Потенциалдардың жапсарлык айырымы

Алдыңғы параграфта карастырылған n және р типті шала өткізгіштердің жапсарларында өтетін құбылыстарды карастырмастан бұрын, әр түрлі екі металдың жапсарында болатын процестерді карастыралык.

7.7.1. Шығу жұмысы.

Калыпты жағдайда металдан электрондар ұшып шығып кете алмайды. Шынында, кез келген бip электронның жылдамдығы металл бетінің маңында сыртқа қарай бағытталған болса, оның металдан ұшып шығуы мүмкін, бipaқ электрон кеткен металл аумағы оң зарядталады да металл мен одан ұшып шыққан электрон арасында электр өpici пайда болады. Бұл өpic электронның одан әpi ұшып кетпеуіне әсер етеді. Мұндай электрондардың энергиясы Ферми деңгейіне жакын және олардың саны әжептәуір болады. Калыпты жағдайда металдан ұшьш шығып жататын электрондар саны мен оған кайта оралатын электрондар саны динамикалық тепе-тең жағдайда болады. Сөйтіп металл бетінің маңында бірнеше атомаралық кашықтықта жұқа электрондық бұлт пайда болады (7.7.1.1а-сурет). Осы электрондык бұлт пен металдың бетіндегі иондар кос электрлік кабат құрайды. (7.7.1.1б-сурет), басқаша айтканда, металл беті өте жұка микроконденсатормен капталған деп есептеуге болады. Бұл конденсатордың астарларының аракашықтығы өте аз болғандықтан, потенциал бірнеше атомаралық кашықтықта жылдам өзгереді. Металл бетіндегі потенциалдың осы кенеттен түcyi электрондардың металдан ұшып шығып кетпеуін камтамасыз етеді. Сонымен металдағы еркін электрондарды потенциалдық шұңкырда орналаскан деп есептеуге болады (7.7.1.2-сурет).

7.7.1.2-сурет

Олай болса, валенттік электрондардың металл ішіндегі потенциалдық энергиясы металл сыртындағы энергиясынан потенциалдың шұңкыр тереңдігіне тең шамаға кем. Потенциалдық энергия мен потенциал өрнегімен байланыскандықтан, металл ішіндегі потенциал оның бетінің маңындағы потенциалдан артық болады (7.7.1.2-сурет). Егер металға қосымша оң заряд берілген болса, металдың ішіндегі және бетінде потенциал артады, потенциалдық энергия кемиді (7.7.1.3а-сурет). Ал металға тepic заряд берілген болса, керісінше потенциалдық энергия артады (7.7.1.3а-сурет).

7.7.1.3-сурет

Электрондардың потенциалдық энергиясымен қатар кинетикалық энергиясы болатындықтан және абсолюттік нөл температурада кинетикалық энергия 0-ден мәніне дейін өзгеретіндіктен, потенциалдық шұңкырда электрондар шұңқыр түбіне сәйкес келетін энергетикалық деңгейден бастап деңгейге (Ферми деңгейіне) дейін орналасады, ал -ден жоғары деңгейлерде электрондар болмайды (7.7.1.4-сурет)

7.7.1.4-сурет

Потенциалдық шұңқыр түбінде орналаскан электронды металдан шығару үшін -ге тең энергия жұмсалуы керек, ал Ферми деңгейінде орналаскан электрон үшін энергия керек.

Электронды металдан вакуумге шығару үшін қажет ең аз энергия шығу жұмысы деп аталады. Олай болса, шығу жұмысы

(7.7.1.1)

Көпшілік жағдайда шығу жұмысын өрнегі арқылы шығу потенциалмен байланыстырады.

(7.7.1.2)

Келтірілген формуламен анықталатын шығу жұмысын изотермалық шығу жұмысы деп атайды, ceбeбi Ферми деңгейінен баска деңгейлерден электрондар металдан ұшып шыккан кезде металдың температурасы өзгереді. Химиялық таза металдардың шығу жұмысы 1эВ-тан 5эВ-ка дейін өзгереді. Мысалы, вольфрам үшін шығу жұмысы 4,5эВ, платина - 5,3эВ, темір - 4,4эВ, цезий - 1,9эВ.

Шығу жұмысының шамасы металдың табиғатына. ондағы коспаға, бетінің тазалығына, сырткы электр өрісінің шамасына және температурасына байланысты.

7 .7.2. Потенциалдардың сырткы жапсарлық айырымы.

Егер екі түрлі металл алып, оларды бip бipiмeн түйістірсе, екі металдың Ферми деңгейлері бірдей болмағандықтан, Ферми деңгейі жоғары металдан, Ферми деңгейі төмен металға электрондар өте бастайды. Бұл процесс екі металл Ферми деңгейлері теңескен кезде токталады.

Осы кезде электрондарын жоғалткан металл оң, ал электрондар кабылдаған металл тepic зарядталады (7.7.2.1-сурет). Сөйтіп біріншi металл бетінің маңында потенциалдық энергия екінші металл бетінің маңындағы потенциалдық энергиядан аз болып шығады. Олай болса, біріншi металл бетіндегі потенциал екінші металл бетіндегіден үлкен болады.

Осы шаманы потенциалдардың сырткы жапсарлық айырымы деп атайды, ceбeбi бұл айырым металдардан тыс, олардың беттеріне жакын орналаскан нүктелердің арасында пайда болады.

7.7.2.1 – сурет

7 .7.3. Потенциалдардың ішкі жапсарлық айырымы.

Металдардың ішкі нүктелерінің арасында да потенциалдар айырымы пайда болады, бұл айырым екі металл Ферми денгей­лерінің айырымымен анықталады

(7.7.3.1)

Бұл айырымды потенциалдардың ішкі жапсарлық айырымы деп атайды.

Егер бірнешe метаддарды түйістірсек, онда шеткі металдар беттерінің арасындағы потенциалдар айырымы, олар тікелей түйіскен кездегі айырыммен бірдей болады.

Ал әр түрлі металдарды түйістіріп тұйық тізбек жасасақ, (яғни n 1) потенциалдар айырымының қосындысы нөлге тең болады. Сонымен статистикалық тепе-тендік күйде орналасқан металдарды ғана пайдаланып ЭКҚ тудыруға болмайды екен.

7 .8. Шала өткізгіштер жапсарының түзеткіштік әcepi.

Екі түрлі (р және n типті) шала өткізгіштерді бip-бipiмeн түйістіріп жапсар жасалық. Бұл кезде токты бip бағытка өткізетін р- n өткел пайда болады. Бұл өткелдің екі жағынан әр түрлі коспалары бар шала өткізгіштермен шектелген жұка кабат түрінде қарастыруға болады. 7.8.1-сурет

Екі түрлі шала өткізгіштердің жапсарындағы кемтіктер мен электрондардың концентрацияларының кеңістікте таралуы 7.8.1-суретте көрсетілгендей болады.

Акцепторлы шала өткізгіште негізгі ток тасымалдаушы кемтіктермен қатар жылулық қозғалыс әсерінен валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өткен біразырақ электрондар болады. Донорлы шала өткізгіште негізгі ток тасымалдаушы электрондармен қатар жылулық қозғалыс әсерінен электрондардың валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өтуінен біразырақ кемтіктер пайда болады. Жапсар аумағында кемтіктер мен электрондардың концентрацияларының градиенті болатындықтан, кемтіктер р- типті шала өткізгіштен n-типтіге, ал электрондар керісінше n-типтіден р-типтіге өте бастайды. Осы кезде р-типті шала өткізгіш тepic, ал n- типтіci оң зарядталады. Сөйтіп жапсарда n р бағытта электр өpici пайда болады. Бұл процесс екі түрлі шала өткізгіштердің Ферми деңгейлері теңесіп тепе-тендік күй орныққанға дейін жүреді. Осы кезде диффузиялық ағын мен пайда болған өpic нәтижесінде кepi жүретін негізгі емес ток-тасымалдаушылардың ағыны теңеседі. Бұл кезде р және n- типті шала өткізгіштер арасында потенциалдар айырымы пайда болады (7.8.2а-сурет)

7.8.2-сурет

Енді р-типті шала өткізгішті ток көзінің оң полюсіне, ал n-типтіні сол полюсіне қоссақ, р-типті шала өткізгіштердің потенциалдық энергиясы артады, ceбeбi берілген потенциал оң, кемтіктердің заряды оң. Осы себептен кемтіктердің (р-типтідегі) потенциалдық энергиясы абсолюттік шамасы азаяды, ал негізгі емес электрондардың да потенциалдық энергиясының абсолюттік шамасы кемиді. n-типті шала өткізгіш үшін электрондардың потенциалдық энергиясының абсолюттік шамасы кемиді, ал негізгі емес кемтіктердікі де кемиді. Олай болса негізгі кемтіктер мен электрондар үшін потенциалдық тосқауылдардың биіктігі кеміп, кемтіктер р n бағытта, ал электрондар n р бағытта еркінірек козғалуға мүмкіндік алады (5.8.2б-сурет). Егер р-типті шала өткізгішті ток көзінің тepic полюсіне, n –типтіні оң полюсіне қоссақ, екі типті шала өткізгіштердегі негізгі ток тасымалдаушылардың потенциалдық энергияларының абсолюттік шамалары көбейеді, яғни олар үшін потенциалдық тосқауылдардың биіктіктері артады. Олай болса, кемтіктердің р n бағытта, ал электрондардың n р бағытта козғалуы қиындай түседі, яғни жоғарыда қарастырылған құбылыстардан р - n өткел токты тек р n бағытта ғана өткізеді деген қорытындыға келуге болады. Екі түрлі шала өткізгіштер жапсарының осы касиетін айнымалы токты түзету үшін пайдалануға болады.