Электроника бірнеше ғылыммен (техника, энергетика, атомдық физика, информатика, бульдік алгебра және т. б. ) сабақтасып жатқан кең ауқымды ғылым
Кіріспе
Электроника бірнеше ғылыммен (техника, энергетика, атомдық физика, информатика, бульдік алгебра және т.б.) сабақтасып жатқан кең ауқымды ғылым. Басқаша айтқанда, қолданбалы ғылым. Жаратылыстану ғылымдарының (математика, физика, география, химия және т.б.) заңдылықтарын күнделікті айналадағы қоршаған ортадан көре аламыз. Ал қолданбалы ғылым заңдылықтарын қоршаған ортадан көре алмаймыз. Оның заңдылықтары адамды қоршаған ортамен салыстырғанда не өте кіші, не өте үлкен уақыттық немесе кеңістіктік жүйені қамтуына байланысты, кейбір бақылауларды адам түйсігінде саралап және талдау арқылы, тек нәтижесін ғана көреміз. Мысалы: информатика ғылымындағы бағдарламалар. Ол туралы мәлімет кітапта өте көп, бірақ қоршаған ортада жоқ. Ал нәтижесі алдыңыздағы компьютер, яғни программалық қамсыздандыру. Тура сол сияқты, электрониканың эксперименттік тәжірбиелерін қолмен ұстап көрмегенмен, ойыңда саралап, түйсігіңде талдау арқылы түсінуге тырысқаның жөн. Электрониканың негізгі заңдылықтарын бір түсініп алған соң, оны іс-тәжірбиеде тексеру қиындық туғызбайды. Ал нәтижесі, тағы да, алдыңыздағы компьютер - дер едім, тек техникалық жабдықтар.
Электрондық құрылғылардың даму тарихы.
ХХ ғасырдың 40-жылдарына дейін энергетикалық приборлар құрамында тек екі түрлі материалдар пайдаланылды: өткізгіштер (металдар) және диэлектриктер. Оларды басқаруды электровакуумдық лампалар көмегімен іске асыруға тырысты. Ең алдымен құрамында анод және катод ғана бар лампы пайда болды. Одан соң катодтан анодқа жылжитын электрондарды олардың арасына қойылған сетка арқылы басқаратын - триод пайда болды. Электрон қозғалысының горизонталь бағытын бір сеткамен, вертикаль бағытын екінші сеткамен басқару үшін, екі сеткалы - тэтрод пайда болды. Міне, осылай лампылардың құрамындағы элементтері (анод пен катод арасындағы сеткалары-электродтары) көбейген сайын көлемі де, салмағы да өсе түсті. Жартылайөткізгіш материалдар әлі зерттелмеген еді. 1948 жылы алғашқы жартылайөткізгіш биполяр транзистор пайда болды. Осы уақыттан бастап электроникада жартылайөткізгіш материалдар дәуірі басталады. Қазір, сіз триод, тэтрод, пентод параметрлері туралы материалдарды іздемейсіз, оны керек етпейсізде. Себебі, мұндай электровакуумдық лампалар қолданыс тапқан құрылғылар санаулы ғана (мысалы: осциллограф, жарнамалық неондық лампалар және т.б.).
Электрониканың 100жылдан аса ғұмыры бастапқыда электрондық (вакуумдық) лампаларды, одан соң иондық приборларды зерттеуден басталған. Бұл приборлар негізінен электрлік басқару жүйелерінде қолданылды. Электрлік басқару жүйелерін дамыту, жетілдіру адамзаттың барлық технологиялық процестерді автоматтандыруға талпынған мақсатының бір бөлігі. 1950 жылдары әскери самолеттердің лампылық приборлармен жабдықталған электрондық басқару жүйесіндегі элементтер саны 100000-нан асып, ал салмағы 1000 кг асып кетті. Мұндай массаны әуеге көтеру үшін қандай қуатты қозғалтқыш, қанша отын керек екенін айтпаса да белгілі. Осы жылдан бастап самолеттің басқару жүйесіндегі электрондық лампаларды жартылайөткізгіштен жасалған транзистормен жаппай алмастыру нәтижесінде самолеттің басқару жүйесіндегі элементтер саны оданда көбейіп, күрделеніп, жетілдіріле түсті, ал салмағы азайды. Себебі жартылайөткізгіштен жасалған аспаптардың габариті әлдеқайда кіші, салмағы жеңіл, сенімділігі жоғары, энергияны аз жұмсайды және арзан.
Электрондық приборлардың негізгі көрсеткіші - салмағының жеңілдігі, габаритінің шағындығы, 1см3 көлеміндегі элементтер тығыздығының жоғарылығы. Электрондық лампадан құралған басқару құрылғыларында 1см3 көлеміндегі элементтер тығыздығы 0,3 элсм3 болса, 40-жылдардан бастап жаңа принциппен жасалған (жартылайөткізгіш элемент -диод пен транзистордан тұратын) модульдік электрондық аппаратура құрылымындағы элементтер тығыздығы - 2,5элсм3 жетті. Бұл басқару жүйелерінде технологиялық процестерді аз қуатты аналогтық сигналдар көмегімен басқаруға мүмкіндік берді.
Жартылайөткізгіш аспаптардың одан ары өлшемін кішірейту бағытындағы зерттеулер нәтижесінде 70 жылдары микромодульдер пайда бола бастады. Микромодульдегі элементтер тығыздығы - 10 элсм3 жетті. Микромодульдер электроникадағы бірнеше онжылдыққа созылған транзисторлар дәуірін аяқтап, интегральдық микросхема немесе микроэлектроника дәуірін бастады. Ал ол өз кезегінде басқару жүйелеріндегі процестерді сандық (цифрлық) сигналдармен басқаруға мүмкіндік ашты. Техникалық сұлба (немесе схема) тұрғысынан транзисторлық және интегральдық электрониканың айырмашылығы жоқ, себебі интегральдық схемада құрылғының принципиальдық схемасындағыдай барлық элементтерін ажыратып қарауға болады. Тек бір айырмашылығы - интегральдық микросхемалардың барлық элементтері тұтас бір корпуста жасалып, өлшемі микронмен өлшенетіндігінде. Интегральдық микросхемаларды дайындау технологиясының дамуы ондағы элементтердің тығыздығын күрт өсіріп, 1см3 көлеміндегі элементтер тығыздығын 106 жеткізді, тіпті оданда асырып жіберді.
Енді осының барлығына рет-ретімен және толығырақ тоқталайық.
Электрондық приборларлар техникада белгілі бір процестерді автоматтандыру, басқару мақсатында кеңінен қолданылады. Технологиялық процестерді басқару үшін оның әрбір жылжу сатысының қалып-күйі туралы мәлімет, ақпарат қажет. Ақпараттық сигналдар аналогтық, сандық(цифрлық) және импульстік болып бөлінеді. Сигналдардың айырмашылығын суреттен қараңыз (Сурет-1). Суретте байқап отырғаныңыздай: аналогтық сигналдар үздіксіз өзгереді, ақпарат ретінде U, I немесе басқа параметр мәндері оқылады; сандық сигнал - U1 мәнінде логикалық 0-ге тең, U2 мәнінде логикалық 1-ге тең деп оқылады (логикалық 0 мен 1 тізбегінен байт жиналады, сондықтан сандық деп аталады); ал импульстік сигналдардағы ақпарат тек резонанстық жиілікте ғана оқылады (көбіне радиоқұрылғыларда қолданылады).
а)
б)
в)
Сурет-1. а) - аналогтық сигналдар; б) - сандық сигналдар; в)- импульстік сигналдар.
Электрондық сұлба элементтері
Электроника - ақпаратты жинау және түрлендіру мәселелерін шешу үшін, энергияны өндіру және түрлендіруді басқаруды автоматтандыру үшін әмбебап және ерекше тиімді құрал. Электрониканың қолдану аймағы күннен күнге кеңейюде. Кез келген күрделі техникалық жүйе электрондық құралдармен жабдықталады. Ондағы электрондық құралдардың атқаратын қызметі де әр түрлі. Ондағы өңделетін сигнал түрлеріне байланысты электроника ауқымды 3 салаға бөлінеді: аналогтық электрондық құрылғылар, сандық (цирфлық) электроника және күштік электроника болып.
Кесте-1 Сұлба элементтері мен кернеу диапазондары
Сұлбалар
Тұрақты ток тізбегі
Айнымалы ток тізбегі
Электроника
Күштік электроника
Өнеркәсіптік
электроника
Микроэлек-троника
Сұлбаның негізгі эле-менттері
R, E
R,C,L, E
Тиристор
және т.б.
Операциялық күшейткіш және т.б.
ИМС және т.б.
Кернеуі
U=
U~
U==1000В
3В=U==100В
100мВ=
U==15В
Сигнал түрлері
Аналогтық
Аналогтық
Аналогтық
Аналогтық
Цифрлық
Жалпы электрондық сұлба элементтеріне: диод, транзистор, тиристор, операциялық күшейткіш, интегральдық микросұлба және оптрондар жатады. Олардың кейбірі, басқа элементтер бірлесе отырып, электрониканың әрбір саласының негізгі элементтері болып табылады. Оны келесі кесте-1-ден байқауға болады.
Аналогтық электрондық құрылғылар - үздіксіз қозғалатын сигналдарды тасымалдау, күшейту, түрлендіру және сүзгіден өткізумен айналысады.
Сандық (цирфлық) электроника - ғылым мен техниканың динамикалық түрде дамып отырған облысы - сұлбатехника және микроэлектроника мәселелерін баяндайды. Күштік электроника - қуатты электрондық приборларды құрастыру, екінші реттік қорек көзінің проблемаларымен, қуатты электрлік үрдістерді басқару және қуатты электр энергиясын басқа энергия түріне түрлендіру проблемаларымен айналысады.
Жартылайөткізгіштердің электрофизикалық қасиеттері.
Жартылайөткізгіштердің меншікті кедергісі (ρ=10-3 ...105 Ом·см) тең, ол металлдардың меншікті кедергісі (ρ=10-5 ...10-8 Ом·м) мен диэлектрик меншікті кедергісі (ρ=108 ...1017 Ом·см) аралығында жатыр. Өте кең қолданысқа ие болған табиғатта көп кездесетін және арзан жартылайөткізгіш материал кремний Sі мен германий Gе.
Қатты денелер атомдардың кристалдық құрылымнан тұратыны белгілі. Мысалы: 4 валентті Sі (кремний) қарастырайық. Оның валенттік аймақта 4 электроны бар. Кристал ішінде әрбір Sі атомы айналасындағы төрт Sі (сурет-2) атомымен электрондық жұп (яғни, орталықтағы атом сыртқы атомдарға бір электроннан береді, ал олар ішкі атомға бір электрон береді) түзеді. Сөйтіп, кристал түйіндерінде орналасқан атом ядроларын сыртқы қабатта орналасқан валенттік электрондар айналып жүреді.
Сурет-2. Кремнийдің кристалдық шілтері.
Квантық физиканы зерттеген италян ғалымы Энрике Фермидің статикалық териясына жүгінетін болсақ: энергетикалық деңгей - деп жүйедегі әсерлеспейтін фермиондар энергиясының негізгі қалып күйінің бір элементар бөлшекке артқан күйін атайды. Бұл жүйенің абсолютік нольдік температурадағы негізгі күйінің химиялық потенциалына эквивалент. Фермидің статикалық теориясы фермиондардың өте үлкен жиынтығының, шоғырлануының мінез-құлқын немесе жүріс тұрысын түсіндіреді. Фермиондар - кез-келген материалды қалауға арналған үш кірпіш - электрон, нейтрон және протон болған себепті, Ферми энергетикалық деңгейінің кванттық физика үшін маңызы зор.
Валенттік электрондар көршілес атомдардың әсерінен ығысып, оларға ортақ энергетикалық деңгейлерді қамтитын энергетикалық аймақтарда қозғалып жүреді.
Кристалда атомдардың валенттік электрондары жүретін энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты валенттік аймақ деп атайды.
Қозган 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 электрондар 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 ұштасып жатады (3,в-сурет), 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 (3,а-сурет). Мұндай енді энергетикалық аймақты секіріп өту үшін электронға үлкен энергия жұмсау керек. Осы себепті де диэлектрик материал тесілгенге (немесе қызып, балқығанға) дейін онымен электр зарядының тасымалдануы болмайды, яғни ток жүрмейді.
а) б) в)
Сурет-3. Заттардағы энергетикалық аймактар сұлбасы:
1-өткізгіш аймақ; 2- тыйым салынған айиақ; 3 - валенттік зона;
; а - диэлектриктер; б - жартылайөткізгіштер; в - металдар;
Жартылайөткізгіштерде тыйым салынған аймақтың ені диэлектриктерге қарағанда қысқа болады (3,б-сурет). 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.
- электрон; - кемтік
- электрон; - кемтік
Сурет-4. Бос энергетикалық деңгей - кемтіктің пайда болуы және жойылуы.
Олардың атом ядросымен байланысы өте әлсіз. Сондықтан кез келген сыртқы күш әсерінен (мысалы: жылу, кернеу, жарық және т.б.) электрондар әлсіз валенттік байланысты үзіп, атомдарға ортақ аймақтағы жоғарғы энергетикалық деңгейлерге өтеді. Бұл кезде заряд тасымалданады, яғни денеде электр тогы жүреді.
Электрондық жұп тек екі атомға ғана тиесілі, ол екі атомның арасында қозғалады. Ал валенттік электрон олардың кез келгеніне қарай қозғала алады. Көрші атомға өткен электрон оның көршісіне ауысып, осылайша бүкіл кристал бойымен жүріп өте алады. Сондықтан валентті электрондарды тұтас кристалға тиісті деп айтуға болады.
Кристалдық атом құрылымы валенттік электрон орнын тастап кеткенмен, оның орнын сақтап қалады. Яғни электронның тастап кеткен орнында бос энергетикалық деңгей пайда болады. Оны кемтік деп атаймыз. (4-сурет). Бұл тек жартылайөткізгіште ғана бар, себебі металдың заряд тасымалдаушыдары валенттік байланыс түзбейтін бос электрондар да, ал диэлектрикте мұндай байланыстан электрондар шығып кете алмайды. 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 есептеуте болады.
Сонымен, жартылайөткізгіште заряд тасымалдаушы қос бөлшек пайда болады: оның бірі өткізгіштік аймақтағы электрон болса, екіншісі валенттік аймақта пайда болатын кемтік деп аталатын бос энергетикалық деңгей.
Жартылайөткізгіштерде электрон-кемтік заряд тасымалдаушы қос бөлшектің пайда болуымен түзілетін электр өткізгіштікті өзіндік электр өткізгіштік деп атайды. Егер заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегінің пайда болуын олардың генерациясы деп атаса, өткізгіштік аймақтағы электрон өз орнына қайтып оралып, кемтіктің жойылуы немесе заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос болшегінің жойылуы олардың рекомбинациясы деп аталады. Электрон-кемтік қос болшектің пайда болу және жойылу мөлшері температураға байланысты: температура өскең сайын жартылайөткізгіштердің электр өткізгіштігі артады. Бірақ таза жартылайөткізгіштерде пайда болатын және жойылып отыратын электрон-кемтік қос бөлшектерінің саны өзара тең болатындықтан заряд тасымалдаушылардың саны көбеймейді. Сондықтан таза жартылайөткізгіштердің электр өткізгіштігі өте төмен, тіпті диэлектриктерге жақын болады. Ал, егер жартылайөткізгіштердің құрамында қоспа түрінде енген басқа элементтердің атомдары болса, онда олардың электр өткізгіштігі күрт өзгереді.
Қоспалы жартылайөткізгіштер
Табиғатта кездесетін таза жартылайөткізгіш материалдарды электрондық прибор құрамында пайдалану мүмкін емес. Жартылайөткізгіштердің құрамында қоспа түрінде басқа элементтердің атомдарын енгізіп, олардың электр өткізгіштігін (басқаша кірмелі өткізгіштік - деп атайды) күрт арттыру процесі техникада қолдау тапты.
Жартылайөткізгіштерде электрон-кемтік заряд тасымалдаушылардың пайда болуын генерация - десе, жойылуын рекомбинация деп аталады.
Сурет-5. Донорлық жартылай өткізгіштің кристалдық құрылымы.
Жартылайөткізгіш төрт валентті (Sі) кремний құрамына 5 валентті арсенийді (Аs) енгізсе, онда арсенийдің төрт валенттік электроны кремнийдің төрт валенттік электронымен коваленттік байланыста болады да, ал бір электроны бос қалады (сурет 5).
Осы байланыссыз қалған бос электрон қозатын болса, онда ол өткізгіштік аймаққа өтеді де, арсенийдің атомы оң зарядты ионга айналады. Ион қозғалып жүре алмайды, өйткені ол кристалдык торшілтердің түйіндерінде орналасқан және арсенийдің басқа атомдарымен электрон алмастыра алмайды, өйткені олар бір-бірінен қашық орналасқан. Мұндай жартылайөткізгіште электр өткізгіштік электрондар арқылы түзіледі. Бес валентті қоспа элементтің 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. Жартылайөткізгіш ондағы электр откізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен n-типті (negativus - теріс деген латын сөзінің бірінші әрпі) жартылайөткізгіш деп аталады.
Енді төрт валентті силицийдің кристалдық торшілтерінде үш валентті индийдің (Іn) атомы бар екен делік (6-сурет).
Сурет-6. Акцепторлық жартылай өткізгіштің кристалдық құрылымы.
Мұнда кремний атомының үш валенттік электроны индийдің үш валенттік электронымен коваленттік 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 жартылайөткізгіште оң зарядты кемтік жүріп отыратын электр өткізгіштік, яғни кемтікті өткізгіштік пайда болады. Мұндай жартылайөткізгішті р-типті (латынша positivus - оң деген сөздің бірінші әрпі) жартылайөткізгіш деп атайды. р- типті жартылайөткізгіштегі кемтік орналасқан энергетикалық деңгейлер валенттік аймақтың сыртында болатындықтан кемтікті энергетикалық деңгейге негізінен валенттік электрондар өтіп отырады. Мұнда қоспа элементі акцептор (ассерtог - қабылдаушы деген латын сөзі) немесе акцепторлық қоспа деп аталады.
Сурет-7. n-түрлі және р-түрлі (а), жартылайөткізгіштердің түйісу (б) шекарасында (в) потенциалдар айырмасының пайда болуы.
n-типті жартылайөткізгіште негізгі еркін заряд тасымалдаушылар электрондар болғандықтан, олардың концентрациясы кемтіктер концентрациясынан артық (nn np) болып, негізгі заряд тасымалдаушыларға айналады. р-типті жартылайөткізгіште негізгі заряд тасымалдаушылар кемтіктер болғандықтан, олардың концентрациясы электрондар концентрациясынан артық (np nn) болып, негізгі заряд тасымалдаушыларға айналады. Сондықтан қоспалы жартылайөткізгіштерде қалыпты температура кезінде-ақ электрон-кемтік жұбы бар.
Сурет-8. Жартылайөткізгіштердің түйісу шекарасында потенциалдар айырмасының сыртқы күш әсерінен өзгеруі.
Басқаша айтқанда, жартылайөткізгіште негізгі ток тасымалдаушылармен қатар аз мөлшерде қарама-қарсы таңбалы ток тасымалдаушылар (негізгі емес ток тасымалдаушылар) да болады. Жоғары емес температурада негізгі емес ток тасымалдаушылар электр өткізгіштікке қатыспайды. Дегенмен температура жоғарылаған сайын, электрон-кемтік жұбы қарқынды пайда бола бастайды да, жартылайөткізгіштің өткізгіштігі аралас сипатта болады.
Бақылау сұрақтары:
1 Триод приборының құрылымын түсіндір.
2 Жартылайөткізгіштердің негізгі ерекшеліктерін ата.
3 Электровакуумдық приборлардың қазіргі кезде қолданыстан ығысу себебі неде?
4 Жартылай өткізгіштердің энергетикалық деңгейлері қандай, метал мен диэлектриктен айырмашылығы неде?
5 Таза жартылай өткізгіштерде потенциалдық барьердің пайда болмауы не себепті?
6 Өзіндік және кірмелік өткізгіштік дегеніміз не?
7 Кемтік дегеніміз не?
8 Акцепторлық қоспаны қалай аламыз, қандай жартылай өткізгіш оған шикізат ретінде қолданылады?
9 Донорлық қоспаны қалай аламыз, қандай жартылай өткізгіш оған шикізат ретінде қолданылады?
Жартылайөткізгіш диодтар
1Жартылайөткізгіш диодтың жіктелуі.
2. Диодтар түрлері, параметрлері. Түзеткіш диодтар, стабилитрон, варикап, Шоттки диоды, тунельдік диод.
Жартылайөткізгіш диодтар
Жартылайөткізгіш диодтарда n-р - өтпенің бір бағытта электр тогын өткізетін және келесі бағытта электр тогын өткізбейтін қасиетін қолданады. Сәйкесінше диодтың өткізетін бағыттағы күйін ашық күйі, өткізбейтін бағыттағы күйі жабық күйі - деп аталады. Ашық күйіндегі тогы мен қысқыштары арасындағы кернеуі - тура ток және кернеу, жабық күйіндегі тогы мен қысқыштары арасындағы кернеуі - кері ток және кернеу деп аталады. Кейбір әдебиеттерде диодтың электр тогын біржақты өткізу қасиетін кілт (басқаша оны вентиль деп те атайды, яғни су кранының вентилін бір жаққа бұрасаң су ағады және басқа жаққа бұрасаң су ақпайды деген мағынада) қарастыруы мүмкін. Техникада кездесетін диодтар көбіне кремний мен германийден жасалған.
Жартылайөткізгіш диодтар жіктеледі:
1) қызметіне қарай: түзеткіш, жоғары жиіліктік (ВЧ) және аса жоғары жиіліктік (СВЧ), импульстік, жартылайөткізгіш стабилитрондар (тіректік диодтар), туннельдік, варикаптар және т.б.;
2) конструкция бойынша: жазықтық және нүктелік;
Дайындау әдісі бойынша диодтар қорытпалық (диффузиялық) (сурет-10) және нүктелік (сурет-9) болып бөлінеді. Қоспалық немесе диффузиялық диодтар n - типті және р - типті жартылайөткізгіш пластиналарды балқытып түйістіру немесе бастапқы жартылайөткізгішке қоспалы атомдар пластинасын енгізу (диффузия жасау) арқылы алынады.
Сурет-9. Нүктелік диод конструкциясы:1- қысқыштары, 2-шыны корпус, 3-жартылайөткізгіш кристал, 4-майысқыш контакт.
Қорытпалық және диффуиялық диодтардың жанасу көлемі ≈ 1000мм2 шамасында, нүктелік диодтардың жанасу көлемі ≈ 0,1мм2 шамасында. Олар көбіне асқын жиілікті аппаратураларда 10-20 мА ток мәндерінде жұмыс істейді. Жұмыс істеу тәртібіне және атқаратын міндетіне қарай қорытпалық және нүктелік жартылайөткізгішті диодтар түрлері (9-суретте) көрсетілген. Атқаратын қызметіне байланысты диод подкластарының түрлері 11-суретте көрсетілген.
Сурет-10. Қорытпалық диод конструкциясы: 1,9- қысқыштары, 2- метал трубка, 3- майысқыш контакт, 4- шыны оқшаулағыш, 5- металдан жасалған корпус, 6- жартылайөткізгіш кристал, 7- корпус төс етегі (подложка корпуса), 8- оқшаулау шайбасы, 10- бекітуге арналған шайба (для крепежа).
Диод параметрлері. Бірнеше подкласқа бөлінетін диодтар санын қамту үшін олардың параметрлері де сан алуан. Кейбір параметрлер әр түрлі подкластардағы диодтарды сипаттайтын болса, кейбірлері нақты бір подкластың өзіндік қасиетін ғана сипаттайды. Әр түрлі диод подкластары үшін қолданылатын кең тараған диод параметрлерін атап өтеміз:
А) Imaxтура - максимальді мүмкін тұрақты тура ток. Импульстік құрылғыларда берілетін тура ток мәні Imaxтура - дан үлкен болуы мүмкін, бірақ ток берілетін уақыт интервалы өте аз болғандықтан диод қызып үлгермейді.
В) Umaxтура - Imaxтура - ға сәйкес максимальді мүмкін тұрақты тура кернеу,
С) Imaxкері - максимальді мүмкін тұрақты кері ток. Әдетте осы параметрге байланысты таңдау жасалады. Егер берілетін кері ток Imaxкері -дан үлкен болса, диод жұмысқа жарамсыз деп есептелінеді.
Д) Umaxкері - диод рауалы максимальді мүмкін тұрақты кері кернеу.
С) Rдиф - берілген режимдегі диодтың дифференциальдық кедергісі.
Диодтарды белгілі бір құрылғы үшін таңдап алғанда алдымен осы параметрлері және қуаты мен жұмыс жасай алатын жиілік аралығын ескеру керек. Қазіргі таңда арнаулы диодтар өте кең ток және кернеу диапазонында жұмыс істей алады. Қуатты диодтар үшін Imaxтура килоампермен, Umaxтура киловольтпен есептеледі.
Диодтың түрлері
Жартылай өткізгіштердің диодтардың әрбір түрінің атқаратын қызметіне тоқталайық. Жартылай өткізгіштердің диодтардың ішінде ең көп қолданылатыны p-n -өтпенің біржақты өткізгіштік қасиетін қолданатын түзеткіш диодтар.
Сурет-11. Жартылайөткізгіш диод түрлері және шартты белгіленуі.
Түзеткіштік диодтар айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін қолданылады, көбіне қорытпалық немесе диффузиялық технологиямен жасалады. Шарты белгіленуі 11суретте көрсетілген, диодтың вольт-амперлік сипаттамасының оң бұтағында жұмыс істейді. Түзеткіштік диодтарды кремнийден және германийдан жасайды. Кремнийден жасалған диодтар 150°...200°С дейінгі, ал германийдан жасалған диодтар 85°...100°С дейінгі температурада жұмыс істей алады.
Түзеткіштік диодтың жұмысы жоғарыда айтылғандай диодтың вентильдік қасиетіне негізделген, яғни айнымалы токтың оң мәнініде диод D1 ашық, ал айнымалы токтың теріс D1 мәнінде диод жабық. Оны 12суреттен көре аласыз. Айнымалы токтың оң полярлы жартытолқынында диод D1 арқылы жүктемеге ток өтсе, теріс полярлы жартытолқынында диод D2 арқылы жүктемеге ток өтеді. Яғни, жүктемеде әрқашан оң полярлы тұрақты ток болады.
Сурет-12.Екі жартыпериодты түзеткіш сұлбасы (а), кірістегі кернеу (б), жүктемедегі кернеу (в).
Түзеткіштік диодтар төмен және жоғары жиілікті, импульсті, әлсіз және қуатты токтарды түзету үшін қолданылатындықтан олардың p-n өтпесінің ауданы әртүрлі болады. Тура ток мәні ≈1А шамасында болғанда, тұтыну қуаты ≈1Вт болатын кіші қуатты түзеткіш диодтардағы n-р - өтпе ауданы үлкен болғандықтан жасанды салқындатқышсыз жасалады. Тура ток мәні ≈1000А шамасында және кері кернеуі 1500В болғанда, тұтыну қуаты ≈10 кВт болатын үлкен қуатты түзеткіш диодтар жасанды салқындатыштарға немесе радиаторларға орнықтырылады.
Стабилитрон. p-n-өтпенің кері қосылу режимі - стабилитронның нормальді жұмыс режимі, өтпенің электрлік ойық кернеуі - жұмыс кернеуі, ток осіне параллель орналасқан кері тармақтағы бөлігі - вольт-амперлік сипаттаманың жұмысшы аймағы (стабилизация аймағы) болып табылады. Вольт-амперлік сипаттаманың кері бұтағында ток өскенмен кернеудің тұрақты болып қалатыны көрініп тұр (сурет-13). Стабилитрон арқылы өтетін токты резистор көмегімен шектей отырып электрлік ойық күйін (немесе кернеу тұрақтылығын) ұзақ уақыт ұстап тұруға болады.
Жартылай өткізгіш стабилитрондар қоспа концентрациясы жоғары (түзеткіш диодтарға қарағанда 20-30есе) кремий негізінде дайындалады. Осының әсерінен өтпеде өте жұқа тоқырау қабаты пайда болып, өтпеге түсірілген кернеудің кішігірім өзгерістірінде электрлік ойық қалып-күйі туындайды.
Қарапайым стабилизаторлар стабилитронның одан өтетін токтың кішігірім өзгерісінде кернеу мәнін тұрақты ұстау қасиетіне негізделген. Жартылай өткізгіш стабилитронда дайындалған қарапайым стабилизатор сұлбасы 14суретте көрсетілген. Егер желі кернеуі өскенде жүктеме кедергісінің өзгермеген мәнінде стабилизатордың кіріс кернеуі Um өседі, сондықтан вольтамперлік сипаттамаға сәйкес стабилитрон кернеуінің кішігірім өсуі ол арқылы өтетін токтың анағұрлым өсуіне әкеледі.
Кіріс кернеуінің өзгермеген мәнінде және жүктемедегі ток мәні
In - ден In min-ге өзгергенде стабилитрондағы ток мәні (Iст min - нен Iст mах-ге ) өседі. Бұл жағдайда шығыстағы кернеу Un өте аз өзгереді. Стабилитрон қалыптаы жұмыс істеу үшін - стабилитронның тогы жұмысшы аймақ шегінен Icm min Icm max шықпауы керек.
Сурет13. Стабилитронның вольт-
амперлік сипаттамасы.
Сурет14. Қарапайым стабилизатор
сұлбасы.
Сондықтан балластық кедергі мәнін төмендегіше таңдайды
,
мұндағы стабилизациялаудың (тұрақтандырудың) номинальді тогі ( Icm ном 100 мА).
Негізгі параметрлері:
1) стабилизация кернеуі: бұл берілген тұрақтандыру тогы өткендегі стабилитрондағы кернеу: 3...400 В.
2) тұрақтандыру кернеуінің температуралық коэффициенті:
3) кернеудің тұрақты мәніне сәйкес ток мәндері:
4) сипаттаманың кернеуі тұрақты бөлігіндегі динамикалық кедергісі.
Варикап. Сыйымдылығын кері кернеумен басқаруға болатын конденсатор ретінде қолданылатын жартылайөткізгіш диодты варикап деп атайды. Кері кернеудің шамасы өскен сайын бөгеттік қабаттың ені артады да, варикаптың сыйымдылығы азаяды. Варикап дискретті конденсаторды қолдану мүмкін емес төмен кернеумен (мВ) жұмыс істейтін сұлба құрамында қолданылады.
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 пропорционал. Бөгеттік қабаттың ені оған түсірілген кернеуге байланысты өзгеретіндіктен, р-n-өтпеснің сыйымдылығы да кернеумен байланысты болады. р-n-өтпесіне тура кернеу берген кезде түйіске өте аз кернеу түсетіндіктен оның сыйымдылығы да өте аз болады, ал түгелдей дерлік бөгеттік қабатқа түсетін үлкен кері кернеу онда әжептеуір сыйымдылық туғызады. Варикаптың ВАС-ы кері бұтақта орналасқан (19-сурет). Кері кернеу өскен сайын бөгеттік қабаттың ені арттады да, варикаптың сыйымдылығы азаяды.
Варикаптың негізгі параметрлері ретінде оның жалпы сыйымдылығы (СВ) мен сыйымдылықтың еселік коэффициенті (КС) алынады. Сыйымдылықтың еселік коэффициенті деп варикаптың максимал сыйымдылығының (Сmax) оның минимал сыйымдылығына (Сmin) қатынасын айтады. Варикаптың көпшілігінің жалпы сыйымдылығы СВ=10...500 пФ, ал сыйымдылықтың еселік коэффициенті КС= Сmax Сmin=5...20 шамасында болады.
Заряд тасымалдаушылардың инжекциясы -деп сыртқы электрлік күш әсерінен заряд тасымалдаушылар концентрациясы жоғары аймақтан концентрациясы төмен аймаққа ығысуын атайды. Басқа сөзбен айтқанда, жартылайөткізгіштегі электрондық жүйенің термодинамикалық тепе-теңдігі бұзылады. Бірақ, инжекцияланған заряд тасымалдаушылар орнықты қалып-күйге ауысу уақыты заряд тасымалдаушылардың өмір сүру уақытынан әлдекайда аз болғандықтан, тек концентрациялық тепе-теңдігі ғана бұзылады.
Шоттки диоды жоғарыда Жартылайөткізгіш пен металдың түйісу аймағындағы құбылыстар бөлімінде айтылғандай, металл-жартылайөткізгіш контактісі негізінде дайындалады. Металл-жартылайөткізгіш шекарасында пайда болған электрлік өтпе тоқыратқыш болып табылады және тек бір жақты өткізу қасиетіне еге. Бұндай өтпенің көлемі өте аз болуынан және тоқыратқыш қабаттың ені үлкен болуы себепті өте аз сыйымдылықты (конденсатор) барьер пайда болады (1 пФ-тан үлкен емес). Базаға қосалқы заряд тасымалдаушылардың инжекциясы болмауына байланысты онда зарядтардың шоғырлануы және жойылу процесі жүрмейді.
Сондықтан өтпелі процесс ұзақтығы Шоттки диодындағы барьерлік сыйымдылықтың қайта зарядталуына байланысты және наносекунд үлесін ғана құрайды. Осы қасиеті Шоттки диодын импульстік құрылғыларда қолдануға мүмкіндік береді.
Бақылау сұрақтары
1. Р-П - өтпенің тепе-теңдік күйі қалай қалыптасады?
2. Р-П - өтпедегі потенциалдық барьердің өзгеруі неге байланысты немесе өтпені кернеуге тікелей және кері қосқанда не өзгереді?
3. Рекомбинация үрдісін түсіндірініз.
4. Потенциалдық барьер (бөгеттік қабат) ені неге тең?
Жартылайөткізгіш диодтың вольт-амперлік сипаттамасы
р-п өтпесін кернеу көзіне керісінше, яғни р-түрлі жартылайөткізгішті теріс полюсімен, n-түрлі жартылайөткізгішті оң полюсімен қосса (8,в-сурет), онда кернеу көзі тудыратын өрістің кернеулігі мен бөгет өрістің кернеулігі бағыттас болады да түйістік потенциалдар айырымы және потенциалдық тосқауыл артады (8,г-сурет). Қорытынды өріс негізгі заряд тасымалдаушы бөлшектердің қозғалыс бағытына қарсы бағытталғандықтан бөгеттік қабаттың ені және кедергісі артады. Жартылайөткізгіштерде негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өте аз болатындықтан кері ток деп аталатын дрейфтік ток та аз болады.
Сонымен, р-n өтпесі кернеу көзіне тура қосылғанда оның кедергісі аз болады да онымен ток жүреді, ал керісінше қосылғанда өтпенің кедергісі артады да онымен ток жүрмейді дерлік. Былайша айтқанда р-n өтпесінің вентильдік, яғни токты бір бағытта ғана өткізетін қасиеті бар.
15-суретте р-n өтпесінің вольт-амперлік сипаттамасы келтірілген. Жоғарыда айтылғандай, өтпе тура қосылғанда кернеудің өсуі (UT-тура кернеу) бөгеттік кабаттың кедергісін азайтады, сондыктан ток тез өсіп отырады (ІТ-тура ток). Өтпе керісінше қосылғанда (Uк-кері кернеу) кернеудің өсуі бөгеттік қабаттың кедергісін арттырады да онымен өте аз ток жүреді (Ік-кері ток).
Сурет 15. Жартылайөткізгіш диодтың вольт-амперлік сипаттамасы:
1-тура бұтағы; 2-кері бұтағы.
Дегенмен, өрістің кернеулігі артқан сайын негізгі емес заряд тасымал-даушылардың саны көбейеді. Кері кернеу одан әрі өскенде бейнегізгі заряд тасымалдаушылардың энергиясы жоғарылап, атомдармен кездескенде оларды иондайтын болады. Кернеудің белгілі бір мәнінде заряд тасымал-даушылардың саны кенеттен өсіп, ал өтпенің кедергісі өте азайып кетеді. Сондықтан кері ток та кенеттен өсе бастайды. Бұл құбылысты р-n өтпесінің электрлік көшкінді тесілуі деп атайды. Электрлік тесілумен қатар, өтпеге кері кернеу берген кезде жылулық тесілуде байқалады. Егер р-n өтпесінің температурасы оның номинал температурасынан асып кетсе, онда қызудың нәтижесінде заряд тасымалдаушылардың саны көбейеді де, ал өтпенің кедергісі азаяды. Егер осы үрдіс жүре берсе, онда кернеудің белгілі бір мәнінде өтпенің жылулық тесілуі мүмкін. Әрине жылулык тесілуден кейін р-n өтпесі істен шығып қалады, яғни жанып кетеді.
15-суретте а,0,б,в,с әріптерімен көрсетілген әрбір аймақ әртүрлі диодтардың жұмыс істеу аймағын көрсетеді. 0а - аймағы түзеткіш диодтардың жұмыс аймағы. Тура бұтақтың одан жоғарғы аймағы қанығу аймағы деп аталады. Бұл аймақта диодтар жұмыс істемейді, ал туннельдік диод пен бағытталған диодтың жұмыс істеу аймағының ерекшеліктері жоғарыда айтылған.
Вольт-амперлік сипаттамның кері бұтағындағы 0б - варикаптың жұмыс істеу аймағы, бв - стабилитронның жұмыс істеу аймағы, вс - көшкіндік ойық аймағы. Кез келген диод туралы мәліметте әрбір диодтың өз аймағындағы ВАС-ы көрсетіледі және өз аймағындағы зерттеулер туралы мәлімет айтылады.
Туннельдік диод - бұл вольт-амперлік сипаттаманың оң бұтағының бір бөлігі теріс дифференциальдық кедергімен сипатталатын жартылаөткізгіш диод (сурет16). Туннельдік диодтар қатаң ережемен берілген электрондық қасиеті бар жартылайөткізгіш материалдарды дамыған жартылайөткізгіш технологиямен (легирования) алу нәтижесінде пайда болды. Леги́рование
(латынның ligare -- байластыру -деген сөзінен) -- негізгі материалдың физикалық және химиялық қасиеттерін өзгерту (жақсарту) үшін құрамына қоспа қосу. Металды легирование жасау арқылы оның коррозияға беріктік және мықтылық қасиеттерін, тозуын баяулату қасиеттерін арттырады.
Сурет-16. Туннельдік диодтың вольт-амперлік сипаттамасы.
Леги́рование әдісімен өтпедегі бір аймақтан екінші аймаққа шұғыл ауысуды сақтай отырып, р - аймақ және n- аймақтағы электрон мен кемтіктердің жоғарғы тығыздығына қол жеткізеді. Өтпенің өте жұқа еніне және легирование әсеріне байланысты, кристалдағы заряд тасымалдаушылардың концентрациясының жоғарылығына байланысты сырттан кернеу әсер етпегенде р - n -өтпеден ары өтетін электондар саны қайтып оралатын электрондар санына тең болғандықтан, диодта ток жүрмейді. Ал электрондар мен кемтіктерлің өтпеден сыртқы әсерсіз өтпеден өтуін туннельдік эффект деп атайды.
Сурет17. Энергетикалық деңгейдегі туннельдік эффект.
18-суретте р - n -өтпенің U кернеудегі 4 түрлі мәніндегі қарапайым энергетикалық диаграммалары көрсетілген. Кернеу мәні U1 дейін көтерілгенде аймақтар арасындағы туннельдік ток өседі. Кернеуді U2 көтергенде n-аймақтағы өткізгіштік зонасы мен және р- аймақтағы валенттік зона рұқсат етілген энергетикалық деңгейлердің қысқаруына байланысты ток кемиді, туннельдік диод кері кедергілі күйге өтеді. Кернеу U3 жетіп немесе асқанда р - n -өтпеде кәдімгі диодтағыдай диффузиялық (немесе жылулық) ток жүретін болады.
Туннельдік диодтар СВЧ күшейткіштерде, генераторларда және бірнеше гигагерц жиіліктегі ауыстырып қосу құрылғыларында қолданылады.
Туннельдік диодты кері қосқанда туннельдік ойық режимінде жұмыс істейді. Негізгі параметрлері:
Iп - пик тогы,
Uп - пик кернеуі,
Iвп.- ойпат тогы,
Uвп.- ойпат кернеуі,
Cд - Uвп кернеуіндегі диод сыйымдылығы - диодтың жиіліктік қасиеттерін сипаттайды.
Сурет-18. Туннельдік диодтағы өтпе потенциалының өзгерісі.
Сурет19.Диодтық жиынтық, диодтар, стабилитрондар, жарық диоды және оптронның фотосуреті.
Бақылау сұрақтары.
1. Р-П - өтпенің тепе-теңдік күйі қалай қалыптасады?
2. Р-П - өтпедегі потенциалдық барьердің өзгеруі неге байланысты немесе өтпені кернеуге тікелей және кері қосқанда не өзгереді?
3. Рекомбинация үрдісін түсіндірініз.
4. Потенциалдық барьер (бөгеттік қабат) ені неге тең?
5. Бір Р-П - өтпеден тұратын құрылғы қалай аталады?
6. Диодтың құрылысы.
7. Нүктелік және жазықтықтық диодтардың айырмашылығы
8. Арсенийлік, германийлік диодтардың жұмыс істеу температуралары.
9. Р-П - өтпенің вольмаперлік сипаттамасын сызыңыз.
10. Р-П - өтпедегі ойық түрлері.
11. Көшкіндік ойық пен жылулық ойық пайда болу үрдістері
Биполярлық транзисторлар.
1.Биполярлық транзиторлар.
2.Жұмыс істеу принципі
3. Дрейфтік биполяр транзистор,
4. Транзитордың қосылыс сұлбалары (ОБ,ОЭ,ОК). Негізгі түсініктемелер сөздігі: база, коллектор, эмиттер.
Биполяр транзистор - кірісіндегі әлсіз сигналды күшейтуге арналған үш кезектескен - өткізгіштігі әртүрлі қабаттан тұратын жартылайөткізгіш прибор. Биполяр транзистордағы ток электронды және кемтікті заряд тасымалдаушылармен түзелетіндіктен биполярлы деп аталған.
Құрылымы бойынша биполяр транзистор кезектесе орналасқан үш аймақтан (n-p-n немесе p-n-p аймақтардан) және сәйкесінше екі p-n-өтпеден тұрады. Әрбір аймақтың сыртқы тізбекке қосылатын қысқышы бар. Биполяр транзистор дайындалатын материалдар - кремний и германий, перспективада - галлий арсениді, цинк сульфиді. Белгіленуі:
n - p - n p - n - p
Сурет 20. Биполяр транзистор типтері
Ортаңғы аймақ база деп аталады. Егер транзисторды бір-бірімен жалғаса орналасқан екі диод деп қарастырсақ, онда базаға қатысты тура жалғанған шеткі аймақ эмиттер деп аталады да, базаға қатысты кері жалғанған шеткі аймақ коллектор деп аталады. Оның қарапайым сызбасын (20-суреттен ) көріңіз.
Жұмыс істеу принципін талдау үшін n-p-n типті транзистор жұмысын қарастырайық. Бастапқыда К-ға оң кернеу беріледі.
База-эмиттер өтпесіндегі кернеу мәні нольге тең болғанда, коллекторлық өтпе жабық, транзистор арқылы ток жүрмейді. Егер Uбэ0 және эмиттердегі кернеу базаға қарағанда теріс мәнді болғанда, эмиттер-база өтпесі тура қосылады. Осы кернеу әсерінен электрондар эмиттерден базаға жылжиды. База енінің жұқалығы электронның еркін жүрісі ұзындығына тең етіп жасалады.
Сурет 21. Биполяр транзистордың құрылымы
Заряд алған электрондар коллекторға өте жақын келеді де, күшті коллектор кернеуімен тартылып, коллекторға өтеді. Транзистор арқылы ток жүре бастайды.
Сурет22. Биполяр транзистордың өтпелеріндегі өзгерістер.
Биполяр транзистордың ортаңғы қабатының ені 1...20мкм және тіпті одан да кіші болуы мүмкін. Сондықтан екі өтпедегі электрлік процестер бір-бірімен өте тығыз байланысты. Яғни бір өтпенің тогы екінші өтпенің тогына қатты әсер етеді және керісінше. Міне, осы байланыс транзистордың негізгі ерекшелігі. Сонымен бірге эмиттер-база өтпесіндегі жанасу аймағының көлеміннен база-коллектор өтпесіндегі жанасу аймағының көлемі әлдеқайда үлкен болса, мұндай бейсимметриялылық транзистордың параметрлеріне жағымды әсер етеді, яғни параметрлерін жақсартады.
Әртүрлі типті транзисторда электрон мен кемтіктің қызметі әртүрлі. n-p-n типті транзисторлардың параметрлері әлдеқайда жоғары, себебі, n-p-n типті транзистордағы электрлік процестерде ток электрондардан түзіледі және электронның кемтікке қарағанда жылдамжығы 3-4 есе артық.
Егер транзисторды бір-бірімен жалғаса орналасқан екі диод деп қарастырсақ, эмиттер-база өтпесі әр уақытта да ашық, ал база-коллектор өтпесі жабық. Сондықтан эмиттер-база өтпесінің кернеуі аз да, ал коллектор-база өтпесінің кернеуі үлкен болады.
Егер эмиттер-база өтпесінен электрондардың эмиттерден базаға инжекциялануы арқылы iЭ ток жүрсе, кемтіктердің базадан эмиттерге инжекциялануы нәтижесінде пайда болатын iБ тогы одан әлдеқайда аз, iБiЭ. Соның әсерінен рекомбинация жүреді. Жоғары жылдамдық алған электрондар базаның өте кіші енінен оңай өтіп, база-коллектор өтпесіне жетеді. Коллектордың оң таңбалы кернеуі әсерінен өтпеден өтіп, коллектор тогын iК түзеді. Сондықтан iЭ ≈ iК . Бұдан жасалатын қортынды: эмиттер кірісінде берілген қуаты аз сигналды формасын өзгертпей коллектордан алуға болады, оның мәнін базаға берілетін токпен реттеуге болады.
Сурет 24. Биполяр транзистордың эквивалент сұлбасы.
Биполяр транзистор құрамында қолданылатын қоспа концентрациясына байланысты дифффузиялық және дрейфтік болып бөлінеді. Диффузиялық биполяр транзисторларда базаның қоспа концентрациясы оның барлық бөлігінде бірдей және атом иондарының көмегімен өтпеде заряд тасымалдаушылар жылдамдығына әсер ететін қосымша электр өрісі пайда болмайды.
Дрейфтік биполяр транзисторларда базаның қоспа концентрациясы оның барлық бөлігінде әртүрлі және атом иондарының көмегімен өтпеде заряд тасымалдаушылар жылдамдығына әсер ететін қосымша электр өрісі пайда болады.
Бұл электр өрісі заряд тасымалдаушылардың өтпе арқылы жылдамдығын арттырады, ал бұл жалпы транзистордың реакция шапшаңдығын арттырады.
Биполяр транзистордың статикалық сипаттамалары
Биполяр транзистордың статикалық вольт -- амперлік сипаттамалары төрт шаманың байланысын: кіріс тогы, кіріс кернеуі, шығыс тогы және шығыс кернеуі арасындағы тәуелділікті сипаттайды. Статикалық сипаттамалар бірнеше қисық сызықтардың жиынтығы. Соның ішінде кіріс тогының кіріс кернеуінен тәуелділігін - кіріс сипаттамасы деп, шығыс тогының шығыс кернеуіне тәуелділігін - шығыс сипаттамасы деп қарастырады. Транзистордың жалғану сұлбаларының ішінде техникада ең көптараған ортақ эмиттерлі сұлба.
Транзистордың жалғану сұлбалары
Транзистордың екі өтпесіне екі түрлі кернеу берілетіндіктен және ол көбінесе әлсіз сигналдарды күшейту үшін қолданылатындықтан оны кірмелік және шықпалық қысқыштарыға бөліп қарастырлады. Транзистордың үш шықпасының бірі әдетте кірмелік және шықпалық тізбектері үшін ортақ болады. Транзистордың жалғану сұлбасы ортақ эмиттерлі, ортақ базалы, ортақ коллекторлы болып бөлінеді.
Кесте 2- Биполяр транзистодың жалғау сұлбадлары
Ортақ базалы биполяр транзистордың қосылу сұлбасы
және кіріс, шығыс сипаттамалары
Ортақ эмиттерлі биполяр транзистордың қосылу сұлбасы
және кіріс, шығыс сипаттамалары
Ортақ коллекторлы биполяр транзистордың қосылу сұлбасы
және кіріс, шығыс сипаттамалары
Бұл сұлбалардың ішінде практикада көп қолданылатыны - ортақ эмиттерлі қосылу сұлбасы.
Биполяр транзистордың жұмыс режимдері
1) Кесілу режимі (режим отсечки) - Iк тогының өте аз мәнінде байқалады. транзистордың екі өтпесі де кері қосылған.
2) Қанығу режимі - сипаттаманың әрбір бұтағы үшін сызықты тәуелділікті көрсететін аймақ, транзистордың екі өтпесі де тура бағытта қосылған.
3) Активті күшейту режимі - сипаттаманың бұл аймағында база-эмиттер тура бағытта қосылған, эмиттер-коллектор кері бағытта қосылған.
4) Инверсті режим - транзистордың база-эмиттер кері бағытта қосылған, эмиттер-коллектор тура бағытта қосылған, іс жүзінде транзистордың кірісі мен шғысы ауыстырылып қосылған.
Биполяр транзистордың Һ - параметрлері.
Әлсіз сигналдар режимінде биполяр транзисторды сызықты активті төртұшты деп қарастыруға болады. Биполяр транзистор параметрлерін есептеп және талдау үшін Һ - параметр жүйесін пайдаланған ыңғайлы. Транзистордың электрлік қалып-күйі 4 шамамен сипатталады: кірістегі және шығыстағы ток, кірістегі және шығыстағы кернеу.
Сурет-25. Биполяр транзисторды төртұшты түрінде бейнелеу
Осы төрт шаманың екеуін тәуелсіз деп есептесе, қалған екеуін жаңағы екі тәуелсіз шама ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Электроника бірнеше ғылыммен (техника, энергетика, атомдық физика, информатика, бульдік алгебра және т.б.) сабақтасып жатқан кең ауқымды ғылым. Басқаша айтқанда, қолданбалы ғылым. Жаратылыстану ғылымдарының (математика, физика, география, химия және т.б.) заңдылықтарын күнделікті айналадағы қоршаған ортадан көре аламыз. Ал қолданбалы ғылым заңдылықтарын қоршаған ортадан көре алмаймыз. Оның заңдылықтары адамды қоршаған ортамен салыстырғанда не өте кіші, не өте үлкен уақыттық немесе кеңістіктік жүйені қамтуына байланысты, кейбір бақылауларды адам түйсігінде саралап және талдау арқылы, тек нәтижесін ғана көреміз. Мысалы: информатика ғылымындағы бағдарламалар. Ол туралы мәлімет кітапта өте көп, бірақ қоршаған ортада жоқ. Ал нәтижесі алдыңыздағы компьютер, яғни программалық қамсыздандыру. Тура сол сияқты, электрониканың эксперименттік тәжірбиелерін қолмен ұстап көрмегенмен, ойыңда саралап, түйсігіңде талдау арқылы түсінуге тырысқаның жөн. Электрониканың негізгі заңдылықтарын бір түсініп алған соң, оны іс-тәжірбиеде тексеру қиындық туғызбайды. Ал нәтижесі, тағы да, алдыңыздағы компьютер - дер едім, тек техникалық жабдықтар.
Электрондық құрылғылардың даму тарихы.
ХХ ғасырдың 40-жылдарына дейін энергетикалық приборлар құрамында тек екі түрлі материалдар пайдаланылды: өткізгіштер (металдар) және диэлектриктер. Оларды басқаруды электровакуумдық лампалар көмегімен іске асыруға тырысты. Ең алдымен құрамында анод және катод ғана бар лампы пайда болды. Одан соң катодтан анодқа жылжитын электрондарды олардың арасына қойылған сетка арқылы басқаратын - триод пайда болды. Электрон қозғалысының горизонталь бағытын бір сеткамен, вертикаль бағытын екінші сеткамен басқару үшін, екі сеткалы - тэтрод пайда болды. Міне, осылай лампылардың құрамындағы элементтері (анод пен катод арасындағы сеткалары-электродтары) көбейген сайын көлемі де, салмағы да өсе түсті. Жартылайөткізгіш материалдар әлі зерттелмеген еді. 1948 жылы алғашқы жартылайөткізгіш биполяр транзистор пайда болды. Осы уақыттан бастап электроникада жартылайөткізгіш материалдар дәуірі басталады. Қазір, сіз триод, тэтрод, пентод параметрлері туралы материалдарды іздемейсіз, оны керек етпейсізде. Себебі, мұндай электровакуумдық лампалар қолданыс тапқан құрылғылар санаулы ғана (мысалы: осциллограф, жарнамалық неондық лампалар және т.б.).
Электрониканың 100жылдан аса ғұмыры бастапқыда электрондық (вакуумдық) лампаларды, одан соң иондық приборларды зерттеуден басталған. Бұл приборлар негізінен электрлік басқару жүйелерінде қолданылды. Электрлік басқару жүйелерін дамыту, жетілдіру адамзаттың барлық технологиялық процестерді автоматтандыруға талпынған мақсатының бір бөлігі. 1950 жылдары әскери самолеттердің лампылық приборлармен жабдықталған электрондық басқару жүйесіндегі элементтер саны 100000-нан асып, ал салмағы 1000 кг асып кетті. Мұндай массаны әуеге көтеру үшін қандай қуатты қозғалтқыш, қанша отын керек екенін айтпаса да белгілі. Осы жылдан бастап самолеттің басқару жүйесіндегі электрондық лампаларды жартылайөткізгіштен жасалған транзистормен жаппай алмастыру нәтижесінде самолеттің басқару жүйесіндегі элементтер саны оданда көбейіп, күрделеніп, жетілдіріле түсті, ал салмағы азайды. Себебі жартылайөткізгіштен жасалған аспаптардың габариті әлдеқайда кіші, салмағы жеңіл, сенімділігі жоғары, энергияны аз жұмсайды және арзан.
Электрондық приборлардың негізгі көрсеткіші - салмағының жеңілдігі, габаритінің шағындығы, 1см3 көлеміндегі элементтер тығыздығының жоғарылығы. Электрондық лампадан құралған басқару құрылғыларында 1см3 көлеміндегі элементтер тығыздығы 0,3 элсм3 болса, 40-жылдардан бастап жаңа принциппен жасалған (жартылайөткізгіш элемент -диод пен транзистордан тұратын) модульдік электрондық аппаратура құрылымындағы элементтер тығыздығы - 2,5элсм3 жетті. Бұл басқару жүйелерінде технологиялық процестерді аз қуатты аналогтық сигналдар көмегімен басқаруға мүмкіндік берді.
Жартылайөткізгіш аспаптардың одан ары өлшемін кішірейту бағытындағы зерттеулер нәтижесінде 70 жылдары микромодульдер пайда бола бастады. Микромодульдегі элементтер тығыздығы - 10 элсм3 жетті. Микромодульдер электроникадағы бірнеше онжылдыққа созылған транзисторлар дәуірін аяқтап, интегральдық микросхема немесе микроэлектроника дәуірін бастады. Ал ол өз кезегінде басқару жүйелеріндегі процестерді сандық (цифрлық) сигналдармен басқаруға мүмкіндік ашты. Техникалық сұлба (немесе схема) тұрғысынан транзисторлық және интегральдық электрониканың айырмашылығы жоқ, себебі интегральдық схемада құрылғының принципиальдық схемасындағыдай барлық элементтерін ажыратып қарауға болады. Тек бір айырмашылығы - интегральдық микросхемалардың барлық элементтері тұтас бір корпуста жасалып, өлшемі микронмен өлшенетіндігінде. Интегральдық микросхемаларды дайындау технологиясының дамуы ондағы элементтердің тығыздығын күрт өсіріп, 1см3 көлеміндегі элементтер тығыздығын 106 жеткізді, тіпті оданда асырып жіберді.
Енді осының барлығына рет-ретімен және толығырақ тоқталайық.
Электрондық приборларлар техникада белгілі бір процестерді автоматтандыру, басқару мақсатында кеңінен қолданылады. Технологиялық процестерді басқару үшін оның әрбір жылжу сатысының қалып-күйі туралы мәлімет, ақпарат қажет. Ақпараттық сигналдар аналогтық, сандық(цифрлық) және импульстік болып бөлінеді. Сигналдардың айырмашылығын суреттен қараңыз (Сурет-1). Суретте байқап отырғаныңыздай: аналогтық сигналдар үздіксіз өзгереді, ақпарат ретінде U, I немесе басқа параметр мәндері оқылады; сандық сигнал - U1 мәнінде логикалық 0-ге тең, U2 мәнінде логикалық 1-ге тең деп оқылады (логикалық 0 мен 1 тізбегінен байт жиналады, сондықтан сандық деп аталады); ал импульстік сигналдардағы ақпарат тек резонанстық жиілікте ғана оқылады (көбіне радиоқұрылғыларда қолданылады).
а)
б)
в)
Сурет-1. а) - аналогтық сигналдар; б) - сандық сигналдар; в)- импульстік сигналдар.
Электрондық сұлба элементтері
Электроника - ақпаратты жинау және түрлендіру мәселелерін шешу үшін, энергияны өндіру және түрлендіруді басқаруды автоматтандыру үшін әмбебап және ерекше тиімді құрал. Электрониканың қолдану аймағы күннен күнге кеңейюде. Кез келген күрделі техникалық жүйе электрондық құралдармен жабдықталады. Ондағы электрондық құралдардың атқаратын қызметі де әр түрлі. Ондағы өңделетін сигнал түрлеріне байланысты электроника ауқымды 3 салаға бөлінеді: аналогтық электрондық құрылғылар, сандық (цирфлық) электроника және күштік электроника болып.
Кесте-1 Сұлба элементтері мен кернеу диапазондары
Сұлбалар
Тұрақты ток тізбегі
Айнымалы ток тізбегі
Электроника
Күштік электроника
Өнеркәсіптік
электроника
Микроэлек-троника
Сұлбаның негізгі эле-менттері
R, E
R,C,L, E
Тиристор
және т.б.
Операциялық күшейткіш және т.б.
ИМС және т.б.
Кернеуі
U=
U~
U==1000В
3В=U==100В
100мВ=
U==15В
Сигнал түрлері
Аналогтық
Аналогтық
Аналогтық
Аналогтық
Цифрлық
Жалпы электрондық сұлба элементтеріне: диод, транзистор, тиристор, операциялық күшейткіш, интегральдық микросұлба және оптрондар жатады. Олардың кейбірі, басқа элементтер бірлесе отырып, электрониканың әрбір саласының негізгі элементтері болып табылады. Оны келесі кесте-1-ден байқауға болады.
Аналогтық электрондық құрылғылар - үздіксіз қозғалатын сигналдарды тасымалдау, күшейту, түрлендіру және сүзгіден өткізумен айналысады.
Сандық (цирфлық) электроника - ғылым мен техниканың динамикалық түрде дамып отырған облысы - сұлбатехника және микроэлектроника мәселелерін баяндайды. Күштік электроника - қуатты электрондық приборларды құрастыру, екінші реттік қорек көзінің проблемаларымен, қуатты электрлік үрдістерді басқару және қуатты электр энергиясын басқа энергия түріне түрлендіру проблемаларымен айналысады.
Жартылайөткізгіштердің электрофизикалық қасиеттері.
Жартылайөткізгіштердің меншікті кедергісі (ρ=10-3 ...105 Ом·см) тең, ол металлдардың меншікті кедергісі (ρ=10-5 ...10-8 Ом·м) мен диэлектрик меншікті кедергісі (ρ=108 ...1017 Ом·см) аралығында жатыр. Өте кең қолданысқа ие болған табиғатта көп кездесетін және арзан жартылайөткізгіш материал кремний Sі мен германий Gе.
Қатты денелер атомдардың кристалдық құрылымнан тұратыны белгілі. Мысалы: 4 валентті Sі (кремний) қарастырайық. Оның валенттік аймақта 4 электроны бар. Кристал ішінде әрбір Sі атомы айналасындағы төрт Sі (сурет-2) атомымен электрондық жұп (яғни, орталықтағы атом сыртқы атомдарға бір электроннан береді, ал олар ішкі атомға бір электрон береді) түзеді. Сөйтіп, кристал түйіндерінде орналасқан атом ядроларын сыртқы қабатта орналасқан валенттік электрондар айналып жүреді.
Сурет-2. Кремнийдің кристалдық шілтері.
Квантық физиканы зерттеген италян ғалымы Энрике Фермидің статикалық териясына жүгінетін болсақ: энергетикалық деңгей - деп жүйедегі әсерлеспейтін фермиондар энергиясының негізгі қалып күйінің бір элементар бөлшекке артқан күйін атайды. Бұл жүйенің абсолютік нольдік температурадағы негізгі күйінің химиялық потенциалына эквивалент. Фермидің статикалық теориясы фермиондардың өте үлкен жиынтығының, шоғырлануының мінез-құлқын немесе жүріс тұрысын түсіндіреді. Фермиондар - кез-келген материалды қалауға арналған үш кірпіш - электрон, нейтрон және протон болған себепті, Ферми энергетикалық деңгейінің кванттық физика үшін маңызы зор.
Валенттік электрондар көршілес атомдардың әсерінен ығысып, оларға ортақ энергетикалық деңгейлерді қамтитын энергетикалық аймақтарда қозғалып жүреді.
Кристалда атомдардың валенттік электрондары жүретін энергетикалық деңгейлерді қамтитын аймақты валенттік аймақ деп атайды.
Қозган 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 электрондар 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 ұштасып жатады (3,в-сурет), 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 (3,а-сурет). Мұндай енді энергетикалық аймақты секіріп өту үшін электронға үлкен энергия жұмсау керек. Осы себепті де диэлектрик материал тесілгенге (немесе қызып, балқығанға) дейін онымен электр зарядының тасымалдануы болмайды, яғни ток жүрмейді.
а) б) в)
Сурет-3. Заттардағы энергетикалық аймактар сұлбасы:
1-өткізгіш аймақ; 2- тыйым салынған айиақ; 3 - валенттік зона;
; а - диэлектриктер; б - жартылайөткізгіштер; в - металдар;
Жартылайөткізгіштерде тыйым салынған аймақтың ені диэлектриктерге қарағанда қысқа болады (3,б-сурет). 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.
- электрон; - кемтік
- электрон; - кемтік
Сурет-4. Бос энергетикалық деңгей - кемтіктің пайда болуы және жойылуы.
Олардың атом ядросымен байланысы өте әлсіз. Сондықтан кез келген сыртқы күш әсерінен (мысалы: жылу, кернеу, жарық және т.б.) электрондар әлсіз валенттік байланысты үзіп, атомдарға ортақ аймақтағы жоғарғы энергетикалық деңгейлерге өтеді. Бұл кезде заряд тасымалданады, яғни денеде электр тогы жүреді.
Электрондық жұп тек екі атомға ғана тиесілі, ол екі атомның арасында қозғалады. Ал валенттік электрон олардың кез келгеніне қарай қозғала алады. Көрші атомға өткен электрон оның көршісіне ауысып, осылайша бүкіл кристал бойымен жүріп өте алады. Сондықтан валентті электрондарды тұтас кристалға тиісті деп айтуға болады.
Кристалдық атом құрылымы валенттік электрон орнын тастап кеткенмен, оның орнын сақтап қалады. Яғни электронның тастап кеткен орнында бос энергетикалық деңгей пайда болады. Оны кемтік деп атаймыз. (4-сурет). Бұл тек жартылайөткізгіште ғана бар, себебі металдың заряд тасымалдаушыдары валенттік байланыс түзбейтін бос электрондар да, ал диэлектрикте мұндай байланыстан электрондар шығып кете алмайды. 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 есептеуте болады.
Сонымен, жартылайөткізгіште заряд тасымалдаушы қос бөлшек пайда болады: оның бірі өткізгіштік аймақтағы электрон болса, екіншісі валенттік аймақта пайда болатын кемтік деп аталатын бос энергетикалық деңгей.
Жартылайөткізгіштерде электрон-кемтік заряд тасымалдаушы қос бөлшектің пайда болуымен түзілетін электр өткізгіштікті өзіндік электр өткізгіштік деп атайды. Егер заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос бөлшегінің пайда болуын олардың генерациясы деп атаса, өткізгіштік аймақтағы электрон өз орнына қайтып оралып, кемтіктің жойылуы немесе заряд тасымалдаушы электрон-кемтік қос болшегінің жойылуы олардың рекомбинациясы деп аталады. Электрон-кемтік қос болшектің пайда болу және жойылу мөлшері температураға байланысты: температура өскең сайын жартылайөткізгіштердің электр өткізгіштігі артады. Бірақ таза жартылайөткізгіштерде пайда болатын және жойылып отыратын электрон-кемтік қос бөлшектерінің саны өзара тең болатындықтан заряд тасымалдаушылардың саны көбеймейді. Сондықтан таза жартылайөткізгіштердің электр өткізгіштігі өте төмен, тіпті диэлектриктерге жақын болады. Ал, егер жартылайөткізгіштердің құрамында қоспа түрінде енген басқа элементтердің атомдары болса, онда олардың электр өткізгіштігі күрт өзгереді.
Қоспалы жартылайөткізгіштер
Табиғатта кездесетін таза жартылайөткізгіш материалдарды электрондық прибор құрамында пайдалану мүмкін емес. Жартылайөткізгіштердің құрамында қоспа түрінде басқа элементтердің атомдарын енгізіп, олардың электр өткізгіштігін (басқаша кірмелі өткізгіштік - деп атайды) күрт арттыру процесі техникада қолдау тапты.
Жартылайөткізгіштерде электрон-кемтік заряд тасымалдаушылардың пайда болуын генерация - десе, жойылуын рекомбинация деп аталады.
Сурет-5. Донорлық жартылай өткізгіштің кристалдық құрылымы.
Жартылайөткізгіш төрт валентті (Sі) кремний құрамына 5 валентті арсенийді (Аs) енгізсе, онда арсенийдің төрт валенттік электроны кремнийдің төрт валенттік электронымен коваленттік байланыста болады да, ал бір электроны бос қалады (сурет 5).
Осы байланыссыз қалған бос электрон қозатын болса, онда ол өткізгіштік аймаққа өтеді де, арсенийдің атомы оң зарядты ионга айналады. Ион қозғалып жүре алмайды, өйткені ол кристалдык торшілтердің түйіндерінде орналасқан және арсенийдің басқа атомдарымен электрон алмастыра алмайды, өйткені олар бір-бірінен қашық орналасқан. Мұндай жартылайөткізгіште электр өткізгіштік электрондар арқылы түзіледі. Бес валентті қоспа элементтің 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. Жартылайөткізгіш ондағы электр откізгіштік электрондар арқылы түзілетіндіктен n-типті (negativus - теріс деген латын сөзінің бірінші әрпі) жартылайөткізгіш деп аталады.
Енді төрт валентті силицийдің кристалдық торшілтерінде үш валентті индийдің (Іn) атомы бар екен делік (6-сурет).
Сурет-6. Акцепторлық жартылай өткізгіштің кристалдық құрылымы.
Мұнда кремний атомының үш валенттік электроны индийдің үш валенттік электронымен коваленттік 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 жартылайөткізгіште оң зарядты кемтік жүріп отыратын электр өткізгіштік, яғни кемтікті өткізгіштік пайда болады. Мұндай жартылайөткізгішті р-типті (латынша positivus - оң деген сөздің бірінші әрпі) жартылайөткізгіш деп атайды. р- типті жартылайөткізгіштегі кемтік орналасқан энергетикалық деңгейлер валенттік аймақтың сыртында болатындықтан кемтікті энергетикалық деңгейге негізінен валенттік электрондар өтіп отырады. Мұнда қоспа элементі акцептор (ассерtог - қабылдаушы деген латын сөзі) немесе акцепторлық қоспа деп аталады.
Сурет-7. n-түрлі және р-түрлі (а), жартылайөткізгіштердің түйісу (б) шекарасында (в) потенциалдар айырмасының пайда болуы.
n-типті жартылайөткізгіште негізгі еркін заряд тасымалдаушылар электрондар болғандықтан, олардың концентрациясы кемтіктер концентрациясынан артық (nn np) болып, негізгі заряд тасымалдаушыларға айналады. р-типті жартылайөткізгіште негізгі заряд тасымалдаушылар кемтіктер болғандықтан, олардың концентрациясы электрондар концентрациясынан артық (np nn) болып, негізгі заряд тасымалдаушыларға айналады. Сондықтан қоспалы жартылайөткізгіштерде қалыпты температура кезінде-ақ электрон-кемтік жұбы бар.
Сурет-8. Жартылайөткізгіштердің түйісу шекарасында потенциалдар айырмасының сыртқы күш әсерінен өзгеруі.
Басқаша айтқанда, жартылайөткізгіште негізгі ток тасымалдаушылармен қатар аз мөлшерде қарама-қарсы таңбалы ток тасымалдаушылар (негізгі емес ток тасымалдаушылар) да болады. Жоғары емес температурада негізгі емес ток тасымалдаушылар электр өткізгіштікке қатыспайды. Дегенмен температура жоғарылаған сайын, электрон-кемтік жұбы қарқынды пайда бола бастайды да, жартылайөткізгіштің өткізгіштігі аралас сипатта болады.
Бақылау сұрақтары:
1 Триод приборының құрылымын түсіндір.
2 Жартылайөткізгіштердің негізгі ерекшеліктерін ата.
3 Электровакуумдық приборлардың қазіргі кезде қолданыстан ығысу себебі неде?
4 Жартылай өткізгіштердің энергетикалық деңгейлері қандай, метал мен диэлектриктен айырмашылығы неде?
5 Таза жартылай өткізгіштерде потенциалдық барьердің пайда болмауы не себепті?
6 Өзіндік және кірмелік өткізгіштік дегеніміз не?
7 Кемтік дегеніміз не?
8 Акцепторлық қоспаны қалай аламыз, қандай жартылай өткізгіш оған шикізат ретінде қолданылады?
9 Донорлық қоспаны қалай аламыз, қандай жартылай өткізгіш оған шикізат ретінде қолданылады?
Жартылайөткізгіш диодтар
1Жартылайөткізгіш диодтың жіктелуі.
2. Диодтар түрлері, параметрлері. Түзеткіш диодтар, стабилитрон, варикап, Шоттки диоды, тунельдік диод.
Жартылайөткізгіш диодтар
Жартылайөткізгіш диодтарда n-р - өтпенің бір бағытта электр тогын өткізетін және келесі бағытта электр тогын өткізбейтін қасиетін қолданады. Сәйкесінше диодтың өткізетін бағыттағы күйін ашық күйі, өткізбейтін бағыттағы күйі жабық күйі - деп аталады. Ашық күйіндегі тогы мен қысқыштары арасындағы кернеуі - тура ток және кернеу, жабық күйіндегі тогы мен қысқыштары арасындағы кернеуі - кері ток және кернеу деп аталады. Кейбір әдебиеттерде диодтың электр тогын біржақты өткізу қасиетін кілт (басқаша оны вентиль деп те атайды, яғни су кранының вентилін бір жаққа бұрасаң су ағады және басқа жаққа бұрасаң су ақпайды деген мағынада) қарастыруы мүмкін. Техникада кездесетін диодтар көбіне кремний мен германийден жасалған.
Жартылайөткізгіш диодтар жіктеледі:
1) қызметіне қарай: түзеткіш, жоғары жиіліктік (ВЧ) және аса жоғары жиіліктік (СВЧ), импульстік, жартылайөткізгіш стабилитрондар (тіректік диодтар), туннельдік, варикаптар және т.б.;
2) конструкция бойынша: жазықтық және нүктелік;
Дайындау әдісі бойынша диодтар қорытпалық (диффузиялық) (сурет-10) және нүктелік (сурет-9) болып бөлінеді. Қоспалық немесе диффузиялық диодтар n - типті және р - типті жартылайөткізгіш пластиналарды балқытып түйістіру немесе бастапқы жартылайөткізгішке қоспалы атомдар пластинасын енгізу (диффузия жасау) арқылы алынады.
Сурет-9. Нүктелік диод конструкциясы:1- қысқыштары, 2-шыны корпус, 3-жартылайөткізгіш кристал, 4-майысқыш контакт.
Қорытпалық және диффуиялық диодтардың жанасу көлемі ≈ 1000мм2 шамасында, нүктелік диодтардың жанасу көлемі ≈ 0,1мм2 шамасында. Олар көбіне асқын жиілікті аппаратураларда 10-20 мА ток мәндерінде жұмыс істейді. Жұмыс істеу тәртібіне және атқаратын міндетіне қарай қорытпалық және нүктелік жартылайөткізгішті диодтар түрлері (9-суретте) көрсетілген. Атқаратын қызметіне байланысты диод подкластарының түрлері 11-суретте көрсетілген.
Сурет-10. Қорытпалық диод конструкциясы: 1,9- қысқыштары, 2- метал трубка, 3- майысқыш контакт, 4- шыны оқшаулағыш, 5- металдан жасалған корпус, 6- жартылайөткізгіш кристал, 7- корпус төс етегі (подложка корпуса), 8- оқшаулау шайбасы, 10- бекітуге арналған шайба (для крепежа).
Диод параметрлері. Бірнеше подкласқа бөлінетін диодтар санын қамту үшін олардың параметрлері де сан алуан. Кейбір параметрлер әр түрлі подкластардағы диодтарды сипаттайтын болса, кейбірлері нақты бір подкластың өзіндік қасиетін ғана сипаттайды. Әр түрлі диод подкластары үшін қолданылатын кең тараған диод параметрлерін атап өтеміз:
А) Imaxтура - максимальді мүмкін тұрақты тура ток. Импульстік құрылғыларда берілетін тура ток мәні Imaxтура - дан үлкен болуы мүмкін, бірақ ток берілетін уақыт интервалы өте аз болғандықтан диод қызып үлгермейді.
В) Umaxтура - Imaxтура - ға сәйкес максимальді мүмкін тұрақты тура кернеу,
С) Imaxкері - максимальді мүмкін тұрақты кері ток. Әдетте осы параметрге байланысты таңдау жасалады. Егер берілетін кері ток Imaxкері -дан үлкен болса, диод жұмысқа жарамсыз деп есептелінеді.
Д) Umaxкері - диод рауалы максимальді мүмкін тұрақты кері кернеу.
С) Rдиф - берілген режимдегі диодтың дифференциальдық кедергісі.
Диодтарды белгілі бір құрылғы үшін таңдап алғанда алдымен осы параметрлері және қуаты мен жұмыс жасай алатын жиілік аралығын ескеру керек. Қазіргі таңда арнаулы диодтар өте кең ток және кернеу диапазонында жұмыс істей алады. Қуатты диодтар үшін Imaxтура килоампермен, Umaxтура киловольтпен есептеледі.
Диодтың түрлері
Жартылай өткізгіштердің диодтардың әрбір түрінің атқаратын қызметіне тоқталайық. Жартылай өткізгіштердің диодтардың ішінде ең көп қолданылатыны p-n -өтпенің біржақты өткізгіштік қасиетін қолданатын түзеткіш диодтар.
Сурет-11. Жартылайөткізгіш диод түрлері және шартты белгіленуі.
Түзеткіштік диодтар айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін қолданылады, көбіне қорытпалық немесе диффузиялық технологиямен жасалады. Шарты белгіленуі 11суретте көрсетілген, диодтың вольт-амперлік сипаттамасының оң бұтағында жұмыс істейді. Түзеткіштік диодтарды кремнийден және германийдан жасайды. Кремнийден жасалған диодтар 150°...200°С дейінгі, ал германийдан жасалған диодтар 85°...100°С дейінгі температурада жұмыс істей алады.
Түзеткіштік диодтың жұмысы жоғарыда айтылғандай диодтың вентильдік қасиетіне негізделген, яғни айнымалы токтың оң мәнініде диод D1 ашық, ал айнымалы токтың теріс D1 мәнінде диод жабық. Оны 12суреттен көре аласыз. Айнымалы токтың оң полярлы жартытолқынында диод D1 арқылы жүктемеге ток өтсе, теріс полярлы жартытолқынында диод D2 арқылы жүктемеге ток өтеді. Яғни, жүктемеде әрқашан оң полярлы тұрақты ток болады.
Сурет-12.Екі жартыпериодты түзеткіш сұлбасы (а), кірістегі кернеу (б), жүктемедегі кернеу (в).
Түзеткіштік диодтар төмен және жоғары жиілікті, импульсті, әлсіз және қуатты токтарды түзету үшін қолданылатындықтан олардың p-n өтпесінің ауданы әртүрлі болады. Тура ток мәні ≈1А шамасында болғанда, тұтыну қуаты ≈1Вт болатын кіші қуатты түзеткіш диодтардағы n-р - өтпе ауданы үлкен болғандықтан жасанды салқындатқышсыз жасалады. Тура ток мәні ≈1000А шамасында және кері кернеуі 1500В болғанда, тұтыну қуаты ≈10 кВт болатын үлкен қуатты түзеткіш диодтар жасанды салқындатыштарға немесе радиаторларға орнықтырылады.
Стабилитрон. p-n-өтпенің кері қосылу режимі - стабилитронның нормальді жұмыс режимі, өтпенің электрлік ойық кернеуі - жұмыс кернеуі, ток осіне параллель орналасқан кері тармақтағы бөлігі - вольт-амперлік сипаттаманың жұмысшы аймағы (стабилизация аймағы) болып табылады. Вольт-амперлік сипаттаманың кері бұтағында ток өскенмен кернеудің тұрақты болып қалатыны көрініп тұр (сурет-13). Стабилитрон арқылы өтетін токты резистор көмегімен шектей отырып электрлік ойық күйін (немесе кернеу тұрақтылығын) ұзақ уақыт ұстап тұруға болады.
Жартылай өткізгіш стабилитрондар қоспа концентрациясы жоғары (түзеткіш диодтарға қарағанда 20-30есе) кремий негізінде дайындалады. Осының әсерінен өтпеде өте жұқа тоқырау қабаты пайда болып, өтпеге түсірілген кернеудің кішігірім өзгерістірінде электрлік ойық қалып-күйі туындайды.
Қарапайым стабилизаторлар стабилитронның одан өтетін токтың кішігірім өзгерісінде кернеу мәнін тұрақты ұстау қасиетіне негізделген. Жартылай өткізгіш стабилитронда дайындалған қарапайым стабилизатор сұлбасы 14суретте көрсетілген. Егер желі кернеуі өскенде жүктеме кедергісінің өзгермеген мәнінде стабилизатордың кіріс кернеуі Um өседі, сондықтан вольтамперлік сипаттамаға сәйкес стабилитрон кернеуінің кішігірім өсуі ол арқылы өтетін токтың анағұрлым өсуіне әкеледі.
Кіріс кернеуінің өзгермеген мәнінде және жүктемедегі ток мәні
In - ден In min-ге өзгергенде стабилитрондағы ток мәні (Iст min - нен Iст mах-ге ) өседі. Бұл жағдайда шығыстағы кернеу Un өте аз өзгереді. Стабилитрон қалыптаы жұмыс істеу үшін - стабилитронның тогы жұмысшы аймақ шегінен Icm min Icm max шықпауы керек.
Сурет13. Стабилитронның вольт-
амперлік сипаттамасы.
Сурет14. Қарапайым стабилизатор
сұлбасы.
Сондықтан балластық кедергі мәнін төмендегіше таңдайды
,
мұндағы стабилизациялаудың (тұрақтандырудың) номинальді тогі ( Icm ном 100 мА).
Негізгі параметрлері:
1) стабилизация кернеуі: бұл берілген тұрақтандыру тогы өткендегі стабилитрондағы кернеу: 3...400 В.
2) тұрақтандыру кернеуінің температуралық коэффициенті:
3) кернеудің тұрақты мәніне сәйкес ток мәндері:
4) сипаттаманың кернеуі тұрақты бөлігіндегі динамикалық кедергісі.
Варикап. Сыйымдылығын кері кернеумен басқаруға болатын конденсатор ретінде қолданылатын жартылайөткізгіш диодты варикап деп атайды. Кері кернеудің шамасы өскен сайын бөгеттік қабаттың ені артады да, варикаптың сыйымдылығы азаяды. Варикап дискретті конденсаторды қолдану мүмкін емес төмен кернеумен (мВ) жұмыс істейтін сұлба құрамында қолданылады.
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 пропорционал. Бөгеттік қабаттың ені оған түсірілген кернеуге байланысты өзгеретіндіктен, р-n-өтпеснің сыйымдылығы да кернеумен байланысты болады. р-n-өтпесіне тура кернеу берген кезде түйіске өте аз кернеу түсетіндіктен оның сыйымдылығы да өте аз болады, ал түгелдей дерлік бөгеттік қабатқа түсетін үлкен кері кернеу онда әжептеуір сыйымдылық туғызады. Варикаптың ВАС-ы кері бұтақта орналасқан (19-сурет). Кері кернеу өскен сайын бөгеттік қабаттың ені арттады да, варикаптың сыйымдылығы азаяды.
Варикаптың негізгі параметрлері ретінде оның жалпы сыйымдылығы (СВ) мен сыйымдылықтың еселік коэффициенті (КС) алынады. Сыйымдылықтың еселік коэффициенті деп варикаптың максимал сыйымдылығының (Сmax) оның минимал сыйымдылығына (Сmin) қатынасын айтады. Варикаптың көпшілігінің жалпы сыйымдылығы СВ=10...500 пФ, ал сыйымдылықтың еселік коэффициенті КС= Сmax Сmin=5...20 шамасында болады.
Заряд тасымалдаушылардың инжекциясы -деп сыртқы электрлік күш әсерінен заряд тасымалдаушылар концентрациясы жоғары аймақтан концентрациясы төмен аймаққа ығысуын атайды. Басқа сөзбен айтқанда, жартылайөткізгіштегі электрондық жүйенің термодинамикалық тепе-теңдігі бұзылады. Бірақ, инжекцияланған заряд тасымалдаушылар орнықты қалып-күйге ауысу уақыты заряд тасымалдаушылардың өмір сүру уақытынан әлдекайда аз болғандықтан, тек концентрациялық тепе-теңдігі ғана бұзылады.
Шоттки диоды жоғарыда Жартылайөткізгіш пен металдың түйісу аймағындағы құбылыстар бөлімінде айтылғандай, металл-жартылайөткізгіш контактісі негізінде дайындалады. Металл-жартылайөткізгіш шекарасында пайда болған электрлік өтпе тоқыратқыш болып табылады және тек бір жақты өткізу қасиетіне еге. Бұндай өтпенің көлемі өте аз болуынан және тоқыратқыш қабаттың ені үлкен болуы себепті өте аз сыйымдылықты (конденсатор) барьер пайда болады (1 пФ-тан үлкен емес). Базаға қосалқы заряд тасымалдаушылардың инжекциясы болмауына байланысты онда зарядтардың шоғырлануы және жойылу процесі жүрмейді.
Сондықтан өтпелі процесс ұзақтығы Шоттки диодындағы барьерлік сыйымдылықтың қайта зарядталуына байланысты және наносекунд үлесін ғана құрайды. Осы қасиеті Шоттки диодын импульстік құрылғыларда қолдануға мүмкіндік береді.
Бақылау сұрақтары
1. Р-П - өтпенің тепе-теңдік күйі қалай қалыптасады?
2. Р-П - өтпедегі потенциалдық барьердің өзгеруі неге байланысты немесе өтпені кернеуге тікелей және кері қосқанда не өзгереді?
3. Рекомбинация үрдісін түсіндірініз.
4. Потенциалдық барьер (бөгеттік қабат) ені неге тең?
Жартылайөткізгіш диодтың вольт-амперлік сипаттамасы
р-п өтпесін кернеу көзіне керісінше, яғни р-түрлі жартылайөткізгішті теріс полюсімен, n-түрлі жартылайөткізгішті оң полюсімен қосса (8,в-сурет), онда кернеу көзі тудыратын өрістің кернеулігі мен бөгет өрістің кернеулігі бағыттас болады да түйістік потенциалдар айырымы және потенциалдық тосқауыл артады (8,г-сурет). Қорытынды өріс негізгі заряд тасымалдаушы бөлшектердің қозғалыс бағытына қарсы бағытталғандықтан бөгеттік қабаттың ені және кедергісі артады. Жартылайөткізгіштерде негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өте аз болатындықтан кері ток деп аталатын дрейфтік ток та аз болады.
Сонымен, р-n өтпесі кернеу көзіне тура қосылғанда оның кедергісі аз болады да онымен ток жүреді, ал керісінше қосылғанда өтпенің кедергісі артады да онымен ток жүрмейді дерлік. Былайша айтқанда р-n өтпесінің вентильдік, яғни токты бір бағытта ғана өткізетін қасиеті бар.
15-суретте р-n өтпесінің вольт-амперлік сипаттамасы келтірілген. Жоғарыда айтылғандай, өтпе тура қосылғанда кернеудің өсуі (UT-тура кернеу) бөгеттік кабаттың кедергісін азайтады, сондыктан ток тез өсіп отырады (ІТ-тура ток). Өтпе керісінше қосылғанда (Uк-кері кернеу) кернеудің өсуі бөгеттік қабаттың кедергісін арттырады да онымен өте аз ток жүреді (Ік-кері ток).
Сурет 15. Жартылайөткізгіш диодтың вольт-амперлік сипаттамасы:
1-тура бұтағы; 2-кері бұтағы.
Дегенмен, өрістің кернеулігі артқан сайын негізгі емес заряд тасымал-даушылардың саны көбейеді. Кері кернеу одан әрі өскенде бейнегізгі заряд тасымалдаушылардың энергиясы жоғарылап, атомдармен кездескенде оларды иондайтын болады. Кернеудің белгілі бір мәнінде заряд тасымал-даушылардың саны кенеттен өсіп, ал өтпенің кедергісі өте азайып кетеді. Сондықтан кері ток та кенеттен өсе бастайды. Бұл құбылысты р-n өтпесінің электрлік көшкінді тесілуі деп атайды. Электрлік тесілумен қатар, өтпеге кері кернеу берген кезде жылулық тесілуде байқалады. Егер р-n өтпесінің температурасы оның номинал температурасынан асып кетсе, онда қызудың нәтижесінде заряд тасымалдаушылардың саны көбейеді де, ал өтпенің кедергісі азаяды. Егер осы үрдіс жүре берсе, онда кернеудің белгілі бір мәнінде өтпенің жылулық тесілуі мүмкін. Әрине жылулык тесілуден кейін р-n өтпесі істен шығып қалады, яғни жанып кетеді.
15-суретте а,0,б,в,с әріптерімен көрсетілген әрбір аймақ әртүрлі диодтардың жұмыс істеу аймағын көрсетеді. 0а - аймағы түзеткіш диодтардың жұмыс аймағы. Тура бұтақтың одан жоғарғы аймағы қанығу аймағы деп аталады. Бұл аймақта диодтар жұмыс істемейді, ал туннельдік диод пен бағытталған диодтың жұмыс істеу аймағының ерекшеліктері жоғарыда айтылған.
Вольт-амперлік сипаттамның кері бұтағындағы 0б - варикаптың жұмыс істеу аймағы, бв - стабилитронның жұмыс істеу аймағы, вс - көшкіндік ойық аймағы. Кез келген диод туралы мәліметте әрбір диодтың өз аймағындағы ВАС-ы көрсетіледі және өз аймағындағы зерттеулер туралы мәлімет айтылады.
Туннельдік диод - бұл вольт-амперлік сипаттаманың оң бұтағының бір бөлігі теріс дифференциальдық кедергімен сипатталатын жартылаөткізгіш диод (сурет16). Туннельдік диодтар қатаң ережемен берілген электрондық қасиеті бар жартылайөткізгіш материалдарды дамыған жартылайөткізгіш технологиямен (легирования) алу нәтижесінде пайда болды. Леги́рование
(латынның ligare -- байластыру -деген сөзінен) -- негізгі материалдың физикалық және химиялық қасиеттерін өзгерту (жақсарту) үшін құрамына қоспа қосу. Металды легирование жасау арқылы оның коррозияға беріктік және мықтылық қасиеттерін, тозуын баяулату қасиеттерін арттырады.
Сурет-16. Туннельдік диодтың вольт-амперлік сипаттамасы.
Леги́рование әдісімен өтпедегі бір аймақтан екінші аймаққа шұғыл ауысуды сақтай отырып, р - аймақ және n- аймақтағы электрон мен кемтіктердің жоғарғы тығыздығына қол жеткізеді. Өтпенің өте жұқа еніне және легирование әсеріне байланысты, кристалдағы заряд тасымалдаушылардың концентрациясының жоғарылығына байланысты сырттан кернеу әсер етпегенде р - n -өтпеден ары өтетін электондар саны қайтып оралатын электрондар санына тең болғандықтан, диодта ток жүрмейді. Ал электрондар мен кемтіктерлің өтпеден сыртқы әсерсіз өтпеден өтуін туннельдік эффект деп атайды.
Сурет17. Энергетикалық деңгейдегі туннельдік эффект.
18-суретте р - n -өтпенің U кернеудегі 4 түрлі мәніндегі қарапайым энергетикалық диаграммалары көрсетілген. Кернеу мәні U1 дейін көтерілгенде аймақтар арасындағы туннельдік ток өседі. Кернеуді U2 көтергенде n-аймақтағы өткізгіштік зонасы мен және р- аймақтағы валенттік зона рұқсат етілген энергетикалық деңгейлердің қысқаруына байланысты ток кемиді, туннельдік диод кері кедергілі күйге өтеді. Кернеу U3 жетіп немесе асқанда р - n -өтпеде кәдімгі диодтағыдай диффузиялық (немесе жылулық) ток жүретін болады.
Туннельдік диодтар СВЧ күшейткіштерде, генераторларда және бірнеше гигагерц жиіліктегі ауыстырып қосу құрылғыларында қолданылады.
Туннельдік диодты кері қосқанда туннельдік ойық режимінде жұмыс істейді. Негізгі параметрлері:
Iп - пик тогы,
Uп - пик кернеуі,
Iвп.- ойпат тогы,
Uвп.- ойпат кернеуі,
Cд - Uвп кернеуіндегі диод сыйымдылығы - диодтың жиіліктік қасиеттерін сипаттайды.
Сурет-18. Туннельдік диодтағы өтпе потенциалының өзгерісі.
Сурет19.Диодтық жиынтық, диодтар, стабилитрондар, жарық диоды және оптронның фотосуреті.
Бақылау сұрақтары.
1. Р-П - өтпенің тепе-теңдік күйі қалай қалыптасады?
2. Р-П - өтпедегі потенциалдық барьердің өзгеруі неге байланысты немесе өтпені кернеуге тікелей және кері қосқанда не өзгереді?
3. Рекомбинация үрдісін түсіндірініз.
4. Потенциалдық барьер (бөгеттік қабат) ені неге тең?
5. Бір Р-П - өтпеден тұратын құрылғы қалай аталады?
6. Диодтың құрылысы.
7. Нүктелік және жазықтықтық диодтардың айырмашылығы
8. Арсенийлік, германийлік диодтардың жұмыс істеу температуралары.
9. Р-П - өтпенің вольмаперлік сипаттамасын сызыңыз.
10. Р-П - өтпедегі ойық түрлері.
11. Көшкіндік ойық пен жылулық ойық пайда болу үрдістері
Биполярлық транзисторлар.
1.Биполярлық транзиторлар.
2.Жұмыс істеу принципі
3. Дрейфтік биполяр транзистор,
4. Транзитордың қосылыс сұлбалары (ОБ,ОЭ,ОК). Негізгі түсініктемелер сөздігі: база, коллектор, эмиттер.
Биполяр транзистор - кірісіндегі әлсіз сигналды күшейтуге арналған үш кезектескен - өткізгіштігі әртүрлі қабаттан тұратын жартылайөткізгіш прибор. Биполяр транзистордағы ток электронды және кемтікті заряд тасымалдаушылармен түзелетіндіктен биполярлы деп аталған.
Құрылымы бойынша биполяр транзистор кезектесе орналасқан үш аймақтан (n-p-n немесе p-n-p аймақтардан) және сәйкесінше екі p-n-өтпеден тұрады. Әрбір аймақтың сыртқы тізбекке қосылатын қысқышы бар. Биполяр транзистор дайындалатын материалдар - кремний и германий, перспективада - галлий арсениді, цинк сульфиді. Белгіленуі:
n - p - n p - n - p
Сурет 20. Биполяр транзистор типтері
Ортаңғы аймақ база деп аталады. Егер транзисторды бір-бірімен жалғаса орналасқан екі диод деп қарастырсақ, онда базаға қатысты тура жалғанған шеткі аймақ эмиттер деп аталады да, базаға қатысты кері жалғанған шеткі аймақ коллектор деп аталады. Оның қарапайым сызбасын (20-суреттен ) көріңіз.
Жұмыс істеу принципін талдау үшін n-p-n типті транзистор жұмысын қарастырайық. Бастапқыда К-ға оң кернеу беріледі.
База-эмиттер өтпесіндегі кернеу мәні нольге тең болғанда, коллекторлық өтпе жабық, транзистор арқылы ток жүрмейді. Егер Uбэ0 және эмиттердегі кернеу базаға қарағанда теріс мәнді болғанда, эмиттер-база өтпесі тура қосылады. Осы кернеу әсерінен электрондар эмиттерден базаға жылжиды. База енінің жұқалығы электронның еркін жүрісі ұзындығына тең етіп жасалады.
Сурет 21. Биполяр транзистордың құрылымы
Заряд алған электрондар коллекторға өте жақын келеді де, күшті коллектор кернеуімен тартылып, коллекторға өтеді. Транзистор арқылы ток жүре бастайды.
Сурет22. Биполяр транзистордың өтпелеріндегі өзгерістер.
Биполяр транзистордың ортаңғы қабатының ені 1...20мкм және тіпті одан да кіші болуы мүмкін. Сондықтан екі өтпедегі электрлік процестер бір-бірімен өте тығыз байланысты. Яғни бір өтпенің тогы екінші өтпенің тогына қатты әсер етеді және керісінше. Міне, осы байланыс транзистордың негізгі ерекшелігі. Сонымен бірге эмиттер-база өтпесіндегі жанасу аймағының көлеміннен база-коллектор өтпесіндегі жанасу аймағының көлемі әлдеқайда үлкен болса, мұндай бейсимметриялылық транзистордың параметрлеріне жағымды әсер етеді, яғни параметрлерін жақсартады.
Әртүрлі типті транзисторда электрон мен кемтіктің қызметі әртүрлі. n-p-n типті транзисторлардың параметрлері әлдеқайда жоғары, себебі, n-p-n типті транзистордағы электрлік процестерде ток электрондардан түзіледі және электронның кемтікке қарағанда жылдамжығы 3-4 есе артық.
Егер транзисторды бір-бірімен жалғаса орналасқан екі диод деп қарастырсақ, эмиттер-база өтпесі әр уақытта да ашық, ал база-коллектор өтпесі жабық. Сондықтан эмиттер-база өтпесінің кернеуі аз да, ал коллектор-база өтпесінің кернеуі үлкен болады.
Егер эмиттер-база өтпесінен электрондардың эмиттерден базаға инжекциялануы арқылы iЭ ток жүрсе, кемтіктердің базадан эмиттерге инжекциялануы нәтижесінде пайда болатын iБ тогы одан әлдеқайда аз, iБiЭ. Соның әсерінен рекомбинация жүреді. Жоғары жылдамдық алған электрондар базаның өте кіші енінен оңай өтіп, база-коллектор өтпесіне жетеді. Коллектордың оң таңбалы кернеуі әсерінен өтпеден өтіп, коллектор тогын iК түзеді. Сондықтан iЭ ≈ iК . Бұдан жасалатын қортынды: эмиттер кірісінде берілген қуаты аз сигналды формасын өзгертпей коллектордан алуға болады, оның мәнін базаға берілетін токпен реттеуге болады.
Сурет 24. Биполяр транзистордың эквивалент сұлбасы.
Биполяр транзистор құрамында қолданылатын қоспа концентрациясына байланысты дифффузиялық және дрейфтік болып бөлінеді. Диффузиялық биполяр транзисторларда базаның қоспа концентрациясы оның барлық бөлігінде бірдей және атом иондарының көмегімен өтпеде заряд тасымалдаушылар жылдамдығына әсер ететін қосымша электр өрісі пайда болмайды.
Дрейфтік биполяр транзисторларда базаның қоспа концентрациясы оның барлық бөлігінде әртүрлі және атом иондарының көмегімен өтпеде заряд тасымалдаушылар жылдамдығына әсер ететін қосымша электр өрісі пайда болады.
Бұл электр өрісі заряд тасымалдаушылардың өтпе арқылы жылдамдығын арттырады, ал бұл жалпы транзистордың реакция шапшаңдығын арттырады.
Биполяр транзистордың статикалық сипаттамалары
Биполяр транзистордың статикалық вольт -- амперлік сипаттамалары төрт шаманың байланысын: кіріс тогы, кіріс кернеуі, шығыс тогы және шығыс кернеуі арасындағы тәуелділікті сипаттайды. Статикалық сипаттамалар бірнеше қисық сызықтардың жиынтығы. Соның ішінде кіріс тогының кіріс кернеуінен тәуелділігін - кіріс сипаттамасы деп, шығыс тогының шығыс кернеуіне тәуелділігін - шығыс сипаттамасы деп қарастырады. Транзистордың жалғану сұлбаларының ішінде техникада ең көптараған ортақ эмиттерлі сұлба.
Транзистордың жалғану сұлбалары
Транзистордың екі өтпесіне екі түрлі кернеу берілетіндіктен және ол көбінесе әлсіз сигналдарды күшейту үшін қолданылатындықтан оны кірмелік және шықпалық қысқыштарыға бөліп қарастырлады. Транзистордың үш шықпасының бірі әдетте кірмелік және шықпалық тізбектері үшін ортақ болады. Транзистордың жалғану сұлбасы ортақ эмиттерлі, ортақ базалы, ортақ коллекторлы болып бөлінеді.
Кесте 2- Биполяр транзистодың жалғау сұлбадлары
Ортақ базалы биполяр транзистордың қосылу сұлбасы
және кіріс, шығыс сипаттамалары
Ортақ эмиттерлі биполяр транзистордың қосылу сұлбасы
және кіріс, шығыс сипаттамалары
Ортақ коллекторлы биполяр транзистордың қосылу сұлбасы
және кіріс, шығыс сипаттамалары
Бұл сұлбалардың ішінде практикада көп қолданылатыны - ортақ эмиттерлі қосылу сұлбасы.
Биполяр транзистордың жұмыс режимдері
1) Кесілу режимі (режим отсечки) - Iк тогының өте аз мәнінде байқалады. транзистордың екі өтпесі де кері қосылған.
2) Қанығу режимі - сипаттаманың әрбір бұтағы үшін сызықты тәуелділікті көрсететін аймақ, транзистордың екі өтпесі де тура бағытта қосылған.
3) Активті күшейту режимі - сипаттаманың бұл аймағында база-эмиттер тура бағытта қосылған, эмиттер-коллектор кері бағытта қосылған.
4) Инверсті режим - транзистордың база-эмиттер кері бағытта қосылған, эмиттер-коллектор тура бағытта қосылған, іс жүзінде транзистордың кірісі мен шғысы ауыстырылып қосылған.
Биполяр транзистордың Һ - параметрлері.
Әлсіз сигналдар режимінде биполяр транзисторды сызықты активті төртұшты деп қарастыруға болады. Биполяр транзистор параметрлерін есептеп және талдау үшін Һ - параметр жүйесін пайдаланған ыңғайлы. Транзистордың электрлік қалып-күйі 4 шамамен сипатталады: кірістегі және шығыстағы ток, кірістегі және шығыстағы кернеу.
Сурет-25. Биполяр транзисторды төртұшты түрінде бейнелеу
Осы төрт шаманың екеуін тәуелсіз деп есептесе, қалған екеуін жаңағы екі тәуелсіз шама ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz