Жартылай өткізгіштік диод

Жартылай өткізгіштік диод

 

 

 

Диод  –  екі  электродты,  бір  бағытта  ғана  тоқ  өткізетін  аспап. 

Жартылай өткізгіштік диодтың дамуы ХIХ ғасырдың екінші жартысында 

басталды. Оған неміс ғалымы Браунның 1874 жылы металл мен күкіртті 

қорғасынның  түйісу  нүктесінде  болатын  құбылыстарды  түсіндіруге 

жасаған тәжірибесі себеп болды. Зерттей келгенде, алған түйісу қабаты 

бір  бағытта  ғана  тоқ  өткізетін,  вентильдік  қасиеті  бар  қазіргі  Шотки  - 

диодтары тобының бірінші өкілі болып шықты. Әйтсе де, бұл диодтардың 

өндірісте  кең  пайдаланылуы  жартылай  өткізгіштік  электрондық 

аспаптардың  негізгі  буыны  –  транзистордың  ашылуын  күткендей,  ХХ 

ғасырымыздың  ортасына  дейін  кең  өріс  ала  алмады.  Оның  себебі,  сол 

кездердегі  қарапайым  да,  төменгі  сатылық  технологиялық  әдістермен 

жаслынған  диодтың  сапасының  төмендігінде  болып,  олардың 

электрвакуумдық диодтың «тегеуірініне» төтеп бере алмауы еді.

 

Жартылай  өткізгіштік  диод  схемаларда  жебе  белгісіне  ұқсас 

үшбұрышпен белгіленіп (2.5,а - сурет), оның бағыты тоқтың өту бағытын 

көрсетеді. Үшбұрыштың үш жағы катод (К) да, сырт жағы анод (А) деп 

аталады.  Тоқ  әрқашанда  анодтан  катодқа  қарай  ағады.  Идеалдық 

тұрғыдан қарағанда диодтың бір жақтылық  (вентильдік) вольтамперлік 

сипаттамасы  2.5,ә  -  суреттегідей  болуы  керек:  егер  де  анод  пен  катод 

арасындағы  кернеу  оң  болса,  тоқ  шексіздікке,  ал  теріс  болса,  нөлге 

ұмтылады, яғни

 

U >0 болса, онда I→ ∞, ал егер

 

U ≤0 болса, онда I=0.

 

 

 

 

а – диодтың шартты белгісі; ә - диодтың идеалды біржақтылық 

(вентильдік) сипаттамасы; б – диодтың нақты вольтамперліқ 

сипаттамасы

 

2.5 – сурет. Вольтамперлік сипаттама

 

 

 

Жартылай  өткізгіштік  диодтардың  (бұдан  былай  -  диод) 

көпшілігінің  негізі,  1940  жылдары  өмірге  келген,  p-n  ауысуы  болып 

табылады.  Енді  осы  ауысуда  өтетін  физикалық  процестерге  тоқталып 

өтелік. 

 

p-n  ауысуы  p  және n  жартылай  өткізгіштерінің  өзара  қосылуымен 

пайда болады. Жеке  алғанда  p жартылай өткізгіші болсын,  n  жартылай 

өткізгіші болсын, электр зарядтары жағынан өзара бейтарап келеді. (2.6,а 

- суретте). Мысалы, 2.6,а  - суретте көрсетілген р жартылай өткізгішінің 

оң  зарядталған  кемтіктерні  толығымен  теріс  акцептор  иондарымен 

бейтарапталған.  Осы  оң  зарядталған  кемтіктерді  жекеше  бөліп  алған 

жағдайда, олардың орнында қозғалмайтын теріс акцептор иондары қалар 

еді.  Осыған  сәйкес  n  жартылай  өткізгішінін  жылжымалы  электрондар 

кететін болса, олардың орнында қозғалмайтын оң зарядты донор иондары 

қалады (2.6,ә - суреті). Осындай бейтарап жартылай өткізгіштерді өзара 

түйістірген  кезде,  ондағы  жылжымалы  заряд  бөлшектері  бір  -  біріне 

ауыса  түсіп  (қысымы  үлкен  ауаның  қысымы  аз  жаққа  түсіп  ауысқаны 

секілді), диффузия тоғын  тудырып,  түйіспе  маңында  жылжымайтын 

қоспа иондарын қалдырады (2.6,б - сурет).

 

 

 

 

а,ә - зарядтар құрамы, б - p-n ауысуындағы олардың қозғалысы, в - 

ондағы потенциал диаграммасы

 

2.6 – сурет. p және n жартылай өткізгіштеріндегі зарядтар құрамы

 

 

 

Суретте  оң  зарядтар  оң  жақта,  ал  теріс  зарядтар  сол  жақта 

(жылжитыны  бар,  жылжимайтыны  бар)  жиналып,  конденсатор 

құрылысына  ұқсас  құрылым  туғызады.  Зарядтардың  бұлай  іркіле 

жиналуы  ішкі  электр  өрісін  Е

i

 туғызады  да,  ол  жылжымалы  зарядтары 

кері айналады. Осыдан пайда болған тоқ дрейф тоғы деп аталады. Егер 

сырттан кернеу түсірілмейтін болса, онда дрейф тоғы мен диффузия тоғы 

тепе - тендікте болып, жалпы тоқ нөлге тең болады, бұл 2.6,б - суреттің 

төменгі бөлігінде көрсетілген. Жалпы алғанда, р-n ауысуы жылжымалы 

зарядтарынан  айырылған,  қозғалыссыз  иондардан  тұратын  орталық 

бөлік. Оның ұзындығы 2.6,б - суреттің жоғарғы бөлігінде көрсетілгендей 

l

pn

 -  ге  тең  болады.  Зарядтардың  екі  жаққа  бөліне  жиналуынан 

потенциалдар  айырымы  туады.  Оның  диаграммасы  (2.6,в  -  суретте 

көрсетілген). Потенциалдар айырымы 

к

 – ге тең де, түйісу потенциалдар 

айырымы немесе биіктігі деп аталады. Потенциал диаграммасы кішігірім 

асуға  ұқсас  келеді  де  оның  биіктігі  негізгі  заряд  бөлшектерінің 

диффузиялық қозғалысына тосқауыл ретінде әсер етеді. Сондықтан да р-

n түйісуін р-n асуы деп атаса да болатын сияқты.

 

Эквиваленттік  ұқсастыққа  жүгінетін  болсақ, диффузия  қозғалысы 

металл  шариктерінің  екпінді  қозғалысына  ұқсас,  ал  потенциал  өзгерісі 

кәдімгі  биік  асуға  пара  -  пар:  асу  неғұрлым  биік  болып,  ал  металл 

шаригінің  (электронның,  кемтіктің)  кинетикалық  энергиясы  неғұрлым 

төмен  болса,  соғұрлым  оның  екінші  бетке  өту  мүмкіндігі  аз  болады. 

Қорыта  айтқанда, негізгі  заряд  тасушыларының  диффузиялық  тоқ  құру 

мүмкіндігі потенциал асуының биіктігіне тікелей байланысты.

 

Енді жоғарыда көрсетілген р-n ауысуын тоқ көзіне қосып көрелік. 

Тоқ  көзінің  оң  полюсін  п  жартылай  өткізгішіне,  ал  сол  полюсін  р 

жартылай өткізгішіне жалғайық (2.7,а - сурет). Суретте бастапқы кернеу 

жоқ  кездегі  р-n  ауысуының  ұзындығы  мен  потенциал  биіктігі  үзікті 

сызықпен,  ал  кернеу  түсірілгеннен  кейінгі  шамалары  тұтас  сызықпен 

шектелген.  Сырттан  түсірілген  кернеудің  әсерінен  р  аймағындағы 

кемтіктер  тоқ  көзінің  сол  жақ  полюсіне  тартылып,  өз  орындарына 

қосымша теріс акцептор иондарын қалдырады. Осыған орай n аймағында 

донор  иондары  пайда  болып,  р-n  ауысуы  кеңіп,  ұзындығы  арта  түседі. 

Потенциал ауысуының биіктігі сырттан түсірілген кернеу шамасына (U) 

артып,  негізгі  заряд  тасушыларының  диффузиялық  қозғалысын  одан 

сайын  қиындата  түседі.  Жоғарыда  келтірілген  физикалық  ұқсастыққа 

жүгінсек,  асудың  биіктігі  артып,  металл  шаригінің  биіктікке  шығу 

қабілеті  төмендеп,  ол  тіпті  осындай  мүмкіндіктен  біржола  айырылу 

мүмкіндігіне  жақындайды  (суретте  кері  қайтқан  жебемен  көрсетілген). 

Ал осындай жағдайда тоқ болуы мүмкін бе? Тоқ бола қалса, оның шамасы 

қандай?  Бұл  сұраққа  былай  жауап  беруге  болады:  тоқ  бар,  бірақ  оның 

шамасы жоқтың қасы. өйткені сырттан түсірілген кері кернеу ішкі электр 

өрісін  (Е)  өрістете  түскенімен  (2.7,а  -  суреттегі  потенциал  асуының 

биіктігі 

к

 +U),  тоқ  тудыратын  бөлшектерінің  жоқтығынан,  оның 

шамасын өзгерте қоймайды. өзіңіз ойлап қараңызшы! Қаралып отырған 

жағдайда  тоқ  қалай  пайда  болуы  мүмкін?  Ол  тек  аймағындағы 

кемтіктерден немесе р аймағындағы электрондардан ғана (2.7,а - суретте 

доғалық  жебелермен  көрсетілген),  яғни  тек  негізгі  емес  заряд 

тасушыларынан тууы мүмкін. Ал бұл заряд тасушыларының саны өте аз 

екендігі  айдан  анық.  Олай  болса,  тоқтың  шамасы  да  жоқтың  қасында. 

Сондықтан  да  жоғарыда  келтірілген  кернеудің  қосылу  бағыты,  р-

n ауысуынығ кері бағытта ғосылуы деп аталады.

 

Кернеудің түсу бағытын қарама - қарсыға ауыстыратын болсақ (+р 

аймағына, -n аймағына), р-n ауысуының тура бағытта қосылуын аламыз. 

2.7,ә - суретте көрсетілгендей, бұл қосылу негізгі заряд тасушыларының 

диффузиялық  қозғалысына  сәйкес  келеді.  Ал  негізгі  заряд 

тасушыларының  негізгі  емес  заряд  тасушыларына  қарағанда  әлдеқайда 

көп екендігін ескерсек (мысалы, р аймағындағы негізгі заряд тасушылар 

– кемтіктер саны р = 10 см, ал негізгі емес заряд тасушылар – электрондар 

саны n = 10 см, сонда кемтіктер саны р/n = 10 /10 = 10 есе артық), тура 

қосылу тоғының сан мәні кері қосылу тоғынан әлдеқайда артық болады. 

Сондықтан  р-n  ауысуы  тура  қосылуда  ток  шамасын  тежемейді  деп 

есептейміз

 

Сонымен,  қорытындылай  келгенде,  ауысуы  кері  қосылуда  тоқ 

өткізбейді де, ал тура қосылуда тоққа кедергі жасамайды.

 

 

 

 

а – р-n кері қосуы, ә - р-n тура қосуы

 

2.7 – сурет. p-n ауысуының кері және тура  қосалуы