1. Теориялық бөлім
Жартылай өткізгіштік диод
жүктеу/скачать 1,38 Mb.
|
| 1.5. Жартылай өткізгіштік диод
Егер р-n ауысуы бар кристалға сыртқы кернеу түсірсе не болатынын қарастырайық. 23 – суретте а) кернеу жоқ кездегі АБ ауысу аймағы бар осындай кристалл бейнеленген. Бұл жағдайда, АБ ауысу аймағындағы өріс жасаған, n – аймақтағы кемтіктердің диффузиялық ағыны, р – аймақтағы кемтіктердің қарсы ағынына тең. Бұл айтылғандар қарсы ағатын электрондарға да қатысты, сондықтан кристалда ток болмайды. Кристалға р – аймағындағы потенциалы n – аймағындағы потенциалға қарағанда жоғары сыртқы кернеу берейік (23-сур.,б). АБ қабатының кедергісі үлкен болуы салдарынан, 1 В-тан аспайтын бұл барлық кернеу, тікелей осы қабатқа түседі, ал кристалдың басқа бөліктерінде сыртқы кернеудің болуы әсер етпейді. Бұл кезде АБ аймағында өріс, сыртқы өріс ішкі өріске қарсы бағытталғандықтан, әлсірейді, ал аймақтың өзі жіңішкереді. Бұл р-n ауысу арқылы кемтіктер мен электрондардың қарсы ағындарының арасындағы жылжымалы тепе-теңдікті бұзады. АБ аймағындағы өрістің әлсіреуінен солдан оңға қарай кемтіктердің және оңнан солға қарай электрондардың диффузиялық ағындары артады, сол кезде жылжымалы тасымалдаушылардың қарама-қарсы ағындары өзгермей қалады. Демек, кристалл арқылы р – аймақтан n – аймақ бағытында ток жүреді. Бұл кездегі кристалдағы токты және түсірілген кернеуді тура деп атайды. Айта кету керек, тура ток кемтіктер тогы мен электрондар тогының қосындысынан тұратындықтан, бұл қосылатын токтардың тепе-теңдігі тіптен 23 – сур. міндетті емес. Ауысу арқылы өтетін, кемтіктер жасаған ток, электрондар жасаған токтан ондаған және жүздеген есе үлкен болуы мүмкін, және де керісінше. Егер n – аймақта n-типті қоспаның концентрациясы үлкен болмаса (яғни жартылай өткізгіш айқын n-типті), ал р – аймақта р-қоспаның концентрациясы үлкен болса, онда токтың кемтіктік бөлігі, оның электрондық бөлігінен әлде қайда үлкен болады. Егер ауысудағы сыртқы кернеуді біртіндеп арттырта берсе, онда оның шамасы түйісу потенциалдар айырымына жақындаған сайын кристалл арқылы өтетін түзу токтың өсуі жылдамдай бастайды. Мысалы, германий кристалының р-n ауысуындағы кернеу 0,5 В болғанда тура токтың тығыздығы 104 А/м2 шамасындай болады. Енді р-n ауысуға кері полярлы сыртқы кернеу түсірілген жағдайды қарастырайық: n – аймаққа оң потенциал берілген (23-сур.,в). Бұл жағдайда р-n ауысуындағы АБ аймвқ кеңейеді, ал АО аймақтағы теріс заряд және БО аймақтағы оң заряд артады, яғни р-n ауысуында өріс күшейеді. Демек, кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағындары кемиді, себебі р-n ауысуының тежеуші әсерін жеңу үшін енді үлкен энергия керек болады және мұндай энергиясы бар кемтіктер мен электрондар аздап қана кездеседі. Электрондар мен кемтіктердің қарсы ағындары бұл кезде өзгермей қалады және олар диффузиялық ағындардан басым бола бастайды. Сондықтан, n – аймақтан р – аймаққа бағытталған қорытқы ток пайда болады. Қарастырылып отырған жағдайдағы р-n ауысуға түсірілген кернеу және ол арқылы өтетін ток кері деп аталынады. Бірақ n – аймақтағы кемтіктер және р – аймақтағы электрондар өте аз, өйткені көрсетілген аймақтар үшін бұл зарядтарды негізгі емес тасымалдаушылар. Сондықтан кері токтың тығыздығы өте аз. Кремний жартылай өткізгіштік диодтарда ол сыртқы кернеу жүздеген вольт болғанда бір квадрат метрге бірнеше миллиампер келеді. Кернеу артқан сайын кері ток жайлап өседі және кернеудің кейбір мәндерінде ол тіптен оған тәуелді болмай қалады (қанығу тогы). Бұл былай түсіндіріледі, жеткілікті үлкен кері кернеуде (германий үшін 0,1 – 0,2 В) кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағындары тіптен жойылып кетпейді, өйткені негізгі емес тасымалдаушылардың қарсы ағындары кернеуге тәуелді емес, сондықтан кернеу әрі қарай артқанда кері ток өзгермей қалады. Сонымен, егер р-n ауысуында тура кернеу вольттің бөлігімен өлшенсе, онда ол арқылы өтетін токтың шамасы ампердің бөлігімен өлшенеді (орташа қуатты түзеткіштер үшін). Егер кері кернеу жүздеген вольтпен өлшенген кезде де, онда р-n ауысуы арқылы өтетін токтың шамасы микроампердің жүздеген және мыңдаған бөліктерімен өлшенеді. Демек, р-n ауысуы бар кристалл диодқа ұқсас; р-n ауысу вентиль сияқты қызмет атқарады: токты бір бағытта өткізеді (ауысу ашық) және оны кері бағытта өткізбейді (ауысу жабық). Осындай диодқа тізбектей жүктік кедергі жалғап және оларға айнымалы кернеу беріп (24-сур.), біз іс жүзінде жүктеме тізбегінде бағыты бойынша тұрақты ток аламыз. 24 – сур. 25 – суретте диод пен жүктемеге, ток көзінен берілген, айнымалы токтың графигі бейнеленген. Айталық ток көзі кернеуінің Uкөз өзгеруінің бірінші 25 – сур. жарты периодында (25-сур.,а) диод өткізетін бағытта жалғассын. Бұл кезде диодтағы кернеу өте аз (25-сур.,б), және тура токты кедергісіз өткізеді, ол барлық қалған кернеу жүктемеге түседі (25-сур.,в). Бұл қоректендіру көзі беретін кернеу диод пен жүктеменің кедергілеріне пропорционал бөлінетінімен түсіндіріледі. Өткізетін бағытта қосылған диодтың кедергісі аз болғандықтан, периодтың бірінші жартысының барлығында барлық түсірілген кернеу жүктемеге келеді. Периодтың келесі жартысында диод жабық, оның кедергісі өте үлкен, сондықтан барлық кернеу диодқа түсірілген болып шығады, ал тізбекте ток жоқ. Бұл жоғарыда айтылғандардан, дербес жағдайда, жартылай өткізгіштік диодты тізбекке жүктемелі кедергісіз қосуға болмайды. Жартылай өткізгіштік диодтардың ең бір мәнді кемшілігі – температура артқан кезде олардың түзеткіштік әсерінің нашарлауы болады. Бұл температура көтерілгенде «электрон-кемтік» жұбтарының генерациясының артуымен түсіндіріледі. Бұл процесс негізгі емес жылжымалы зарядтарды тасымалдаушылар концентрациясының артуына алып келеді; n – аймақта кемтіктердің және р – аймақта электрондардың. Демек, диодтың температурасы көтерілгенде кері ток артады, яғни диодтың түзеткіштік сапасы нашарлайды. Сондықтан, іс жүзінде әрбір жартылай өткізгіштік диод үшін оның жұмысының температуралық шегі болады, бұл шек жартылай өткізгіштің атомынан электронды жұлып алуға қажетті энергияға тәуелді (яғни «электрон-кемтік» жұбын жасауға қажетті энергия). Кремнийлік диод үшін оның жұмысының шекті температурасы 2000 С-ден аздап кем, ал германийлік диод үшін мұнан да кем. Кремний карбид негізінде жасалынған диодтар 500 – 6000 С температуралар кезінде де жұмыс істейді. Алмаздағы көміртегі атомынан электрондарды жұлып алу үшін өте үлкен энергия жұмсау керек. Сондықтан алмаз негізінде жасалынған диодтар 9000 С шамасындай температурада жұмыс атқара алады. Алайда, алмазға қоспа ендіру кезіндегі қиыншылықтар, яғни р-n ауысуын алу кезіндегі, алмазды жартылай өткізгіш ретінде пайдалануға кедергі жасайды. Жартылай өткізгіштік диодтардың артықшылықтары мыналар: жоғары ПӘК (германийлік және кремнийлік диодтардың ПӘК-і 90%-ға дейін жетеді), түзетілген токтың үлкен қуатында аз габаритті (ауысу ауданы 25 мм2 диод қуаты бірнеше ондаған киловатт токты түзете алады) және шамдық диодтарға қарағанда, едәуір механикалық беріктігі артық және қызмет ету уақыты ұзақ. Соңында айта кететін нәрсе, екі әр текті металдардың түйісуінен болатын түйісу потенциалдар айырымы шоғырланған ауысу аймағы, р-n ауысуының қасиетіне ие бола алмайды және айнымалы токты түзету үшін пайдалануға болмайды. Бұл, біріншіден, ауысу аймағының екі жағында да жылжымалы зарядты тасымалдаушылар тек электрондар болып саналады және, екіншіден, ауысу қабатының қалыңдығы өте аз болғандықтан, электрондар бұл арқылы екі бағытқа да жеткілікті түрде еркін өте алады. 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. 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. жүктеу/скачать 1,38 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|