Электронды және кемтікті шала

өткізгіштер түйіспесі (р-п өтпесі)

Электронды (n-түрлі) және кемтікті (р-түрлі) екі шала өткізгіштің кристалдарын алып, беттерін тегістеп бір-біріме түйістірелік (3,23-сурет). Түйіспе аймағында диффузияның салдарынан диффузиялық тоқ жүріп кемтіктер мен электрондар рекомбинацияға түседі.

Электрондар кемтіктерді толтырады да түйіс аймағында заряд тасымалдаушылар таусы­лып, тор түйін­дерінде орналасқан иондарға қалады: n-түрлі ша­ла өткізгіште иондар да, ал р-түрлі шала өткізгіште теріс иондар. Жалпы алғанда түйіс аймағында n-түрлі шала өткізгіш оң: зарядты да, ал р-түрлі шала өткізгіштер зарядты болып шығады. Осы себеп түйіспе аймағында кернеулігі n-түрлі шала өткізгішке бағытталған электр өрісі Е_б пайда болады.

Бұл өрісі кемтіктердің n-түрлі шала өткізгішке, ал электрондардың р-түрлі шала өткізгішке өтуіне қарсы әсер ететіндіктен диффузиялық үрдісті әлсіретеді. Сондықтан бұл өрісті бөгет өріс деп, ал өріс әсер ететін түйіспелік аймақты бөгеттік қабат деп атайды. Бөгет өріс негізгі заряд тасушыларға қарсы әсер еткенмен, негізгі емесі (бейнегізгі) заряд тасушыларды – n-түрлі шала өткізгіштегі кемтіктерді, р-түрлі шала өткізгіштегі электрондарды, қозғалысқа келтіреді. Негізгі емес заряд тасушылардың түзетін тоғын дрейфтік тоқ деп атайды. Диффузиялық тоқ пен дрейфтік тоқтың бағыттары қарама-қарсы, ал шамалары бірдей болады. Өйткені сыртқы тізбек болмағандыктан түйіспе арқылы заряд тасымалдаушылардың бір бағытта ғана қозғалуы мүмкін емес. Диффузиялық тоқ пен дрейфтік тоқ түйіспелік потенциалдар айырымының белгілі бір мәнінде теңеседі. Түйіспелік потенциалдар айырымы j_б түйіспелік потенциалдық тосқауылдың шамасын анықтайды (3,17.в-сурет). Түйіспелік потенциалдық тосқауыл негізгі заряд тасушылардың диффузиясына кедергі жасайды.

а) в)

Сурет 3,17. р-n өтпесінің түзілуі: а) р және n-түрлі шала өткізгіштер;

б) р-n өтпeсі; в) түйіспелік потенциалдық тосқауыл

Бөгеттік қабатта негізгі заряд тасымалдаушылар (кемтіктер мен электрондар) болмағандықтан оның кедергісі өте үлкен болады. Бөгеттік қабаттың ені ондағы негізгі заряд тасымалдаушылардың концентрациясына байланысты: негізгі заряд тасымалдаушылардың коцентарциясы артса, онда бөгеттік қабаттың ені азаяды және керісінше. Әдетте бөгеттік қабаттың ені 0,01-1 мкм шамасында болады.

Міне осындай р және п – түрлі екі шала өткізгіштің түйіспесін р-n өтпесі деп атайды.

Енді р-түрлі шала өткізгішті оң полюсімен, ал л-түрлі шала өткізгізшті теріс полюсімен жалғап, р-п өтпесін тұрақты кернеу көзіне қосалық (3,18.а-сурет). Өтпенің бөгеттік қабатының кедергісі басқа бөліктеріне қарағанда әлдеқайда көп болатындықтан өтпеге берілген кернеу түгелдей бөгеттік қабатқа түседі де, онда шала өткізгшіштен n -түрлі шала өткізгішке қарай бағытталған кернеулігі Е_с электр өрісін тудырады. Кернеу көзі тудырған электр өрісінің кернеулігі бөгеттік өрістің кернеулігіне қарсы бағытталғандықтан қорытқы электр өрісі әлсірейді де оның кернеулігі осы екі өрістің кернеуліктерінің айырымына тең болады. Осы себепті түйіспелік потенциалдар айырымы, яғни түйіспелік потенциалдық тосқауыл азаяды (3,17.б-сурет). Бөгеттік кабаттың кедергісі жұқарады да дрейфтік тоқ азайып, диффузиалық тоқ көбейеді.

а) б)

в) г)

Сурет 3,17. р-п еліесін кернеу көзіне тура және керісінше қосу (а, в)

мен түйіспелік потенциалдық тоскқауыл (б, г)

Түйіспелік қабаттың кедергісі азайып, онымен тоқ жүре бастайды. Бұл тоқты тура тоқ, ал р-n өтпесінің кернеу көзіне осылайша қосылуын (р-түрлі шала өткізгіш оң полюспен, n-түрлі шала өткізгіш теріс полюспен) тура қосылу деп атайды.

р-п өтпесін кернеу, көзіне керісінше, яғни р-түрлі шала өткізгішті теріс полюсімен, n-түрлі шала өткізгішті оң полюсімен қосса (26.в-сурет), онда кернеу көзі тудыратын өрістің кернеулігі мен бөгет өрістің кернеулігі бағыттас болады да түйіспелік потенциалдар айырымы және потенциалдық тосқауыл артады (34.г-сурет). Қорытқы өріс негізгі зарад тасымалдаушы бөлшектердің қозғалыс бағытына қарсы бағытталған-дықтан бөгеттік қабаттың ені және кедергісі артады. Шала өткізгіштерде негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясы өте аз болатындықтан кері тоқ деп аталатын дрейфтік тоқ та аз болады.

Сонымен, р-n өтпесі кернеу көзіне тура қосылғанда оның кедергісі аз болады да онымен тоқ жүреді, ал керісінше қосылғанда өтпенің кедергісі артады да онымен тоқ жүрмейді дерлік. Былайша айтқанда р-п өтпесінің вентильдік, яғни тоқты бір бағытта ғана өткізетін касиеті бар.

3,17.д-суретте р-n өтпесінің вольт-амперлік сипаттамасы кел-тірілген. Жоғарыда айтылғандай, өтпе тура қосылғанда кернеудің өсуі (U _т – тура кернеу) бөгеттік қабаттың кедергісін азайтады, сондықтан тоқ тез өсіп отырады (І_т – тура ток). Өтпе керісінше қосылғанда (U_к – кері кернеу) кернеудің өсуі бөгеттік қабаттың кедергісін арттырады да онымен өте аз тоқ жүреді (І_к – кері тоқ). Дегенмен, өрістің кернеулігі артқан сайын негізгі емес заряд тасымалдаушы-лардың саны көбейеді. Кері кернеу одан әрі өскенде бейнегізгі заряд тасымалдаушылардын энергиясы жоғарылап, атомдармен кездескенде оларды иондайтын болады. Кернеудің белгілі бір мәнінде заряд тасымалдаушылардың саны кенеттен өсіп, ал өтпенің кедергісі өте азайып кетеді.

Сондықтан кері тоқ та кенеттей өсе бастайды. Бұл құбылысты р-п өтпесінің электрлік тасқынды тесілуі деп атайды. Электрлік – тесілумен қатар, өтпеге кері кернеу берген кезде жылулық тесілу де байқалады. Егер р-п, өтпесінің температурасы оның номинал температурасынан асып кетсе, онда қызудың нәтижесінде заряд тасымалдаушылардың саны көбейеді де, ал өтпенің кедергісі азаяды. Егер осы үрдіс жүре берсе, онда кернеудің белгілі бір мәнінде өтпенің жылулық тесілуі мүмкін.

Әрине жылулық тесілуден кейін р-п өпесі істен шығып қалады, яғни «жанып» кетеді.

Бөгеттік қабаттың ауданының шамасы әр түрлі болады. Түзеткіштік диодтарды силицийден және германийдан жасайды. Силицийден жасалған ди­одтар 150-200ºС дейінгі, ал германийдан жасалған диодтар 85-100ºС дейінгі температурада жұмыс жасай алады.

Түзеткіштік диодтардың негізгі сипаттамасы вольт-амперлік сипаттама (3,18-сурет). Оның р-п өтпесінің вольт-амперлік сипаттама-сынан (3,19-сурет) ешқандай айырмасы жоқ. Тек түзеткіштік диодтар вольт-амперлік сипаттаманың тура бұтағында ғана жұмыс істейді.

Сурет 3,18. Түзеткіштік диодтың вольт-амперлік сипаттамасы мен графикалық шартты белгісі.

3,19-сурет. Стабилитронның вольт-амперлік сипаттамасы мен графикалык шартты белгісі

Стабилитрон. Тоғы өзгергенмен кернеуі тұрақты болып қалатың шала өткізгішті диод стабилитрон деп аталады. Стибилитрон әp түрлі құрығыларда кернеуді тұрақтандыру үшін, яғни кернеуді өзгертпей ұстап түру үшін қолданылады.

Стабилитрон р-п өтпесінің вольт-амперлік сипаттамасыниң кері, бұтағында жұмыс істейді (3,19-сурст). Вольт-амперлік сипаттаманың АВ бөлігінде ток өскенмен кернеудің тұрақты болып қалатындығы көрініп тұр. Стабилитрон тоғы осы аралықта жататын жүктемелер, үшін пайдаланылады. Ток одан әрі өскен кезде р-п өтпесі қатты қызып, электрлік тесілу жылулық тесілуге ұласуы мүмкін.

Стабилитронның негізгі параметрлері: сипаттаманың кернеуі тұрақты бөлігіндегі динамикалық кедергісі (Rj,- кернеудің тұрақты мәніне сәйкес минимал тоғы (І_ст.min); кернеудің тұрақты мәніне сәйкес максимал тоғы (І_ст.mах); кернеудің температуралық коэффициенті (TKU). Қазіргі кезде қолданылып жүрген стабилитрондардың тұрақтаңдыру кернеуі U_ст – 1-1000В, минимал тоғы І_ст.min =1-10 мА, максимал тоғы І_ст.max= 50-2000 мА, динамикалық кедергісі R_д =0,5-200 Ом, ал кернеудің температуралық коэффициенті:

TKU ^100% = (-0,5...+0,2)%/°С

шамасында жатады.

Варикап. Бөгеттік қабаттың бір жағында оң, екінші жағында теріс заряд пайда болатындықтан және осы зарядтар онда электр өрісін тудыратындықтан р-п өтпесінің электрлік сыйымдылығы болады. Жазық конденсатордағы секілді өтпенің сыйымдылығы түйіспенің ауданына тура пропорционал да, ал бөгеттік кабаттың еніне кері пропорционал. Бөгеттік қабаттың ені оған түсірілген кернеуге байланысты өзгеретіндіктен, р-п өтпесінің сыйымдылығы да кернеумен байланысты болады. р-п өтпесіне тура кернеу берген кезде түйіспеге өте аз кернеу түсетіндіктен оның сыйымдылығы да өте аз болады, ал түгелдей дерлік бөгеттік қабатқа түсетін үлкен кері кернеу онда әжептәуір сыйымдылық туғызады.

Сыйымдылығы кері кернеуден тәуелді өзгеріп отыратын шала өткізгішті диодты варикап деп атайды. Варикап электрлік сыйымдылығы бар элемент ретінде қолданылады.

Варикаптың сыйымдылығының кері кернеуден тәуелділігі (3,20-сурет) оның негізгі сипаттамасы болып есептеледі. Кері кернеудің шамасы өскен сайын бөгеттік қабаттың ені артады да варикаптың сыйымдылығы азаяды.

Варикаптың негізгі параметрлері ретінде оның жалпы сыйымды­лығы (C_в) мен сыйымдылықтың еселік коэффиценті (К_с) алынады.

Сыйымлықтың еселік коэффициенті деп варикаптың максимал сыйымдылығының (С_max) оның минимал сыйымдылығына (С_mіn) қатынасын айтады. Варикаптың көпшілігінің жалпы сыйымдылығы С_в – 10-500 пФ, ал сыйымдылықтың еселік коэффициенті К_с = С_тax/С_miп = 5-20 шамасында болады.

Фотодиод. Kepi тоғы p-n өтпесінің жарықталынуына байла­нысты өзгеріп отыратын шала өткізгішті диод фотодиод деп аталады. Фотодиодтар екі түрлі жұмыс әлпінде пайдаланылады: сыртқы қорек көзінсіз фотогенератор ретінде және сыртқы қорек көзімен фото-түрлендіргіш ретінде.

Фотодиод, қарапайым диод секілді, бір р-п өтпесінен тұрады. түйіспенің ауданы басқа диодтарға қарағанда әлдеқайда үлкен болады, өйткені сәуле осы ауданға перпендикуляр түсуі керек (3,21-сурет). р-п өтпесіне түскен сәуле фотондары қоздыратын валенттік электрондар өткізгіштік аймаққа өтеді. Осының салдарынан екі шала өткізгіште де заряд тасушы қос бөлшектердің (электрондар мен кемтіктердің) саны көбейеді. Түйіспелік потенциалдар айырымының әсерінен n-түрлі шала өткізгіштегі негізгі емес заряд тасымалдаушылар-кемтіктер р-түрлі шала өткізгішке өтеді де, ал мұндағы негізгі емес заряд тасымалдаушылар – электрондар n-түрлі шала өткізгішке өтеді. Сөйтіп, n-түрлі шала өткізгіште артық электрондар, ал р-түрлі шала өткізгіште артық кемтіктер пайда болады. Бұл фотодиодтың қысқыштарында потенциалдар айырымын, яғни фотоэлектрлік ЭҚК-ті тудырады. Фотоэлектрлік ЭҚК-тің мәні көптеген фотодиодтарда 0,5-0,9В шамасында болады және сәуле ағынынан тәуелді. Бірақ сәуле ағыны белгілі бір шамаға жеткенде р-п өтпесі заряд тасымалдаушыларға қанығады да фотоэлектрлік ЭҚК одан әрі өспейді.

Сурет 3,20. Варикаптың сыйымды-лығының кернеуден тәуелділігі және графикалык шартты белгісі

Сурет 3,21. Фотодиодтың құрылысы (а) мен графикалық шартты белгісі (б)

Егер фотодиодты кернеу көзіне қосып және жарықтандырса, онда тура кернеу берілгенде оның вольт-амперлік сипатта-масының (3,22-сурет) АВ бөлігінің генера-тор әлпіне сәйкес келетінін, ал кері кернеу берілгенде оның тоғының жарықтанды-рылмаған фотодиодқа қарағанда недәуір өсетінін көруге болады.

Фотогенератор әлпінде істейтін фотодиодтар күн сәулелерінің энергия-сын электр энергиясына түрлендіретін қорек көздері ретінде пайдаланылады. Оларды күн сәулелік элементтер деп атап, олардан күн сәулелік батарея құрайды. Бірақ мұндай күн сәулелік элементтердің пайдалы әрекет коэффициенті өте төмен – 20% шама­сында ғана.

Фотодиодтардың негізгі параметрлері болып интегралдық сезгіштігі және қараңғылық тоғы есептелінеді. Силицийден және германийдан жасалған фотодиодтардың интегралдық сезгіштігі 3 мА/лм және 20 мА/лм, ал қараңғылық тоқтары сәйкесінше 1-3 мкА және 10-30 мкА шамасыңда болады.

Фотодиодтар фотометрияда, фотоколориметрияда және телекескіндерді беру құрылғыларында қолданылады.

Жарық диоды. Ток жүрген кезде р-п өтпесінен жарық шығаратын шала өткізгішті диод жарық диоды деп аталады. Жарық диодтары негізінен цифрлық индикаторларда қолданылады.

р-п өтпесіне тура кернеу бергенде негізгі заряд тасымал-даушылардың пайда болуымен қатар, олардың рекомбинациясы да жүріп жатады. Рекомбинация кезінде бөлініп шығатын фотондардың энергиясы жарық сәулелерінің энергиясына тең болғанда, ол сәулелер көзге көрінетін болады.

Егер шала өткізгіште тыйым салынған аймақтың ені 1,7 эВ-тен артық болса, онда электрондар өткізтіштік аймақтан валенттік аймаққа қайтып оралғанда шығаратын фотондары көзге көрінетін жарық тудырады.

Жарық диодтары галлий арсенидтері мен фосфидтерінен және силиций карбидтерінен жасалады.

Жарықтылықтың токтан тәуелділігі жарық диодының негізгі сипаттамасы болып саналады (3,23-сурет). Токтың белгілі бір мәнінен бастап ток өскен сайын жарықтылықта өсіп отырады.

Бірақ кейін тоқ одан әрі өскенде заряд тасымалдаушылардың рекомбинациясы көбеймей бір мөлшерде жүріп отыратын-дықтан жарықтылық та өзгермей қалады.

Жарық диодының негізгі парметрлері: жұмыстық кернеулерінің төменгі және жоғарғы шекті аралығы мен инерциялылығы. Жарық диодының жұмыстық кернеуінің төменгі шекті мәні оның жарық шығара бастағандағы кернеуімен анықталса, ал жоғарғы шекті мәні шашырата алатын ең үлкен қуатымен анықталады. Жарық диодының инерциялылығы оның жарықтылығы максимал мәнінің 0,1 және 0,9 бөлігіне тең болған кездегі жану және сөну уақыттарымен анықталады.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: