Атты дене физикасыны элементтері

Айматы (зоналы) теория туралы ым.

Сутегі атомы шін энергетикалы диаграмма алай рылан болса, ол кез келген элемент шін де солай рылады. Алайда, атомдаы электрондар бір бірінен айырмашылыы здеріні энергияларында болады, демек Паули приципі бойынша, рбір энергетикалы дегейде здеріні спиндерімен ана згешелетін тек бір немесе екі электрон ана болады. Е алдымен тменгі дегей, содан со одан жоары дегейлер толады. озбаан атомда е жоары дегей бір немесе екі валенттік электронмен толан болады.

озу дегейі стінде иондау облысы (электронны атомды тастап шыатын кезіндегі энергияны мні) жатады.

Кристалдар тзілеген кезде атомдар соншалыты жаындайды да, тіпті электрондарды энергетикалы кйлеріне кршілес атомдарды электр жне магнит рістері сер ете бастайды да, электрондарды з атомдарымен байланысы нашарлайды, оларды энергия дегейлері тмендейді. Осыны нтижесінде атомдарды бірдей энергетикалы дегейлері кристалда андай да бір жалпы дегейге жинаталмай, шама жаынан бір бірімен шамалас, сйтсе де айырмасы бар ртрлі дегейлерге, энергетикалы зона тзе, ыдырайды (сурет 1). Мндай зонадаы энергетикалы дегейлер саны кристалл тзілген атомдарды санына те.

W W

3

6

2 W

5

1

атом 4

кристалл

1сурет. Кристалл тзілгенде энергетикалы дегейлерді ыдырауы

Кристалды атомдарды электрондармен толтырылан энергетикалы дегейлеріні ыдырауы нтижесінде толтырылан зоналар пайда болады. Валенттік электрондар дегейлері валенттік толтырылан зона тзеді. Кристалдаы озу дегейлеріні ыдырауы нтижесінде озу зонасы (немесе ткізгіштік зона) пайда болады, егер электрондар жо болса, онда зона еркін зона деп аталады.

Бл зоналарды брі де бір бірінен электрондар орналаса алмайтын энергетикалы дегейлер тзетін (W) тыйым салынан зоналармен блініп трады.

Кристалл шін де, оашаланан (баса атомдармен байланыспаан) атом шін де Паулиды тыйым салу принципі орынды: рбір энергетикалы дегей тек бір ана электронмен (немесе арама арсы спинді екі электронмен) толтырылуы ммкін.

йткені рбір электрон энергетикалы тиімді жадайда (нерлым аз энергия алу кйінде) орналасуа тырысады. Демек, электрондар е алдымен тменгі толтырылан зоналарды энергетикалы дегейлерін толтырады ( сурет 2).

 

 

W

       
   
 


ткізгіштік зонасы

Тыйым салынан зона

валентттік зона

Тыйым салынан зона

толтырылан эона

Тыйым салынан зона


2 сурет. Кристалды зоналы рылысы

Денелерді электрлік асиеттері ткізгіштік зонасы мен валенттік зона (W) арасындаы тыйым салынан зоналарды жалпатыымен аныталады.

Электр ткізгіштік процесіне валенттік зона электрондары атысады, онда бл электрондар электр рісіні серінен электр тогын туыза отырып, ткізгіштік зонасына теді.

Тыйым салынан зона нерлым жалпа болса, (W мні кп болса), онда валенттік электрона сол зонадан ту шін сорлым кбірек энергия беру керек, демек, кристалды электр ткізгіштігі сорлым нашар болады.

Кристалдаы электронды байланыс.

атты денелер аморфты жне кристалды болады. Кристалдарды кеістік торларыны тйіндерінде бір бірімен электрлік зара сер кшімен байланысан атом иондары орналасан. Кристалды атомдары арасындаы байланыстарды пайда болуында сырты абытар жасы роль атарады.

Кристалдар байланыстарды ш трі: металды, ионды, ос электронды (коваленттік) байланыстар бойынша тзілуі ммкін.

Металды байланыс кезінде кристалл атомдары бір біріне жаын орналасан сырты абыты электрондары кршілес атомдарды ядроларыны ыпалына тседі де, з абытарын тастап шыады. Мндай электрондар кристалды торды ішінде озалып жреді де, енді бір атом емес, бкіл кристалл атомдарына орта болады, сондытан оларды ортатастырылан (ткізгіштік электрондар) деп атайды. Кристалды торларды тйіндерінде атомдар тербелмелі озалыс жасайды.

Металда ортатастырылан электрондар есебінен бейтарап атомдар тзілуі ммкін жне атомдарды жаа валенттік электрондарыны жлынып кету процестері здіксіз жріп жатады.

Ионды байланыса хлорлы натрий (NaCl) тзыны кристалы мысал бола алады. Натрий атомыны ядромен лсіз байланысан бір валенттік (М абатында) электроны, ал хлор атомыны М абатында жеті электроны бар. Хлор атомы сегіз электроннан барынша орныты сырты абы жасауа тырысып, зіне натрийді валенттік электронын осып алады. Осыны нтижесінде пайда болан натрийді о ионы жне хлорды теріс ионы торды тйіндерінде кулонды зара сер кшімен сталып трады. Мндай кристалда электрондар атомдармен берік байланысады да, ткізгіштік электрондар болмайды.

Коваленттік байланыс. Бл байланыс кристалды р атомы кршілес атомдармен байланысты амтамасыз ету шін бір бірден электрондар бліп шыару есебінен орнайды. Сйтіп, кршілес екі атом ортатастырылан екі электронмен байланысады. Демек, бл байланысты валенттік электрондар іс жзіне асыратындытан, р атомны байланыстар саны оны валенттігіне те. ос электронды байланыс, мысалы, трт валентті кремний кристалдарында болады. Кеістік кристалл торларды кескінделуі крнекі болуы шін кбіне оны жазы проекциямен алмастырады.

Реал кристалдарда бір мезгілде электронды байланыстарды р трлері кездесуі ммкін.

Айматы (зоналы) теориядаы металдар, диэлектриктер, жартылай ткізгіштер.

Зоналы теория бойынша барлы денелер тыйым салынан зонаны (W) еніне байланысты шартты трде ткізгіштер, шала ткізгіштер жне диэлектриктер болып блінеді. Егер оны ені нольге те болса, онда зат ткізгіш болады, егер ол 2 эв-тен аспайтын болса, онда ол шала ткізгіш, ал егер тыйым салынан зонаны ені 2 эв-тен арты болса, онда зат диэлектрик болады.

W

 

 

                       
         
 
         

 


                               
           
 
   
 
           
 
 
 
 
 
 
 
   
 
     

 


а - ткізгіштікі

W

                                                   
           
 
           
 
         
 
           
 
   
           
 

 


W

               
   
 
 
 
 
 
 
 
   
 
     

 


б - диэлектриктікі

W

 

                                           
           
 
         
 
           
 
           
 
           

 

 


W

               
   
 
 
 
 
 
 
 
   
 
     

 

 


в – шала ткізгіштікі

3 сурет. Энергетикалы диаграммалар

Металдар.

Металдарда ткізгіштік зонасы валенттік зонаны жауып кетеді (3, а-суретте ткізгіштік зонасыны энергетикалы дегейі штрихтармен крсетілген) немесе оан тйісе орналасады.

Металл кристалында зонадаы кршілес энергетикалы дегейлер арасындаы ашыты шамамен 10-22 – 10-23 эв шамасында болады, яни олар іс жзінде здіксіз орналасады. Солай бола трса да, блме температурасында жылулы озалыса атысушы атомны кинетикалы энергиясы 0,04 эв- тен аспайды. Бл кез келген температурада абсолют нольді оса аланда, ткізгіштік зонасында электрондар болады деген сз. Егер металда электр рісін туызса, онда электрондар лдеайда жоары энергетикалы дегейлерге кше бастайды да, электр тогы пайда болады.

ткізгіштік электрондарыны кристалл арылы озалуы рсат етілетін зоналар шектерінде жататын р трлі энергиялар арасында бола алады. Электр тогын туызуа тек валенттік зонаны электрондары атысады.

 

Диэлектриктер.

Диэлектриктерде валенттік зона толыымен эллектрондармен толтырылан. Диэлектриктерде тыйым салынан зона те лкен (3, б-сурет) жне жасы диэлектриктерде 20эв дрежесіне жетеді. Сондытан алыпты жадайда валенттік зонадаы электрондар еркін электрондара айналмайды да, диэлектрик изолятор болады. Валенттік зонадаы электрона те жоары энергия бергенде, олар тыйым салынан зонадан те алады, мндайда диэлектрик ткізгішке айналады (диэлектрикті электрлік тесіп ту, оны изоляторлы асиетін жояды).

 

Шала ткізгіштер.

Бізді оршаан кптеген атты денелер – шала ткізгіштер. Оан Менделеевті периодты системасыны IV,V жне VI группасындаы кейбір элементтер (4сурет), кптеген тотытар, металдарды ккіртпен, селенмен, теллурмен осылыстары, біратар органикалы заттар жатады.

III топ IV топ V топ VI топ VII топ

5 В 1,1 6 С 5,2  
  14 Si 1.1 15 P 1.5 16 S 2.5  
32 Ge 0.72 33 As 1.2 34 Se 1.7  
50 Sn 0.1 51 Sb 0.12 52 Te 0.36 53 I 1.25

Тыйым салынан зона ені электрондар саны


4сурет. Химиялы элементтер – шала ткізгіштер

 

Шала ткізгіштерді алыпты жадайдаы меншікті кедергісі металдардан кп те, диэлектриктен аз. Шала ткізгіштерді электр ткізгіштігі температураа, жарытануа, электр рісіні серіне, ысыма, оспаларды болуына аса туелді.

Шала ткізгіште тыйым салынан зонаны ені онша лкен емес, (3, в-сурет) мысалы, германий шін W=0,75эв, кремний шін W=1,2эв шамасында. Химиялы таза шала ткізгіш абсолют нольде диэлектрик болып табылады: валенттік зона электрондармен толы толтырылады, ал ткізгіштік зонасында электрондар жо.

 

Кемтікті ткізгіштік ымы.

Температура жоарылаанда валенттік зонаны электрондары еркін зонаа те бастайды. Шала ткізгіште металдаы сияты, электронды ткізгіштік пайда болады. Электр рісі бар кезде электр тогы (І) ткізгіштік зонасында электрондарды орын ауыстыруы есебінен туады.

Шала ткізгіштерде электронды ткізгіштіктен баса кемтікті электр ткізгіштік те болады. ткізгіштік зонасына ткен рбір электрон валенттік зонада кемтік деп аталатын бос орын алдырады. Вакансияны (кемтікті) крші электрон толтыруы ммкін, ал оны орнында жааа кемтік пайда болады, бл кемтікті кезегімен келесі бір электрон басуы ммкін, т.т. электр рісі жо кезде электрондпр мен кемтіктер тртіпсіз (хаосты) жылулы озалыста болады. Бл кезде электрон-кемтік парлары тзіліп ана оймайды, сонымен бірге кері процесс – рекомбинация процесі – туып, ткізгіштік электрондар кемтіктерді толтырады.

Валенттік зонаны жоары энергетикалы дегейі кемтікпен толан болсын делік. Электр рісі туан кезде электрон тменгі дегейден жоары дегейге ауысып, кемтікті толтырады. Біра оны есесіне оны орнында жаа кемтік пайда болады. Ал оны келесі электрон толтырады т.с.с. Сйтіп электрондар ріске арсы, ал кемтіктер оан арама арсы баытта озаландай болып шыады. Мны зі кемтікті ток (Ік). Кемтіктерді электр рісінде орын ауыстыру баытына арап, оларды о электр зарядтарын тасушы деп есептеуге болады.

Сйтіп, шала ткізгіштердегі электр тогы ткізгіштік зонасындаы ткізгіштік электрондардан жне валенттік зонадаы кемтіктерден пайда болады. Сонда жалпы ток:

I=Iэ+Iк

Кемтіктерге араанда, электрондар лдеайда шапша озалатындытан, электронды ток пен кемтіктік ток те деп арауа болмайды.

Меншікті жне оспалы ткізгіштіктер.

Химиялы таза шала ткізгіштерді ткізгіштігі (электронды-кемтіктік ткізгіштік) меншікті ткізгіштік деп аталады.

Шала ткізгіштерде электрондарды концентрациясы температураа туелді. Температура жорылаан сайын ткізгіштік электрондар саны артады, сйтіп, шала ткізгіш электр ткізгіштігі жаынан метала жаындайды.

Шала ткізгіштерге оспа осып, оларды не электронды ткізгіштігін, не кемтіктік ткізгіштігін басым етуге болады.

Электронды ткізгіштік асиеті бар шала ткізгіш (n типтес) шыарып алу шін донорлы оспаларды пайдаланады. Донорлы оспалы атомдарды айсыбір бос емес дегейлері шала ткізгішті тыйым салынан зонасында болады да, біра ткізгіштік зонасына шекаралас орналасады. Сонда оспалы дегейді электрондарыны біраз блігі жылулы озалыс нтижесінде ткізгіштік зонасына ауысады да, ондаы электрондар концентрациясын арттырады.

Мысал ретінде кремний кристалын арайы. Кремний атомында трт валенттік электрон кршілес атомдармен коваленттік байланыс жасайды. оспа ретінде бес валентті мышьякті олданайы. Сонда оны трт электроны кремниийді кршілес атомыны трт электронымен ковалентті (ос электронды) байланыс жасайды, ал бесінші электрон ковалентті байланыса атыспайды, сондытан кремний атомдарыны валенттік электрондарына араанда лдеайда жоарыра энергетикалы дегейде болады. Бл энергетикалы дегей кремнийді тыйым салынан зонасындаы ткізгіштік зонасы астында орналасады.

Кемтікті ткізгіштік асиеті бар шала ткізгіш шыарып алу шін р-типтес, акцепторлы оспаны пайдалану керек. оспалы атомдарды электрондармен толтырылмаан дегейлері шала ткізгішті тыйым салынан зонасында болады да, біра валенттік зонаа таяу орналасады. Бл жадайда электрондарды валенттік зонадан оспаны бос дегейіне ауысуы шін, химиялы таза шала ткізгішке араанда, те аз энергия ажет болады.

Жылулы озалыс кезінде электрондар валенттік зонадан оспаны энергетикалы дегейлеріне ауысады да, сйтіп валенттік зонада кемтіктер пайда болады.

Шала ткізгішті кристалды торында оспалы атомдар бір бірінен алыс орналасан, сондытан да оспалар атомдарыны энергетикалы дегейлері ыдырамайды. оспаны тіпті те аз млшері шала ткізгішті электрлік асиеттерін кшті згертеді.