Жартылай өткізгішті диодтар

 

1. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІ ҚҰРАЛДАР

1.1 Жартылай өткізгіштік материалдарға қысқаша түсінік.

 

Электрлік қасиеті бойынша жартылай өткізгіштер диэлектрик және өткізгіштер арасындағы аралас орынды алады. Өткізгіштердің меншікті кедергісі -106-т- 10s Ом/м, диэлектриктердін,-108-т- 10шОм/м, жартылай өткізгіштердің -0,1 -т-108 Ом/м.

Жартылай өткізгіштердің электрөткізгіштігі бірнеше факторларға байланысты: температураға, жиілікке, жарыңқа және құрамындағы қоспаларға. Температура өскен сайын жартылай өткізгіштердің кедергісі азаяды.

Жартылай өткізгішті құралдарды құру үшін германий, кремний, арсений, галий кристалдары және селена жиі қолданылады.

Жартылай өткізгіштерде екі түрлі заряд тасымалдаушылары бар: теріс зарядталған электрондар жөне оң зарядталған саңылаулар.

Әрбір төрт валентті атом электрондары көрші атомдармен жалпы электрондық жұп құрады (коваленттік байланыс).00Ктемпературасында жартылай өткізгіштің барлық валентті электрон кристалдары ковалентті байланысқан, сондықтан бос электрондар болмайды, яғни жартылай өткізгіш диэлектрик болып табылады.

Температураны жоғарылатқанда кейбір электрондар ковалентті байланысты бұзатын кинетикалық энергияға ие болады. Мұндай электрондар өз атомдарын тастап, бос болады.

Кристалдағы бос электрондар өткізгіш электрондары болып табылады, егер жартылай өткізгіште электрлік өріс әрекет етсе, онда бос электрондар жартылай өткізгіште токты туғыза отырып, бағыт бойынша жылжиды. Жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі электронды өткізгіш немесе п түрдегі өткізгіш деп аталатын бос электрондардың бағыт бойынша жылжуына негізделген.

 Электронның жоғалтқан атом бос орынды (саңылау қалыптастырады. Бұл орынға көрші атомнан валентті: электрон ауысуы мүмкін, оның орнына саңылау пайда болады, яғни саңылау электрон сияқты кристаллішінде адасып жүреді. Сыртқы электрлік өріс болған кезде саңылау бағыттары электрон бағыттарына қарама-қарсы болады. Саңылаулардың бағыттары электрлік токтың өтуін

туғызады. Саңылаулардың жылжуы электрондардьщ жылжуынан аз. Саңылаулардың жылжу бағытына байланысты пайда болған жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігі, саңылау өткізгіштігі немесе р түрдегі өткізгіш деп аталады. п түрдегі жартылай өткізгіштегі электрондарды негізгі ток тасушылар деп атайды, ал саңылаулар - негізгі емес ток тасушылар. р түрдегі өткізгішке саңылаулар негізгі тасымалдаушыға, ал электрондар негізгі емес тасымалдаушыға жатады.

Таза жартылай өткізгіштер жартылай өткізгішті құралдарда тәжірибе жүзінде пайдаланылмайды, себебі өткізгіштікті жөне біржақты өткізгіштікті қамтамасыз етпейді.

Жартылай өткізгішті құралдар жасау үшін өткізгіштің бір түрі басым болуы қажет. Ол үшін химиялың таза жартылай өткізгішке периодтық жүйенің V (2.1, а-сурет) немесе III (2.1, б-сурет) топтық элементтерінің қоспасын ендіреді.

   Жартылай өткізгішті құралдардың жұмысы әр түрлі түрдегі өткізгіштігі бар аудандардың өзара жанасу:  электрондық және саңылаулық құбылысына негізделген. р- жане п- түрдегі жартылай өткізгіштер арасындағы шекара электронды  саңылаулық өту немесе      р-n өту деп аталады (2.4, а-сурет).

 

 

 

 

a) жұқарланган қабаттың щрылымы; б) зарядтың таралуы; в) өріс кернеулігі; г) потенциалдың таралуы

Жартылай өткізгізштің басқа түрдегі өткізгіштермен жанасуында, диффузия әсерінен электрондар р- аймағында,  ал  саңылаулар  п-  аймағына ауыса бастайды, нәтижесінде п- аймағының шекаралық қабаты оң, ал р-аймағы теріс зарядталады. Аймақтар арасында электрлік өpic пайда болады, ол негізгі ток тасымалдаушыларға тосқауыл көрсетеді, соның арқасында р- п- өтуде зарядтар концентрациясы төмен аймақ құрылады. Бұл аймақта  тасымалдаушылар  (электрондар  мен  саңы-лаулар) жоқ, сондықтан аймақты жұқарланған қабат деп атайды. р- п- өтудегі электрлік өрісті потенциалды тосқауыл; ал р- п- өтуді жабу қабаты деп атайды. Егер сыртқы электрлік өpic бағыты, р- п- өтудің (« + »

 

 

р- аймағында, «-» n- аймағында) өріс бағытына қарама-қарсы болса, онда потенциалды тосқауыл азаяды, р- п-өтудің концентрациялық заряды ұлғаяды, демек өту кедергісі кеңдігі кемиді (2.4, ә-сурет). Кернеу көзінің таңбасын өзгерткенде электрлік өріс р- п- өтудің өріс бағытымен сәйкес келеді, өтудің кеңдігі және кедергісі

ұлғаяды (2.4/б-сурет).

/

2,4-сурет. Кернеу көз  таңбасының p-n- өту қабатының кеңдігіне әсері:

а)р- п- өту қабаты;  ә)р- п- өту қабатын

кернеу көзіне тура қосу;   б) р- п өту қабатын кернеу

көзіне кері қосу

 

1.2 Жартылай өткізгішті диодтар

р- п- өту қабаты бар жартылай өткізгішті жартылай өткізгішті диод (ЖӨД) деп атайды (2.5-сурет). Жартылай өткізгішті диодтың электрлік схемадағы шартты белгісі 2.5, б-суретте, ЖӨД вольт-амперлік сипаттама-сы 2.5, в-суретте көрсетілген.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                              

Қызметіне және конструкциялық ерекшеліктеріне байланысты жартылай өткізгішті диодтар: түзеткіш; жоғарғы жилікті; импульсті; параметрлік (варикап)! тіректі (стабилитрондар) және туннельдік диодтар (2.6-сурет), ал р- п- өту қабатын алу тәсіліне және электродтар құрылысына байланысты диодтар жазықтық жәненүктелік болып бөлінеді

 

 

 

Сурет қою

2.6-сурет. Жартылай өткізгішті диодтар:

а) стабилитрон; ә) Шоттка; б) варикап;

в) туннелъді диод

 

 

 

Диодтың негізгі бөлігі п- түрдегі өткізгіштік қасиеті бар германийлік пластинка болып табылады. Германийге индий енгізілген, ол р түрдегі өткізгіштік аймағы туғызады (2.7-сурет). р түрлі бар қабаттар шекарасын, р- п- өту қабаты құрылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7 сурет. Жазықтық диод

 

 

 

 

 

 

 

2.8-сурет. Нүктелік Диодтың құрылысы

Нүктелік диод, кристалл ұстағышқа қосылған, германий кристалынан, жіңішке сым түріндегі контакті. электродтан, шыны балоннан, және контактілі сымнан тұрады (2.8-сурет).

 

 

 

2.9-сурет. Германийлік диодтың волът-амперлік     сипаттамасы

                   

 

 

 

                                                                                                                              

 

Германийдің электрондық өткізгіші бар, бірақ сымдык электродты контакт жанында саңылаулы өткізгіштік аймақ пайда болады, демек р- п- өту аймағы. Аз ауданды р- п- өту аймағының электродтар аралығындағы сыйымдылық аз шамада (1-2 пФ), сондай-ақ р- п- өту аймағы көп қуаттың таралуын жібермейді. Сондықтан нүктелік диодтар аз қуатты, негізінде олар жоғарғы жиілікте жұмыс істейтін өлшеу, радиоқабылдағыш ап-паратураларында қолданылады.

2.9-суретте германийлік диодтың  вольт-амперлік сипаттамасы бейнеленген. Оң анодты кернеу аймағында j = fUj) тәуелділігі экспоненциалға жақынырақ.

Анодты кернеудің таңбасын өзгерткенде р- п- өту кеңдігі ұлғаяды да, диод арқылы аз кері токтың ұлғаюын шақырмайды, сондықтан Is шамасын қаныгу тогы деп атайды.

Германийліден басқа кремнийлі диодтар да кеңінен колданылады. Олардағы электронды-саңылаулы өтулерді, п-түрдегі өткізгіштігі бар кремний кристалын, р- түріндегі өткізгіштік аймағы бар алюминийдің аз мөлшерін балқыту арқылы алады.

Кремнийлі диодтардың әрекетіне байланысты германийлік диодтардан еш айырмашылығы жоқ. Германийлімен салыстырғанда кремнийлі диодтар кері кернеуді кеп жібереді (1500 В дейін), өте жоғарғы температураларда жұмыс істейді (180-200 °С), аз кері тогы бар (миллион есе).

Кремнийлі диодтардың кемшілігі үлкен тура кедергі болып табылады. Сондықтан кремнийлі диодта кернеу кұлауы тура ток өту кезінде германийліге қарағанда 1,5-2 есеге үлкен.

Кремнийлі диодтар германийлі диодтар сияқты жазықтық және нүктелік болып бөлінеді. Нүктелік кремнийлі диодтар электродтар арасындағы сыйымдылықтың аз шамасына ие (0,5 пФ) жөне мың мега-герц жиіліктерде колданылады.

     Жартылай   өткізгішті   диодтардың   негізгі   параметрлері: максималды жіберілетін түзетілген ток I mах ;

Imах кезіндегі диодтағы Uтура       тура құлауы; максималды жіберілетін кері кернеу Uкер мах; Uкер мах кезіндегі максималды кері ток І мах; электродтар арасындағы сыйымдылық шамасы С; максималды жиілік шегі Ғ ; жүмыс температура диапазоны.

Вольтамперлік сипаттаманың S-тіктігін және R1 ішкі кедергісін аньқтау үшін сипаттаманың жұмыс аймағын тура сызықпен алмастырады, одан кейін S және R1 шамаларын шам диодтары сияқты есептейді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       1.3 Туннелъді диод

Туннельді диодтар - өте көп қоспалардан тұратын жартылай өткізгішті материалдан жасалған жартылай өткізгішті диодтар. Олардың р- п- өтуінің кеңдігі өте аз (10б см шамасында).

Туннельді диодтағы кернеу 0-ге тең болғанда, электрондардың бір бөлігі энергия шығынысыз п- ауданынан р- ауданына, ал р- ауданынан п- ауданына (туннельді әффект) өтеді. Егер туннельді диодқа аз мөлшердегі тура кернеу берілсе, онда элктрондардың п-аймағына өтуі интенсивті болады да, ал р- ауданында азаяды. Нәтижесінде туннельді ток өседі (2.10- сурет).

Электрондардың кері тогы р- аймағынан жойылып кеткенде туннельді ток максималды Ітах шамаға ие. Тура кернеудің өрі ңарай өсуі туннельді токтын азаюын тудырады, сонымен кернеу өскен сайын электрондардың саны азаяда. ІтШ ш^масына жеткенде, токтың ңайта өсуі басталады. Тура кернеуді одан әрі көбейткенде, туннельді

 

 

және қарапайым диодтардың вольт-амперлік сипаттамасы бірдей болады. Вольт-амперлік сипаттамасындағы АВ туннельді аймағы, электрлік сигналдарды генерациялау және күшейту үшін туннельді диодты қолдану мүмкіндігін береді.

1.4 Стабилитрон

бұл жартылай өткізгішті диод электрлік тесіп өту режимінде жұмыс істейтіндей етіп құрастырылған. Бұл режимде стабилитрондағы ток шамасының өзгерісі кернеу шамасын аз өзгертеді, сондықтан стабилитронды кернеуді түрақтандыру үшін пайдаланылады. Негізгі анықтамалық параметірлері Ітуратіп - тұрақты электрлік ойық пайда болатын ток шамасы.

I - берілген қүралдың шашыратқыш қуатының шегімен анықталады.

U - тура номиналдың ток шамасындағы диодтағы кернеу. Стабилитрондарда базаның меншікті кедергісіне байланысты туннельді, көшпелі және аралас тесіп өтулер орын алады. Төмендегі омды стабилитрондарда (төменгі вольты 5,7 В дейін) туннельді тесіп өту, ал жоғарғы омды базада (жоғарғы вольттік) көшпелі тесіп өту болады.

Стабилитронның негізгі параметрлері:

Uтұр     -тұрақтандыру кернеуі

Імі тұрақтандырудың минималды жіберілетін тогы

 

 

Імакс.тұр - тұрақтандырудың максималды жіберілетін

тогы

rтұр - стабилитронның дифференциалды кедергісі (тесіп өту аймағында)     rтұр = du / di.

ааUmұр    - түрақтандыру кернеуінің температуралық коэффициенті. 
Uтұр, Імин.тұр, Імакс.тұр  шамаларын он деп көрсетеміз.

Стабилитронды кері ток кезінде модулі бойынша Iмин тура аз болса, пайдалану ұсынылмайды, себебі кернеуді түраңтандыру бүл қанағатсыз болады. Ал, егер кері ток модуль бойынша І макс. тура үлкен болса,

стабилитрон қызады да, жылулық тесіп өту басталып, кұрал істен шығады. Неғүрлым tm шамасы аз болған сайын, кернеу тұрақтылығы үлкен болады.

аатура -тұрақтылығының қатынасының қоршаған орта температурасының өзгеруінің абсолюттік қатынасына байланысты.

Кей кезде стабилитрон көшпелі тесіп өту тура бағытта жүмыс істейтін диодқа тізбектей қосылады. Диодта сәйкес келетін температура коэффициенті теріс және ол стабилитронның оң коэффициентін компенсациялайды.

Д814Д  стабилитроны үшін Імин.тура=3 мА, Імакс тұр =24 мА, 

 

 

 

 

 

                                                                                            

 

Егер икір кернеуі үлкен болса, онда стабилитрон тесіп өту режимінде болады, ал осы кернеудің өзгеруі іс жүзінде ишыг кернеу өзгеруін тудырмайды (икір кернеу өзгеруінде, тек ток і жөне иr өзгереді).

Тесіп өту режимінде қалыптаспаған тасымалдаушылардың инжекциясы болмайды, сондықтан артық зарядтардың жиналуы жоқ. Сол себептен стабилитрон шапшаңдықты құрал болып табылады және импульсті схемада жүмыс істейді.

 

1.5 Стабистор

 

Бұл жартылай өткізгішті диод, оның кернеуі (0,7В шамасында) тура қосылғанда токқа аз байланысты болады (сәйкес бөлімшедегі тура тармақ тігінен болады). Стабистор аз кернеуді тұрақтандыру үшін арналған.

 

1.6 Шоттка диоды

 

Шоттка диодында р-п алмасуы орындалмайды, түзеткіш контакт металл-жартылай өткізгіш ңолданылады. Шоттка диодының графиктік белгі шарты 2.6, ә-суретінде көрсетілген. Сәйкес зоналық диаграмманы қарастырайық (2.13-сурет).

п- түрдегі металл-жартылай өткізгіштің түзеткіш контактісі үшін потенциалдар контактісінің айырмасы І = Цм +ЦЖ0. Өткізу аймағына сәйкес, металға қарағанда жартылай өткізгіштің энергетикалық деңгейі үлкен. Сондықтан металл мен жартылай өткізгіштің қосылуынан соң жарты электрондар жартылай өткізгіштен металға өтеді. Бұл п- түріндегі жартылай өткізгіштегі электрондардың азаюына әкеледі. Жарты-лай өткізгіште бос электрлерді тасымалдаушылар бар аимақ пайда болады, олардың меншікті кедергісі жоғары болады. Өту аймағында көлемді зарядтар шығады және потенциалдың тосқауыл пайда болады, ол электрондардың жартылай өткізгіштен металға өтуіне кедергі керсетеді.