Ткізгіштігі және олардын түрлері

Электр өткізгіштігі жағынан өткізгіштер мен диелектриктердің аралығынан орын алатын материалдарды шала өткізгіштер деп атайды. Электр зарядтарын тасушылар болып табылатын (еркін) электрондардың болуы металл өткізгішке тән қасиет. Диэлектриктердің еркін электрондары жоқ, сондықтан да олар ток өткізбейді.

Шала өткізгіштердің басқа өткізгіштерден айырмашылығы олардың температураға, жарықталынуға, сығылуға, электр өрісіне және басқа себептерге тікелей тәуелді болатын электрондық ғана емес және де кемтіктік өткізгіші бар болатындықтан.

Екі көрші атомының бір орбитада ортақ қос электрон түзіп жасайтын химиялық байланысын коваленттік немесе қосэлектрондық байланыс деп атап, шартты түрде электрондарды қосып тұратын екі сызық арқылы белгілейді. Мысалы, германий Д.И. Менделеевтің элементердің периодтық жүйесіндегі төртінші тобының элементіне жатады да жоғары орбитасында төрт валенттік электрондары болады. Германийдың кристалында әрбір атом көрші төрт атоммен коваленттік байланыс жасайды. Қоспалары жоқ болса және абсолюттік нольге жақын температурада, германийдің кристалындағы атомдардың барлық валенттік электрондары өзара байланысқан және еркін электрондары жоқ, сондықтан да германийдің өткізгіштігі болмайды. Температура артқанда немесе сәулелендірілгенде электрондардың энергиясы өседі, бұл жағдай кейбір коваленттік байланыстардың бұзылуына және еркін электрондардың пайда болуына әкеп соғады.Бөлме температурасының өзінде сыртқы электр өрісінің әсерінен еркін электрондар орындарынан қозғалып,кристалда электр тоғы пайда болады. Еркін электрондардың қозғалысы себеп болатын электр өткізгіштік шала өткізгіштің элетрондық өткізгіштігі немесе п өткізгіштік деп аталады.

Еркін электрондар пайда болған кезде ковалентік байланыстарда электрон дармен толықтырылмаған бос орын «элетрондық кемтік» пайда болады.

Атомдарда электрондар энергетикалық деңгейлерге өтеді.Бұл кезде заряд тасымалданады,яғни денеде электр тогы жүреді.

Кристалда атомдардың валенттік электрондары жүретін энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты валенттік аймақ деп атайды.

Валенттік электрондардың жаңа энергетикалық деңгейлерін қамтитын аймақты өткізгіштік аймақ деп атайды. Өткізгіштік және валенттік аймақтардың арасында атомдардың өзара әсеріне және электронның өз атомымен әрекеттесуіне байланысты электрондар кіре алмайтын энергетикалық деңгейлер пайда болады. Осы электрондар кіре алмайтын энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты тыйым салынған аймақ деп атайды. Әр түрлі материалдар үшін тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені де әр түрлі болады. Мысалы:металдарда валенттік аймақ пен өткізгіштік аймақ түйісіп жатады да тыйым салынған аймақ болмайды. Сондықтан металл атомындағы валенттік электрондар электр өрісінің әсерінен өткізгіштік аймаққа өтіп немесе тіпті өз атомын тастап басқа атомдардың энергетикалық деңгейлеріне өтіп электр тоғын түзеді.

Диэлектриктерде тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені өте үлкен. Мұндай енді энергетикалық аймақты секіріп өту үшін электронға үлкен энергия жұмсау керек. Осы себепті де диэлектрик материал, онымен электр зарядының тасымалдануы болмайды, яғни тоқ жүрмейді.

Шала өткізгіштерде тыйым салынған аймақтың ені диэлектриктерге қарағанда енсіз болады: мысалы, германийда (Ge) 0,72 эв-те, силицийде (Si) 1,12 эв. Сондықтан электр өрісінің,жылудың,жарықтың немесе басқа бір энергия көзінің әсерінен қозған электрон валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа оңай өтіп электр тоғын тудырады. Валенттік аймақта,кеткен электронның орнында,бос энергетикалық деңгей қалады. Бұл бос энергетикалық деңгейге көршілес атомның электроны келіп орналасуы мүмкін. Сонымен, әуелі заряд тасымалдаушы қос бөлшек пайда болады:оның бірі өткізгіштік аймақтағы электрон болса,екіншісі валенттік аймақта пайда болатын кемтік деп аталатын бос энергетикалық деңгей. Бір кемтік электронмен толғанда,осы электрон кеткен жерде екінші кемтік пайда болады т.с.с. Ендеше кемтіктердің толу бағыты электрондардың жүру бағытына қарама-қарсы болғандықтан кемтікті оң зарядты бөлшек және ол қозғалып отырады деп есептеуге болады. Шала өткізгіштерде электрон-кемтік заряд тасымалдаушы қос бөлшектің пайда болуымен түзілетін электр өткізгішті өзіндік электр өткізгіштік деп атайды. Егер өткізгіштік аймақтағы электрон өз орнына қайтып келсе,онда кемтік жойылады да, заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегінің жойылуын олардың генерацияся деп атаса, ал электронның кемтікті толтырып, осының салдарынан электрон-кемтік қос бөлшегінің жойылуын олардың «рекомбинациясы» деп аталады. Электрон-кемтік қос бөлшектің пайда болу және жойылу мөлшері температураға байланысты. Температура өскен сайын шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі артады. Бірақ таза шала өткізгіштерде пайда болатын және жойылып отыратын электрон-кемтік қос бөлшектерінің саны өзара тең болатындықтан, заряд тасымалдаушылардың саны көбеймейді. Сондықтан таза шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі өте төмен, тіпті диэлектриктерге жақын болады. Ал, егер шала өткіштердің құрамында қоспа ретінде енген басқа элементтердің атомдары болса, онда олардың электр өткізгіштігі күрт өзгереді.

Шала өткізгіш элементтер (сицилий, германий, селен т.б.) негізінен төрт валентті. Міне осындай төрт валентті элементтердің кристалдық торларында, мысалы сицилий бес валентті элементтің, мысалы арсенийдің (As), атомы болса, онда арсенийдің төрт валентті электроны силицийдің төрт төрт валентті электронымен коваленттік байланыста болады да, ал бір электроны бос қалады. Осы байланыссыз қалған бос электрон қозатын болса,онда ол өткізгіштік аймаққа өтеді де, арсенийдің атомы оң ионға айналады. Ион қозғалып жүре алмайды, өйткені ол кристалдық торлардың түйіндерінде орналасқан және арсенийдің басқа атомдарымен алмаса да алмайды, өйткені олар бір-бірінен қашық орналасқан. Сондықтан мұндай шала өткізгіште электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен оларды электронды электр өткізгіштікті шала өткізгіштер деп аталады.Бес валентті қоспа элементтің артық электронының энергетикалық деңгейі өткізгіштік аймаққа оңай өтіп отырады. Мұндай артық электронды қоспаларды донорлар (donore-сыйлау деген латын сөзі) немесе донорлық қоспалар деп аталады. Шала өткізгіш ондағы электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен n-түрлі (negativus-теріс деген латынның 1-ші әрпі) шала өткізгіш деп аталады.

Енді төрт валентті силицийдің кристалдық торларында үш валентті индийдің атомы бар екен делік.

Мұнда силиций атомының үш валенттік электроны индийдің үш валенттік электронымен коваленттік байланыста болады, ал қалған бір электроны үшін кемтік пайда болады. Ол кемтікті басқа атомның электроны толтырыуы мүмкін. Бірақ оның кеткен жерінде тағы да кемтік туады. Сөйтіп шала өткізгіште оң зарядты кемтік жүріп отыратын электр өткізгіштік, яғни кемтікті өткізгіш пайда болады. Мұндай шала өткізгішті р-түрлі (латынша positivus- оң деген сөздің 1-ші әрпі) шала өткізгіш деп атайды. р-түрлі шала өткізгіштегі кемтік орналасқан энергетикалық деңгейлер валенттік аймақтың сыртында болатындықтан кемтікті энергетикалық деңгейге негізінен валенттік электрондар өтіп отырады. Мұнда қоспа элементті акцептор (acceptor-қабылдаушы деген латын сөзі) немесе акцепторлық қоспа деп атайды.

Сонымен қоспалы шала өткізгіштерде заряд тасымалдаушы негізгі бөлшектер электрондар мен кемтіктер болып табылады.

Варисторлар. Кернеуі өскен сайын кедергісі азаятын шала өткізгіштен жасалған резиторды варистор деп атайды. Варисторларды ұнтақ силиций карбидің байланыстырушы ретінде саз қосып, жоғары температурада күйдіру арқылы жасайды. Олардың конструкциясы негізінен шыбық немесе диск ретінде болады. Варисторлар электр тізбектерін немесе әр түрлі элементтерді асқын кернеуден сақтау үшін қолданылады. Кернеуге байланысты кедергісі өзгеріп отыратындықтан варистордың вольт-амперлік сипаттамасы қисық сызықты болады. Кедергінің өзгеруі силиций карбидінің кристалдарырың арасындағы нүктелік түйіспелердегі электр өрісінің әсерінен оның өткізгіштігінің өзгеруінен келіп туады. Мысалы, силиций карбидінің беттік потенциалдық тосқауылы аз да, ал тотық қабықшалары өте жұқа болғандықтан аз ғана кернеудің өзінде кристалдардың арасында күшті электр өрісі пайда болады. Осы өрістің әсерінен заряд тасушылар беттік потенциалдық тосқауылдан немесе тотық қабықшаларынан өтіп, электр өткізгіштігін түзеді. Үлкен кернеулерде токтың шамасы да үлкен болғандықтан кристалдар арасындағы нүктелік түйіспелер қызып, нәтижесінде шала өткізгіштің кедергісі азаяды. Варисторлардың негізгі параметрлерінің бірі бейсызықтық коэффициенті. Варистордың бейсызықтық коэффициенті деп оның статикалық кедергісінің динамикалық кедергісіне қатынасын айтады:

мұндағы: U,I – варистордың кернеуі мен тоғы. Варистордың бейсызықтық коэффициенті шамамен 2.6 аралығында жатады.

Терморезисторлар. Кедергісі температураға тәуелді өзгеріп отыратын шала өткіштен жасалған резисторды терморезистор деп атайды. Терморезисторлардың екі түрі болады: термистор және позистор. Температурасы өскен кезде кедергісі азаятын терморезисторды термистор деп, ал температурасы өскенде кедергісі артатын терморезисторды позистор деп атайды. Термисторлардың құрамына темірдің тотығы, никель, кобальт, титан кіретін шала өткізгіштен жасайды. Ал позисторларды цезий, лантан немесе нобий қосылған барийдің титанатынан жасайды. Терморезисторлардың негізгі сипаттамасы олардың кедергісінің температураға тәуелділігін көрсететін график – температуралық сипаттама болып есептеледі. Термисторлардың температуралық сипаттамалары әр түрлі болғанымен, олардың кедергілерінің температураға тәуелділігін мына өрнекпен жазуға болады:

мұндағы: k және β – термисторладың конструкциясына және құрамына байланысты коэффициенттер; Т – температура.

Бұл өрнек термисторлардың кедергілерінің температура өскен сайын экспоненциалдық заңдылықпен кемітетінін көрсетеді.

Термисторладың негізгі параметрі ретінде кедергінің температу-ралық коэффициенті алынады:

Термисторларда кедергінің температуралық коэффициенті – 0,03-0,06 шамасында болады.

Позисторлардың кедергісі температура өскен кезде әуелі аздап кемиді де кейін өсе бастайды: 70^-80ºС-қа дейін заряд тасымал-даушылардың көбеюі электр өткізгішті арттырады, ал температура 100ºС-тан асқан кезде зарядтардың броундық қозғалысы, металдардағы секілді, шала өткізгіштің кедергісінің көбеюіне әкеліп соғады.

Терморезисторлар температураны реттеу және өлшеу қызудан қорғау, өрттен сақтандыру аспаптарында қолданылады.

Фоторезисторлар. Кедергісі жарықталуынан тәуелді шала өткізгіштен жасалған резисторды фоторезистор деп атайды.

Фоторезисторларды ішкі фотоэффект құбылысы байқалатын кадмийдің, висмуттың, германийдің, силицийдің сульфидтерінен және селенидтерінен жасайды. Мұндай материалдарға жарық түскен кезде олардың атомдарында электрондар қозып, жоғарғы энергетикалық деңгейлерге ауысады. Осының нәтижесінде заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегі пайда болады да материалдың электр өткізгіштігі артады. Сондықтан шала өткізгіштің жарықталынуы артқан сайын оның кедергісі азаяды.

Фоторезисторлардың негізгі сипаттамалары болып оның жарықтық I=f(Ф) және вольт-амперлік I=f(U) сипаттамалары есептелінеді. Фоторезистордың жарықтық сипаттамасы деп кернеудің тұрақты мәнінде фототоқтың (І) жарық ағынын (Ф) тәуелділігін айтады (3,1-сурет). Жарық ағыны артқан сайын, яғни өткізгіштің жарықталынуы артқан сайын, оның фототоғы да артып отырады.

Фоторезистордың вольт-амперлік сипаттамасы деп жарық ағынының белгілі бір тұрақты шамасында (яғни Ф = const) фототоктың кернеудің (U) шамасынан тәуелділігін айтады (3,2-сурет). Егер жарықталынбаған фоторезисторға кернеу көзін жалғаса, онда фоторезистор арқылы қараңғылық тоғы деп аталатын азғана ток жүреді. Мұның себебі шала өткізгіште жарықталынбаған кезде де аздаған ток заряд тасымалдаушылардың болатындығында. Кейін фоторезисторға жарық түскен кезде кернеу көбейген сайын фототок та көбейеді. Бұл тәуелділік түзу сызық бойынша өзгеріп отырады.

Сурет 3,1. Фоторезистордың жарықтық сипаттамасы және графикалық шартты белгісі (2)

Сурет 3,2. Фоторезистордың вольт-амперлік сипаттамасы

Фоторезистордың үлесі интегралдық сезгіштігі, қараңғылық кедергісі және жұмыстық кернеуі оның негізгі параметрлері болып саналады.

Фоторезистордың үлесі интегралдық сезгіштігі (s) деп фототоқтың жарық ағыны мен оған түсірілген кернеудің көбейтіндісіне қатынасын айтады:

.

Фоторезистордың үлесі интегралдық сезгіштігін 2850 К дейін қызған шамнан жарықталынуы 200 лк болған кезде анықтайды. Әр түрлі фоторезисторлардың үлесі интегралдық сезгіштігі 1-600 мА/(В. лм) шамасында болады.

Фоторезистордың қараңғыдағы кедергісін 200 лк қылып шаммен жарықтандырып барып сөндіргеннен кейін 30 с өткен соң анықтайды. Осылайша қараңғыда өлшенген фоторезистордың кедергісін оның қараңғылық кедергісі деп атайды. Фоторезисторлардың қараңғылық кедергісі 10²-10¹⁰ Ом шамасында болады.

Фоторезисторлардың жұмыстық кернеуі ондағы шала өткізгіш материалдың ауданына және электрондардың ара-қашықтығына байланысты таңдалынып алынады.

Фоторезисторлар әр түрлі релелерде және бөлшектерді, бұйымдарды санау үшін қолданылатын аспаптарда пайдаланылады.

Тензорезисторлар. Кедергісі механикалық деформациясына байланысты өзгеріп отыратын шала өткізгіштен жасаған резисторды тензорезисторлар деп атайды.

Резисторлардың электр өткізгіштігі n немесе р-түрлі силицийден жасайды: кесек силицийді тілікшелерге кесіп, үстінің кедір-бұдырын тегістейді де электрод ұштарын дәнекерлейді.

Тензорезисторлардың рекеттік пары шала өткізгішке түсірілген сығу немесе созу күштерінің әсерінен оның кристалдың торшыл реттігінің бұзылуы нәтижесінде кедергісінің өзгеруіне негізделген.

Тензорезисторлардың негізгі сипаттамасы- деформациялы сипаттама деп шала өткізгіштің кедергісінің салыстырмалы өзгерісінің ΔR/R оның ұзындығының салыстырмалы өзгерісінің Δl/l тәуелділігін айтады (3,3-сурет).

Сурет 3,3. р-түрлі (2) тензорезисторлардың деформациялы

сипаттамалары мен графикалы шартты белгісі (3)

Тензорезисторлардың негізгі параметрлері олардың номинал кедергісі (R= 100-500 Ом) мен тензосезгіштік коэффициенті К деп кедергісінің салыстырмалы өзгерісінің оның ұзындығының салыстырмалы өзгерісіне қатынасын айтады:

Әдетте тензосезгіштік коэффициент – 150-ден +150-ге дейін мәндерге ие болады. Тензорезисторлар негізінен қатты денелердің деформациясын өлшеу үшін қолданылады.

Резисторлар кедергіні тоқ пен кернеуге байланысты өлшейтін құрал. Кернеу мен ток бар жерде кедергілер туындайды, кедергілер сызықты және сызықсыз түрлерге бөлінеді. Осы қасиетті жартылай өткізгіш құралдарына байланысты резистор кедергіге байланысты және оның жылуына байланысты терморезисторлар жарық кедергісіне байланысты.

Фоторезисторлар және физикалық қасиеттеріне туындаған бірнеше резисторлар түрлері бар. Жартылай өткізгішті резисторлар деп екі шықпадан тұратын жартылай өткізгішті құралдардың әртүрлі кедергілеріне оның кернеуіне температурасына жарық өткізгіштілігіне байланысты жасалған құралды айтады. Резисторлар кедергіні көп немесе аздап жіберетін құрал.

Жартылай өткізгіш резисторлардың түрлері мен классификациясы келесі кестеде көрсетілген.

Жартылай өткізгішті резисторлар сызықты және сызықсыз болып екі топқа бөлінеді (3,4.а-сурет).

Сурет 3,4.а

Электрлік қасиетіне байланысты температурада көп пайдаланы-латын резистор терморезистор ал жарыққа байланысты қолданылатын құрал фоторезистор және механикалық кернеулерге байланысты қолданылатын құрал тензорезистор деп аталады. Сызықты резисторлар кремний және арсенид галий (GaAs) және германий (Ge) сияқты қатты материалдардан жасалынады, сол материалдарда қоспалар аз болуы керек. Таза материалдарда жартылай өткізгіш құралдарында 10¹²-10¹⁴ дейін қолданылады,ол өте таза материал 10⁸-10¹⁰ болады.

Терморезисторлар. Жартылай өткізгіштің электрлік кедергісін температураға байланысты қолданылатын жартылай өткізгішті резистор немесе терморезистор деп аталады, ал температураға байланысты кедергінің көбеюін позистор деп атайды.

Терморезисторлардың температуралық сипаттама кестесі (3,10.б-сурет) немесе графигі.

Сурет 3,4.б

Терморезистордың температураға байланысты кедергілік теңдеуі:

.

Кедергінің терморезистор үшін температуралық коэффициенті:

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: