№3 – лабораториялық жұмыс

Шалаөткізгіш диодтарды зерттеу

Жұмыстың мақсаты:

1. Шалаөткізгіш диодтардың жұмыс істеу принципін , белгілену жүйесін, параметрлерін және сипаттамаларын зерттеу, қосылу схемаларының типтерін және олардың қолданылу аумағын зерттеу.

2. Тапсырма қағазында көрсетілген диодтардың вольт-амперлік сипаттамасын (ВАС) тәжірибе жүзінде зерттеу.

3.1. Қысқаша теориялық мәліметтер.

Шалаөткізгішті диод деп бір немесе бірнеше электр өткелдері бар және сыртқы тізбекке қосылуға арналған екі шығысы бар электртүрлендіргіш құрылғы. Көптеген диодтардың жұмыс істеу принципі электр өткеліндердегі физикалық құбылыстарды қолдануға негізделген.

Электрлік өткел – шалаөткізгіш материалындағы электрөткізгіштігі әртүрлі немесе меншікті электрлікөткізгіштігі әртүрлі болатын екі аумақ арасындағы өтпелі қабат.

Түзеткіш өткел – электрлік кедергісі токтың бір бағытында басқа бағыттағы токтан үлкен болатын электрлік өткел.

Омдық өткел – электрлік кедергісі токтың бағытына тәуелсіз болатын электрлік өткел.

Электрон-кемтікті өткел – жартылайөткізгіштің екі аумағы арасындағы электрлік өткел.

Гетерогендік өткел (гетероөткел) – жартылайөткізгіштің әртүрлі тыйым салынған аумақтарына тигенде болатын электрлік өткел.

Гомогендік өткел (гомоөткел)- жартылайөткізгіштің бірдей тыйым салынған аумақтарына тигенде болатын электрлік өткел.

Шотки өткелі – металл мен жартылайөткізгіштің бір-біріне тигенде пайда болатын электрлік өткел.

Электронды-электрондық өткел – жартылайөткізгіштің n-типті аумағының арасындағы электрлік өткел.

Кемтікті-кемтіктік өткел – жартылайөткізгіштің p-типті аумағының арасындағы электрлік өткел.

p-n-өткелінің динамикалық тепе-теңдігі.

Электрөткізгіштігі әртүрлі болатын шалаөткізгіштің аумақтарын бөліп тұратын шекара маңындағы электрон-кемтіктік өткелінің пайда болуына келесі құбылыстар негізделген. P- және n- аумағы негізгі тасымалданушылардың қарама-қарсы аумаққа диффузиясы шекара маңында көлемді электр зарядтарының пайда болуына алып келеді. n- аумақта оң және p- аумақта теріс.(3.1-сурет)

Мұндағы: k - Больцман тұрақтысы;

Бұл зарядтар n – аумағы донорлық қоспаның шашыраңқы, жинақталмаған, иондалған атомдардың пайда болуымен (оң қозғалмайтын заряд) және p-аумағындағы акцепторлық қоспаның шашыраңқы иондалған атомдардың пайда болуымен (теріс қозғалатын заряд) байланысты.

Компенсирленбеген зарядтар арасында кернеулігі Е электр өрісі пайда болады, ол ішкі деп аталады және контактілі потенциалдар айырымы пайда болады. (3.1, б-сурет):

Т – абсолют температура;

q – электрон заряды;

N_a N_d – акцепторлық және донорлық қоспаның концентрациясы;

n_{i –} тасушылар концетрациясы;

φ_{p ,} φ_n - электрлік потенциал.

Электр өрісі заряд тасушылардың өткел арқылы диффузияға кедергі келтіреді және бұл кезде негізгі тасушылар үшін потенциалдық энергетикалық барьер пайда болады.

Электрондар р-аймақтан n-аймаққа дрейфтеледі, ал кемтіктер керісінше. Дрейфтік токтың I_др бағытын диффузиялық тоққа I_диф қарсы болады. Өткелге сырттан ешкандай әсер жок кезде , динамикалық тепе-теңдік күйі орындалады, бұл жағдайда өткелдегі жалпы ток I_{др +} I_диф=0.

Өткелдің ені δ былай анықталады:

p-n-ауысуының тура қосылуы.

3.2-суретінде көрсетілгендей, өткелге U_пр кернеуі бар сыртқы қорек көзін қосса, сыртқы электр өрісінде пайда болған кернеулік векторы Е_внеш ішкі өрістегі кернеулік Е векторына қарама-қарсы бағытталады, нәтижесінде аумақтар арасындағы потенциалдар айырымы азаяды(3.2-сурет,б):

p-n-ауысуындағы суммарлы электр өрісінің кернеулігі де азаяды:

Сәйкесінше, потенциалдық барьердің биіктігі -ге дейін төмендейді және p-n-ауысуының аумағы да кішірейеді. Өткел енінің кернеуге тәуелділік формуласы:

Негізгі тасушылардың көбісі p-n-ауысуының төмендеген потенциалдық барьерінен өте алады, берілген кернеу артқан сайын, төмендеген потенциалдық барьерден өте алатын негізгі тасушылардың да саны артады, нәтижесінде өткел арқылы ток жүреді. p-n-ауысуындағы диффузиялық тоқ дрейфтік тоқтан бірнеше есе үлкен болады . Өткел арқылы өтетін тоқты тура ток деп I_пр, ал кернеуді тура кернеу U_пр деп атайды. p-n-ауысуының тура қосылуы кезінде заряд тасушылардың инжекциясы пайда болады, яғни негізгі тасушылардың диффузиялық ауысу салдарынан басқа облыста негізгі емес тасушылар болып қалуы.

Жартылайөткізгішті диодтардың көбісін симметриялы емес p-n-ауысуы негізінде жасайды, яғни ауысудың бір аумағындағы легрленген қоспаның концетрациясы басқа аумағына қарағанда үлкенірек болады. Мұндай ауысуда көбірек легрленген аумақты эмиттер деп, ал азырақ легрленгенді база деп атайды. Және де осы ауысудағы инжекция бір бағытта болады, себебі тасушылардың инжекциясы эмиттерден базаға қарай өткенде болады.

p-n-ауысудың кері қосылуы.

3.3-суретінде көрсетілгендей, өткелге U_обр кернеуі бар сыртқы қорек көзін қосса, сыртқы электр өрісінде пайда болған кернеулік векторы Е_внеш ішкі өрістегі кернеулік Е векторымен бағыттас болады, нәтижесінде аумақтар арасындағы потенциалдар айырымы өседі (3.3-сурет, б):

p-n-ауысуындағы суммарлы электр өрісінің кернеулігі де өседі:

Сәйкесінше, потенциалдық барьердің биіктігі -ге дейін артады және p-n-ауысуының аумағы да үлкейеді. Өткел енінің кернеуге тәуелділік формуласы:

Бұл жағдайда негізгі тасушылар p-n-ауысуының жоғары потенциалдық барьерінен өте алмайды, және де осы өткел арқылы негізгі емес тасушылардың өте кіші мәндегі тогы өтеді. Яғни дрейфтік ток диффузиялық тоқтан бірнеше есе үлкен болады .

Өткел арқылы өтетін кернеуді кері кернеу U_обр деп атайды және теріс болады. p-n-ауысуының кері қосылуы кезінде заряд тасушылардың экстракциясы пайда болады, яғни негізгі емес тасушылардың дрейфтік ауысу салдарынан басқа облыста негізгі тасушылар болып қалуы.

Диодтардың классификациясы.

Диодтың түрлері: материалына қарай (селендік, германилік, кремнийлік, арсенид-галлийлік); өткелдің структурасы бойынша (нүктелік, жазықтықтық); қызметіне қарай (түзеткіш, импульстік, стабилитрондар және т.б.); жиілігіне қарай (төменгіжиілікті, жоғарыжиілікті, өте жоғарыжиілікті диодтар); вольт-амперлік сипаттамасына қарай және т.б. болып бөлінеді.

Технологиялық процесстерге байланысты жасалынатын диодтар:микросплавты,сплавты,диффузиондық, планар-эпитаксиалдық диодтар болып бөлінеді. Планар-эпитаксиалды технология арқылы жасалған жартылайөткізгішті диодтың түрі 3.4-суретінде көрсетілген.

Жартылайөткізгішті диодтардың белгіленуі.

ОСТ 11.336.919-81-ге сәйкес жартылайөткізгішті диодтардың белгіленуі әріптік-сандық системасы бойынша жүзеге асады.

Бірінші элемент – әріп немесе сан материалдың түрін сипаттайды: Г(1)-германий (Ge); K(2) – кремний (Si); А(3) – галлий (Ga) және оның қоспасы; И(4) – индий (In) және оның қоспасы. Екінші элемент – әріп, диодтың функционалды қызметін сипаттайды: Д – түзеткіш; В – варикап; И - туннелді; С – стабилитрон және стабистор; Л – жарық диоды. Үшінші элемент – сан, диодтың қызметі сипаттайды және диодтың арнайы парамертлері туралы ақпаратты береді. Мысалы, Д тобындағы диодтары үшін: 1 – аз қуатты түзеткіштер (ток 300 мА-ге дейін); 2 – орташа қуатты түзеткіштер (ток 10А-ге дейін); 3 – жоғары қуатты диодтар (тоқ 10А-ден жоғары); 4 – 9 – қайта калпына келу уақыты бойынша әртүрлі диодтар. Төртінші элемент (2-3 сан) – жасалудың реттік нөмірі. Бесінші элемент – әріп, әртүрлі параметрлі диодтардың тобын сипаттайды.

Жартылайөткізгішті диодтардың шартты графикалық белгіленулері 3.5-суретінде көрсетілген. Диодтың шығыстары катод және анод деп аталады. Катод – құрылғының шығысы, яғни ток бұл арқылы сыртқы тізбекке өтеді. Анод – құрылғының шығысы, яғни ток сыртқы тізбектен құрылғыға өтеді.

Диодтың вольт-амперлік сипаттамасы, тесілулері және параметрлері.

Диодтың ВАС-ы деп токтың кернеуге тәуелділігін айтамыз:

Бұл жердегі - жылулық потенциал, Т=300К кезінде 26мВ-қа тең; I₀(Т) – кері ток, температураға тығыз байланысты.

3.9-теңдеуінде шынайы ВАС(түзу сызық) және теориялық ВАС (үзік сызық) көрсетілген. Шынайы ВАС-ның тура тармағы, (3.10) – бойынша, I_пр=const кезіндегі тура кернеудің үлкен мәндеріне қарай жылжытылған. Кері кернеу аумағындағы шынайы және теориялық ВАС-ның айырмашылығы кедейленген қабаттағы заряд тасушылардың жылулық генерациялануы. Кері кернеу U_обр өскен сайын кедейленген қабаттың көлемі де өсіп, электронды-кемтікті будың термогенерациялану процесстерінің саны да арта түседі, сол себепті кері ток та ұлғаяды. Сондықтан I_обр тұрақты болып қалмай, U_обр артқан сайын, жаймен арта береді. Сонымен қатар, кері кернеу U_проб пробой кернеуі деп аталатын сындық мәнге келгенде, кері токтың бәрден артуы байқалады. Бұл құбылыс диод өткелінің пробойы (бұзылуы) деп аталады.

Пробойдың негізгі екі түрі бар: электрлік және жылулық. Өз кезегінде электрлік пробой лавиналық және туннельді болып бөлінеді. Лавиналық пробой легирлейтін қоспаның концентрациясы жоғары емес (N<10¹⁷см^-3) аймақтармен пайда болған кең өткелді диодтарға тән. Егер заряд тасушылардың еркін жүру қашықтығынының ұзақтығы өткел енінен аз болса, онда кері кернеудің үлкен мәнінде заряд тасушыларда шалаөткізгіш атомдараның иондалуының лавина тәріздес күшеюіне жетерліктей кинетикалық энергия пайда болады, бұл кері кернеу аз өзгерген кезде токтың күрт артып кетуіне алып келеді.

Туннельді пробой легирлейтін қоспаның концентрациясы жоғары (N>10¹⁸см^-3) аймақтармен қалыптасқан тар өткелді диодтарда болады. Туннельді пробой квант-механикалық туннельдік эффектіге негізделген.

Жылулық пробой электрлік ауысудың қатты қызып кетуінен пайда болады. Термогенерацияның салдарынан өткелдегі тасушылардың диодтағы кері тоғы ұлғаяды және пайда болатын қуат өткелдің қызып кетуіне әсер етеді. Егер де диодтың температурасы шекті мәнінен асатын болса, онда өткелдің структурасы қалпына келмейтіндей болып, диод бұзылады. Жылулық пробой аумағында (3.6-сурет, б қисығы) I_обр өскенде U_обр азаяды.

Диодтың ВАС-на қоршаған ортаның температурасы да тікелей әсер етеді (3.7-сурет). Температура жоғарылаған сайын экспоненциалдық заңдылық бойынша тоқ I₀ де ұлғаяды. Мұндағы -жартылайөткізгіш материалының тыйым салынған зонасының ені.

Белгіленген кернеу кезінде U_пр

температура жоғарылаған сайын диодтың тура тоғы да өседі немесе белгіленген тура ток кезінде I_пр диодтағы кернеу азаяды. Температураның диод ВАС-ның тура тармағына әсерін температуралық кернеу коэффициентімен анықтаймыз .

Диодтар бір-біріне ортақ болатын параметрлер тізімінен тұрады. Оларға жататындар:

• Өткел температурасының диапазоны Т_min … Т_max;

• Максималды белгіленген тура ток I_{пр max}, бұл кезде температура максимал мәніне жетеді.

• Максимал кері кернеу U_{обр max}, p-n-ауысуында пробой болмайды, көбінесе U_{обр max} < 0,8U_проб;

• Тура және кері максималды қуат:

Мұндағы Т₀ – қоршаған ортаның температурасы; R_T – өткелдің жылулық кедергісі;

• Диодтың тура және кері статикалық кедергісі (тұрақты тоқ кедергісі):

Тура және кері дифференциалдық кедергі (айнымалы тоқ кедергісі):

Диодтың дифференциалдық кедергісі статикалықтан әлдеқайда кіші болады.

- түзету коэффициенті.

Екі сыйымдылықтық параметрімен сипатталатын, зарядтардың жиналу механизмы екі түрлі болады.

Барьерлік сыйымдылық p-n-ауысуындағы иондалған атомдардың электрлік зарядтары көлемді болуын көрсетеді, оны жазық конденсатор ретінде қарастыруға болады. Конденсатордың аумағын p-n-ауысуның ені δ арқылы анықтайды.

Мұндағы S – өткелдің көлдененң ауданы, - Кернеу 0-ге тең кездегі барьерлік сыйымдылықтың өлшемі;

γ=1/3…1/2 – легрленген өткелдің параметрі. U – өткелдегі кері кернеу.

Диффузиондық сыйымдылық p-n-ауысуының тура қосылу кезіндегі негізгі емес тасушылардың жиналуын көрсетеді. Диффузиондық сыйымдылықтың өлшемі өткелдің тура тогына тура пропорционал:

Мұндағы τ_эф - негізгі емес заряд тасушылардың эффективті уақыты. Өткелдің 10 мА тогы кезінде диффузиялық сыйымдылық ондаған-жүздеген нанофарадқа барады. Симметриялық емес өткел жағдайында әр түрлі салмақты заряд тасушылар диодтың базасында жинақталады.

Ортақ параметрлермен қатар диодтар, тек қана сол диодқа ғана тиесілі арнайы параметрлермен де сипатталады.

Түзеткіш диодтар 50-ден 20000 Гц жиілік аралығындағы айнымалы токты бір бағытта жүретін (пульсирующий) токқа түрлендіру үшін арналған және әр түрлі мақсатта қолданылатын радиоэлектронды аппараттардың қорек көздерінде кеңінен қолданылады. Мұндай диодтар үшін шалаөткізгіш материал ретінде алғашқы кездері германий қолданылған, ал қазір кремний мен галлий арсениді қолданылады. Түзеткіш диодтардың жұмыс істеу принципі p-n-өткелдің вентильді қасиетіне негізделген. Аз қуатты диодтар 300 мА-ге дейінгі токтарды түзетуге, орта және жоғарғы қуаттағы диодтар сәйкесінше 300 мА-ден 10 А-ге дейінгі және 10 А-ден 1000 А-ге дейінгі токтарды түзетуге арналған. Кремнийлік диодтардың германийлік диодтармен салыстырғандағы артықшылықтары: аз кері токтар; қоршаған ортаның аса жоғары температураларында және кері кернеулердің жоғары мәндерінде қолдану мүмкіндігі. Германийлік диодтардың артықшылығы – тура ток өткен кезде кернеу түсуінің мәнінің аздығы 0,3...0,6 В (кремнийдегі 0,8...1,2 В-пен салыстырғанда).

Түзеткіш диодтар ретінде симметриялы емес p-n-өткел негізінде жасалған жазықтық (плоскостный), балқытылған (сплавный), диффузиондық және эпитаксиальды диодтар қолданылады. Үлкен ауданға байланысты өткелдің барьерлік сыйымдылығы жоғары болады және оның мәні ондаған пикофарадқа жетеді. Германийлік диодтарды 70-80 С-тан аспайтын температураларда қолдануға болады, кремнийлік диодтарды – 120 – 150 С, галлий арсенидтік диодтарды – 240-280 С-та. Галлий арсенидті диодтың тағы бір артықшылығына заряд тасушылардың қозғалғыштығының жоғары болуы жатады және бұл оларды 100-500 кГц аралығында қолдануға мүмкіндік береді.

Аз қуатты төменгі жиілікті түзеткіш диодтардың максимал кері кернеуі ондаған вольттан 1200 В аралығында жатады. Жоғары кернеулер үшін өндірісте түзеткіш бағаналар (выпрямительные столбы) шығарылады, олар бір корпуста бірнеше тізбектей қосылған диодтарды пайдаланады. Германийлік диодтар үшін кері ток мәні 300 мкА-ден аспайды, ал кремнийлік диодтар үшін 10 мкА-ден аспайды.

Қуатты (күшті) диодтар жиіліктік қасиеттері бойынша жіктеледі де ондаған Гц-тен ондаған кГц-ке дейінгі жиілік диапазонда жұмыс жасайды және көбіне кремнийден жасалынады.

Үлкен мәндегі тура ток кезіндегі және жоғары кері кернеу жағдайындағы жұмыс p-n өткелде үлкен мәндегі қуаттың бөлінуімен байланысты. Сондықтан орта және жоғары қуатты диоды бар қондырғыларда салқындатқыштар – ауа және сұйықпен салқындайтын радиаторлар қолданылады. Ауа арқылы салқындау кезінде жылу радиатор көмегімен шығарылады. Мұндай жағдайда салқындау табиғи (ауа конвекциясы есебінен) (естественный) немесе мәжбүрлі (принудительный) (қондырғы корпусы мен радиаторды вентилятор көмегімен үрлеу арқылы) болуы мүмкін. Сұйық арқылы салқындау кезінде радиаторға арнайы каналдар арқылы жылу алып шығатын сұйықтар (су, антифриз, трансфарматорлық май, синтетикалық диэлектриктік сұйықтар) жіберіледі.

Түзеткіш диодтардың негізгі параметрлеріне мыналар жатады:

• Максимал мүмкін болатын (допустимый) тура ток I_{пр max} ;

• Диодтағы тура кернеу түсуі U_пр (I _{пр max} кездегі);

• Максимал мүмкін болатын кері кернеу U _{обр max} ;

• Берілген кері кернеу кезіндегі кері ток I_обр (U _{обр мах} кездегі);

• Қоршаған ортаның жұмыс жасай алатын температура диапазоны;

• Түзету коэффициенті К_в ;

• Түзету коэффициентінің 2 есе кішіреюіне сәйкес келетін шекті түзету жиілігі;