Атты денлердің (зондық) аймақтық теориясы

Кристалдағы энергияның мүмкін болатын мәндері аймақтарға топталады. Атомдар жақындаған сайын күшейе түсетін өзара әсер пайда болады. Барлық атом үшін бірдей болатын бір деңгейдің орнына өте жақсы орналасқан, бірақ бір біріне дәл келмейтін бірнеше деңгей пайда болып, оңашаланған деңгейге ажыратылады да аймақ түзеді.Нашар ажырасқан деңгейлерден пайда болған төменгі аймақтар электрондармен толтырылады, сөйтіп олар кристалда өздерінің атомдарымен берік байланысын сақтайды. Валенттілік электрондар энергиясының рұқсат етілген мәндері кристалда аралықтармен бөлінген валенттік аймақтарға бірігеді, ал осы аралықтарда энергияның рұқсат етілмеген мәндері болады. Бұл тыйым салынған немесе рұқсат ентілмеген электронсыз аймақтар деп аталады.

Валенттік аймақ атомының негізгі күйінде валентілік электрондар болатын деңгейлерден пайда болады. Рұқсат етілген аса жоғары аймақтар электрондардан бос болады, яғни бос аймақ (3,11.а-сурет) тұзейді.

Валенттік аймақты электрондар толық толтырмайды. Электр электронды бос жоғары деңгейде көшіруге жеткілікті. Сондықтан электрондар электр өрісінде үдетіліп, өрістің бағытына қарама-қарсы бағытта қосымша жылдамдыққа ие болады, ток пайда болады. Кейбір жағдайда толтырылған аймақ пен толтырылмаған аймақтар қабысып (мұндай заттарға Менделеев кестесінің ІІ тобындағы Ве, Мg, Ca, Zn жатады), олардың арасындағы тыйым салынған аймақ жабылады. Сонымен, энергетикалық деңгейлердің осындай сұлбасы бар кристалдар-металдар болып есептеледі (3,11.б-сурет).

Валенттік аймақтың деңгейлерінде түгелдей электрондар орналасқан. Электрондарды бос аймаққа өткізу үшін оның энергиясы тыйым салынған аймақтың (∆Е) енінен кем болмауы тиіс. Егер (∆Е) үлкен болмаса, онда жылулық қозғалыстың энергиясы ḱТ электрондардың бір бөлігін жоғары бос аймаққа көшіруге жеткілікті болады. Сонымен қатар валенттік аймақта электрондардың оның бос қалған жоғары деңгейіне көшуіне мүмкіндік туады. Сондықтан осындай зат электрондық жартылай өткізгіш деп аталады. 3,11.в, и-сурет.

а) б)

в) г)

Сурет 3,11

Егер тыйым салынған аймақтың ∆Е ені үлкен болса, онда жылулық қозғалыс бос аймақта электрондарды жеткізе алмайды. Мұндай кристалдар изолятор деп атайды (3,11.г-сурет).

Сонымен электр тоғы деп, аймақ көлемінде электронның өріс, әсерінен төменгі деңгейден жоғарғы деңгейге ауысуын айтады. Ол үшін аймақта иеленбеген деңгейлердің болуы қажет. Сөйтіп аймақта бос энергетикалық деңгейлердің бар болуы, өткізгіштің қажетті шарты болып табылады. Осындай толтырылмаған аймақтар (бос аймақ) өткізгіштік аймақ деп аалады.

3,11.в-г-суреттерден аймақтардың электрондармен толықтырылуы дәрежесіне қарай және тыйым салынған аймақтың енділігіне сәйкес өзгешеліктерін айқын білуге болады. Метал өткішгіштерге тән қасиет оларда еркін электрондар саны өте көп. Осы еркін өткізгіш электондар металл ішінде қай температурада болса да, тіпті абсолют нөлде (0 К) де сақталады. Сөйтіп, металдың бірлік көлеміндегі электрондар саны (бөлме температурасында) 10²²-10 ²³- дей болады. Егер температура 1К болса, онда жылулық қозғалыс энергиясы ḱТ-10^-4 эВ жуық, яғни бұл энергия зоналардағы көршілес деңгейлердің энергиясы айырымасынан (10^{– 22}) әлдеқайда көп екен.

Жартылай өткізгіштердің металдан айырмасы, ең алдымен оларда кәдімгі температурада еркін электрондар саны металдыкінен анағұрлым кем, яғни бірлік көлемде (бөлме температурасында) 10²²-10 ²³-дей еркін электрондар болады. Жартылай өткізгіштерде еркін электрондар саны аз болғандықтан, олардың меншікті кедергісі (ῥ) үлкен болады.

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

Жартылай өткізгішті тоқ көзіне жалғап, оны қыздырсақ, біз ондағы тоқтың кенет өскенін байқаймыз. Ал ток жүріп тұрған металл өткізгішті қыздырғанда, ондағы ток кемиді. Олай болса, жартылай өткізгіштердің металдардан өзгешелігі олардың кедергісінің температураға тәуелді-лігінде; жартылай өткізгіштерді қыздырғанда еркін электрондар саны кенет көбейеді. Егер жартылай өткізгішті жоғары температураға шейін қыздырса, оның меншікті кедергісі металдың меншікті кедергісіне жуықтайды. Мұның механизмі мынадай: жартылай өткізгіштердің валенттілік аймағы түгелдей электрондармен толған, ал тыйым салынған аймақтың ені онша үлкен емес, температура артуымен валенттік аймақтағы электрондардың бір бөлігін өткізгіштік аймаққа ауысады, ал төменгі аймақтағы босап қалған орындар кемтіктер деп аталады (3,11.г-сурет). Өткізгіштік және валенттілік аймақтарда электр өрісінен электрондар қосымша жылдамдық алады да, электр өткізгішті туғызады. Тыйым салынған аймақтың ені, яғни энергиясы ∆Е < 1 эВ. жуық. Егер қыздыру температурасы 0К. болса, онда жартылай өткізгіштік диелект-риктерге айналады.

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

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: