Металл-жартылай өткізгіш түйіспе

Пән: Электротехника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 12 бет
Таңдаулыға:

Металл-жартылай өткізгіш түйіспе.

Жоспар:

1. Шоттки теориясы.

2. Вольтамперлік сипаттамасы.

3. Омдық түйіспе (контакт) .

4. Металл және диэлектрик құрылымы.

Металлдан электронның шығу жумысы жартылай өткізгіштен электронның шығу жұмысы -дан артық болсын. Контактыны идеал деп есептейік. Мұндай контактының энергетикалық диаграммасы 1 сурете көрсетілген№ Нағты контактыларға энергетикалық диаграммаға металл мен жартылай өткізгңш аралығында қалып қоятын санлаулар және шекарадағы беттік электрондық күйлер әсер етеді. Бұл жерде оларды есепке алмаймыз. Қарастырылып отырған жағдайда металлдағы Ферми деңгейі жартылай өткізгіштегі Ферми деңгейінен төмен жатқандықтан бұл деңгейлер теңескенге дейңн жартылай өткізгіштен металға электрондар ауысады. Жартылай өткізгіштің контактыға жақын орналысқан қабаттарында кеткен электрондардың орнында оң зарядталған иондар қалады да, ол қабаттар оң зарядпен зарядталады, ал контактығы жақын металл қабаты теріс зарядталады. Соның нәтижесінде металл мен жартылай өткізгіш арасында -ға тең контактылық потенциалдар айырымы пайда болады:

.

Контактылық потенциалдар айырымының өрісі кристалдық тордағы атомдар өрісіне қарағанда өте әлсіз болғандықтан, зоналар құрамы бқзылмайды, бірақ жартылай өткізгіштің контактыға жақын қабаттарында зона қисаяды. Жартылай өткізгіштен металға өтетін электронға контактылық потенциалдар айырымының өрісі қарсы әсер ететіндіктен, оның потенциалдық энергиясы артады және энергетикалық зона жоғары қарай қисаяды. Жартылай өткізгіштердегі еркін электрондардың концентрациясы металдардағыға қарағанда оның бірнеше есе аз болатындықтан Ферми деңгейлері теңесу үшін жартылай өткізгішің мыңға жуық атомдық қабатындағы электрондар металға өтуі тиіс. Соның нәтижесінде жартылай өткізгіштің контактыға жақын аймағында қалыңдығы dжқ болатың кедергісі өте үлкен қабат пайда болады. Ол қабатты жапқыш қабат, немесе Шоттки тосқауылы деп атайды, оның қалындығы әдетте металдарда шамамен 10 ^-10 м, жартылай өткізгіштерде 10 ^-7 м, ал диэлектриктерде бірнеше сантиметрге жетеді.

Егер түйіскен металмен n -типтегі жартылай өткізгіш үшін болса, онда электрондар металдан жартылай өткізгішке өтеді де, олардың зарядталуы керісінше болады. Жартылай өткізгіштің контактыға жақын аймағы электрондармен байытылу нәтижесінде энергетикалық зонаның өисығы төмен қарай бағытталып, энергетикадық диаграмасы 1, а суретте көрсетілгедей түрде келеді. Негізгі заряд тасушылармен байытылған және кедергісі өте аз болатын жартылай өткізгіш қабатын антижапқыш қабат деп атайды.

а б а б

Сурет 1 Сурет 2

Металл мен p -типтегі жартылай өткізгіштерді түйістіргенде де олардың шығу жұмыстарының өзара қатыстарына байланысты жартылай өткізгіштердің контактыға жақын аймағында негізгі заряд тасушылар (кемтіктер) азайған жапқыш қабат ( ), не негізгі заряд тасушылармен байытылған антижапқыш қабат пайда болады. Оларға сәйкес энергетикалық диаграммалар 2, а және 2, б суреттерінде көрсетілген.

Дәріс 10.

Тақырыбы: Стабилитрон және оның вольт-амперлік сипаттамасы.

Жоспар:

1. Стабилитрон және оның вольт-амперлік сипаттамасы.

2. Варикап.

3. Туннельдік диод.

Стабилитрон - кері тесіліс аймағында істейтін, кернеу тиянақтандыруға пайдаланылатын, арнайы диод.

Тесілістің үш түрі бар: туннелдік, тасқындық және жылулық. Стабилитронның жұмыс принципі тасқындық тесіліске, яғни заряд тасымалдаушыларының аусна аймағындағы күшті электр өрісінде тасқынды көбеюіне негізделген. Бұл кезде ток сыртқы кедергімен ғана шектеледі, ал кернеу мәні елеулі өзгермейді.

Сурет 1 - Стабилитронның Сурет 2 - Екі анодты стабилитроншартты белгісіСурет 3 - Стабилитронның типтік Сурет 4 - Cтабилитронның вольтамперлікқосы схемасы сипаттамасыЖартылай өткізгішті стабилитрондар. Кәдімгі диодтар үшін қауіпті болып табылатын электрлік тесілу құбылысын практикада кернеуді тұрақтандыру үшін қолданады. Ондай диодтарды жартылай өткізгішті стабилитрондар, немесе тіреуіш диодтар деп атайды. С табилитрондар, осы мақсат үшін қажетті вольамперлік сипаттамасы бар, кремнийден жасалады. Кернеуді тұрақтандыруға германий диодтар жарамсыз, өйткені олар жылу әсерінен оп-оңай тесілді де, қажетті қасиетінен айрылып өлады. Стабилитронның вольтамперлік сипаттамасы 5 суретте келтірілген. Оның тура бағыттағы бөлігі осы тәріздес кремний диодтардың сипаттамасына ұқсас. Бірақ оның кері бағыттағы бөлігінде, ток осіне параллельге жақан ab бөлігі бар. Ток- нан-ға өзгергенде стабилитронға түсетін кернеу өзгермейді десе де болады. Кремний диодтардың осы қасиеті оларды кернеу стабилитроны ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. 6-суретте кремний стабилитроны негізінде жиналған ең қарапайым, бірақ кең тараған, стабилизатордың схемасы көрсетілген. Тізбектің тармақталмаған бөлігіне шектеуші кедергі жалғанады, оның кедергісі стабилитронның дифференциалдық кедергісі-ден едәуір артық болуы тиіс. қаынасы қаншалықты үлкен болса, кернеудің тұрақталынуы соншалықты жақсарады. Схемаға келетінкернеуі өзгергендежүк кедергісіне түсетінкернеу болмашы ғана өзгереді, схеманың стабилизациялау әсері осы. Басқа схеманың көмегімен айнымалы кернеуді де тұақтандыруға болады. Сурет 5 Сурет 6Варикаптар. p-n- ауысуындағы тосқауыл сыйымдылықтың кері кернеуге байланыстылығы қолданылатын жартылай өткізгішті диодтарды варикаптар деп атайды. Варикап (Varicap, vari (alle) - айнымалы және cap (a city) - сыйымдылық) - берілген кері кернеугеp-nауысуының тосқауылдық сыйымдылыққа тәуелділігі сызықты болмайтын жартылай өткізгішдиод. Варикапты Ge, Si және GaAs материалдары негізінде жасайды. Радиоэлектрондық құрылғыларда варикапты параметрлік күшейту, жиілікті көбейту үшін, сондай-ақ сыйымдылықты электрлік басқару мүмкіндігі бар тербелмелі контурдың резонансттық жиілігін қашықтан жөне тез баптау үшін қолданады.

Сурет 8 - Варикаптың шартты Сурет 9 - Диодқа кері кернеу қосубелгісі10-суреттеp-n- ауысуындағы сыйымдылықтың түсірілген кері кернеуге тәуелділігі көрсетілген. Суретте кескінделгендей кері кернеу көбейгенде өткелдің сыйымдылығы азаяды. Бұл тәуелділікті қарапайымдан былай түсіндіруге болады. Жартылай өткізгіштердіңp-n- ауысуын конденсатор ретінде қарастырсақ, онда оның болады да, ал жапсарлар арасындағы диэлектрик ретінде заряд тасушылары жоқp-n- ауысуының өзін алуға болады. Кері кернеуді көбейткенде өткелдің ені өседі, ол конденсатордың жапсарларының бір-біріне алыстауымен бара-бар, сондықта конденсатордың сыйымдылығы кемиді. Ыңғайлану процесі инерциясының өте аздығы және габаритінің кіші болуы варикаптарды, жиіліктерді автоматты түрде реттеу және жиіліктік модуляциялау мақсатында қолданылатын тербелмелі контурларда, сонымен бірге параметрлік түрлендіргіштерде және күшейткіштерде қолдану өте қолайлы. Варикаптарды кремнийде дайындайды оның кері тогы аз болғандықтан шашырау аз болады да, конденсатордың төзімділігі жақсарады. Қолданылуына байланысты варикаптардың сыйымдылығы бірнеше пикофарадамен жүздеген пикофарада аралығында жатады. Варикаптардың сыйымдылығының кернеуге тәуелділігіp-n- ауысуының дайындалу технологиясына байланысты. Варикаптың негізгі сипаттамасы - вольт-фарадалық сипаттама (ВФС) . Сурет 10 - Варикаптың вольт-фарадалық сипаттамасы (ВФС-і) Туннельдікдепp-nауысуы арқылы заряд тасушылары тунельдік механизм нәтижесінде өтетін және сипаттамасында дифференциалдық кедергісі теріс болатын облысы бар жартылай өткізгіш диодтарды атайды. Туннельдік диодқа тура кернеу беретін болсақ, p-nауысуындағы ішкі өріс нашарлайды, бірақ электрондардың туннельдік жолмен өтуіне жеткілікті болып қала береді. Қоспаның концентрациясы өте үлкен болғанда (шамамен) p-nауысуларының сипаттамалары аномальді болады (1-сурет) . Вольт-амперлік сипаттаманың бұлай өзгеретінін бірінші рет жапон физигі Лео Изаки (1958 ж. ) ашқан болатын. Ол мұндай ауысулардың электр тогын тек тура бағытта ғана емес, кері бағытта да жақсы өткізетінін тапты, сипаттаманың тура бөлігінде «құлама» аралық (ab) болатынын анықтады (2-сурет) . Қоспаның концентрациясы шамаменболатын кәдімгі диодтарда, электрондық кемтіктік ауысудың қалыңдығы әжептеуір үлкен болғандықтын, электрондардың потенциялдық тосқауылдан өту ықтималдығы жоқтың қасы. Туннельдік диодтарда қоспаның концентрациясының өте үлкен болуымен байланысты электрондық-кемтіктік ауысудың қалыңдығы өте жұқа болады (шамамен 0, 01 мк) . Мұндай жағдайда электрондардың потенциялдық тосқауылдан өту ықтималдығы көбейеді де, оның сипаттамасында жоғарғы айтылған құбылыс байқалады. Сурет 1 Сурет 2Дәріс 11. Тақырыбы:Фотоэлектрондық эмиссия құбылысы. Ішкі фотоэффект. Люминесценция құбылысы. Фотодиодтар. Жарық диод. Оптрон. Жоспар:1. Фотоэлектрондық эмиссия құбылысы. Ішкі фотоэффект. 2. Люминесценция құбылысы. Фотодиодтар. 3. Жарық диод. Оптрон. Егер дененің бетіне электромагниттік сәуле ағыны келіп түссе, онда оның белгілі бөлігі шағылады, ал қалғаны денеге еніп жұтылады. Сәуленің жұтылу салдарынан, біріншіден, өткізгіштік зонада жаңа заряд тасушылар - электрондар және толған зонада - кемтіктер пайда болады, яғни дененің электр өткізгіштігі артады. Бұл құбылыс фото өткізгіштік аталады. Металдарда жарық түсірілмегеннің өзінде заряд тасушылар көп, сондықтанда оларда ішкі фотоэффект мүлде сезілмейді, ал диэлектриктер мен жартылай өткізгіштерге түсірілген электромагниттік сәуле олардың электр өткізгіштігін едәуір өзгертеді. Екіншіден, сәуле жұтқаннан кейін денеде энергиялары көп электрондар пайда болып, олардың кейбіреулері дене бетіне жетіп, беттік тосқауылды жеңіп сыртқа шығады. Бұл сыртқы фотоэффект немесе фотоэлектрондық эмиссия деп аталады. 1. Фотоэлектрондық ток эмиттерге еліп түсетін жарық ағынына тура пропорционал. 2. Фотоэлектрондардың максимал энергиясы түскен жарық жиілігіне тура пропорционал және оның интенсивтілігіне тәуелді болмайды . Халықаралық электротехникалық комиссияның ұйғаруы бойынша, оптоэлектрондық приборларға (ОЭП) оптикалық диапазонда жұмыс істейтін приборлар жатады. Оптикалық диапазонда көзге көрінетін сәулелердің алатын орны аз-ақ. Осы диапазонның өзі бірнеше бөліктерден тұрады, бұл түстерді адам көзі әр түрлі сезініп қабылдайды. Оның үстіне адам көзінің түне және күндіз көру сезімталдығы да әр түрлі болады екен. Оның ең күшті сезімталдығы 550 нанометр шамасында, жасыл және сары түсті диапазондардың шекарасында орналасқан. Сондықтан көптеген индикаторлар осы түсті сәулелерде жұмыс істейді. Түн көрінісіне үйрене бастаған адам көзінің сезімталдығы толқын ұзындығының төмендеу шамаларына қарай ауысады да, шамамен 500 нм-ге сәйкес келеді. Фототранзистор мен фототиристорда сәуле орталық база аймағына түседі де, пайда болған жылжымалы зарядтар кәдімгі сырттан берілген база тогының әсеріне сәйкес қызмет атқарады. Фотодиод, басқа диодтар сияқты, р-пауысуынан тұрады. Оның жұмыс істеуі екі түрлі: фотогенератор, фототүрлендіргіш режимінде өтуі мүмкін. Фотодиоддепкері тогыp-n-ауысуының жарықталынуына байланысты болатын диодтарды айтамыз. Фотодиодтардың құрылысы кәдімгі жазық жартылай өткізгішті диодтар құрылысымен бірдей, өзгешелігі текp-nауысуының бір жағынан жарық түсетіндей етіп шыны терезе қалдырылады да, қалған бөлігінің барлығы жарық түспейтіндей етіліп жабылып тасталады. Фотодиодтарды қосу схемасы 1 суретте көрсетілген. Ток көзінен берілетін кернеу кері бағытта қосылады. Егер фотодиодқа жарық түспесе, тізбек арқылы аз ғана кері (қараңғылық) ток жүреді. Сурет 1Фотодиодқа жарық түскенде ауысуда қосымша электрондар мен кемтіктер пайда болады, соның нәтижесінде тізбектегі ток артын кетеді. Егер фотодиодқа токты тек жарықталынуға ғана байланысты болатындай етіп жүк кедергісіRжмен ток көзінің кернеуіЕ15%-ке жетеді. Қазіргі кезде олардың негізінде радиоэлектрондық аппаратураларды қоректендіре алатын түрлендіргіштер жасалған. Ондай фототүрлендіргіштер - күн батареялары - кремнийден, селеннен, сурьмалы алюминийден, мышьякты галлийден дайындалады. Олар, ÷-ні дұрыс таңдап алсақ, онда жүк кедергіге түсетін кернеуді схеманың басқа элементіне әсер ететін пайдалы сигнал ретінде қолдануға болады. Егер, көрсетілген схемаға ток көзін қоспасақ (вентільді режим), онда жарық ағынының әсерінен диодта электр қозғаушы күш пайда болады. Ондай жағдайда жарық энергиясын электр энергиясына айналдыратын аспап аламыз. Мұндай аспаплардың пайдалы әсер коэффициенті 10p-nауысуының ауданы үлкен, жартылай өткізгішті диодтар болып табылады. Фотодиодтар кең түрде қолданылады. Оларды фотометрия мен фотоколориметрияда жарық көздерін бақылау, жарықтану интенсивтігін және ортаның мөлдірлігін өлшеу мақсатында пайдаланылады. Фотодиодтар көмегімен ядролық бөлшектерді тіркеуге және санауға температураны автоматты түрде реттеуге және бақылауға болады. Қысқасы оларды әр түрлі заттар мен орталардың оптикалық қасиетіне байланысты болтын параметрлерін өлшеу, реттеу, бақылау үшін пайдаланамыз. Фотодиодтар қазіргі ЭЕМ-дердің енгізу -шығару ұүрылғыларында да кеңінен қолданылады. Жарық диоды. Жартылай өткізгішті жарық диодтары депp-nауысуы арқылы тура ток өткенде жарық шығаратын диодтарды атаймыз (сурет 1) . p-nауысуына тура кернеу бергенімізде негізгі емес заряд тасушылардың интенсивті түрде инжекциялануы байқалады. Осы инжекциялану кезінде рекомбинация құбылысы бір жүріп, зарядтар компенсацияланады. Осы процесте энергия босап шығады. Жартылай өткізгішті диод схемаларда стрелка белгісіне ұқсас үшбұрышпен белгіленеді де стрелка бағыты токтың өту бағытын көрсетеді. Үшбұрыштың үш жағы катод, ал сырт жағы анод деп аталады. Ток әрқашанда анодтан катодқа ағады. Идеалдық тұрғыдан қарағанда диодтың вентильдік вольт-амперлік сипаттамасы болуы керек: егер де анод пен катод аралығының кернеуі оң болса, ток шексіздікке ұмтылады, яғни Ua>0 болса, I→∞ ; Ua≤0 болса, I=0. Сурет 2 - Жарық