Кедергiнiң температураға тәуелдiлiгi. Асқын өткiзгiштiк

7.1-сурет

Температураның өзгеруiне қарай өткiзгiш кедергiсi өзгередi. Егер T₀ = 273^oK (0^oC)-да өткiзгiш кедергiсi R₀ -ге тең, ал T температурада R -ға тең болса, онда кедергiнiң салыстырмалы өзгеруi, тәжiрибиенiң көрсетуi бойынша, Δ T температураның өзгеруiне тура пропорционал:

(7.7)

мұндағы α - кедергiнiң температуралық коэффициентi, ол сан жағынын өткiзгiштi 1^oК қыздырғандағы кедергiнiң салыстырмалы өзгерiсiне тең.

(7.2)-i келесi түрде жазайық:

R = R₀(1+ αδ T). (7.8)

Бұл тәуелдiлiк 7.1 суретте көрсетiлген.

1911 жылы Камерлинг-Оннес сынапты бiртiндеп мұздатқанда, оның кедергiсi әуелi сызықты заңдылықпен азайып, ал температура 4,15 К-ге жеткенде кенет 0-ге дейiн төмендейтiнiң ашты. Бұл құбылыс асқын өтгiзгiштiк деп аталады. 0-ге тең емес температурада асқын өткiзгiштiк күйге ауыса алатын материалды асқын өткiзгiштер дейдi.

Асқын өткiзгiштен ток өткенде энергия шығыны болмайды, өткенi асқын өткiзгiштiк күйдегi сақинада бiр қоздырылған электр тогы барынша ұзақ уақыт өзгермейдi.

7.2-сурет

Асқын өткiзгiштер пратикада кеңiнен қолданылады, олар электромагниттерде пайдаланылады. Электромагнитттерде пайда болған магнит өрiсi ұзақ уақыт аралығында болады, өткенi асқын өткiзгiштi орамаларда жылу бөлiну болмайды. Бiрақ асқын өткiзгiштертердiң көмегiмен үлкен магнит өрiсiн құруға болмайтын айта кету керек. Өткенi үлкен магнит өрiсiнде асқын өткiзгiштiк күйi бұзылады. Өткiзгiштен ток өткенде, оның iшiнде және айналасында магнит өрiсi пайда болады. Асқын өткiзгiштен едәуiр ток өткенде, оның асқын өткiзгiштiгi жойылады. Асқын өткiзгiштен едәуiр ток өткенде үлкен магнит өрiсi пайда болады да, асқын өткiзгiштiк жойылады. Сондықтан, әрбiр өткiзгiштiң асқын өткiзгiштiк күйi үшiн оның осы күйiн бiлдiретiн ток күшiнiң кризистiк мәнi болады.

Асқын өткiзгiш магниттер магнитогидродинамикалық генераторларда, элементар бөлшектердi үдеткiш құрылығыларда пайдалынады. Асқын өткiзгiштi электiрлiк берiлiс жолдарын құрылуы зерттелiп жатыр.

Жоғарғы температурадағы асқын өткiзгiштiң ашылуы бүкiл электротехника, радиотехника және ЭВМ – дi конструкциялауда жаңа техникалық төнкерiске жеткiзу мүмкiн.

1.2. Жартылай өткізгіштердегі электр тогы

Жартылай өткiзгiштер деп кедергiсi кең көлемде өзгере алатын және температурасы жоғарылаған сайын кедергiсi тез азаятын заттарды айтады.

Таза (қоспасыз) жартылай өткiзгiш кристалындағы еркiн электрондардың және кемтiктердiң қозғалысынан болатын өткiзгiштiктi жартылай өткiзгiштердiң меншiктi өткiзгiштiгi дейдi.

Таза жартылай өткiзгiштiң электрөткiзгiштiгi тек қана кристалдағы коваленттiк байланыстар узiлген жағдайда ғана мүмкiн болады. Мысалы, қыздыру коваленттiк байланыстардың үзiлуiне келтiредi, сондықтан еркiн электрондар пайда болып, таза жартылай өткiзгiштiң меншiктi электрондық өткiзгiштiгi (n-типтi өткiзгiштiгi) болады.

Электрон кеткен жерде артық оң заряд пайда болады да, оң кемтiк құрылады.

Сыртқы электр өрiсiнде электрондар электр өрiсiнiң кернеулiгiнiң бағытына қарама қарсы жаққа ығысады. Оң кемтiктер электр өрiсiнiң кернеулiгiнiң бағытына қарай орын ауыстырады, яғни электр өрiсiнiң әсерiнен оң зарядтың қозғалатын жағына қарай орын ауыстырады. Кемтiктердiң реттi орын ауыстыруанан болатын таза жартылай өткiзгiштiң электрөткiзгiштiгiң меншiктi кемтiктiк өткiзгiштiгi (p-типтi өткiзгiштiгi) дейдi.

Жартылай өткiзгiштердiң кристалдық торларына қоспаларды (қоспалық центрлерiн) еңгiзуiнен болатын электрөткiзгiштi қоспалық өткiзгiштiк дейдi.

7.4-сурет

Қоспалар жартылай өткiзгiштер кристалдарына электрондарды қосымша жабдықтаушы болуы мүмкiн. Мысалы, жартылай өткiзгiштiң торында германийдiң төрт валенттiк электроны бар бiр атомы бес валенттiк электроны бар қоспаның (мышьяк, сүрме) атомымен ауыстырылсын. Қоспалық атомның төрт электроны көршi германий атомдарының электрондарымен коваленттiк байланыстар жасауға қатысады, ал бесiншi электрон коваленттiк байланыс жасауға қатыса алмайды. Ол “артық" болады, өз атомымен әлсiз байланыста болады, сондықтан одан оңай бөлiнiп кетедi де, еркiн атом бола алады.(7.4 сурет). Электр өрiсiнiң әсерiнен жартылай өткiзгiштегi сондай электрондар реттелген қозғалысқа келедi, ал жартылай өткiзгiште электрондық қоспалық өткiзгiш пайда болады. Мұндай өткiзгiштiгi бар өткiзгiштер электрондық немесе n-типтiк жартылай өткiзгiштер дейдi.

7.5-сурет

Жартылай өткiзгiштегi төрт валенттiк электроны бар бiр атом үш валенттiк электроны бар қоспа атомымен (индий, алшюминий) алмасқанда, торда барлық коваленттiк байланыстар құрылуы үшiн бiр электрон жетiспейдi (7.5 сурет). Бiрақ, қоспалы атом тордағы ең жақын негiзгi атомның электронын алған жағдайда, ол барлық байланыстарды құра алады. Онда негiзгi атомнан кеткен электронның орнында оң кемтiк пайда болады, осы кемтiкке тордағы келесi көршiлес атомның электроны ырғып түсуi мумкiн және т.с.. Электрондардың оң кемтiктердi бiр iздi толтыруы жартылай өткiзгiштегi кемтiктердiң қозғалысына және онда ток тасымалдаушылардың пайда болуына тендес. Электр тогының әсерiнен кемтiк өрiс кернеулiгiмен бағыттас орын ауыстырады да, жартылай өткiзгiште кемтiктiк қоспалық өткiзгiштiк пайда болады. Осындай өткiзгiштiгi бар жартылай өткiзгiштедi қоспалық кемтiктiк немесе p-типтiк жартылай өткiзгiштер дейдi.