Элeктрондық құрылғылардың элементтік негіздері

Пән: Автоматтандыру, Техника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 13 бет
Таңдаулыға:

ЭЛEKТРОНДЫҚ ҚҰРЫЛҒЫЛАРДЫҢ ЭЛЕМЕНТТІК НЕГІЗДЕРІ

Қазіргі кезде өнеркәсіптік электроникада негізінен шала өткізгіштен жасалған аспаптар мен құрылғылар қолданылады. Мұның себебі вакуумдық құрылғыларға қарағанда шала өткізгіштен жасалған аспаптардың габариті әлдеқайда кіші, сенімділігі жоғары, энергияны аз жұмсайды және арзан. Сондықтан бұл тарауда шала өткізгіштен жасалған аспаптар мен қарапайым құрылғылар ғана қарастырылады.

Шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі және олардың түрлері

Атомдарда электрондардың белгілі-бір энергетикалық деңгейлерде ядроны айнала қозғалып жүретіні белгілі. Ең сыртқы энергетикалық деңгейдегі валенттік электрондар деп аталатын электрондар ядромен және өзінің атомымен әлсіз байланыста болады. Атомдар кристалл түзген кезде осы валенттік электрондар көршілес атомдардың әсерінен ығысып, оларға ортақ энергетикалық деңгейлерді қамтитын энергетикалық аймақтарда қозғалып жүреді. Ал атом сырттан энергия қабылдаса, онда валенттік электрондардың энергиясы артып, атомдарға ортақ аймақтағы жоғарғы энергетикалық деңгейлерге өтеді. Бұл кезде заряд тасымалданады, яғни денеде электр тогы жүреді.

Кристалда атомдардың валенттік электрондары жүретін энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты валенттік аймақ деп атайды.

Өткізгіштік

аймақ

Тыйым салынған аймақ

Валенттік

аймақ

а)

б)

W<3эВ

в)

W<3эВ

г)

1-сурет. Заттардағы энергетикалық аймақтар сұлбасы: а-атаулары; б-металдар; в-шала өткізгіштер; г-диэлектриктер.

Қозған валенттік электрондардың жаңа энергетикалық деңгейлерін қамтитын аймақты өткізгіштік аймақ деп атайды. Өткізгіштік және валенттік аймақтардың арасында атомдардың өзара әсеріне және электронның өз атомымен әрекеттесуіне байланысты электрондар жүре алмайтын энергетикалық деңгейлер пайда болады. Осы элекрондар жүре алмайтын энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты тыйым салынған аймақ деп атайды. Әртүрлі материалдар үшін тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені де әртүрлі болады. Мысалы, металдарда валенттік аймақ пен өткізгіштік аймақ түйісіп жатады, яғни тыйым салынған аймақ болмайды. Сондықтан металл атомындағы валенттік электрондар электр өрісінің әсерінен өткізгіштік аймаққа өтіп немесе тіпті өз атомын тастап басқа атомдардың энергетикалық деңгейлеріне өтіп электр тогын түзеді.

Диэлектриктерде тыйым салынған аймақтың энергетикалық ені өте үлкен. Мұндай енді энергетикалық аймақты секіріп өту үшін электронға үлкен энергия жұмсау керек. Осы себепті де диэлектрик материал тесілгенге дейін онымен электр зарядының тасымалдануы болмайды, яғни ток жүрмейді.

Шала өткізгіштерде тыйым салынған аймақтың ені диэлектриктерге қарағанда қысқа болады: мысалы, германийде (Ge) 0, 72 эВ те, силицийде (Si) 1, 12 эВ. Сондықтан электр өрісінің, жылудың, жарықтың немесе басқа бір энергия көзінің әсерінен қозған электрон валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа оңай өтіп электр тогын тудырады Валенттік аймақта, кеткен электронның орнында, бос энергетикалық деңгей қалады. Бұл бос энергетикалық деңгейге көршілес атомның электроны келіп орналасуы мүмкін. Сонымен, әуелі заряд тасымалдаушы қос бөлшек пайда болады: оның бірі өткізгіштік аймақтағы электрон болса, екіншісі валенттік аймақта пайда болатын кемтік деп аталатын бос энергетикалық деңгей. Бір кемтік электронмен толғанда, осы электрон кеткен жерде екінші кемтік пайда болады т. с. с. Ендеше кемтіктердің толу бағыты электрондардың жүру бағытына қарама-қарсы болғандықтан кемтікті оң зарядты бөлшек және ол қозғалып отырады деп есептеуге болады.

2-сурет. Таза (а), n-Түрлі (б) және р-түрлі (в) шала өткізгіштердің энергетикалық аймақтары мен заряд тасымалдаушылардың пайда болу сұлбалары.

Шала өткізгіштерде электрон-кемтік заряд тасымалдаушы қос бөлшектің пайда болуымен түзілетін электр өткізгіштікті өзіндік электр өткізгіштік деп атайды. Егер өткізгіштік аймақтағы электрон өз орнына қайтып келсе, онда кемтік жойылады да, заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегі де жойылады. Егер заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегінің пайда болуын олардың генерациясы деп атаса, ал электронның кемтікті толтырып, осының салдарынан электрон-кемтік қос бөлшегінің жойылуын олардың рекомбинациясы деп атайды. Электрон-кемтік қос бөлшектің пайда болу және жойылу мөлшері температураға байланысты: температура өскен сайын шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі артады. Бірақ таза шала өткізгіштерде пайда болатын және жойылып отыратын электрон-кемтік қос бөлшектерінің саны өзара тең болатындыктан заряд тасымалдаушылардың саны көбеймейді. Сондықтан таза шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі өте төмен, тіпті диэлектриктерге жақын болады. Ал, егер шала өткізгіштердің құрамында қоспа түрінде енген басқа элементтердің атомдары болса, онда олардың электр өткізгіштігі күрт өзгереді.

Шала өткізгіш элементтер (силиций, германий, селен, т. б. ) негізінен төрт валентті. Міне осындай төрт валентті элементтердің кристалдық торшілтерінде, мысалы силицийдің, бес валентті элементтің, мысалы арсенийдің (As), атомы болса, онда арсенийдің төрт валенттік электроны силицийдің төрт валенттік электронымен коваленттік байланыста болады да, ал бір электроны бос қалады. Осы байланыссыз қалған бос элекрон қозатын болса, онда ол өткізгіштік аймаққа өтеді де, арсенийдің атомы оң зарядты ионға айналады. Ион қозғалып жүре алмайды, өйткені ол кристалдық торшілтердің түйіндерінде орналасқан және арсенийдің басқа атомдарымен электронмен алмаса да алмайды, өйткені олар бір-бірінен қашық орналасқан. Сондықтан мұндай шала өткізгіште электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен оларды электронды электр өткізгішті шала өткізгіштер деп атайды. Бес валентгі қоспа элеметтің артық электронының энергетикалық деңгейі өткізгіштік аймаққа жақын орналасқандықтан олар өткізгіштік аймаққа оңай өтіп отырады. Мұндай артық электронды қоспаларды донорлар (donare-сыйлау деген латын сөзі) немесе донорлық қоспалар деп атайды. Шала өткізгіш ондағы электр өткізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен n-түрлі (negativus - теріс деген латын сөзінің бірінші әрпі) шала өткізгіш деп атайды.

Енді төрт валентті силицийдің кристалдық торшілтерінде үш валентті индийдің (І _n ) атомы бар екен делік. Мұнда силиций атомның үш валенттік электроны индийдің үш валенттік электронымен коваленітік байланыста болады, ал қалған бір электроны үшін кемтік пайда болады. Ол кемтікті басқа атомның электроны толтыруы мүмкін, бірақ оның кеткен жерінде тағы да кемтік келіп туады. Сөйтіп шала өткізгіште оң зарядты кемтік жүріп отыратын электр өткізгіштік, яғни кемтікті өткізгіштік пайда болады. Мұндай шала өткізгішті р-түрлі (латынша positivus- оң деген сөздің бірінші әрпі) шала өткізгіш деп атайды. р-түрлі шала өткізгіштегі кемтік орналасқан энергетикалық деңгейлер валенттік аймақтың сыртында болатындықтан кемтікті энергетикалық деңгейге негізінен валенттік электрондар өтіп отырады. Мұнда қоспа элементті акцептор (acceptor - қабылдаушы деген латын сөзі) немесе акцепторлық қоспа деп атайды.

Сонымен, қоспалы шала өткізгіштерде заряд тасымалдаушы негізгі бөлшектер электрондар мен кемтіктер болып табылады.

Шала өткшішті диодтар

Бір р-n өтпесінен тұратын және екі шықпасы (сыртқы тізбекпен жалғанатын екі ұшы) бар аспап шала өткізгішті диод деп аталады. Жұмыс істеу тәртібіне және атқаратын міндетіне қарай шала өткізгішті диодтар әртүрлі болады. Ең көп тараған диодтар түзеткіштік диод, стабилитрон, варикап, фотодиод, жарық диоды.

ТҮЗЕТКІШТІК ДИОД. Түзеткіштік диодтар айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін, яғни айнымалы токтан тұрақты ток алу үшін қолданылады.

Бұл р-n өтпесінің вентильдік қасиетіне негізделген.

Түзеткіштік диодтар төмен және жоғары жиілікті, импульсті, әлсіз және қуатты токтарды түзету үшін қолданылатындықтан олардың конструкцисясы, әсіресе р-n өтпесінің конструкциясы мен бөгеттік қабатың ауданының шамасы әртүрлі болады. Түзеткіштік диодтарды силицийден және германийдан жасайды. Силицийден жасалған диодтар 150° . . . 200°С дейінгі, ал германийдан жасалған диодтар 85° . . . 100°С дейінгі температурада жұмыс істей алады.

3-сурет. Түзеткіштік диодтың волть - амперлік сипаттамасы мен

графикалық шартты белгісі.

Түзеткіштік диодтардың иегізгі сипаттамасы - вольт-амперлік сипаттама. Оның р-n өтпесінің вольт-амперлік сипаттамасынан ешқандай айырмашылығы жоқ. Тек түзеткіштік диодтар вольт-амперлік сипаттаманын тура бұтағында ғана жұмыс істейді.

Түзеткіштік диодтардың негізгі параметрлері: рауалы (өткізуге болатын) тура тогы І _т , рауалы максимал кері тогы І _мк , рауалы (түсіруге болатын) максимал кері кернеуі U _мк . Түзеткіштік диодтарды белгілі бір құрылғы үшін таңдап алғанда алдымен осы параметрлері және қуаты мен жұмыс жасай алатын жиілік аралығы оның номинал және шекті жұмыс әлпілеріне сәйкес келуі керек.

СТАБИЛИТРОН. Тогы өзгергенмен кернеуі тұрақты болып қалатын шала өткізгішті диод стабилитрон деп аталады. Стабилитрон әртүрлі құрылғыларда кернеуді тұрақтандыру үшін, янғи кернеуді өзгерпей ұстап тұру үшін қолданылады.

Стабилитрон р-n өтпесінің вольт-амперлік сипаттамасының кері бұтағында жұмыс істейді. Вольт-амперлік сипаттаманың АВ бөлігінде ток өскенмен кернеудің тұрақты болып қалатыны көрініп тұр. Стабилитрон тогы осы аралықта жататын жүктемелер үшін пайдаланылады.

Ток одан әрі өскен кезде р-n өтпесі қатты қызып, электрлік тесілу жылулық тесілуге ұласуы мүмкін.

4 - сурет. Стабилитронның вольт - амперлік сипаттамасы мен

графикалық шартты белгісі.

Стабилитронның негізгі парметрлері: сипаттаманың кернеуі тұрақты бөлігіндегі динамикалық кедергісі (R _д ) ; кернеудің тұрақты мәніне сәйкес минимал тогы (І _{ст. min} ) ; кернеудің тұрақты мәніне сәйкес максимал тогы (І _{ст. max} ) ; кернеудің температуралық коэффициенті (TKU) . Қазіргі кезде қолданылып жүрген стабилитрондардың тұрақтандыру кернеуі U _ст =1 . . . 1000В, минимал тогы І _{ст. min} =1 . . . 10 мА максимал тогы І _{ст. max} =50 . . . 2000 мА, динамикалық кедергісі R _Д =0. 5 . . . 200 Ом, ал кернеудің температуралық коэффициенті шамасында жатады.

ВАРИКАП. Бөгеттік қабаттың бір жағында оң, екінші жағында теріс заряд пайда болатындықтан және осы зарядтар онда электр өрісін тудыратындықтан р-n өтпесінің электрлік сыйымдылығы болады. Жазық конденсатордағы секілді өтпенің сыйымдылығы түйістің ауданына тура пропорционал да, ал бөгеттік қабаттың еніне кері проиорционал. Бөгеттік қабаттың ені оған түсірілген кернеуге байланысты өзгеретіндіктен, р-n өтпесінің сыйымдылығы да кернеумен байланысты болады. р-n өтпесіне тура кернеу берген кезде түйі е ore аз кернеу түсетіндіктен оның сыйымдылығы да өте аз болады, ал түгелдей дерлік бөгеттік қабатқа түсетін үлкен кері кернеу онда әжептәуір сыйымдьшық туғызады.

Сыйымдылығы кері кернеуден тәуелді өзгеріп отыратын шала өткізгішті диодты варикап деп атайды. Варикап электрлік сыйымдылығы бар элемент ретінде қолданылады.

Варикаптың сыйымдылығының кері кернеуден тәуелділігі оның негізгі сипаттамасы болып есептеледі. Кері кернеудің шамасы өскен сайын бегеттік қабаттың ені артады да, варикаптың сыйымдылығы азаяды.

5-сурет. Варикаптын сыйымдылығының кернеуден

тәуелділігі мен графикалық шартты белгісі.

Варикаптың негізгі параметрлері ретінде оның жалпы сыйымдылығы (С _В ) мен сыйымдылықтың еселік коэффициенті (К _С ) алынады. Сыйымдылықтың еселік коэффициенті деп варикаптың максимал сыйымдылығының (С _mах ) оның минимал сыйымдылығына (С _min ) қатынасын айтады. Варикаптың көпшілігінің жалпы сыйымдылығы С _В =10 . . . 500 пФ, ал сыйымдылықтың еселік коэффициенті К _C =C _max /C _min = 5 . . . 20 шамасында болады.

ФОТОДИОД. Кері тогы р-n өтпесінің жарықталынуына байланысты өзгеріп отыратын шала өткізгішті диодты фотодиод деп атайды. Фотодиодтар екі түрлі жұмыс әлпінде пайдаланылады: сыртқы қорек көзінсіз фотогенератор ретінде және сыртқы қорек көзімен фототүрлендіргіш ретінде.

Фотодиод, қарапайым диод секілді, бір р-n өтпесінен тұрады. Бірақ түйістің ауданы басқа диодтарға қарағанда әлдеқайда үлкен болады, өйткені сәуле осы ауданға перпендикуляр түсуі керек. р-n өтпесіне түскен сәуле фотондары қоздыратын валенттік электрондар өткізгіштік аймаққа өтеді. Осының салдарынан екі шала өткізгіште де заряд тасушы қос бөлшектердің (электрондар мен кемтіктердің) саны көбейеді.

6-сурет. Фотодиодтын сұлбалық құрылысы мен графикалық шартты белгісі.

Түйістік потенциалдар айырымының әсерінен n-түрлі шала өткізгіштегі негізгі емес заряд тасымалдаушылар кемтіктер р-түрлі шала өткізгішке өтеді де, ал мұндағы негізгі емес заряд тасымалдаушылар электрндар n-түрлі шала өткізгішке өтеді. Сөйтіп, n-түрлі шала өткізгіште артық электрондар, ал р-түрлі шала өткізгіште артық кемтіктер пайда болады. Бұл фотодиодтың қысқыштарында потенциалдар айырымын, яғни фотоэлектрлік ЭҚК-ті тудырады. Фотоэлектрлік ЭҚК-тің мәні көптеген фотодиодтарда 0, 5 . . . 0, 9 В шамасында болады және сәуле ағымынан тәуелді, бірақ сәуле ағыны белгілі бір шамаға жеткенде р- n өтпесі заряд тасымалдаушыларға қанығады да, фотоэлектрлік ЭҚК одан әрі өспейді.

7-сурет. Жарықталмаған (1) және жарықталған

(2) фотодиодгын вольт-амперлік сипаттамасы.

Фотогенератор әлпінде істейтін фотодиодтар күн сәулелерінің энергиясын электр энергиясына түрлендіретін қорек көздері ретінде пайдаланылады. Оларды күн сәулелік элементтер деп атап, олардан күн сәулелік батарея құрайды. Бірақ мұндай күн сәулелік элементтерің пайдалы әрекет коэффициенті өте төмен - 20 % шамасында ғана болады.

Егер фотодиодты кернеу көзіне қосып және жарықтандырса, онда тура кернеу берілгенде оның вольт-амперлік сипаттамасының АВ бөлігінің генератор әлпіне сәйкес келетінін, ал кері кернеу берілгенде оның тогының жарықтандырылмаған фотодиодқа қарай алда едәуір өсетінін көруге болады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.