіштікті жартылай өткізгіштердің өзіндік өткізгіштігі деп атайды.

Жартылай өткізгіштердің маңызды ерекшелігі, онда қоспалар болғанда, өзіндік өткізгіштікпен бірге қосымша – қоспалық өткізгіштік пайда болады. Қоспалардың концентрациясын өзгерте отырып, оң және теріс таңбалы зарядты тасымалдаушылардың санын едәуір өзгертуге болады. Мысалы, төрт валенттілік элементке бес валенттілік элемент атомдарын ендірсе, онда бір электронның атоммен байланысы нашарлайды. Ол атомнан оңай бөлініп шығып, еркін электронға айналады.

Электрондарын жеңіл  беретін, яғни еркін электрондардың санын көбейтетін қоспаларды донорлық қоспалар деп атайды. Донорлық қоспалары бар жартылай өткізгіштер электрондардың көп санына ие болатындықтан, оларды  n- типті жартылай өткізгіштер деп атайды. n- типті жартылай өткізгіштерде электрондар негізгі зарядты тасымалдаушыларға, ал кемтіктер – негізгі емес зарядты тасымалдаушыларға жатады.

Егер енді төрт валенттік элементке үш валенттік элемент атомдарын ендірсе, онда көрші атомдармен қалыпты электронды жұптық байланыс түзу үшін бір электрон жетіспей қалады. Осының нәтижесінде кемтік пайда болады. Кристалдағы кемтіктердің саны қоспа атомдарының санына тең. Мұндай текті қоспаны акцепторлық деп атайды.

Электр өрісі болған кезде кемтіктер өріс бойымен  орын ауыстырып, кемтіктік өткізгіштік  пайда болады. Электрондық өткізгіштіктен кемтіктік өткізгіштігі артық жартылай өткізгіштерді  р- типті жартылай өткізгіштер деп атайды. р- типті  жартылай өткізгіштерде негізгі зарядты тасымалдаушыларға кемтіктер, ал негізгі емес тасымалдаушыларға электрондар жатады.

р – және  n- типті жартылай өткізгіштердің түйісу аймағын р-n  ауысуы деп атайды. р-n  ауысудың ерекше қасиеті бар. Түйіскен кезде электрондар жарым-жартылай  n- типті жартылай өткізгіштен р- типті жартылай өткізгішке өтеді, ал кемтіктер – кері бағытта өтеді. Мұның нәтижесінде n- типті жартылай өткізгіш оң, ал  р- типті теріс зарядталады. Электрондар мен кемтіктердің мұнан әрі орын ауыстыруларын жалғастыра беруіне ауысу аймағында пайда болған электр өрісі қарсылық жасағанда диффузия тоқталады.

Егер  р-n  ауысуға,  р- типті жартылай өткізгіштің потенциалы оң, ал  n- типті жартылай өткізгіштің потенциалы теріс болатындай етіп тізбекке жалғастырса, онда  р-n  ауысу арқылы ток негізгі тасымалдаушылар есебінен жүреді :  n- аймақтан  р- аймаққа – электрондармен, ал  р- аймақтан  n- аймаққа – кемтіктермен. Осының салдарынан, барлық үлгіде өткізгіштік жоғары, ал кедергі аз болады. Бұл қарастырылған ауысу тура деп аталынады.

Егер потенциалды кері бағытта  түсірсе, онда тізбектегі ток едәуір аз болады. Бұл кезде электрондар  р- аймақтан  n- аймаққа қарай, ал кемтіктер -  n- аймақтан  р- аймаққа қарай жүреді. Алайда  р- типті жартылай өткізгіште еркін электрондар аз, ал  n- типті жартылай өткізгіште кемтіктер саны аз. Бұл кезде ауысу арқылы жүретін ток, сандары аз, негізгі емес тасымалдаушылар арқылы іске асады. Осының салдарынан үлгінің өткізгіштігі мәнсіз, ал кедергісі үлкен болады. Бұл ауысуды кері деп атайды.

р-n  ауысудың қасиетін айнымалы токты түзету үшін пайдаланады. Оған арнап жасалған құралдарды жартылай өткізгіштік диод деп аталынады.

Екі  р-n  ауысудан жасалған құралды транзистор деп атайды. Транзисторларды негізінен әлсіз кернеулерді күшейту үшін пайдаланады, оларды аз габаритті қабылдағыштарда, радиоқабылдаушы қондырғыларда электронды-есептеуші машиналарда пайдаланады.

Жартылай өткізгіштердің тағы бір қасиетіне, онда жарық сәулесінің әсерінен электр қозғаушы күштердің пайда болуы жатады. Оның бұл қасиетін жарық фотоэлементтерін жасау үшін пайдаланады.

ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ

 

1. Рывкин С.М. Фотоэлектрические  явления в полупроводниках. –   М.: 

      Физматгиз, 1963.

2. Роуз А. Основы теории фотопроводимости. –  М.: Мир, 1966.

3. Элементарный учебник  физики. Т. 2. Электричество и магнетизм/Под  ред. 

      Г.С.  Ландсберга. –  М.: Наука, 1967.

4. Сахаров Д.И., Блудов  М.И. Физика для техникумов. –   М.: Наука, 1967.

5. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов ІІІ и V

    групп. –  М.: Мир, 1967.

6. Жданов Л.С., Маранджян  В.А. Курс физики для средних  специальных  

      учебных  заведений. Ч. 2. Электричество. Оптика. Атомная физика. –  М.: