Жартылай өткізгіштердегі электрондардың шығу жұмысы

Жартылай өткізгіштердің люминесценциясы Люминесценция – белгілі температурадағы жылулық сәуле шығарудан артық шамада болатын, ұзақтығы жарық тербелістерінің периодтарынан біршама ұзақтау болатын (10^-10 с ж/ә одан да жоғары) спонтанды сәуле шығару. Жартылай өткізгіште люминесценция пайда болуы үшін жартылай өткізгіш атомын термодинамикалық тепе-теңдік күйінен шығару, яғни қоздыру керек. Олар қозған күйге электр өрісі (электролюминесценция), жартылай өткізгішті электрондармен атқылай (катодолюминесценция), арқылы (фотолюминесценция) немесе басқа да энергетикалық қозырулар арқылы өтуі мүмкін. Люминесценция кезінде жартылай өткізгіштегі энергия жұту мен жарық квантын шығару әрекеті уақыт бойынша аралық үдерістер арқылы ажыраған, сол себепті жартылай өткізгіштегі сәулелену қоздыру тоқтағаннан кейін де жалғасады. Жартылай өткізгіштегі сәуле шығару электронның төменгі деңгейге өтіп зона аралық рекомбинациясында немесе рекомбинациялық қармаушылардың қатысуы арқылы өтеді (1-сурет): тікелей сәулелік өту (СӨ) зона-зона; СӨ өткізгіштік зонадағы электронның ВЗ кемтікпен аралық акцепторлық деңгей арқылы рекомбинациялануы нәтижесінде (рекомбинациялық қармаушылар); СӨ жақын орналасқан 2-типті қоспаларда пайда болған донорлық және акцепторлық деңгейлері арқылы (рекомбинациялық қармаушылар); 1-3 үдерістерде ӨЗ және ВЗ қатысады, люминесценция рекомби-нациялық деп аталады. СӨ қоспалық орталық ішіндегі қозған күйден негізгі күйге өту. Люминесценция ішкі орталықты деп аталады; СӨ, экситондық күй арқылы рекомбинацияланумен байланысты. зона ішіндегі өту, әлсіз сәулелену бақыланады;сәуле шығармайтын өтулер, сөндіру орталықтарының деңгейлері арқылы жүреді.Люминесценция орталықтарынан басқа сөндіру орталықтарын туғызатын қоспа деңгейлері болады. Осы орталықтар арқылы рекомбинациялану кезінде сәуле шығару болмайды; 8 және 9 – қоздыру энергиясы жылу энергиясына айналатын өтулер.

Жартылай өткізгіштік интегралды микросхемаларЖартылай өткізгіштік ИМС деп элементтері жартылай өткізгіштік материалдың бетінде немесе көлемінде орындалған микросхеманы айтады. Жартылай өткізгіштік микросхемаларды дайындау үшін кремний қолданылады. Жартылай өткізгіштік ИМС дайындағанда дискретті жартылай өткізгіштік құралдарды дайындауда қолданылатын әдістерді қолданады. Бір кристалда жасалған жартылай өткізгіштік ИМС бір-бірінен электрлік оқшауланған және сонымен бірге функционалдық қызметіне сәйкес жалғанған болуы керек.Изоляциялау арнайы диэлектриктің көмегімен (кремний тотықтары) немесе кері қосылған p-n – ауысуы арқылы жасалынады. p-n – ауысуы арқылы изоляцилағанда р – типті кремний кристалына диффузия әдісімен n- типті қалта деп аталатын облыс жасалынады (1- сурет). Қалтаға қажетті активті және пассивті элементтер орналастырылады. Ал қалта мен кристалл арасындағы p-n – ауысуына ИС тұрақты кері кернеу беріледі. Кремнийлік p-n – ауысуының кері кернеу жағдайындағы кедергісі өте жоғары болады, ол изоляция қызметін атқарады.

Жартылай өткізгіштік фотоэлементтер Жартылай өткізгіштердің тыйым салынған зонасының еніне және заряд тасушыларының рекомбинациялану ерекшелігіне байланысты спектрдің инфрақызыл, көрінерлік және ультракүлгін бөліктеріне жататын жарық алуға болады. Сары, қызыл және жасыл жарық беретін диодтар көбірек қолданылады. Тіпті беретін жарығының түсін өзгертуге болатын диодтар да бар. Жарық көзі ретінде қолданылатын жарық диодының конструкциясы 2 суретте келтірілген. Ковардан не керемикадан жасалған баллон ішінде жартылай өткізгіш кристалы орналастырылады, баллонның жоғары жағы шыныдан немесе эпоксидті смоладан жасалған линзаны ұстап тұрады. Линзаның көмегімен кристалдан шығатын сәулеге белгілі бағыт беруге болады. Жарық диодтарын жасау және пайдалану электроникалық тағы бір перспективалы саласы болып табылатын оптоэлектрониканың қалыптасуына және дамуына өз ықпалын тигізді. Оптоэлектроника жарық энергиясын электр энергиясына және электр энергиясын жарық энергиясына бірдей түрлендіру процестерін зерттейді. Біз жоғарыда жартылай өткізгішті диодтардың бірнеше түрін қарастырдық. Дегенмен диодтар сол айтылған түрлермен шектеліп қалады деп түсіну қате болар еді. Қазіргі кезде олардан басқа жоғары жиілікті диодтар, импульстік диодтар, параметрлік АЖЖ диодтар да қолданылады. Олар негізінен жоғарғы жиілікте жұмыс жасайтын ұүрылғыларда пайдаланылады

Жарық диоды және оның негізгі сипаттамалары Жарық диодтары деп p-n өтуінде жарық шығаратын, электр энергиясын оптикалық сәуле шығаруға түрлендіретін жартылай өткізгіштік құралды айтады. Жарық диодтарының жұмыс істеуі p-n өтуінде ток өткенде пайда болатын электролюминесценция құбылысына негізделген. Оптикалық диапазонда сәуле шығаратын күрделі жартылай қоспалардың негізі галий, мышьяк, кремний карбиді болып табылады. Олар жарық диодтарын дайындайтын материал болып табылады. p-n өтуі тура кернеу бергенде (2- сурет) негізгі емес ток тасымалдаушылар инжекцияланып негізгі тасымалдаушылармен рекомбинацияланады. Рекомбинациялану кезінде артық энергия жарық түрінде бөлініп шығады. Рекомбинациялық сәуле жартылай өткізгіштің p-n шекарасына жақын қабатта генерацияланып, n- облысы арқылы сыртқа шығарылады. Жарық шығаратын беттің ауданы бірнеше мм² аспайды. Жазық және жартылай сфералық сәуле шығаратын беті бар жарық диодтарының схемалық құрылымы 3– суретте келтірілген. Жарық диодының жартылай өткізгіштік құрылымы пластмасса немесе сәуле шығаратын терезесі (линза) бар металл қорапшаға орналастырылады. Жарық диодының мөлшері қосылуға арналған сымдарымен бірге бірнеше мм ғана болады. Диодтың материалы мен ондағы қоспа мөлшеріне байланысты шығаратын сәуле қызыл, сары, жасыл, көк түске өзгеріп отырады. Жарық диодтарының негізгі параметрлері мен сипаттамаларын қарастыралық. 2- сурет. Жарық диодының жұмыс істеу принципін түсіндіруге арналған схема.

Жоғары жиілікті диод АЖЖ аймағында (жүздеген мегагерц) жұмыс істегенде диодтың эквивалентті сұлбасында тосқаулдық және диффузиялық сыйымдылықтардың болуынан түзеткіш диодтағы токтың шамасы азаяды. Тосқауылдық сыйымдылық шамасын нүктелік диодтар қолдану арқылы азайтуға болады. Металл – жартылай өткізгіш контактысындағы түзетудің ерекшелігі жартылай өткізгіш кристалына негізгі емес тасымалдаушылардың инжекциясынсыз түзету мүмкіндігінің болуы. Негізгі емес тасымалдаушылардың инжекциясының болмауы диод базасында жинақталу және таралу үдерісін тудырмайды. Осы үдерістердің болуы мен өту уақыты p-n ауысуындағы диффузиялық сыйымдылықтың шамасын анықтайды және жартылай өткізгіштік диодтардың жұмыс істеу диапазонын шектейді. АЖЖ диодтардың негізгі сипаттамалары: берілген тура токтағы І_тура тұрақты тура кернеудің U_тура кемуі; берілген кері кернеудегі тұрақты кері ток І_кері; ең үлкен тура ток І_{тура max} – ұзақ уақыт жұмыс істегенде берілген сенімділік қамтамасыз етілетін тұрақты тура токтың ең үлкен мәні; ұзақ уақыт жұмыс істегенде сенімділікті қаматамасыз ететін кез келген форма мен периодтағы диодтағы рұқсат етілген максималь кері кернеу U_{кері max}; шекті (максималь) жиілік f_max – төменгі жиіліктегі токпен салыстырғанда диодта түзетіліген токтың шамасы 70  азаятын жиілік. АЖЖ диодтардың маңызды сипаттамасы болып берілген жүйе кірісі мен шығысындағы сигнал қуаты шамасының шулар қуаты шамасына қатынасының өзгерісі арқылы анықталатын шулар коэффициенті саналады. Тағайындалуы мен қолдану облысына байланысты АЖЖ диодтарды негізінен үш топқа бөлуге болады: детекторлық, АЖЖ тербелістерді детектрлеуге арналған; араластырғыш, жиілікті түрлендіру сұлбаларында жұмыс жасауға арналған;ауыстырып қосқыш, АЖЖ тораптарды тез коммутациялауға арналған. Детекторлық АЖЖ диодтарды АЖЖ тербелістердің радиоимпульстарын детектерлеу үшін қолданады. Осы диодтар қолданылатын құрылғыларды детекторлар деп атайды. Детекторлық диодтарда металл-жартылай өткізгіштің нүктелік контактысының түзетуші қасиеті қолданылады.Өткізу шығыны L_п - ауыстырып қосқышы бар диодты коммутациялық құрылғыға берілетін АЖЖ қуаттың P₀ осы құрылғы арқылы өтетін диод АЖЖ сигналды өткізу кезіндегі қуатқа Р_ип қатынасын айтады. L_б сипаттамасының мағынасы сондай, бірақ, P₀ қуатының коммутациялық құрылғы арқылы өтетін АЖЖ сигнал бекіту жағдайындағы қуатқа қатынасы алынады.Ауыстырып қосу уақыты t_ақ диод базасындағы негізгі емес тасымалдаушылардың жинақталу және таралу үдерістерінің ұзақтығымен анықталады.

Заряд тасушылардың диффузия және дрейф токтары Дрейфтің орташа жылдамдығы электр өрісінің Е кернеулігіне пропорционал  - пропорционалдық коэффициент, қозғалғыштық деп аталады. Скалярлық теңдіктегі «» таңбасы, жылдамдық векторы өрістің кернеулік векторына қарама-қарсы бағытталатындығын көрсетеді. j_ДР= j_{n ДР}+ j_{p ДР} = ( qn_n+ qp_p)Е 2

-

. Диффузиялық ток.Дрейфке себеп, grad()=d/dx=E потенциал градиенті болатын сияқты, диффузияға да, dn/dx концентрация градиенті себеп болады. Диффузия – концентрациясы көп аймақтан, концентрациясы аз аймаққа қарай бөлшектердің бағытталған қозғалысы (заттардың концентрациясының өз бетімен теңелуі)

Импульстық диодИмпульстық техникада нүктелік, қорытпалық және диффузиялық импульстық диодтар қолданылады (1- сурет) суретНүктелік диодтар (1а – сурет) электрондық техниканың дамуының алғашқы кезеңінде кеңінен қолданылды. Оларды дайындауда қалыпқа құю принципі қолданылады: контактылық сымның жалғанатын жері 1 мен жартылай өткізгіштік кристалл 2 арқылы ток импульсы өткізіледі, нәтижесінде контакт орнында p-n ауысуы түзіледі. Қорытпалық диодтарда (1а- сурет) p-n ауысуы электрон өткізгіш жартылай өткізгіш кристалына акцепторлық қоспасы бар қорытпа бөлігін балқыту арқылы алынады. Кремнийлік қорытпалық импульстық диодтарды жасағанда кремний кристалының ұшына жіңішке алюминий сымының ұшы балқытылып құйылады. Суығаннан кейін балқу орнында алюминиймен байытылған кремнийдің жіңішке қабаты пайда болады. Электрон өтімділікті монокристалл мен күшті легреленген р-қабатының шекарасы p-n ауысуы болады. Диффузиялық диодтарды (1б-сурет) донорлық және акцепторлық қоспалардың қатты жартылай өткізгішегі диффузия әдісі қолданылады. Бет астына қандай да бір тереңдікке енген диффузияланатын атомдар кристалдың осы бөлігінің өткізігіштігінің түрін өзгертіп, нәтижесінде p-n ауысуы пайда болады. Аз сыйымдылық алу үшін беткі қабат өңделеді, нәтижесінде p-n ауысуы басқаларынан стол сияқты биікте орналасқан аз бөлікте туындайды. Мұндай кристал мезақұрылымды деп аталады.Импульстық диодтың негізгі электрлік сипаттамалары: импульстық тура кедергі R_имп. – диодтағы ең үлкен импульстық кернеудің оны туғызатын импульстық токқа қатынасы; кері кедергінің қайта қалыптасу уақыты _қалып. – токты тура бағыттан керіге өзгерту уақытынан кері ток берілген мәніне шейін азайғанға дейінгі уақыт; түзетілген ток І_тура – диод арқылы өтетін токтың орта шамасы; токтың максималь импульсы І_{имп. max} - рұқсат етілген, импульстың берілген ұзақтықтығындағы токтың ең үлкен мәні (диодты бүлдірмейтін); диодтың ең үлкен сыйымдылығы С_Д –берілген кернеудегі диод қысқыштары арасындағы сыйымдылық Импульстық диодтар үшін тұрақты ток өткендегі І_т тура кернеудің шамасы U_т және кері кернеу U_кері берілген жағдайдағы кері токтың шамасы І_кері көрсетіледі. Шекті режимдер U_{кері. max} кез келген формадағы және периодтағы диодтағы максималь кері кернеудің шамасы және І_т.max тура және тұрақты немесе ұзақ уақыттық жұмыстағы импульстық токтың шамасымен анықталады.

Интегралдық микросхемалардың шартты белгіленуіИМС белгілеу жүйесі. Микросхемалар сериямен шығарылады және олардың элементтері элекрлік параметрлері бойынша келісілген және бірыңғай конструкторлық технологиялық негізде жасалынған. Жаңадан қайта жасалынатын және кемелдендірілген ИМС үшін шартты белгілеудің мынадай жүйесі қабылданған: 1-элемент – сан – микросхеманың конструкциялық-технологиялық орындалуын белгілейді (1, 5, 7- жартылай өткізгіштік; 2, 4, 6, 8 – гибридтік; 3- басқалары – пленкалық, керамикалық және т.б.);2- элемент – екі сан – берілген серияның жасалуының реттік номерін көрсетеді;3- элемент – екі әріп – функционалдық тағайындалуы бойынша ИМС түрі мен тобын көрсетеді (мысалы, УН – усилитель низкой частоты);4- элемент – сан – берілген сериядағы осы микросхеманың жасалуының реттік номерін көрстеді;5-элемент – әріп – бір типтегі ИМС қандай да бір параметрі бойынша өзгешелігін көрсетеді.

Қатты денелер шекарасындағы потенциалдық тосқауыл

МДЖ транзистордың жиіліктік сипаттамалары

МДЖ транзистордың параметрлері МДЖ-транзисторлар (құрылымы: металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) кремнийден жасалады. Диэлектрик ретінде SiO₂ кремний қос тотығы пайдаланылады. Диэлектриктің болуы кіріс кедергісінің жоғары болуын қамтамасыз етеді (1012-1014Ом). МДЖ-транзисторларлардың жұмыс істеуі жартылай өткізгіштің диэлектрик шекарасында көлденең электр өрісінің әсерінен беттік қабатының өткізгіштігінің өзгеруіне негізделген. Жартылай өткізгіштің беттік қабаты транзистордың ток өткізгіш арнасы болып табылады. МДЖ-транзисторларының екі түрі бар: орнатылған арналы және индукцияланған арналы.Орнатылған арнасы бар МДЖ-транзистордың ерекшелігін қарастыралық (5- сурет). р- типті кремнийден жасалған пластинкалық негізде диффузиялық технологиямен n-типті екі аумақ жасалынады. Оларға металл электродтары жалғанады, бұлар: бастау-құйма. Бастау мен құйма арасында өткізгіштігі n-типті болатын жұқа беттік арна болады. Бастау мен құйма арасындағы бет өте жұқа (0,1 мкм) диэлектрик жалатылады. Диэлектрикке металл электрод-бекітпе жалғанады. Диэлектриктің болуы өрістік транзистордың бекітпесі екі түрлі басқарушы кернеу бері мүмкіндігін туғызады.Бекітпеге өріс арқылы оң кернеу бергенде кемтіктер арнадан төсенішке қарай қозғалады, ал электрондар арнаға тартылады. Арна негізгі тасымалдаушылар электрондармен байытылып, оның өткізгіштігі ұлғаяды және құйма тогы да артады. Бұл режим байыту режимі деп аталады. Бекітпеге бастауға қатысты кері кернеу бергенде электрондар төсенішке қарай жылжиды, ал кемтіктер төсеніштен арнаға қарай тартылады. Арнадағы негізгі тасымалдаушылар азайып, оның өткізгіштігі кемиді және құйма тогы азаяды. Бұндай режим азаю режимі деп аталады. 5- сурет n- типті орнатылған арнасы бар МДЖ- транзисторының құрылымы (а); оның құймалық сипаттамалары (б); құйма-бекітпелік сипаттамалары (в). n- типті индукцияланған арнасы бар