Жартылай өткізгішті диодтар
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ.......................
1.ЖАРТЫЛАЙ ӨТКIЗГIШТI ДИОДТАР.......................
1.1Жұмыс iстеу ұстанымы......................
2.ТҮЗЕТКІШ ДИОД..........................
2.1 Стабилитрон және стабистор....
2.2 Фотодиод......................
3. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ДИОДТЫҢ ҚОЛДАНЫЛУ САЛАСЫ..............14
3.1 Жартылай өткізгіш
диодтың электр өткізгіштігі...
3.2 Диодтың вольт
— амперлік сипаттамасы........
ҚОРЫТЫНДЫ.....................
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР....................
КІРІСПЕ
Диод деп бір р-n –ауысудан тұратын жартылай өткізгішті приборларды айтады. Диодтың құрылысын арнайы дайындалған кесте көмегімен түсіндіріп, оның жұмысын тәжірибе жасап көрсеткен тиімді. Әрі қарай диодтың вольт-амперлік сипаттамасы қарастырылады. Токты өткізу бағытында кернеуге байланысты ток жылдам өседі де, жапқыш бағытта ток аз және кернеуге айтарлықтай тәуелді емес. Графиктен р-n – ауысудағы токтың Ом заңына бағынбайтығын байқауға болады. Жартылай өткізгішті диодтардың айнымалы токты түзету үшін қолданылатындығы айтылады. Сонымен қатар әр түрлі мақсаттарда диодтардың радио – техникада, автоматикада, телемеханикада, кеңінен қолдалынып келе жатқандығын айту керек.
Яғни, диод ашылады. Ал кері кернеу бергенде ток өте аз мөлшерде болады, яғни диод жабық. Осы уақыттағы аз мөлшердегі болсын ток іс жүзінде еш уақытта есепке алынбайды-өйткені оның мөлшері расында да өте аз. Сондықтан да ол токты біз жоқ деп есептейміз.Егер де біз кері кернеуді белгілі бір мөлшерден көп артық берсек, онда кері ток бірден көп мөлшерге артады. Көп мөлшерге артқан токтың зияны сол диод тесілді немесе диод «жанып кетті» дейді. Бірақ тура берген кернеуіміздің өзі де белгілі бір мөлшерден жоғарыламауы керек. Өйткені ондай жағдайда да әлгі «жанып кетті» деген нәрсе міндетті түрде болады. Д246 аталатын диодтың сыртқы түрі 6- суретте көрсетілген.
Барлық диодтардың да вольт - амперлік сипаттамалары жоғарыда көрсетілген графикке ұқсас болады. Бұларды Д226А немесе Д242 деген сияқты белгілерменатайды. Мұндағы Д — диод деген сөз, ал тұрған сан заводтың конструкциялық рет саны. Ал соңындағы әріп — аспап тобының түрі. Кремнийден жасалған диодтардың тура кедергісі германийге карағанда сәл көбірек, ал кері кедергісі он есеге артық. Кремний диодының тағы бір артықшылығы оның жұмыс температурасының 180 — 200°С-ге дейін жететіндігі. Яғни ток тығыздығы жоғары. Осыған байланысты қуаттары бірдей болғанда кремний диодтарының көлемі кіші болып келеді. Бірақ та, табиғатта таза кремнийді алып, оны сол қалпында сақтау біраз қиыншылықтар туғызады. Соның салдарынан кремнийден жасалған жартылай өткізгіш аспаптар біраз қымбат тұрады. Ал кремний дегеніміз жер бетінде оттегіден кейін таралуы бойынша екінші орын алатын элемент.
- ЖАРТЫЛАЙ ӨТКIЗГIШТI ДИОДТАР
Жартылайөткiзгiштi диодтар (ЖӨ) – бiр түзеткiш электрлiк ауысуы және екi шықпасы бар жартылайөткiзгiштi аспап. Түзеткiш элетрлiк ауысу ретiнде жартылайөткiзгiш 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 жартылайөткiзгiш 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) болса6 онда pp>>nn шарты орындалады.
1.1 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 жартылайөткiзгiштi 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 сәйкес 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 жоғарлаған 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 Iж (Т) = Iж*2(Т-То/ΔТ) теңдiгiмен анықталады, мұнда Iж бөлмелiк температура То=300 К кезiндегi жылу тоғының мәнi; ΔТ – температураның өсуi; I=Iж(exp)(Ug/φж); Ug – р-n ауысуындағы кернеу; φж = k * T/q – сыртқы кернеу жоқ кездегi (T=300 K, φж = 0.025 B) р-n ауысу шекарасындағы потенциалдардың түйiспелiк айырмасына тең температуралық потенциал; К-Больцман тұрақтысы; Т – абсолюттi температура; q – электрон заряды. Uкерi мәнi жоғары болғанда Iкерi тоғының көшкiндi түрде өсу (электрлiк, жылулық тесiп өту) процесi орындалады. Жартылайөткiзгiштi диод статикалық және дифференциалды (динамикалық) кедергiлермен сипатталады: rд = ( du\di = U\T; Rст = Uд\Iд. Жоғары жиiлiкте және импульстi режимде жұмыс iстеген кезде диодтың Сg зиянды сиымдылығының маңызы жоғарлайды: Сд = С диф. + С зар. + Ск, мұнда Сдиф – Cg мәнiнiң диффузиялық құрамасы; Сзар – Cg мәнiнiң тосқауылдық (зарядтық) құрамасы; Ск – корпустың зиянды сиымдылығы. Жiктелiнуi: Жартылайөткiзгiштi материал бойынша: гелилi кремнилi арсенад галилi Мiндетi бойынша: түзеткiш; импульстi; аса жоғары жиiлiктi; варикап және т.б. Жұмыс iстеу ұстанымы бойынша: көшкiндi; тунельдiк; Шоттки диоды; Жарық шашатын; Фотодиод; Ганн диоды.
- ТҮЗЕТКІШ ДИОД
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. llтура кезiнде ЭК жабық, Uкерi кезiнде ЭК ашық. Тура кернеу берiлгенде диодтағы кернеудiң төмендеу әсерiнен жүктемедегi кернеуiнен бiршама аз болады. Германийден жасалынған диодтың тура кернеуi Ug тура -0,5В, ал кремнийден жасалынған диодтағы Ug тура ≤ 1-1,5В. 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 ( Iтура орт.max ≤0,3А ) орташа қуатты (Iтура орт.max -(0,3-10А)) жоғары қуатты (Iтура орт.max >10A) Жиiлiгi бойынша диодтар жiктелiнедi: төмен жиiлiктi (ТЖ) - fmax<103Гц жоғары жиiлiктi (ЖЖ) – fmax>103 Гц Түзеткiш диод ретiнде Шоттки диодында қолдануға болады, оның шартты белгiленуi төменде көрсетiлген. Шоттки диоды p-n ауысуының Uтура кернеуiнің кiшiлiгiмен және 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 жартылайөткiзгiштi 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 деңiгейi 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.
2.1 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 атайды, және оның шартты белгiленуi төменде көрсетiлген. Оларды кремнийден жасайды. Тұрақтандыру кернеуi (3-180В) диапазонын құрайды.. Стабилитронның негiзгi параметрлерi: Uст – тоқ берiлген кездегi номиналды тұрақтандыру кернеуi; Rg - тоқ берiлген кездегi кедергi диффузиясы; Iст min – минималды рауалы тұрақтандыру тоғы; Pmax – максималды рауалы шашырағыш қуат; ТКН – тұрақтандыру кернеудiң температуралық коэффициентi. ТКН = ΔUст/(Uст рауΔT) Кернеудi екi өрiстi түрде тұрқтандыру сұлбаларында симметриялы стабилитрондар қолданылады. Варикап – тосқауылдық (зарядтық) сиымдылықтың берiлген кернеу мәнiне тәуелдiлiгiн орындауға негiзделген жартылайөткiзгiштi диод. Варикаптың негiзгi сипттамасы – вольт-фарадты сипаттама (ВФХ). Варикаптың тосқауылдық сыймдылығы (10-100) пикофард құрайды. Туннельдiк диод кернеу бойынша оң iшкi керi байланысы бар жартылай өткізгіштік диод. 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. Сәулешашушы диод – p-n өткелдерінен энергия кванттарын шығаратын диод. Жарық диоды – көрінетін спектр аймағында сәуле шашады, ал инфрақызыл диод – көрінбейтін спектр аймағында сәуле шашатын диод. Заряд тасымалдағыштардың рекомбинациялануы энергия кванттарының бөлiнiп шығуына әкелiп соғады. Жарық диодтары жарық индикаторлары ретiнде қолданылады. Инфрақызыл диод оптоэлектрондық құрылғыларда сәуле шашушы ретiнде қолданылады. Жарық диоды арнайыланып құрастырылған диод, мұнда жарық сәулелерiнiң ауысу аймағынан корпустың мөлдiр терезелерi арқылы өтуiне жағдай жасалынған. Жартылайөткiзгiштiң ауысу аймақтарына жататын тоқтың диод арқылы өтуi кезiнде заряд тасымалдағыштарының – электрондар мен кемтiктердiң қарқынды түрде рекомбинациясы жүредi. Босанып шыққан энергияның бiр бөлiгi жарық кванты ретiнде бөлiнедi. Жартылайөткiзгiштiң тиым салушы енiне байланысты сәуле ұзындығы адам көзiне көрiнетiн немесе адам көзiне көрiнбейтiн инфрақызыл толқындар ұзындығына ие болуы мүмкiн. Арсенад галий негiзiнде жасалынған ауысулардағы сәулелердiң толқын ұзындығы – 0,8 мкм. Карбид кремниiнен немесе фосфид галийден жасалынған ауысулары қызыл түстен көгiлдiр түс диапазонында көрiнетiн сәуле шашады. Жарық диодының маңызды параметрлерiнiң бiрi жарықтық және сәулену түсi (немесе сәуленiң спектрлiк құрамы).
Стабилитронның
аты айтып тұрғандай, ондағы тоқ
өзгерсе де кернеуді
Стабилитрон
арқылы кері тоқ жүреді. Кері
кернеуді алғаш көтере
2.2 Фотодиод
Фотодиод – жұмыс iстеу ұстанымы фотогальваникалық
эффектке негiзделген және фотосезiмтал
элементi жартылайөткiзгiштi диод құрылымына
ие фотоқабылдағыш. Сәуле p-n ауысуы кеңiстiгiне
перпендикулярлы бағытта әсер етсiн дейiк.
Энергиясы фотондардың жұтылу нәтижесiнде
n- базаның χк тереңдiгiне электроды- кемтiктiк
жұптар (фототасымалдағыштар) пайда болады.
Фототасымалдағыштар n- аймақтың түбiне
диффузияланады. n-аймақтың ω – енi сәулену
нәтижесiнде қалыптасатын фототасымалдағыштардың
негiзгi иесi n- аймаққа рекомбинацияланып
үлгермейтiндей болады, олар p-n ауысуының
шекарасына дейiн жетедi (х=ω). Электрондар
мен кемтiктер p-n ауысуының электрлiк өрiсi
әсерiнен Ео кернеуi бойынша бөлiнедi, және
бұл жағдайда кемтiктер р- аймаққа өтедi
де, ал электрондар ауысу өрiсiн бұзып өте
алмай р-n ауысуының р- аймағында жинақталады.
Сонымен, р-n ауысуы арқылы өтетiн фототасымалдағыштар
тоғы негiзгi емес тасымалдағыштар – кемтiктердiң
дрейфымен анықталады. Фотодиод сапасы
ең алдымен сәуле көмегiмен фототоқты
басқару тиiмдiлiгiмен анықталады. Фотодиод
тоғын оптикалық түрде басқару бойынша
оның жұмыс iстеу режимiн анықтауға болады.
Осы тұрғыда қарапайым (түзеткiш) диод
пен фотодиодтың жұмыс iстеу ұстанымдарын
салыстырайық. Сәуле ағымы (Ф=0) тепе-теңдiк
күйде диод пен фотодиодтың зоналық диаграммалары
сәйкес келедi. Сонымен қатар екi аймақ
үшiн де Ферми деңгейi бiрдей және негiзгi
тасымалдағыштар тағы – р-n ауысу арқылы
өтетiн тоқтың диффузиялық құрамасы –
негiзгi емес тасымалдағыштар тоғының
дрейфтық құрамасына тең. Қарапайым диодта
тепе-теңдiк күйi p-n ауысуына тура кернеудi
(р- аймағына плюс, n- аймағына - минус) бергенде
бұзылады, нәтижесiнде iшкi потенциалды
тосқауыл төмендейдi. Ауысу арқылы өтетiн
тасымалдағыштар тепе-теңдiгi бұзылғанда
тоқтың диффузиялық құрамасы жоғарлайды,
айтарлықтай үлкен тура кернеуде ол р-n
ауысуы тоғының мәнiн анықтайды. Фотодиодта
р-n ауысуын фототасымалдағыштар тудырған
сәулелер бөлiп тұрады. Бұл фотодиодтың
iшкi потенциалды тосқауылының төмендеуiне
себеп болады (қарапайым диодқа тура кернеу
бергендегiдей); р-n ауысуының екi жағындағы
құрылымдардағы Ферми деңгейi сәйкес келмейдi
және олар бiр-бiрiне қарама-қарсы бағытта
ауытқиды. Фотодиодтағы тепе-теңдiктiң
бұзылуы р-n ауысуы тоғының дрейфты құрамасы
пайдалы екенiн ескеру қажет, яғни тоқты
тиiмдi басқару үшiн фотодиодтағы диффузиялық
құрамаларды сәуле көмегiмен басу керек.
Ол фотодиодта тоқтың паразиттi құрамасы.
Фототасымалдағыштардың (электрондар
мен кемтiктердiң) дрейфтi ағымы Iф – фототоғын
қалыптастырады. Кемтiктер р- аймақты оң
зарядпен зарядтайды, ал электрондар n-
аймақты терiс зарядпен зарядтайды. Нәтижесiнде
қалыптасқан потенциалдар айырымы (фотоЭДС
Еф) iшкi потенциалдық тосқауылды ΔЕ мәнiне
дейiн төмендетедi. Ауысу өрiсi әсерiнен
заряд тасымалдағыштарының бөлiнуiнен
пайда болатын фотоЭДС құрамасынан басқа
да құрамалар болуы мүмкiн (олардың бiрi
Дембр фотоЭДС-сi). Жарықтандырылған жартылайөткiзгiштiң
жоғары қабатында фототасымалдағыштар
қосымша кемтiктер мен электрондар пайда
болады. Электронның диффузия коэффициентi
кемтiктерiнiң коэффициентiнен көп. Сондықтан
генерациялау орнынан фототасымалдағыштардың
диффузиясы кезiнде электрондар кемтiктерден
өтiп кетедi, нәтижесiнде зарядтардың бөлiнуi
қалыптасады – жартылайөткiзгiштiң жоғары
жағы көлемге қатысты оң зарядқа ие болады.
Сәуленуге жоғары сезiмталдықты қамтамасыз
ету үшiн фотодиодта тоқтың диффузиялық
құрамасы минималды болуы керек. Сондықтан
фотодиод сыртқы кернеумен (фотодиодты
режим) жұмыс iстейдi. Фотоөткiзгiштiк қасиет
сыртқы жарықтық ағымның қарқындылығына
(интенсивтiлiгiне) және спектральдi құрамына
байланысты. Фотодиод корпусы р-n ауысына
перпендикулярлы түрде бағытталынатын
сыртқы жарық ағымын тудыратын қосымша
линзамен жабдықталған. Фототүрлендiргiш
режимiнде фотодиод тiзбегiне р-n ауысуының
керi ауытқуын қамтамасыз ететiн сыртқы
қорек көзiн қосады. Егер ауысуға жарық
берiлмесе, керi көлеңкелi тоқ пайда болады.
Ауысуға жарық берiлгенде, көлеңкелi тоққа
мәнi берiлген U кернеуге тәуелсiз және
фотодиодтық жарық ағынының қарқындылығына
пропорционалды фототоқ қосылады. Фотогенератор
режимiнде өзi фото ЭДС көзi болып табылады.
Фото ЭДС-тiң типтiiк мәнi бос жүрiстiң кернеуiне
тең, яғни Е=Uxx. Кремнийлi фотодиод үшiн
бұл кернеу 0,5В құрайды, ал орташа күн сәулесi
түскен кездегi қысқаша тұйықталу тоғының
Iқт мәнi 20-25мА/см2 құрайды. Фототранзистордың
құрылымы биполярлы транзистордiкiне ұқсас.
Ол фотодиодқа қарағанда жоғары фотосезiмталдыққа
ие. Жарық ағымы базада заряд жұптарын
өндiре отырып эмиттерлi р-n ауысуының жазықтығына
перпендикулярлы түрде әсер етедi. База
үшiн негiзгi емес болып саналатын зарядтар
Iк тоғын күшейте отырып коллекторлар
ауысуға тартылады. Алайда, бұл тоқ Iк коллекторлы
тоғының тек бiр бөлiгi ғана, өйткенi базадан
негiзгi емес тасымалдағыштардың кетуi
онда негiзгi тасымалдағыштардың компенсацияланған
көлемдi зарядын қалыптастырады. Бұл заряд
эмиттерлi ауысудың потенциалды тосқауылын
төмендетедi. Нәтижесiнде эмиттер көмегiмен
база аймағына инжекцияланатын заряд
тасымалдағыштарының саны көбейедi, Iк
коллекторлы тоғының өсуiне себеп болады.
Сонымен, фототранзисторды фототоқ бойынша
күшейту орындалады, бұл оның фотодиодқа
қарағанда сезiмталдығын жоғары екенiн
көрсетедi. База шықпасын қолданбаған
фототранзистордың ВАС-сы ортақ эмиттерлi
сұлба бойынша қосылған биполярлы транзистордың
сипаттамаларына ұқсас. Айырмашылығы
фототранзисторда басқару параметр База
тоғы емес, жарық ағымы болып табылады.
Фотодиодтың қасиеттерi қарапайым тиристорлардың
қасиетiне тән, тек айырмашылығы – фототиристор
басқару тоғының импульс көмегiмен емес,
жарықтың импульс көмегiмен қосылады.
Оптрон (оптопара) Оптрон – бiр-бiрiмен
бiр корпуста оптикалық түрде, электрлiк
түрде немесе бiр уақытта екi байланыс
түрiмен де байланысқан сәуле шашу көзi
және сәуле қабылдағышы бар жартылайөткiзгiштiк
аспап. Сәуле қабылдағыш ретiнде фоторезистор,
фотодиод, фототранзистор немесе фототиристор
қолданылатын оптрондар кеңiнен пайдаланылады.
Резисторлы оптрондарда кiрiс тiзбегiнiң
режимi өзгерген кездегi шығыс кедергiлерi
107-108 рет өзгеруi мүмкiн. Сонымен қатар
фоторезистордың вольт-амперлi сипаттамасы
жоғары сызықтылықпен және симметриялылығымен
ерекшеленедi, бұл резисторлы оптопараларды
аналогты құрылғыларда кеңiнен қолдану
себебiн көрсетедi. Резисторлық оптрондардың
кемшiлiгi жылдамдығының төмендiлiгiнде
– 0,01-1с. Цифрлық ақпараттық сигналдарды
тасымалдау тiзбектерiнде негiзiнен диодты
және транзисторлы оптрондар, ал жоғары
вольтты аса нақтылықты сигналдарды оптикалық
түрде коммутациялау тiзбектерi үшiн –
тиристорлы оптрондар қолданылады. Тиристорлы
және транзисторлы оптрондардың жылдамдығы
5-50мкс диапазонын қамтитын қайта қосылу
уақытымен сипатталады. Сәуле шашушы диод
тура бағытта, ал фотодиод – тура (фотогенератор
режимiнде) бағытта, немесе кері бағытта(фототүрлендіргіш
режимiнде) қосылуы тиiс. Құрылымға берілетін
сыртқы кернеудің мәніне байланысты 1
және 2 ауысулар тура бағытта ығысады,
ал кернеудің бәрі коллекторлық режимде
жұмыс істейтін екінші ауысуда болады.
Бiр уақытта жарық энергиясы таратқышы
және қабылдағышы болып табылатын оптоэлектронды
аспап оптопара деп аталады. Оптопара
үшiн кiрiс және шығыс параметрлерi болып
электрлiк сигналдар алынады. Кiрiс және
шығыс параметрлерi арасында гальваникалық
байланыс болмайды.
ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ДИОДТЫҢ ҚОЛДАНЫЛУ САЛАСЫ
Егер р-n ауысуы бар кристалға сыртқы кернеу түсірсе не болатынын қарастырайық. 23 – суретте а) кернеу жоқ кездегі АБ ауысу аймағы бар осындай кристалл бейнеленген. Бұл жағдайда, АБ ауысу аймағындағы өріс жасаған, n – аймақтағы кемтіктердің диффузиялық ағыны, р – аймақтағы кемтіктердің қарсы ағынына тең. Бұл айтылғандар қарсы ағатын электрондарға да қатысты, сондықтан кристалда ток болмайды.
Кристалға р – аймағындағы потенциалы n – аймағындағы потенциалға қарағанда жоғары сыртқы кернеу берейік (23-сур.,б). АБ қабатының кедергісі үлкен болуы салдарынан, 1 В-тан аспайтын бұл барлық кернеу, тікелей осы қабатқа түседі, ал кристалдың басқа бөліктерінде сыртқы кернеудің болуы әсер етпейді. Бұл кезде АБ аймағында өріс, сыртқы өріс ішкі өріске қарсы бағытталғандықтан, әлсірейді, ал аймақтың өзі жіңішкереді.
Бұл р-n ауысу арқылы кемтіктер мен электрондардың қарсы ағындарының арасындағы жылжымалы тепе-теңдікті бұзады. АБ аймағындағы өрістің әлсіреуінен солдан оңға қарай кемтіктердің және оңнан солға қарай электрондардың диффузиялық ағындары артады, сол кезде жылжымалы тасымалдаушылардың қарама-қарсы ағындары өзгермей қалады. Демек, кристалл арқылы р – аймақтан n – аймақ бағытында ток жүреді. Бұл кездегі кристалдағы токты және түсірілген кернеуді тура деп атайды.
Айта кету керек, тура ток кемтіктер тогы
мен электрондар тогының қосындысынан
тұратындықтан, бұл қосылатын токтардың
тепе-теңдігі тіптен
23 – сур.
міндетті емес. Ауысу арқылы өтетін, кемтіктер жасаған ток, электрондар жасаған токтан ондаған және жүздеген есе үлкен болуы мүмкін, және де керісінше. Егер n – аймақта n-типті қоспаның концентрациясы үлкен болмаса (яғни жартылай өткізгіш айқын n-типті), ал р – аймақта р-қоспаның концентрациясы үлкен болса, онда токтың кемтіктік бөлігі, оның электрондық бөлігінен әлде қайда үлкен болады.
Егер ауысудағы сыртқы кернеуді біртіндеп арттырта берсе, онда оның шамасы түйісу потенциалдар айырымына жақындаған сайын кристалл арқылы өтетін түзу токтың өсуі жылдамдай бастайды. Мысалы, германий кристалының р-n ауысуындағы кернеу 0,5 В болғанда тура токтың тығыздығы 104 А/м2 шамасындай болады.
Енді р-n ауысуға кері полярлы сыртқы кернеу түсірілген жағдайды қарастырайық: n – аймаққа оң потенциал берілген (23-сур.,в). Бұл жағдайда р-n ауысуындағы АБ аймвқ кеңейеді, ал АО аймақтағы теріс заряд және БО аймақтағы оң заряд артады, яғни р-n ауысуында өріс күшейеді.
Демек, кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағындары кемиді, себебі р-n ауысуының тежеуші әсерін жеңу үшін енді үлкен энергия керек болады және мұндай энергиясы бар кемтіктер мен электрондар аздап қана кездеседі. Электрондар мен кемтіктердің қарсы ағындары бұл кезде өзгермей қалады және олар диффузиялық ағындардан басым бола бастайды. Сондықтан,
n – аймақтан р – аймаққа бағытталған қорытқы ток пайда болады.
Қарастырылып отырған жағдайдағы р-n ауысуға түсірілген кернеу және ол арқылы өтетін ток кері деп аталынады. Бірақ n – аймақтағы кемтіктер және р – аймақтағы электрондар өте аз, өйткені көрсетілген аймақтар үшін бұл зарядтарды негізгі емес тасымалдаушылар. Сондықтан кері токтың тығыздығы өте аз. Кремний жартылай өткізгіштік диодтарда ол сыртқы кернеу жүздеген вольт болғанда бір квадрат метрге бірнеше миллиампер келеді.
Кернеу артқан сайын кері ток жайлап өседі және кернеудің кейбір мәндерінде ол тіптен оған тәуелді болмай қалады (қанығу тогы). Бұл былай түсіндіріледі, жеткілікті үлкен кері кернеуде (германий үшін 0,1 – 0,2 В) кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағындары тіптен жойылып кетпейді, өйткені негізгі емес тасымалдаушылардың қарсы ағындары кернеуге тәуелді емес, сондықтан кернеу әрі қарай артқанда кері ток өзгермей қалады.
Сонымен, егер р-n ауысуында тура кернеу вольттің бөлігімен өлшенсе, онда ол арқылы өтетін токтың шамасы ампердің бөлігімен өлшенеді (орташа қуатты түзеткіштер үшін). Егер кері кернеу жүздеген вольтпен өлшенген кезде де, онда р-n ауысуы арқылы өтетін токтың шамасы микроампердің жүздеген және мыңдаған бөліктерімен өлшенеді. Демек, р-n ауысуы бар кристалл диодқа ұқсас; р-n ауысу вентиль сияқты қызмет атқарады: токты бір бағытта өткізеді (ауысу ашық) және оны кері бағытта өткізбейді (ауысу жабық). Осындай диодқа тізбектей жүктік кедергі жалғап және оларға айнымалы кернеу беріп (24-сур.), біз іс жүзінде жүктеме тізбегінде бағыты бойынша тұрақты ток аламыз.
24 – сур.
25 – суретте диод пен жүктемеге, ток көзінен берілген, айнымалы токтың графигі бейнеленген. Айталық ток көзі кернеуінің Uкөз өзгеруінің бірінші
25 – сур.
жарты периодында (25-сур.,а) диод өткізетін бағытта жалғассын. Бұл кезде диодтағы кернеу өте аз (25-сур.,б), және тура токты кедергісіз өткізеді, ол барлық қалған кернеу жүктемеге түседі (25-сур.,в). Бұл қоректендіру көзі беретін кернеу диод пен жүктеменің кедергілеріне пропорционал бөлінетінімен түсіндіріледі. Өткізетін бағытта қосылған диодтың кедергісі аз болғандықтан, периодтың бірінші жартысының барлығында барлық түсірілген кернеу жүктемеге келеді.
Периодтың келесі жартысында диод жабық, оның кедергісі өте үлкен, сондықтан барлық кернеу диодқа түсірілген болып шығады, ал тізбекте ток жоқ. Бұл жоғарыда айтылғандардан, дербес жағдайда, жартылай өткізгіштік диодты тізбекке жүктемелі кедергісіз қосуға болмайды.
Жартылай өткізгіштік диодтардың ең бір мәнді кемшілігі – температура артқан кезде олардың түзеткіштік әсерінің нашарлауы болады. Бұл температура көтерілгенде «электрон-кемтік» жұбтарының генерациясының артуымен түсіндіріледі. Бұл процесс негізгі емес жылжымалы зарядтарды тасымалдаушылар концентрациясының артуына алып келеді; n – аймақта кемтіктердің және р – аймақта электрондардың. Демек, диодтың температурасы көтерілгенде кері ток артады, яғни диодтың түзеткіштік сапасы нашарлайды. Сондықтан, іс жүзінде әрбір жартылай өткізгіштік диод үшін оның жұмысының температуралық шегі болады, бұл шек жартылай өткізгіштің атомынан электронды жұлып алуға қажетті энергияға тәуелді (яғни «электрон-кемтік» жұбын жасауға қажетті энергия). Кремнийлік диод үшін оның жұмысының шекті температурасы 200 0С-ден аздап кем, ал германийлік диод үшін мұнан да кем. Кремний карбид негізінде жасалынған диодтар 500 – 6000 С температуралар кезінде де жұмыс істейді.
Алмаздағы көміртегі атомынан электрондарды жұлып алу үшін өте үлкен энергия жұмсау керек. Сондықтан алмаз негізінде жасалынған диодтар 9000 С шамасындай температурада жұмыс атқара алады. Алайда, алмазға қоспа ендіру кезіндегі қиыншылықтар, яғни р-n ауысуын алу кезіндегі, алмазды жартылай өткізгіш ретінде пайдалануға кедергі жасайды.
Жартылай өткізгіштік диодтардың артықшылықтары мыналар: жоғары ПӘК (германийлік және кремнийлік диодтардың ПӘК-і 90%-ға дейін жетеді), түзетілген токтың үлкен қуатында аз габаритті (ауысу ауданы 25 мм2 диод қуаты бірнеше ондаған киловатт токты түзете алады) және шамдық диодтарға қарағанда, едәуір механикалық беріктігі артық және қызмет ету уақыты ұзақ.
Соңында айта кететін нәрсе, екі әр текті металдардың түйісуінен болатын түйісу потенциалдар айырымы шоғырланған ауысу аймағы, р-n ауысуының қасиетіне ие бола алмайды және айнымалы токты түзету үшін пайдалануға болмайды. Бұл, біріншіден, ауысу аймағының екі жағында да жылжымалы зарядты тасымалдаушылар тек электрондар болып саналады және, екіншіден, ауысу қабатының қалыңдығы өте аз болғандықтан, электрондар бұл арқылы екі бағытқа да жеткілікті түрде еркін өте алады.
3.1 Жартылай өткізгіш диодтың электр өткізгіштігі
Салыстырмалы
түрде қосатын қоспамыз өте
аз болғанымен, оның алған материалымыздағы
абсолюттік шоғырлану шамасы
жеткілікті – алған
Ал егер жартылай өткізгіште үш электрондары бар индийді қоссақ, онда жаңа түзілген заттың атомының сыртқы қабатында электрон жетпей қалады. Яғни, бұл үш электрон жартылай өткізгіштің үш электронымен ғана байланысқа түседі де, төртіншіміздің орны бос қалады (2.1-сурет). Яғни, атомның сыртқы қабатында жеті электрон болады да, сегізінші орын, біреуі бос қалады. Дәл осы бос қалған орынға кез – келген еркін электрон келіп орналаса алады. Бұл жартылай өткізгішті р – типті деп атайды, ол латынның позитив (оң) деген сөзінен. Бұл – ойықты жартылай өткізгіш деп аталады. Электронды қосып алуға дайын тұратын мұндай қоспаны акцепторлық қоспа деп атайды. Бұл арада айта кетер бір нәрсе — қазақ тілінде донор деген сөзді береген, ал акцептор деген сөзді алаған дейді. Жалпы жартылай өткізгіштік қасиеттері бар материалдар көп емес, жоғарыда айтылғандармен бірге селенді де (Sе) айтуға болады. Мұндай материалдар қазір де де ізделіну үстінде. Өндірістік масштабта кеңінен қолданылатындардың бірі ретінде галлий арсенидін (GaAs) айтуға болады. Оның жұмыс температурасы Цельсий бойынша 3000 – қа дейін барады. Жалпы, есте болатын нәрсе – диэлектриктер мен жартылай өткізгіштердің арасындағы шекара тек шартты түрде ғана. Өйткені, температураны өте жоғары көтерген уақытта диэлектриктеріміз өздерін жартылай өткізгіш сияқты сезінеді. Ал өте төменгі температураларда жартылай өткізгішіміз диэлектрикке айналады.
Егер де біз жоғарыда айтылған n — типті және p — типті екі жартылай өткізгіштерді бір — бірімен қоссақ, онда диод деген құралды аламыз. Диод деген сөз гректің дио — екі деген сөзінен алынған.
Бұл екеуін диодтың екі электроды деп атайды. Олар оң таңбалы анод пен терѕс таңбалы катод. Диодтың ашық және жабық кездері болады. Ашық күйінде ол токты жақсы өткізеді де, жабық күйінде нашар өскізеді, сіпті өткізбейді деп айтуға болады. Егер де батереяның оң полюсын диодтың анодымен,ал теріс полюсын катодымен қоссақ, онда диод арқылы ток жүреді
Диодтың оң зарядты жағына қосылған ток көзінің оң полюсы жағындағы оң зарядтар диодтың өзі аттас зарядтарын өзіне итереді. Ал ток көзінің теріс полюс жағындағы теріс зарядтар диодтың теріс зарядтарын өзіне итереді. Ал диодтың өзіндегі оң және теріс зарядтар бір — біріне ұмтылып, электрондар бос орындарды, яғни ток жүре бастайды. Мұны диодтың тура тоғы дейді. Ал енді батареяны тізбекке керісінше қоссақ (2.5-сурет), яғни батареяның теріс полюсын диодтың анодына, ал оң полюсын катодына қоссақ, онда диод арқылы ток жүрмейді. Неге олай болатынын тағы да түсіндіріп көрейік. Мұндай жағдайда диодтың теріс, негативті n жағында ток көзінің оң полюсы (ойықтар) орналасады да, диодтың теріс полюсындағы электрондарды өздеріне тартады. Яғни, электрондар мен ойықтар бір-біріне ұмтылады. Ал диодтың оң полюсы жағында ток көзінің теріс полюсы орналасқан. Бұл жерде де оң полюстағы ойықтар теріс полюстағы электрондармен қосылуға ұмтылады. Сөйтіп, диодтағы оң полюстағы ойықтар мен теріс полюстағы электрондар бір — бірінен екеуі екі жаққа қашады. Екі ортада пайда болған ара қашықтықты потенциалды барьер деп атайды. Мұндағы « I тура » дегеніміз өткізетін тоғы -тура ток. Ал « I кері » дегеніміз — диодқа керісінше берілген ток - кері ток.
3.2 Диодтың вольт — амперлік сипаттамасы
Жалпы вольт
— амперлік сипаттама
Барлық диодтардың да вольт - амперлік сипаттамалары жоғарыда көрсетілген графикке ұқсас болады. Бұларды Д226А немесе Д242 деген сияқты белгілерменатайды. Мұндағы Д — диод деген сөз, ал тұрған сан заводтың конструкциялық рет саны. Ал соңындағы әріп — аспап тобының түрі. Кремнийден жасалған диодтардың тура кедергісі германийге карағанда сәл көбірек, ал кері кедергісі он есеге артық. Кремний диодының тағы бір артықшылығы оның жұмыс температурасының 180 — 200°С-ге дейін жететіндігі. Яғни ток тығыздығы жоғары. Осыған байланысты қуаттары бірдей болғанда кремний диодтарының көлемі кіші болып келеді. Бірақ та, табиғатта таза кремнийді алып, оны сол қалпында сақтау біраз қиыншылықтар туғызады. Соның салдарынан кремнийден жасалған жартылай өткізгіш аспаптар біраз қымбат тұрады. Ал кремний дегеніміз жер бетінде оттегіден кейін таралуы бойынша екінші орын алатын элемент.
ҚОРЫТЫНДЫ
Жартылай өткізгіш диод қазіргі кезде электроника саласында көп қолданыс табуда. Жалпы жартылай өткізгіштік қасиеттері бар материалдар көп емес, жоғарыда айтылғандармен бірге селенді де (Sе) айтуға болады. Мұндай материалдар қазір де де ізделіну үстінде. Өндірістік масштабта кеңінен қолданылатындардың бірі ретінде галлий арсенидін (GaAs) айтуға болады. Оның жұмыс температурасы Цельсий бойынша 3000 – қа дейін барады. Жалпы, есте болатын нәрсе – диэлектриктер мен жартылай өткізгіштердің арасындағы шекара тек шартты түрде ғана. Өйткені, температураны өте жоғары көтерген уақытта диэлектриктеріміз өздерін жартылай өткізгіш сияқты сезінеді. Ал өте төменгі температураларда жартылай өткізгішіміз диэлектрикке айналады.
- Жартылай өткізгіштік құралдар
- Жарык беру
- Жарып сою хаттамасы
- Жасанды және синтетикалық талшықтардан тоқылған маталардың ассортименті
- Жасанды интелект
- Жасанды интеллект
- Жас ерекшеліктік дағдарыстар, олардың мәні, құрылымы, мазмұны
- Жарочные шкафы
- Жар–Птица
- Жартылай бөлу әдісімен теңдеудің түбірін анықтау
- Жартылай өткізгіштердің металдардан және диэлектриктерден айырмашылығы
- Жартылай өткізгіштердің түрлері
- Жартылай өткізгіштер және жартылай өткізгіштік құралдар
- Жартылай өткізгішті диодтар
