Жартылай өткізгішті аспаптардың сипаттамаларын зерттеуге арналған зертханалық аспапты жобалау

Диффузиялық диодтарды газ, сұйық  немесе қатты түрдегі қоспаларды жартылай өткізгіш пластинасына диффузиялау арқылы жасайды. Егер қоспаның диффузиясы жартылай өткізгіш бетіндегі қорғаныс қабатының тесіктері арқылы жүрсе, онда планарлы рn-ауысуды аламыз.

Диффузионды диодтардың құймалы диодтардан айырмашылығы олардың өзіндік  сыйымдылығы және уақыт тұрақтысы мәнінің аздығымен ерекшеленеді.

 

 

2. Сыртқы кернеу болмаған жағдайда жартылай өткізгішті диодтың жұмыс істеу принципі

 

р-аумақтан n-аумаққа өтетін кемтіктер  және n-аумақтан р-аумаққа өтетін электрондармен негізделетін қарама-қарсы диффузия нәтижесінде қоспадағы қозғалысыз күйде  болатын иондардың зарядтары толықтырылмайды (р-аумақ үшін акцепторлық; n-аумақ үшін донорлық).

рn-құрылымның электрлік нейтарлдығын сақтау үшін рn-ауысу арқылы р-аумақтан n-аумаққа диффузияланған негізгі заряд тасымалдаушылар саны n-аумақтан р-аумаққа диффузияланған негізгі заряд тасымалдаушылар санына теңелуі қажет. N_n >> Р_р шарты орындалатындықтан көлемдік зарядтар аумағы база (n ) жақтан (р) эмиттерге қарағанда көп болады.

Қарама-қарсы диффузия нәтижесінде пайда болған көлемдік заряд негізгі заряд тасымалдаушыларды қарама-қарсы диффузияға кедергі жасайтын Е_зар керенулігі бар  электр өрісін пайда болдырады.

Сонымен pn–ауысу шекарасында контактілердің потенциалдық айырымы пайда болады, сандық мәнінде ол потенциалдық тосқауыл биіктігімен Δφ₀ сипатталады. Потенциалдық тосқауылды өту үшін заряд тасымалдаушылардың энергиясы жетпеген кезде диффузия тоқталады.

 

 

1.3 Тұрақты кернеу кезіндегі жартылай өткізгішті диодтың жұмыс істеу принципі

Тұрақты кернеу  U, Е_зар өрісін толықтыратын  Е электр өрісін пайда болдырады және осы кезде базаның (n) аумағына кернеу ұлғайған сайын I_пр диодтың тоғын болдыратын (1.1-суретті қара) кемтіктер (n-аумақтағы негізгі емес тасымалдаушылар) көбірек енгізіледі.  р-аумаққа қарама-қарсы (эмиттерге)

N_n  (n-аумақтағы n  электрондарды) инжекциясын, Р_р >> N_n шартын қолдана отырып ескермеуге болады.

 

 

1.3.1 Кері кернеу кезіндегі  жартылай өткізгішті диодтың  жұмыс істеу принципі

 

Кернеуден пайда болған Е–электр өрісі Е_зар  бағытымен сәйкес келеді, ол потенциалдық тосқауылдың биіктеуіне әсер етіп, негізгі заряд тасымалдаушылардың көрші аумақа  өтуіне кедергі болады (2.1–сурет). Электр өрістердің қосынды кернеуі негізгі емес заряд тасымалдаушылардың алынып тасталуына (экстракциясына) әсер  етеді: электрондарды р-аумақтан n-аумаққа және I_кері тоғын болдыратын кемтіктерді n-аумақтан р-аумаққа қарай өткізеді.

Негізгі емес заряд тасымалдаушылар  тосқаулдық сыйымдылықты немесе температураны  жоғарылатқанда I_Т(Т) жылулық тоғы деп аталатын I_oбр тоғын болдырады:

I_Т(Т)=2I_o ,                                             (2.1)

мұндағы  I_o –бөлме температурасындағы  T_о=300 К жылулық тоқтың мәні,

I_o (T) = I_o ; –жылулық тоқтың мәнін екі есе көбейткенге сәйкес температураның мәні (германий үшін   10, кремний үшін -7К); Т– абсолюттік температура.

 

 

1.4  Вольт-амперлік сипаттамалар

 

Кез-келген электр құралы үшін құрал  арқылы өтетін тоқ пен кернеу арасындағы тәуелділік маңызды болып табылады.  Осындай тәуелділікті біле отырып, берілген кернеуде тоқты анықтауға болады немесе керісінше. Құралдың R кедергісі тұрақты болып, тоқ немесе кернеуге тәуелді болмаса, онда тоқ пен кернеу арасындағы байланыс Ом заңына бағынады, I=U/R болады.

Берілген кернеудің  вольт-амперлік сипаттамасы (ВАС)–бұл тоқ пен кернеу арасындағы тәуелділік графигі. Ом заңына бағынатын құрылғы үшін ВАС түрі  1.3-суретте көрсетілген. Ондай құралдар сызықтық деп аталады.

 

 

1.3–сурет. Жартылай өткізгішті құрылғының сызықты ВАС-сы

 

R кедергісі тұрақты емес құрылғылар болады, ал ВАС координат басынан өтетін түзу сызық болып табылмайды. Бұндай құрылғылар сызықты емес деп аталады.

ЭДП жартылай өткізгішті диод болып  табылады. Диодтың сызықтық емес қасиеттері оның ВАС–нан көрінеді. Диодтың  ВАС-сы төмендегідей формуламен шешіледі:

I=I_о

мұндағы  I_о–қанығу тоғы; –pn-ауысудағы кернеу; Δφ_Т–рn–ауысудың шекарасындағы, U_сыртқы болмаған жағдайдағы (Т= 300 К Δφ_Т = 0,025 В болған кездегі) потенциалдардың контактілі айырымына тең жылулық потенциал.

Δφ_Т =

мұндағы k=1,38∙10^-23 Дж/град–Больцман тұрақтысы; Т–абсолюттік температура; q=1,6∙10^-19 Кл - электрона заряды.

 

                    а)       б)

 

1.4–сурет. а–идеалды рn–ауысудың; б–реалды диодтың статистикалық вольт–амперлік сипаттамасы

 

Бұл айналыммен сипатталатын ВАС, 1.4, б–суретте көрсетілген. pn-ауысудағы U_тура кернеуді көбейткен сайын диодтың I_тура –ғы күрт өседі. Сондықтан U_тура кернеудің болымсыз өзгерістері I_пр мәнін айтарлықтай өзгертеді, бұл U_тура кернеу арқылы түзілетін I_тура–ның  қажетті мәнін алуды қиындатады.  Сол үшін pn-ауысу үшін берілген I_тура мәні сәйкес келеді.

Келтірілген ВАС (1.4, а-сурет) рп-ауысудың иделалды ВАС–сы болып саналады. Ол рп-ауысудың көлемі мен бетінде болатын рекомбинациалы-генерациалы процесстерді ескермейді, ол рп–ауысу үздіксіз ұзындықта жіңішке деген қағидаға сәйкес салынған.

Реалды ауысу жіңішке болып табылмайды сол үшін U_кері кернеу кезінде I_ген генерациалық тоғын болдыратын электрондық-кемтікті жұбы пайда болады. Осы кезде U_кері кернеуін көбейткен сайын pn-ауысудың қалыңдығы да артады (Эрли эффектісі немесе база қалыңдығының модуляциясы) және, осыған сәйкес өндірілетін жұптардың  саны көбееді. Сондықтан U_кері кернеуін өсіргенде сол мезгілде I_кері тоғы да көбееді (1.4, б–сурет).

Жартылай өткізгішті кристаллдың беті кристаллдық тордың бұзылуы мен әр түрлі ластанулармен  сипатталады, ол pn-ауысудың бетіндегі рекомбинациалық-генерациалау процесстерін қосымша–ағып кететін I_ағу тоқтың пайда болуына әсер етеді.

Реалды ауысудың кері I_кері тоғы мынаған тең: I_кері=I_o+ I_ген+I_ағу

Қатынасты бөлігі I_ген және I_ут. сонымен қатар I_o6p былай болады: 

–германий үшін–I_ген / I_ут<<1; кремний үшін–I_ген/I_ағу≈1000;

–германий үшін–I_ағу=I_ген+I_ағу; кремний үшін I_ут >I_ген+I_ут

Айтылғандарға сәйкес германийлі диодтар үшін I_кері≈I_o деп санауға болады, кері тоқ жылулық тоқ болып табылады, сол үшін температураның үлкен өзгерістеріне ие болмайды және кремнийлі диодтардың кері тоқтары мәндерін бірнеше есе жоғарылатады. Кремнийлі диодтар үшін I_кері=I_ген+I_ағу

Реалды диодтын ВАС–сы 1.4, б-суретте (Т₂) көрсетілген. Белгілі бір уақытта U_кері кернеуі U_npoб мәніне сәйкес келеді, ол рn–ауысудың электрлік тесілуін болдырады (АВ кесіндісі). Егер осы кезде U_кері кернеуіне шек қойылмаса, онда электрлік тесілу жылулыққа айналады (В белгісінен кейінгі ВАС бөлігі). I_керітоғының осындай көтерілу процессі кремнийлі диодтарға тән.

Электрлік тесілу қайтымды, ол U_кері кернеуі азайған соң диодтың жұмысы ВАС–тың қайтымды тармағының  пологты бөлігіне сәйкес келеді. Жылулық тесілу–қайтымсыз процесс, өйткені ол жартылай өткізгіштің кристалдық торын бұзады.

Жылулық тесілу рn–ауысудығы тасымалдаушылар  санының өсуімен жүзеге асырылады. U_npoб кернеуінің бір  мәнінде диодта пайда болатын қуат Р_Д =U_кері∙I_кері  диодында ауысып үлгермейді, сол үшін ондағы температура мен I_кері тоқ көбееді, нәтижесінде қызып кету салдарынан диод бұзылады.  Германийлі диодтар үшін кремнийлі диодтарға қарағанда I_кері тоғы көбірек болады, жылулық тесілудің ықтималдылығы жоғары болады. Сондықтан айналадағы және рn–ауысудағы максималды жұмыс температурасы кремнийлі диодтар үшін германийлі диодтармен салыстырғанда жоғары болады (кремнийлі –75–90С; греманийлі –150–200С).

Диодтың I_пр тура тоғы айналадағы температураның жоғарылауына тәуелді болады,  I_кері тоқ мәнінен айтарлықтай аз дәрежеде болады. Температурасының өзгеруі кезіндегі ВАС-тың түзу тармағының өзгеру сипаты 1.4, б–суретте (T₁). T₁>Т₂, мұндағы Т₂≈300К (бөлме температурасында).

Диодтың ВАС түзу тармағының температуралық тәуелділігін анықтау мақсатында кернеу коэффициенті қолданылады (КТК):

КТК = ,                                                (2.3)

 

 

5. Диодтың негізгі параметрлері

 

Жартылай өткізгішті құрылғының қасиетін немесе жұмыс режимін (электр, механикалық, климаттық) сипаттайтын  шама параметр болып табылады.

Негізгі болып табылатын  электрлік параметрлердің бір бөлігіне дайындаушы мекеме кепілдік береді. Қалған электр параметрлерін анықтамалық  деп атайды. Анықтамада көрсетілетін параметрлерді жұмыстың номиналды  режиміндегі параметрлер және жұмыстың шектеулі режиміндегі параметрлер деп атайды.

Жартылай өткізгішті құрылғылар, сонымен қатар электродтарға  тұрақты және айнымалы тоқ көздеріне  қосуға болады.  Электронды құрылғылардың  жұмыс істеу принциптері айнымалы кернеудің жиілігіне тәуелді  болады.

Жартылай өткізгішті құрылғылардың жұмысы үш режимге бөлінеді: статистикалық, квазистатистикалық және динамикалық болып.

Егер электродтағы кернеу тұрақты болса, онда режимді статикалық деп атайды. Осы режимде барлық параметрлер өзгеріссіз қалады.

Егер параметрлер жұмыс режимінің кез-келген уақытында статикалық режимнен айырмашылығы болатындай және жартылай өткізгіш құрылғысы үшін статикалық режим (дәлдікте анықталған дәрежеде) заңдары қолданылатындай баяу жұмыс істесе онда бұндай режимді квазистатистикалық деп атайды.

Параметрлердің тым  болмаса біреуі уақытқа сәйкес өзгеретін  болса, ондай режимді динамикалық деп атайды.

Диодтардың қасиеттері мен олардың бір-бірінің жұмысын  атқару қасиеттері олардың параметрлері бойынша анықталады. Негізгі параметрлерге  ВАС-пен байланысты тоқтар мен кернеулер жатады (1.5–сурет).

Диодтарды айнымалы және тұрақты тоқ тізбектерінде қолданады. Сондықтан диодтар  қасиетін бағалау  үшін  тұрақты тоқ көзіндегі  параметрлермен қоса, диод арқылы өтетін айнымалы тоқ жұмысын сипаттайтын дифференциалдық параметрлер қолданылады, осы кезде ұзақ уақытта сенімді жұмыс істеуге болады. Осы тоқтың күші қызу немесе Р_тах максималды құатпен шектеледі. I_тура  тоғын көбейту жылулық тесілу және диодтың бұзылуына әкеп соғады.

Түзетуші диодтың негізгі параметрлерін атап өтейік.

Орташа түзетілген (тура) тоқ I_{орт түз}–рұқсат етілген қызудағы диод арқылы ұзақ уақыт бойы өтетін, түзелген тоқтың орташа мәні (жүздеген миллиампер–ондаған ампер).

Орташа тура кернеу U _{орт тура}–орташа түзелген тоқ кезінде анықталатын тура кернеудің түсуінің орташа мәні.

Рұқсат етілетін кері керену U_кері –диодты ұзақ уақыт бойы сенімді жұмыс атқаратын уақыттың максималды мәні. U_кері кернеуінің жоғарылауы диодтың тесіліп істен шығуына әкеп соғады. Температураны жоғарылатқан кезде U_кері кернеу мен I_кері тоқ мәндері азаяды.

Кері тоқ I_кері–рұқсат етілген U_кері кернеуі кезіндегі кері кернеудің орташа мәні (белгілі бір уақытта). I_кері тоқ азайған сайын диодтың түзету қасиеттері жақсарады.

Максималды тұрақты  немесе орташа (белгілі бір уақыттағы) қуат Р_тах - диод өз параметрлерін өзгертпей ұзақ уақыт бойы жұмыс істейтіндей диодпен таралатын құат.

Ауысудың максималды температурасы T_{пер тах}–жартылай өткізгіштің материалы (тыйым салынған аймақтың ені) мен оның легирлеу дәрежесіне тәуелді болады. Германий үшін ол 80–110 С, ал кремний үшін –150–220 С–ты құрайды.

Түзетуші режимдерінің есебі кезінде келесі параметрлер  қолданылады.

Айнымалы тоқтағы дифференциалдық  кедергі: r_диф =ΔU/ΔI  немесе r_диф= ∂U /∂I – тура тоқ аумақтарында.

Тұраты тоқтағы статикалық кедергі:

      r_{тура д} = U_пр/I_пр; r_пр.д >r_диф.пр–тура тоқ аумақтарында.

      r_кері.д =U_обрр/I_обр; r_обр.д >r_{диф.обр}–айнымалы тоқ аумақтарында.

Диод сыйымдылықтары: С_д=С_бар+С_диф + C_{корп.приб}.

 

 

1.6  Жартылай өткізгішті  диодтар

 

Түзетуші диодтар. Түзетуші диодтар айнымалы тоқтарды түзеу үшін қолданылады. Германий мен кремнийді материал ретінде қолданады. Түзетуші диод оған берілетін кернеумен басқарылатын электронды кілт тәрізді болады. U_тура қосқанда кілт тұйықталады, U_кері қосқан кезде кілт тұйықталмайды.

Тура кернеу U_тура кернеуі тусуінің есебінен пайда боған кезде ашық диодта жүктеме құрылғыдан түсетін түзетуші кернеу кірістегі кернеуден төмен болады. Керенудің түсуі Ом заңына сәйкес, тура бағытта  диод кедергісіне өтетін тоқ күшінің туындысынан табылады:

Ашық диодтағы U_тура кернеуінің мәні:

- германий диодтары үшін 0,5 В аспайды;