Тепе-теңдік жағдайындағы электрон-кемтіктік ауысу

Тиристордың құрылысы мен жұмыс істеу принципіТиристор - үш немесе одан да көп р-n ауысуынан тұратын,тұрақты екі күйі бар және бір күйден екі-.нші күйге басқару импульсі арқылы ауысып-қосылу мүмкіндігі бар электрондық құрал. Тиристордың тек екі күйі бар: толық ашық немесе толығымен жабық. Сондықтан да оны үздікті электрондық құралдар қатарына жатқызу керек.Тиристорлар электродтар санына қарай екі электродты динистор және үш электродты тринистор болып бөлінеді. Динистордың екі ғана электроды (анод пен катод) болғандықтан, оның кернеу түсірілетін кірісі мен шығысы бір болып, басқарылу мүмкіндіктерін шектеп, қолдану ауқымдарын тарылтады. Тринисторда да шығыс кернеулері анод пен катодтан алын-ғанымен, оны меңгеру басқару электродының көмегімен атқарылып, оның пайдалану мүмкіншіліктерін кеңейтеді. Басқару электроды арқылы тиристордың тек қосылуы орындалып, ал оның тогын тоқтату анод арқылы жүргізіл-се, мұндай тиристор бір операциялық немесе толық басқарылмайтын, тіпті жабылмайтын тиристор деп аталады. Токты қосу да, ажырату да басқару электродының көмегімен атқарылатын болса, ондай тиристор екі операциялық (қосылу, ажыратылу) толық басқарылатын, жабылатын тиристор деп аталады.Екі тиристорды қарама-қарсы параллель қоссақ, онда айнымалы токты екі бағытта да өткізіп, оны реттей алатын симметриялық тиристорды, яғни симисторды аламыз. Шетел әдебиеттерінде оның екі электродтысы – диак деп, үш электродтысы – триак деп аталады. Тиристордың пайдалану өрісі. Тиристордың пайдалану өрісі айтарлықтай кең. Бір кездердеол тіпті әртүрлі генераторлар, триггерлер т.б. аз қуатты құрылғылар жасауға да пайдаланылады. Дегенмен, микроэлектрониканың жедел дамуына байланысты тиристорлар аталған бағыттардан ығыстырып шығарылып, өз игілігіне тек жоғары қуатты өрісті ғана қалдырды. Нақты айтқанда, олар төмендегідей бағыттарды игеріп отыр. Біріншіден, олар басқарылмалы түзеткіштерде кеңінен қолданылады, мұнда оның бір бағытта ғана ток өткізіп, токтың немесе кернеудің белгілі бір бөлігін ғана өткізу қасиеті пайдаланылады. Қандай бөлігін өткізеді деген сұраққа басқару электродына берілген кернеу (тұрақты немесе импульстік) жауап береді.

Туннельдік диодтардың тағайындалуы. Электр сұлбаларындағы шартты белгілеріТуннельдік деп p-n ауысуы арқылы заряд тасушылары тунельдік механизм нәтижесінде өтетін және сипаттамасында дифференциалдық кедергісі теріс болатын облысы бар жартылай өткізгіш диодтарды атайды. Туннельдік диодқа тура кернеу беретін болсақ, p-n ауысуындағы ішкі өріс нашарлайды, бірақ электрондардың туннельдік жолмен өтуіне жеткілікті болып қала береді. Қоспаның концентрациясы өте үлкен болғанда (шамамен ) p-n ауысуларының сипаттамалары аномальді болады (1-сурет). Вольт-амперлік сипаттаманың бұлай өзгеретінін бірінші рет жапон физигі Лео Изаки (1958 ж.) ашқан болатын. Ол мұндай ауысулардың электр тогын тек тура бағытта ғана емес, кері бағытта да жақсы өткізетінін тапты, сипаттаманың тура бөлігінде «құлама» аралық (ab) болатынын анықтады (2-сурет). Қоспаның концентрациясы шамамен болатын кәдімгі диодтарда, электрондық кемтіктік ауысудың қалыңдығы әжептеуір үлкен болғандықтын, электрондардың потенциялдық тосқауылдан өту ықтималдығы жоқтың қасы. Туннельдік диодтарда қоспаның концентрациясының өте үлкен болуымен байланысты электрондық-кемтіктік ауысудың қалыңдығы өте жұқа болады (шамамен 0,01 мк). Мұндай жағдайда электрондардың потенциялдық тосқауылдан өту ықтималдығы көбейеді де, оның сипаттамасында жоғарғы айтылған құбылыс байқалады. Сурет 1 Сурет 2

Түзеткіш диодтаЭлектрондық сұлбаларда айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіретін диодтарды түзеткіш деп атайды. Түзеткіш контактысына байланысты бұл диодтар екі үлкен топқа бөлінеді: нүктелік және жазықтық. Нүктелік диодтарда түзеткіш контактылардың өлшемі p-n ауысуындағы физикалық үдерісті анықтайтын кеңістіктік зарядтар бөлімімен өлшемдес болады. Жазықтықтық диодтарда контакт ауданы көлемдік зарядтар бөлімінен әлдеқайда артық болады.Түзеткіш диодтардың төлқұжатында мынадай сипаттамалар көрсетіледі: тағайындалған түзеткіш ток І_т өткендегі кернеудің тура түсуі – U_т ; ең үлкен кері кернеу U_к – ұзақ уақыт диодтың қалыпты қауіпсіз жұмысын қамтамасыз ететін кері бағыттағы кернеу. Бұл кернеу диодтың тесілу кернеуінің 80  тең болады. ең үлкен кері ток – І_к.max –оған кері бағытта U_к.max - берілгенде диод арқылы өтетін ток; ең үлкен шашырау қуаты Р_max – диодтың ұзақ уақыттық жұмысында берілген сенімділікті қамтамасыз ететін шашырау қуатының рұқсат етілген мәні; жиіліктер диапазоны f - диодта түзетілген ток берілген деңгейден түспейтін жиіліктер аралығы. Өткізгіш бағытта өтетін тура токтың шамасына байланысты І_т түзеткіш диодтарды үш үлкен топқа бөлуге болады: қуаты аз диодтар (І_т  0,3А); орта қуаттағы диодтар (0,3 А  І_т  10 А), қуатты диодтар (І_т  10 А) Кремнийлік диодтарда бірдей кернеуде германийлік диодтардан кері токтың шамасы бірнеше есе аз болады. Кремнийлік диодтардағы рұқсат етілген кері кернеудің шамасы 1000...1500 В, ал германийлік диодтарда бұл шама 100...400 в. Кремнийлік диодтар – 60 тан + 150 ⁰С дейін, ал германийлік -60 тан + 80 ⁰С температуралық аймақта жұмыс істей алады. Түзеткіш диодтардың басты кемшіліктері: диодтар артық импульстық жүктемелерді нашар көтереді, диод сипаттамаларының шамалары әр партияда түрліше болады.

Ферми деңгейінің температураға және қоспа контентрациясына тәуелділігі Егер n-типтегі жартылай өткізгіштерде Т=0К болғанда Ферми деңгейі өткізгіштік зонаның ең төменгі деңгейі мен донорлық деңгейдің ортасында жатады екен, ал температура жоғарылағанда ол төмен қарай ығысады (сурет 2). Донорлық қоспаның концентрациясы қаншалықты аз болса, ығысу соншалықты күшті болады. Егер температураны одан әрі жоғарылататын болсақ, онда енді электрондар валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өте бастайды, олар донорлық деңгейден келетін электрондардан әлдеқайда көп болады. Сондықтан мұндай жағдайда n-типтегі жартылай өткізгіш меншікті жартылай өткізгіш болып кетеді де, оның Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның ортасында жатады , мұнда - электростатикалық потенциалы. Дәл осы жолмен қарастыру нәтижесінде p-типтегі жартылай өткізгіштерде Т=0К болғанда Ферми деңгейінің акцепторлық деңгей мен валенттік зонаның ең жоғарғы деңгейінің ортасында жататынын, температураны жоғарылатқанда біртіндеп жоғары қарай ығысын, меншікті жартылай өткізгіштің Ферми деңгейіне дейін көтерілетін көреміз. Егер қоспа атомдардың концентрациясын көбейте беретін болсақ, олар бір-біріне әсер жасайтын қашықтыққа дейін жақындайды да, қоспа деңгейлердің өзі зона түзе бастайды. Қоспа атомдарының белгілі концентрациясында (мысалы, донорлық) қоспалар зонасы өткізгіштік зонамен айқасып кетеді де, жартылай өткізгіш металл тәріздес болып қалады.

Фотодиодтар Фотодиодтар деп ішкі фотоэффект құбылысына негізделген p-n өтуінің бір бағыттағы өткізгіштігін пайдаланатын, сәулелендірген кезде ЭҚК пайда болатын (фотогальваникалық режим) немесе кері ток шамасы өзгеретін жартылай өткізгіштік құралды айтады. Фотодиод электр схемасына ток көзі арқылы (фотодиодтық режим) немесе ток көзінсіз қосыла алады. Фотодиод фотодиодтық режимде жұмысында мынадай физикалық процесс өтеді (3-сурет). Диодқа жарық түспегенде p-n өтуі арқылы өте аз мөлшердегі, қараңғылық тогы деп аталатын, кері ток өтеді. Жарық әсерінен p-n өтуінде электрон – кемтік жұптары генерацияланып, диодтың өткізгіштігі артады кері ток шамасы ұлғаяды. Жарық ағыны негізгі емес тасымалдаушылар санын арттырып диод тізбегіндегі токты ұлғайтады, нәтижесінде жүктемедегі кедергіде кернеудің түсуін туғызады. Жүктемедегі кернеудің түсуі пайдалы болады. Ол фотодиодқа әсер ететін жарық ағынына пропорционал болады. Фотодиодтың фотогальваникалық режимінде сәулелендіретін жарық болмағанда қараңғылық тогы болмайды, өйткені p-n өтуі теңдік жағдайында болып, диффузиялық ток дрейф токтарымен теңеседі. Фотодиодты жарықтандырғанда жартылай өткізгіште электрондар мен кемтіктер пайда болады. p-n өтуінің электр өрісінің әсерінен кемтіктер диодтың р-облысына өтеді, ал электрондар n-облыста қалады, өйткені ол p-n өтуінің потенциалдық кедергісінен өте алмайды.Нәтижесінде n-облыста электрондар, ал р-облыста кемтіктер жинақталады. Қосымша зарядтардың жинақталуы потенциалдық кедергінің биіктігін фотоЭҚК шамасына азайтады. Сол себепті p-n өтуіндегі негізгі тасымалдаушылардың диффузиялық тогы артады. Қарсы бағыттағы электр зарядтарының арасында динамикалық тепе-теңдік орнап, фотодиодтың электродтары арасында фотоЭҚК болатын электрлік потенциалдар айырымы пайда болады.Фотодиодтың бұл режимінде сыртқы ток көзінің қажеті етпейді, өйткені оның өзі электр тогының генераторы болып табылады. ФотоЭҚК шамасы 1В-қа шейін жете алады а- фотодиодтық, б- фотогальваникалық 4 – сурет. Фотодиодтың фотодиодтық режимдегі вольт-амперлік сипаттамалары 5 – сурет. Фотодиодтың энергетикалық сипаттамалары.

Фоторезисторлар Фоторезистор деп жарық сәулесінің әсерінен кедергісі өзгеретін жартылай өткізгішті резисторды айтамыз. Фоторезистордың құрылу принципі мынадай: диэлектрик пластинкаға (1) жұқа жартылай өткізгіш қабаты жалатылған (2), оның шетінде контактылар (3) орналасады (1- сурет). Сәулелендіру болмаған кезде фоторезисторлардың кедергісі өте үлкен болады  10⁴ - 10⁷ Ом. Түскен жарық әсерінен фоторезисторда ток тасымалдаушылар пайда болып оның кедергісі азаяды. Фоторезисторлар электрлік схемаға 3- суреттегідей қосылады.Фоторезистор меншікті сезімталдығы шамасымен сипатталады. Меншікті сезімділік деп 1В кернеуге келетін жарықтың интегралдық сезімталдығынм айтады. (1)мұндағы Ф- жарық ағыны. Фоторезисторлардың вольт-амперлік сипаттамасы сызықты (2а-сурет), энергетикалық сипаттамасы сызықты емес болады (2б- сурет).Фоторезистордың спектральдық сезімталдығы сезімтал қабаттың қасиетіне байланыстты М: PbS – инфрақызыл аймақта сезімтал, ал CdS – көрінетін аймақтағы жарықты қабылдайды. Фоторезисторлар автоматикада әртүрлі мақсатта қолданылады. 1- сурет. Фоторезистордың құрылым принципі мен қосылу схемасы - сурет. Фоторезистордың вольт-амперлік (а)және энергетикалық (б) сипаттамалар

Фототранзисторлар Фототранзисторлар. Фототранзисторлар n-p-n немесе p-n-p – түріндегі жазық транзистор құрылымында жасалынады. База аумағы жарық сәулесімен сәулелендіріледі. Фототранзистор n-типті германий монокристалынан (база), екі жағынан құймалық p-n өтулері қосылады – коллекторлық және эмиттерлік (7а- сурет).Фототранзисторлар шыны терезесі бар металл қорапта құрастырылады.Схемаға фототранзисторлар бос базамен (7б- сурет) және базаға сызықты сипаттама алу үшін ығысу кернеуі берілетін схемамен қосылады. Фототранзистор схемаға ортақ эмиттермен қосылатындықтан базаның нольдік тогында қараңғылық тогы фотодиодтағыдан жоғары болады. 7 – сурет. Фототранзистор құрылымы (а) және қосылу схемасы.Базалық аумақты сәулелендіргенде онда қосымша электр зарядын тасымалдаушылар пайда болады. Базадағы негізгі емес тасымалдаушылар коллекторлық өріске тартылып коллекторлық облысқа өтіп, коллекторлық өтудің кері тогын арттырады. Негізгі тасымалдаушылар базада қалып қояды, өйткені сыртық тізбекке шығатын байланысы жоқ. Бұл жағдайда эмиттерлік өтудің потенциалдық кедергісі азаяды. Сол себепті эмиттерден базаға инжекцияланатын зарядтардың саны артады. Аз бөлігі базада рекомбинацияланады, ал қалғандары коллекторлық өту арқылы коллекторлық облысқа өтеді. Коллекторлық ток артады. Базалық аумақта пайда болған қосымша көлемдік заряд сәулелендіру кезінде фототоктың күшеюін қамтамасыз етеді.Фототранзисторлардың интегралдық сезімталдығы фотодиодтан 10 еседей артық болады.Фототранзисторлар фотодиод сияқты әр түрлі фотоэлектрондық қондырғыларда сәулелік энергияны қабылдағыш ретінде қолданылады.

Шоттки диодтары Металлдан электронның шығу жумысы жартылай өткізгіштен электронның шығу жұмысы -дан артық болсын. Ферми деңгейі жартылай өткізгіштегі Ферми деңгейінен төмен жатқандықтан бұл деңгейлер теңескенге дейңн жартылай өткізгіштен металға электрондар ауысады. Жартылай өткізгіштің контактыға жақын орналысқан қабаттарында кеткен электрондардың орнында оң зарядталған иондар қалады да, ол қабаттар оң зарядпен зарядталады, ал контактығы жақын металл қабаты теріс зарядталады. Соның нәтижесінде металл мен жартылай өткізгіш арасында -ға тең контактылық потенциалдар айырымы пайда болады: .Контактылық потенциалдар айырымының өрісі кристалдық тордағы атомдар өрісіне қарағанда өте әлсіз болғандықтан, зоналар құрамы бқзылмайды, бірақ жартылай өткізгіштің контактыға жақын қабаттарында зона қисаяды. Жартылай өткізгіштен металға өтетін электронға контактылық потенциалдар айырымының өрісі қарсы әсер ететіндіктен, оның потенциалдық энергиясы артады және энергетикалық зона жоғары қарай қисаяды. Жартылай өткізгіштердегі еркін электрондардың концентрациясы металдардағыға қарағанда оның бірнеше есе аз болатындықтан Ферми деңгейлері теңесу үшін жартылай өткізгішің мыңға жуық атомдық қабатындағы электрондар металға өтуі тиіс. Соның нәтижесінде жартылай өткізгіштің контактыға жақын аймағында қалыңдығы dжқ болатың кедергісі өте үлкен қабат пайда болады. Ол қабатты жапқыш қабат, немесе Шоттки тосқауылы деп атайды, оның қалындығы әдетте металдарда шамамен 10^-10 м, жартылай өткізгіштерде 10^-7 м, ал диэлектриктерде бірнеше сантиметрге жетеді.

Электрон-кемтіктік ауысу негізіндегі жартылай өткізгіштік диодтар, олардың параметрлері мен сипаттамаларыӘр типтегі екі жартылай өткізгіш контактысын электронды-кемтіктік ауысу немесе р-п ауысуы деп аталады. Электрондық және кемтіктік жартылай өткізгіштерді бір-бірімен түйістіргенде, олардың бірінен-біріне интенсивті түрде заряд тасушылар өте бастайды. Электрондар концентрациясы р-типтегі жартылай өткізгіштердегіге қарағанда n-типтегі жартылай өткізгіштерде көп те, ал кемтіктер концентрациясы р-типтегі жартылай өткізгіште көп. Концентрацияларының бірдей болмауына байланысты диффузия нәтижесінде электрондар р-типтегі жартылай өткізгішке қарай өтеді де, ал кемтіктер n-типтегі жартылай өткізгішке өтеді. Осыған байланысты n-типтегі жартылай өткізгіштің контактыға жақын қабаттарында компенсацияланбаған оң зарядты донорлық қоспа иондары, ал р-типтегі жартылай өткізгіш қабаттарында теріс зарядты акцепторлық қоспа иондары пайда болады. Оң зарядталған n-типтегі жартылай өткізгіштің барлық энергетикалық деңгейлері төмендейді де, теріс денгейлері жоғарлайды. Екі жартылай өткізгіш арасындағы U_k контактылық потенциалдар айырымының өсуі Ферми деңгейлері теңескенде барып тоқтайды (шамамен 10^-9 с кейін) және eU_k=χ_ор-χ_оn болады. Контакт аймағында негізгі заряд тасушылар азаяды да, негізінен тек қозғалмайтын қоспа иондары ғана қалады. Сондықтан енінің аз болуына қарамастан (10^-610^-8 м) р-п ауысуы, кедергісі жартылай өткізгіштердің басқа бөліктеріндегі кедергіден әлдеқайда көп болады. Пайда болған контактылық потенциалдар айырымының, өріс кернеулігі шамамен 10^-510⁶ В/м.

Электрон-кемтіктік ауысу, оның электрфизикалық қасиеттері және вольт-амперлік сипаттамасыСыртқы тізбеккке жалғайтын екі ұшы бар бір электронды-кемтіктік ауысудан тұратын жартылай өткізгішті диод деп атайды. Барлық жартылай өткізгішті диодтардың негізі - симметриялы болмайтын p-n ауысуы. Оның әр облысындағы заряд тасушылардың концентрацияларының бір-бірінен айырмашылығы өті үлкен болуы тиіс ( немесе ). p-n ауысуының бір облысында қоспаны көбірек ендіру нәтижесіде негізгі ,заряд тасушылар концентрациясыкөп болады да, оны эмиттер деп атайды, екіншісінде оны база деп атайды, аз болады. Сондықтан электр тогы жүргенде заряд тасушылар эмиттерден базаға инжекцияланады. База мен эмиттер арнаулы электродтар көмегімененсыртқы тізбекпен жалғасады.р–п ауысуының токты тек бір бағытта өткізетін қасиеті жартылай өткізгіштік диодтарда қолданылады. Жартылай өткізгіштік диод кремний мен германий кристалдарынан жасалады. Оларды дайындаған кезде қандай да бір типті өткізгіштігі бар кристалға басқа типті өткізгіштік алу үшін қоспа қосады. Жартылай өткізгіштік диод түзеткіштерде айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру үшін қолданылады. Егер р–п ауысуы бар жартылай өткізгішті ток көзіне, оның оң полюсіне р аймақ, ал теріс полюсіне п аймақ (1-сурет) жалғанатындай етіп қосса, онда жапқыш қабаттағы электр өрісінің кернеулігі кемиді де негізгі тасымалдаушылардың жанасу қабаты арқылы ауысуы жеңілдейді. р аймақтан кемтіктер және п аймақтан электрондар бір-біріне қарама-қарсы бағытта қозғала отырып, р–п ауысуын қиып өтеді де, тура бағыттағы токты тудырады. Бұл жағдайда ток көзінің кернеуі жоғарылағанда р–п аймағы арқылы өтетін ток күші артады Сурет 1 Егер р–п ауысуы бар жартылай өткізгіш ток көзіне, оның оң полюсіне п аймақ, теріс полюсіне р аймақ (1-сурет) жалғанатындай етіп қосылса, онда жапқыш қабаттағы өріс кернеулігі артады. р аймақтағы кемтіктер және п аймақтағы электрондар р–п ауысуынан араласып кетеді де жапқыш қабаттағы негізгі емес тасымалдаушылар концентрациясы артады. р–п ауысуы арқылы ток жүрмейді. р–п ауысуына берілген кернеу кері деп аталады. Шамасы аз болатын кері ток жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігіне негізделген, яғни р аймақтағы еркін электрондар мен п аймақтағы кемтіктердің аз ғана концентрациясы бар. 2-суретте Жартылай өткізгіш диодтың вольт-амперлік сипаттамасы берілген.

Электрон-кемтіктік ауысудағы диффузиялық сыйымдылықДиффузиялық сыйымдылық. , (2)мұнда  - заряд тасушылардың өмір сүру уақыт; I_тура – тура ток. Сурет 1

Электрон-кемтіктік ауысудағы тосқауылдық сыйымдылығыЭлектронды-кемтіктік (p-n) ауысудың тосқауыл сыйымдылықтың теңдеуі. , (1)мұнда  - жартылай өткізгіш заттың диэлектрлік өтімділігі; П – p-n-ауыдының аданы.

Энергетикалық зоналар теориясының негіздеріКристалдағы энергияның мүмкін болатын мәндері зоналарға топталады. Атомдар жақындаған сайын күшейе түсетін өзара әсер пайда болады. Барлық атом үшін бірдей болатын бір деңгейдің орнына өте жақын орналасқан, бірақ бір-біріне дәл келмейтін бірнеше деңгей пайда болып, оңашаланған деңгейге ажыратылады да, зона түзеледі. Нашар ажырасқан деңгейлерден пайда болған төменгі зоналар электрондармен толықтырылады, сөйтіп олар кристалда өздерінің атомдарымен берік байланысын сақтайды. Валенттік электрондар энергиясын рұқсат етілген мәндері кристалда аралықтарымен бөлінген валенттік зоналарға бірігеді де, ал осы аралықтарда энергияның рұқсат етілмеген мәндері болады (сурет 1). Бұл аралықтар тыйым салынған немесе рұқсат етілмеген электронсыз зоналар деп аталады. Валенттік зона атомның негізгі күйінде валенттік электрондар болатын деңгейлерден пайда болады. Рұқсат етілген аса жоғары зоналар электрондардан бос болады, яғни бос зона түзеледі. Валенттік зонаны электрондар толық толтырмайды. Электр өрісінің электрондарға әсер етуінен туған қосымша энергия электронды бос жоғары деңгейге көшіруге жеткілікті. Сондықтан электрондар электр өрісінде үдетіліп, өрістің бағытына қарама-қарсы бағытта қосымша жылдамтыққа ие болады да, тоқ пайда болады. Сурет 1Кейбір жағдайда толтырған зонамен толтырылмаған зоналар қабысып, олардың арасындағы тыйым салынған зона жабылады. Сонымен, энергетикалық деңгейлерінің осындай схемасы бар кристалдар металлдар болып есептеледі. Валенттік зонаның деңгейлерінде түгелдей электрондар орналасқан. Электрондарды бос зонаға өткізу үшін оның энергиясы тыйым салынған зонаның ( енінен кем болмауы тиіс. Егер ( болмаса, онда жылылық қозғалыстың энергиясы электрондардың бір бөлігі жоғары бос зонаға көшіруге жеткілікті болады. Сонымен қатар, валенттік зона электрондарының оның бос қалған жоғары деңгейіне көшуіне мүмкідік туады. Сондықтан осындай зат электрондық жартылай өткізгіш деп аталады.