Կիսահաղորդիչը այն նյութն է, որն իր առանձնահատկություններով էլեկտրական հաղորդունակությունգտնվում է դիրիժորի և դիէլեկտրիկի միջև (նրանք ունեն նեղ շերտի բացվածք) և հաղորդիչից տարբերվում է արտաքին ազդեցություններից և կեղտի կոնցենտրացիայից հաղորդունակության ուժեղ կախվածությամբ:

1.1 Կիսահաղորդիչների ժապավենային տեսություն

Եթե ​​բյուրեղային ցանցում գտնվող ատոմի էլեկտրոնը մնում է միջուկի հետ կապված, ապա այն գտնվում է վալենտական ​​գոտում, եթե պոկվել է միջուկից, ապա հաղորդման գոտում։ Այս գոտիների միջև կա գոտի բացը: Էլեկտրոնը չի կարող ունենալ այդպիսի էներգիա (նկ. 1-1):

Նկ.1-1 Էներգետիկ գոտիներ

Կիսահաղորդիչ հատկություններ կարող են ունենալ ինչպես պարզ նյութերը, օրինակ՝ ադամանդը C, տելուրիում Te, սելենը Se (կարմիր), մոխրագույն անագ - Sn, և քիմիական օրգանական և անօրգանական միացություններ՝ գալիումի արսենիդ GaAs, ինդիումի հակամոնիդ InSb, ինդիումի ֆոսֆիդ InP, սիլիցիում։ կարբիդ SiC, բենզոլ, նաֆթալին, նաֆթացին և այլն: Կիսահաղորդիչների բնորոշ ներկայացուցիչները չորրորդ խմբի տարրերն են պարբերական համակարգԳերմանիումի Ge և սիլիցիումի Si.

Բյուրեղային ցանցում կիսահաղորդչային ատոմները փոխկապակցված են զույգ-էլեկտրոնային (կովալենտային) կապերով։ Այս կապերը փխրուն են, հեշտությամբ կոտրվում են, երբ ջեռուցվում են, լուսավորվում, էլեկտրականացվում:

Կապերը փխրուն են, տաքացնելիս հեշտությամբ կոտրվում են, լուսավորվում, էլեկտրականացվում (նկ. 1-2):

Նկ.1-2 Կիսահաղորդչային բյուրեղային ցանց

Երբ էլեկտրոնը հանվում է, անցք է մնում, որն ունի էլեկտրոնի լիցքին հավասար դրական լիցք։ Մաքուր կիսահաղորդչում էլեկտրոնների և անցքերի թիվը նույնն է n p =n n =n i:

Լիցքակիրների քանակը n i =Ae ΔE /kT - կախված է ջերմաստիճանից և գոտու բացվածքից:

Յուրաքանչյուր կովալենտային կապ ձևավորվում է զույգ էլեկտրոններից, որոնք կազմված են առաջինից մեկ էլեկտրոնից և երկրորդ ատոմներից: Քիմիապես մաքուր կիսահաղորդիչում բոլոր կովալենտային կապերը լցված են և բացարձակ զրոյի ջերմաստիճանում, ի տարբերություն մետաղների, կիսահաղորդիչները չունեն ազատ լիցքակիրներ։ Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ միջավայրըէլեկտրոնների մի մասը գրգռված է և կոտրվում է կովալենտային կապ, անցնում է հաղորդման գոտի՝ ստեղծելով կիսահաղորդչի ներքին էլեկտրոնային հաղորդունակությունը։ Միաժամանակ կիսահաղորդիչում առաջանում է չլցված կովալենտային կապ՝ անցք։ Նման կապը կարող է վերականգնվել հարեւան ատոմի էլեկտրոնի հաշվին, այսինքն. հարակից կովալենտային կապի ոչնչացում. Նման իրավիճակների կրկնությունը ստեղծում է բյուրեղի ծավալով շարժվող անցքի տեսք, որն ունենալով դրական լիցք՝ ստեղծում է կիսահաղորդչի սեփական անցքային հաղորդունակությունը։ Էլեկտրոն-անցք զույգերի առաջացման գործընթացը կարող է տեղի ունենալ ոչ միայն ջերմության ազդեցության տակ, այլև ցանկացած գործընթացի պատճառով, որը կարող է էլեկտրոնին հաղորդել էներգիայի քանակությունը, որը բավարար է կովալենտային կապը կոտրելու համար: Գեներացման պրոցեսը միշտ ուղեկցվում է հակառակ գործընթացով՝ ռեկոմբինացիայով, այսինքն՝ էլեկտրոնի միացումով անցքի հետ՝ չեզոք ատոմ առաջացնելու համար։ Արդյունքում, մշտական ​​արտաքին պայմաններում, կիսահաղորդիչում տեղի է ունենում հավասարակշռություն, որի դեպքում առաջացած լիցքակիրների զույգերի թիվը հավասար է վերամիավորվողների թվին։

1.2 Կեղտոտ կիսահաղորդիչներ

Մաքուր կիսահաղորդիչում զույգի ձևավորումը պահանջում է զգալի քանակությամբ էներգիա և դրա հաղորդունակությունը սենյակային ջերմաստիճանում շատ փոքր է:

Հնարավոր է զգալիորեն մեծացնել հաղորդունակությունը կիսահաղորդիչը եռավալենտ կամ հնգավալենտ կեղտերով դոպինգի միջոցով: Հնգավալենտ կեղտոտության մեջ (հակիմոն Sb, ֆոսֆոր P, մկնդեղ As) մեկ էլեկտրոնը չի մասնակցում կովալենտային կապերին և հեշտությամբ անցնում է ազատ գոտի, երբ էներգիան նրան տրվում է շատ ավելի քիչ, քան անհրաժեշտ է կովալենտային կապը խզելու համար։ Արդյունքում անմաքրության ատոմը, նվիրելով էլեկտրոն, դառնում է կայուն անշարժ դրական իոն։ Նման կեղտերը կոչվում են դոնորային կեղտեր: իսկ դրանցով կցված կիսահաղորդիչները n տիպի կիսահաղորդիչներ են։ Կեղտոտ կիսահաղորդիչի հաղորդունակությունը սովորաբար կոչվում է անմաքրության հաղորդունակություն: n-տիպի կիսահաղորդիչների հիմնական լիցքի կրիչները էլեկտրոններն են, իսկ փոքրամասնությունը՝ անցքեր:

Եռավալենտ կեղտոտ ատոմը, ընդհակառակը, ձգտում է էլեկտրոն վերցնել մոտակա կիսահաղորդչային ատոմից՝ չորրորդ կովալենտային կապը լրացնելու համար։ Այս դեպքում առաջանում է կայուն բացասական իոն և անցք։Այդպիսի կեղտերով կիսահաղորդիչը կոչվում է p տիպի կիսահաղորդիչ, կեղտերն իրենք (ալյումին Al, ​​բոր B, ինդիում Ին.) ակցեպտոր են։ P-տիպի կիսահաղորդիչներում լիցքի կրիչների մեծամասնությունը անցքերն են, իսկ փոքրամասնությունը՝ էլեկտրոնները։

Սենյակային ջերմաստիճանի կեղտոտ կիսահաղորդիչներում գրեթե բոլոր կեղտոտ ատոմները գրգռված վիճակում են, և նրանց կողմից ստեղծված մեծամասնության կրիչների թիվը զգալիորեն գերազանցում է փոքրամասնության կրիչների թիվը, որոնք առաջանում են էլեկտրոն-անցք զույգերի սովորական ջերմային առաջացման արդյունքում: Արդյունքում, աղտոտման հաղորդունակությունը շատ ավելի բարձր է, քան կիսահաղորդչի ներքին հաղորդունակությունը, շատ ավելի փոքր չափով կախված է արտաքին գործոններից և որոշվում է հիմնականում դոպանտի խտությամբ:

1.3 Կիսահաղորդչային դիոդ

Բոլոր կիսահաղորդչային սարքերի հիմքը էլեկտրոն-անցք անցումն է ( p-n հանգույց) Այն ձևավորվում է տարբեր տեսակի հաղորդունակությամբ երկու կիսահաղորդիչների սահմանին (գլուխ 1.2): Քանի որ լիցքակիրների կոնցենտրացիան մեջ տարածք r-nանցումը կտրուկ անհամասեռ է, ըստ դիֆուզիայի օրենքների, հիմնական կրիչները (փոսերը «p» շրջանում և էլեկտրոնները «n» շրջանում) կցրվեն հարակից շրջաններ՝ առաջացնելով դիֆուզիոն հոսանք։

Փոքր լիցքի կրիչները (անցքեր n-տարածաշրջանում և էլեկտրոններ p-տարածաշրջանում) կսկսեն շարժվել առաջացող էլեկտրական դաշտում՝ ստեղծելով շեղվող հոսանք՝ ուղղված դեպի դիֆուզիոն հոսանքը: Արդյունքում, դրվում է դինամիկ հավասարակշռություն, միացման ընդհանուր հոսանքը հավասար կլինի զրոյի, և հանգույցում կստեղծվի շփման պոտենցիալ տարբերություն, որը 0,3–0,4 Վ է գերմանիումային հանգույցների համար և 0,7–1,0 Վ սիլիցիումային հանգույցների համար: Եթե ​​emf աղբյուրը միացնեք հանգույցին դրական բևեռով p շրջանին, իսկ բացասական բևեռը՝ n շրջանին, ապա արդյունքում առաջացող պոտենցիալ տարբերությունը հանգույցում կնվազի: Անցումը կբացվի և կսկսի հոսանք վարել n-տարածաշրջանից դեպի p-տարածաշրջան հիմնական լիցքակիրների դիֆուզիայի մեծացման պատճառով: Այս դեպքում հանգույցի միջով դրեյֆի հոսանքը կնվազի: Անցման նման ընդգրկումը սովորաբար կոչվում է ընդգրկում դեպի առաջ (առաջ կողմնակալ անցում):

Նկ 1-3 p-n հանգույցի ուղղակի միացում

Հակառակ ուղղությամբ լարման կիրառումը (գումարած n-ին և p-տարածաշրջանին մինուս) կհանգեցնի հանգույցում պոտենցիալ տարբերության ավելացմանը, հետևաբար՝ դիֆուզիոն հոսանքի նվազմանը և դրեյֆ հոսանքի ավելացմանը: . Քանի որ դրեյֆ հոսանքը ստեղծվում է փոքրամասնության լիցքավորման կրիչների կողմից, որոնք կիսահաղորդիչների մեջ շատ ավելի փոքր են, քան հիմնականները, հանգույցի միջով ընդհանուր հոսանքը շատ փոքր կլինի: Այս անցումային վիճակը կոչվում է փակ:

Նկ.1-4 p-n հանգույցի հակադարձ ընդգրկում:

Արտաքինի բացակայության դեպքում էլեկտրական դաշտ, դիֆուզիոն հոսանքը հավասար է հաղորդման հոսանքին։

Ես անցում եմ \u003d Ես տարբերում եմ -I մետաղալար \u003d 0:

1. Եթե կիրառվող արտաքին դաշտը մեծացնում է անցումային դաշտը (+ դեպի n շերտ), ապա I diff-ը կնվազի, I prov-ը կաճի:

I անցում \u003d -I 0 (հակադարձ հոսանք):

2. Եթե մենք թուլացնում ենք անցումային դաշտը (+ դեպի p շերտ), ապա I diff-ը մեծանում է, I prov՝ նվազում։ Ես անցում >> I 0, I անցում \u003d I պող.

Հետեւաբար, p-n հանգույցը կոչվում է կիսահաղորդչային դիոդ:

Դրա նշանակումը սխեմաներում + p -n

Կիսահաղորդչային սարքերը, որոնք բաղկացած են մեկ p-n հանգույցից և նախատեսված են փոփոխական հոսանքը ուղղելու համար, կոչվում են ուղղիչ դիոդներ։ Նման դիոդներում օգտագործվում է անցման հիմնական հատկությունը՝ միայն մեկ ուղղությամբ հոսանքը լավ անցկացնելու ունակությունը։

Կիսահաղորդչային դիոդի բնութագրերը

Նկար 1-5 Դիոդի առաջ և հետընթաց

Ուղղիչի դիոդի հիմնական պարամետրերն են՝ Irec շտկված հոսանքի առավելագույն արժեք, առաջընթաց լարման անկումը հանգույցում առավելագույն շտկված հոսանքի Upr-ում, առավելագույն թույլատրելի հակադարձ լարումը Uo6p, հակադարձ հոսանքի Io մեծությունը Uo6p-ում: Սովորաբար Ivyp = 10 մԱ - 10 Ա; Unp = 0.2 - 1.5 V; Uo6p = 10 V - 1kV Io = 1 μA - 100 μA:

Եթե ​​ուղղիչ դիոդում հակադարձ լարումը գերազանցում է Uprob-ի խզման լարումը (սովորաբար Uo6p = 0.8Uprob), հոսանքը կտրուկ կավելանա և դիոդը կխափանվի, ինչը բացատրվում է գործողության տակ գտնվող միացման շրջանում կրիչների քանակի ավելացմամբ: ուժեղ էլեկտրական դաշտում ազդեցության իոնացում և ջեռուցվող հանգույցի հետագա ուժեղացված ջերմային առաջացում:

Դիոդների մակնշում (նշում):

Դիոդի նշանակման մեջ օգտագործվում են տառեր և թվեր.

G (կամ 1) - գերմանիումի դիոդ; K (կամ 2) - սիլիկոնային դիոդ:

Նկար 1-6 Արտաքին տեսքկիսահաղորդչային դիոդներ

1.4 Zener դիոդ

Բարձրացնելով կեղտերի կոնցենտրացիան (Գլուխ 1.2) սիլիկոնային դիոդներում հնարավոր է հասնել էլեկտրական խզման գործընթացի հետադարձելիության։ Այս դեպքում I–V բնութագրիչի հակառակ ճյուղի վրա ձևավորվում է հատված (գլուխ 1.3), որտեղ միացումով հոսանքի մեծ փոփոխությունները լարման փոքր փոփոխություններ են առաջացնում (նկ. 1-7): Նման CVC ունեցող դիոդները կոչվում են zener դիոդներ կամ հղումային դիոդներ, քանի որ դրանք օգտագործվում են լարումը կայունացնելու համար:

Նկար 1-7 Զեներ դիոդի վոլտ-ամպերի բնութագիրը

Zener դիոդների հիմնական պարամետրերն են՝ Imin, Imax, համապատասխանաբար, նվազագույն և առավելագույն կայունացման հոսանքները, որոնք որոշում են CVC-ի աշխատանքային հատվածը: Սովորաբար Imin-ը 3 մԱ-ից 100 մԱ է, իսկ Imax-ը՝ 10 մԱ-ից մինչև 3Ա:

Ustab.nom - անվանական կայունացման լարում, սովորաբար 1-ից 200 Վ;

Rdin \u003d dU / dI - դինամիկ դիմադրություն, որտեղ dI, dU - հոսանքի և լարման ավելացումներ ընթացիկ-լարման բնութագրիչի աշխատանքային հատվածում, սովորաբար Rdin \u003d 10-100 Օմ:

Զեների դիոդում հակադարձ լարումը մնում է գրեթե անփոփոխ՝ պայմանով

I arr max>= I>= I arr, min.

Նկ.1-8 Զեներ դիոդի միացման շղթա

U ոչ դանակով \u003d U կոճղ + I կոճղ R սահմանափակ

U կոճղ = 3.3 V - 150 V

I stub, min = 2 - 5 mA

I stub, max = 30 - 500 mA

Կայունացնող հատկությունները բնութագրվում են կայունացման գործակցով.

K stub \u003d (ΔU non-stab U stub) / (U non-stab ΔU stub) K stub \u003d 5-10.

Կայունացման գործակիցը բարձրացնելու համար օգտագործվում է կայունացնող բջիջների կասկադային միացում:

Նկ. 1-9 Զեներ դիոդների կասկադային միացում

Բազմաբջջային կայունացուցիչի թերությունը սահմանափակող ռեզիստորների լարման մեծ կորուստներն են: Կայունացված լարումը բարձրացնելու համար օգտագործվում է zener դիոդների սերիական միացում:

Նկ.1-10 Զեներ դիոդների սերիայի միացում

Եթե ​​zener դիոդները միացված են հակառակ ուղղություններով, ապա երբ նրանց վրա փոփոխական լարում է կիրառվում, տեղի է ունենում ելքային լարման երկկողմանի սահմանափակում (Նկար 10):

Նկ.1-11 Zener Diode Back-to-Back միացում

Զեներ դիոդների զուգահեռ կապը կիրառելի չէ: միացման պահին ամենափոքր Ուստաբով zener դիոդը միշտ բացվում է, իսկ մնացած zener դիոդները մնում են փակ։

Նկ.1-12 Զեներ դիոդների տեսքը

1-ցածր էներգիայի zener դիոդ;

2-հզոր zener դիոդ ջերմատախտակով

1.5 Տրանզիստորներ

1.5.1 Տրանզիստորի կառուցվածքը

Տրանզիստորը եռաշերտ կիսահաղորդչային սարք է՝ հաղորդունակության փոփոխական տիպի շերտերով (գլուխ 1.2): Կան pnp և npn տիպի տրանզիստորներ։

Նկ.1-13 Տրանզիստորի կառուցվածքը

արտանետող– p- կիսահաղորդիչ հետ մեծ գումարկեղտերը.

Հիմք– n կիսահաղորդիչ՝ փոքր քանակությամբ կեղտերով: Բազային շերտը շատ բարակ է՝ մոտ 1 մկմ։

Կոլեկցիոներ– p կիսահաղորդիչ՝ միջին քանակությամբ կեղտերով: Էմիտեր-հիմք հանգույցը կոչվում է էմիտեր հանգույց, հիմք-կոլեկտոր հանգույցը՝ կոլեկտորային հանգույց:

Ամենից հաճախ տրանզիստորը միացված է այնպես, որ էմիտերի հանգույցը միացված է առաջ ուղղությամբ, իսկ կոլեկտորային հանգույցը միացված է հակառակ ուղղությամբ:

Երբ տրանզիստորը միացված է, էմիտերից բազայի մեջ ներարկվում են մեծ թվով անցքեր, որոնք դիֆուզիոն միջոցով տարածվում են բազայում, հասնում կոլեկտորային հանգույցին և դրանով ներքաշվում՝ կազմելով մեծ կոլեկտորային հոսանք։ I to- ≈I e, but I to-< I э. Поведение транзистора описывается 2-я уравнениями:

I e \u003d I b + I k և I k \u003d αI e + I k0, որտեղ α-ն տրանզիստորի ընթացիկ փոխանցման գործակիցն է, որը միացված է ընդհանուր բազային սխեմայի (OB): α=0,9 – 0,995։

Նկար 1-14 Տրանզիստորի նշանները

Նկ.1-15 Տարբեր հզորության տրանզիստորների տեսք

1.5.2 Տրանզիստորի սխեմաներ

1. Սխեման ընդհանուր հիմքով (OB)

Նկ.1-16 ՕԲ դիագրամ

Տրանզիստորը կարող է օգտագործվել ազդանշանն ուժեղացնելու համար: Եթե ​​U kb \u003e U eb և R k \u003e R e, ապա թողարկիչի և կոլեկտորի սխեմաներում գրեթե նույն հոսանքներով, R k-ն կունենա զգալիորեն ավելի մեծ լարման անկում, քան R e-ն, այսինքն ՝ լարումը ուժեղանում է, և հետևաբար ազդանշանի հզորությունը:

2. Միացում ընդհանուր թողարկիչով (CE):

Նկ.1-17 OE դիագրամ

Տրանզիստորը, որը միացված է ըստ OE սխեմայի, ուժեղացնում է և՛ լարումը, և՛ հոսանքը: I e \u003d I k + I b և I k \u003d βI b + (β + 1) I kb0, որտեղ β-ն ընդհանուր թողարկիչ ունեցող շղթայում ընթացիկ փոխանցման գործակիցն է: β=α/(1-α), կախված է հիմքի հաստությունից եւ գտնվում է β=10 - 200-ի սահմաններում։

3. Սխեման ընդհանուր հավաքիչով (OK)

Նկ.1-18 OK դիագրամ

Այս շղթայում U դուրս< U вх, но U вых ≈ U вх то есть усиление по напряжению не происходит, но усиливается ток приблизительно в β раз. Поэтому схема называется эмиттерный повторитель (повторяет напряжение).

1.5.3 Տրանզիստորի բնութագրերը (OB միացում)

Նկ.1-19 1.2 Մուտքային և ելքային բնութագրեր

1. Մուտքային բնութագրեր. I e \u003d f (U eb) U kb \u003d կոնստ.

2. Ելքային բնութագրեր. I k \u003d f (U kb) I e \u003d կոնստ.

3 Հոսքի բնութագրերը. I-ից =f(I e) U kb =const.

Նկ 1-19 Հոսքի բնութագրերը

Երբ Uk = 0, մուտքային բնութագիրը BAX էմիտերի p-n - հանգույցի ուղղակի ճյուղն է: Ukb-ի աճով I–V բնութագիրը տեղափոխվում է ձախ, քանի որ հակառակ կոլեկտորի հոսանքի աճը լրացուցիչ բացում է p-n հանգույցը և Ie ≠ 0 Ueb = 0-ում: Ie = 0-ի համար ելքային բնութագիրը հակառակ ճյուղն է: կոլեկտորային հանգույցի. Եթե ​​Ie> 0, ապա Ik> 0 նույնիսկ Ukb = 0-ում` պայմանավորված էմիտորի կողմից ներարկվող լիցքի կրիչներով կոլեկտորային հանգույցի պոտենցիալ պատնեշի դաշտով: Միևնույն ժամանակ, Ueb-ի աճով, այսինքն՝ արագորեն հասնում է իր առավելագույն արժեքին, քանի որ նույնիսկ ցածր Ucb-ի դեպքում ներարկվող կրիչների հիմնական մասը գրավում է կոլեկտորը:

1.5.4 Տրանզիստորի ֆիզիկական մոդելը

Էլեկտրոնային սխեմաները հաշվարկելիս շղթայում իրական տրանզիստորը փոխարինվում է ստորև ներկայացված մոդելով, որը ճշգրիտ արտացոլում է դրա հատկությունները:

Նկ.1-20 Տրանզիստորի ֆիզիկական մոդելը

R e \u003d 10 - 30 Ohm, R b \u003d 100 - 300 Ohm, R k \u003d 10 4 - 10 5 Ohm

Տրանզիստորը կարելի է համարել չորս տերմինալ.

Նկ.1-21 Տրանզիստոր որպես քառաբևեռ

Այնուհետև այն կարելի է նկարագրել h պարամետրերի համակարգով.

h-ի պարամետրերը որոշելու համար մենք կօգտագործենք կարճ միացման և բաց միացման մեթոդը:

ա) ելքային կարճ միացում. Հետեւաբար U 2 =0:

h 11 \u003d Z in - մուտքային դիմադրություն

h 21 b \u003d α - հոսանքի ավելացում ընդհանուր հիմքով շղթայում

h 21 E \u003d β - հոսանքի ավելացում ընդհանուր թողարկիչով շղթայում

բ) Անգործություն մուտքի մոտ (I 1 \u003d 0), ապա

U 1 \u003d h 12 U 2, h 12 \u003d U 1 / U 2 - լարման հակադարձ փոխանցման գործակից

I 2 \u003d h 22 U 2, h 22 \u003d I 2 /U 2 \u003d y դուրս - ելքային հաղորդունակություն:

1.5.5 Դաշտային (ալիքային) տրանզիստորներ (PT)

FET - կիսահաղորդչային սարք, որում ալիքով հոսանքը վերահսկվում է էլեկտրական դաշտի միջոցով, որն առաջանում է դարպասի և աղբյուրի միջև լարման կիրառմամբ: PT-ում, ի տարբերություն երկբևեռ տրանզիստորի (Գլուխ 1.5.1), լիցքի կրիչները միայն մեկ նշանով (միայն էլեկտրոններ կամ միայն անցքեր) շարժվում են կիսահաղորդչային ալիքով:

Կապուղին տրանզիստորի տարածքն է, որի դիմադրությունը կախված է դարպասի ներուժից: Էլեկտրոդը, որից հիմնական լիցքակիրները մտնում են ալիք, կոչվում է աղբյուր, իսկ էլեկտրոդը, որով հիմնական լիցքակիրները դուրս են գալիս ալիքից, կոչվում է արտահոսք։ Էլեկտրոդը, որը կարգավորում է ալիքի խաչմերուկը, կոչվում է դարպաս:

FET-ները պատրաստված են սիլիցիումից և, կախված աղբյուրի նյութի էլեկտրական հաղորդունակությունից, բաժանվում են տրանզիստորների՝ p և n ալիքներով՝ տեսակների։

Դաշտային ազդեցության տրանզիստոր՝ մուտքի դարպասով p-n-ի տեսքովանցում

Սա կիսահաղորդչային սարք է, որտեղ ալիքի հաղորդունակությունը կարելի է վերահսկել՝ լարման միջոցով փակ թաղամասանցում. Նկար 1-22-ը ցույց է տալիս FET-ի կառուցվածքը, անջատիչ սխեման և խորհրդանիշը n-տիպի ալիքով և p-n հանգույցի տեսքով դարպասով:

N-տիպի կապուղի ունեցող FET-ներում ալիքի հիմնական լիցքակիրները էլեկտրոններն են, որոնք ալիքի երկայնքով շարժվում են ցածր պոտենցիալ ունեցող աղբյուրից դեպի ավելի մեծ պոտենցիալ ունեցող արտահոսք՝ ձևավորելով արտահոսքի հոսանք: Հասկանալի է. Դարպասի և աղբյուրի միջև կիրառվում է լարում, որը արգելափակում է կապուղու n-տարածաշրջանով և դարպասի p-տարածաշրջանով ձևավորված pn հանգույցը:

Հետևաբար, n տիպի ալիքով PT-ում Usi>0, Uzi<0. В ПТ с каналом р-типа Uси<0, Uзи>0.

Նկար 1-22 FET

1-ջրահեռացման քորոց; 2-դարպաս; 3-ալիք; 4-դարպասային քորոց; 5-ջրահեռացման քորոց

Նկար 1-23-ը ցույց է տալիս, թե ինչպես է փոխվում ալիքի խաչմերուկը պատնեշի շերտի լայնության փոփոխության պատճառով, երբ տրանզիստորային էլեկտրոդների միջև լարումներ են կիրառվում: Դարպասի և ալիքի միջև p-n հանգույցի վրա արգելափակող լարում կիրառելիս (նկ. 1-23ա), առաջանում են միատեսակ շերտեր, որոնք սպառվում են լիցքավորող կրիչներով և ունեն բարձր դիմադրողականություն, ինչը հանգեցնում է ալիքի լայնության նվազմանը:

Նկ.1-23. PT ալիքի համընկնումը էլեկտրոդների վրա տարբեր լարման ժամանակ

Դրենաժի և աղբյուրի միջև կիրառվող լարումը (նկ. 1-236) առաջացնում է անհավասար սպառվող շերտի տեսք, քանի որ դարպասի և ալիքի միջև պոտենցիալ տարբերությունը մեծանում է աղբյուրից դեպի արտահոսք և ամենափոքր հատվածի ուղղությամբ: ալիքը գտնվում է ջրահեռացման մոտ:

Եթե ​​դուք միաժամանակ լարում եք Usi>0 և Uzi<0 (рис.1-22в), то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений. Минимальное сечение канала определяется их суммой:Uси+|Uзи|.Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:Uси+|Uзи|=Uзап, обеднённые области смыкаются, ширина канала уменьшается до капилляра и динамическое сопротивление резко возрастает.

Դրենաժային հոսանքի Ic-ի կախվածությունը Usi-ի լարումից Uzi-ի մշտական ​​դարպասի լարման դեպքում որոշում է ելքային կամ արտահոսքի բնութագրերը (նկ. 1-24):

Նկար 1-24. n-ալիք FET-ի ելքային հոսանքի-լարման բնութագրերը:

Ուսի + |Ուզի| բնորոշիչի սկզբնական հատվածում< Uзап и ток Iс возрастает с повышением Uси. При повышении напряжения сток-исток до величины Uси =Uзап- |Uзи| происходит смыкание канала, и рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору ПТ. смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U и тока Iс. Дальнейшее повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n перехода между затвором и каналом, что выводит транзистор из строя.

Ըստ PT-ի ելքային բնութագրերի՝ հնարավոր է կառուցել անցողիկ բնութագիրը Iс =f(Uzi) ։ Հագեցվածության շրջանում այն ​​գործնականում կախված չէ Us լարումից:

FET-ի մուտքային բնութագիրը՝ Ig = f (Ug) չի օգտագործվում, քանի որ դարպասի և ալիքի միջև անցումը փակ է, դարպասի հոսանքը շատ փոքր է և կարող է անտեսվել:

Մեկուսացված դարպասի դաշտային ազդեցության տրանզիստոր

Սա կիսահաղորդչային սարք է, որում դարպասի արտահոսքի հոսանքի Iz-ի հետագա կրճատման համար մետաղական դարպասի և ալիքի միջև տեղադրված է դիէլեկտրիկի բարակ շերտ (SiO2), և չկա p-n հանգույց: Նման FET-ները կոչվում են MOSFET (մետաղ-դիէլեկտրիկ-կիսահաղորդչային կառուցվածք):

Նկար 1-25 Մեկուսացված դարպասի FET

Մեկուսացված դարպասով FET-ի ընթացիկ-լարման բնութագրերը նման են p-n միացման դարպասով FET-ի բնութագրերին: Բայց մեկուսացված դարպասը թույլ է տալիս աշխատել նույնիսկ Uzi>0 լարման դեպքում, երբ ալիքը ընդլայնվում է, իսկ ընթացիկ Ic-ը մեծանում է:

PT-ի հիմնական պարամետրերը.

1) անցողիկ բնութագրիչի թեքությունը S = dIc / dUzi ժամը Usi = const և

2) արտահոսքի (ալիքի) դիֆերենցիալ դիմադրությունը հագեցվածության հատվածում Rc=dUsi/dIс ժամը Uзi = կոնստ.

1.6 Այլ կիսահաղորդչային սարքեր

1.6.1 Տրիստորներ

Նկ.1-26 Տիրիստոր

Տիրիստորը քառաշերտ կիսահաղորդչային սարք է, շղթան շատ փոքր է (հողամաս 1): Որոշակի U միացված լարման դեպքում սկսվում է ավալանշի փլուզումը և հոսանքը կտրուկ աճում է (բաժին 3) - թրիստորը միանում է:

Հսկիչ էլեկտրոդի ելքը միացված է միջին p (կամ n) շերտին ժամը. Կիրառելով դրա վրա փոքր լարման U կառավարում, դուք կարող եք նվազեցնել U միացման լարումը:

Նկար 1-27-ը ցույց է տալիս թրիստորների միացման գործընթացը կառավարման էլեկտրոդի միջոցով:Աղբյուրի և բեռի R բեռնվածքի միջև միացված է թրիստոր: Քանի որ U Pete< U вкл, то тиристор закрыт, тока в нагрузке нет (рис.1). При подаче короткого положительного импульса от блока управления тиристор включается(рис.2) и дальше становится неуправляемым. Выключить его можно только снизив ток до величины I выкл. При работе тиристора в цепи переменного тока это происходит автоматически.

Նկար 1-27 Տիրիստորի կառավարման միացում

1.6.2 Ֆոտոէլեկտրոնային կիսահաղորդչային սարքեր

Գոյություն ունի ամբողջ գիծըդիոդներ՝ օգտագործելով տարբեր երևույթներ և էֆեկտներ, որոնք տեղի են ունենում p-n հանգույցում (գլուխ 1.3): Այսպիսով, varicap (լարման վերահսկվող հզորություն) օգտագործում է հակադարձ կողմնակալ հանգույցի հզորության կախվածությունը կիրառվող լարումից: Ֆոտոդիոդը հիմնված է անցումային շրջանում լիցքակիրների առաջացման և լույսի ազդեցության տակ ֆոտոլարման առաջացման ֆենոմենի վրա։ LED-ը հիմնված է էլեկտրոն-անցք զույգերի հատկության վրա՝ դրանց վերահամակցման ժամանակ լույսի քվանտ արձակելու և այլն:

Նկ.1-28 Օպտոէլեկտրոնային սարքերի տեսակները

Նկ.1-29 Ֆոտոդիոդը photoEMF գեներացման ռեժիմում:

ժամը լուսավորություն r-pանցումով, կովալենտային կապերը կոտրված են, ձևավորված փոքրամասնության կրիչները (Գլուխ 1.5.1) ներքաշվում են անցումով: Շերտերում մեծանում է հիմնական կրիչների թիվը (անցքեր p-շերտում, էլեկտրոններ p-շերտում) , որը ստեղծում է շերտերի միջև պոտենցիալ տարբերություն՝ կախված անցման լուսավորությունից (նկ 1-29):

Նկ.1-30

Եթե ​​EMF աղբյուրն ընդգրկված է ֆոտոդիոդային միացումում հակառակ ուղղությամբ (նկ. 1-30), ապա լուսավորության ժամանակ կրիչների թիվը մեծանում է, իսկ հակառակ հոսանքն ավելանում է լուսային հոսքի մեծությանը համամասնորեն F: Ստացված հոսանքը գրեթե կախված չէ կիրառվող լարման մեծությունից (նկ. 1-31):

Նկար.1-31 Ֆոտոդիոդի CVC Նկ.1-32 LED-ի միացում

LED-ը ճառագայթող p-p հանգույց է, որի փայլն առաջանում է կրիչների վերահամակցումից, երբ հանգույցը կիրառական լարման ազդեցությամբ առաջ է շարժվում դեպի առաջ (նկ. 1-32):

Ֆոտոտրանզիստորը սովորական տրանզիստոր է (Գլուխ 1.5.1), որի դեպքում ստեղծվում է պատուհան, որով լույսի հոսքը մտնում է հիմք: Երբ ֆոտոտրանզիստորի հիմքը լուսավորվում է, ձևավորված կրիչները ներս են քաշվում անցումներով, բազային հոսանքը մեծանում է. Սա հանգեցնում է կոլեկտորի հոսանքի շատ ավելի մեծ փոփոխության, քանի որ տրանզիստորը միացված է EMF աղբյուրին:

Optocoupler-ը կիսահաղորդչային սարք է, որում ազդանշանները փոխանցվում են էլեկտրոնային սարքի մուտքից դեպի ելքային մաս՝ օգտագործելով ֆոտոններ՝ առանց գալվանական, մագնիսական կամ այլ կապերի օգտագործման։

Optocoupler-ը բաղկացած է LED-ից, որի օպտիկական ճառագայթումը գործում է լույսի ընդունիչի վրա՝ ֆոտոռեզիստոր, ֆոտոթիրիստոր կամ ֆոտոտրանզիստոր: Երկու կիսահաղորդչային տարրերը կցված են ընդհանուր պատյանում: LED-ից ստացված ելքերը մուտքն են, իսկ լույսի ընդունիչից ելքերը՝ օպտոկապլերի ելքը: Optocoupler-ի ելքային ազդանշանի արժեքը վերահսկվում է մուտքային ազդանշանի արժեքը փոխելով:

1.6.3 Ինտեգրված սխեմաներ

Միկրոշրջանը կառուցվածքային ամբողջական միկրոէլեկտրոնային արտադրանք է, որը կատարում է տեղեկատվության փոխակերպման որոշակի գործառույթ, որը պարունակում է էլեկտրականորեն փոխկապակցված էլեկտրական ռադիո տարրերի (տրանզիստորներ, դիոդներ, ռեզիստորներ, կոնդենսատորներ և այլն) մի շարք, որոնք արտադրվում են մեկ տեխնոլոգիական ցիկլով:

Միկրոսխեմաները արտադրվում են խմբային մեթոդով՝ միաժամանակ կրկնօրինակելով մի խմբաքանակում՝ մի քանի տասնյակից մինչև մի քանի տասնյակ հազար միկրոսխեմաներ: Ըստ դիզայնի և տեխնոլոգիական կատարողականի՝ միկրոսխեմաները բաժանվում են երեք խմբի՝ կիսահաղորդչային։ ֆիլմ և հիբրիդ: Կիսահաղորդչային ինտեգրալ շղթայում բոլոր տարրերը և միջտարրերի միացումները կատարվում են կիսահաղորդչային սուբստրատի ծավալով և մակերևույթի վրա, թաղանթային ինտեգրալ շղթայում բոլոր տարրերը և նրանց միջև կապերը կատարվում են թաղանթների տեսքով: Ներկայումս միայն պասիվ տարրերը միկրոսխեմաների՝ ռեզիստորների, կոնդենսատորների և ինդուկցիաների, իրականացվում են ֆիլմի տեխնոլոգիական մեթոդների կիրառմամբ: Հիբրիդային միկրոսխեմաներում տեղադրված դիսկրետ կիսահաղորդչային սարքերը կամ կիսահաղորդչային ինտեգրալային սխեմաները օգտագործվում են որպես ակտիվ էլեկտրական ռադիոտարրեր, իսկ ֆիլմի դիմադրությունները, կոնդենսատորները, ինդուկտորները և դրանք միացնող ֆիլմի հաղորդիչները օգտագործվում են որպես պասիվ տարրեր:

Նման միկրոսխեմայի մեխանիկական հիմքը դիէլեկտրական ենթաշերտն է:Այն կատարում է մեխանիկական հիմքի գործառույթներ՝ մեկուսացնելով տարրերը միմյանցից: ջերմատախտակ: Ենթաշերտերը հասանելի են բարակ կլոր կամ ուղղանկյուն թիթեղների տեսքով:

Կիսահաղորդչային միկրոսխեմաների համար օգտագործվում են միաբյուրեղ կիսահաղորդչային (սիլիցիում, գալիումի արսենիդ) և միաբյուրեղ դիէլեկտրիկ (շափյուղա) ենթաշերտեր, որոնց վրա հետագայում ձևավորվում է կիսահաղորդչային նյութի շերտ, որի մեջ ստեղծվում են միկրոշրջանային տարրեր։

Միկրոշրջանի բարդության ցուցիչ է ինտեգրման աստիճանը K. որը բնութագրվում է նրանում պարունակվող տարրերի և բաղադրիչների քանակով N՝ K = lgN: որտեղ K-ը կլորացվում է մինչև մոտակա ավելի մեծ ամբողջ թիվը: Ըստ ինտեգրման աստիճանի՝ միկրոսխեմաները բաժանվում են.

ա) Փոքր ինտեգրալ սխեմաները (MIS) ինտեգրման 1-2-րդ աստիճանի սխեմաներ են, որոնք պարունակում են մի քանիից մինչև 100 տարր և բաղադրիչ, որոնք ներառում են մեկ կամ մի քանի տեսակի ֆունկցիոնալ անալոգային կամ տրամաբանական տարրեր: Օրինակ՝ տրամաբանական տարրեր ԵՎ, ԿԱՄ, ՈՉ, ձգաններ, ուժեղացուցիչներ, ֆիլտրեր և այլն:

գ) միջին ինտեգրալային սխեմաներ [SIS] - ինտեգրման 2-3-րդ աստիճանի սխեմաներ, որոնք պարունակում են մի քանի տասնյակից մինչև 1000 տարրեր և բաղադրիչներ, որոնք ներառում են էլեկտրոնային սարքերի մեկ կամ ավելի նույնական ֆունկցիոնալ միավորներ (գրանցիչ, հաշվիչ, ապակոդավորիչ, միայն կարդալու համար): հիշողության սարք):

դ) խոշոր ինտեգրալ սխեմաներ (LSI) - ինտեգրման 3-4-րդ աստիճանի սխեմաներ, որոնք պարունակում են մի քանի հարյուրից մինչև 10000 տարր: որոնք ներառում են մեկ կամ մի քանի ֆունկցիոնալ միավոր (թվաբանական տրամաբանական միավոր, պատահական մուտքի հիշողություն, վերածրագրավորվող միայն կարդալու հիշողություն):

ե) Շատ լայնածավալ ինտեգրալ սխեմաները (VLSI) 5-7 աստիճանի ինտեգրման ինտեգրալ սխեմաներ են, որոնք ամբողջական միկրոէլեկտրոնային արտադրանք են, որոնք ունակ են կատարել սարքավորումների (օրինակ՝ միկրոպրոցեսոր) գործառույթները։

Նկ.1-33 Կիսահաղորդչային IC

Կիսահաղորդչային միկրոսխեմաներն ունեն ինտեգրման ամենաբարձր աստիճանը: Նկար 1-33-ը ցույց է տալիս ինվերտորի կիսահաղորդչային չիպը և դրա միացման դիագրամը: Պարզության համար տարրերը դասավորված են մեկ տողում, բոլոր տարրերը տեղադրվում են մեկ p-տիպի սիլիկոնային վաֆլի մեջ (Գլուխ 1.2.1): Փոխադարձ ազդեցությունը բացառելու համար ակտիվ և պասիվ տարրերը տեղադրվում են ենթաշերտից մեկուսացված կղզիներում։ Վերևից ենթաշերտը պաշտպանված է մեկուսիչ շերտով, որի վրա կիրառվում են հաղորդիչ ուղիներ՝ տարրերը միմյանց միացնելով։

Միկրոշրջանների արտադրության համար օգտագործվում է հարթ տեխնոլոգիա, որն օգնում է միաժամանակ մի տեխնոլոգիական գործընթացում մեծ քանակությամբ միկրոսխեմաներ ստանալ։ Մեկ սիլիկոնային վաֆլի վրա ստեղծվում են տարբեր կառուցվածքներ՝ կազմելով ամբողջական միացում՝ ներառելով ակտիվ և պասիվ տարրեր։

Հիմնական կիսահաղորդչային նյութերը, որոնց վրա ներկայումս արտադրվում են կիսահաղորդչային միկրոսխեմաներ, սիլիցիում և գերմանիում են, սակայն դրանք ավելի խոստումնալից են: սիլիցիում է։ SN-ը հեշտությամբ ընտրովի դիֆուզիոն է, ունի ավելի բարձր դիմադրություն և թույլ է տալիս ընդլայնել միկրոսխեմաների աշխատանքային ջերմաստիճանների շրջանակը: Սիլիցիումի մակերեսի վրա հեշտությամբ ձևավորվում է օքսիդ թաղանթ: որը ծառայում է որպես պաշտպանիչ ծածկույթ մի շարք տեխնոլոգիական գործողությունների ժամանակ և պաշտպանում է պատրաստի միացումը արտաքին ազդեցություններից։

Նկ.1-34 Ֆոտոդիմակներ

Թիթեղի մակերեսը օքսիդացնելուց հետո անհրաժեշտ է դրա վրա ընտրել տեղային տարածքներ, որոնց մեջ պետք է իրականացվի դիֆուզիոն։ Այդ նպատակով օգտագործվում է ֆոտոլիտոգրաֆիայի մեթոդը։ Միկրոշրջանների արտադրության համար անհրաժեշտ են մի քանի (5-20) տարբեր ֆոտոդիմակներ։ Նկար 1-34-ը ցույց է տալիս ֆոտոդիմակների հավաքածու՝ պարզ չիպ պատրաստելու համար:

Նկարագրված արտադրական գործընթացը թույլ է տալիս ստանալ մի քանի տասնյակ չիպսեր միջին և բարձր աստիճանինտեգրում, այսինքն՝ այնքան, որքան կարելի է տեղադրել մոտ 70 մմ տրամագծով մեկ սիլիկոնային վաֆլի վրա։ Թիթեղը բաժանված է առանձին միկրոսխեմաների: որոնք կնքված են բնակարանում: Միկրոշրջանի նախնական կոնտակտային բարձիկներն հաղորդիչներով միացված են գործի տերմինալներին:

2 ուժեղացուցիչ

2.1 Հիմնական պարամետրեր

Էլեկտրոնային ուժեղացուցիչը սարք է, որը մեծացնում է էլեկտրական ազդանշանի լարումը, հոսանքը և հզորությունը՝ վերահսկելով հզոր էներգիայի աղբյուրի հոսանքը։ Գրեթե ամենուր, որտեղ օգտագործվում են էլեկտրոնային սարքեր, էլեկտրական ազդանշանները պետք է ուժեղացվեն, և յուրաքանչյուր հատուկ սարք պահանջում է ուժեղացուցիչի իր պարամետրերն ու բնութագրերը: Գրեթե անհնար է արտադրել պատրաստի ուժեղացուցիչ սարքեր շատ լայն տեսականիով, որը կբավարարի ցանկացած սպառողի։ Հետևաբար, արդյունաբերությունը յուրացրել է մի շարք հիմնական էլեկտրոնային ուժեղացուցիչների արտադրությունը, որոնց պարամետրերը և բնութագրերը կարող են կարգավորվել արտաքին սխեմաների միջոցով: Դրանց մեջ առանձնահատուկ տեղ են զբաղեցնում օպերացիոն ուժեղացուցիչները (op-amps), որոնք ներկայումս ունիվերսալ հիմնական են: էլեկտրոնային ուժեղացուցիչների և էլեկտրոնային սարքավորումների այլ անալոգային բաղադրիչների կառուցման տարրեր:

Օպերացիոն ուժեղացուցիչների վրա հիմնված ուժեղացուցիչների պարամետրերը և բնութագրերը

Էլեկտրոնային ուժեղացուցիչների հիմնական պարամետրերի ցանկը պարունակում է ավելի քան 30 միավոր: Ամենակարևոր պարամետրերից մեկը լարման շահումն է Ku - ուժեղացուցիչի ելքային լարման հարաբերակցությունը մուտքային լարման:

Ku \u003d Uout / Uin.

Պարամետրերը, ինչպիսիք են մուտքային դիմադրությունը Rin-ը և ելքային դիմադրությունը Rout-ը, թույլ են տալիս գնահատել էլեկտրոնային ուժեղացուցիչի համապատասխանությունը ուժեղացուցիչին միացված այլ էլեկտրոնային բաղադրիչների հետ:

Rin մուտքային դիմադրությունը թույլ է տալիս հաշվարկել ուժեղացուցիչի մուտքային շղթայի ազդեցությունը դրան միացված սարքի էլեկտրական պարամետրերի վրա և որոշել ուժեղացուցիչի մուտքային սխեմայի կողմից սպառված հզորությունը:

Rin = dUin / dIin, որտեղ

dUin - լարման ավելացում ուժեղացուցիչի մուտքի մոտ;

dIin - ուժեղացուցիչի մուտքում dUin-ին համապատասխանող ընթացիկ աճ:

Մի շարք պարամետրեր, ինչպիսիք են Ucm լարման խառնուրդը, մուտքային հոսանքը Iin, շահույթի ոչ գծայինությունը (K-ի կախվածությունը մուտքային լարումից), առավելագույն ելքային լարման ճոճանակը և այլն, որոշում են իրական ուժեղացուցիչների հատկությունների տարբերությունը: իդեալական գծային ուժեղացուցիչ և թույլ է տալիս որոշել մուտքային ազդանշանի ուժեղացման սխալները: Նույն նպատակների համար ներդրվում են ուժեղացուցիչի մի շարք բնութագրեր՝ ամպլիտուդա-հաճախականություն, փուլային հաճախականություն, ջերմաստիճան, առատություն և այլն, որոնք հնարավորություն են տալիս հետևել ուժեղացուցիչների հիմնական պարամետրերի կախվածությանը արտաքին սխեմաների ազդանշանային պարամետրերից: և շրջակա միջավայրը։

2.2 Ուժեղացուցիչի բնութագրերը

2.2.1 Ամպլիտուդային արձագանք

Նկ.2-1 AX ուժեղացուցիչ

AX-ը որոշում է ելքային ազդանշանի (հոսանք, լարում կամ հզորություն) ամպլիտուդի կախվածությունը մուտքային ազդանշանի A 2 =F(A 1) ամպլիտուդից:

Ուժեղացուցիչի աշխատանքային տարածքը բնութագրվում է իր դինամիկ տիրույթով: D db \u003d 20Lg (U 1 max / U 1 min) - դինամիկ միջակայք, արտահայտված դեցիբելներով (dB) (10 անգամ՝ 20 դԲ, 100 անգամ՝ 40 դԲ, 1000 անգամ՝ 60 դԲ և այլն): Ուժեղացուցիչի իրական դինամիկ միջակայքը մոտ 60 դԲ է:

2.2.2 Հաճախականության արձագանք (AFC):

Նկ.2-2 Ազդեցություն ընդդեմ հաճախականության

Կ ուժեղացուցիչի շահույթը փոփոխվում է ուժեղացված ազդանշանի հաճախականությամբ f. Կախվածությունը K=F(f) պարունակում է տեղեկատվություն ինչպես ձեռքբերման, այնպես էլ հաճախականության հատկությունների մասին:

Նկ. 2-3 Տարբեր ուժեղացուցիչների հաճախականության արձագանքը

Շահույթը վերացնելու համար ներմուծվում է M=K f /K 0 պարամետրը՝ հաճախականության աղավաղման գործակիցը։ Հաճախականության հատկությունները որոշվում են հաճախականության արձագանքով - սա կախվածությունն է M = F (f), որտեղ f-ը հաճախականությունն է:

Նկար 2-4 Տիպիկ ուժեղացուցիչի հաճախականության արձագանքը

Նկարում ներկայացված տիպի ամենատարածված հաճախականության արձագանքը:

Այստեղ f n-ը ստորին սահմանափակող հաճախականությունն է, f in-ը վերին սահմանափակող հաճախականությունն է:

∆f=f in -f n - թողունակություն:

Եթե ​​∆f>>f 0 - լայնաշերտ ուժեղացուցիչ: Երբ ∆f<

2.2.3 Փուլային արձագանք

Նկ.2-5 Մուտքային և ելքային ազդանշանների ալիքային ձևեր

Ուժեղացուցիչի ելքային ազդանշանը կարող է փուլային տեղաշարժվել մուտքի նկատմամբ: Այս տեղաշարժի կախվածությունը հաճախականությունից փուլային հաճախականության բնութագրիչն է:

Նկար 2-6 - Ուժեղացուցիչի փուլային արձագանք

Ձայնային հաճախականության ուժեղացուցիչներում PFC-ն չի օգտագործվում, քանի որ ականջը չի տարբերում փուլային աղավաղումները: Տեսանյութերի ուժեղացուցիչներում փուլային աղավաղումները խստորեն նորմալացվում են, քանի որ դրանք հանգեցնում են պատկերի մեծ աղավաղումների։

2.2.4 Անցումային արձագանք.

Նկար 2-7 Ուժեղացուցիչ RH

Անցումային բնութագիրը կոչվում է h(t) ֆունկցիա, որտեղ h(t)=U 2 /U 2∞ , t 0.9 -t 0.1 =t n - ազդանշանի բարձրացման ժամանակը δ i - արտանետումները HRP-ում:

Տեսանյութի ուժեղացուցիչների համար t n \u003d 0.1-1 ms

Տեսատեխնոլոգիայի մեջ δ i 10% արտանետումները թույլատրելի են:

2.2.5 Տիպիկ ուժեղացման փուլ տրանզիստորի վրա, որը միացված է ըստ OE շղթայի:

Բրինձ. 2-8 Ընդհանուր թողարկիչ տրանզիստորի ուժեղացուցիչի փուլ

R k-ը ծանրաբեռնվածության դիմադրություն է, դրա վրա ∆I k-ն ստեղծում է լարման անկում ∆U R n = ∆I դեպի R n, որը ելքային ազդանշան է։ R n \u003d (1 - 10) կՕհմ;

R 1, R 2-ը լարման բաժանարար է, որը հիմքում փոքր դրական պոտենցիալ է սահմանում արտանետիչի նկատմամբ: (100 - 300) կՕմ;

C 1 և C 2-ը բաժանարար կոնդենսատորներ են, որոնք բաժանում են ազդանշանի մշտական ​​բաղադրիչը տրանզիստորի մուտքի և ելքի վրա: (1 - 5) uF;

R E - արտանետող ջերմային կայունացման դիմադրություն: Կտրուկ նվազեցնում է տրանզիստորի հոսանքի փոփոխությունը, երբ այն ջեռուցվում է: (500 Ohm - 2 kOhm);

C E - կոնդենսատոր, վերականգնում է փոփոխական բաղադրիչի շահույթը, որը նվազել է R E. (500 - 5000) uF-ի ընդգրկման պատճառով;

Կիրառվող մուտքային լարումը U-ում առաջացնում է EB-ի ∆U-ի փոփոխություն, որն իր հերթին առաջացնում է կոլեկտորի հոսանքի փոփոխություն: Եվ կոլեկտորի հոսանքի փոփոխությունն առաջացնում է ∆U k-ի փոփոխություն: Քանի որ Rk-ը կարող է բավականաչափ մեծ ընտրվել, ∆Ube-ի փոքր փոփոխությունները շատ ավելի մեծ փոփոխություններ են առաջացնում ∆U k-ում, ազդանշանն ուժեղանում է.

Ուժեղացուցիչների պարամետրերը և բնութագրերը կարող են ճշգրտվել՝ օգտագործելով հետադարձ կապը: Հետադարձ կապը ուժեղացուցիչի մուտքի և ելքի միջև կապն է, որի դեպքում ելքային էներգիայի մի մասը սնվում է ուժեղացուցիչի մուտքին: Սարքը, որը միացնում է ուժեղացուցիչի ելքային միացումը մուտքին, կոչվում է հետադարձ կապ: B-ն հետադարձ կապի փոխանցման գործակիցն է, այն սովորաբար սահմանվում է պասիվ սխեմաներով (ռեզիստորներ, կոնդենսատորներ, ինդուկտացիաներ): Ըստ B հետադարձ կապի մուտքային շղթայի միացման եղանակի՝ ուժեղացուցիչ K-ի ելքային տերմինալներին, առանձնանում են լարման հետադարձ կապը (նկ. 1) և հոսանքի հետադարձ կապը (նկ. 2): Հետադարձ կապի ելքային շղթան ուժեղացուցիչի մուտքային տերմինալներին միացնելու եղանակի համաձայն՝ լինում են սերիական (նկ. 3) և զուգահեռ (նկ. 4) հետադարձ կապ։ Կախված նրանից, թե ելքային լարումը (հոսանքը) կավելացվի մուտքային լարմանը (հոսանքին) կամ հանվի, հետադարձ կապը համապատասխանաբար կոչվում է դրական (POS) կամ բացասական (OOS): Ամենից հաճախ օգտագործվում է շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը, քանի որ. PIC-ը հանգեցնում է անկայունության:

Նկ.2-9 Հետադարձ կապի տեսակները

Նշումներ 1,2,3,4 նկարներում.

Ug - ազդանշանի աղբյուր U լարման հետ;

Rg - ազդանշանի աղբյուրի ներքին (ելքային) դիմադրություն;

K - ուժեղացուցիչ K շահույթով;

B - հետադարձ կապ փոխանցման B գործակցով;

Rn - բեռի դիմադրություն:

Ցանկացած բացասական արձագանք (NFB) հանգեցնում է շահույթի նվազմանը և դրա կայունացմանը:

Սերիական լարման հետադարձ կապը մեծացնում է Rin-ը և նվազեցնում Rout-ը:

Սերիական ընթացիկ արձագանքը մեծացնում է Rin-ը և մեծացնում Rout-ը:

Զուգահեռ լարման հետադարձ կապը նվազեցնում է Rin-ը և նվազեցնում Rout-ը:

Զուգահեռ ընթացիկ արձագանքը նվազեցնում է Rin-ը և մեծացնում Rout-ը:

Kos - սերիական լարման հետադարձ կապով ծածկված ուժեղացուցիչի ավելացումը հաշվարկվում է բանաձևով. Kos \u003d K / (1 + K V) \u003d Uout / Ug Rin.os և Rout.os - ուժեղացուցիչի մուտքային և ելքային դիմադրությունը: այս դեպքում հայտնաբերվում է հարաբերակցություններից.

Rin os \u003d Rin (1+ VK); (2)

Rout os = Rout / (1 + BK): (3)

Զուգահեռ լարման FOS-ի համար Rin-ը հաշվարկվում է բանաձևով.

Rin os = R1 + 1 / Rin + (1 + HF) (4)

Եկեք որոշենք, օրինակ, K os ուժեղացուցիչի հզորությունը, որը ծածկված է OOS շարքով լարման առումով Նկ. 2-10:

Նկ.2-10 Սերիական լարման հետադարձ կապ

β=U OS /U 2; U OS \u003d U 2 β;

K=U 2 /(U 1 -U OS)=U 2 /(U 1 -U 2 β);

U 2 =KU 1 -KβU 2; U 2 =KU 1 /(1+Kβ); Հետևաբար.

K os \u003d U 2 / U 1 \u003d K / (1 + Kβ) - ուժեղացուցիչի ավելացում, որը ծածկված է բացասական արձագանքով,

1+Кб=А – հետադարձ խորություն; K os \u003d K / A.

A-ի խորությամբ CNF-ի ներդրմամբ, շահույթը նվազում է A գործակցով, բայց միևնույն ժամանակ, ջերմաստիճանի և մատակարարման լարման փոփոխության հետևանքով առաջացած շահույթի անկայունությունը, շղթայի պարամետրերի տարածումը: տարրերը, ինչպես նաև աղմուկը և փոփոխական հոսանքի ֆոնը նվազում են մոտավորապես Ա գործակցով։

Եթե ​​A=2 - 5, ապա հետադարձ խորությունը համարվում է փոքր։

Եթե ​​A=5 - 20 միջին արձագանքման խորություն

Եթե ​​A> 20 խորը արձագանք:

2.3.2 Հետադարձ կապ ուժեղացուցիչներում

Նկ.2-11 Էմիտերի հետևորդ

Նկար 2-11-ի ուժեղացուցիչը ծածկված է մի շարք լարման հետադարձ կապով: OS շղթայի փոխանցման գործակիցը β=1 է և K os =K/(1+Kβ)=K/(1+K)~1, ուստի շղթան կոչվում է էմիտերի հետևորդ (EP): EP-ն օգտագործվում է որպես ելքային փուլ, երբ մալուխը միացված է որպես բեռ կամ ծանրաբեռնվածության դիմադրությունը ցածր է, ինչպես նաև սարքի առանձին բլոկների անջատման համար: Նման ուժեղացուցիչում տրանզիստորը միացված է ըստ OB սխեմայի:

ՕՀ-ի օրինակ երկաստիճան ուժեղացուցիչում

Նկ.2-12 Երկաստիճան ուժեղացուցիչ

Ուժեղացուցիչը Նկ. 2-12 ընդհանուր սերիական OOS-ով լարման համար (օգտագործելով R os), բացի այդ, առաջին փուլը ծածկված է հոսանքի համար տեղական սերիական OOS-ով (օգտագործելով R e1): C e1 կոնդենսատորը բացակայում է, քանի որ այն կարող է կարճ միացնել հետադարձ կապի միացումը:

Նկ.2-13 Ուժեղացուցիչի համարժեք միացում

Հերթական OOS-ը լարման առումով նվազեցնում է R-ն և մեծացնում R-ն, A \u003d 1 + Kβ անգամ:

Զուգահեռ լարման հետադարձ կապը նաև նվազեցնում է R-ը A=1+Kβ անգամ, բայց նաև նվազեցնում է մուտքային դիմադրությունը:

Որպեսզի ուժեղացուցիչն օգտագործվի տարբեր պայմաններում, ցանկալի է, որ R-ն հնարավորինս մեծ լինի, իսկ R-ն ավելի քիչ (նկ. 2-13): Հետեւաբար, ամենատարածված սերիայի լարման հետադարձ կապը

2.3.3 Տրանզիստորային ուժեղացուցիչի ջերմային կայունացում

Գործողության ընթացքում տրանզիստորը տաքանում է, նրա հոսանքն ավելանում է, և բնականոն աշխատանքը խաթարվում է: Այս երեւույթը նվազեցնելու համար օգտագործվում է OOS:

ա) Ջերմային կայունացում հաջորդական OOS-ի օգնությամբ Նկ. 2-11. Այս շղթայում Ue-ն հետադարձ լարումն է, Ueb \u003d U1-Ue-ն հսկիչ լարումն է: Երբ ջեռուցվում է, I k-ն ավելանում է, U e-ն ավելանում է, ինչը հանգեցնում է U eb-ի և I k-ի նվազմանը, Կոլեկտորի հոսանքը կայունանում է:

բ) Ջերմային կայունացում զուգահեռ NFB-ի օգնությամբ.

Հետադարձ կապը ստեղծվում է բազայի և թողարկողի միջև միացված դիմադրության միջոցով: Տրանզիստորի տաքացման ժամանակ կոլեկցիոների հոսանքի աճով, լարման անկումը R-ից դեպի U R-ից մինչև \u003d I-ից մինչև R-ն մեծանում է, և կոլեկտորի ներուժը U-ից դեպի \u003d U փոս -U R-ից նվազում է, ինչը նվազեցնում է բազային հոսանքը և , հետևաբար, կոլեկտորի հոսանքը: Հետևաբար, R b ռեզիստորը այս ընդգրկմամբ ստեղծում է OOS, որը կայունացնում է տրանզիստորի հոսանքը:

2.4 DC ուժեղացուցիչներ

2.4.1 UPT տրանզիստորների վրա:

Նկ.2-14 Անհավասարակշռված DC

Սրանք ուժեղացուցիչներ են, որոնք ուժեղացնում են ազդանշանները՝ սկսած f=0 հաճախականությունից։ Հետեւաբար, նրանք երբեք չեն օգտագործում կոնդենսատորներ: R 1 , R 2 բաժանարարի օգնությամբ U B =U A պոտենցիալը սահմանվում է U-ում =0, U դուրս =U A -U B =0: UPT-ները ենթարկվում են դրեյֆի երևույթին, որը բաղկացած է նրանից, որ U դուրսը դանդաղորեն փոխվում է պատահականորեն, նույնիսկ երբ U-ն = const:

Շեղման պատճառները.

տրանզիստորների և ռեզիստորների անկայունությունը ջերմաստիճանի փոփոխություններով,

ծերացման տարրեր,

Էլեկտրաէներգիայի մատակարարման անկայունություն:

Դրեյֆը նվազեցնելու համար օգտագործվում են բարձր կայուն դիմադրություններ, ցածր դրեյֆի տրանզիստորներ և լարման կայունացում:

Գոյություն ունեն շղթայի մեթոդներ՝ շեղումը նվազեցնելու համար: Դրանցից մեկը հավասարակշռված ուժեղացման սխեմաների օգտագործումն է:

Նկ.2-15 Հավասարակշռված UPT

Եթե ​​VT1 և VT2 տրանզիստորները ունեն մոտավորապես նույն շեղումը, ապա ժամանակի ընթացքում U A և U B-ն նույն կերպ կփոխվեն, և դրանց տարբերությունը U A -U B \u003d, այսինքն ՝ շեղումը զգալիորեն կրճատվում է:

Երբ ուժեղացված ազդանշան է կիրառվում VT1-ի վրա, U AB-ը փոխվում է հակաֆազում՝ U մուտքագրմամբ: Մուտքային VT2-ը կարող է օգտագործվել նաև ազդանշաններ մատակարարելու համար, այնուհետև U AB-ը փոխվում է նույն փուլում U մուտքագրմամբ: Հետևաբար, U in2-ը ուղղակի մուտք է, U in1-ը շրջված մուտք է:

2.4.2 Գործառնական ուժեղացուցիչներ

OA - էլեկտրական ազդանշանների ուժեղացուցիչ, որը պատրաստված է ուղիղ միացումներով (DC) 2.4.1 ինտեգրալ սխեմայի տեսքով և նախատեսված է OOS-ով սխեմաներում աշխատելիս անալոգային ազդանշանների վրա տարբեր գործողություններ կատարելու համար:

Նկ. 2-16 Op-amp-ի սխեմատիկ նշանակումը

2.4.2.1 ՕՀ-ն միացնելու ուղիներ

1. Inverting op-amp:

Նկար 217 Op-amp հակադարձ միացում

Քանի որ Ua=U2/Kou շատ փոքր է, A մուտքագրումը կոչվում է վիրտուալ զրո: Մենք համարում ենք իդեալական op-amp, որի համար R-ն =∞, R out = 0, K U, oy =∞: I=E/(R 1 +R g) (1); I 2 =-I 1 (2); I 2 =U 2 /R OS (3); փոխարինեք (1) և (3) (2), ապա մենք ստանում ենք. U 2 /R os =-E/(R 1 +R 2); K inv \u003d U 2 / E \u003d - R os / (R 1 + R g) (4)

Եթե ​​R g \u003d 0, ապա | K inv | \u003d R OS / R 1

R 2 =R 1 II R os-ը նշանակելիս զգալիորեն նվազեցնում է ուժեղացուցիչի շեղումը:

R in, inv \u003d R 1 OA ծածկված է զուգահեռ OOS-ով լարման համար, հետևաբար R out. inv. =0.
Ուժեղացուցիչը կոչվում է շրջող, քանի որ ելքային լարումը մուտքի նկատմամբ ֆազից դուրս է (հակադարձ): Սա նաև նշվում է (4) բանաձևի մինուս նշանով:

2. Ոչ inverting op-amp:

Op-amp-ը ծածկված է մի շարք OOS-ով լարման առումով (նկ. 2.18): Այս շղթայում Rg-ը չի ազդում շահույթի վրա: Քանի որ մուտքերի պոտենցիալները շատ մոտ են, ապա E \u003d U R 1 \u003d U 2 R 1 / (R 1 + R os): Հետևաբար, K-ն ոչ inv =U 2 /E=(R 1 +R os)/R 1 =1+R os /R 1 =1+|K inv |

Նկ.2-18 Ոչ շրջվող օպերացիոն ուժեղացուցիչ

Երկրորդ սխեմայում R os =0, ուստի K-ն inv =1 չէ և այն կրկնող է:

Քննարկվող ուժեղացուցիչները կոչվում են op-amps, քանի որ նրանք կարող են կատարել տարբեր գործողություններ.

1) նույն մուտքի վրա կիրառվող ազդանշանների ավելացում.

2) տարբեր մուտքերի վրա կիրառվող ազդանշանների հանում.

3) ՕՀ-ի շղթայում ներառելով ոչ գծային տարրեր (դիոդներ)՝ հնարավոր է իրականացնել լոգարիթմ և հզորացում։

4) ՕՀ-ի շղթայում ներառելով ռեակտիվ տարրեր (C)՝ հնարավոր է կատարել ինտեգրման և տարբերակման գործողություններ.

2.4.2.2 Օպերացիոն ուժեղացուցիչի ավելացման կարգավորում

Հզորությունը կարելի է կարգավորել՝ պարզապես փոխելով R 1-ը և R oc-ը (գլուխ 2.4.2.1):

Մեթոդի թերությունները. DC ռեժիմը և մուտքային դիմադրությունը փոխվում են, ոչ գծային ճշգրտում է ստացվում, երբ փոխվում է R 1-ը:

1).Դիսկրետ պարամետր Կu;

Նկ.2-19 Ձեռքի ճշգրտում անջատիչով

Հետադարձ կապի խորությունը փոխվում է հետադարձ կապի միացման անջատիչով:

2) K os-ի սահուն տեղադրում (նկ. 2-20)

Նկ.2-20 Ձայնի ճշգրտում պոտենցիոմետրով

2.4.2.3 Op-amp ընտրովի ուժեղացուցիչներ

Նրանց հաճախականության արձագանքը (գլուխ 2.2.2) նման է Նկ.2-21-ին

Նկ.2-21 Ընտրովի ուժեղացուցիչի հաճախականության արձագանք

Ուժեղացուցիչները կառուցվում են հաճախականությամբ ընտրող սխեմաների միջոցով, ինչպիսին է Վիենի կամուրջը:

Նկար 2.22 Վիենի կամուրջը և դրա հաճախականության արձագանքը

Այս R-C միացումն ընդգրկված է օպերացիոն ուժեղացուցիչի դրական հետադարձ կապի միացումում (նկ. 2-23):

Նկ. 2-24 Op-amp ընտրովի ուժեղացուցիչ

Ինքնագրգռումից խուսափելու համար հետադարձ կապի ուժեղացուցիչի շահույթը պետք է լինի Կոս<3.Для этого нужно очень точно устанавливать сопротивления R1 и Rос.

Ընտրովի ուժեղացուցիչ, որը հիմնված է 2T-կամուրջի վրա

Նկ.2-25 2T կամուրջը և դրա հաճախականության արձագանքը

2.4.2.4 DT-ի որոշ կիրառություններ

Նկ.2-26 Հոսանքի լարման փոխարկիչ

Քանի որ մուտքային հոսանքը և հետադարձ հոսանքը հավասար են (Նկար 2-26), ելքային լարումը համաչափ է մուտքային հոսանքի:

Նկ. 2-27 Լարման հոսանքի փոխարկիչ. բեռներ R n

Այս դեպքում բեռը ներառված է հետադարձ կապի շղթայում (նկ. 2-27):

Նկ.2-28 Op-amp լարման կարգավորիչ

Նկ.2-28-ի սխեման թույլ է տալիս կարգավորել U stab2 \u003d-U stab1 R os /R 1՝ փոխելով R os-ը:

Թերությունփոքր հոսանքներ, որոնք կարելի է քաշել op-amp-ից: Շղթայի ելքում հոսանքը մեծացնելու համար հզոր տրանզիստորի վրա տեղադրվում է էմիտերի հետևորդ (Գլուխ 2.3.2):

Նկ.2-29 Ստաբիլիզատորի ելքը գերբեռնվածությունից պաշտպանությամբ

Բեռի հոսանքի R n-ի աճով (օրինակ, կարճ միացման դեպքում) ընթացիկ VT1-ը կբարձրանա մինչև անընդունելի արժեք, բայց միևնույն ժամանակ R դիմադրության լարումը մեծանում է, այն բացում է VT2: VT2-ի միջոցով պարզվեց, որ VT1 բազան միացված է թողարկիչին և VT1-ը փակվում է։ R ext-ի վրա լարումը ձգտում է զրոյի: VT2 փակվում է. Կրկին առաջանում է գերբեռնվածություն և գործընթացը կրկնվում է, արդյունքում U stub-ն ունի (1) ձևը:

Նկար 2-30 Op-amp էլեկտրամատակարարում երկու աղբյուրներից Նկ. 2-31 Սխեման զեներ դիոդների վրա բաժանարարով:

Նկ. 2-31-ում շղթայի նորմալ աշխատանքի համար անհրաժեշտ է, որ զեների դիոդային շղթայի հոսանքը I stub >= 1,5 I oy:

Սխեմայի թերությունը. U>U 1 +U 2 քանի որ R սահմանաչափով: լրացուցիչ լարման անկումներ.

Նկ. 2-32 Շղթա ռեզիստորային բաժանարարով

Այս շղթայի նորմալ աշխատանքի համար, Նկար 2-32, անհրաժեշտ է. I R1, R2 >=10I oy

3 Ուղղիչներ

3.1 Ընդհանուր տեսություն

Ուղղիչները նախատեսված են փոփոխական լարումը (հոսանքը) հաստատուն փոխարկելու համար: Դրանք օգտագործվում են կիսահաղորդչային և ինտեգրված տարրերի վրա հիմնված գրեթե բոլոր սարքերը սնուցելու համար, էլեկտրական եռակցման և մետաղաձուլման արդյունաբերական կայանքներում, էլեկտրոլիզի պրոցեսների տեխնոլոգիայի, տարբեր էլեկտրական շարժիչների համար: Փոխադրամիջոցև այլն: Կախված փուլերի քանակից, առանձնանում են միաֆազ և բազմաֆազ (սովորաբար եռաֆազ) ուղղիչները։ Հզորության առումով ուղղիչները բաժանվում են փոքր, միջին և բարձր հզորության ուղղիչներ: Ցածր հզորության ուղղիչները սովորաբար միաֆազ են, միջին և բարձր հզորությունը եռաֆազ են:

Ցածր հզորության ուղղիչի ընդհանրացված բլոկային դիագրամը ներկայացված է Նկար 3-1-ում: AC ցանցի լարումը Tr տրանսֆորմատորի օգնությամբ վերածվում է U2 պահանջվող արժեքի լարման և այնուհետև մատակարարվում է B բլոկին, որը հավաքվում է կիսահաղորդչի կամ որևէ այլ դիոդի (փականների) վրա, որի ելքում Ub լարումը դառնում է միաբևեռ։ , բայց արժեքով տատանվում է ժամանակի ընթացքում (զարկերակային), հաճախ B բլոկից հետո դնում են F ֆիլտր,

Նկ3-1 Փոքր հզորության ուղղիչի բլոկային դիագրամ

Սովորաբար բաղկացած է C և L տիպի պասիվ տարրերից, և ավելի քիչ հաճախ ակտիվ տարրերից՝ տրանզիստորներից, որոնք լավ անցնում են միայն ուղղված լարման մշտական ​​բաղադրիչը բեռի մեջ։ Ճիշտ ընտրված F ֆիլտրի տարրերով, Uf լարումը իր ելքում ունի շատ փոքր ալիքներ: Եթե ​​փականի փոխարկիչը B-ը հավաքվում է կառավարվող տարրերի վրա (թրիստորներ, տրանզիստորներ), ապա դրան ավելացվում է համակարգ, որը վերահսկում է փականների բացման և փակման գործընթացները (CS):

Բեռի մեջ շտկված լարումը կարող է մեծապես տարբերվել ինչպես AC ցանցի լարման ամենօրյա տատանումների, այնպես էլ բեռի հոսանքի մեծության փոփոխությունների արդյունքում: Բեռի վրա անհրաժեշտ լարման կայունությունն ապահովելու համար օգտագործվում է լարման շտկված կայունացուցիչ (St):

Ուղղիչ սարքերի գործառնական հատկությունները բնութագրվում են հետևյալ հիմնական քանակներով.

Ա.Ուղղված լարման և հոսանքի միջին արժեքը (U 0, I 0):

բ. Արդյունավետության գործակից (արդյունավետություն):

Վ. Ծածանք p գործակիցը, որը որոշվում է շտկված լարման առաջին ներդաշնակ U m 1 ամպլիտուդի հարաբերակցությամբ նրա միջին բաղադրիչի U 0 p=U m 1 / U 0 արժեքին:

Գ.Արտաքին բնութագիր - ելքային (ուղղված) լարման կախվածությունը U 0 \u003d f (I n) բեռի կողմից սպառված հոսանքի քանակից:

դ.Կարգավորող բնութագիր - շտկված լարման կախվածությունը փականների կառավարման անկյունից (ժամանակին):

3.2 Կիսալիքային ուղղիչ:

Ուղղումը հիմնված է կիսահաղորդչային դիոդների միակողմանի հաղորդունակության (դարպասի հատկությունների) վրա (գլուխ 1.3): Կիսալիքային (մեկ ցիկլով) ուղղիչի դիագրամը և շտկված լարման Un-ի և հոսանքի գծապատկերները ներկայացված են Նկ. 3-2-ում: Էլեկտրաէներգիայի տրանսֆորմատորը Tr-ն անհրաժեշտ է պահանջվող արժեքի լարումը և ռադիոէլեկտրոնիկայի մեջ ձեռք բերելու և Rn բեռնվածքի սխեմաները և AC ցանցը առանձնացնելու համար: Դիոդը D (նկ. 2-34ա) հոսանք է անցկացնում փոփոխական լարման այդ կիսաշրջանում, երբ պոտենցիալը Ub > Ua է: Հոսանքը հոսում է B - Rn - D - A շղթայի միջով: Փոխարինվող Ua > Ub լարման երկրորդ կիսաշրջանի ընթացքում շղթայում գործնականում ընթացիկ փակող դիոդ չկա: Պուլսացիոն հոսանքը In-ը բեռի վրա ստեղծում է նույն ձևի իմպուլսացիոն լարում (նկ. 3-2բ):

Նկ.3-2 Կիսալիքային ուղղիչ

3.3 Ամբողջական ալիքի ուղղիչ

Այն ցույց է տրված 3-3ա-ում, այն թույլ է տալիս ստանալ բեռնվածքի մեջ հոսող հոսանքը՝ փոփոխական լարման երկու կիսաշրջանների ընթացքում: Սա ձեռք է բերվում երկու երկրորդական ոլորուն AB և BC և երկու դիոդ օգտագործելով: Թողեք առաջին կիսաշրջանում Ua > Ub > Us Այնուհետև հոսանքը հոսում է A - D1 - Rn - B շղթայի միջով, ինչպես մեկ կիսաալիքային ուղղման դեպքում: Երկրորդ կես ցիկլի ընթացքում Ua< Ub < Uс и ток протекает по цепи С - D2 – Rн - В. Направление тока через нагрузку остается неизменным. Форма выпрямленного тока и напряжения (временная диаграмма) в этом случае показана на рис.3-3в.

Նկար 3-3 Ամբողջական ալիքի ուղղիչներ

Ծածանքների հաճախականությունը հավասար է փոփոխական լարման կրկնակի հաճախականությանը: Ուղղիչ տրանսֆորմատորի fig3-3a երկրորդական ոլորուն ունի երկու անգամ ավելի շատ պտույտներ, քան տրանսֆորմատորը fig3-2a: Սա մեծացնում է ուղղիչ միավորի չափը և արժեքը: Լրիվ ալիքային կամուրջների ուղղիչի մեջ նման թերություն չկա (նկ. 3-3b): Երբ պոտենցիալ Ua\u003e Ub, ընթացիկ հոսում է միացում A-D1-Rn-D3-B. Երկրորդ կիսաշրջանի ընթացքում Ub > Ua և ընթացիկ ուղին B-D4-Rн-D2-A է: Rn-ի միջով հոսանքի ուղղությունը մնում է անփոփոխ և, հետևաբար, իրականացվում է ամբողջական ալիքային ուղղում։ Ուղղիչի ժամանակային դիագրամները Fig.3-3c նույնն են, ինչ ուղղիչները Fig.3-3a:

3.4 Զտիչներ

Որպես ամենապարզ զտիչ, օգտագործվում է բավականաչափ մեծ հզորության C կոնդենսատոր, որը միացված է բեռին զուգահեռ: Փոխարինելով տրանսֆորմատորը փականների հետ միասին (օրինակ, նկ. 2ա-ի շղթայում) Uv լարման և ներքին դիմադրությամբ r x համարժեք գեներատորով, մենք ստանում ենք ուղղիչի համարժեք միացում (նկ. 3-4ա): Դրանում r x-ը որոշվում է տրանսֆորմատորի փականների և ոլորունների ընդհանուր դիմադրությամբ, U in - պարապ ռեժիմում շտկված լարման արժեքով (Rn = oo): Կիրխհոֆի օրենքներից հետևում է, որ բեռնվածքի լարումը (տերմինալներ cd) հավասար կլինի.

Նկար 3-4 Ուղղիչի համարժեք դիագրամ

Un = Uv-(Is + In)r x, (1)

որտեղ Ic-ը կոնդենսատորի լիցքավորման հոսանքն է, In-ը բեռնվածքի հոսանքն է:

Նկար 3-4-ը ցույց է տալիս նաև կիսաալիքի (վերին) և լրիվ ալիքի (ստորին) ուղղիչի ալիքի ձևերը: իսկ t2-t3 միջակայքում այն ​​մասամբ լիցքաթափվում է Rn-ի միջոցով, քանի որ այս դեպքում փականի բլոկի դիոդները փակ են և թույլ չեն տալիս, որ այն լիցքաթափվի տրանսֆորմատորի ոլորուն միջոցով: Նման ֆիլտրը զգալիորեն նվազեցնում է շտկված լարման ալիքը: Հարթեցման որակը բնութագրվում է ծածանք p գործակցով՝ արտահայտված որպես տոկոս

p = (Um / Uo) *100% ,

որտեղ Um-ը առաջին ներդաշնակության ամպլիտուդն է,

Uo-ն շտկված լարման մշտական ​​բաղադրիչն է:

Կոնդենսիվ ֆիլտրը նվազեցնում է ծածանքը մինչև 5-15%-ով՝ համեմատաբար 157%-ի և 66,7%-ի համեմատ՝ առանց ֆիլտրի կիսաալիք և լրիվ ալիք ուղղիչ սարքերի համար: Հզոր ֆիլտրով ալիքային գործոնի արժեքը որոշվում է բանաձևերով

p \u003d 600 Io / UoCo - մեկ ալիքի ուղղիչի և

p \u003d 300 Io / UoCo - ամբողջական ալիքի համար:

Այստեղ Co-ն uF-ում է, Io-ն՝ mA-ում, Uo-ն՝ V-ում:

Էլեկտրոնային սարքավորումները սնուցելու համար թույլատրվում է p = 0,05–1% կամ ավելի քիչ, հետևաբար օգտագործվում են ավելի բարդ զտիչներ:

Պուլսացիաների մեծությունը նույնպես զգալիորեն կրճատվում է St. կայունացման միավորով (նկ. 3-1):

Ուղղիչ սարքերի հաշվարկման բանաձևեր

Նկ.3-5 Կիսալիքային ուղղիչ

1) Դիոդների հաշվարկ՝ Imax=7I 0,Uarr=3U 0

2) Տրանսֆորմատորի հաշվարկ. U 2 \u003d 0,75U 0 + I 0 (R i + R tr) / 265

R i – դիոդի ներքին դիմադրություն R iGe =500/I0(mA), R iSi =100/I0(mA):

R tr - տրանսֆորմատորի ներքին ոլորունների դիմադրություն R tr \u003d 500U 0 / (I 0 (U 0 I 0) 1/4), Երկրորդական ոլորուն հոսանք. I 2 \u003d 2I 0 + 12U 0 / (R i + R tr)

3) Կոնդենսատորի հաշվարկ. U C 0 \u003d 1.2U 0 p 0 \u003d 600I 0 / U 0 C 0; C 0 \u003d 600I 0 / U 0 p 0:

Ամբողջական ալիքի միջին կետի ուղղիչ

1) Դիոդների ընտրություն՝ Uobr=3U 0 , Imax=3.5I 0

2) Տրանսֆորմատորների ընտրություն՝ U 2 \u003d 0.75U 0 + I 0 (Ri + Rtr) / 530

Rtr=1000/I 0 (U 0 I 0) 1/4 I2=I0+12U0/(Ri+Rtr)

3) կոնդենսատորի հաշվարկ՝ C 0 \u003d 300I 0 / U 0 P 0 (%); U C 0 \u003d 1.2U 0

Full Wave Bridge Rectifier

1) Uobr=1.5U 0, Imax=3.5I 0

2) U 2 \u003d 0,75U 0 + I 0 (2R i + R tr) / 530; R tr \u003d 830 / I 0 (U 0 I 0) 1/4; I 2 \u003d 21/2 I 0 +16.6U 0 / (2R i + R tr)

3) C 0 \u003d 300I 0 / U 0 p 0 (%); U C0 \u003d 1.2U 0

L-աձև ֆիլտրի հաշվարկ.

ա)LC - զտիչ

Նկ.3-6 L-աձև LC ֆիլտր

Կես ալիքի համար Ամբողջական ալիքի ուղղիչի համար

LC=10r 0 /r LC=2.5r 0 /r

բ)RC - զտիչ

Նկ.3-7 L-աձև RC ֆիլտր

Զտիչի տարրերը որոշվում են արտահայտություններից.

Կես ալիքից մինչև լրիվ ալիք ուղղիչի համար

RC=3000r 0 /r RC=1500r 0 /r

4 Ստաբիլիզատորներ

4.1 Պարամետրային կայունացուցիչներ

Ուղղիչի ելքային լարումը անկայուն է: Օրինակ, սպառվող հոսանքի I n-ի ավելացմամբ, ֆիլտրի կոնդենսատորը C-ն ավելի մեծ չափով լիցքաթափվում է t2-t3 ժամանակային միջակայքում (նկ. 3-4), հետևաբար, այն վերալիցքավորելու համար t1-t2 ժամանակահատվածում: , պահանջվում է ավելի մեծ լիցքավորման հոսանք Ic: Բայց հետո (1) հավասարումից կարելի է տեսնել, որ լարման կորուստը r z դիմադրության վրա կաճի, իսկ U n-ը կնվազի: Նկար 3-8-ի գրաֆիկը ցույց է տալիս առանց ֆիլտրի ուղղիչի արտաքին բնութագրերը - Ic = 0 և կոնդենսիվ ֆիլտրով - Ic > 0: Բնութագրերը կառուցված են (1) հավասարման հիման վրա՝ հաշվի առնելով այն փաստը. որ փականներն ունեն դիմադրություն, որը ոչ գծային կախված է հոսող հոսանքից:

Նկ.3-8 Ուղղիչի բեռնվածքի բնութագրերը

Որպեսզի U n-ի արժեքը գործնականում չփոխվի ընթացիկ In-ի աճով, ուղղիչի մեջ մտցվում է լարման կայունացուցիչ:

Ցածր բեռնվածքի հոսանքների և Ust-ի ցածր կայունության պահանջների դեպքում օգտագործվում են սիլիկոնային զեներ դիոդի ամենապարզ պարամետրային կայունացուցիչները (Գլուխ 1.4) (նկ. 3-9ա): Սիլիցիումի զեներ դիոդի ընթացիկ-լարման բնութագիրը (նկ. 3-9b) ունի mn հատված, որի վրա, երբ հոսանքը I min-ից I max է փոխվում, լարումը մնում է գրեթե հաստատուն:

Նկ.3-9 Ամենապարզ կայունացուցիչը և դրա ծանրաբեռնվածության բնութագիրը: Որպեսզի zener-ի դիոդի միջոցով հոսանքը չգերազանցի I m h, ռեզիստորը R b միացված է: Երբ բեռնվածքի հոսանքը կամ լարումը փոխվում է, U f \u003d U b + U st փոխվում է, միայն U b, իսկ U st \u003d U n-ը մնում է հաստատուն:

Անհրաժեշտության դեպքում ավելացրեք Ust-ը, zener դիոդները միացված են հաջորդաբար: Fig.3-9a կայունացուցիչը նվազեցնում է հարաբերական լարման փոփոխությունները 5-10 անգամ: Բայց անհնար է փոխել Ust-ի արժեքը պարամետրային կայունացուցիչում Այն որոշվում է ընտրված zener դիոդով: Եթե ​​նման կայունացումը չի համապատասխանում պահանջներին, ապա օգտագործվում են կիսահաղորդչային փոխհատուցման լարման կայունացուցիչներ:

4.2 Փոխհատուցող կայունացուցիչներ

Նկար 3-9ա-ում ներկայացված է կայունացման սկզբունքը, որը հիմնված է բեռի լարման փոփոխությունների փոխհատուցման վրա՝ փոխելով փոփոխական դիմադրության R1 դիմադրության արժեքը՝ միացված Rn բեռի հետ սերիայով:

Նկ.3-10 Փոխհատուցման կայունացուցիչ

Դիտարկվող շղթայի համար մենք կարող ենք գրել հավասարումը

Un \u003d Uf - I 1 * R 1, (3)

այսինքն՝ Un լարումը բեռնվածքում փոքր է շտկված լարումից (ֆիլտրի ելքում) Uf փոփոխական ռեզիստորի R 1 լարման անկման քանակով։ Փոխելով դիմադրության արժեքը՝ կարող եք կարգավորել լարման Un. Ուղղված dUf լարման ցանկացած փոփոխության համար, անալոգիայով (3) հավասարման հետ, կարող ենք գրել, որ

dUн \u003d dUf - dI 1 * R 1: (4)

Հետևաբար, R 1-ի արժեքը միշտ դնելով այնպես, որ dUf \u003d dI 1 *R 1 հավասարությունը կատարվի, մենք ստանում ենք dUn = 0, այսինքն, բեռի վրա լարումը հաստատուն կլինի:

Un լարման կայունացման գործընթացը ավտոմատացնելու համար որպես փոփոխական դիմադրություն R1 (նկ. 3-10b) օգտագործվում է բարձր հզորության տրանզիստոր VT1 (Նկար 3-10b), իսկ տրանզիստորը VT2 վերահսկում է դրա դիմադրությունը: Կոլեկտորի հոսանքը VT2 փոխվում է լարման փոփոխությամբ Un. Հետեւաբար, VT1 տրանզիստորի բազային հոսանքը փոխվում է և, հետևաբար, դրա դիմադրությունը: Օժանդակ դեր է խաղում պարամետրային կայունացուցիչը R4-V3՝ ապահովելով տեղեկատու (հաստատուն) լարում VT2 էմիտերի մոտ, որի հետ համեմատվում են բեռնվածքի լարման փոփոխությունները՝ R1-R3 բաժանարարի միջոցով հասնելով VT2 բազային: Սխեման աշխատում է հետևյալ կերպ. Թող, չգիտես ինչու, Un լարումը սկսի նվազել (3-րդ կետի համեմատ fn-ի պոտենցիալը մեծանում է): Այնուհետև VT2 բազային պոտենցիալը նույնպես մեծանում է արտանետիչի համեմատ (այն դառնում է պակաս բացասական), և նրա բազային հոսանքը Ib2 նվազում է: Այս դեպքում կոլեկտորի հոսանքը Ik2 \u003d b2 * Ib2 (b2-ը VT2 տրանզիստորի ընթացիկ փոխանցման գործակիցն է) կնվազեցնի VT1 տրանզիստորի հիմքի ներուժը (Ub1 \u003d Uk2 ~ Uf - Ik2 * R5) և, հետևաբար, նվազեցրեք VT1 տրանզիստորի դիմադրությունը: Միևնույն ժամանակ, U1 լարումը \u003d անխուսափելիորեն նվազում է I1*Rv1 (տես Նկար 3-10b), իսկ բեռնվածքի լարումը Un = Uf - I1*Rv1 գործնականում կմնա անփոփոխ.

Կայունացված ուղղիչ սարքերի արտաքին բնութագրերը ներկայացված են Նկ.3-11-ում: Լարման կայունությունը Un-ը պահպանվում է պարամետրային (կոր 2) և փոխհատուցման (կոր 3) կայունացուցիչներով

Նկ.3-11. Ուղղիչ սարքերի արտաքին բնութագրերը.

1 - առանց կայունացուցիչի; 2 - պարամետրային կայունացուցիչով; 3 - փոխհատուցման տիպի տրանզիստորային կայունացուցիչով:

Մինչև առավելագույն բեռնվածքի հոսանքի որոշակի արժեք՝ կախված օգտագործվող կիսահաղորդչային սարքերի տեսակից: Փոխհատուցման տիպի կայունացուցիչը շատ լավ հարթեցնում է ալիքները, եթե դրանք չափազանց մեծ չեն ուղղիչի ելքի վրա, և մուտքային լարման անկումը չի հանում կարգավորիչը իր սովորական աշխատանքային տարածքից:

4.3 Անցման լարման կարգավորիչ

> Վերոնշյալ կայունացուցիչների թերությունները.

1) ցածր արդյունավետություն՝ 50%-ից ոչ ավելի.

2) ֆիլտրում կոնդենսատորի և ինդուկտիվության մեծ չափերը.

Այս թերությունները վերացվում են զարկերակային (բանալին) կայունացուցիչ օգտագործելիս: Այս կայունացուցիչում VT տրանզիստորը դրվում է հիմնական ռեժիմում.

Նկ.3-12 Անցման լարման կարգավորիչ

PWM գեներատորը ապահովում է զարկերակային լայնության մոդուլյացիա, որի դեպքում Ug գեներացված իմպուլսների լայնությունը համաչափ է Ucontrol կարգավորող լարման հետ:

Անջատիչ կայունացուցիչի աշխատանքային գործընթացը

1) Զարկերակային U հսկողության ժամանակ տրանզիստոր VT բացվում է, հզորությունը C-ն լիցքավորվում է ինդուկտիվության միջոցով

2) VT1-ը փակվում է, ինդուկտիվությունը և հզորությունը էներգիա են տալիս սպառողին: Դիոդ VD-ն տեղադրվում է ինդուկտիվության հակադարձ հոսանքը հզորության և բեռի միջոցով փակելու համար: PWM գեներատորը առաջացնում է իմպուլսների հաջորդականություն դեպի բազային VT, որի լայնությունը կախված է U-ից: Իմպուլսի տևողությունը t և \u003d K (U op -U out R 1 / (R 1 + R 2))

3) Եթե, օրինակ, ելքային լարումը նվազում է, ապա իմպուլսների տեւողությունը մեծանում է։ Սա մեծացնում է ինդուկտիվության մեջ պահվող էներգիան և ելքային լարումը պահպանվում է հաստատուն: Ժամացույցի հաճախականությունը մոտավորապես 20 կՀց է: Կոնդենսատորը բավականին հաճախ է «սնվում», ուստի դրա հզորությունը շատ ավելի քիչ է, քան անընդհատ կայունացուցիչ օգտագործելիս:

5 Գեներատորներ

5.1 Սինուսային ալիքի գեներատոր

GSK-ն ինքնավար ինքնավար տատանվող սխեմաների հիման վրա ստեղծված սարք է, որտեղ լարման և հոսանքի սինուսոիդային փոփոխություն տեղի է ունենում առանց լրացուցիչ պարբերական ազդանշանի կիրառման։ Սա ուղղակի հոսանքի էներգիայի փոխակերպումն է սինուսոիդային էլեկտրական տատանումների էներգիայի։

Type GeneratorԼ- Գ:

Նկ.3-13 LC գեներատոր ինդուկտիվ հետադարձ կապով

Գեներացումը տեղի է ունենում կոլեկտորի և տրանզիստորի հիմքի միջև դրական արձագանքի շնորհիվ՝ կծիկների միջև փոխադարձ ինդուկտիվության միջոցով: Տատանումները տեղի են ունենում, երբ բավարարվում են երկու պայմաններ.

1) Ամպլիտուդային պայմանը, որը բավարարվում է, եթե Lsv և L կծիկները գտնվում են բավական մոտ:

2) փուլային վիճակ. Coil Lsv-ը պետք է միացված լինի, որպեսզի ստացված արձագանքը դրական լինի: Այնուհետեւ տեղի են ունենում տատանումներ ω 2 LC=1 հաճախականությամբ; Հետեւաբար ω=1/(LC) 1/2 ; f=1/2π(LC) 1/2 f>=150 կՀց հաճախականությամբ գեներատորներ կառուցված են այս սխեմայով։ Ավելի ցածր հաճախականությունների համար օգտագործվում են RC oscillators:

Գոտու տեսություն պինդ նյութեր

1. Մետաղները լավ են անցկացնում էլեկտրականությունը։

Դիէլեկտրիկները (մեկուսիչները) լավ չեն անցկացնում հոսանքը:

Մետաղների էլեկտրական հաղորդունակություն 10 6 – 10 4 (Օմ×սմ) -1

10 -10 (Օհմ×սմ) պակաս դիէլեկտրիկների հաղորդունակությունը -1

Միջանկյալ էլեկտրական հաղորդունակությամբ պինդ մարմինները կոչվում են կիսահաղորդիչներ:

2. Կիսահաղորդիչների և մետաղների տարբերությունը դրսևորվում է ջերմաստիճանից էլեկտրական հաղորդունակության կախվածության բնույթով։

Նկ.1

Ջերմաստիճանի նվազման դեպքում մետաղների հաղորդունակությունը մեծանում է, իսկ մաքուր մետաղների դեպքում բացարձակ զրոյին մոտենալու դեպքում հակված է անսահմանության: Կիսահաղորդիչներում, ընդհակառակը, ջերմաստիճանի նվազման դեպքում հաղորդունակությունը նվազում է, իսկ բացարձակ զրոյի մոտ կիսահաղորդիչը դառնում է մեկուսիչ։

3. Ոչ դասական էլեկտրոնի տեսությունէլեկտրական հաղորդունակությունը, ոչ էլ քվանտային տեսություն, հիմնվելով ազատ ֆերմանի մոդելի վրա, չի կարող պատասխանել այն հարցին, թե ինչու են որոշ մարմիններ կիսահաղորդիչներ, իսկ մյուսները՝ հաղորդիչներ կամ դիէլեկտրիկներ։

4. Հարցին պատասխանելու համար անհրաժեշտ է դիտարկել վալենտային էլեկտրոնների փոխազդեցության հարցը բյուրեղային ցանցի ատոմների հետ՝ օգտագործելով քվանտային մեխանիկայի մեթոդները։

5. Շրյոդինգերի հավասարումը լուծելը 10 23 կարգի փոփոխականների թվով է. մաթեմատիկական խնդիրանհույս դժվարություն.

Հետեւաբար, պինդ մարմինների ժամանակակից քվանտային տեսությունը հիմնված է մի շարք պարզեցումների վրա։ Այդպիսի տեսություն է պինդ մարմինների տեսությունը։ Անունը կապված է բյուրեղներում էլեկտրոնների էներգիայի մակարդակների բնորոշ խմբավորման հետ մակարդակների գոտիների:

Շղթայի տեսությունը հիմնված է հետևյալ ենթադրությունների վրա.

1) Վալենտային էլեկտրոնների շարժումն ուսումնասիրելիս բյուրեղային ցանցի դրական իոնները իրենց մեծ զանգվածի պատճառով դիտվում են որպես էլեկտրոնների վրա գործող դաշտի անշարժ աղբյուրներ.

2) Տիեզերքում դրական իոնների դասավորությունը համարվում է խիստ պարբերական՝ դրանք գտնվում են տվյալ բյուրեղի իդեալական բյուրեղյա ցանցի հանգույցներում։

3) Էլեկտրոնների փոխազդեցությունը միմյանց հետ փոխարինվում է որոշ արդյունավետ ուժային դաշտով.

Խնդիրը կրճատվում է բյուրեղի պարբերական ուժային դաշտում էլեկտրոնի շարժումը դիտարկելով:

U(r) էլեկտրոնի պոտենցիալ էներգիան պարբերաբար փոխվում է։

§2. Բյուրեղային մարմնի ամենապարզ մոդելը

Սա միաչափ Kronig-Penny մոդել է, բյուրեղի դրական իոնների պարբերական էլեկտրական դաշտը մոտավոր է «ատամնավոր պատի» տիպի պոտենցիալով։

Նկ.2

Նկարը ցույց է տալիս պոտենցիալ հորերի և պատնեշների հերթափոխը:

Շրյոդինգերի հավասարման լուծում պոտենցիալ հորի համար.

Հնարավոր խոչընդոտների լուծում.

Որտեղ ;

, .

X n - կոորդինատը հաշվվում է n-րդ բաժնի սկզբից: Լուծումները գրվում են յուրաքանչյուր հորի և պատնեշի համար, այնուհետև լուծումները «կարվում են» և ստացվում է հիմնական հավասարումը բյուրեղի պարբերական դաշտում էներգիայի մակարդակները որոշելու համար։

(3)

Որտեղ ատամի տարածքն է։

Նկ.3

Շրյոդինգերի հավասարման լուծման գրաֆիկական պատկերը՝ ըստ Քրոնիգ–Պենի։

Cos k′a-ն կարող է տատանվել –1-ից մինչև +1:

Մենք գծեցինք աբսցիսային առանցքի զուգահեռ ուղիղներ և գտնում ենք այդ ուղիղների հատման կետերը գրաֆիկի հետ, բաց թողնում ուղղահայացները և գտնում (3) հավասարման արմատները։ Այս տարածքները նշված են թավ գծերով: Այսպիսով, E(k)-ի թույլատրելի արժեքներն ունեն դիսկրետ բնույթ (զոնալ): Եթե ​​առանցքը (Ka) շրջված է ուղղահայաց դիրքի, ապա մենք ստանում ենք էներգիայի գոտիների գտնվելու թույլատրելի և արգելված պատկեր:

Նկ.4

Նկար 4-ում բյուրեղում էլեկտրոնների էներգիայի սպեկտրն ունի ժապավենային կառուցվածք:

L-ն շղթայի օղակի երկարությունն է:

Ալիքի վեկտորի արժեքներ. α-ն ցանցի հաստատունն է:

Բյուրեղը կազմող ատոմների վալենտային մակարդակներից ստացված գոտին կոչվում է վալենտական ​​գոտի:

Ներքին մակարդակներից ծագող շերտերը միշտ ամբողջությամբ լցված են էլեկտրոններով։

Մասամբ լցված կամ չլցված կարող է լինել արտաքին վալենտային մակարդակը (հաղորդման գոտի):

Նկ.5 Նկ.6

3S էլեկտրոնները ամենաթույլ սահմանն են: Երբ առանձին ատոմներից պինդ մարմին է գոյանում, այդ էլեկտրոնների ալիքային ֆունկցիաները համընկնում են։

Էլեկտրոնային ալիքային ֆունկցիաների տարածական չափը կախված է քվանտային թվերից։ Մեծ քվանտային թվերի դեպքում էլեկտրոնային ալիքային ֆունկցիաները տարածվում են միջուկից մեծ հեռավորությունների վրա՝ այս մակարդակների համար փոխադարձ ազդեցությունատոմները կհայտնվեն ատոմների միջև մեծ հեռավորությունների վրա: Սա հստակ երևում է Նկար 7-ում՝ որպես օրինակ օգտագործելով նատրիումի ատոմների մակարդակները: 1S, 2S, 2P մակարդակներում հարևան ատոմների ազդեցությունը գործնականում չի ազդում, մինչդեռ 3S, 3P և ավելի բարձր մակարդակներում այդ ազդեցությունը նշանակալի է, և այդ մակարդակները վերածվում են էներգիայի գոտիների: 3S - էլեկտրոնների համար կա էներգիայի նվազագույն քանակ, որն ապահովում է նատրիումի ատոմների կայուն պինդ վիճակի կոնֆիգուրացիա R ~ 3A միջին միջատոմային հեռավորության վրա: Նատրիումի ատոմում 3S էլեկտրոնի էներգիայի վրա ազդում է հարևան ատոմների ազդեցությունը, ինչը նշանակում է նաև այս էլեկտրոնների ալիքային ֆունկցիաների նկատելի համընկնումը։ Հետեւաբար, այլեւս հնարավոր չէ ասել, որ կոնկրետ 3S - էլեկտրոնը կապված է կոնկրետ ատոմի հետ: Երբ այլ ատոմների առկայությունը փոխում է առանձին ատոմի պոտենցիալ ջրհորը (Նկար 5, Նկար 6), ստացված Կուլոնյան պոտենցիալն այլևս չի պահի 3S - էլեկտրոնները հատուկ ատոմների շուրջ, այնպես որ դրանք կարող են տեղակայվել պինդ նյութի ցանկացած վայրում, 3S ալիքային ֆունկցիաների՝ էլեկտրոնների համընկնման արդյունք։ Բայց 3S - էլեկտրոնները չեն կարող ազատորեն հեռանալ պինդից, քանի որ նրանց ալիքային ֆունկցիաները «չեն անցնում» նյութից այն կողմ: Պինդ մարմնում էլեկտրոնների կապի էներգիան հավասար է φ աշխատանքային ֆունկցիային:

Չորս ատոմներից բաղկացած պինդ մարմինը կունենա ընդհանուր առմամբ չորս մակարդակ՝ բաշխված էներգիայի որոշակի տիրույթում:

Նկ.8

Օրինակ՝ ջրածնի ատոմի հիմնական վիճակում էլեկտրոնը կարող է լինել երկու վիճակներից մեկում՝ պտտվելով վեր կամ վար: Չորս պրոտոններից բաղկացած համակարգում կա ութ հնարավոր վիճակ: Բայց եթե ավելացնեք ևս երեք էլեկտրոն՝ չորս ջրածնի ատոմ ստանալու համար, ապա չորս վիճակ կզբաղեցվի, և յուրաքանչյուր էլեկտրոնի համար կլինի երկու վիճակ։ Ատոմների մոտեցման ազդեցությունը դրսևորվում է առանձին վիճակների էներգիայի փոփոխությամբ

որտեղ է մեկուսացված ատոմի էներգիան, արդյո՞ք էներգիայի փոփոխությունները կապված են համապատասխան պրոտոնների 2, 3, 4 ազդեցության հետ: R-ն ատոմների միջև հեռավորությունն է:

Ատոմների մոտեցման ազդեցությունը դրսևորվում է աճով ընդհանուր թիվըմակարդակները։ Իրական մարմինը պարունակում է մոտ 10 23 առանձին մակարդակներ, որոնք շարունակաբար բաշխվում են որոշակի ընդմիջումից՝ կազմելով էներգիայի թույլատրելի արժեքների գոտի (նկ. 9): Նույն իրավիճակը հիմնականում տեղի է ունենում ցանկացած ատոմի վալենտային էլեկտրոնների համար:

Նկ.9

Պինդ նատրիումում 3S - էլեկտրոնային գոտին արտաքին է, կիսով չափ լցված: Լցված մակարդակների վերին սահմանն ընկնում է գոտու մեջտեղում։ Էլեկտրոնը կարող է շարժվել դեպի ավելի բարձր ազատ մակարդակ այս գոտում ջերմային կամ էլեկտրական գրգռման պատճառով: Հետևաբար, պինդ նատրիումը լավ էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակություն ունի: Նկար 10-ը ցույց է տալիս հաղորդիչների ժապավենային կառուցվածքը (նատրիում): Վերին գոտին մասամբ լցված գոտի է։ Ստորին գոտիները լցված են էլեկտրոններով։

Եթե ​​գոտու էներգիայի մակարդակների քանակը ավելի շատ համարէլեկտրոնները դրա մեջ, ապա էլեկտրոնները հեշտությամբ գրգռվում են, դրանով իսկ ապահովելով հաղորդունակություն, բայց եթե գոտու բոլոր մակարդակները լցված են, ապա հաղորդունակությունը անհնար է կամ դժվար:

Օրինակ՝ սիլիցիումի, գերմանիումի, ածխածնի (ադամանդի) մեջ P-կեղևի վրա կա երկու էլեկտրոն և առաջանում է S և P-օրբիտալների խառը կոնֆիգուրացիա (օրբիտալը ալիքային ֆունկցիա է, որը նկարագրում է տվյալ քվանտային վիճակը), ինչը ստիպում է. նկ.11-ում ներկայացված չորս ատոմների կոնֆիգուրացիան (էլեկտրոնների Կուլոնյան վանման էներգիան նվազագույն է):

Նկ.11

S և P - էլեկտրոնների ալիքային ֆունկցիաները կազմում են մեկ ամբողջովին դատարկ հիբրիդային SP - գոտի և մեկ լցված հիբրիդային SP - գոտի: Լցված և դատարկ գոտիները բաժանված են բավականին նշանակալի էներգիայի միջակայքով կամ արգելված էներգիայի արժեքների շերտով: Մեկուսիչների համար ժապավենի բացվածքի բնորոշ արժեքը ~5 էՎ է և ավելի: Կիսահաղորդիչների ժապավենի բացը (Գերմանիա 0,67 էՎ, սիլիցիում 1,12 էՎ) գտնվում է 0,1 ¸ 3 էՎ սահմաններում:

Կիսահաղորդիչները և մեկուսիչները միմյանցից տարբերվում են միայն ժապավենի բացվածքով:

§ Բլոխի թեորեմ

Բլոխի թեորեմն ասում է, որ պարբերական պոտենցիալով ալիքի հավասարման սեփական ֆունկցիաները հարթ ալիքի ֆունկցիայի արտադրյալի ձևն ունեն.

Ֆունկցիայի վրա, որը պարբերական ֆունկցիա է բյուրեղային ցանցում.

Ցուցանիշը ցույց է տալիս, որ այս ֆունկցիան կախված է ալիքի վեկտորից:

Ալիքային ֆունկցիան կոչվում է Բլոխի ֆունկցիա։ Այս կարգի Շրյոդինգերի հավասարման լուծումները բաղկացած են շրջող ալիքներից, այդպիսի լուծումներից կարելի է կազմել ալիքային փաթեթ, որը կներկայացնի իոնային միջուկների կողմից ստեղծված պարբերական պոտենցիալ դաշտում ազատորեն տարածվող էլեկտրոն:

Նկ.13

Ալիքի փաթեթի ձևը t=0-ում դե Բրոյլի ալիքների համար: Ամպլիտուդը նշվում է կտրված գծով, ալիքը հոծ գիծ է: X առանցքի երկայնքով մոնոխրոմատիկ հարթ ալիքի շարժումը կարելի է նկարագրել ֆունկցիայով

(1)

Ալիքի տարածման արագությունը կարելի է գտնել որպես հաստատուն փուլի տեղաշարժի արագություն:

(2)

Եթե ​​ժամանակը փոխվում է ∆t-ով, ապա որպեսզի (2) պայմանը բավարարվի, կոորդինատը պետք է փոխվի ∆x-ով, որը կարելի է գտնել հավասարությունից.

դրանք. (3)

Այսպիսով, հաստատուն փուլի տարածման արագությունը, որը կոչվում է փուլային արագություն.

(4)

Ֆոտոնների փուլային արագությունը (m 0 = 0) հավասար է լույսի արագությանը

(5)

V արագությամբ շարժվող էլեկտրոնի փուլային արագությունը կարելի է գրել

(7)

, (7)

դրանք. այն դառնում է լույսի արագությունից ավելի մեծ, քանի որ Վ< с. Это говорит о том, что фазовая скорость не может соответствовать движению частицы или же переносу какой-либо энергии.

Իրական գործընթացը չի կարող լինել զուտ մոնոխրոմատիկ (k = const): Այն միշտ ունի որոշակի լայնություն, այսինքն. բաղկացած է ալիքների մի շարքից՝ մոտ ալիքային թվերով և միևնույն ժամանակ հաճախականություններով։

Օգտագործելով ալիքների մի շարք, հնարավոր է կառուցել ալիքային փաթեթ, որի ամպլիտուդը զրոյական չէ միայն տարածության փոքր տարածքում, որը կապված է մասնիկի գտնվելու վայրի հետ: Ալիքային փաթեթի առավելագույն ամպլիտուդը կտարածվի այնպիսի արագությամբ, որը կոչվում է խմբային արագություն:

Ալիքային փաթեթի B ամպլիտուդը

որտեղ A-ն այս ալիքներից յուրաքանչյուրի մշտական ​​ամպլիտուդն է:

B-ն տարածվում է արագությամբ

Ֆոտոնների համար (m 0 = 0)

Դե Բրոյլի ալիքների համար

դրանք. խմբի արագությունը համընկնում է մասնիկի արագության հետ։

Կետերում և այլն:

Ամպլիտուդայի քառակուսին անհետանում է:

Ալիքային փաթեթների տեղայնացման շրջան

,

որտեղ է ալիքի փաթեթի լայնությունը:

որտեղ է ալիքի փաթեթի տարածման ժամանակը:

Հայզենբերգի անորոշ հարաբերություններ. Որքան փոքր է, այնքան ավելի լայն: Մոնոխրոմային ալիքի համար

որտեղ ամպլիտուդն ամբողջ տարածության մեջ ունի նույն արժեքը, այսինքն. մասնիկի սուպերպոզիցիան (միաչափ դեպք) ամբողջ տարածության մեջ համարժեք է։ Սա ընդհանրացնում է նաև եռաչափ դեպքը։

Ոչ հարաբերական դեպքի համար (m = m 0), ալիքի փաթեթի տարածման ժամանակը

եթե m = 1r, ապա

հալման ժամանակը չափազանց երկար է: Էլեկտրոնի դեպքում m 0 ~ 10 -27 գ (ատոմի չափը),

դրանք. Ատոմում էլեկտրոնը նկարագրելու համար մենք պետք է օգտագործենք ալիքի հավասարումը, քանի որ ալիքի փաթեթը գրեթե ակնթարթորեն տարածվում է:

Ֆոտոնի ալիքի հավասարումը պարունակում է երկրորդ ածանցյալը ժամանակի նկատմամբ, քանի որ ֆոտոնը միշտ հարաբերական մասնիկ է:

Էլեկտրոնի շարժումը բյուրեղում

Շարժման օրենքը համեմատած

Որտեղ

որտեղ m* արդյունավետ զանգվածն է, այն հաշվի է առնում պոտենցիալ դաշտի համատեղ գործողությունը և արտաքին ուժմեկ էլեկտրոնի մեկ բյուրեղի մեջ:

հաղորդման խմբում,

Վալենտական ​​գոտում

Վալենտական ​​գոտում, բայց գերմանիումի և սիլիցիումի գոտում կան ծանր և թեթև անցքեր։ Արդյունավետ զանգվածները միշտ արտահայտվում են որպես իրական զանգվածի կոտորակներ m 0 = 9 10 -28 գ

Արդյունավետ զանգվածը տենզորային մեծություն է, in տարբեր ուղղություններայն տարբեր է, ինչը բյուրեղների անիզոտրոպ հատկությունների հետևանք է։

E k-ը հեղափոխության էլիպսոիդի հավասարումն է և նկարագրվում է զանգվածների երկու արժեքներով և

Էլեկտրոնների և անցքերի էներգետիկ սպեկտրը E և K կոորդինատներում

E(K)-ը քվազիմոմենտի ֆունկցիան է: Իդեալական ցանցում էլեկտրոնի էներգիան քվազիմոմենտի պարբերական ֆունկցիան է։

Էլեկտրոնի իմպուլս

Անցքեր - ավելի ցածր էներգիա ունեցող քվազի-մասնիկները գտնվում են վալենտական ​​գոտու վերին մասում և մեծացնում են իրենց էներգիան՝ շարժվելով էներգիայի սանդղակի երկայնքով դեպի վալենտական ​​գոտի: Անցքերի և էլեկտրոնների համար էներգիաները հաշվվում են հակառակ ուղղություններով:

Էլեկտրոնները և անցքերը, որոնք ունեն ալիքի վեկտոր, կարող են բախվել այլ մասնիկների կամ դաշտերի հետ, կարծես իմպուլս ունեն։

Այն կոչվում է քվազիմոմենտ:

Նշանակում	Անուն
	Էլեկտրոն	-
	Ֆոտոն	էլեկտրամագնիսական ալիք
	Ֆոնոն	առաձգական ալիք
	Պլազմոն	Կոլեկտիվ էլեկտրոնային ալիք
	մագնոն	վերամագնիսացման ալիք
---	Պոլարոն	Էլեկտրոն + առաձգական դեֆորմացիա
---	էքսիտոն	բևեռացման ալիք

Ֆոնոնները ցրում են ռենտգենյան ճառագայթները և նեյտրոնները։

թափ ներս քվանտային մեխանիկաօպերատորը պատասխանում է.

դրանք. հարթ ալիք Ψ k-ը իմպուլսի օպերատորի սեփական ֆունկցիան է, իսկ իմպուլսի օպերատորի սեփական արժեքներն են.

Ֆերմի էներգիան սահմանվում է որպես էլեկտրոնների էներգիա ամենաբարձր լցված մակարդակում

որտեղ n F-ը ամենաբարձր զբաղված էներգիայի մակարդակի քվանտային թիվն է:

որտեղ N-ը ծավալի էլեկտրոնների թիվն է

Էներգիան n F քվանտային թվի քառակուսային ֆունկցիան է:

Պարբերական դաշտում ազատ մասնիկի համար Շրյոդինգերի հավասարումները բավարարող ալիքային ֆունկցիաները շրջող հարթ ալիքներն են.

պայմանով, որ ալիքի վեկտորի բաղադրիչները վերցնեն արժեքները

նմանատիպ բազմություններ K y-ի և K z-ի համար: Ցանկացած վեկտորային բաղադրիչ ունի ձև

n-ը դրական ամբողջ թիվ է կամ բացասական թիվ. Բաղադրիչները քվանտային թվեր են քվանտային թվերի հետ միասին

սահմանելով մեջքի ուղղությունը.

դրանք. ալիքային վեկտոր ունեցող վիճակների էներգիայի սեփական արժեքները

N ազատ էլեկտրոններից բաղկացած համակարգի հիմնական վիճակում (1S) զբաղեցրած վիճակները կարելի է նկարագրել K-տարածության ոլորտի ներսում գտնվող կետերով։ Այս ոլորտի մակերեսին համապատասխանող էներգիան Ֆերմի էներգիան է։ Ալիքային վեկտորները, որոնք «հանգչում են» այս ոլորտի մակերևույթի վրա, ունեն երկարություններ, որոնք հավասար են K F-ին, իսկ մակերեսն ինքնին կոչվում է Ֆերմիի մակերես (այս վիճակում այն ​​գնդիկ է)։ K F - այս ոլորտի շառավիղը

որտեղ է էլեկտրոնի էներգիան ալիքային վեկտորով, որն ավարտվում է ոլորտի մակերեսին:

K x, K y, K z քվանտային թվերի յուրաքանչյուր եռակի համապատասխանում է K-տարածության ծավալային տարրին արժեքով: Հետևաբար, ծավալի ոլորտում թույլատրելի վիճակները նկարագրող կետերի թիվը հավասար է ծավալի բջիջների թվին, և հետևաբար թույլատրված վիճակների թիվը՝

որտեղ ձախ կողմում գործակից 2-ը հաշվի է առնում սպին քվանտային թվի երկու հնարավոր արժեքները

յուրաքանչյուր թույլատրելի արժեքի համար

Վիճակների ընդհանուր թիվը հավասար է N էլեկտրոնների թվին։

Ֆերմի ոլորտի K F շառավիղը կախված է միայն մասնիկների կոնցենտրացիայից և կախված չէ m զանգվածից

Ֆերմիի էներգիան կարելի է սահմանել որպես այդպիսի քվանտային վիճակների էներգիա, դրանց մասնիկով լցնելու հավանականությունը հավասար է 1/2-ի։

եթե E \u003d E F, ապա

դրա արժեքը կարելի է հաշվարկել T=0 բանաձևով

Բայց բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանը հասկացվում է որպես սահման

նկատի ունենալով, որ բացարձակ զրոյին հասանելի չէ և գումարած Պաուլիի սկզբունքը:

Սովորաբար համակարգերը համարվում են ոչ միայն T = 0, այլև ցանկացած ջերմաստիճանում, եթե սահմանային էներգիան , սա դեգեներացիայի պայմանն է, նման մասնիկների բաշխման ֆունկցիան մոտ է «քայլին».

Նման համակարգերի համար, որտեղ E F-ի կախվածությունը ջերմաստիճանից կարելի է անտեսել և հաշվի առնել

Գոյություն ունեն Ֆերմիի մակերեսի պարամետրերի աղյուսակներ մի շարք մետաղների համար, որոնք հաշվարկված են սենյակային ջերմաստիճանի ազատ էլեկտրոնային մոդելի համար (T = 300 0 K):

Էլեկտրոնի կոնցենտրացիան որոշվում է մետաղի վալենտության արտադրյալով՝ 1 սմ 3-ում էլեկտրոնների քանակով։

ապա մենք ստանում ենք.

Կամ եթե,

Օրինակ՝ Լի

Վալանս - 1,

*r 0-ը մեկ էլեկտրոն պարունակող ոլորտի շառավիղն է:

L n - Բորի շառավիղը 0,53 × 10 -8 սմ:

* անչափ պարամետր

Ալիքի վեկտոր K F = 1.11×10 8 սմ -1;

Ֆերմի արագություն V F = 1,29×10 8 սմ/վ;

Ֆերմի էներգիա .

Ֆերմի ջերմաստիճանը

T F-ը ոչ մի կապ չունի էլեկտրոնային գազի ջերմաստիճանի հետ։

Մենք սահմանում ենք - վիճակների թիվը միավորի էներգիայի միջակայքում, այն մասը, որը կոչվում է վիճակների խտություն

;

Պետությունների խտությունը հետևյալն է.

Տարբերակ 5 No 2. Ե F /2-ից մինչև Е F կինետիկ էներգիա ունեցող էլեկտրոնների թիվը որոշվում է հարաբերությամբ.

Նմանապես.

Նույն արդյունքը կարելի է ստանալ

ավելի պարզ ձևով.

Միասնության կարգի ճշգրտությամբ, Ֆերմի էներգիայի մոտ մեկ միավոր էներգիայի միջակայքում վիճակների թիվը հավասար է հաղորդիչ էլեկտրոնների քանակի և Ֆերմի էներգիայի հարաբերությանը:

եզրակացություններ

1. Արդյունավետ զանգվածներ՝ գերմանիում

սիլիցիում

դրանք. Գերմանիումի և սիլիցիումի վալենտական ​​գոտում կան ծանր և թեթև անցքեր։ Վալենտային գոտիները բաղկացած են երեք ենթաշերտից։

2. Ֆերմի մակերեսը տիեզերքում հաստատուն էներգիայի մակերեսն է։ Fermi մակերեսը ժամը բացարձակ զրոառանձնացնում է էլեկտրոններով լցված վիճակները չլրացված վիճակներից: Ֆերմի գունդ. Բոլոր նահանգները Կ<К F являются занятыми.

3. Պինդ մարմինների հատկությունների բազմազանությունը վկայում է քվազիմասնիկների բազմազանության մասին:

4. Մինչեւ վերջերս համարվում էր, որ էլեկտրոնները նման են միմյանց: Երբ մեկն ուզում է ընդգծել երկաթի էլեկտրոնների և պղնձի էլեկտրոնների տարբերությունը, ասում են, որ դրանք տարբեր Fermi մակերեսներ ունեն:

Բրյուսելի համաշխարհային ցուցահանդեսում շենքը հարգանքի տուրք է մատուցում ֆիզիկայի դարաշրջանին: Ներկայացնում է փոխկապակցված ոլորտների ճիշտ համակարգը, որոնց ներսում կան ցուցադրական տարածքներ։ Որոնցից յուրաքանչյուրը (ոլորտը) ներկայացնում է երկաթի իոն, որը կորցրել է մեկ էլեկտրոն: Սա Fermi մակարդակի մակերեսն է:

Յուրաքանչյուր մետաղ ունի միայն Ֆերմիի մակերևույթի իր բնորոշ ձևը, այն սահմանափակում է հաղորդիչ էլեկտրոնների զբաղեցրած իմպուլսի տարածության շրջանը բացարձակ զրոյի վրա: Սրանք տարբեր մետաղների այցեքարտեր են։

...րդ գոտի. Նրանց համար, որոնցում պարսպապատ գոտու լայնությունը չի գերազանցում 1 էՎ-ն, արդեն հաղորդունակության գոտում սենյակային ջերմաստիճանում հայտնվում են բավարար քանակությամբ էլեկտրոններ, իսկ վալենտային գոտում՝ թափուր աշխատատեղեր, որպեսզի հնարավոր լինի բարձրացնել բարձր էլեկտրական հաղորդունակությունը։ . Նման մարմինները ակնհայտորեն կոչվում են napіvprovіdnikami: Եկեք պարզ դարձնենք, որ ես բաժանել եմ մեկ այլ խմբի պինդ մարմինները՝ դիէլեկտրիկների և տաքացուցիչների, մենք հստակ կհասկանանք: ժամը...

Ամբողջ աշխարհում. Եթե ​​1900 թվականին տարեկան արտադրվում էր մոտ 8 հազար տոննա թեթեւ մետաղ, ապա հարյուր տարվա ընթացքում դրա արտադրության ծավալը հասավ 24 միլիոն տոննայի։ 2. Մետաղական հաղորդիչ և կիսահաղորդչային նյութեր, մագնիսական նյութեր 2.1 Էլեկտրական նյութերի դասակարգում Էլեկտրական նյութերը հաղորդիչ, էլեկտրական մեկուսիչ, մագնիսական և ...

Նրանցից անհրաժեշտ արտադրանքի արտադրության մեջ վերամշակման տեսակները. Հետևաբար, տարբեր կիրառությունների համար պետք է ընտրվեն տարբեր նյութեր: Էլեկտրամեկուսիչ նյութերը ընդհանուր առմամբ էլեկտրական նյութերի ամենաբազմաթիվ հատվածն են կազմում. Ժամանակակից էլեկտրական արդյունաբերության մեջ օգտագործվող հատուկ էլեկտրական մեկուսիչ նյութերի առանձին տեսակների թիվը կազմում է հազարավոր ...

1. Մետաղները լավ են անցկացնում էլեկտրականությունը։

Դիէլեկտրիկները (մեկուսիչները) լավ չեն անցկացնում հոսանքը:

Մետաղների էլեկտրական հաղորդունակություն 10 6 – 10 4 (Օմ×սմ) -1

10 -10 (Օհմ×սմ) պակաս դիէլեկտրիկների հաղորդունակությունը -1

Միջանկյալ էլեկտրական հաղորդունակությամբ պինդ մարմինները կոչվում են կիսահաղորդիչներ:

2. Կիսահաղորդիչների և մետաղների տարբերությունը դրսևորվում է ջերմաստիճանից էլեկտրական հաղորդունակության կախվածության բնույթով։

Նկ.1

Ջերմաստիճանի նվազմամբ, մետաղների հաղորդունակությունը ավելանում է, իսկ մաքուր մետաղների համար ձգտում է դեպի անսահմանություն, քանի որ այն մոտենում է բացարձակ զրոյին: Կիսահաղորդիչներում, ընդհակառակը, ջերմաստիճանի նվազման դեպքում հաղորդունակությունը նվազում է, իսկ բացարձակ զրոյի մոտ կիսահաղորդիչը դառնում է մեկուսիչ։

3. Ոչ էլեկտրական հաղորդունակության դասական էլեկտրոնային տեսությունը, ոչ էլ ազատ ֆերմանների մոդելի վրա հիմնված քվանտային տեսությունը չեն կարող պատասխանել այն հարցին, թե ինչու են որոշ մարմիններ կիսահաղորդիչներ, իսկ մյուսները՝ հաղորդիչներ կամ դիէլեկտրիկներ։

4. Հարցին պատասխանելու համար անհրաժեշտ է դիտարկել վալենտային էլեկտրոնների փոխազդեցության հարցը բյուրեղային ցանցի ատոմների հետ՝ օգտագործելով քվանտային մեխանիկայի մեթոդները։

5. Շրյոդինգերի հավասարումը լուծելը 10 23 կարգի փոփոխականների թվով անհույս դժվարության մաթեմատիկական խնդիր է։

Հետեւաբար, պինդ մարմինների ժամանակակից քվանտային տեսությունը հիմնված է մի շարք պարզեցումների վրա։ Այդպիսի տեսություն է պինդ մարմինների տեսությունը։ Անունը կապված է բյուրեղներում էլեկտրոնների էներգիայի մակարդակների բնորոշ խմբավորման հետ մակարդակների գոտիների:

Շղթայի տեսությունը հիմնված է հետևյալ ենթադրությունների վրա.

1) Վալենտային էլեկտրոնների շարժումն ուսումնասիրելիս բյուրեղային ցանցի դրական իոնները իրենց մեծ զանգվածի պատճառով դիտվում են որպես էլեկտրոնների վրա գործող դաշտի անշարժ աղբյուրներ.

2) Տիեզերքում դրական իոնների դասավորությունը համարվում է խիստ պարբերական՝ դրանք գտնվում են տվյալ բյուրեղի իդեալական բյուրեղյա ցանցի հանգույցներում։

3) Էլեկտրոնների փոխազդեցությունը միմյանց հետ փոխարինվում է որոշ արդյունավետ ուժային դաշտով.

Խնդիրը կրճատվում է բյուրեղի պարբերական ուժային դաշտում էլեկտրոնի շարժումը դիտարկելով:

U(r) էլեկտրոնի պոտենցիալ էներգիան պարբերաբար փոխվում է։

§2. Բյուրեղային մարմնի ամենապարզ մոդելը

Սա միաչափ Kronig-Penny մոդել է, բյուրեղի դրական իոնների պարբերական էլեկտրական դաշտը մոտավոր է «ատամնավոր պատի» տիպի պոտենցիալով։

Նկ.2

Նկարը ցույց է տալիս պոտենցիալ հորերի և պատնեշների հերթափոխը:

Շրյոդինգերի հավասարման լուծում պոտենցիալ հորի համար.

Հնարավոր խոչընդոտների լուծում.

Որտեղ ;

, .

X n - կոորդինատը հաշվվում է սկզբնակետից n րդկայք։ Լուծումները գրվում են յուրաքանչյուր հորի և պատնեշի համար, այնուհետև լուծումները «կարվում են» և ստացվում է հիմնական հավասարումը բյուրեղի պարբերական դաշտում էներգիայի մակարդակները որոշելու համար։

(3)

Որտեղ ատամի տարածքն է։

Նկ.4

Նկար 4-ում բյուրեղում էլեկտրոնների էներգիայի սպեկտրն ունի ժապավենային կառուցվածք:

L-ն շղթայի օղակի երկարությունն է:

Ալիքի վեկտորի արժեքներ. α-ն ցանցի հաստատունն է:

Բյուրեղը կազմող ատոմների վալենտային մակարդակներից ստացված գոտին կոչվում է վալենտական ​​գոտի:

Ներքին մակարդակներից ծագող շերտերը միշտ ամբողջությամբ լցված են էլեկտրոններով։

Մասամբ լցված կամ չլցված կարող է լինել արտաքին վալենտային մակարդակը (հաղորդման գոտի):

Նկ.5 Նկ.6

3S էլեկտրոնները ամենաթույլ սահմանն են: Երբ առանձին ատոմներից պինդ մարմին է գոյանում, այդ էլեկտրոնների ալիքային ֆունկցիաները համընկնում են։

Էլեկտրոնային ալիքային ֆունկցիաների տարածական չափը կախված է քվանտային թվերից։ Մեծ քվանտային թվերի դեպքում էլեկտրոնային ալիքային ֆունկցիաները տարածվում են միջուկից մեծ հեռավորությունների վրա, այս մակարդակների համար ատոմների փոխադարձ ազդեցությունը դրսևորվում է ատոմների միջև մեծ հեռավորությունների վրա: Սա հստակ երևում է Նկար 7-ում՝ որպես օրինակ օգտագործելով նատրիումի ատոմների մակարդակները: 1S, 2S, 2P մակարդակներում հարևան ատոմների ազդեցությունը գործնականում չի ազդում, մինչդեռ 3S, 3P և ավելի բարձր մակարդակներում այդ ազդեցությունը նշանակալի է, և այդ մակարդակները վերածվում են էներգիայի գոտիների: 3S - էլեկտրոնների համար կա էներգիայի նվազագույն քանակ, որն ապահովում է նատրիումի ատոմների կայուն պինդ վիճակի կոնֆիգուրացիա R ~ 3A միջին միջատոմային հեռավորության վրա: Նատրիումի ատոմում 3S էլեկտրոնի էներգիայի վրա ազդում է հարևան ատոմների ազդեցությունը, ինչը նշանակում է նաև այս էլեկտրոնների ալիքային ֆունկցիաների նկատելի համընկնումը։ Հետեւաբար, այլեւս հնարավոր չէ ասել, որ կոնկրետ 3S - էլեկտրոնը կապված է կոնկրետ ատոմի հետ: Երբ այլ ատոմների առկայությունը փոխում է առանձին ատոմի պոտենցիալ ջրհորը (Նկար 5, Նկար 6), ստացված Կուլոնյան պոտենցիալն այլևս չի պահի 3S - էլեկտրոնները հատուկ ատոմների շուրջ, այնպես որ դրանք կարող են տեղակայվել պինդ նյութի ցանկացած վայրում, 3S ալիքային ֆունկցիաների՝ էլեկտրոնների համընկնման արդյունք։ Բայց 3S - էլեկտրոնները չեն կարող ազատորեն հեռանալ պինդից, քանի որ նրանց ալիքային ֆունկցիաները «չեն անցնում» նյութից այն կողմ: Պինդ մարմնում էլեկտրոնների կապի էներգիան հավասար է φ աշխատանքային ֆունկցիային:

Չորս ատոմներից բաղկացած պինդ մարմինը կունենա ընդհանուր առմամբ չորս մակարդակ՝ բաշխված էներգիայի որոշակի տիրույթում:

Նկ.8

Օրինակ՝ ջրածնի ատոմի հիմնական վիճակում էլեկտրոնը կարող է լինել երկու վիճակներից մեկում՝ պտտվելով վեր կամ վար: Չորս պրոտոններից բաղկացած համակարգում կա ութ հնարավոր վիճակ: Բայց եթե ավելացնեք ևս երեք էլեկտրոն՝ չորս ջրածնի ատոմ ստանալու համար, ապա չորս վիճակ կզբաղեցվի, և յուրաքանչյուր էլեկտրոնի համար կլինի երկու վիճակ։ Ատոմների մոտեցման ազդեցությունը դրսևորվում է առանձին վիճակների էներգիայի փոփոխությամբ

որտեղ է մեկուսացված ատոմի էներգիան, արդյո՞ք էներգիայի փոփոխությունները կապված են համապատասխան պրոտոնների 2, 3, 4 ազդեցության հետ: R-ն ատոմների միջև հեռավորությունն է:

Ատոմների մոտեցման ազդեցությունը դրսևորվում է մակարդակների ընդհանուր քանակի աճով։ Իրական մարմինը պարունակում է մոտ 10 23 առանձին մակարդակներ, որոնք շարունակաբար բաշխվում են որոշակի ընդմիջումից՝ կազմելով էներգիայի թույլատրելի արժեքների գոտի (նկ. 9): Նույն իրավիճակը հիմնականում տեղի է ունենում ցանկացած ատոմի վալենտային էլեկտրոնների համար:

Նկ.9

Պինդ նատրիումում 3S - էլեկտրոնային գոտին արտաքին է, կիսով չափ լցված: Լցված մակարդակների վերին սահմանն ընկնում է գոտու մեջտեղում։ Էլեկտրոնը կարող է շարժվել դեպի ավելի բարձր ազատ մակարդակ այս գոտում ջերմային կամ էլեկտրական գրգռման պատճառով: Հետևաբար, պինդ նատրիումը լավ էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակություն ունի: Նկար 10-ը ցույց է տալիս հաղորդիչների ժապավենային կառուցվածքը (նատրիում): Վերին գոտին մասամբ լցված գոտի է։ Ստորին գոտիները լցված են էլեկտրոններով։

Եթե ​​գոտում էներգիայի մակարդակների թիվն ավելի մեծ է, քան դրա էլեկտրոնների թիվը, ապա էլեկտրոնները հեշտությամբ գրգռվում են՝ դրանով իսկ ապահովելով հաղորդունակություն, բայց եթե գոտու բոլոր մակարդակները լցված են, ապա հաղորդունակությունը անհնար է կամ դժվար։

Օրինակ՝ սիլիցիումի, գերմանիումի, ածխածնի (ադամանդի) մեջ P-կեղևի վրա կա երկու էլեկտրոն և առաջանում է S և P-օրբիտալների խառը կոնֆիգուրացիա (օրբիտալը ալիքային ֆունկցիա է, որը նկարագրում է տվյալ քվանտային վիճակը), ինչը ստիպում է. նկ.11-ում ներկայացված չորս ատոմների կոնֆիգուրացիան (էլեկտրոնների Կուլոնյան վանման էներգիան նվազագույն է):

Նկ.11

S և P - էլեկտրոնների ալիքային ֆունկցիաները կազմում են մեկ ամբողջովին դատարկ հիբրիդային SP - գոտի և մեկ լցված հիբրիդային SP - գոտի: Լցված և դատարկ գոտիները բաժանված են բավականին նշանակալի էներգիայի միջակայքով կամ արգելված էներգիայի արժեքների շերտով: Մեկուսիչների համար ժապավենի բացվածքի բնորոշ արժեքը ~5 էՎ է և ավելի: Կիսահաղորդիչների ժապավենի բացը (Գերմանիա 0,67 էՎ, սիլիցիում 1,12 էՎ) գտնվում է 0,1 ¸ 3 էՎ սահմաններում:

Կիսահաղորդիչները և մեկուսիչները միմյանցից տարբերվում են միայն ժապավենի բացվածքով:

§ Բլոխի թեորեմ

Բլոխի թեորեմն ասում է, որ պարբերական պոտենցիալով ալիքի հավասարման սեփական ֆունկցիաները հարթ ալիքի ֆունկցիայի արտադրյալի ձևն ունեն.

Ֆունկցիայի վրա, որը պարբերական ֆունկցիա է բյուրեղային ցանցում.

Ցուցանիշը ցույց է տալիս, որ այս ֆունկցիան կախված է ալիքի վեկտորից:

Ալիքային ֆունկցիան կոչվում է Բլոխի ֆունկցիա։ Այս կարգի Շրյոդինգերի հավասարման լուծումները բաղկացած են շրջող ալիքներից, այդպիսի լուծումներից կարելի է կազմել ալիքային փաթեթ, որը կներկայացնի իոնային միջուկների կողմից ստեղծված պարբերական պոտենցիալ դաշտում ազատորեն տարածվող էլեկտրոն:

Նկ.13

Ալիքի փաթեթի ձևը t=0-ում դե Բրոյլի ալիքների համար: Ամպլիտուդը նշվում է կտրված գծով, ալիքը հոծ գիծ է: X առանցքի երկայնքով մոնոխրոմատիկ հարթ ալիքի շարժումը կարելի է նկարագրել ֆունկցիայով

(1)

Ալիքի տարածման արագությունը կարելի է գտնել որպես հաստատուն փուլի տեղաշարժի արագություն:

(2)

Եթե ​​ժամանակը փոխվում է ∆t-ով, ապա որպեսզի (2) պայմանը բավարարվի, կոորդինատը պետք է փոխվի ∆x-ով, որը կարելի է գտնել հավասարությունից.

դրանք. (3)

Այսպիսով, հաստատուն փուլի տարածման արագությունը, որը կոչվում է փուլային արագություն.

(4)

Ֆոտոնների փուլային արագությունը (m 0 = 0) հավասար է լույսի արագությանը

(5)

V արագությամբ շարժվող էլեկտրոնի փուլային արագությունը կարելի է գրել

(7)

, (7)

դրանք. այն դառնում է լույսի արագությունից ավելի մեծ, քանի որ Վ< с. Это говорит о том, что фазовая скорость не может соответствовать движению частицы или же переносу какой-либо энергии.

Իրական գործընթացը չի կարող լինել զուտ մոնոխրոմատիկ (k = const): Այն միշտ ունի որոշակի լայնություն, այսինքն. բաղկացած է ալիքների մի շարքից՝ մոտ ալիքային թվերով և միևնույն ժամանակ հաճախականություններով։

Օգտագործելով ալիքների մի շարք, հնարավոր է կառուցել ալիքային փաթեթ, որի ամպլիտուդը զրոյական չէ միայն տարածության փոքր տարածքում, որը կապված է մասնիկի գտնվելու վայրի հետ: Ալիքային փաթեթի առավելագույն ամպլիտուդը կտարածվի այնպիսի արագությամբ, որը կոչվում է խմբային արագություն:

Ալիքային փաթեթի B ամպլիտուդը

որտեղ A-ն այս ալիքներից յուրաքանչյուրի մշտական ​​ամպլիտուդն է:

B-ն տարածվում է արագությամբ

Ֆոտոնների համար (m 0 = 0)

Դե Բրոյլի ալիքների համար

դրանք. խմբի արագությունը համընկնում է մասնիկի արագության հետ։

Կետերում և այլն:

Ամպլիտուդայի քառակուսին անհետանում է:

Ալիքային փաթեթների տեղայնացման շրջան

,

որտեղ է ալիքի փաթեթի լայնությունը:

որտեղ է ալիքի փաթեթի տարածման ժամանակը:

Հայզենբերգի անորոշ հարաբերություններ. Որքան փոքր է, այնքան ավելի լայն: Մոնոխրոմային ալիքի համար

որտեղ ամպլիտուդն ամբողջ տարածության մեջ ունի նույն արժեքը, այսինքն. մասնիկի սուպերպոզիցիան (միաչափ դեպք) ամբողջ տարածության մեջ համարժեք է։ Սա ընդհանրացնում է նաև եռաչափ դեպքը։

Ոչ հարաբերական դեպքի համար (m = m 0), ալիքի փաթեթի տարածման ժամանակը

եթե m = 1r, ապա

հալման ժամանակը չափազանց երկար է: Էլեկտրոնի դեպքում m 0 ~ 10 -27 գ (ատոմի չափը),

դրանք. Ատոմում էլեկտրոնը նկարագրելու համար մենք պետք է օգտագործենք ալիքի հավասարումը, քանի որ ալիքի փաթեթը գրեթե ակնթարթորեն տարածվում է:

Ֆոտոնի ալիքի հավասարումը պարունակում է երկրորդ ածանցյալը ժամանակի նկատմամբ, քանի որ ֆոտոնը միշտ հարաբերական մասնիկ է:

Էլեկտրոնի շարժումը բյուրեղում

Շարժման օրենքը համեմատած

Որտեղ

որտեղ m*-ը արդյունավետ զանգվածն է, այն հաշվի է առնում պոտենցիալ դաշտի և արտաքին ուժի համատեղ ազդեցությունը բյուրեղի էլեկտրոնի վրա:

հաղորդման խմբում,

Վալենտական ​​գոտում

Վալենտական ​​գոտում, բայց գերմանիումի և սիլիցիումի գոտում կան ծանր և թեթև անցքեր։ Արդյունավետ զանգվածները միշտ արտահայտվում են որպես իրական զանգվածի կոտորակներ m 0 = 9 10 -28 գ

Արդյունավետ զանգվածը տենզորային մեծություն է, այն տարբեր է տարբեր ուղղություններով, ինչը բյուրեղների անիզոտրոպ հատկությունների հետևանք է։

E k-ը հեղափոխության էլիպսոիդի հավասարումն է և նկարագրվում է զանգվածների երկու արժեքներով և

Էլեկտրոնների և անցքերի էներգետիկ սպեկտրը կոորդինատներում E և Կ

E(K)-ը քվազիմոմենտի ֆունկցիան է: Իդեալական ցանցում էլեկտրոնի էներգիան քվազիմոմենտի պարբերական ֆունկցիան է։

Էլեկտրոնի իմպուլս

Անցքեր - ավելի ցածր էներգիա ունեցող քվազի-մասնիկները գտնվում են վալենտական ​​գոտու վերին մասում և մեծացնում են իրենց էներգիան՝ շարժվելով էներգիայի սանդղակի երկայնքով դեպի վալենտական ​​գոտի: Անցքերի և էլեկտրոնների համար էներգիաները հաշվվում են հակառակ ուղղություններով:

Էլեկտրոնները և անցքերը, որոնք ունեն ալիքի վեկտոր, կարող են բախվել այլ մասնիկների կամ դաշտերի հետ, կարծես իմպուլս ունեն։

Այն կոչվում է քվազիմոմենտ:

Ֆոնոնները ցրում են ռենտգենյան ճառագայթները և նեյտրոնները։

Քվանտային մեխանիկայում իմպուլսը համապատասխանում է օպերատորին:

դրանք. հարթ ալիք Ψ k-ը իմպուլսի օպերատորի սեփական ֆունկցիան է, իսկ իմպուլսի օպերատորի սեփական արժեքներն են.

Ֆերմի էներգիան սահմանվում է որպես էլեկտրոնների էներգիա ամենաբարձր լցված մակարդակում

որտեղ n F-ը ամենաբարձր զբաղված էներգիայի մակարդակի քվանտային թիվն է:

որտեղ N-ը ծավալի էլեկտրոնների թիվն է

Էներգիան n F քվանտային թվի քառակուսային ֆունկցիան է:

Պարբերական դաշտում ազատ մասնիկի համար Շրյոդինգերի հավասարումները բավարարող ալիքային ֆունկցիաները շրջող հարթ ալիքներն են.

պայմանով, որ ալիքի վեկտորի բաղադրիչները վերցնեն արժեքները

նմանատիպ բազմություններ K y-ի և K z-ի համար: Ցանկացած վեկտորային բաղադրիչ ունի ձև

n-ը դրական կամ բացասական ամբողջ թիվ է: Բաղադրիչները քվանտային թվեր են քվանտային թվերի հետ միասին

սահմանելով մեջքի ուղղությունը.

դրանք. ալիքային վեկտոր ունեցող վիճակների էներգիայի սեփական արժեքները

N ազատ էլեկտրոններից բաղկացած համակարգի հիմնական վիճակում (1S) զբաղեցրած վիճակները կարելի է նկարագրել K-տարածության ոլորտի ներսում գտնվող կետերով։ Այս ոլորտի մակերեսին համապատասխանող էներգիան Ֆերմի էներգիան է։ Ալիքային վեկտորները, որոնք «հանգչում են» այս ոլորտի մակերևույթի վրա, ունեն երկարություններ, որոնք հավասար են K F-ին, իսկ մակերեսն ինքնին կոչվում է Ֆերմիի մակերես (այս վիճակում այն ​​գնդիկ է)։ K F - այս ոլորտի շառավիղը

որտեղ է էլեկտրոնի էներգիան ալիքային վեկտորով, որն ավարտվում է ոլորտի մակերեսին:

K x, K y, K z քվանտային թվերի յուրաքանչյուր եռակի համապատասխանում է K-տարածության ծավալային տարրին արժեքով: Հետևաբար, ծավալի ոլորտում թույլատրելի վիճակները նկարագրող կետերի թիվը հավասար է ծավալի բջիջների թվին, և հետևաբար թույլատրված վիճակների թիվը՝

որտեղ ձախ կողմում գործակից 2-ը հաշվի է առնում սպին քվանտային թվի երկու հնարավոր արժեքները

յուրաքանչյուր թույլատրելի արժեքի համար

Վիճակների ընդհանուր թիվը հավասար է N էլեկտրոնների թվին։

Ֆերմի ոլորտի K F շառավիղը կախված է միայն մասնիկների կոնցենտրացիայից և կախված չէ m զանգվածից

Ֆերմիի էներգիան կարելի է սահմանել որպես այդպիսի քվանտային վիճակների էներգիա, դրանց մասնիկով լցնելու հավանականությունը հավասար է 1/2-ի։

եթե E \u003d E F, ապա

դրա արժեքը կարելի է հաշվարկել T=0 բանաձևով

Բայց բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանը հասկացվում է որպես սահման

նկատի ունենալով, որ բացարձակ զրոյին հասանելի չէ և գումարած Պաուլիի սկզբունքը:

Սովորաբար համակարգերը համարվում են ոչ միայն T = 0, այլև ցանկացած ջերմաստիճանում, եթե սահմանային էներգիան , սա դեգեներացիայի պայմանն է, նման մասնիկների բաշխման ֆունկցիան մոտ է «քայլին».

Նման համակարգերի համար, որտեղ E F-ի կախվածությունը ջերմաստիճանից կարելի է անտեսել և հաշվի առնել

Գոյություն ունեն Ֆերմիի մակերեսի պարամետրերի աղյուսակներ մի շարք մետաղների համար, որոնք հաշվարկված են սենյակային ջերմաստիճանի ազատ էլեկտրոնային մոդելի համար (T = 300 0 K):

Էլեկտրոնի կոնցենտրացիան որոշվում է մետաղի վալենտության արտադրյալով՝ 1 սմ 3-ում էլեկտրոնների քանակով։

ապա մենք ստանում ենք.

Կամ եթե,

Օրինակ՝ Լի

Վալանս - 1,

*r 0-ը մեկ էլեկտրոն պարունակող ոլորտի շառավիղն է:

L n - Բորի շառավիղը 0,53 × 10 -8 սմ:

* անչափ պարամետր

Ալիքի վեկտոր K F = 1.11×10 8 սմ -1;

Ֆերմի արագություն V F = 1,29×10 8 սմ/վ;

Ֆերմի էներգիա .

Ֆերմի ջերմաստիճանը

T F-ը ոչ մի կապ չունի էլեկտրոնային գազի ջերմաստիճանի հետ։

Մենք սահմանում ենք - վիճակների թիվը միավորի էներգիայի միջակայքում, այն մասը, որը կոչվում է վիճակների խտություն

;

Պետությունների խտությունը հետևյալն է.

Տարբերակ 5 No 2. Ե F /2-ից մինչև Е F կինետիկ էներգիա ունեցող էլեկտրոնների թիվը որոշվում է հարաբերությամբ.

Նմանապես.

Նույն արդյունքը կարելի է ստանալ

ավելի պարզ ձևով.

Միասնության կարգի ճշգրտությամբ, Ֆերմի էներգիայի մոտ մեկ միավոր էներգիայի միջակայքում վիճակների թիվը հավասար է հաղորդիչ էլեկտրոնների քանակի և Ֆերմի էներգիայի հարաբերությանը:

եզրակացություններ

1. Արդյունավետ զանգվածներ՝ գերմանիում

սիլիցիում

դրանք. Գերմանիումի և սիլիցիումի վալենտական ​​գոտում կան ծանր և թեթև անցքեր։ Վալենտային գոտիները բաղկացած են երեք ենթաշերտից։

2. Ֆերմի մակերեսը տիեզերքում հաստատուն էներգիայի մակերեսն է։ Ֆերմիի մակերեսը բացարձակ զրոյում բաժանում է էլեկտրոններով լցված վիճակները չլրացված վիճակներից: Ֆերմի ոլորտ. Բոլոր նահանգները Կ<К F являются занятыми.

3. Պինդ մարմինների հատկությունների բազմազանությունը վկայում է քվազիմասնիկների բազմազանության մասին:

4. Մինչեւ վերջերս համարվում էր, որ էլեկտրոնները նման են միմյանց: Երբ մեկն ուզում է ընդգծել երկաթի էլեկտրոնների և պղնձի էլեկտրոնների տարբերությունը, ասում են, որ դրանք տարբեր Fermi մակերեսներ ունեն:

Բրյուսելի համաշխարհային ցուցահանդեսում շենքը հարգանքի տուրք է մատուցում ֆիզիկայի դարաշրջանին: Ներկայացնում է փոխկապակցված ոլորտների ճիշտ համակարգը, որոնց ներսում կան ցուցադրական տարածքներ։ Որոնցից յուրաքանչյուրը (ոլորտը) ներկայացնում է երկաթի իոն, որը կորցրել է մեկ էլեկտրոն: Սա Fermi մակարդակի մակերեսն է:

Յուրաքանչյուր մետաղ ունի միայն Ֆերմիի մակերևույթի իր բնորոշ ձևը, այն սահմանափակում է հաղորդիչ էլեկտրոնների զբաղեցրած իմպուլսի տարածության շրջանը բացարձակ զրոյի վրա: Սրանք տարբեր մետաղների այցեքարտեր են։

5. Մետաղների հատկությունները որոշվում են էլեկտրոններով Ֆերմիի մակերեսին կամ մոտակայքում։

6. Ալիքային վեկտորի հետ կապված ալիքային փաթեթի շարժումը նկարագրվում է հավասարմամբ

խմբային արագություն

§ Էներգետիկ էներգիայի սպեկտր ազատ էլեկտրոնների համար պարբերական դաշտում

Արգելված էներգիայի արժեքների ստվերային տարածքները (էներգիայի բացերը) ներկայացված են նկարում:

Ալիքային ֆունկցիան ունի ձև.

Էներգիան այլևս քվազիմոմենտի շարունակական ֆունկցիա չէ, այն շարունակական է միայն թույլատրված էներգետիկ գոտիներում և ենթարկվում է ընդհատումների Բրիլուի գոտիների սահմաններում։ Էներգիայի շերտերը բյուրեղի պարբերական կառուցվածքի հետևանք են և ներկայացնում են պինդ մարմնի էլեկտրոնային կառուցվածքի հիմնարար բնութագրերը: գոտու սահմանն է, սա փոխադարձ վանդակավոր վեկտորն է:

Արժեքների այն միջակայքերը, որոնց դեպքում էլեկտրոնի էներգիան անընդհատ փոխվում է և սահմաններում ընդհատվում է, կոչվում են Բրիլուի գոտիներ:

Էլեկտրոնների և անցքերի էներգիայի սպեկտրը E - K կոորդինատներում: Գերմանիումում և սիլիցիումում հաղորդման գոտին նկարագրվում է երկու զանգվածային արժեքներով:

§ Ներքին կիսահաղորդչի էլեկտրական հաղորդունակության մեխանիզմը

Էլեկտրոններ պարունակող ամենաբարձր էներգիա ունեցող գոտին կոչվում է վալենտային գոտի: Էներգիայի չզբաղված մակարդակներով առաջին գոտին կոչվում է հաղորդման գոտի, քանի որ այս գոտու էլեկտրոնները ներգրավված են լիցքի փոխանցման մեջ: Հաղորդավարների մեջ վալենտական ​​և հաղորդական գոտիները կամ համընկնում են կամ համընկնում են: Մեկուսիչներում և կիսահաղորդիչներում այդ գոտիները առանձնացված են միմյանցից։

Եթե ​​նյութը հիմնական վիճակում չէ, այլ ունի լրացուցիչ էներգիա՝ ջերմային գրգռում։ Այս էներգիան կարևոր դեր է խաղում էլեկտրական հաղորդունակության հատկությունների մեջ:

Հաղորդավարը գտնվում է հիմնական վիճակում, եթե չկա ջերմային էներգիա, այսինքն. T = 0. Էներգիայի մակարդակները RT = 0-ում էլեկտրոններով լրացնելու հավանականության կախվածությունը e էներգիայից հաշվվում է գոտու ներքեւից:

լրացված մակարդակներին համապատասխան բոլոր էներգիայի արժեքների համար:

Այն էներգիան, որը չափվում է գոտու ներքևից, որի դեպքում f(E) արժեքը կտրուկ փոխվում է 1-ից մինչև 0, կոչվում է Ֆերմի էներգիա e F Այս դեպքում, ի. աշխատանքի արդյունք

Ջերմային էներգիայի առկայության դեպքում որոշ էլեկտրոններ կգրգռվեն և իրենց սկզբնական վիճակից կտեղափոխվեն ազատ էներգիայի մակարդակներ: E F-ի մոտ էներգիա ունեցող էլեկտրոնների համար նման անցումներ ավելի հավանական են, քանի որ ավելի ցածր գրգռման էներգիա է պահանջվում: Համապատասխանաբար, նրանց էներգիայի աճի հետ նվազում է նաև նահանգները լցնելու հավանականությունը։ Եթե ​​էլեկտրոնները չեն ենթարկվում Պաուլիի սկզբունքին, ապա դրանց էներգիայի բաշխումը նկարագրվում է դասական Մաքսվել-Բոլցմանի բաշխմամբ։

Բաշխումը, որը հաշվի է առնում Պաուլիի սկզբունքը, կոչվում է Ֆերմի–Դիրակի բաշխում

Ֆերմի-Դիրակի բաշխումը CT-ի տարբեր արժեքների համար ներկայացված է նկարում: Այստեղ Ֆերմի էներգիան ունի լիցքավորման 50% հավանականությանը համապատասխանող մակարդակի էներգիայի նշանակություն։

Ֆերմի մակարդակից ցածր ազատ մակարդակների (թափուր աշխատատեղերի) քանակը և e F-ի նկատմամբ դրանց բաշխումը համընկնում է Ֆերմի մակարդակից բարձր զբաղեցրած նահանգների թվի և բաշխման հետ: Այս վիճակները համապատասխանում են էլեկտրոնային համակարգի ջերմային գրգռմանը և ապահովում են ուղղորդված շարժման կինետիկ էներգիայի տեսքը։ Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ (RT-ի ավելացում), e F-ի մոտ f(e) կորի թեքությունը նվազում է, և բարձր էներգիայի վիճակները լրացնելու հավանականությունը մեծանում է։

f(E, K, T) արտահայտություններից երևում է, որ նյութերի հաղորդունակությունը մեծապես կախված է ջերմաստիճանից։

Կիսահաղորդիչներում Ֆերմի մակարդակի դիրքը պաշտոնապես համապատասխանում է վալենտական ​​գոտու վերին հատվածին, սակայն դա ճիշտ չէ: Թող վալենտական ​​գոտու վերևից (e V էներգիայով) գրգռումից առանձին էլեկտրոն անցնի դատարկ հաղորդման գոտու ներքև (է C էներգիայով):

e V-ը վալենտական ​​գոտու առաստաղն է

e C-ն հաղորդման գոտու ստորին հատվածն է:

Նկարում Ֆերմիի մակարդակը գտնվում է գոտու բացվածքի մեջտեղում՝ հաշվի առնելով Ֆերմի-Դիրակի բաշխման համաչափությունը Ֆերմի էներգիայի e F-ի նկատմամբ և f(E) ֆունկցիայի ակնհայտ համաչափությունը վերևի բացվածքում։ վալենտական ​​գոտու և հաղորդման գոտու ներքևի մասում:

* Եկեք որոշենք էլեկտրոնի անցման հավանականությունը ադամանդի հաղորդունակության գոտի, ժապավենի բացը eg »5,5 eV: սենյակային ջերմաստիճանում RT = 0,026 eV: հաղորդման գոտու ներքևի մասի համար

Այսպիսով, քիչ հավանական է, որ վալենտական ​​գոտու յուրաքանչյուր 10 44 էլեկտրոնից նույնիսկ մեկը բավարար էներգիա ունենա սենյակային ջերմաստիճանում հաղորդման գոտի մտնելու համար: Քանի որ նյութի յուրաքանչյուր մոլ պարունակում է մոտ 10 24 ատոմ: Հետեւաբար, ադամանդը լավ մեկուսիչ է:

Սահմանել համար հավանականությունը RT = 0,026 eV-ում: (սենյակ)

Այս դեպքում միլիոնից մոտավորապես մեկ վալենտային էլեկտրոն կարող է գրգռվելով անցնել հաղորդման գոտու ներքևի մասում, և էլեկտրոնները կարող են հայտնաբերվել հաղորդման գոտում:

Դրանք շատ ավելի քիչ կլինեն, քան դիրիժորի դեպքում, որի f(e) հաղորդման գոտում միասնության կարգի վրա է: Այնուամենայնիվ, կիսահաղորդչի հաղորդման գոտում դեռ բավականաչափ էլեկտրոններ կան, որոնք նպաստում են կիսահաղորդչի էլեկտրական հաղորդունակությանը: Կիսահաղորդիչներում f(e)-ն խիստ կախված է ջերմաստիճանից։ Ջերմաստիճանի բարձրացում 10 0 Կ-ով սենյակային ջերմաստիճանի համեմատ (300 0 Կ), այսինքն. ընդամենը 3%-ով, էլեկտրոնի անցման հավանականությունը հաղորդման գոտի մեծանում է մոտավորապես 30%-ով: Քանի որ ժապավենի բացը նվազում է, կիսահաղորդիչների ջերմաստիճանի զգայունությունը մեծանում է:

Հուզված անցումով դեպի հաղորդման գոտի՝ էլեկտրոնները թողնում են իրենց ետևում չզբաղված վիճակներ կամ «անցքեր» վալենտական ​​գոտում։ Ի սկզբանե լցված վալենտային գոտին դառնում է մասամբ լցված, և, հետևաբար, դրանում հնարավոր են էլեկտրոնների էներգետիկ գրգռումներ, թեև շատ փոքր թվով։ Փոսն իրեն դրսևորում է որպես դրական լիցքավորված մասնիկ, որը կարող է մասնակցել էլեկտրական հաղորդմանը: Էլեկտրոնների իրական շարժումը համապատասխանում է անցքերի քիչ թե շատ ազատ ֆիկտիվ շարժմանը արտաքին էլեկտրական դաշտի ուղղությամբ։

Անցքերը արտաքին ուժին (օրինակ՝ արտաքին էլեկտրական դաշտին) տարբեր կերպ են արձագանքում, քան ազատ էլեկտրոնները, հետևաբար, անցքերի շարժունակության վրա այլ ատոմների ազդեցությունը հաշվի առնելու համար նրանց նշանակվում է արդյունավետ զանգված m*, որը մի փոքր ավելի մեծ է, քան էլեկտրոնի արդյունավետ զանգվածը:

Էլեկտրոնների և անցքերի ընթացիկ խտությունը

որտեղ n-ը էլեկտրոնի կոնցենտրացիան է,

p-ը անցքերի կոնցենտրացիան է,

m n-ը էլեկտրոնի շարժունակությունն է,

m p-ը անցքի շարժունակությունն է:

Արտաքին էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ էլեկտրոնները և անցքերը ձեռք են բերում ուղղորդված շարժման արագություն, դրեյֆի արագություն

m n և m dr - շարժունակություններ

Ներքին կիսահաղորդիչների համար n=p

Որտեղ , s - գործակից

n - խիստ կախված է հաղորդման գոտու ջերմաստիճանից, մինչդեռ շարժունակությունը թույլ է կախված ջերմաստիճանից

Եթե ​​հաղորդման գոտում էլեկտրոնի կոնցենտրացիան ցածր է, ապա յուրաքանչյուր մակարդակ լրացնելու հավանականությունը փոքր է` համեմատած հայտարարի միասնության հետ, ապա այն կարելի է անտեսել:

եւ, հետեւաբար , կամ

Ներքին կիսահաղորդիչների էլեկտրական հաղորդունակությունը մեծանում է ջերմաստիճանի հետ, իսկ հաղորդիչներինը՝ նվազում։

Եթե ​​վերցնենք լոգարիթմը և կառուցում ենք lns-ի գրաֆիկը ընդդեմ , այնուհետև մենք ստանում ենք ուղիղ գիծ, ​​որի թեքությունը հավասար է

Սա հնարավորություն է տալիս, չափելով կիսահաղորդչի էլեկտրական հաղորդունակությունը տարբեր ջերմաստիճաններում, փորձնականորեն որոշել տվյալ կիսահաղորդչի համար ժապավենի բացը:

Մետաղների համար դիմադրությունը մեծանում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ:

R 0 - դիմադրություն t \u003d 0 0 С

R t - դիմադրություն t 0 С-ում

ա - դիմադրության ջերմային գործակից, հավասար է 1/273

Մետաղների համար

Կիսահաղորդիչների համար դիմադրությունը արագորեն նվազում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ: կամ որտեղ KV \u003d E a, ապա

որտեղ E a-ն ակտիվացման էներգիան է, այն տարբեր է ջերմաստիճանի տարբեր միջակայքերի համար:

Ակտիվացման էներգիայի E a առկայությունը նշանակում է, որ հաղորդունակությունը մեծացնելու համար անհրաժեշտ է էներգիա մատակարարել կիսահաղորդչային նյութին։ Կիսահաղորդիչներն այն նյութերն են, որոնց հաղորդունակությունը մեծապես կախված է արտաքին պայմաններից՝ ջերմաստիճանից, ճնշումից, արտաքին դաշտերից, միջուկային մասնիկներով ճառագայթումից:

Կիսահաղորդիչներն այն նյութերն են, որոնք ունեն էլեկտրական հաղորդունակություն սենյակային ջերմաստիճանում 10 -8-ից 10 6 Sim m-1 միջակայքում, ինչը մեծապես կախված է կեղտերի տեսակից և քանակից, նյութի կառուցվածքից և արտաքին պայմաններից:

* Ներքին հաղորդունակությամբ կիսահաղորդիչում էլեկտրոնների թիվը հավասար է անցքերի թվին, յուրաքանչյուր էլեկտրոն ստեղծում է մեկ անցք:

Գրգռված ներքին կրիչների թիվը էքսպոնենցիալ կերպով կախված է , որտեղ Eg-ը էներգիայի գոտու բացն է:

Եթե ​​m C =m h , ապա i.e. Ֆերմի մակարդակը գտնվում է տիրույթի մեջտեղում:

I ինդեքս (ներքին - հատկություն)

Չի պարունակում Ֆերմի մակարդակ։

Սա զանգվածի գործողության օրենքն է, որն ասում է, որ Ֆերմի մակարդակի հեռավորությունը երկու գոտիների եզրերից պետք է մեծ լինի՝ համեմատած KT = 0,026 էՎ-ի հետ: 300 0 K ջերմաստիճանում (սենյակային ջերմաստիճան), պայմանով, որ m e = m h = m, արտադրանքը n i P i

գերմանիումի համար 3.6 × 10 27 սմ -6,

սիլիցիումի համար 4,6 × 1019 սմ -6 .

Ներքին կիսահաղորդչի համար ակտիվացման էներգիան E a հավասար է ժապավենի բացվածքի կեսին

Կեղտոտ կիսահաղորդիչներ

Լիցքերի դասավորությունը սիլիկոնային ցանցում: Չորս A էլեկտրոնները ձևավորում են քառաեդրային կովալենտային կապեր, որոնք նման են Si կապերին, իսկ հինգերորդ A էլեկտրոնը հաղորդիչ է: Արսենը (As) ունի հինգ վալենտային էլեկտրոն, իսկ սիլիցիումը (Si) ունի ընդամենը չորս: Մկնդեղի ատոմը կոչվում է դոնոր, այն իոնացման ժամանակ էլեկտրոն է նվիրում հաղորդման գոտուն։

Կիսահաղորդչի մեջ աղտոտվածության ավելացումը կոչվում է դոպինգ:

E d = 0,020 ev., իոնացման էներգիա

K W T-ում<< E d (низкая концентрация электронов проводимости)

Որտեղ

N d - դոնորի կոնցենտրացիան

Եթե ​​բորի ատոմը (B), որն ունի երեք վալենտային էլեկտրոն, ներմուծվում է սիլիցիումի մեջ, այն կարող է «լրացնել» իր քառանիստ կապերը՝ վերցնելով միայն մեկ էլեկտրոն Si-Si կապից՝ անցք կազմելով սիլիցիումի վալենտային գոտում, որը վերցնում է. մաս անցկացման մեջ. Բորի ատոմը կոչվում է ընդունող հենց այն պատճառով, որ այն իոնացման ժամանակ գրավում է էլեկտրոնը վալենտական ​​գոտուց:

Կեղտերը, որոնք ընդունակ չեն իոնացման, չեն ազդում կրիչների կոնցենտրացիայի վրա և կարող են առկա լինել մեծ քանակությամբ. էլեկտրական չափումները չեն հայտնաբերում դրանք:

N a-ն ընդունիչների կոնցենտրացիան է:

Դասական վիճակագրության կիրառելիության պայմանը անհավասարությունն է

, որտեղից Ե Ֆ

Եթե ​​Fermi մակարդակը գտնվում է Ec-ից ավելի քան 5KT-ով, ապա կիսահաղորդիչը լիովին այլասերված է: Այլասերվածության վիճակը կախված է ջերմաստիճանից և Ֆերմի մակարդակի դիրքից՝ հաղորդման գոտու ստորին մասի նկատմամբ:

Էլեկտրոնների կոնցենտրացիան ոչ այլասերված կիսահաղորդչում` Ֆ< E c –KT,

N c-ը հաղորդման գոտու վիճակների թիվն է

Այլասերված կիսահաղորդիչ

դա կախված չէ ջերմաստիճանից.

Ֆերմիի մակարդակը գտնվում է իր ներքևի վերևում գտնվող հաղորդման գոտում առնվազն 5 կտ-ով:

Ոչ դեգեներատիվ կիսահաղորդիչում անցքի կոնցենտրացիան որոշվում է Բոլցմանի վիճակագրությամբ՝ F > E v + KT պայմանով, այսինքն. Ֆերմիի մակարդակը գտնվում է վալենտական ​​գոտու վերևում CT արժեքով:

Լիովին այլասերված կիսահաղորդիչում, կամ Ֆ

դրանք. իր առաստաղից ցածր վալենտական ​​գոտում առնվազն 5KT-ով: N v-ը վալենտական ​​գոտու վիճակների թիվն է:

ոչ այլասերված կիսահաղորդիչ

Այլասերված կիսահաղորդիչ

Ոչ այլասերված վիճակում.

կախված չէ Ֆերմի մակարդակից

Այլասերված վիճակում

Որտեղ V F-ը Բրիլուենի գոտու ծավալն է: Գնդաձև մակերեսների համար , որտեղ Ֆերմի ոլորտի շառավիղը

Էլեկտրոնների բաշխման գործառույթ.

որտեղ g i-ն այլասերվածության աստիճանն է, եթե E i =E d-ը պատկանում է դոնորի անմաքրությանը, ապա g i =2: Եթե ​​E i =E a-ն պատկանում է ընդունող անմաքրությանը, ապա g i =1/2

Էլեկտրոնների բաշխում դոնորի մակարդակների վրա

ընդունողի կողմից

Անցքերի համար.

;

Էլեկտրոնների քանակը:

Անցքերի քանակը:

N D \u003d N a \u003d 0 ներքին կիսահաղորդիչ:

Էլեկտրոնեյտրալության հավասարումը n = P. Եթե N v = N c i.e. , Հետո որտեղ Ֆերմի մակարդակի դիրքը կախված չէ ջերմաստիճանից և գտնվում է գոտու բացվածքի մեջտեղում: Ներքին կիսահաղորդիչը ոչ դեգեներատիվ է:

Հաղորդման էլեկտրոնների և անցքերի առաջացում ներքին կիսահաղորդչում.

Ֆերմի մակարդակի ջերմաստիճանից կախվածությունը ներքին կիսահաղորդիչում: Ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց Ֆերմիի մակարդակը մոտենում է վիճակների ավելի ցածր խտության գոտուն և, հետևաբար, ավելի արագ է լցվում:

կամ

Նկարում lnn i գծապատկերը փոխադարձ ջերմաստիճանի նկատմամբ ուղիղ գիծ է.

Ln1/T կախվածությունը գծային տերմինի համեմատությամբ կարելի է անտեսել: Ուղիղ գծի թեքության անկյունը որոշվում է արգելված գոտու լայնությամբ. որտեղ tgs-ը չափվում է ըստ ժամանակացույցի (lnn i, 1/T)

Եկեք գնահատենք լիցքակիրների ներքին կոնցենտրացիան գերմանում և սիլիցիումում հավասար են 0,299-ի և 0,719-ի, իսկ T»300 0 K-ի դեպքում,

Եվ

Լիցքակիրների կոնցենտրացիան T ® 0-ում անհետանում է, և ներքին կիսահաղորդչի դիմադրությունը պետք է մեծանա մինչև անսահմանություն: Այնուամենայնիվ, իրական կիսահաղորդիչներում միշտ մնում է մի կեղտ, որն ապահովում է հաղորդունակություն ցանկացած ջերմաստիճանում:

Ջերմային առաջացում լիցքակիրների պատկերով կիսահաղորդչում դոնորային խառնուրդով:

Ցածր ջերմաստիճաններ. հաղորդիչ էլեկտրոնները որոշվում են կեղտաջրերի կոնցենտրացիայով, որն առաջանում է դոնորային կեղտի իոնացման պատճառով:

Ջերմաստիճանի բարձրացման հետ Ֆերմիի մակարդակը բարձրանում է, որոշակի ջերմաստիճանում անցնում է առավելագույնի միջով և հետո իջնում: Երբ K d =N 2 C այն կրկին գտնվում է E C-ի և E D-ի միջև:

Բավականին բարձր ջերմաստիճանում N C >> N D, ապա

էլեկտրոնի կոնցենտրացիան կախված չէ ջերմաստիճանից և հավասար է կեղտի կոնցենտրացիայի: (Անմաքրության սպառման շրջան): Լիցքի կրիչները կոչվում են հիմնական, եթե նրանց կոնցենտրացիան ավելի մեծ է, քան իրենց լիցքի կրիչների կոնցենտրացիան n i տվյալ ջերմաստիճանում, եթե կոնցենտրացիան փոքր է n i-ից, ապա դրանք կոչվում են փոքրամասնության լիցքակիրներ։ Անմաքրության սպառման շրջանում փոքրամասնության լիցքակիրների կոնցենտրացիան պետք է կտրուկ աճի ջերմաստիճանի հետ

Վերջինս վավեր է այնքան ժամանակ, քանի դեռ անցքի կոնցենտրացիան մնում է շատ ավելի ցածր, քան էլեկտրոնի կոնցենտրացիան:

Բարձր ջերմաստիճաններ

Ջերմաստիճանի բարձրացմամբ անցքերի թիվն ավելանում է և կարող է համեմատելի լինել էլեկտրոնի կոնցենտրացիայի հետ ամբողջ անմաքրությունը իոնացված է, և անհրաժեշտ է հաշվի առնել նյութի իոնացումը:

Հավասարումից

P=N D կամ n=2N D Անցումային ջերմաստիճանը դեպի իր կոնցենտրացիան, որքան բարձր, այնքան մեծ և այնքան մեծ է կեղտերի կոնցենտրացիան:

ընդունիչ կիսահաղորդիչ.

Ջերմաստիճանի կախվածությունը Ֆերմիի մակարդակի պատկերում ակցեպտորի կեղտով կիսահաղորդիչում:

Եկեք գնահատենք այն ջերմաստիճանը, որում տեղի է ունենում աղտոտվածության սպառումը:

Երբ ամբողջ կեղտը իոնացված է.

Երբ ամբողջ անմաքրությունը իոնացված է, իսկ հիմնական նյութը իոնացվում է՝ n=N D +P

Որքան լայն է ժապավենի բացը և որքան բարձր է կեղտի կոնցենտրացիան, այնքան բարձր է ջերմաստիճանը, որում տեղի է ունենում անցում դեպի ներքին հաղորդունակություն:

Ֆոտոհաղորդունակություն

Գոտի բացը կարելի է որոշել՝ օգտագործելով ներքին ֆոտոէլեկտրական էֆեկտի ֆենոմենը: Եթե ​​կիսահաղորդիչը ճառագայթվում է միագույն լույսով՝ աստիճանաբար մեծացնելով n լույսի ալիքի հաճախականությունը, ապա, սկսած որոշակի հաճախականությունից՝ n 0, կարելի է հայտնաբերել էլեկտրական հաղորդունակության (լուսահաղորդականության) աճ։ Այս հաճախականությունը համապատասխանում է այնպիսի ֆոտոնների էներգիայի hn 0, որի դեպքում հիմնական գոտու էլեկտրոնը, կլանելով ֆոտոնը, ստանում է նրանից բավականաչափ էներգիա՝ անցնելու հաղորդման գոտի: Սա տեղի է ունենում, եթե անհավասարությունը

Չափելով լույսի հաճախականությունը, որից սկսվում է էլեկտրական հաղորդունակության աճը, կարելի է ստանալ. Նրանք լավ արդյունքներ են ստանում։

Հոլի էֆեկտը կիսահաղորդիչում.

Ֆիզիկական երևույթներ, որոնք տեղի են ունենում մագնիսական դաշտում գտնվող նյութում նյութի միջով անցնելիս էլեկտրական հոսանքէլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ, որը կոչվում է գալվանոմագնիսական ազդեցություն: Այլ կերպ ասած, գալվանոմագնիսական երևույթները նկատվում են նյութում էլեկտրական և մագնիսական դաշտերի համակցված գործողության ներքո։ Գալվանոմագնիսական երևույթները ներառում են.

1) դահլիճի էֆեկտ;

2) մագնիսակայուն ազդեցություն կամ մագնիսակայունություն.

3) Էթինգշաուզենի էֆեկտը կամ լայնակի գալվանոթերմոմագնիսական էֆեկտը.

4) Ներնոտի էֆեկտ, կամ երկայնական գալվանոթերմոմագնիսական էֆեկտ.

Հոլի էֆեկտը կոչվում է նաև գալվանոմագնիսական էֆեկտ։ Վերոնշյալ «լայնակի» և «երկայնական» գալվանոթերմոմագնիսական ազդեցությունները արտացոլում են ջերմաստիճանի գրադիենտների ուղղությունը հոսանքի նկատմամբ. մագնիսական դաշտի նկատմամբ դրանք կարող են լինել լայնակի կամ երկայնական:

Գալվանոմագնիսական էֆեկտները կարող են ներկայացվել՝ հիմնվելով Լորենցի ուժի ազդեցության տակ լիցքավորված մասնիկի շարժման վրա էլեկտրական և մագնիսական դաշտերում.

(1)

Զուգահեռ էլեկտրական և մագնիսական դաշտերում մասնիկը շարժվում է պարույրի երկայնքով՝ անընդհատ աճող քայլով: Մի մագնիսական դաշտում դաշտի երկայնքով զուգահեռ V արագությամբ և մեկ մագնիսական դաշտում դաշտին ուղղահայաց V արագությամբ մասնիկը պտտվում է շառավղով շրջանով

(2)

անկյունային արագությամբ և դաշտի երկայնքով շարժվում է V զուգահեռ արագությամբ

Քանի որ էլեկտրական դաշտը չի ազդում V perp-ի վրա, այլ փոխում է V պարամը, ակնհայտ է դառնում, որ շարժումը տեղի է ունենում փոփոխական քայլով պարույրի երկայնքով:

Լայնակի (կամ խաչաձև) դաշտերում սկզբնական արագություն չունեցող մասնիկը շարժվում է ցիկլոիդի երկայնքով. մասնիկը պտտվում է շառավղով շրջանագծի շուրջ (3)

որի կենտրոնը հավասարաչափ շարժվում է էլեկտրական և մագնիսական դաշտերին ուղղահայաց ուղղությամբ՝ շեղման արագությամբ

Եթե ​​մասնիկը ունի V 0 սկզբնական արագություն, որը գտնվում է մագնիսական դաշտին ուղղահայաց հարթության մեջ, ապա մասնիկի հետագիծը տրախոիդ է (երկարացված կամ կրճատված ցիկլոիդ):

Եթե ​​շարժվող մասնիկի արագությունը բաղադրիչ ունի մագնիսական դաշտի երկայնքով, ապա այս արագության բաղադրիչը չի ազդում ոչ էլեկտրական, ոչ մագնիսական դաշտերի վրա:

Երբ մասնիկը շարժվում է պինդ մարմնում, անհրաժեշտ է հաշվի առնել բախումները, որոնք խախտում են մասնիկների ուղղորդված շարժումը դաշտերի ազդեցության տակ։ Յուրաքանչյուր բախումից հետո մասնիկը կշարժվի խխունջի կամ տրախեյդի երկայնքով, որը բնութագրվում է նոր պարամետրերով։

Դաշտի մեծությունը բնութագրելու համար անհրաժեշտ է համեմատել թուլացման ժամանակը մագնիսական դաշտի ազդեցության տակ մասնիկի պտտման ժամանակաշրջանի հետ։ Եթե ​​թուլացման ժամանակը զգալիորեն գերազանցում է ժամանակահատվածը, ապա t ժամանակի ընթացքում մասնիկը կկատարի մի քանի պտույտ՝ շարժվելով ցիկլոիդի կամ պարույրի երկայնքով: Դա հնարավոր է բարձր մագնիսական դաշտերում: Եթե ​​մասնիկը t ժամանակում անգամ մեկ պտույտ չի անում, ապա մագնիսական դաշտերհամարվում են փոքր: Այսպիսով, ուժեղ դաշտերում

(5)

թույլ դաշտերում

(6)

«Ուժեղ» դաշտեր կամ «թույլ» հասկացությունը կախված է ոչ միայն B մագնիսական դաշտի մեծությունից, այլև լիցքակիրների շարժունակությունից։ Պայմանները (5) և (6) կարող են կապված լինել շրջանագծի r շառավիղին, որի երկայնքով շարժվում է մասնիկը և միջին ազատ ուղին l.

Հետևաբար, ցանկացած մագնիսական դաշտում r >> 1, մասնիկների հետագիծը փոքր-ինչ կոր է, ուժեղ մագնիսական դաշտերում հետագիծը շատ ուժեղ է փոխվում:

Որոշ երևույթներ հասկանալու համար բավական է հաշվի առնել միայն դրեյֆի արագությունը

մինչդեռ այլ ազդեցությունները հասկանալու համար կարևոր է նկատի ունենալ էլեկտրոնների արագությունների տարածումը: Այս ամենը հաշվի է առնվում կինետիկ հավասարմամբ, ուստի այն թույլ է տալիս ստանալ կինետիկ էֆեկտների շատ ավելի ճշգրիտ նկարագրություն

1. Դահլիճի էֆեկտ.

Նկարը ցույց է տալիս Հոլի դաշտի տեսքը էլեկտրոնների և անցքերի կիսահաղորդիչների մեջ:

Կիսահաղորդիչն ունի a × c հատվածով զուգահեռականի ձև, որի միջով հոսում է հոսանք։ Էլեկտրական դաշտն ուղղված է X առանցքի երկայնքով.

մագնիսական դաշտը Y առանցքի երկայնքով.

Երբ էլեկտրական դաշտը միացված է, էլեկտրական հոսանք է առաջանում

Կրիչները ստանում են ուղղորդված շարժման արագություն V d - դրեյֆի արագություն - դաշտի երկայնքով անցքերի համար և դաշտի դեմ էլեկտրոնների համար:

Երբ մագնիսական դաշտը միացված է, էլեկտրոնների և անցքերի վրա ուժ է գործում

(9)

ուղղահայաց և

(10)

(11)

դրանք. Լորենցի ուժը կախված չէ լիցքակիրների նշանից, այլ որոշվում է միայն դաշտերի ուղղությամբ և , կամ և ։ Նկարում այն ​​ուղղված է դեպի վեր։

Լիցքակիրները՝ էլեկտրոնները և անցքերը, շեղվում են նույն ուղղությամբ, եթե դրանց արագությունը որոշվում է էլեկտրական դաշտով։

Դաշտերի գործողության և բախումների արդյունքում էլեկտրոնները և անցքերը կշարժվեն հետագծերով ուղիղ գծի տեսքով՝ միջինացնելով ցիկլոիդների հատվածները, դաշտի նկատմամբ j անկյան տակ։ Այլ կերպ ասած, վեկտորը պտտվելու է վեկտորի նկատմամբ հարաբերական j անկյան միջով, և պտտման ուղղությունը կախված է լիցքակիրների նշանից՝ պայմանավորված այն հանգամանքով, որ էլեկտրոնները և անցքերը շեղվում են նույն ուղղությամբ (նկարում. ա, բ).

Այսպիսով, պետք է շարունակվի անսահմանափակ նյութում:

Եթե ​​կիսահաղորդիչը ունի վերջավոր չափեր Z առանցքի ուղղությամբ, ապա j z ¹ 0 բաղադրիչի արդյունքում նմուշի վերին (նկարում) կողմում կլինի կրիչների կուտակում, դրանց դեֆիցիտը. կհայտնվի ստորին մասում: հակառակ կողմերընմուշը լիցքավորված է, և էլեկտրական դաշտի նկատմամբ կա լայնակի հատված: Այս դաշտը կոչվում է Հոլլի դաշտ, իսկ մագնիսական դաշտի ազդեցությամբ լայնակի դաշտի առաջացման երեւույթը՝ Հոլլի էֆեկտ։ Hall դաշտի ուղղությունը կախված է լիցքակիրների նշանից, այս դեպքում այն ​​ուղղվում է դեպի վեր՝ n-նմուշում, իսկ ներքև՝ p-նմուշում։ Նախքան նմուշի վրա մագնիսական դաշտի կիրառումը, պոտենցիալ հավասարազոր մակերեսները X առանցքին ուղղահայաց հարթություններ էին, այսինքն. վեկտոր, E n-ի արժեքը կմեծանա այնքան ժամանակ, մինչև լայնակի դաշտը չփոխհատուցի Լորենցի ուժը: Դրանից հետո լիցքակիրները կշարժվեն կարծես միայն մեկ դաշտի ազդեցության տակ, և լիցքակիրների հետագիծը կրկին ուղիղ գիծ կլինի X առանցքի երկայնքով, դրանով իսկ վեկտորը կուղղվի դաշտի երկայնքով: բայց ընդհանուր էլեկտրական դաշտը կպտտվի որոշակի անկյան միջով j՝ X առանցքի նկատմամբ կամ (նկ. գ, 2):

Այսպիսով, անսահմանափակ կիսահաղորդիչում ընթացիկ վեկտորը պտտվում է, իսկ սահմանափակ կիսահաղորդչում էլեկտրական դաշտի վեկտորը պտտվում է, և ամեն դեպքում, և (կամ ) միջև հայտնվում է j անկյուն, որը կոչվում է Հոլի անկյուն։ Սահմանափակ նմուշում պոտենցիալ մակերևույթները պտտվում են j անկյան տակ՝ համեմատած իրենց սկզբնական դիրքի հետ, հետևաբար, նույն ուղղահայաց հարթության վրա գտնվող կետերում առաջանում է պոտենցիալ տարբերություն։

որտեղ E n-ը Hall դաշտի ուժգնությունն է, իսկ c-ն նմուշի չափն է և ուղղահայաց ուղղությամբ. V n-ը կոչվում է Հոլլի պոտենցիալ տարբերություն:

Հոլը փորձնականորեն պարզել է, որ E n-ը որոշվում է հոսանքի խտությամբ և մագնիսական դաշտի ինդուկցիայով, ինչպես նաև նմուշի հատկություններով։

Նմուշի հատկությունները որոշվում են որոշակի R արժեքով, որը կոչվում է Hall գործակից: Չորս մեծությունները՝ և R-ը կապված են էմպիրիկ առնչությամբ

(12)

Հեշտ է գտնել R, հաշվի առնելով, որ Hall դաշտը պետք է փոխհատուցի Լորենցի ուժը.

(13)

Սա ենթադրում է.

Մյուս կողմից, համաձայն (12)

(15)

Համեմատելով (14) և (15)՝ մենք ստանում ենք

n-ը լիցքակիրների (էլեկտրոնների կամ անցքերի) կոնցենտրացիան է։

Հոլի գործակիցը հակադարձ համեմատական ​​է լիցքակիրների համակենտրոնացմանը և դրա նշանը համընկնում է լիցքակիրների նշանի հետ։

R-ն որոշելով կարելի է գտնել լիցքակիրների նշանը կամ հաղորդման տեսակը։ R-ի նշանը որոշվում է նշանով, կամ V n, եթե համապատասխանաբար որոշվում է V n նշանը։ Դահլիճի անկյունը j կարելի է որոշել.

Տվյալների համար Hall դաշտը որոշվում է միայն լիցքակիրների շարժունակությամբ։

Գնահատեք R. Թող n = 10 16 սմ -3, ապա

Մագնիսական դաշտում դիմադրությունը մեծանում է, քանի որ Hall դաշտը փոխհատուցում է մագնիսական դաշտի ազդեցությունը միայն միջինում, կարծես բոլոր լիցքակիրները շարժվում են նույն արագությամբ: Այնուամենայնիվ, էլեկտրոնների (և անցքերի) արագությունները տարբեր են, հետևաբար, մասնիկները շարժվում են ավելի մեծ արագությամբ, քան Միջին արագությունը, մագնիսական դաշտն ավելի ուժեղ է, քան Հոլլի դաշտը։ Ընդհակառակը, ավելի դանդաղ մասնիկները շեղվում են գերակշռող Hall դաշտի կողմից: Մասնիկների արագության տարածման արդյունքում արագ և դանդաղ լիցքակիրների ներդրումը հաղորդունակության մեջ նվազում է, ինչը հանգեցնում է դիմադրության բարձրացման, բայց շատ ավելի փոքր չափով, քան անսահմանափակ կիսահաղորդիչներում:

Ֆիզիկական հիմքերէլեկտրոնիկա

Պինդ մարմինների հաղորդունակության տեսություն

Ըստ ֆիզիկայի՝ բոլոր նյութերը բաղկացած են ատոմներից, իսկ ատոմները՝ դրական միջուկից և դրա շուրջ պտտվող էլեկտրոններից՝ տարբեր ուղեծրերով։ Արտաքին ուղեծրում գտնվող էլեկտրոնները կոչվում են վալենտությունև կապեր ձևավորել հարևան ատոմների միջև: Տարբերել վալենտային կապերբ էլեկտրոնը պտտվում է իր ուղեծրի շուրջ, և կովալենտային կապերբ վալենտային էլեկտրոնները պտտվում են ընդհանուր ուղեծրով երկու հարևան ատոմների միջև: Էլեկտրոնները, որոնք թողնում են իրենց ուղեծրը և ազատորեն շարժվում նյութի մեջ, կոչվում են անվճարև մասնակցում են էլեկտրական հոսանքի հաղորդմանը:

Էլեկտրական հոսանքի հետ կապված բոլոր նյութերը բաժանվում են.

դիրիժորներ

Կիսահաղորդիչներ

մեկուսիչներ

Բազմաթիվ ատոմներից բաղկացած ամուր բյուրեղային մարմնում առանձին ատոմների էլեկտրական և մագնիսական դաշտերը ազդում են միմյանց վրա՝ ձևավորելով էներգիայի մակարդակներ։

Մեկուսիչների, հաղորդիչների և կիսահաղորդիչների տարբերակիչ առանձնահատկությունները բացատրելու համար օգտագործվում է ժապավենի տեսությունը, ըստ որի էլեկտրոնները, պտտվելով իրենց միջուկի շուրջ տարբեր ուղեծրերով, ունեն տարբեր էներգիաներ։

Բրինձ. 1.1 - Մեկուսիչի (ա), հաղորդիչի (բ) և կիսահաղորդչի (գ) էներգետիկ գոտիները:

Ըստ ժապավենի տեսության՝ այս նյութերի միջև տարբերությունը հետևյալն է.

· Մեկուսիչներում բոլոր վալենտային էլեկտրոնները գտնվում են իրենց ուղեծրերում, այսինքն. վալենտական ​​և ազատ շերտերում, բայց հաղորդման գոտում էլեկտրոններ չկան։ Վալենտական ​​գոտուց հաղորդման գոտի անցնելու համար անհրաժեշտ է էլեկտրոնին ասել արտաքին ազդեցությունΔE՝ շերտի բացը հաղթահարելու համար:

· Հաղորդիչների մեջ վալենտական ​​գոտին և հաղորդման գոտին համընկնում են միմյանց, իսկ նորմալ մթնոլորտային պայմաններում մետաղում շատ ազատ էլեկտրոններ կան:

Կիսահաղորդիչները, ինչպես մեկուսիչները, նույնպես ունեն ժապավենի բաց, բայց դրա հաստությունը շատ ավելի փոքր է, հետևաբար, նույնիսկ նորմալ մթնոլորտային պայմաններում, նրանք ունեն ազատ էլեկտրոններ, բայց դրանց թիվը փոքր է մետաղների համեմատ:

Ձևավորվում է էներգիայի մակարդակը, որում գտնվում են վալենտային էլեկտրոնները վալենտային գոտի. Ձևավորվում է էներգիայի այն մակարդակը, որում գտնվում են հաղորդման մեջ ներգրավված ազատ էլեկտրոնները անցկացման գոտի. Վալենտական ​​և հաղորդական գոտիները բաժանված են ժապավենային բացվածքով:

Գոտու բացը.
Գերմանիում (Ge) 0,85 էՎ;
Սիլիկոն (Si) 1.1 eV;
Ինդիումի ֆոսֆիդ (JnP) 1,26 էՎ;
Մետաղներ (Cu) 0 eV;
Մեկուսիչներ >3 էՎ.

Նյութերի էլեկտրական հաղորդունակությունը որոշվում է ազատ էլեկտրոնների պարունակությամբ։ Մետաղներում 1 սմ3-ը պարունակում է մոտ 1022 e/cm3, իսկ կիսահաղորդիչներում՝ 109÷1010 e/cm3։
Հոսանք ստեղծելու համար I=1Aպետք է բաց թողնել ne≈1018 վայրկյանում:

Այն էլեկտրոնները, որոնք ապահովում են պինդ մարմնի հաղորդունակությունը, կոչվում են հաղորդման գոտու էլեկտրոններ, իսկ «զոնա» բառը նշանակում է էներգիայի սերտորեն բաժանված մակարդակների մի շարք: Քվանտային օրենքները ներկայացնելիս մենք կբացատրենք (հատոր III, § 60) մի շատ կարևոր և ընդհանուր սկզբունք, որը որոշում է էլեկտրոնների բաշխումը հնարավոր էներգիայի մակարդակներում, այսպես կոչված, Պաուլիի սկզբունքը։ Առայժմ միայն նշում ենք, որ այս սկզբունքով նույն համակարգին պատկանող բոլոր էլեկտրոններն ունեն տարբեր քվանտային վիճակներ։

Հավասարակշռության ժամանակ համակարգն ունի ամենացածր էներգիան: Սակայն Պաուլիի սկզբունքը բարդացնում է իրավիճակը: Պաուլիի սկզբունքի համաձայն՝ էլեկտրոնների առկայությունը միանման, միմյանցից չտարբերվող քվանտային վիճակներում անհնար է։ Հետևաբար, բավարար թվով էլեկտրոնների դեպքում, պարզվում է, որ մինիմալ էներգիայով («ավելի ցածր էներգիայի մակարդակներ») բոլոր էներգետիկ վիճակները, որոնք թույլատրելի են քվանտային օրենքների համաձայն, լցված են: Քանի որ այս ցածր էներգիայի վիճակները «զբաղված են» որոշ էլեկտրոններով, հետևաբար, համաձայն Պաուլիի սկզբունքի, որը «արգելում է» էլեկտրոններին լինել նույնական վիճակներում, մնացած էլեկտրոնները «պետք է» զբաղեցնեն ավելի բարձր էներգիայով դեռևս չզբաղված մակարդակներ:

Երբ միանման ատոմները միավորվում են մեկ բյուրեղի մեջ, էլեկտրոնների էներգետիկ վիճակի վրա սկսում է ազդել ատոմների փոխազդեցությունը։ Այս փոխազդեցության արդյունքում ցանկացած

էլեկտրոնի էներգետիկ վիճակը բաժանված է մոտ վիճակների, որոնցից յուրաքանչյուրը կարող է պարունակել միայն մեկ էլեկտրոն։ Այսպիսով, բյուրեղում ատոմում էներգիայի առանձին մակարդակների փոխարեն ձևավորվում են էներգիայի լայն շերտեր, կամ, ինչպես կոչվում են, գոտիներ, որոնց մակարդակների թիվը հավասար է բյուրեղի ատոմների թվին (նկ. 114): )

Ցանկացած պինդ մարմնում՝ ինչպես դիէլեկտրիկում, այնպես էլ հաղորդիչում, կան էլեկտրոններ, որոնք բնակվում են էներգիայի ամենացածր մակարդակներում և «լցնում» այս բոլոր մակարդակները։

Բրինձ. 114. Էլեկտրոնների էներգետիկ վիճակները. Աջ կողմում `մեկուսացված ատոմում, ձախ կողմում` կիսահաղորդիչում:

Նման էլեկտրոնները կոչվում են լցված ժապավենի էլեկտրոններ: Նրանք չեն մասնակցում ո՛չ էլեկտրական, ո՛չ ջերմային հաղորդմանը։ Եթե ​​հնարավոր քվանտային մակարդակների բազմությունը ամբողջությամբ լցված է էլեկտրոններով (դրանցով հագեցած Պաուլիի սկզբունքի իմաստով), ապա էլեկտրոնների նման համակարգը պարզվում է, որ, այսպես ասած, կաշկանդված է, զրկված է դրան մասնակցելու հնարավորությունից։ էլեկտրական հոսանքի երևույթ. Էլեկտրական դաշտը, որը գործում է էլեկտրոնի վրա, պետք է տեղեկացնի նրան լրացուցիչ արագության մասին և դրանով իսկ «բարձրացնել» այն մոտակա ավելի բարձր էներգիայի մակարդակի: Բայց եթե էներգիայի բոլոր հնարավոր մակարդակներն արդեն «զբաղված են», ապա դա չի կարող տեղի ունենալ։

Էլեկտրական հոսանքի երևույթին կարող են մասնակցել միայն այն էլեկտրոնները, որոնք գտնվում են էներգիայի վերին մակարդակներում, և ավելին, այնպիսի գոտում, որտեղ էլեկտրոններով չլցված մակարդակները գտնվում են էլեկտրոններով լցված մակարդակներից վեր։ Իհարկե, միշտ էլ կան ավելի բարձր էներգիայի մակարդակներ, որոնք դեռ լցված չեն էլեկտրոններով, բայց կարող է պատահել, որ դրանք լցված մակարդակների գոտուց բաժանվեն էներգիայի մեծ ցատկով։ Այս դեպքում, այսինքն, երբ չլցված մակարդակների գոտին լցված մակարդակների գոտուց առանձնացված է էներգիայի մեծ տարբերությամբ, էլեկտրական դաշտը, որն ի վիճակի է միայն մի փոքր լրացուցիչ էներգիա հաղորդել էլեկտրոնին, ակնհայտորեն չի կարող փոխանցվել:

էլեկտրոն իր զբաղեցրած մակարդակից մինչև մեկ այլ մակարդակ և, հետևաբար, մարմինը էլեկտրական հաղորդունակություն չի ունենա:

Ասվածից պարզ է դառնում, որ հաղորդիչների և ոչ հաղորդիչների էլեկտրոնների էներգետիկ վիճակը կարելի է ներկայացնել նկ. 115. Մենք մի փոքր ավելի մոտ կլինեինք իրականությանը, եթե պատկերացնեինք հսկայական քանակությամբ էլեկտրոններ և հսկայական քանակությամբ էներգիայի մակարդակներ: Պետք է հաշվի առնել, որ տարբեր բնույթի մարմինների համար էներգիայի մակարդակների բաշխումը անհավասար է և տարբեր։ Բրինձ. 115-ը ցույց է տալիս միայն հիմնական տարբերությունը էլեկտրական հոսանքի և ոչ հաղորդիչների միջև:

Բրինձ. 115. Չհաղորդիչի և հաղորդիչի էներգետիկ սխեմաներ.

Էլեկտրոնների առկայությունը չլցված գոտում՝ հաղորդման գոտում, մարմինը դարձնում է էլեկտրական հոսանքի հաղորդիչ։ Նման էլեկտրոնները շատ են մետաղներում նույնիսկ բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանում։ Դիէլեկտրիկների մեջ դրանք գոյություն չունեն։ Կիսահաղորդիչներում դրանք հասանելի են սահմանափակ քանակությամբ:

Բավական ինտենսիվ տաքացումը հանգեցնում է էլեկտրոնների փոխանցմանը լցված գոտուց դեպի հաղորդման գոտի: Բարձրորակ մեկուսիչները բնութագրվում են էներգիայի մեծ տարբերությամբ ավելի բարձր մակարդակներլցված գոտի և չլցված գոտու ստորին մակարդակները: Ուստի դրանցում զգալի էլեկտրոնային հաղորդունակություն է հայտնաբերվում միայն շատ բարձր ջերմաստիճանի դեպքում։ Կիսահաղորդիչների համար, ընդհակառակը, բնորոշ է նշված գոտիների սերտ դասավորվածությունը (նկ. 116)։ Հետևաբար, թեև ցածր ջերմաստիճաններում նրանք ընդհանրապես էլեկտրական հոսանք չեն անցկացնում, բայց արդեն ջերմաստիճանի մի փոքր աճի դեպքում, կիսահաղորդիչի շատ էլեկտրոններ ցատկում են չլցված գոտի, և կիսահաղորդիչը ձեռք է բերում էլեկտրական հաղորդունակություն:

Շատ ուշագրավ է էլեկտրական հաղորդունակության հատուկ տեսակը, որը դրսևորվում է լցված գոտու էլեկտրոնների էլեկտրական հոսանքի երևույթին մասնակցելու շնորհիվ, երբ այս գոտին, դրանից որոշ էլեկտրոնների վերին գոտի ցատկելու պատճառով, դառնում է մասնակի

դատարկ (ինչպես երևում է, օրինակ, նկ. 116-ից): Որոշ մակարդակներում առաջացած «ազատ տեղերը» լցված են էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ գտնվող մակարդակներից էլեկտրոններով: Նոր ձևավորված ազատ տեղերը նույնպես լցված են էլեկտրոններով, որոնք էլ ավելի ցածր էներգիա են ունեցել և լրացուցիչ էներգիա են ստացել էլեկտրական դաշտում։ Այսպիսով, «ազատ տարածությունը» (այլ կերպ ասած՝ «անցքը») շարժվում է էլեկտրոնների շարժման հակառակ ուղղությամբ։ Փոսը շարժվում է դրական լիցքի պես։ Բայց անցքի այս շարժումը իրականում դաշտի գործողության տակ մի շարք էլեկտրոնների տեղաշարժի միայն դրսեւորում է։

Բրինձ. 116. Լավ մեկուսիչի և կիսահաղորդչի էներգետիկ սխեմաների համեմատություն.

Նման մի բան երբեմն կարելի է նկատել դասախոսական դահլիճում, որտեղ առաջին շարքերում դատարկ աթոռներ են հայտնաբերվել։ Հաջորդ շարքերից ունկնդիրները մոտենում են դասախոսին, իսկ ավելի հեռու գտնվողներն իրենց տեղերն են զբաղեցնում։ Ահա թե ինչպես են դատարկ աթոռները հեռանում դասախոսից՝ այդպիսով բացահայտելով ունկնդիրների շարժը դասախոսին ավելի մոտ։

Կիսահաղորդիչների էլեկտրական հաղորդունակությունը բաղկացած է էլեկտրոնային հաղորդունակությունից և անցքերի հաղորդունակությունից:

Կիսահաղորդիչների էլեկտրական հատկությունները մեծապես կախված են կեղտերի առկայությունից: Կեղտերի ազդեցությունը կարող է կիսահաղորդչի էլեկտրական հաղորդունակությունը դարձնել հիմնականում էլեկտրոնային կամ, ընդհակառակը, գերակշռող անցք: Լրացուցիչ ատոմների և էլեկտրոնների հետ միասին կեղտերը էներգիայի միջանկյալ մակարդակներ են մտցնում լցված գոտու և հաղորդման գոտու միջև: Նկ. 117-ը ցույց է տալիս ատոմների խառնուրդով կիսահաղորդչի էներգետիկ սխեման: որը պատմում է կիսահաղորդչին

հիմնականում էլեկտրոնային հաղորդունակություն (այդպիսի կեղտերը կոչվում են դոնորներ): Այս դեպքում կեղտից ստեղծված և էլեկտրոններով լցված միջանկյալ մակարդակները գտնվում են հաղորդման գոտու մոտ:

Բրինձ. 117. Դոնորի ազդեցությունը կիսահաղորդիչում էլեկտրոնային մակարդակների էներգետիկ սխեմայի վրա.

Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, միջանկյալ մակարդակներից էլեկտրոնները կարող են ավելի հեշտությամբ ցատկել հաղորդման գոտի, քան լցված գոտու էլեկտրոնները:

Բրինձ. 118. ակցեպտորի ազդեցությունը կիսահաղորդիչում էլեկտրոնային մակարդակների էներգետիկ սխեմայի վրա.

Չնայած էլեկտրոնային հաղորդունակության առաջացմանը, հիմնական լցված գոտում «ազատ տեղեր» կարող են չձևավորվել. անցքի անցկացումը կարող է բացակայել:

Այլ ատոմների անմաքրությունը կարող է կիսահաղորդիչին փոխանցել հիմնականում անցքերի հաղորդունակություն (այդպիսի կեղտերը կոչվում են ընդունիչներ): Այս ատոմների ավելցուկը հանգեցնում է արտաքին տեսքի

միջանկյալ մակարդակները, որոնք զբաղված չեն էլեկտրոններով և գտնվում են լցված գոտուն մոտ (նկ. 118): Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, էլեկտրոնները լցված գոտուց ցատկում են այս միջանկյալ մակարդակները, և ա մեծ թիվանցքեր, որոնք ապահովում են էլեկտրական հաղորդունակությունը՝ չնայած հաղորդման գոտում էլեկտրոնների բացակայությանը։

Անմաքրության կողմից ստեղծված հաղորդունակության բնույթն ավելի լավ հասկանալու համար եկեք ավելի մանրամասն քննարկենք կատարված գործողությունը: անմաքրության ատոմ տիպիկ կիսահաղորդչի՝ գերմանիումի բյուրեղային ցանցում: Գերմանիումը Մենդելեևի պարբերական համակարգի չորրորդ խմբի քառավալենտ տարր է։ Գերմանիումի բյուրեղային ցանցում յուրաքանչյուր ատոմ փոխազդում է չորս ամենամոտ, հարևան ատոմների հետ. Այս փոխազդեցությանը մասնակցում է ութ էլեկտրոն՝ չորս էլեկտրոն ատոմի արտաքին թաղանթից և չորս էլեկտրոն՝ հարևան ատոմների արտաքին թաղանթներից (նկ. 119):

Բրինձ. 119. Էլեկտրոնային կապեր բյուրեղային ցանցերում՝ ա - մաքուր գերմանիում; բ - բորի կեղտերի առկայության դեպքում. գ - ֆոսֆորի կեղտերի առկայության դեպքում.

Ենթադրենք, որ այլ վալենտություն ունեցող օտար ատոմը հայտնվում է գերմանիումի ատոմներից մեկի տեղում: Այնուհետև կխախտվի անմաքրության ատոմի մոտ վալենտային կապերի համակարգը։ Երբ դա տեղի է ունենում, տեղի է ունենում երկու բաներից մեկը.

1) եթե անմաքրության ատոմը հինգերորդ խմբի ներկայացուցիչ է, այսինքն՝ հնգավալենտ (օրինակ՝ ատոմը կամ անմաքրության ատոմի հինգերորդ վալենտային էլեկտրոնը, որը պարզվում է, որ ավելորդ է, հեշտությամբ բաժանվում է դրանից և թափառում բյուրեղի շուրջը. կիրառական էլեկտրական դաշտի առկայության դեպքում այս էլեկտրոնը դառնում է հաղորդիչ էլեկտրոն, այսինքն՝ նման անմաքրությունը ստացվում է դոնոր (նկ. 117);

2) եթե գերմանի վանդակում գտնվող կեղտոտ ատոմը երրորդ խմբի (բոր, ալյումին կամ ինդիում) ներկայացուցիչ է, այսինքն՝ եռավալենտ, ապա այդպիսի ատոմն ի վիճակի է կցել մեկ էլեկտրոն իրեն՝ վերցնելով այն հարևան գերմանի ատոմից, որը պահանջում է որոշակի էներգիայի ծախս, որը փոխանցվում է ջերմային շարժման կամ ֆոտոնների միջոցով։ Այս դեպքում գերմանիումի վանդակում ձևավորվում է թափուր էլեկտրոնային կայք («անցք»): Այս թափուր տեղը մշտապես չի մնում որևէ տեղամասում, այլ էլեկտրոնների անցումների պատճառով

սա ազատ տեղ է, այն քաոսային թափառում է բյուրեղի շուրջը: Էլեկտրական դաշտում անցքի շարժումը ձեռք է բերում ուղղություն. անցումների ժամանակ էլեկտրոնները հիմնականում կշարժվեն դաշտի դեմ, մինչդեռ փոսն ինքը կշարժվի դաշտի երկայնքով, ինչպես դրական լիցքի կրիչը (էլեկտրոնների ռելեի շարժումը կրճատվում է մինչև անցքի շարժում):

Հիմնականում էլեկտրոնային հաղորդունակությամբ կիսահաղորդիչները կոչվում են n-տիպի կիսահաղորդիչներ (բացասական՝ բացասական), իսկ անցքերի հաղորդունակությամբ կիսահաղորդիչները՝ p-տիպ (դրական՝ դրական)։