№ 6 Дәріс конспектісі

Дәріс тақырыбы: Жоғары өтімділік материалдары. Асқынөткізгіштер және

криоөткізгіштер.

Жоғарғы өткізгішті материалдар. Кеңінен таралған жоғарғы өткізгішті материалдар ретінде мыс пен адюминийді жатқызуға болады.

Мыс. Өткізгіш материал ретінде кеінен қолдануды қамтамасыздандыратын мыстың артықшылығы келесілер: 1) аз меншікті кедергі (барлық металдардан тек күмісте мыстыңкіне қарағанда аз меншікті кедергі бар); жеткілікті жоғары механикалық беріктілік; 3) коррозияға қанағаттандыралық төзімділік (мыс ауада тіптім жоғары ылғалдылық кезінде де, мысалы темірге қарағанда едәуір баяау тұтқырланады; бірақ жоғары температура кезінде мыстың тұтылу жылдамдайды); 4) қалыңдығы миллиметрдің мың бөлігіне дейін болатын беттер, ленталарға, сымдарға өңделуі жақсы; 5) дәнекерлеу мен қайнату қатынасты түрде жеңіл.

М1 маркалы мыста 99,9% Cu, оттегі 0, 08% аспайтын 0, 1% қоспа бар. М0 маркалы мыста 0,05% қоспа бар, соның ішінде 0,02 % оттегі. Бұл марка ең жақсы механикалық қасиеттерге ие. М0 – ден жіңішке сым жасалуы мүмкін. Суық тарту кезінде қатты мысты алады, ол созылуы кезінде жоғарғы беріктілік шегіне, иілуі кезінде қаттылық пен серпімділікке ие.

Егер Cu қыздыратын болсақ, онда қаттылығы мен беріктілігі аз, бірақ ұзілу кезінде созылуы үлкен және меншікті өткізгіштігі едәуір үлкен (ММ) жұмсақ мысты аламыз. Бронзаның мысты балқымасы; таза мысқа қарағанда, арнайы құрамасы кезінде жоғарғы механикалық қасиеттерге ие болады.

Алюминий - тығыздығы аз (2.6 Мг/м³ жуық) жеңіл материал. Алюминий Cu –ға қарағанда 3,5 есе жеңіл. Алюминий мыспен салыстырғанда механикалық және электрлі қасиеттері төмен. Алюминийді балқытылған жағдайға өткізу үшін, мысқа қарағанда жылудың үлен шығынын қажет етеді. Көлденең қимасы мен ұзындығы бірдей кезде алюминий өткізгіштіктің электр кедергісі мыс өткізгішке қарағанда 1,6 есе көп. Сондықтан бірдей электр кедергісі кезінде алюминий өткізгіштің қимасы мыс өткізгішке қарағанда 1,6 есе көп болуы керек. Егер габариттері шектелген болса алмастыру қиынға түседі. Алюминий өткізгіш жуан болса да мысқа қарағанда екі есе жеңіл. Алюминий бірнеше маркаға бөлінеді: 1) А1 маркасы 0,5% аспайтын қоспа бар; 2) АВ00 маркасында 0,03% аспайтын; 3) ең жоғарғы алюминий АВ0000 маркалы құрамында 0,004% аспайтын қоспа бар. Алюминийді дәнекерлеу үшін, арнайы дәнекерлеу пастасы немесе ультра дыбысты дәнекерлеушілер қолданылады. Алюминий балқымалар жоғарғы механикалық беріктілікке ие.

Темір (болат) едәуір арзан металл, механикалық берікттілігі жоғары. Бірақ тіптім ең таза темірде меншікті кедергі жоғары болады (0,1 мкОм/м жуық). Болатты әуе желілері, электрлі темір жолдарының шиналары мен рельстері ретінде қолданылады.

Асқын өткізгіштер мен криоөткізгіштер. Температураны төмендету кезінде металл өткізгіштердің ρ меншікті кедергісі кемиді. Абсалютті нөлге жуықтайтын, өте төменгі (криогенді) температура кезіндегі металдардың электрөткізгіштігі үлкен қызығушылықты көрсетеді. Нидерланд физигі Х. Камерлинг – Оннес 1911 жылы гелийдің 4,2 К температурасына дейін салқындату кезінде мұздатылған сынаптан жасалған сақинаның кедергісі қте төмен мәнге дейін құлайды, ол мән тәжиірбе жүзінде өлшеуге мүмкін емес мән. Мұндай құбылыс, яғни затта тәжиірбе жүзінде шексіз меншікті кедергінің болуы, асқын өткізгіштік деп аталған, және Т_с – асқын өткізгішті өтудің температурасы, ал заттар – асқын қткізгіштер. Бұл өту қайтатын құбылыс болып табылады; Температураны Т_с дейін көтеру кезінде асқын өткізгіштік бұзылады және зат қалыпты жағдайға меншікті γ өткізгіштің соңғы мәнімен қалыпты жағдайға өтеді.Асқын өткізгіштік құбылысы, асқын өткізгіш контурына бір кезде бағытталған электр тоғы өзінің күшін жоғалтпай осы контур бойынша ұзақ (жылдар бойы) циркуляцияланады, және де сырттан ешқандай энергияны бермей ақ (әрине, егер берілген асқын өткізгіш материалы үшін тән асқын өткізгіш контуры температурасын Т_с мәнінен төмен ұстап тұратын салқындататын құрылғы жұмысына кететін энергия шығынын есептемесек); мұндай асқын өткізгіш контур тұрақты магнит сияқты қоршаған кеңістікте магнит өрісін тудырады.

Көптеген асқын өткізгіштер, тіпті 2-ші текті асқын өткізгіштер де өте төмен өту температурасына Т_с ие. Сондықтан, асқын өткізгіш құбылысы қолданылатын құрылғы сұйық гелиймен салқындату кезінде жұмыс істейді, ал ол қиын да қымбат. Т_с температурасы сутегі төмендеу температурасынан (20,3 К) жоғары болатын асқын өткізгіштерді алу жақсы болар еді. Қалыпты немесе едәуір жоғары температура кезінде асқын өткізгіштік жағдайын сақтайтын материалдар шексіз мүмкіндіктерді беретін еді. Едәуір жоғары Т_с барлық белгілі элементарлы асқын өткізгіштердің ішінде ниобийда бар, ал олардың ішінде кеңінен қолданылатыны – ниобий станиді Nb₃Sn. «Жылы» асқын өткізгіштерді ізде кеңінен жалғастырулыда.

Криоөткізгіштер. Қазіргі электро техникада кеңінен криоқткізгіш құбылысы қолданылады (бірақ асқын өткізгіш қалпына өтпейді). Осы қасиеттері бар металды криоөткізгіштер деп атайды.Криоөткізгіштердің физикалық негізі асқын өткізгіштердің физикалық негізіне ұқсамайды. Криоөткізгіштің - криогенді температурада металдардың қалыпты электр өткізгіші өте кіші,бірақ криоөткізгіштік р-ның соңғы мәні олардың ток тығыздығының рұқсат мәнін шектейді.Температураны өзгерткенде кен диапазонында р секірусіз біркелкіөзгеретін криоөткізгіштер тригердік эффектінде асқын өткізгіштің бар болуы және бұзылуына негізделген құралдарда қолданылмайды (мысалы жадыға жазатын асқын өткізгіштік құралдар). Криоөткізгіштік кезінде асқын өткізгіштің басқа да құбылыстары байқалады. Криоөткізгіштердің өте аз, бірақ ρ соңғы мәні олардағы жеткілікті тоқ тығыздығын шектейді. Температурасы кең диапазонда өзгеру кезінде ρ секкіріссіз бір қалыпты өзгеру кезіндегі криоөткізгіштер, әсерлері пайда болуы триггерлі эффектте және асқын өткізгіштіктің бұзылуына негізделген құрылғыларда қолданылмайды (мысалы, асқын өткізгішті есте сақтау құрылдғыларда). Криоөткізгіштік кезінде, Майснер – Оксенфельд эффектісі сияқты асқын өткізгіштер үшін спецификалық құбылыстар табылмайды.

Жартылайөткізгіштік жайлы жалпы мәліметтер. Электродты электр өткізгіші бар қалыпты температурада меншікті кедергісі өткізгіштің және диэлектриктің меншікті кедергісінің арасында жатқан үлкен топ заттарды жартылай өткізгішке жатқызуға болады. Жартылай өткізгіштердің электрлік өткізгіші сыртқы энергетикалық әсерінен және де әртүрлі қоспалардан кейбір жағдайда жартылай өткізгіші өз құрамында болатын қоспалардың өз мөлшеріне қатты тәуелді, сондай-ақ әртүрлі қоспалардан, кейкезде жеке жартылайөткізгіштің денсеінде болаты өте аз шамалардан да тәуелді болады Жартылай өткізгіштіктің электр өткізгіші температурамен, жарықпен, электр өріспен, механикалық күшпен басқару терморезистордың фоторезистордың сызықты емес резистордың (варистор) жұмысының негізіне салынған. Жартылай өткізгіштігі 2 типті электр өткізгіштігінің болуы электронды «(n) типті және кемтікті (р) типті, p-n өтуімен жартылай өткізгіш заттар алуға болады. Жартылай өткізгіштікте p-n өтуі бар болғанда жоғарғы қабат пайда болады, 2 немесе оданда көп өз-өзімен байланысқан өтулер басқарылатын жүйелер – транзисторлар – алуға болады. Р-n өтулер мүмкіндіктерін пайдалануы негізінде электротехникада жартылай өткізгіштіктердің ең маңызды қолданылуы жүреді. Жартылай өткізгіш жүйелері энергияның әртүрлі түрлерінің түрлерінің электрлік токтың энергиясына түрлене алады, олардың түрлендіру коэфиценті жартылай өткізгіштің басқа түрінен салыстыруға келетіндей мүмкіндік береді. Ол кейде олардан асады (мысалы: жартылай өткізгіш түрлендіргіші «күндік батарея» КПД-сы 11% ретті). Жартылай өткізгіш көмегімен бірнеше ондық градусқа суытудан алуға болады. Практикада қолданылатын жартылай өткізгіш материалдар қарапайым жартылай өткізгіштің химиялық қосылыстар және жартылай өткізгіш комплекстер болуы мүмкін. Әйнек тәрізді және сұйық жартылай өткізгіш түрлеріне бөлінуі мүмкін. Қарапайым жартылайөткізгіштік он шақты түрі бар, олар кестеде көрсетілген. Жартылайөткізгіштер көмегімен оншақты градусқа салқындатуды алуға болады. Тәжірибеде қолданылатын жартылайөткізгішті материалдар қарапайым өткізгіштерге бөлінуі мүмкін (элементтер); жартылайөткізгіштіхимиялық қоспалар және жартылайөткізгішті комплекстер (мысалы, керамикалық жартылайөткізгіштер); шыны тәрізді және сұйық жартылайөткізгіштер. Қарапайым жартылайөткізгіштер шамамен оншақты, олар кестеде келтірілген. Қазіргі техникада маңызды орынды германий, кремний және селен алады.

1 Кесте

Қарапайым жартылайэлектрөткізгіштер

Элемент	Менделеев кестесіндегі топ	Тиым салынған аумақ ені, эВ	Элемент	Менделеев кестесіндегі топ	Тиым салынған аумақ ені, эВ
Бор В	III	1,1	Мышьяк As	V	1,2
Кремний Si	IV	1,12	Сера S	VI	2,5
Германий Ge	IV	0,72	Селен Se	VI	1,7
Фосфор P	V	1,5	Теллур Te	VI	0,36
Йод I	VII	1,25

Ескерту. Кейбір модификацияларда жартылайөткізгіш қасиеттері қалайыда (сұр), сурьмада және көміртегіде бар.

Жартылайөткізгішті материалдардан аспабтарды дайындау бір қатар жетістіктерге ие, оларға келесілер жатады:

ұзақ уақыт қызмет ету;

кішкентай габарит және салмақ;

конструкциясы қарапайым және сенімді, жоғары механикалық төзімділік (не боятся тряски и ударов);

электронды шамды ауыстыратын жартылайөткізгіш аспабтарда қызу тізбегі жоқ, тұтыну қуаты мен иннерттілігі аз;

5) массалық өндірісте экономикалық түрде тиімді.

Негізгі әдебиеттер 1. [230-268].

Қосымша әдебиеттер 2. [252-295].

Бақылау сұратары:

1. Өткізгіш материалдар.

2. Жоғары өткізгіштік материалдар. Өте жоғары өткізгіш және криоөткізгіш.

3. Жартылай өткізгіштер жайлы жалпы мәліметтер.

№ 7 дәріс конспектісі

Лекция тақырыбы: Жартылайөткізгішті материалдар. Жартылайөткізгіштердің электрөткізгіштігі. Жартылайөткізгіштердің электрөткізгіштігіне сыртқы факторлардың әсерлері. Жартылайөткізгіш қасиеттері бар элементтер.

Жартылайөткізгіштердің электрөткізгіштігі. Өзіндік жартылайөткізгіштер. Жартылайөткізгіштер үшін энергетикалық диаграммада кең емес тиым салынған аумақтың болуы тән. Элементтердің тиым салынған зонасының ені электрон-вольттарда кестеде келтірілген. Едәуір кеңінен өолданылатын жартылайөткізгіштер үшін ол 0,5 – 2,5 эВ құрайды.

5 сурет. Жартылайөткізгіштердің энергетикалық диаграммасына қоспалардың әсері: а - өзіндік жартылайөткізгіш; б – донорлы қоспасы бар жартылайөткізгіш, электронды электрөткізгіш (n-типті); в – акцептрлі қоспасы бар жартылайөткізгіш, тесікті электрөткізгіш (р-типті).

5,а суретте өзіндік жартылайөткізгіш үшін энергетикалық диаграмма келтірілген, яғни электрондар бос энергетикалық деңгейлер аумағына валентті аумақтардан ғана жеткізіле алады. Энергия деңгейлері бойынша электрондарды тарату а суретінде көрсетілген, ол валентті аумақта сәйкес келетін тесіктер санын құрып, өткізгіштік аумағына бірнеше электрондардың өткен кезінде қандай да бір температураға сәйкес келеді. әрбір қоздыру акті кезінде өзіндік өткізгіште бір уақытта қарамақарсы белгісі бар екі заряд тасымалдағыш құрылады, онда заряд тасымалдағыштардың жалпы саны өткізгіштер аумағында электрондар саны екі есе көп, яғни:

(16)

Электрондар және тесіктер концентрациясында i индексі дегеніміз зарядтардың өзіндік тасымалдағыштары екенін көрсетеді. Бізбен қарасытырылып отырған жағдайда меншікті өткізгіштік:

(17)

Дененің кезкелген температурасы кезінде қоздыру және рекомбенация процестерінің болуы нәтижесінде қоздырылған тасымалдағыштардың тепетеңдендірілген концентрациясы тағайындалады:

электрондардың:

(18)

тесіктердің:

(19)

мұндағы ∆ω – жартылайөткізгіштің тиым салынған аумақ ені; N_c – бос аумақтағы (өткізгіштік зонасында) жартылайөткізгіштің көлем бірлігіндегі энергетикалық деңгейлер саны; N_b – дәл сондай, бірақ валентті зонада. Коэффициент 2, әрбір деңгейде екі электронның болуы мүмкін екенін көрсетеді.

Электрондар мен тесіктердің қозғалғыштығы бірдей емес. Электрондар мен тесіктер жартылайөткізгіштердің кристалды тор өрісінде қозғалуы кезінде әртүрлі иннерттілікке ие болады, яғни олар эффекті массалармен ажыратылады m_n^*и m_p^*. Көптеген жағдайларда m_n^*< m_p^*. Осыдан жартылайөткізгіштердің өзіндік электрөткізгіштігі әлсіз артық электронды сипатқа ие.

Қоспалы жартылайөткізгіштер. Көптеген жартылайөткізгіш аспабтар үшін қоспалы жартылайөткізгіштер қолданылады. Сондықтан практикада, зардтың өзіндік тасымалдағышының елеулі концентрациясы мүмкін болатын едәуір үлкен температура кезінде пайда болатын жартылайөткізгіштер маңызды мәнге ие болады, яғни тиым салынған аумағы жеткілікті кең жартылайөткізгіштер. Температураның жұмыс интервалында зарядтың бос тасымалдағыштарын жеткізгіштер болып қоспалар жатады. Жаттекті жартылайөткізгіштер қоспалар болып жаттекті атомдар саналады. Бұдан басқа, қоспалар ролін кристалды тордың барлық мүмкін болатын дефектілері атқарады: бос түйіндер, торлардың түйін арасында қалған атомдар немесе иондар, торлардың пластикалық деформациясы кезінде пайда болатын дислокациялар немес ығысулар, микросызықтар және тағы басқалар. Егер қоспалы атомдар кристалды тор түйіндерінде болса , онда олар алмастыру қоспалары деп аталады, егер түйін арасында болса, онда – енгізу қоспалары деп аталады.

Донорлар. Сыртқы энергетикалық әсерлердің (жылу, жарық) болмаған кезіндегі, өткізгіштік аумақ жанында тиым салынған аумақта орналасқан толтырылған қоспалы деңгейлер. Бұл кезде қоспалы атомдардығ активация энергиясы негізгі жартылайөткізгіштің тиым салынған еніне қарағанда аз, сондықтан да денені қыздыру кезінде қоспа электрондарын қайта тасымалдау тор электрондарының қозуын озады. Бір бірінен жеке қоспа атомдарында туатын оң зарядтар локализацияланған түрде қалады, яғни кристал бойынша жүре алмайды және электрөткізгіштікке қатыса алмайды. Осындай қоспасы бар жартылайөткізгіш, валентті аумақтан өткізгіш аумаққа электрондардың өтуі арқасында пайда болған тесіктер концентрациясына қарағанда электрон концентациясына көп ие, және оны n-типті жартылайөткізгіш, ал электрондарды өткізгіш аумаққа жеткізетін қоспаларды – донорлар деп атайды.

Акцепторлар. Валентті зона аумағында негізгі жартылайөткізгіштің тиым салынған аумағында орналасқан басқа қоспалар толтырылмаған деңгейлерді енгізуі мүмкін. Жылулық қоздыру бірінші кезекте валентті аумақтан осы қоспалы деңгейлерге электрондарды лақтыратын болады. Атомдардың ортақтылығына байланыстфы қоспалы деңгейлерге лақтырылған қоспа электрондары электр тоғына қатыспайды. Мұндай жартылайөткізгіш, валентті аумақтан өткізгіш аумаққа өткен электрондар концентрациясына қарағанда тесіктер концентрациясына көп ие болады, және оны р-типке жатқызады. Жартылайөткізгіштің валентті аумағынан электронды басып алатын қоспаларды акцепторлар деп атайды.

Негізгі және негізгі емес заряд тасымалдаушылар. Берілген жартылайөткізгіште концентрациясы көп тасымалдаушылар негізгі, ал концентрациясы аз тасымалдаушылар негізгі емес болып аталады. Сондай ақ жартылайөткізгіште n-типті электрондар негізгі тасымалдаушылар, ал тесіктер – негізгі емес болады. Қоспалы электрөткізгіштік, қзіндікке қарағанда өзінің пайда болуына аз энергетикалық әсерді талап етеді (электрон-вольттың жүзден немесе оннан бір бөлігі), сондықтан жартылайөткізгіштің өзіндік электрөткізгіштігіне қарағанда едәуір төмен температура кезінде пайда болады.

Жартылайөткізгіштің электрөткізгіштігіне сыртқы факторлардың әсері. Заряд тасымалдауштар концентрациясының температуралық тәуелділігі. Температураның өсуі кезінде электрондардың тиым салынған аумақ арқылы өтуі салдарынан заряд тасымалдауыштар концентрациясының тез өсуі бақыланады. Атомды торы бар жартылайөткізгіштерде заряд тасымалдауыштардың қозғалғыштығы, ионды кристалдыларға қарағанда көп. Жартылайөткізгіштің меншікті кедергісін, келесідей табамыз:

, (20)

ω – қоспаның әртүрлі концентрациясы кезінде жартылайөткізгіштің қоспалы электрөткізгіштігінің активация энергиясы; ∆W – берілген жартылайөткізгіштің тиым салынған аумағының ені.

Температураны көтерумен байланысты жартылайөткізгіште бос электрондар саны өседі, ал температураны абсалютті нөлге дейін төмендетумен – тіптім нөлге дейін азаяды. Осындай түрде заттың электрөткізгіштігі әртүрлі температура кезінде елеулі түрде әрқалай болуы мүмкін. Термогенерация процесі – бұл валентті аумақтан болс аумаққа өтетін температураның көтерілуіне байланысты электрондар санының өсуі. Электрондардың бос жағдайға өту процесі кері құбылыспен ілеседі, яғни электрондардың валентті аумаққа қайтуы. Бұл процес рекомбенация деп аталады. Нәтижесінде тұрақты температура кезінде затта тепетеңдік пайда болады, яғни бос аумаққа өтетін электрондар саны валентті аумаққа қайтатын электрондар санына тең. Электрондарды бос жағдайға өткізу немесе тесіктерді (валентті аумақтан электрондар кеткеннен кейін босаған вакентті орын) құру үшін қажет энергияны тек жылу қозғалысы ғана емес басқа да энергия көздері де жеткізе алады: жарық, электрондар және ядролық бөліктердің ағыны, электронды және магнитті өрістер, механикалық әсерлер және басқалар. Жартылайөткізгіштердің электрөткізгіштігіне жарықтың әсері. Жартылайөткізгіштермен сіңірілетін жарық энегиясы, онда электрөткізгіштің өсуіне алып келетін зарядтар тасымалдаушылар шамасының көбеюіне алып келеді.

Фотоөткізгіштік – электромагнит сәулесі әсерімен электрөткізгіштіктің әсері. Электронның өткізгіш аумақтан валентті аумаққа бос деңгейге өту процесі тура рекомбинация деп аталады. Бұл кезде энергия айырмашылығы электромагнитті сәуле түрінде немесе кристалды тордың механикалық тербелісі түрінде көрсетіледі. Рекомбенациялық қақпан дегеніміз – бұл процестің бірінші сатысында тиым салынған аумақта тұрған электрон қақпанның бос деңгейімен алынады. Қақпан осындай жағдайда оған тесік жақындағанша болады – тесік жақындағанда рекомбенацияның екінші сатысы орындалады.

Жартылайөткізгіш қасиеттері бар элементтер. Германий. Жер қыртысында германийдің 7*10^-4құрамы бар. Германий құралдардың жұмыс істеу диапазоны -60 до +70⁰ С -ге дейін. Жоғары шекке температураны нөтергенде тура екі есе, ал кері тоқ үш есе өседі.

50-60°С-ға дейін суытқанда тікелей тоқ 70-75%-ке төмендейді. Германийден жасалған құралдар ылғалдылықтан қорғалуы керек . Ол түзеткіштер, транзистролар, фото құралдар, оптикалық линзалар мен фильтрлер жасау үшін қолданылады. Германийдің тиым салынған аумақ ені ∆W = 0,72 эВ.

Кремний. Жер қыртысында 26% бар. Диод, транзистор, фотоэлементтер және микроэлектрониканың қатты схемаларын жасауда негізгі элемент болып табылады . Температураның жоғарғы шегі тазалуа деңгейіне байланысты 120-200°С. Кремнийдің тиым салынған аумақ ені ∆W = 1,12 эВ.

Негізгі әдебиет 1. [268-310].

Қосымша әдебиет 2. [295-351].

Бақылау сұрақтары:

1. Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі.

2. Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігіне сыртқы факторлардың әсері.

3. Жартылай өткізгіш қасиеттері бар элементтер.