1.5 Сурет– Р-n ауысу түзеткіш ретінде:
а) – тура ығысу
б) – кері ығысу
Сонымен, p-n ауысудың ВАС-сы айқын түрде көрініп тұрған сызықты емес форманы береді. Төмендегі суреттен келесі жағдайды көреміз. Ауысу ашылу үшін, яғни ол арқылы ток ағу үшін тура бағытта ауысуға шамалы болса да кернеу түсірілуі тиіс. Бұл кернеудің керегі сонда, яғни кедейленген қабаттағы потенциал тосқауылының тасушылары жеңуі тиіс. Потенциал тосқауылының шамасы келесі:
– Ge үшін
0,2 В
– Si үшін
0,7 В
Сонымен p-n ауысудың өзі – тамаша түзеткіш. Оның үстіне, бұл атақты ауысу басқа да күрделірек аспаптардың негізін қалайды.
1.6 Сурет –Р-n ауысудың вольт амперлік сипаттамасы
Туннельдік диод (Эсаки диоды) – ШӨ-диодтарының арасында оған тән кернеу бойынша оң кері байланысы және жақсы динамикалық қасиеттері бар болғандықтан ерекше орын алады.
1.7 Сурет – Туннельдік диодтың ВАС-ы
Туннельдік диодтың ВАС-ы дифференциалдық кедергінің теріс учаскесіне ие (СД). Бұл келесі жағдаймен түсіндіріледі. Жабу қабатының қалыңдығы өте жұқа болғанда (10 ...10 нм және одан да кіші) зарядтардың валенттік зонадан өткізгіштік зонаға туннельдік өтуі бақыланады. Өзінің осындай ВАС-ы арқасында туннельдік диод (ТД) тензобергіш ретінде кең қолданыс тапты.
Сонымен, ТД әрекеті еркін заряд тасымалдаушылардың (электрондардың) квантмеханикалық туннельдеу процесінің арқасында тар потенциалдық тосқауыл арқылы өтуіне негізделген.
Электрондардың тосқауыл арқылы туннельді өтіп кету ықтималдылығы айтарлықтай дәрежеде p-n өткелдегі кеңістіктік заряд аймағының енімен анықталатындықтан, ТД (вырожденные) айныған ШӨ-лер негізінде (қоспалар концентрациясы (1025 – 1027 м-3) жасалынады.
Міне, осының себебінен, күрт p-n-ауысуды (жабу қабатының қалыңдығы 5 – 15 нм) алуға болады.
ТД-ты жасағанда әдетте Ge және GaAs, сирегірек Si, InSb, InAs, PbTe, GaSb, SiC және т.б. қолданады.
Ge-ден жасалған диодтарда донор қоспалар Р немесе As, ал акцепторлар – Ga және Al;
GaAs үшін – Sn, Pb, S, Se, Te (донорлар), Zn, Cd (акцепторлар).
Тар p-n өткелді балқыту үшін енгізу әдісінің көмегі арқылы жасайды.
Бірінші ТД-ты Ge-негізінде 1957жылы Л.Эссаки жасаған. ТД-тың ойлап табылуы, қатты дене ішінде туннельді процестердің бар екенін дәлелдеді.
Зарядтың тасымалы, туннельдік механизм бойынша жүруі, ТД ВАС-ның N-тәрізді жүруінің себепшісі болады (1.7 Суретті қараңыз).
1.8 Сурет – Туннельдік диодтың әртүрлі ығысу кездеріндегі р- n өткелінің энергетикалық диаграммалары:
U-туннельдік диодтағы ығысу кернеуі;
I/Imax диод арқылы жүретін токтың ВАС максимумдегі қатынасы;
Imin – ВАС минимумдегі тоғы (Imах-ге қатысты);
Umax мен Umin – Imax және Imin тоқтарға сәйкесті ығысу кернеулері; Iтун – туннельдік ток;
Ідиф – диффузиялық (яғни, жылулық ) ток.
Төмендегі 1.9 Суретте, туннельдік диодтағы (ТД-дегі) p-n өткелдің түрлі ығысу кернеуі болған жағдайдағы энергетикалық диаграммалары келтірілген.
1.9 Сурет – Туннельдік диодтың әртүрлі ығысу кездеріндегі p-n-өткелінің энергетикалық диаграммалары:
U1 мен U2 – тура ығысулар;
U3 – кері ығысу; Еfp –кемтіктердің Ферми деңгейі; Еfn –электрондардың Ферми деңгейі; Еg –рұқсат етілмеген зонаның ені, W– p-n-өткелдің ені, е-электрон заряды;
Ітун –туннельдік ток; Ідиф–диффузиялық ток.
Сыртқы ығысу жоқ кезінде (1.9, а–Сурет) Efp мен Efn деп белгіленген Ферми деңгейлері айныған ШӨ p-n-өткелінің екі жағынан да бірдей деңгейде болады, яғни валенттік зонасындағы Efp және өткізгіштік зонасындағы Efn деңгейлерінде. Басқа сөзбен айтқанда, Ферми деңгейі ШӨ-бойымен тұрақты деген сөз. Рұқсат етілген энергетикалық деңгейлер Ферми деңгейінен төмен орналасқан, бәрі бос емес, ал Ферми деңгейінен жоғарыларын бос деп алайық. Олай болса, U=0 болғанда туннельдік өту (ауысу) мүмкін емес те, Ітун –ток нөлге тең болады (1.9 Суретте бұл жағдай А нүктесіне сәйкесті). Егер туннельдік диодта (ТД) шамасы үлкен емес тура кернеу p-n-өткеліне түсірілген болса, онда потенциалдық тосқауылдың биіктігі кемиді де, энергетикалық деңгейлердің р-аймақта n-аймақтағы деңгейлерге қатысты ығысуы орын алады (1.9, б Суретті қараңыз). Бұл жағдайда, n-аймақтағы өткізгіштік электрондар өзінің энергияларын өзгертпей, р-аймақтағы валенттік зонаның рұқсат етілген еркін (бос) деңгейлеріне потенциалдық тосқауыл арқылы туннельденіп өтеді де, ТД-ның ішінде туннельдік ток пайда болады. Бұл Ітун токтың бағыты электрондардың қозғалу бағытына қарама-қарсы (1.9 Суретте 2 қисықтағы “Б” нүкте). Кернеу шамасының өсумен Ітун.ток басында Імах мәніне дейін өседі (1.9 Суретте 2 қисықтағы “В” нүкте) де, ал содан кейін (n-аймақтың өткізгіштік зонасының р-аймақтық валенттік зонасымен беттесу дәрежесінің кемуіне тәуелді) кемиді.
ТД-ның p-n өткеліне белгілі бір Umin шамасына жететін кернеу түсірілгенде n- мен р- аймақтардағы зоналар беттеспейді де (1.10, в Суретті қараңыз) туннельдік ток Ітун жүрмейтін болады (1.9-Суреттегі 2-қисықтың “Г”-нүктесіне сәйкесті болатын жағдай); енді p-n өткелі арқылы тек Ідиф диффузиялық ток қана ағады.
Егер U>Umin болса, ТД тура бағытта қосылған әдеттегі ШӨ-диодына ұқсас болады.
ТД-қа кері бағыттағы (U3<0) кернеулер түсірілгенде, (1.10, г Суретті қараңыз) оның ішінде пайда болатын ток, р-аймағының валенттік зонасынан n-аймақтық бос рұқсат етілген өткізгіштік зонаның энергетикалық деңгейлеріне электрондардың өтуімен түсіндіріледі. Бұл ток кері кернеу шамасының өсуімен тез өседі.
ТД-тың негізгі параметрлері:
Іmax – максимал тура ток;
Іmin – минимал тура ток;
Umax – Іmax токқа сәйкесті кернеу;
Umin – Іmin токқа сәйкесті кернеу;
бұл параметрлердің мәндері GaAs және Ge-ден жасалған ТД үшін 1.9-Суретте көрсетілген.
Жоғарыда келтірілген 1.9 Суреттегі “2” қисық сызықтық “ВГ” – учаскесіндегі теріс дифференциалдық кедергі (ол осы жердегі ВАС-тың түсу учаскесінің көлбеулігімен анықталады да, абсолют шамасы бойынша түрлі ТД-тар үшін “1”-ден оншақты Ом аралығында жатады. ТД-тардың кәдімгі ШӨ-термен салыстырғанда (бірдей материалдардан жасалсын делік), жұмыс істеудің температуралар аралығы кеңірек болады, яғни:
Ge –ден жасалса +200 0С;
GaAs –тен жасалса +600 0С.
ТД-тар ығысуларының жұмысшы ауқымы басқа ШӨ аспаптарымен салыстырғанда айтарлықтай шамасы төменірек кернеулер аймағында орналасатындықтан, олар қуаты бойынша аз-қуатты (шығыс қуаты шамамен алғанда мВт).
Электрондардың туннельдеу процесінің аз инерциялық болуы, ТД-тарды АЖЖ жиіліктерде, мысалы, оншақты ГГц-ке дейінгі ауқымда пайдалануға мүмкіндік береді.
ТД-ның шектік жұмысшы жиілігін егер ТД-ты теріс кедергісі бар аспап ретінде пайдалансақ) анықтау үшін, төменде келтірілген балама схеманың (2.11-Сурет) параметрлері арқылы берілетін формулаларды білу керек:
, (1)
бұл шектік (критик.) жиілік, мұндағы rs-(омическое сопротивление потерь), ал зиянды тербелістердің резонанстық жиілігі келесі формуламен анықталады:
(2)
Күшейткіш ТД үшін келесі шарттары орындалуы тиіс: f рез> fкр және f кр> f0, бұл жерде f0 жұмысшы жиілік.
Жоғарыда келтірілген формулалардағы Rn , Cn , rs (шығындардың Омдық потерь кедергісі) шамаларын, егер p-n өткелдің екі жағындағы аймақтардың легирлену дәрежесін өзгертіп тұратын болсақ, сәйкесті түрде диодтың жиіліктік сипаттамаларымен де басқаруға болады. Тәжірибе жүзінде келесі тәуелділікті тапқан: легирлену дәрежесінің өсуімен ТД-нің жиіліктік шегі өседі.
ТД технологиясы туралы бірнеше сөз; ТД-тың жиіліктік қатынастары диодтардың құрылымдық безендірілуіне және жасалу технологиясына да, шектеулер қояды:
Корпустық индуктивтігі (Lқорп) шамасын аз ғана ету үшін, ШӨ кристалының бетіндегі балқытылған металл тамшысына электр түйіспені металдан жасаған мембрана, таспа – жапырақ немесе тілімше көмегімен орындайды. Міне, осылай істегенде Lқоры
10-10 Гн болып шығады. Әдетте ТД металлокерамикалық корпус ішінде жасалады.
ТД-ның қолданылуы:
АЖЖ ауқымындағы күшейткіштер мен генераторлардың схемаларында;
тез әрекетті айырып-қосатын құрылғыларда;
Екілік кодты жады құрылғыларында ж.т.т.
2. Базалық жартылай өткізгішті құралдар. Шала өткізгіш диодтар (ШӨД)
Диод дегеніміз – бір электр өтпелі және екі шықпасы болатын шала өткізгіш электр түрлендіргіш аспап. 2.1- суретте схема түрінде көрсетілген.
2.1 сурет “Б” база мен “Э” эмиттер “n” және “р” аймақтарымен Омдық түйісуді қамтамасыздандыратынымен БЭ (базалық) және ЭЭ (эмиттерлік) электродтар көмегімен, металдан жасалған шықпаларға жалғанады да, олардың арқасында (көмегімен) диод сыртқы тізбекке қосылады.
Атқаратын міндеті мен пайдалануына байланысты (қарай) диодтар түзеткіш, стабилитрондар, варикаптар, импульстік диодтар және т.б. болып бөлінеді.
Шала өткізгіш классификациялық параметрлерімен анықталады.
Диодтарды токты бір бағытта өткізетін шала өткізгіштер деп те анықтама беруге болады. Диод шықпаларын «А» - анод және «К» - катод деп атайды.
2.2 Суретте – диодтың шартты белгіленуі
Егер Uак>0 оң таңбалы кернеу түсірілген болса, онда диод тік бағытта жұмыс істейді. Теріс таңбалы кернеу болғанда, Uак <0 диод жабық болады. Кері ток тік токтан әрдайым бірнеше есе кем болады
2.1 Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы
n-р өтпелдің және шала өткізгіш диодтық теория жүзіндегі ВАС-лары
2.3 Сурет – диодтың вольт амперлік сипаттамасы
Бұл сипаттамалардың бір-бірінен айырмашылығы бар екені Суреттен - ақ көрініп тұр. Тік токтар аймағындағы өзгешеліктің болуын былайша түсінеміз: диод шықпаларына түсірілген сыртқы кернеудің бөлігі базаның көлемдік омдық кедергісінде (rб) құлайды, ал бұл rб кедергі базаның геометриялық өлшемдерімен және алынып отырған материалдық меншікті кедергісімен анықталады. Rб –ның шамасы 130 Ом аралығында жатыр. Ток шамасы милиамперден асқанда rб кедергіде құлайтын кернеу елеулі (айтарлықтай) мәніне жетеді, сонымен қатар кернеудің тағы бір бөлігі шықпалардың кедергілерінде құлайды. Міне, осылардың нәтижесінде n-p өткелге келіп түсетін кернеудің шамасы, диодтың сыртқы шықпаларына түсірілген кернеудің шамасы диодтық сыртқы шықпаларына түсірілген кернеуден кем болады.Сипаттаманың нақты түрі теоретикалықтан төменірек жүреді және сызыққа жакындайды. Нақтылы ВАС тік кернеулер аймағында келесі түрде өрнектеледі:
(3)
мұндағы U тік -шықпаларға келіп түсетін кернеу;
r – база мен диод электродтарының бірге алып есептегендегі кедергісі.
Диодқа кері кернеуді түсіріп, (Uкері) оның шамасын өсіргенде, диод тоғы І0 мәніне тең болып қала бермейді. Токтың өсу себебінің бірі теоретикалық ВАС өрнегін шығарғанда ескерілмеген өткелдегі заряд тасушылардың жылу әсерінен туады, яғни “термогенерация” болып табылады. Өткел арқылы жүретін кері токтың құрамасы, дәлірек айтқанда, өткел ішінде генерацияланатын (туатын) тасушылар санына тәуелдісі “термогенерация тоғы” деп Ітг аталады. Кері кернеудің өсуімен өткел кеңейеді, сонымен қатар оның ішінде туатын заряд тасушылардың саны да артады, яғни Ітг тоғы да өседі.
Кері токтың өсу себебінің екіншісі, диод болып жасалынған кристалдың беттік өткізгіштігінің шектілігінде. Бұл токты ағып кету, орысша айтқанда «утечка» тоғы деп Іу, айтады. Қазіргі диодтарда оның шамасы термотоктан әрдайым кем болады. Сонымен, кері ток келесі түрде анықталады
(4)
2.2 Варикаптар
Варикап [ағылш. Varicap vari (able)-айнымалы және cap (acity)- сыйымдылық] – ШӨ диод. Бұл аспаптың сыйымдылығы (Сзар –электронды кемтіктік өткелдің сыйымдылығы) түсірілген электр кернеуге (ығысуға) сызықты емес түрде тәуелді болады. Бұл қасиеті варикапты сыйымдылығы электрмен басқарылатын элемент ретінде қолдануға мүмкіндік береді.
Варикаптың негізгі сипаттамасы – вольт-фарадалық сипаттама (ВФС). ВФС деп тәуелділігі:
2.4 Сурет – Варикаптың вольт-фарадалық сипаттамасы (ВФС-сы)
Варикаптың негізгі параметрлері:
СВ –берілген кері кернеуде шықпалар арасында өлшенген сыйымдылық;
КCeiling –сыйымдылық бойынша асып түсу коэффициенті.
Бұл коэффициент (КС) СВ=f(Uкері) тәуелділікті бағалау үшін пайдаланылады да, кері кернеудің берілген екі мәндеріндегі варикап сыйымдылықтарының (CB1 мен СВ2) қатынастарына тең болады (КС=2…20).
Варикап параметрлерінің температураға тәуелділігі сыйымдылықтың температуралық коэффициентімен сипатталады:
СВТК=∆СВ/(СВ∆Т),
бұл жерде ∆СВ/СВ –қоршаған ортаның ∆Т температураға өзгергендегі варикап сыйымдылығының салыстырмалы өзгеруі.
Сонымен, варикап ретінде кері тұрақты ығысу кезінде, тек тосқауылдық сыйымдылық (Стосқ =Сзар) пайда болатын ШӨ диодтар пайдаланылады.
Варикаптар Ge, Si, және GaAs негізінде жасалады. Жоғарыда айтылып кеткен негізгі параметрлер секілді қосымша тағы да екі параметрлер туралы білу керек:
С-номинал (бастапқы) сыйымдылық;
Q-номинал (бастапқы) сапалылық.
Варикаптың номинал сыйымдылығын әдетте кері кернеудің минимал шамасында өлшейді (Umin
–1B–6В шамалар аралығында); оның шамасы ШӨ-материалымен (оның ішіндегі қоспалар концентрациясының деңгейімен), p-n-өткелдің ауданымен анықталады да, пФ бөлігінен бастап жүздеген пФ шамасын құрады.
Сапалылықты (сигнал жиілігіндегі варикаптың реактивті кедергісінің сыйымдылығының немесе кері кернеуінің берілген мәніндегі шығындар кедергісіне қатынасы) әдетте сыйымдылықты өлшегендегі кері кернеулер мәндерінде өлшейді.
Варикаптар жоғары және аса жоғары жиіліктер (f > 1 МГц) ауқымында жұмыс істейді. Бұл ауқымдағы сапалылық келесі формуламен табылады:
Qжж =1/2fCr;
мұндағы r –диодтың тізбекті (С-сыйымдылыққа қатысты) кедергісі. Бұл кедергіге кіретіндер:
ШӨ көлеміндегі шығындар кедергісі;
Түйіспелер кедергісі және құралым элементтерінің кедергісі.
ЖЖ және АЖЖ ауқымында пайдаланылатын варикаптарды кейде варакторлар деп те атайды.
80 жылдары келесі жетістіктер болған:
Сыйымдылық С=10 пФ шамасында f=50 МГц жиілікте Qжж ≥ 500.
PS Асып түсу коэффициенті (қосымша информация)
Жұмысшы, кернеулер ауқымында Umin –шамасынан бастап Umax –шамасына дейінгі (Umax абс. шамасы бойынша 200 В-ке жетуі мүмкін) варикап сыйымдылығының өзгеру шамасын анықтауға мүмкіндік береді. Жоғарыда айтылып кеткендей, Кс –мәндері 2-20 болады. Егер, жатық ауысу мен күрт ауысу әдетте Кс ≤ 4 шамасыда болса, p-n өткелдер аса күрт болған жағдайда, Кс –шамасы кеңірек шектерде өзгере алады.
2.3 Жоғарғы жиілікті диодтар (ЖЖД)
Өткен жолы(сабақтарда) қарастырылған түзеткіш диодтар килогерцтен аспайтын кернеулер түсірілетін схемаларда қолданылатынын білдік. Соңғы уақытта қолданылап жүрген Шотки тосқауылы бар түзеткіш диодтар жүздеген КГц пен бірнеше МГц жиіліктер аралығында жұмыс істейді. Сонда да бірқатар құрылғыларда жұмыс жиілігі 110-шақты ГГц аралығында жұмыс істей алатын шала өткізгіш диодтар керек болады. Мұндай диодтарды - “жоғарғы жиілікті” деп атайды.
Кез келген шала өткізгіш диодты келесі физикалық балама (эквивалентті) схема арқылы қарастыруға болады:
Мұнда С0, R0 – жұмыс нүктесіндегі п– р өткелдің сыйымдылығы мен кедергісі;
r – негізінен диод базасымен анықталатын кедергі,
Lш– диод жоғарғы жиіліктерде жұмыс істегенде ескеруге тура келетін шықпалардың индуктивтігі.
Схемаданың талдануы (анализі) шала өткізгіш диодтың жиілік диапазонын кеңейту үшін өткелдің сыйымдылығын, яғни оның ауданын, r – кедергіні және Lш – шықпалар индуктитігін кеміту керек.
ЖЖД – конструкциясы, яғни жасалауы нүктелік болады. Әдетте метал инені шала өткізгіш кристалмен түйістіріп, n – р өткелін жасайды. Түйісу ауданы 50 мкм2 кем болады, өткелдің сыйымдылығы өте кішкентай болады. Бұрын қарастырылған диодтармен салыстырғанда бұл “нүктелік диодтар” үшін болымды кері кернеу шамасы кіші болады. Ал, ВАС – ның ерекшелігі келесі:
а) кері тармағындағы горизонталь (көлденең) бөлігі жоқ деуге болады;
б) тесіп өту тәртібіне көшетін жатық (плавный) өткел де жоққа жақын.
3. Биполярлық транзистордың құрылысы мен жұмыс істеу қағидасы
Биполярлы транзистор дегеніміз шала өткізгіш монокристалдың ішінде кезектесіп (алмасып) тұратын өткізгіштігі үш аймақ болатын р–п–р– немесе п–р–п құрылым. (3.1-а, Суретті қара).
3.1 Сурет – Биполярлық транзистордың құрылысы а)
Ортасындағы аймақты “Б”база деп, ал шеткі аймақтарды “Э” эмиттер және “К” коллектор деп атайды. Эмиттер, коллектор және база аймақтары транзисторды электр тізбегіне қосуға мүмкіндік беретін шықпалармен жабдықталған (қамдалған).
Эмиттер мен база құратын өткелді эмиттерлік (ЭӨ) өткел деп, ал коллектор мен база құратын өткелді коллекторлық (КӨ) деп атайды. Транзистор өткелдерінің әрқайсысына тік немесе кері ығысу беріле алады. ЭӨ-ге тік ығысу түскенде эмиттер ішінен базаға оған негізгі емес болатын тасымалдаушылар (тасушылар) инжекцияланады, ал КӨ-ге кері кернеу түсіп тұрғанда база аймағы арқылы өтіп келіп тұрған тасушылардың экстракциясы жүреді. БТ- де эмиттердің ішіндегі қоспалардың үйірленуі (концентрациясы) базаның ішіндегісінен бірнеше рет (порядок) жоғары болады, яғни ЭӨ- біржақты. Коллектордың ішіндегі қоспалардың үйірленуі эмиттердегідей (балқытылумен әзірленген транзистор) немесе шамамен алғанда базадағыдай (планарлық транзистор) болуы мүмкін. Әдетте транзисторда КӨ-нің ауданы ЭӨ-нің ауданынан үлкен, сондықтан бұл жағдай база ішіне инжекцияланған тасушылардың көбін жинап алуға мүмкіндік береді. База аймағында заряд тасушылардың өту механизміне тәуелді дрейфтік және дрейфсіздік транзисторларды айырып танайды.
Дрейфсіздік транзисторларда базалық аймақ арқылы негізгі емес заряд тасушылардың тасымалдануы диффузиямен байланысты. Дрейфтік транзисторларда қоспаларды арнайы үлестіру жолымен база аймағында ішкі электр өрісі тудырылып, негізгі емес заряд тасушылардың база арқылы тасымалдануы әрі дрейф арқылы (жәрдемімен), әрі диффузия жәрдемімен іске асырылады. Қазіргі транзисторлардың көбі дрейфтік. Бірақ жұмыс істеу қағидаларын түсіндіруді оңайлату (жеңілдету) үшін біз дрейфсіздік транзисторларды қарастырамыз.
|
Скачать 89.06 Kb.