« Электрондық және өлшеу техникасының негіздері » пәні бойынша
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
ҚАЗАҚСТАН ИНЖЕНЕРЛІ-ПЕДАГОГИКАЛЫҚ ХАЛЫҚТАР ДОСТЫҒЫ УНИВЕРСИТЕТІ
« Радиотехника, электроника және телекоммуникация » кафедрасы
« Электрондық және өлшеу техникасының негіздері » пәні бойынша
5В071900 – «Радиотехника, электроника және телекоммуникация» мамандығының күндізгі, сыртқы және кешкі бөлім студенттері үшін
ЛЕКЦИ Я КОНСПЕКТ ІСІ
Кредит саны 3
Шымкент-2016 ж
Құрастырған: т.ғ.к., аға оқытушы Джолдасов Ш.К.
5В071900 – «Радиотехника, электроника және телекоммуникация» мамандығының күндізгі, сыртқы оқу түріндегі студенттері үшін «Электрондық және өлшеу техникасының негіздері» пәнінен лекция конспектісі.
Шымкент: ҚИПХДУ 2016, 129 бет.
Лекция конспекттері «Электрондық және өлшеу техникасының негіздері» пәнінің оқу жоспары мен бағдарламасының талартарына сай құрылып, курстың барлық қажетті мәліметтерін қамтиды.
Лекция конспекттері 5В071900 – «Радиотехника, электроника және телекоммуникация» мамандығының күндізгі, сыртқы және кешкі бөлім студенттеріне арналған.
Рецензент: т.ғ.к., Бегметов А. ҚИПХДУ.
«Радиотехника, электроника және телекоммуникация» кафедрасының мәжіліс кеңесімен қаралған. Хаттама № __ «___» _____ 20__ж.
«Инженерлі-техникалық» факультетінің әдістемелік комиссиясымен қаралған. Хаттама № __ «___» _____ 20__ж.
ҚИПХДУ -нің әдістемелік Кеңесімен ұсынылды
Хаттама № __ «___» _____ 20__ж.
Лекция 1.
Шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі және олардың түрлері.
1. Шала өткізгіштер туралы түсінік.
2. Шала өткізгіштердегі заряд тасмалдаушылар.
Атомдарда электрондардың белгілі-бір энергетикалық деңгейлерде ядроны айнала қозғалып жүретіні белгілі. Ең сыртқы энергетикалық деңгейдегі валенттік электрондар деп аталатын электрондар ядромен және өзінің атомымен әлсіз байланыста болады. Атомдар кристал түзген кезде осы валенттік электрондар көршілес атомдардың әсерінен ығысып, оларға ортақ энергетикалық деңгейлерді қамтитын энергетикалық аймақтарда қозғалып жүреді. Ал атом сырттан энергия қабылдаса, онда валенттік электрондардың энергиясы артып, атомдарға ортақ аймақтағы жоғарғы 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 (1,а-сурет).
Қозған валенттік электрондардың жаңа энергетикалық деңгейлерін қамтитын аймақты өткізгіштік аймақ деп атайды. Өткізгіштік және валенттік аймақтардың арасында атомдардың өзара әсерінен және электронның өз атомымен әрекеттесуіне байланысты электрондар жүре алмайтын энергетикалық деңгейлер пайда болады. Осы электрондар жүре алмайтын энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты тыйым салынған аймақ деп атайды.
1-сурет. Заттардың энергетикалық аймақтар схемасы; а)-атаулары;
б)-металдары; в)-шала өткізгіштерде; г)-диэлектриктерде.
Әртүрлі материалдар үшін тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені де әртүрлі болады. Мысалы, металдарда валенттік аймақ пен өткізгіштік аймақ түйісіп жатады (1, г-сурет), яғни тыйым салынған аймақ болмайды. Сондықтан металл атомындағы валенттік электрондар электр өрісінің әсерінен өткізгіштік аймаққа өтіп немесе типті өз атомын тастап, басқа атомдардың энергетикалық деңгейлеріне өтіп электр тогын түзеді.
Диэлектриктерде тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені өте үлкен (1, б-сурет). Мұндай енді энергетикалық аймақты секіріп өту үшін электронға үлкен энергия жұмсау керек. Осы себепті де диэлектрик материал тесілгенге дейін онымен электр зарядының тасмалдануы болмайды, яғни ток жүрмейді.
Шала өткізгіштерде тыйым салынған аймақтың ені диэлектриктерге қарағанда енсіз болады (1, в-сурет): мысалы, германийде (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 тогын тудырады. Валенттік аймаққа кеткен электронның орнында бос энергетикалық деңгей қалады. Бұл бос энергетикалық деңгейге көршілес атомның электроны келіп орналасуы мүмкін (2, а-сурет).
2-сурет. Таза (а), п-түрлі (б) және р-түрлі (в) шала өткізгіштердің
энергетикалық аймақтары мен заряд тасымалдаушылардың пайда болу схемалары.
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, ал екінші кемтік электронмен толғанда үшінші кемтік пайда болады, т.с.с. Ендеше, кемтіктердің толу бағыты электрондардың жүру бағытынан қарама-қарсы болғандықтан, кемтікті оң зарядты бөлшек және ол қозғалып отырады деп есептеуге болады.
Шала өткізгіштерде электрон кемтік заряд тасмалдаушы қос бөлшектің пайда болуымен түзелетін электр өткізгіштікті өзіндік электр өткізгіштік деп атайды. Егер өткізгіштік аймақтағы электрон өз орнына қайтып келсе, онда кемтік жойылады да, заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегі де жойылады. Егер заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегінің пайда болуын олардың генерациясы деп атаса, ал электронның кемтікті толтырып, осының салдарынан электрон-кемтік қос бөлшегінің жойылуын олардың рекомбинациясы деп атайды.
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 өткізгіштердің құрамында қоспа түрінде енген басқа элементтердің атомдары болса, онда олардың электр өткізгіштігі күрт өзгереді.
Шала өткізгіш элементтер (силиций, германий, селен т.б.) негізінен төрт валентті. Міне, осындай төрт валентті элементтердің кристалдық торшілтерінде, мысалы силицийдің (2,б-сурет) бес валентті элементтің, мысалы арсенийдің (As), атомы болса, онда арсенийдің төрт валенттік электроны силицийдің төрт валенттік 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 зарядты ионға айналады. Ион қозғалып жүре алмайды, өйткені олар бір-бірінен қашық орналасқан. Сондықтан мұндай шала өткізгіште электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен, оларды электронды электр өткізгіштікті шала өткізгіштер деп атайды. Бес валентті қоспа элементтің артық электронының энергетикалық деңгейі өткізгіштік аймаққа жақын орналасқандықтан олар өткізгіштік аймаққа оңай өтіп отырады. Мұндай артық электронды қоспаларды донорлар (donare – сыйлау деген латын сөзі) немесе донорлы қоспалар деп атайды. Шала өткізгіш ондағы электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен n –түрлі (negerivus – теріс деген латын сөзінің бірінші әріпі) шала өткізгіш деп аталады.
Енді төрт валентті силицийдің кристалдық торшілтерінде үш валентті индийдің (in) атомы бар екен делік (2,в-сурет).
Мұнда силиций атомының үш валенттік электроны индийдің үш валенттік электронымен коваленттік байланыста болады. Ол кемтікті басқа атомның электроны толтыруы мүмкін, бірақ оның кеткен жерінде тағы да кемтік келіп туады. Сөйтіп шала өткізгіште оң зарядты кемтік жүріп отыратын электр өткізгіштік, яғни кемтікті өткізгіштік пайда болады. Мұнда шала өткізгішті р-түрлі (латын positivus – оң деген сөздің бірінші әріпі) шала өткізгіш деп айтады. Р-түрлі шала өткізгіштегі кемтік орналасқан энергетикалық деңгейлерде негізінен валенттік электрондар өтіп отырады. Мұнда қоспа элементі акцептор (acceptor – қабылдаушы деген латын сөзі) немесе акцепторлық қоспа деп аталады.
Сонымен, қоспалы шала өткізгіштерде заряд тасымалдаушы негізгі бөлшектер электрондар мен кемтіктер болып табылады.
Лекция 2