1.3 Шалаөткізгішті диодтар

 

Шалаөткізгішті  диодтар жіктелуі келесі белгілері бойынша болады: 

1) өткелдің дайындалу әдісімен: балқытылған, диффузиялық, планарлық, нүктелік, Шоттки диодтары және т.б.;

2) материалымен: германийлі,  кремнийлі, арсенид-галлиіл және т.б.;

3) диод жұмысы тиектелген физикалық үрдістермен: туннельдік,  лавинді аралық, фотодиодты, жарықдиодты, Ганна диодтары жәене т.б.;

4) қолданылуымен: түзеткіштік, әмбебап, импульстік, стабилитрондар, детекторлық, параметрлік, ауыстырғыш,  СВЧ-диодтар және т.б.  Оларды германий және кремний тиегінде дайындайды.

Түзеткіш диодтар төмен жиілікті айнымалы токты тұрақты токка айналдыруға арналған. Түзеткіш диодтың вольтамперлік сипаттамасы (ВАС), оның шартты графикалық бейнесі және әріптік белгісі 1.3-суретте келтірілген

 

1.3 сурет

 

1.4 Биполяр транзисторлар

 

Транзистор (ағылшынша transter-тасымалдау және resistance-кедергі)-шалаөткізгішті материалдан қондырылған электрондық аспап әдеттегідей үш шығысты, кіріс сигналымен, электр тізбегіндегі токты басқарады деген.

Көбінесе электр сигналдарын күшейту, генерациялау және түзетуде қолданылады.

Қазіргі уақытта биополяр транзисторлар (БТ) және өрістік МОШ (металл-оксид-шалаөткізгіштік) транзисторлары, транзисторлардағы (МОШТ) немесе МДШ (металл-диэлектр шалаөткізгіш)-транзисторлары кеңінен қолданылады. Халықаралық термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторлар бір кремнийлі кристалда  (чипте)  интегралдық технологиялар аясында дайындалады және логика, жады, үрдіссор және т.с.с микросұлбаларының элементар «кірпішін» құрайды. Қазіргі МОШТ өлшемдері 90-нан 32 нм аралығында болады. Қазіргі бір чипте (өлшемі 1-2см²) бірнеше  (әзірше бірден) миллиард МОШТ орналасады.

Транзисторлар тиекті шалаөткізгіштік материалдары бойынша келесідей бөлінеді: германийлік, кремнийлік және  арсенид-галлийлік. Қазіргі кезде транзисторлардың басқа материалдары қолданылған жоқ. Қазіргі кезде мөлдір шалаөткізгіштік тиектегі дисплей матрицаларында қолдануға арналған транзисторлар бар. Транзисторлар үшін алдағы уақыттағы тиімді материал- шалөткізгіштік полимерлер. Сондай көміртекті нанотүтіктер тиегіндегі транзисторлар туралы жеке мәліметтер бар.

Жазықтықтың биполярлық транзистордың құрылысы 1.4-суретте сұлба түрінде келтірілген.

 

                                   

                                              1.4 сурет

 

Транзистор германий, немесе кремний, немесе басқа шалаөткізгіштік пластинасы болып келеді де, онда әртүрлі электрөткізгішті үш аймақ қондырылған. Мысалы үшін  n–p–n типті транзисторлардың орталық аймағы кемтіктік электроөтімділікті, ал екі шеткі аймағы электрондық электроөткізгіштікті болып келеді. p–n–p типті транзисторлар да кеңінен қолданылады, олардың екі шеткі аймағы кемтіктік электроөткізгіштікке ие болып келеді.

Транзисторлардың ортаңғы аймағы база деп, бір шеткі аймағы -эмиттер,  екіншісі  – коллектор деп аталады. Сонымен транзисторларды екі  n–p–өткел бар: эмиттерлік – эмиттер мен база арасындағы және  коллекторлық – база мен коллектор арасындағы өткел. Олардың арасындағы арақашықтықтық өте аз, бірлік микрометрден көп болмау керек, яғни база аймағы өте жұқа болуы қажет. Бұл транзисторлардың жұмысының жақсы болу шарты болып табылады. Сонымен қатар, базадағы қоспалар концентрациясы (яғни база аймағы ең жоғарыатомдық) коллектор мен эмиттердегіден әлдеқайда аз. Базадан, эмиттерден және коллектордан шығыстар қондырылған.

Базаға, эмиттерге және коллекторға қатысты шамалар үшін индекс ретінде «б», «э» және  «к» әріптерін қолданады. База, эмиттер, коллектор сымдарындағы токтарды сәйкес  i_б, i_э, i_к белгілейміз. Электродтар арасындағы кернеулерді қос индекспен белгілейді. Мысалы, база мен элементтер арасындағы U_б-э, коллектор мен база арасындағы U_к-б.

Транзистор оның өткелдеріндегі кернеуге байланысты үш режимде жұмыс істей алады.

Активті  режим – эмиттерлік өткелдегі кернеу тура, ал коллекторлыққа кернеу кері беріледі.

Тыйым салу режимі (жабу) – екі өткелге де кері кернеу берілген.

Қанығу режимі – екі өткелге де тура кернеу берілген.

Аналогты құрылғыларда активті күшейту режимі тиек болып табылады. Ол көптеген күшейткіштермен мен генераторларда қолданылады. Тыйым салу, қанығу және активті инверсиялық (эмиттерлік өткелдегі кернеу кері, ал коллекторлықтағы –кері) режимдер транзистордың импульстік жұмысына сипаттайды.

Транзисторлық сұлбаларда көбінесе екі тізбек пайда болады: кіріс (басқарушы) - оған күшейтілетін сигналдар көзі кіреді және шығыс (басқарылатын) - оған жүктеме кіреді.

Екі типті транзисторлардың да жұмыс қағидалары бірдей, айырмашылығы, n-p-n транзисторда тиекті заряд тасымалдаушылар электрондар, ал p-n-p транзисторларда – кемтіктер болады.

Биполярлық транзисторлардың жұмыс қағидае үш құбылысты қолдануға тиекделген:

-  эмиттерден базаға тасымалдаушылар инжекциясы;

-  базада инжекцияланған тасымалдаушылар коллекторлық өткелге жеткізілуі;

-   базада инжектирленген және коллекторлық өткелге базадан коллекторға жеткен тиекті емес тасымалдаушылардың экстракциясы.

1.5,а суретте  n-p-n типті транзисторлардың құрылымы көрсетілген. Сыртқы кернеу көздерінің көмегімен эмиттерлік өткел тура бағытта, ал коллекторлық кері бағытта ығысады. Сонымен, транзистор активті режимде  жұмыс істегенде оның күшейткіштер қасиеттері байқалады.

Осы құбылысты тереңірек қарастырайық. Эмиттерлік өткелген тура кернеу қосқан кезде қарама-қарсы бағытталған сыртқы өріс өткелдің ішкі өрісін теңестіреді және контактылы потенциалдар айырымын  Е_э шамаға азайтады (1.5 суретті қара). Бұл элементтер базаға қарай электрондар инжекциясының және базадан эмиттерге қарай кемтіктер инжекциясының пайда болуын тудырады. Сонымен, эмиттер тізбегінде  I_э, эмиттерлік ток жүреді, ол кемтіктік және электрондық құраушыларлан тұратын тиекті тасымалдаушылардың диффузиялық тогы болып табылады.

 

φк-Еэ     б)   a)     φк+Ек     х   φ

1.5 сурет

 

Эмиттерлік токтың кемтіктік құраушысы эмиттер-база тізбегінде ғана тұйықталатын болғандықтан, ол коллекторлық токтың пайда болуына қатыспайды. Оны азайту қажеттілігі туындайды. Сондықтан транзисторларды қарастыруда база аймағы эмиттерлік облысқа қарағанда әрқашан нашарлайды (n_э>>p_б). Осы кезде эмиттерден базаға, базадан эмиттерге қарағанда тасымалдаушылардың көп бөлігі инжекцияланады.

Инжекция үрдісі сандық тұрғыдан инжекция коэффициенті шамасымен сипатталады, ол эмиттерлік токтың пайдалы бөлігі  I_эn толық токтың  қандай бөлігін құрайтынын көрсетеді:

.

Базадан эмиттерге бағытталған  кемтіктер ағынын мүлдем алып тастау мүмкін емес, ендеше әрқашан  g<1 деп ұсыну керек және ең ыңғайлы жағдайда  g»0.9995.

Электрондардың базаға инжекциясы нәтижесінде олардың саны эмиттерлік өткелде көбейеді. Колекторлық өткел кері бағытта қосылған және экстракция режимінде жұмыс істейді. Ол өзіне жеткен барлық электрондардарды тартып алады және оларды коллекторларға өткізіп жібереді. Сонымен, коллекторлық өткелден базадағы электрондар концентрациясы эмиттерлік өткелдегіден әлдеқайда аз болады. 

Базада концентрация градиенті пайда болады, оның әсерінен электрондар коллекторлық өткелге диффунцияланады (1.5 суретті қара). Базадағы электрондардың таралуы 1.6-суретте көрсетілген. Базалық қабат екіден аз болғандықтан (w_б<<L_n), ондағы таралу сызықтыққа жақындау болады. Базадағы электрондар концентрациясының градиенті коллекторлық өткел бағытындағы электрондардың диффузиялық тогын анықтайды. Жоғарыда келтірілген базадағы электрондардың қозғалыс сипаты тек базаның электрлік бейтараптың шарты орындалған кезде, база көлемінде болған электрондар саны кемтіктер санына тең болғанда ғана мүмкін бола алады.

 

1.6 сурет

 

База арқылы диффузия үрдісі кезінде электрондардың біраз бөлігі база кемтіктерімен рекомбинацияланады. Рекомбинация актілерінің нәтижесінде коллекторларға жеткен электрондар саны, эмиттерден келген электрондар санына тең болмайды да, осыдан коллектор тогының электрондық құраушысы I_кn эмиттерлік токтың электрондық құраушысынан аз болады.

Электрондардың кемтіктермен рекомбинациялауға қажетті кемтіктердің жетіспеушілігін тудырады. Қажетті кемтіктер база тізбегі бойымен транзистордың базалық тогы  I_база тудырады. Осыдан, эмиттерлік және коллекторлық токтардың электрондық құраушылары арасындағы айырма базалық рекомбинация тогына береді.

Базадағы кемтіктердің рекомбинация үрдісі сан жағынан тасымалдаушылардың база арқылы тасымалдау коэффициентімен анықталады, ол тасымалдаушылардың қандай бөлігі эмиттерлік өткелден коллекторлық өткелге жеткенін көрсетеді.

Өрнектен көрініп тұрғандай, әрқашан n<1.  Ең үлкен мәні  n » 0,95 – 0,99. Тасымалдау коэффициентін арттыру үшін  (n бірге жақындату үшін) және осы арқылы коллекторлық токтың электрондық құраушысын арттыру, ол үшін  I_база азайту керек. Ол үшін транзисторлық құрылымды дайындауда төмендегі шарттарды қамтамасыз ету керек:

1)      базаны оның екі базадағы тасымалдаушылардың диффузиялық енінен әлдеқайда аз болатындай (w_б<<L_n) өте жұқа етіп жасау керек, сонда тасымалдаушылардың көп бөлігі, осы жағдайда электрондар, база кемтіктерімен рекомбинацияланып үлгермей, коллекторлық өткелге жетіп үлгереді;

2)      электрондардың база кемтіктерімен рекомбинациялану актілері санын тағы да азайту үшін базаны легирлеу қажет болады;

3)      базаның шеткі облыстарындағы рекомбинация ықтималдығын азайту үшін, коллекторлық өткел ауданы эмиттерлік өткел ауданы эмиттерлік өткел ауданынан (S_кп>>S_эп) көп болуы керек.

          Сонымен, ығысқан коллекторлық өткелге кері қайтқан электрондар өткел өрісімен тартылып коллекторлық токтың пайда болуына ат салысады.