Лекция. 1 Дріс. Кіріспе. Пн масаты жне маынасы. Шалаткiзгiштi диодтар. Негізгі физикалы процесстер, жіктелінуі
 Скачать 147.57 Kb.
|
|
№1 Дәріс. Кіріспе. Пән мақсаты және мағынасы. Шалаөткiзгiштi диодтар. Негізгі физикалық процесстер, жіктелінуі. 1.1 Электронды-кемтіктік p-n-ауысуы. Негізгі физикалық үрдістер. 1.2 Шалаөткізгішті диодтардың жіктелінуі. 1.3 Вольт-амперлік сипаттама (ВАС) және негізгі параметрлері. 1.1 Электронды-кемтіктік p-n-ауысуы. Негізгі физикалық процесстер. Шалаөткiзгiштi диодтар (ШӨ) диодтар – бiр түзеткiш электрлiк ауысуы және екi шықпасы бар шалаөткiзгiштi аспап. Түзеткiш элетрлiк ауысу ретiнде шалаөткiзгiш кристалының р- және n- аймақтарын бөлiп тұратын электронды-кемтiктiк (p-n) ауысуы қолданылады. Кристалдың р- және n- аймақтарына металдық шықпалар дәнекерленедi де, жүйе толығымен металлокерамикалық, шыны (шыны) немесе пластмассалық корпусқа бекiтiлiп жабылады. Қоспалар жоғары концентрацияланған кристалдың шалаөткiзгiш аймағы (яғни, негiзгi заряд тасымалдағыштар концентрацияланған) эмиттер (Э), ал төмен концентрацияланған аймақ – база (Б) деп аталады. Егер Э негiзгi заряд тасымалдағыштары Рр кемтiгi болып табылатын р- аймағы, ал база n- аймақ (негiзгi заряд тасымалдағыштары - nn) болса, онда pp>>nn шарты орындалады.  Жұмыс iстеу ұстанымы (принципi) Сыртқы U=0 жағдайын қарастырайық. Бұл жағдайда кемтiктердiң (р- аймағынан n- аймаққа) және электрондардың ( n- аймағынан р- аймағына) бiр-бiрiне қарама-қарсы диффузиясы нәтижесiнде шалаөткiзгiштi кристалдың бөлiнген жерiнiң екi жағында да көлемдi заряд аймақтары қалыптасады. Ал, көлемдi заряд негiзгi заряд тасымалдағыштарының бұдан ары қарай қарама-қарсы диффузиялануына кедергi жасайтын Е кернеуi (зарядтың) бар электрлiк өрiс қалыптастырады. Сонымен р- n ауысуының шекарасында потециалдардың түйiспелi айырымы пайда болады, ол потенциалдық тосқауылдың биiктiгiн сипаттайды. Қалыптасқан потенциалды тосқауылды бұзып өтуге заряд тасымалдағыштарының энергиясы жеткiлiксiз болған жағдайда диффузия жойылады. Егер диод шықпаларына тура ауытқу берсек, онда осының әсерiнен болған Е – электрлiк өрiс Езар өрiсiн компенсациялайды да, база аймағына (U өскен сайын) n- аймағында негiзгi емес болып қалған кемтiктердiң үлкен саны енедi (инжекцияланады және диодтың I тура тоғы қалыптасады.) Эмиттер аймағына қарай бағытталған nn инжекциясын ескермесе де болады, өйткенi рр кемтiктерi nn кемтiктерiнен айтарлықтай көп. Егер диодқа керi кернеу (-U) берсе, онда нәтижесiнде қалыптасқан электрлiк (-Е) өрiсi Езар бағытымен сәкес келедi, потенциалды тосқауыл өседi де,негiзгi заряд тасымалдағыштарының көршi аймаққа өсуiне кедергi болады. Алайда, электрлiк өрiстердiң (Е, Езар) қосынды кернеуi негiзгi емес заряд тасымалдағыштарының р- аймағынан n- аймағына nр – кемтiктердiң және n- аймағынан – р- аймағына рn- кемтiктерiнiң алынуы (экстракция) нәтижесiнде керi тоқ қалыптасады.Температура жоғарылаған сайын негiзгi емес заряд тасымалдағыштары өседi. Сондықтан негiзгi емес заряд тасымалдағыштары әсерiнен қалыптасқан р-n ауысуының керi тогы Iж – жылу тоғы деп аталады. Iж – тоғының температуралық өзгеруi  теңдiгiмен анықталады, мұнда Iж бөлмелiк температура  кезiндегi жылу тоғының мәнi; ΔТ – температураның өсуi;  ; Ug – р-n ауысуындағы кернеу;  – сыртқы кернеу жоқ кездегi ( , ) р-n ауысу шекарасындағы потенциалдардың түйiспелiк айырмасына тең температуралық потенциал; К-Больцман тұрақтысы; Т – абсолюттi температура;  – электрон заряды. Uкерi мәнi жоғары болғанда Iкерi тоғының көшкiндi түрде өсу (электрлiк, жылулық тесiп өту) процесi орындалады. Шалаөткiзгiштi диод статикалық және дифференциалды (динамикалық) кедергiлермен сипатталады: ;  Жоғары жиiлiкте және импульстi режимде жұмыс iстеген кезде диодтың Сg зиянды сиымдылығының маңызы жоғарлайды: Сд = С диф. + С зар. + Ск, мұнда Сдиф –  мәнiнiң диффузиялық құрамасы; Сзар – Cg мәнiнiң тосқауылдық (зарядтық) құрамасы; Ск – корпустың зиянды сиымдылығы.Шалаөткізгішті диодтардың жіктелінуі. Шалаөткiзгiштi материал бойынша: германийлі кремнийлi арсенад галилi Мiндетi бойынша: түзеткiш; импульстi; аса жоғары жиiлiктi; варикап; стабилитрон және стабистор т.б. Жұмыс iстеу ұстанымы бойынша: көшкiндi; тунельдiк; Шоттки диоды; Жарық шашатын; Фотодиод; Ганн диоды. Төменде түзеткiш (импульстi және жоғары жиiлiктi) диодтың шартты белгiленуi көрсетiлген.  Түзеткiш диод p-n ауысуының вентильді қасиетiн пайдаланады және айнымалы тоқтарды түзету үшiн қолданады. Диодты жасау үшiн Ge және Si қолданылады. Түзеткiш диод өзiне берiлген кернеудi басқаратын электронды кiлттi (ЭК) жинайды.  кезiнде ЭК жабық,  кезiнде ЭК ашық. Тура кернеу берiлгенде диодтағы кернеудiң төмендеу әсерiнен жүктемедегi кернеуiнен бiршама аз болады. Германийден жасалынған диодтың тура кернеуi  , ал кремнийден жасалынған диодтағы  .Түзеткiш диодтың негiзгi параметрлерi: Iтура орт. max – диодтың (Uкiр периоды iшiндегi) орташа тура тоғының максималды мәнi; Uкерi қос. – тұрақты керi кернеуленген диодтың ең үлкен рауалы мәнi; Ғmax fвх кiрiс сигналының максималды рауалы жиiлiгi; Uтура – тура тоқ берiлген кездегi диодтағы кернеудiң тiкелей төмендеуi. Қуаты бойынша диодтар төмендегiдей жiктелiнедi: аз қуатты  ;орташа қуатты  ;жоғары қуатты  ;Жиiлiгi бойынша диодтар жiктелiнедi: төмен жиiлiктi (ТЖ) -  ;жоғары жиiлiктi (ЖЖ) –  .Түзеткiш диод ретiнде Шоттки диодында қолдануға болады, оның шартты белгiленуi төменде көрсетiлген.  Шоттки диоды p-n ауысуының кiшiлiгiмен және Uтура кернеуiмен жиiлiктi сипаттамаларының жоғарылығымен сипатталынады. Импульстi диод - өтпелi үрдiстерi қысқа болатын және жұмыс кезiнде вольт-амперлiк сипаттамасының (ВАС) тура және керi тармақтарын (түзеткiш диодтар сияқты) қолданатын шалаөткiзгiштi диод. Диодтағы өтпелi үрдiстердiң ұзақтығы Сдиф және Сзар сыйымдылықтарының қайта зарядталынуына байланысты. Инжекция деңгейi төмен кезiнде өтпелi үрдiстердегi тосқауылдық сыйымдылықтың қайта зарядталынуының маңызы зор. Инжекция деңгейi жоғарлаған кезде зарядтарды жинау және сору үрдiстерi негiзгi болып табылады. Соңғы құбылыс диод жылдамдығын анықтайды және арнайы параметрi τққ – қалпына келтiру уақытымен сипатталынады. Сонымен импульстi диодтарда τққ – қалпына келтiру уақыты диод жылдамдығын сипаттайды. Жылдамдықты жоғарлату үшiн импульстi диодтарды нүктелiк құрылым түрiнде дайындайды, бұл оның p-n ауысу ауданының минималды болуына себеп болады. Сонымен қатар, τққ шамасын азайту үшiн база енiн (қалыңдығын) барынша жұқа етiп жасайды. Импульстiк диод ретiнде Шоттки диодын қолдануға болады. Аса жоғары жиiлiктi (АЖЖ) диод. Аса жоғары жиiлiктi сигналдарды (10-100Гц) түрлендiру және өңдеу үшiн арналған. Аса жоғары жиiлiктi – диапазондағы электромагниттi тербелiстердi өндiру және күшейту құрылғыларында, 1 жиiлiгiн көбейтуде, сигналдарды реттеу және шектеу жұмыстарында қолданады. Стабилитрон және стабистор. Тұрақты тоқтың сызықты емес тiзбектерiнде кернеудi тұрақтандыру үшiн қолданылады. Стабилитронның стабистордан айырмашылығы – стабилитронда кернеудi тұрақтандыру үшiн ВАС-ның керi тармағын қолданады. Диодтың ВАС-да АВ және СD бөлiмдерi бар, мұнда тоқтың айтарлықтай өзгеруiне кернеудiң аз ғана өзгеруi сәйкес келедi (олардың сызықтық тәуелдiлiгi кезiнде).  Жоғары кернеудi (U>3B) тұрақтандыру үшiн ВАС-ның керi тармағы (АВ бөлiмiн) қолданылады. Бұл мақсатта қолданылатын диодтарды стабилитрондар деп атайды. Аз мәндi кернеулердi (U≤1B) тұрақтандыру үшiн, мысалы интегралды сұлбаларда ВАС-ның тура тармағын (CD бөлiмiн) қолданады, ал бұл мақсатта қолданылатын диодтарды стабистор деп атаймыз, және оның шартты белгiленуi төменде көрсетiлген.  Оларды кремнийден жасайды. Тұрақтандыру кернеуi (3-180В) диапазонын құрайды. Стабилитронның негiзгi параметрлерi:  – тоқ берiлген кездгi номиналды тұрақтандыру кернеуi; - тоқ берiлген кездегi кедергi диффузиясы; – минималды рауалы тұрақтандыру тоғы; – максималды рауалы шашырағыш қуат;ТКН – тұрақтандыру кернеудiң температуралық коэффициентi.  Кернеудi екi өрiстi түрде тұрқтандыру сұлбаларында симметриялы стабилитрондарқолданылады.  Варикап – тосқауылдық (зарядтық) сиымдылықтың берiлген кернеу мәнiне тәуелдiлiгiн орындауға негiзделген шалаөткiзгiштi диод. Варикаптың негiзгi сипаттамасы – вольт-фарадты сипаттама (ВФХ). Варикаптың тосқауылдық сыйымдылығы (10-100) пикофард құрайды.  Тунельдiк диод – кернеу бойынша оң iшкi керi байланыс. Оның ВАС-сында терiс диффузиялық кедергi бөлiмi бар. Бұл запорлы қабат өте жiңiшке болғанда (10Нм немесе одан да кiшi) валенттi қабаттан өткiзу қабатына қарай зарядтардың тунельдi түрде өтуiмен түсiндiрiледi. 2 дәріс. Биполярлы транзисторлар. Транзисторлардың жіктелінуі. Құрылғысы, әрекеттену ұстанымы және жұмыс істеу режимі. Негізгі параметрлері және сипаттамалары. Транзистордың математикалық моделі. 2.1 Транзисторлардың жіктелінуі. Құрылғысы, әрекеттену ұстанымы және жұмыс істеу режимі. 2.2 Негізгі параметрлері және сипаттамалары. Транзистордың математикалық моделі. Транзисторлардың жіктелінуі. Құрылғысы, әрекеттену ұстанымы және жұмыс істеу режимі. Биполярлы транзистор – екi өзара әрекеттесушi түзеткiш электрлiк ауысулары және екi шықпалары бар шалаөткiзгiштi аспап, оның күшейту қабiлетi негiзгi емес зарядтардың инжекциясы және эстракциясы құбылыстармен анықталады. Биполярлы транзисторда бiр уақытта заряд тасымалдағыштарының екi типi – электрондар және кемтiктер қолданылады (Биполярлы деген атау осыдан шыққан). Транзисторлардың p-n-p және n-p-n түрлерi болады. n-p-n транзисторлары кеңiнен қолданылады. Шартты графиктiк белгiленуi төмендегiдей
Биполярлы транзистордың жұмысы екi p-n ауысуының өзара әрекеттесуiне негiзделген, бұл транзистор базасы аймағындағы қалындық осы аймақтағы заряд тасымалдағыштардың α-диффузиялық ұзындығынан кем етiп алу нәтижесiнде iске асады. Транзистор жұмысының ұстанымын n-p-n- типтi транзистор мысалында қарастырайық, мұнда n (эмиттерлi ) Nn – аймақтағы негiзгi тасымалдағыштар концентрациясы р (базалық) Pp- аймаққа қарағанда айтарлықтай көп, яғни Nn>>Pp. Шалаөткiзгiш (эмиттерлi-, коллекторлы-, базалық) – аймақтарға дәнекерленiп жабыстырылған металдық шықпалар аймақтарға сәйкес Эмиттерлi, Коллекторлы, Базалық шықпалар деп аталады. Эмиттерлi ауысуға база – эмиттер (Uбэ) тура кернеуiн, ал Коллекторлы ауысуға коллектор – база (Uкб) керi кернеуiн берейiк. Нәтижесiнде Эмиттерлi ауысу арқылы база (Б) аймағына электрондар инжекцияланады да (база аймағынан Эмиттерлi аймаққа кемтiктердiң инжекциялануын ескермеймiз), транзистордың Iэ эмититерлi тоғын қалыптастырады. База аймағына инжекцияланған электрондардың бiр бөлiгi осы аймақ үшiн негiзгi тасымал болып табылады – кемтiктермен рекомбинациялана отырып Iб – тоғын қалыптастырады. Коллекторлы ауысуға жеткен инжекцияланған электрондарды тағы бiр бөлiгi коллектор – база Uкб кернеуi тудырған электрлiк өрiс көмегiмен транзистордың коллекторлы аймағына экстракцияланады да, Iк – коллекторлы тоғын қалыптастырады. Эмиттерлi ауысу арқылы өтетiн электрондар ағымына қарағанда Коллекторлы ауысу арқылы өтетiн электрондар ағымының (сондай-ақ, Iк – коллекторлы тоқтың) азаюын келесi қатынаспен ескеруге болады:  мұнда  – эмиттер тоғын өткiзу коэффициентi. Коллекторлы аймақ үшiн негiзгi емес заряд тасымалдағыштары болып табылады – p кемтiктердiң n- аймақтан p- аймаққа өту ағымы нәтижесiнде жабық коллекторлы ауысу арқылы  - керi тоғы, ол  – коллекторлық тоқпен бiрге транзистордың шығыс тоғын қалыптастырады. (1)Базалық шықпадағы тоқ:  . болғандықтан (1) формуладан келесi түйiн қалыптасады  .  ,  – база тоғын өткiзудiң динамиклық коэффициентi,  .Қиылу (жабық) режимі – екі p-n ауысуы да жабық, транзистор арқылы аз ғана тоқ ағады; Қанығу режимі – екі p-n ауысуы да ашық; Белсенді режим - p-n ауысуының біреуі ашық екіншісі жабық. Қиылу және қанығу режимдерінде транзистор басқарылмайды. Белсенді режимде мұндай басқару тиімді түрде орындалады, сонымен қатар транзистор электрлі сұлбаның белсенді элементінің функциясын атқарады. 2.2 Негізгі параметрлері және сипаттамалары. Транзистордың математикалық моделі. Күшейткіш элементтердің (транзисторлардың) қосылу сұлбалары. Төменде 2.1 – суретте транзистордың ортақ эмиттерлі (ОЭ), ортақ коллектрлі (ОК) және ортақ базалы (ОБ) қосылу сұлбалары келтірілген. Қосылатын сыртқы көздің өрістілігі транзистор типіне байланысты тоғы, шығыс тоғы ретінде қосқан жағдайда кіріс тоғы ретінде база сұлбасы (1,в) транзисторда кіріс тоғы – эпиттер тоғы, шығыс тоғы – коллектор тоғы болады. Транзистордың қосылу сұлбаларының ішінде маңызды орын алатыны ОК қосылу сұлбасы (2.1 (б)). Бұл жағдайда жүктеме эмиттелерлі тізбекке қосылғандықтан, бұл сұлбаны эмиттерлі қайталағыш сұлбасы деп атайды.  2.1 – сурет. Транзисторлардың қосылу сұлбалары Транзисторды белсенді сызықтың емес ширекөрістілік ретінде сипатайтын негізгі параметрлер (кез келген қосылу сұлбасында) күшейту коэффициент болып табылады: тоқ бойынша:  ;кернеу бойынша:  ;қуат бойынша:  ;сонымен қатар, кіріс кедергісі:  ;шығыс кедергісі:  .Төменде транзистордың әрбір қосылу сұлбасына арналған жоғарыдағы параметрлерді есептеу жолдары көрсетілген. ОБ сұлбасы үшін:  ; мұнда Rкір Б – бірнеше Ом құрайтын эмиттерлі ауысуының ашық кедергісі;  мұнда  , өйткені Rн >>Rкір Сонымен, ОБ қосылу сұлбасы аз кіріс кедергісімен, тоқ, бойынша күшейтудің болмауымен, кернеу және қуат бойынша жоғары күшейтумен сипатталанады. ОЭ сұлбасы үшін:  ; ,мұнда В-база тоғын өткізудің статистикалық коэффициенті (  -база тоғын өткізудің дифференциалды коэффициенті).Транзисторлардың түрлі қосылу сұлбаларындағы есептеулер нәтижелерін салыстыру үшін  деп аламыз, сонда. ; мұнда  , өйткені Rн >>Rкір БСонымен, ОЭ сұлбасында ОБ сұлбасына қарағанда кіріс кедергісі көбірек болды. Тоқ, кернеу және қуат бойынша күшейту жоғарырақ болды. ОК сұлбасы үшін:  ,Яғни, ОК сұлбада:  ;  ; ,  ; ,яғни  .Сонымен, ОК (эмиттерлі қайталағыш сұлбасы) кез-келген басқа сұлбаларға қарағанда кіріс кедергісінің мәні жоғары, тоқ және қуат бойынша күшейтеді. ОК қосылу сұлбасының кіріс кедергісінің мәнінің жоғару болу себебінен кеңінен қолданысқа ие. ОЭ сұлбалы транзистор кернеу (И), тоқ (І), және қуат (Р) бойынша күшейтуді қамтамасыз етеді. Шығыс кернеуі Uшығ кіріс кернеуіне қарағанда 1800-С-қа ауытқыған. А,В,АВ, С және Д күшейту класстары (және транзистордың жұмыс істеу режимдері). А күшейту режиміUкір өзгеруі күшейткіш элементтің, сызықты бөлімінде орындалады. Сондай-ақ, шығыстағы сигнал формасы кірістегі сигнал формасын дәлме дәл қайталайды десекте болды, яғни А режимінде сызықтың емес бұрмаланулар болмайды және өтесу көлемде болды. Кемшілігі күшейту каскадының п.э.к  30-40%, өйткені тоқтап тұру (покой) тоғының мәні жоғары, нәтижесінде қорек көзінің энергиясының шығыны жоғары болды. А күшейту класы аз қуатты күшейткіштерде ғана (дыбыстың алдын-ала күшейту каскадтарында) және сигналдардың кішкене ғана ауытқуына жол берілмейтін өлшеу құралдарында қолданылды.В күшейту режимі. Энергия шығынын азайту үшін пайдалы сигналдық 1-ші гармониясы амплитудасына қатысты І0 тоғын азайту керек. Осы мақсатта В режимінде бастапқы жұмыс нүктесі сипаттаманың осы мен абциссасы қиылысқан жерден таңдалынады. Режимде (Т) күшейту элементі арқылы тоқ периодтың бір бөлігі ішінде өтеді қиылу бұрышы, және  =300,  -градус түрінде бейнеленген период бөлігі, және ол импульс негізінің жартысына тең. В режимінде 1-ші гармоника тоғының І0 мәні шамамен 1,6 есеге үнемдейді ал п.э.к. -  шамамен 60-70% өседі. Периодтың қандай да бір бөлігінде күшейту элементі жабық болатын режимдердегі жұмыс тоқты қиып жұмыс істеу деп атайды Сондықтан емес ауытқулар өте үлкен. Теория бойынша ұзақтығы жарты периодқа тең синусоидалы формадағы импульсте тоқ, жоғарғы гармоникалар болмайды. В режимінде дыбыстың сигнал қуатын күшейткіш ретінде қолданылатын екітактілі күшейткіштер транзисторы жұмыс істейді (сызықтық емес ауытқулар аз). АВ күшейту класы. Бастапқы нүктеде сигнал жоқ кезде күшейткіш элемент арқылы аздаған тоқ өтеді (тоқтың  -максималды мәні 10-15%). >900. В режимінде қарағанда сызықтық емес ауытқулар аз, бірақ  -п.э.к. 50% дейін азаяды.С күшейту класы. Бастапқы жұмыс нүктесі сипаттамада ось пен абсцисса қиылысының сол жағына төмен орналасқан <900. -өседі, бірақ сызықтың емес ауытқуда өседі. С режимі радиотасымалдағыш құрылғылардын, резонансты күшейткіштерінде қолданды, бұларды жоғарғы гармоникаларды басу жүктеменің резонансты байланысы арқылы қамтамасыз етіледі.D күшейту класы – кілттік режим. Бұл режимде күшейткіш элемент Uкір әсерімен қиылу (жабық) күйдек қанығу күшіне және кері ауысады D режимі ЭЕМ-нің ауыспасы сұлбаларында қолданды. Күшейткіштердің бейтұрақтылығын бағалау үшін бейтұрақтылық коэффициенті қолданылады:  мұнда  - тоқ үлестіру коэффициенті, ол төмендегідей анықталады: ,мұнда  және  эмиттерлі және базалық тізбектердің кедергісі.  ; Бұл көрсеткіш S шамасының мүмкін болатын минимальді мәні. Әдетте, іс жүзіде   .S шамасының мұндай көрсеткіші кезінде көп жағдайларда күшейту тұрақтылығының қажетті дәрежесін алу қарапайым сұлбалар арқылы да алынады. Бақылау сұрақтары. Биполярлы транзистор дегеніміз не?Жұмыс істеу режимдерін анықтаңыздар? Заманауи қолданылуына мысал келтіріңіздер? |
p-n-p - типті транзистор