Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1.Шалаөткізгіштің зоналық теориясы. Атомның негізгі күйіндегі валенттік электрондар тұратын рұқсат етілген зонаны, валенттік зона деп атаймыз. Абсолюттік нольде валенттік электрондар валенттік зонаның төменгі деңгейлерін екі-екіден толтырады. Жоғарырақ рұқсат етілген зоналар электрондардан бос болады. Валенттік зонаның толу дәрежесіне қарай және тыйым салынған зонаның еніне қарай, 3 – суретте көрсетілгендей, үш жағдай болуы мүмкін. а жағдайында электрондар валенттік
3 - сур.
зонаны толығымен толтырмайды. Сондықтан, жоғары деңгейде тұрған электрондарға өте аз энергия берілсе болды, олар жоғарғы деңгейге ауысады. Электр өрісінің электронға әсерінен пайда болған қосымша энергия да, электрондарды жоғарырақ деңгейге ауыстыруға жеткілікті болады. Сондықтан, электр өрісінен электрондар үдетіліп және, өріске қарсы бағытта, қосымша жылдамдық алады.Валенттік зонаны жарым-жартылай толтыру (металл жағдайында оны өткізгіштік зонасы деп те атайды), атомдағы соңғы орын алған деңгейде тек бір ғана электрон болады немесе зоналардың бірін-бірі көмкеруі бақыланады. Бірінші жағдайда N өткізгіштік электрондар валенттік зонаның жартысын ғана жұптасып толтырады. Екінші жағдайда, өткізгіштік зонасында деңгейлердің саны N-нен артық болады, егер де тіптен өткізгіштік электрондардың саны 2N болса да, олар зонаның барлық деңгейін толтыра алмайды.б және в жағдайларында (3-сур.) валенттік зонаның деңгейлері электрон электрондармен толық толтырылған – зона толған. Электронның энергиясын арттыру үшін, оған тыйым салынған зонаның енінен ΔЕ кем емес энергия мөлшерін беру керек. электр өрісі мұндай энергияны электрондарға бере алмайды. Мұндай жағдайда кристалдың электрлік қасиеттері тыйым салынған зонаның ΔЕ енімен анықталады. Егер бұл ен үлкен болмаса (оннан бір электроновольт), жылулық қозғалыстың энергиясы, электрондардың бір бөлігін жоғары еркін зонаға ауыстыруға, жеткілікті болады. Еркін зона олар үшін өткізгіштік зона болып саналады. Бір мезгілде валенттік зонадағы электрондардың жоғары босаған орындарға ауысу мүмкіндіктері туады. Мұндай затты өзіндік жартылай өткізгіш деп атайды.
2.Меншікті электр өткізгіштік. Шалаөткізгіштерде сыртқы электр өрісі әсері болса заряд тасымалдаушылар әсер ететін күш a
Мұнда эффектив масса ,а заряд тасымалдаушының өз бағытында алған үдеуі. Жылдамдықтың өзгерісіне кеткен уақытты деп алсақ: онда . Бұл жылдамдық заряд тасымалдаушылардың соқтығысу уақытында алған қосымша жылдамдығы . Себебі заряд тасымалдаушылар менен иондардың өзара соқтығысуы осы әрбір соқтығысудан орташа жылдамдығы нолге тең болады. Сол үшін көп санды заряд тасымалдаушылардың бірінші соқтығысумен екінші соқтығысу арасындағы алған орташа жылдамдығы мынаған тең:
. Егер болса , , мұндағы электр өткізгіштік.
Бұл заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы . Бұл формуладан шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі заряд тасымалдаушылар концентрациясына еркін жүру жолына эффектив массасына және жылдамдығына байланысты болады. Шала өткізгіштерде электр өткізгіштігі негізінен қозғалмай электрондар мен кемтіктер болады.
Меншікті шала өткізгіштерде сол үшін меншікті ш.ө.те болады.
3. Қоспалы электр өткізгіштік. Шалаөткізгіштерде сыртқы электр өрісі әсері болса заряд тасымалдаушылар әсер ететін күш
a
Мұнда эффектив масса ,а заряд тасымалдаушының өз бағытында алған үдеуі. Жылдамдықтың өзгерісіне кеткен уақытты деп алсақ: онда . Бұл жылдамдық заряд тасымалдаушылардың соқтығысу уақытында алған қосымша жылдамдығы . Себебі заряд тасымалдаушылар менен иондардың өзара соқтығысуы осы әрбір соқтығысудан орташа жылдамдығы нолге тең болады. Сол үшін көп санды заряд тасымалдаушылардың бірінші соқтығысумен екінші соқтығысу арасындағы алған орташа жылдамдығы мынаған тең:
. Егер болса , , мұндағы электр өткізгіштік.
Бұл заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы . Бұл формуладан шала өткізгіштердің электр өткізгіштігі заряд тасымалдаушылар концентрациясына еркін жүру жолына эффектив массасына және жылдамдығына байланысты болады. Шала өткізгіштерде электр өткізгіштігі негізінен қозғалмай электрондар мен кемтіктер болады.
Қоспалы шалаөткізгіштерде қоспалар берген негізгі заряд тасымалдаушылар мен негізгі емес заряд тасымалдаушылар электр өткізгіште қатысады.Яғни электрондар шалаөткізгіште электр өткізгіштік , ал кемтікті шалаөткізгіштерде болса . Егер қоспаларда донорлар мен акцепторлардың концентрациясы көп болса өткізгіштік қоспалар есебінен болады.
4.Дрейфтік және диффузиялық ток. 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.
1.^Дрейфтік ток.
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).
5.Шалаөткізгіштерде электрондар мен кемтіктер түсінігі. Шалаөткізгіштер өткізгіштердің де , диэлектриктердің де қасиеттерімен сипатталады. Кристалды шалаөткізгіштерде атомдар ковалентті байланыс түзеді, атомнан электрондар босап шығу үшін ішкі энергия қажет болады. Бұл энергия температура жоғарылағанда пайда болады, және бөлек электрондар ядродан энергия алып отырады. Температура жоғарылаған сайын электрондар мен кемтіктердің бос орындары да көбейеді, сондықтан қоспасы жоқ шалаөткізгіштерде электрлік кедергісі азаяды. Электронды кемтікті механизм коспасыз шалаөткізгіштің өзінде болады. Оны шалаөткізгіштің өздік электрлік өткізгіштігі деп атайды. Кемтік. Электрон мен ядроның арасы бөлінгенде атомда электронның орны бос қалады. Электрондар бір атомнан келесі атомға өтіп отырады. Осы электрон кеткен атомға басқа электрон келеді. Бұл процесс атомдардың ковалентті байланысы болып табылады. Осындай жағдайда атомның өзі орын ауыстырмай оң зарядтардың орын ауысуы болады. Осы шартты оң зарядты кемтік деп атайды. Негізінде шалаөткізгіштегі кемтіктің қозғалғыштығы электрондардың козғалғыштығына қарағанда төмен болады.
6.Ферми деңгейін анықтау. Егер n-типтегі жартылай өткізгіштерде Т=0К болғанда Ферми деңгейі өткізгіштік зонаның ең төменгі деңгейі мен донорлық деңгейдің ортасында жатады, 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 ығысып, 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.
Сурет 2
7.Шалаөткізгіште заряд тасымалдаушылар концентрациясы. Шалаөткізгіштердегі электрондар мен кемтіктер тасушы зарядтар болып табылады. Олардың концентрациясының қатынасы шалаөткізгіштің өткізу типін анықтайды. Концентрациясы көп тасушыларды негізгі заряд тасушылар деп атайды, ал екінші түрін негізгі емес деп атайды. Егер электрондардің концентрациясы кемтіктердің концентрациясынан көп болса, онда мұндай шалаөткізгішті өткізгіштігі n типті шалаөткізгіш деп атайды. Бұл жағдайда негізгі заряд тасушылар электрондар болады да , ал негізгі емес кемтіктер. Сәйкесінше кемтіктердің концентрациясы электрондардың концентрациясынан көп болса , онда мұны өткізгіші p типті шалаөткізгіш деп атайды. Мұнда негізгі заряд тасушылар кемтіктер, ал негізгі емес электрондар болып табылады. Шалаөткізгіштердегі бірдей заряд тасушылар концентрациясы температура үлгісімен және легірленген қоспа концентрациясымен анықталады.
8.Меншікті шалаөткізгіштерде заряд тасымалдаушылар концентрациясы. Меншікті шалаөткізгіштерде электрондар концентрациясы мен кемтіктер концентрациясы бір біріне тең болады: n=p
Меншікті шалаөткізгіштерде заряд тасушылардың концентрациясы
, - электрон үшін. , -кемтік үшін. . тыйым салу зонасы. Демек, мына формуладан электрондар мен кемтіктер концентрацияларының көбейтіндісі берілген температура үшін өзгермес шама болып табылады.
9.Қоспалы n-шалаөткізгіштерде заряд тасымалдаушылар концентрациясы. Қоспалы n шалаөткізгіштерде заряд тасымалдаушылар концентрациясының формуласын төмендегідей анықтаймыз: . Әрбір қоспа атомы біреуден электронды өткізгіштік зонасына беріп , электрондар концентрациясы донорлар концентрациясына тең деп есептейміз: . Бұл жерде болса концентрациясы кремний шалаөткізгішінде тең болады: бұл кремнийдікі.
10.Қоспалы p-шалаөткізгіштерде заряд тасымалдаушылар концентрациясы.Жартылай өткізгіштерді легірлеу – жартылайөткізгіштерге белгілі мөлшерде қоспа немесе структурасын бұрмалау арқылы электрлік қасиеттерін өзгерту болып табылады.Көп таралған түрі жартылайөткізгіштерді легірлеу болып табылады.Легірленген жартылайөткәзгіштің электрлік қасиеттері енгізіліп жатқан қоспа түріне және концентрациясына тәуелді.Электронды өткізгіштігі бар (n-типті)жартылайөткізгіштерді алу үшін әдетте донорлы қоспаларын қолданады.Олардың кең шектерде өзгеретін өткізгіштік электрондары болады.Донорлы қоспалар тиым салу зонасында немесе өткізгіштік зона түб жағында “майда” энергетикалық деңгейлер түзеді.Ал кемтіктік (р-типті) өткізгіштігі бар жартылайөткізгіштерді алу үші акцепторлі қоспалар қосылады.Олар валентті зонаның жоғарғы жағында энергетикалық деңгей түзеді.Осындай қоспа атомдары бөлме температурасында (300 К)толықтай иондалған болып табылады.(ионизация энергиясы эВ),сол себепті олардың концентрациясы негізгі заряд тасушылардың концентрациясын құрайды.Негізгі заряд тасымалдаушылар мен жартылайөткізгіш өткізгіштігіне қатынасы:
n-типті өткізгіштік үшін және
р-типті өткізгіштік үшін. Мұнда п –электрондар концентрациясы; р – кемтік концентрациясы; е –электрон заряды; - электрондардың және кемтіктердің қозғалтығы.
11.Шалаөткізгіштердің электр өткізгіштігі. Қозғалгыштық. Еш қоспасы жоқ жартылайөткізгіштің қалыпты жағдайда меншікті концентрациясы болады немесе i типті өткізгіштік деп аталады.Меншікті өткізгіштік “электрон- кемтік”жұбының генерациясына шартты түрде тәуелді.Егер электрондар концентрациясы өткізгіштік зонасында – ni , ал кемтіктер валентті – pi , және ni = pi,онда жартылайөткізгіштің меншікті өткізгіштігі: σi = ni е (μn + μp)
Қоспалы жартылайөткізгіште n != p, сол себепті электрөткізгіштік формуласы: σ = е (μnn + μpp)
Егер жартылайөткізгіште шамасы Е электрлік өріс пайда болса, заряд тасымалдаушылардың хаостық қозғалысынан бөлек ,заряд тасымалдаушылардың бағытталған орын ауыстырулары байқалады.Ол дрейф деп аталады.Дрейф жылдамдығы vдр, – электрлік өрістің кернеулік векторның бойымен бағытталған жылдамдығы.Дрейфтік жылдамдық таңбасы бірдей барлық заряд тасушылар бойынша орталанған (электрондармен немесе кемтіктермен). Дрейфтің орташа жылдамдығын келесі формуладан табуға болады:vдр=a tп, мұнда а – электронның соқтығысуы нәтижесіндегі үдеу.Электроның орташа үдеуін Ньютонның екінші заңы арқылы табамыз.
, мұнда qE=F –өріс тарапынан электронға әсер етуші күш.
Осы формуланы дрейф жылдамдығына арналған формулаға қоятын болсақ онда:
.
осыдан - бұл заряд тасушылардың қозғалғыштығы деп аталады.Нәтижесінде заряд тасымалдаушылардың қозғалғышытығы тасушылардың эффективті массасына кері пропорционал, ал еркін жүру уақытына тура пропорционал tп.
vдр=μЕ, Дрейф жылдамдығы осылай анықталса,онда қозғалғыштық формуласы:
, м2/В·с.
м2/В·с.
12. Шалаөткізгіштердің электр өткізгіштігінің температураға байланысы. Температуралардың кең диапазонында және қоспалардың әр түрлі болуына байланысты p – типті жартылайөткізгіш заряд тасымалдаушылардың концентрациясымен температурадық тәуелділік келесі графикте көрсетілген.
Төменгі температуралар облысында а және б аралығы тасымалдаушылар концентрацяисымен ғана сипатталады.аб түзуінің сыну бұрышы қоспаларды активациялауға байланысты болады.Температура өскен сайын қоспалармен жеткізіліп отырған тасымалдаушылар саны өседі.Бұл процесс қоспалы атомдардың электрондарының саны азайғанша байқалады(б нүктесі). б – в бөлігінде қоспалар аз, электрондардың тиым салу зонасынан өтуі әлі байқалмады. Заряд тасушылаардың тұрақты концентрациясы бөлігі қоспалардың азаю немесе тоду облысы деп аталады.Ары қарай темпереатура соншалықты өскенінен заряд тасымалдаушылардың концентрациясыда өседі.Нәтижесінде электрондар тиым салу зонасынан өтеді. ( в – и аймағы).Бұл бөліктің қисауы жартылайөткізгіштің тиым салу зонасының енің сипаттайды. а – б бөлігінің сыну бұрышы қоспалар концентрациясына байланысты.Екінші компонента, жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігін анықтайды – заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығы. Температураны жоғарлатқан сайын электрондар энергиясы өседі, нәтижесінде қозғалғыштықта көбейеді.Бірақ белгілі Т температурадан бастап, жартылайөткізгіштің кристалдық торының түйіндер тербелісі күшейеді.Бұл еркін заряд тасымалдашылардың орын ауыстыруына кедергі әкеледі.Нәтижесінде заряд тасымалдаушылар қозғалғыштығы азаяды. Келесі графикте көрсетілген
Температураның заряд тасымалдаушылардың концентрациясына және қозғалғыштығына әсерін талдай отырып, меншікті өткізгіштіктің сиппатамасын алуға болады.Температура өзгерісінің меншікті өткізгіштікке әсер ету графигі келесі графикте көрсетілген
13.Электронды-кемтіктік (p-n) ауысу.Әр типтегі екі жартылай өткізгіш контактысын электронды-кемтіктік ауысу немесе р-п ауысуы деп аталады. Мұнда екі өткел арасында бір типтен екінші типке заряд тасымалдаушылардың өту құбылысы байқалады. p-n ауысу жартылай өткізгішті диодтар, триодтар және басқа да бейсызық вольт-амперлік сипаттамалы электронды элементтер үшін басты көрсеткіш болып табылады. 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 Uk контактылық потенциалдар айырымының өсуі Ферми деңгейлері теңескенде барып тоқтайды (шамамен 10-9 с кейін) және eUk=χор-χоn болады. Контакт аймағында негізгі заряд тасушылар азаяды да, негізінен тек қозғалмайтын қоспа иондары ғана қалады. Сондықтан енінің аз болуына қарамастан (10-610-8 м) р-п ауысуы, кедергісі жартылай өткізгіштердің басқа бөліктеріндегі кедергіден әлдеқайда көп болады. Пайда болған контактылық потенциалдар айырымының, өріс кернеулігі шамамен 10-5106 В/м. Сыртқы электр өрісінің көмегімен негізгі емес заряд тасушыны p-n ауысуы арөылы өткізіпалуды заряд тасушыларды экстрациялау деп атайды. Эксстракция сөзі «шығарып алу», «суыру» деген мағына береді.Сыртқы өрістің көмегімен p-n ауысуындағы потенциалдық тосқауылды төмендетіп, негізгі заряд тасушыны ол негізгі емес тасушы болатын аймаққа өткізуді заряд тасушыларды инжекциялау деп атайды. Инжекция деген сөз «ендіру» деген мағына береді. Термогенерация–жылу энергиясының-температураның әсерінен электрон-кемтіктік жұптардың пайда болу үдерісі. Рекомбинация - термогенерацияға кері үдеріс, өткізгіштік зонадан электрондардың бос валенттік деңгейлеріне ауысуы.
14. p-n ауысудың вольт-амперлік сипаттамасы. Токтың берілген кернеуге I=f(U) тәуелділігін вольт-амперлік сипаттама (ВАС) деп атайды.
p-n ауысудағы диффузионды ток экспоненциалды заң бойынша берілген кернеуге тәуелді:
(1)
мұндағы U –сыртқы кернеу Iдиф 0 – сыртқы кернеу болмағандағы диффузионды ток.
I-p-n= I0=│Iдр│және I-p-n= Iдиф-Iдр ескере отырып, келесі формуланы аламыз:
(2)
(2) формула теориялық ВАС үшін аналитикалық көрініс болып табылады.
1 сурет. Теориялық және реалды ВАС.
15.p-n ауысудың сиымдылығы. p-n-ауысудың жалпы сыймдылығы кристалл шығыстарының аралығында өлшенеді.Сонымен қатар p-n-ауысуға тұрақты кернеу және гармоникалық кернеу жиілігі беріледі. p-n-ауысудың жалпы сыймдылығы барьерді,диффузиялық сыймдылықтан және кристалл копусының сыймдылығының қосындысынан құрылады:
С = Сбар + Сдиф + Скорп
Барьерді (немесе зарядтық) сыймдылық p-n-ауысудың екі жағындағы шекараға шоғырланған компенсацияланбаған иондалған қоспа атомдарының заряды бар болады.Бұл көлемдік зарядтар қозғалмайды және ток ағу процессіне қатыспайды . Олар өткелдің электрлік өрісін тудырады. Кері кернеу өскен кезде кеңісітік заряд облысы(ОПЗ)және зарядтың өзі көбейеді және бұл көбею пропорционалды емес.
Барьерді сыйымдылықты табу формуласы:
, және тең
, мұнда Sпер –өткел ауданы.
Барьерді сыйымдылык он – жүздеген пикофарадты құрайды. Диффузиялық сыйымдылық көлемдік заряд өзгерісіне негізделген,ал көлемдік заряд өзгерісі қаралып отырған қабаттың тура керну өзгерісіне және негізгі емес заряд тасымалдаушылардың инжекциясына байланысты.Нәтижесінде n-базада кемтіктердің көлемдік заряды пайда болады.Ол бір мезетте (бірнеше наносекунд ішінде) кемтіктерге жақындаған электрондармен компенсацияланады. ВАС-тың экспоненциальді сипаттамасын ескеріп, диффузиялық сыймдылықты токтың сызықты функциясы ретінде көрсетеді. онда
мұнда - қалың базадағы тасымалдаушылырының өмір сүру уақыты немесе жұқа базадағы орташа ұшып кету уақыты.
Диффузиялық сыймдылық жүздеген– мыңдаған пикофарадтан тұрады.Тура кернеу берілгенде өткелдегі жалпы сыйымдылық көбінесе диффузиялық сыймдылықпен анықталады, ал кері кернеуде – барьерді сыймдылықпен анықталады.Өткел сыймдылықтығының өткел кернеуіне тәуелділік графигі алдыңғы суретте көрсетілген.Бұл тәуелділікді өткелдің вольт – фарадты сипаттамасы деп атайды .
16.Термоэлектрлік құбылыстар теориясы. Термоэлектрлік құбылыстар — металдағы және жартылайөткізгіштегі болатын жылулық және электрлік процесстер арасындағы физикалық құбылыстар болып табылады.Жартылай өткізгіштердегі ең негізгі термоэлектрлік құбылыстарғы Зеебек, Пельтье және Томсон эффектілері. Белгілі бір мағынада бұл үш эффект бірдей,себебі барлық термоэлектрлік құбылыстар заряд тасымалдаушылар ағынындағы жылулық тепе теңдік бұзылуына байланысты болады. Барлық термоэлектрлік құбылыстардың абсолютті коэффиценттерінің мәні тасымалдаушылар заряды азайған сайын өседі.Сондықтан жартылайөткізгіштерде термоэлектрлік құбылыстардың барлық абсолютті коэффиценттері ондаған,жүздеген есе металдардан және қоспалардан үлкен.Үш эффекттің біреуіне тоқталып кетсек. Зеебек эффектісі электр тізбегінде электр қозғаушы күш пайда болумен сипатталады.Бұл тізбек тізбктей жалғанған ар түрлі материалдардан турады.Оларға мысалы,әр түрлі металдар, жартылайөткізгіштер жатады.Электр қозғаушы күштің пайда болуы үшін контактылардың температурасы әр түрлі болуы қажет. Термо-Э.Қ.К. тің үш құраушысы бар.Бірінші құраушысы температурасы жоғарғы бөліктен төменгі бөлікке заряд тасымалдаушылардың диффузиялануы.Концентрация градиенті негізгі тасымалдаушылардың жоғарғы температура әсерінен болған генерациясы әсерінен болады.Нәтижесінде ,температура градиенті заряд тасымалдаушылардың концентрация градиентің тудырып,заряд тасымалдааушылардың жылуы аз бөлігіне жылжуының себебі де болады.Енді «суық»контакт таңбасы негізгі заряд тасымалдаушылар таңбасындай болады, ал «ыстық» –контакт иондалған донорлы немесе акцепторлы атомдарының қоспа таңбаларын алады. Иондар жартылайөткізгіштің кристалдық торының элементтері болып табылады.Олар қозғалмайды, нәтижесінде бір көлемдік заряд ретінде қаралады.
Термоэлементтегі температура таралу схемасы
Ол n-типті жартылайөткізгіште оң немесе р-типті жартылайөткізгіште теріс болады. Екінші құраушысы – контактылы потенциалдар айырымының температуралық тәуелділігінен туындайды.Егер екі жағыда бірдей температурада болса,онда контактылы потенциалдар айырымы екі жағында да бірдей болады. Егер температура әр түрлі болса, онда контактылы потенциал айырымы әр түрлі болады.Сондықтан термоэлемент тізбегінде Э.Қ.К. тің екінші құраушысы туындайды. Оның полярлығы диффузиялық құраушыныкіндей болады.
n-типті жартылайөткізгіштегі көлемдік заряд (а) және р-типтідегі(б) Үшінші құраушысы электрондардың фонондармен көбеюіне байланысты болады. кол спая к холодному.Ал Пельтье эффектісі термоэлемент арқылы ток өткендегі элементтің жылытылуы немесе сууына негізделген. Томсон эффектісі жылудың шығуына немесе жұтылуына негізделген.
17.Зеебек эффектісі. Зеебек формуласы dE=1,2dT. dT-температура dE-термо-электр қозғаушы күш ,- m-эқк коэффициенті.Температураның артуыменен өткізгіштікте электрондардың орташа жылдамдығы және концентрациясы арта бастайды. Нәтижесінде электрондар концентрациясы азырақ болған салқын жағына қарай диффузияланады.Салқын бөлігі бұл жерде топталған артық электрондар есебінен теріс ал қыздырылған бөлігі болса,электрондар салқын жағына кетіп қалғандығы себепті оң зарядталып қалады. Шалаөткізгіште ЭҚК пайда болады.Бұл электр өрісі электрондардың жылу бөлімінен салқын бөліміне қарай қозғалысына кедергі жасайды .Соның нәтижесінде пайда болған потенциалдар айырмасы термо-электрлік қозғаушы күш болады.
18. Пельтье эффектісі. Тәжірибенің көрсетуі бойынша, өткізгіштің көлемінде токтың бөліп шығатын Джоуль-Ленц жылуынан басқа, әртүрлі өткізгіштердің түйісуінде, егер бұл өткізгіштер алғашында бірдей температурада тұрса да, олардың түйісу аймағында жылулық құбылыстар болады. Бұл түйісуде ток жүрген кезде, токтың бағытына байланысты жылудың бөлінуі немесе жұтылуы болады, түйісу аймағы не қызады, не салқындайды. Бұл құбылыс Пельтье эффектісі деп аталынады. Пельтье эффектісін 8 – суретте көрсетілген тәжірибе арқылы демонстрациялауға болады. Мұнда 1 және 2 – бір-бірімен жалғасқан екі әртүрлі
8-сур.
өткізгіштерден жасалынған өзектер. Өзектер шыны баллонның ішіне ауа кірмейтіндей тығыз орналастырылған, ол баллон горизонталь Т түтікшемен жалғасқан және түтікшенің ішіне су тамшысы ендірілген. Шыны баллон атмосферамен К краны арқылы жалғастырылып немесе онан бөлініп тасталына алады, сөйтіп бұл газ термометрі қызметін атқарады. Өткізгіштердің жалғасқан жері қызған кезде баллонның ішіндегі қысым артып, су тамшысы оңға қарай ығысады; дәнекерленген орын салқындаған кезде тамшы кері бағытқа қарай қозғалады. Тәжірибе үшін сурьмадан (Sb) және висмуттан (Ві) жасалынған өзектер алған қолайлы. Токтың бағыты Sb-дан Ві-ге қарай болғанда дәнекерленген орын қызады. Дәнекерленген орындағы Qn шығатын не жұтылатын Пельтье жылуы, түйісу ауданы арқылы өтетін толық зарядтың q шамасына пропорционал Qn = Пq = ПIt
П коэффициенті жалғасатын өткізгіштердің тегіне және температурасына тәуелді, оны Пельтье коэффициенті деп атайды. Пельтье жылуының табиғаты былай түсіндіріледі. Әрбір электрон өзінің қозғалысында заряд қана тасымалдамай, өзіне тән энергия да тасымалдайды. Сондықтан электр тогы болған кезде өткізгіште белгілі-бір энергия ағыны пайда болады. Бұл мына жағдайда да, өткізгіштің барлық нүктелерінде температура бірдей және жылу өткізгіштіктік салдарынан энергия ағыны жоқ кезде де, пайда болады. Энергия ағыны электрондардың қозғалыс бағытымен сәйкес келеді, яғни ток тығыздығының бағытына қарама-қарсы. Өзгермейтін ток тығыздығында әртүрлі өткізгіштерде энергия ағыны әртүрлі. Сондықтан, 1 өткізгіштегі түйісу жазықтығына келетін энергия ағыны, 2 өткізгіштегі түйісу жазықтығынан кететін энергия ағынына тең болмайды. Осы энергиялардың айырмашылығы Пельтье жылуы болады.
19. Томсон эффектісі. Термоэлектрлік құбылыстарды зерттей отырып, Томсон мынандай қорытындыға келді, егер өткізгіш біртекті болса да және ол біртекті қыздырылмаса, бұл өткізгіштен ток жүрген кезде жылу шығару немесе жұтылу болады, ол Джоуль-Ленц жылуына қосылады немесе одан алынады. Бұл құбылыс Томсон эффектісі деп аталынады, дәлірек айтсақ түйісу құбылысына жатпайды. Алайда оның пайда болуы түйісуде болатын құбылыстармен тығыз байланысты.Томсон эффектісін бақылау үшін 9-сур. қызмет етеді. Бірдей материалдан жасалынған 1 және 2 өткізгіштер ток тізбегіне жалғасқан, ал
9-сур.
өзектердің ұштары әртүрлі температураларда ұсталынып тұрады (мысалы, 100 және 00 С). Өзектерде температура градиенті ΔТ / Δх пайда болады және жылу ағыны басталады. Бір өзекте токтың бағыты және температура градиенті бірдей, ал басқасында – қарама-қарсы. Тәжірибеде, ток жүрмеген кезде а және б нүктелеріндегі температуралар айырмашылығын өлшеу үшін термопара түйісу ұшы орналастырылады. Ток жүрген кезде а және б нүктелерінің температуралары әртүрлі болады, мұнан бір өзекте Джоуль-Ленц жылуына қосымша жылу бөлінетіндігін, ал басқа өзекте жылу жұтылатынын (Томсон эффектісі) көрсетеді.Томсон эффектісінің таңбасы әртүрлі өткізгіштер үшін әртүрлі. Мысалы, висмут және цинкте, егер жылу ағыны мен ток бағыты сәйкес келгенде, жылу бөліну бақыланады. Бірақ дәл осындай жағдайда темірде, платинада, сурьмада жылу жұтылу бақыланады.Томсон эффектісі өткізгішті қыздырған кезде, оның қасиетінің өзгеруімен түсіндіріледі. Алғашқы біртекті өткізгіш біртекті қыздырылмаған кезде біртекті болмай қалады және сондықтан Томсон эффектісі мәні бойынша өзіндік Пельтье құбылысы болып саналады, тек мұнда өткізгіштердің біртекті еместігі өткізгіштердің химиялық құрамының әртүрлілігінен емес, температуралардың әртүрлілігінен болады.
21.Риги —Ледюк Эффектісі. Риги —Ледюк Эффектісі - термомагнитті эффект, мұнда температура градиенті бар өткізгіш жылу ағынына перпендикуляр болатын магнит өрісіне түскенде температураның екінші ретті айырымы пайда болады. Ол магнит және жылу ағынына перпендикуляр болады. Басқа да жылумагниттік құбылыстар сияқты Риги-Ледюк эффектісі заряд тасушылардың траекториясы магнит өрісінде Лоренц күші әсерінен қисық сызық сызады. Диффузияға ұшыраған заряд тасымалдаушылар өзімен жылуды ала жүреді. Магнит өрісі болмаған жағдайда жылу ағыны үлгінің ыстық басынан суық басына барады. Магнит өрісін қосқанда диффузия ағыны лоренц күші арқылы белгілі бір бұрышқа ауытқиды, сонда температураның көлденең градиенті пайда болады. Эффекттің мөлшерлік сипаттамасы болып Риги — Ледюк тұрақтысы алынған, ол заттың қасиетін сипаттайды. Сонда:
. ,
Мұнда — тасымалдаушылардың еркін жүру уақыты, — заряды, — эффективті масса. Лоренц кұшінің бағыты диффузияның бұл бағытында заряд тасымалдаушылардың таңбасына тәуелді болғандықтан,онда белгісі таңбасы әр түрлі болатын тасымалдаушылар үшін әр түрлә болады.
Электрондар үшін , тесіктер үшін .
пен Холл тұрақтысы арасында мынадай тәуелділік бар:
,
— Меншікті электрөткізгіштік.
22.Нернст - Эттингсхаузен эффектісі. Металдарда және жартылай өткізгіштерде температура градиенті бар және оған сыртқы магнит өрісі перпендикуляр болған кезде электр өрісінің пайда болуы. Бұл термомагнитті құбылыстар қатарына кіреді. Оны 1886 В. Нернст және А. Эттингсхаузеном ашқан. Н. — Э. э. ұзынша түрі- температура градиентіне перпендикуляр магнит өрісі әсерінен жылуэлектрқозғалтқыш күшінің өзгеруі, көлденең Н. — Э. э. — бағытта ЭҚК пайда болуы, ол магнит өрісіне және температура градиентіне перпендикуляр. Н. — Э. э.токты тасымалдаушылардың релаксация уақытының тормен әсері кезіндегі энергия (немесе жылдамдықтың) тәуелділігімен анықталады. Н. — Э. э. зерттеулері арқылы токты тасымалдаушылардың кқзғаолғышытығы және релаксация уақыты туралы ақпарат алуға болады.
23.Холл эффектісі. Холл эффектісі деп, ток жүріп тұрған жалпақ металл өткізгішті, пластинаға перпендикуляр магнит өрісін орналастырған кезде, оның ені бойынша екі шетінде потенциалдар айырымының пайда болу құбылысын айтады. n-типті жартылай өткізгіштегі бақыланатын холл потенциалдар айырымының таңбасы теріс ток тасымалдаушыларға, ал р-типті жартылай өткізгіштерде – оң тасымалдаушыларға сәйкес келеді. Қоспалар тордың өрісін айнытады, кристалдың тыйым салынған зонасында орналасқан, қоспалық деңгейлердің энергетикалық сұлбасының пайда болуына алып келеді. Бұл қоспалық деңгейлер n-типті жартылай өткізгіштер жағдайында донорлық (1-сур.,а), ал р-типті жартылай өткізгіш жағдайында акцепторлық деп аталады (1-сур.,б).
1 - сур.
n – типті жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның жоғарғы жартысына орналасса, ал p – типті жартылай өткізгіште – тыйым салынған зонаның төменгі жартысында орналасады. Температура артқан кезде жартылай өткізгіштердің екі түріндеде Ферми деңгейі тыйым салынған зонаның ортасына ығысады. Егер донорлық деңгейлер валенттік зонаның төбесінен алыс орналаспаса, олар кристалдың электрлік қасиетіне мәнді әсер ете алмайды. Мұндай деңгейлердің өткізгіштік зонаның түбінен қашықтығы, тыйым салынған зонаның енінен едәуір аз болған жағдайда басқаша болады. Бұл жағдайда қалыпты температураның өзінде жылулық қозғалыс энергиясы, донорлық деңгейден өткізгіштік зонаға ауыстыру үшін жеткілікті болады (1-сур.а). Бұл процеске қоспа атомынан бесінші валенттік электронды бөліп алу сәйкес келеді. Қоспа атомының бос электронды қамтып алуына 1 – суретте, аз электронның өткізгіштік зонадан бір донорлық деңгейге көшуі сәйкес келеді. Акцепторлық деңгейлер кристалдың электрлік қасиетіне, егер олар валенттік зонаның төбесіне жақын орналасса мәнді әсер етеді (1-сур.,б). Кемтіктің пайда болуына электронның валенттілік зонадан акцепторлық деңгейге ауысуы сәйкес келеді. Кері процесс қоспа атомының төрт коваленттік оның көршілерімен байланысының үзілуіне және бұл кезде пайда болған электрон мен кемтіктің рекомбинациясына сәйкес келеді. Температура жоғарылаған кезде токтың қоспалы тасымалдаушыларының концентрациясы тез өзінің қанығуына жетеді. Бұл, іс жүзінде барлық донорлық электрондар босап шығатынын немесе барлық акцепторлық деңгейлер электрондармен толатынын көрсетеді. Мұнымен бірге температура өскен сайын, тікелей валенттік зонадан өткізгіштік зонаға электрондардың көшуімен байланысты, жартылай өткізгіштің өзіндік өткізгіштігі басым бола бастайды. Сонымен, жоғары температурада жартылай өткізгіштің өткізгіштігі коспалық және өзіндік өткізгіштіктен тұрады. Төменгі температурада - өзіндік өткізгіштік басым болады.
24. Металл шалаөткізгіш контакты.Металл мен шалаөткізгішті бір-біріне жақындатқанда олардың арасында электрон ауысуы пайда болады.Бұл жерде себебі шалаөткізгіштің және металлдың шекараларында электрондардың потенциалдық энергиясы бірдей болады. Бұл жерде шалаөткізгішті тастап кетуші электрондар металлға өтеді.
I1=(mkT2/2h3 )exp(-A/kT) шалаөткізгіш үшін.А1-шалаөткізгіштің шығу жұмысы. I2=mkT2/exp(-A/kT) металл үшін,бұл жерде А2-металлдың шығу жұмысы.
Егер А2>A1 болса : Металлды тастап кетуші электрондарға жоғарғы потенциал тосқауылға өту керек болады.Сонда бірінші және екінші формуладан шалаөткізгіштегі электрондардың ағысынан көп болады.Электрондардың бір бөлігі кетуі нәтижесінде шалаөткізгіштің беті оң зарядқа ие болады.Шалаөткізгіш және металл арасында потенциалдар айырымы пайда болады.Металлға жетіп бару үшін шалаөткізгіштен ұшып шыққан электрон қосымша потенциал тосқауылдан өту керек.
25. Металл шалаөткізгіш контактының вольт-амперлік сипаттамасы.Кернеу өзгерісімен диффузия тогының өзгерісі экспоненциал заң негізінде пайда болады. Iдиф=I0eqU/kT Тура кернеу берілгенде потенциал тосқауыл биіктігіне кері ток әсер етпейді.Себебі өтіп жатқан негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саныменен белгіленеді.Диффузия дрейф токтары бір-біріне салыстырғанда қарама-қарсы бағытта болады.
26. Шығу жұмысы және контакт потенциалдар айырмасы. Шығу жұмысы – өткізгіш не жартылай өткізгіштер бетінің негізгі сипаттамасы. Ол осы беттегі электрондық эмиссия заңдылықтарын анықтайды. Қатты дененің шығу жұмысы оның материалына, беттік қабатының құрылысына және онда бөгде атомдардың болуына, сондай-ақ сыртқы электр өрісінің кернеулігіне тәуелді. Шығу жұмысының мәні туралы негізгі мәліметтер тәжірибеден алынады. -ді анықтау үшін эмиссиялық не түйіспелік (контактілік) құбылыстар пайдаланылады. Металлдан электронның шығу жұмысы жартылай өткізгіштен электронның шығу жұмысы -дан артық болсын. Контактыны идеал деп есептейік. Мұндай контактының энергетикалық диаграммасы 1 сурете көрсетілген Нақты контактыларға энергетикалық диаграммаға металл мен жартылай өткізгіш аралығында қалып қоятын саңлаулар және шекарадағы беттік электрондық күйлер әсер етеді. Бұл жерде оларды есепке алмаймыз. Қарастырылып отырған жағдайда металлдағы Ферми деңгейі жартылай өткізгіштегі Ферми деңгейінен төмен жатқандықтан бұл деңгейлер теңескенге дейін 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: . Металл мен p-типтегі жартылай өткізгіштерді түйістіргенде де олардың шығу жұмыстарының өзара қатыстарына байланысты жартылай өткізгіштердің контактыға жақын аймағында негізгі заряд тасушылар (кемтіктер) азайған жапқыш қабат (), не негізгі заряд тасушылармен байытылған антижапқыш қабат пайда болады. Оларға сәйкес энергетикалық диаграммалар 1,а және 1,б суреттерінде көрсетілген.
а б Сурет 1.
Контакт потенциалдар айырымы температураға тәуелді, жанасатын металдардың температурасы артқан кезде өсіп отырады.
27.Шоттки эффекті. Контактылық потенциалдар айырымының өрісі кристалдық тордағы атомдар өрісіне қарағанда өте әлсіз болғандықтан, зоналар құрамы бұзылмайды, 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 жоғары болатын 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.Егер түйіскен металмен n-типтегі жартылай өткізгіш үшін болса, онда электрондар металдан жартылай өткізгішке өтеді де, олардың зарядталуы керісінше болады. Жартылай өткізгіштің контактыға жақын аймағы электрондармен байытылу нәтижесінде энергетикалық зонаның өисығы төмен қарай бағытталып, энергетикадық диаграмасы 2,а суретте көрсетілгедей түрде келеді. Негізгі заряд тасушылармен байытылған және кедергісі өте аз болатын жартылай өткізгіш қабатын антижапқыш қабат деп атайды.
2-сурет.
28.Диффузия теориясы. Бір заттың молекулаларының екінші заттың молекулаларының араларындағы бос орындарға өтіп таралуын диффузия (латынша жайылу, таралу) деп атайды. Диффузия – концентрациясы көп аймақтан, концентрациясы аз аймаққа қарай бөлшектердің бағытталған қозғалысы (заттардың концентрациясының өз бетімен теңелуі). Диффузия- өзара түйістірген заттардың арасындағы жылудың әсерінен әр түрлі бөлшектердің бір-біріне енуі. Диффузия тасымалдау құбылысы заряд тасуышылардың концентрациясы төмендеген жағына қарай бағытталады. Диффузияның жылдамдығы температураға байланысты. Денелерді қыздырғанда диффузия жылдамырақ жүреді. Өйткені денелерді құрайтын бөлшектердің қозғалыс жылдамдығы оларды қыздыра түскен сайын арта береді. Диффузия құбылысынан мынадай қорытынды туады: денелерді құрайтын бөлшектер бір-бірінен белгілі бір қашықтықта орналасады және үздіксіз қозғалыста болады. Дене көлемінің үлкен бөлігін бос кеңістік алып тұрады.
29.Гетероөткелдер. Гетереауысулар деп химиялық құрамдары әр түрлі, бірақ кристалды торлары бір біріне ұқсас екі шө материалдардың арасындағы байланысты айтамыз. Оның екі түрі бар: изотопты және анизотопты. Егер бір типті материалдан жасалған болса – изотопты, ал екі типті шалаөткізгіш материалдан жасалады. Гө-дің үш моделі бар: идеал гө, идеал емес гө, аралық қабатты гө. Идеал гө-де идеал емеске қарағанда материалдардың қосылу шекарасында электрондар үшін локальдық энергетикалық күйлер болмайды. Ал аралық қабатты гө-лар шектік қабаттар арқылы пайда болады және локальды энергетикалық күйді аралық қабатпен қатар шекараларында жүзеге аса алады. Гө-дердің энергетикалық диаграммасында қарапайым электронды ұқсастық принципі пайдаланылады. Бұл принципте өткізгіштік аймақ үзілісі екі шө материалдың электрондық ұқсастығының айырмасына тең. Идеал гө-дер үшін энергетикалық диаграммалар сызу үшін мына шарттарды білген жөн: 1) вакуум деңгейі нөлге тең. 2)электронды ұқсастық шө-тің бір шегінде тұрақты. 3)тиым салынған зонаның ені шө-тің бір түрінің шегінде тұрақты. Гө-дің зоналық диаграммасын сызғанда өткізгіш зонаның тереңдігі өскен кезде ауысудың шекарасында түйін пайда болады. Оның өлшемі ЕсХGe – XGaAs. Гө-гі потенциал барьердің биіктігін табу үшін әр облыстағы потенциалдардың қосындысымен анықталады. Гө-дің ВАС-ын термоэлектронды балансты ескерген жағдайда аламыз.
30.Динистор. Құрылысы. Жұмыс істеу принципі. Тиристор - үш немесе одан да көп р-n ауысуынан тұратын,тұрақты екі күйі бар және бір күйден екінші күйге басқару импульсі арқылы ауысып-қосылу мүмкіндігі бар электрондық құрал. Тиристорлар электродтар санына қарай екі электродты динистор және үш электродты тринистор болып бөлінеді. Динистор дегеніміз екі электродтан тұратын (анод пен катод) тиристордың бір түрі.
1-сурет.а) Динистордың құрылымы б) оның шартты графикалық бейнеленуі.
Мұндағы П1 мен П3 эмиттерлік өткел, П2 коллекторлық. Ал n1 мен p2 база болып саналады. Динистор 4 жартылай өткізгішті аймақтан тұрады. Екі бір біріне жанасқан аймақтың арасында электронды-кемтіктік ауысу болады.Бұндай ауысу динисторда үшеу. Жұмыс істеу принципі. Тура қосылу жағдайында шығысындағы кернеу белгілі бір мәнге жетпейінше ол ток өткізбейді. Ол кернеудің мәні белгілі бір шамаға ие болады және өзгермейді. Бұл динистордың басқару шығысының жоқтығымен байланысты.
Динистордың ВАС-сы. График үш аймақтан тұрады. Ол динистордың жұмыс режимін көрсетеді.(1)аймақ жабық жағдайда, яғни одан ток өтіп жатқан жоқ. Бұдан динистордың электродына берілген кернеу қосылу кернеуінен аз.(2)аймақ оның шығысындағы кернеу қосылу кернеуінің мәніне жеткен кезде динистордың ашылу моментін көрсетеді.Бұдан динистор ашыла бастайды және одан ток жүреді. Әрі қарай процесс тұрақталып динистор келесі жағдайға өтеді.(3)аймақ динистордың ашық жағдайын көрсетеді. Бұнда динистор арқылы өтетін ток максимал мәнге ие болады. Ашық динисторда кернеудің құлау шамасы аз, 1-2В шамасында болады. Динистордың жұмысы жө диодтың жұмысына ұқсас, бірақ диодта ашылу кернеуінің мәні Волттан кіші болады. Динисторды толығымен жабу үшін ондағы токтың мәнін ұстап қалу тогына дейін азайту қажет. Бұдан динистор өшіп жабық күйге өтеді. Динистордың екі ғана электроды болғандықтан, оның кернеу түсіретін кірісі мен шығысы бір болып, басқарылу мүмкіншіліктерін шектеп, қолдану ауқымдарын тарылтады. Динисторлар түрлендіргіш техникада, қуатты импульстер генераторларында, автоматты басқару жүйелерінде, т.б. қолданылады
31.Шалаөткізгішті диодтар. Жұмыс істеу принциптері. Сыртқы 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 концентрациясы көп 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 көмегіменен сыртқы тізбекпен жалғасады. р–п ауысуының токты тек бір бағытта өткізетін қасиеті жартылай өткізгіштік диодтарда қолданылады. Жартылай өткізгіштік диод кремний мен германий кристалдарынан жасалады.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.
1-сурет. Диодтың ВАС-сы.
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. Жартылай өткізгіштік диодтардың ең бір мәнді кемшілігі – температура артқан кезде олардың түзеткіштік әсерінің нашарлауы болады.Жартылай өткізгіштік диодтардың артықшылықтары мыналар: жоғары ПӘК (германийлік және кремнийлік диодтардың ПӘК-і 90%-ға дейін жетеді), түзетілген токтың үлкен қуатында аз габаритті (ауысу ауданы 25 мм2 диод қуаты бірнеше ондаған киловатт токты түзете алады) және шамдық диодтарға қарағанда, едәуір механикалық беріктігі артық және қызмет ету уақыты ұзақ.
32.Стабилитрондар.Стабилитрон – кері тесіліс аймағында істейтін, кернеу тұрақтандыруға пайдаланылатын, арнайы диод.Тесілістің үш түрі бар: туннелдік, тасқындық және жылулық. Стабилитронның жұмыс принципі тасқындық тесіліске, яғни заряд тасымалдаушыларының аусна аймағындағы күшті электр өрісінде тасқынды көбеюіне негізделген. Бұл кезде ток сыртқы кедергімен ғана шектеледі, ал кернеу мәні елеулі өзгермейді.
Стабилитронның шартты белгісі
Жартылай өткізгішті стабилитрондар. Кәдімгі диодтар үшін қауіпті болып табылатын электрлік тесілу құбылысын практикада кернеуді тұрақтандыру үшін қолданады. Ондай диодтарды жартылай өткізгішті стабилитрондар, немесе тіреуіш диодтар деп атайды. С табилитрондар, осы мақсат үшін қажетті вольт амперлік сипаттамасы бар, кремнийден жасалады. Кернеуді тұрақтандыруға германий диодтар жарамсыз, өйткені олар жылу әсерінен оп-оңай тесілді де, қажетті қасиетінен айрылып өлады. Стабилитронның вольтамперлік сипаттамасы 2суретте келтірілген. Оның тура бағыттағы бөлігі осы тәріздес кремний диодтардың сипаттамасына ұқсас. Бірақ оның кері бағыттағы бөлігінде, ток осіне параллельге жақан ab бөлігі бар. Ток - нан -ға өзгергенде стабилитронға түсетін кернеу өзгермейді десе де болады. Кремний диодтардың осы қасиеті оларды кернеу стабилитроны ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. 3-суретте кремний стабилитроны негізінде жиналған ең қарапайым, бірақ кең тараған, стабилизатордың схемасы көрсетілген. Тізбектің тармақталмаған бөлігіне шектеуші кедергі жалғанады, оның кедергісі стабилитронның дифференциалдық кедергісі -ден едәуір артық болуы тиіс. қатынасы қаншалықты үлкен болса, кернеудің тұрақталынуы соншалықты жақсарады. Схемаға келетін кернеуі өзгергенде жүк кедергісіне түсетін кернеу болмашы ғана өзгереді, схеманың стабилизациялау әсері осы. Басқа схеманың көмегімен айнымалы кернеуді де тұақтандыруға болады.
Сурет 2 Сурет3
33.Варикаптар.p-n – ауысуындағы тосқауыл сыйымдылықтың кері кернеуге байланыстылығы қолданылатын жартылай өткізгішті диодтарды варикаптар деп атайды. Варикап — берілген кері кернеуге p-n ауысуының тосқауылдық сыйымдылыққа тәуелділігі сызықты болмайтын жартылай өткізгіш диод. Варикапты Ge, Si және GaAs материалдары негізінде жасайды. Радиоэлектрондық құрылғыларда варикапты параметрлік күшейту, жиілікті көбейту үшін, сондай-ақ сыйымдылықты электрлік басқару мүмкіндігі бар тербелмелі контурдың резонансттық жиілігін қашықтан жөне тез баптау үшін қолданады. Варикаптың жұмысы негізінде р—n өткелінің тосқауылдық сыйымдылығы пайдаланылады
1-сурет.Варикаптың шартты белгісі
2-сурет.Диодқа кері кернеу қосу.
3-суретте p-n – ауысуындағы сыйымдылықтың түсірілген кері кернеуге тәуелділігі көрсетілген. Суретте кескінделгендей кері кернеу көбейгенде өткелдің сыйымдылығы азаяды. Бұл тәуелділікті қарапайымдан былай түсіндіруге болады. Жартылай өткізгіштердің p-n – ауысуын конденсатор ретінде қарастырсақ, онда оның жапсарлары p және n облыстары болады да, ал жапсарлар арасындағы диэлектрик ретінде заряд тасушылары жоқ p-n –ауысуының өзін алуға болады. Кері кернеуді көбейткенде өткелдің ені өседі, ол конденсатордың жапсарларының бір-біріне алыстауымен бара-бар, сондықта конденсатордың сыйымдылығы кемиді. Ыңғайлану процесі инерциясының өте аздығы және габаритінің кіші болуы варикаптарды, жиіліктерді автоматты түрде реттеу және жиіліктік модуляциялау мақсатында қолданылатын тербелмелі контурларда, сонымен бірге параметрлік түрлендіргіштерде және күшейткіштерде қолдану өте қолайлы. Варикаптарды кремнийде дайындайды оның кері тогы аз болғандықтан шашырау аз болады да, конденсатордың төзімділігі жақсарады.Қолданылуына байланысты варикаптардың сыйымдылығы бірнеше пикофарадамен жүздеген пикофарада аралығында жатады. Варикаптардың сыйымдылығының кернеуге тәуелділігі p-n – ауысуының дайындалу технологиясына байланысты.3-суретте Варикаптың негізгі сипаттамасы–вольт-фарадалық сипаттама (ВФС).
3-сурет.
34.Туннельдік диод.Туннельдік 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.
1-сурет. 2-сурет
35.Туннель диодтардагы тура және кері токтар. Туннельдік диод деп- аймақтары қатты легірленген - - ауысуы негізіндегі жартылайөткізгішті диодты айтамыз.Ең алғаш туннельдік диодты 1958 жылы Лео Эсакл жасап шығарған. Белгіленуі:
Бұл диодтарды германийден,галийдің арсенид және галий антимонидынан,сирек жағдайда қоспа концентрациясы үлкен( *-ке жақын донорлық немесе акцепторлық атомдар) және теріс дифференциалдық кедергісі бар кремнийден жасайды.Қоспаның концентрациясының жоғары болуына байланысты р – аймағындағы Ферми зонасы валенттік зонаның ішінде орналасады,ал n – аймағында өткізгіштік зона ішінде болады. P-n ауысуы қалыптасу кезінде энергетикалық зоналардың шекарасының орналасуы мынадай болады: р- аймағының валенттік зонасының төбесі n- аймағының өткізгіштік зонасының түбінен жоғары ығысады;кристалдың облыстары жіңішке жабық қабаттарға бөлінеді.Олар электрондар арасында туннельдік ауысуларды жүзеге асырады.
P-n ауысуларының күйін зонналық диаграммамен түсіндіріледі:
Бұл жағдайда диодтың электродтарында сыртқы кернеу болмаған жағдайда кристалл электр бейтарап болады.Себебі тура және кері бағыттарда ауысу арқылы жүретін тасымалдаушылардың тудыратын қорытқы тогы нөлге тең болады.Ферми деңгейі бір түзумен орналасады.
Ал енді сырттан кернеуді тура берген жағдайды қарастырайық.
Бұл жағдайда электрондардың өткізгіштігінің энергетикалық деңгейлері n-аймағынан,электрондармен толмаған р-аймағының деңгейлеріне ығысады. Электрондардың толмаған деңгейге ауысуынан тура ток І пайда болады.Кернеудің мәні өскенде І тогының өсуі қатар жүреді.Кернеуді одан әрі арттырғанда n-аймағындағы электрондары бар деңгейлер р-аймағының тыйым салынған зонасына қарай ығысады. І тогы төмендей бастайды.Себебі,кернеу артуымен потенциал тосқауыл азайып n-аймағының өткізгіштік зонасындағы электрондардың р-аймағының валенттік зонасына энергиясы өзгермеген күйде өте алатын бос орын азаяды.
Енді кернеуді кері бағытта берсек,
Бұл жағдайда валенттік зонадағы электрондар өткізгіштік зонаға қарай ығысады.Кері кернеудің артуымен туннельдік токта өседі.
36.Туннель диодтың вольт-амперлік сипаттамасы және оның температураға байланысы.
Үлкен емес ,сәл ғана кернеуде 0<Uпр<U1 зонаның жабылуы азаяды; бұл жағдайда электрондардың өткізгіштігінің энергетикалық деңгейлері n-аймағынан,электрондармен толмаған р-аймағының деңгейлеріне ығысады; электрондардың толмаған деңгейге ауысуынан тура ток І пайда болады(ВАС-тың 0-С бөлігі).Кернеудің мәні U =U1 дейін өскенде ,І тогының өсіуі қатар жүреді;кернеуді одан әрі арттырғанда U> U1 n-аймағындағы электрондары бар деңгейлер р-аймағының тыйым салынған зонасына қарай ығыса бастайды, І тогы U =U2 нүктесіне дейін кішірейеді бастайды. U > U2 болған кезде потенциалдық тосқауылдың биіктігі азаяды, р- n ауысуы арқылы тасымалдаушылардың диффузиялық процесі жүреді және туннельдік диод кәдімгі диодтың жұмыс режиміне өтеді.
Келесі суретте туннельдік диодтың температураға тәуелділігі көрсетілген және олар германий мен галий арсенидтен жасалған.
Рис. 4.18. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах
а) германиевый диод 1И403; б) арсенид галлиевый диод 3И202
37.Тиристорлар. Тиристордың құрылысы. Жұмыс істеу принципі. Тиристор - үш немесе одан да көп р-n ауысуынан тұратын,тұрақты екі күйі бар және бір күйден екінші 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.Тристордың структурасы 1-суретте көрсетілген.Тристор төртслойлы -- -- құрылғыны білдіреді және үш тізбектей қосылған p-n ауысынан тұрады( және ). Сыртқы аймақтарын эмиттер ( ) деп ,ал ішкі аймақтарын тристордың базалары ( деп атайды. өткелдерін эмиттер, ал өткелін – коллекторлық өткел деп атайды.
1-сурет
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.
Динистор 4 жартылайөткізгішті аймақтан тұрады.Екі бір-біріне жанасқан аймақтың арасында электронды-кемтіктік ауысу болады.Бұндай ауысу динисторда үшеу.Жұмыс принципі : тура қосылу жағдайында шығысындағы кернеу белгілі бір мәнге жетпейінше ол тоқ өткізбейді. Және кернеудің мәні белгілі бір мәнге ие болады және өзгермейді.Бұл динистордың үшінші басқару шығысының жоқтығымен байланысты.
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.
38.Тиристордың вольтамперлік сипаттамасы.
ВАХ тиристора:VG - напряжение между анодом и катодом; Iy, Vy - минимальный удерживающий ток и напряжение; Iв, Vв - ток и напряжение включения.
Тиристордың ВАС бірнеше әртүрлі аймақтар бар.Тиристордың 1-ші эмиттеріне берілетін оң кернеу тиристордың тура жылжуына сәйкес келеді. 1 және 2 нүктелері арасындағы аймақ жабық күйдегі жоғарғы кедергіге сәйкес келеді.Осы жағдайда VG кернеудің біраз бөлігі П2 коллекторлық өткелге кемиді.П1 және П2 эмиттерлік өткелдер тура бағытта қосылған. U кернеуі U вкл кернеуінің белгілі бір мәніне жеткенде ашық күйде болады.3 және 4 нүктелерге сәйкес.
39.Биполярлы транзисторлар. Схемасы. Транзистордың пайда болуы.Электр тогын басқару үшін қолданылатын екі р-n ауысуларынан тұратын құрылғыны транзистор деп атайды.Оның электродтарына түсірілген кернеулерді өзгерте отырып ,токтың шамасын басқаруға,оны генерациялауға немесе ауыстырып-қосуға болады.Транзисторда диод секілді германийден немесе кремнийден жасалады.Алғаш рет жұмыс жасайтын транзисторды Bell фирмасының зертханасында 1948 ж. Джон Бардин,Уолтер Браттейн және Уильям Шокли жасап шығарған.Транзистордың артықшылығы: оның көлемінің аздығы,кернеудің аз ғана мәнінде жұмыс жасағанда ,үлкен қоректендіру көзін тілемеуі; Биполярлы транзистор деп ,екі өзара әсер етуші p-n ауысулары бар кристалдардан жасалған құралды айтады. Биполярлы транзистордың құрылымы p-n-p немесе n-p-n ,қуаты,жұмыс жиілігі және басқа да белгілері жағынан ажыратылады.
Биполярлық транзистордың құрылысы.
Электр өткізгіштігі р- түріндегі микрокристалл пластинаның екі жағына электр өткізгіштігі n-түріндегі кристалл қабаты жасалған.Кристалдың электрлік шығысы бар орталық бөлігін база,бір шеткісін –эмиттер,екіншісін –коллектор деп атайды.Базаның электр өткізгіштігі электрондық та,кемтіктік те болуы мүмкін,соған сәйкес транзистор да p-n-p немесе n-p-n құрылымды болады.
p-n-p n-p-n
Транзисторлардың үш электродының бірі-кіріске,екіншісі-шығысқа қосылады,ал үшіншісі-кіріс және шығыс үшін ортақ болады.Осыған байланысты транзисторларды қосудың 3 түрі бар:ортақ базамен(ОБ),ортақ эмиттермен(ОЭ), ортақ коллектормен(ОК). Жұмыс режимдері: 1)Транзистордың екі өткеліне кернеу тура бағытта берілсе транзистор қанығу режимінде болады.2)Эмиттерлік өткеліне тура бағытта ,ал коллектор өткеліне кері бағытта берілсе транзистор активті режимде жұмыс істейді. 3)Эмиттерлік өткелге кері бағытта,ал коллекторға тура бағытта берілсе ,транзистор кері бағытта ток өткізіп инверция режимінде болады.4)Эмиттерлік өткелге кері бағытта, коллекторға да кері бағытта берілсе режим отсечки болады.Жұмыс істеу принципі: Сыртқы кернеу болмағанда кристалл энергетикалық тепе-теңдікте болады:барлық қоспалы атомдар иондалған ,Ферми деңгейі акцепторлардың деңгейінен жоғары р-аймағында жатады,ал базалық қабатта(n-аймағында) –донорлардан төмен деңгейде жатады.База облысында потенциалдың нөлге дейін көтерілуі оның нөлдік потенциал нүктесіне,яғни корпусқа қосылғандығымен түсіндіріледі.Эмиттерлік ауысуға Еэ сыртқы кернеу көзін (эмиттерге оң полюсті,терісін базаға) қосқанда және коллекторлық ауысудың электродтары қысқа тұйықталғанда ,бұл тура ауысу болып,потенциалдар айырымы φб=φ0+Uэб шамасына азаяды,кемтіктерді р-аймағынан n-аймағына тасымалдау –инжекциясы басталады.База облысында тасымалдаушылардың белгілі бір бөлігі Еэ көзінен келетін электрондармен рекомбинацияланады.Қалған бөлігі хаосты түрде қозғалып,коллекторлық ауысуға тақалып,базамен қосылған коллектор арқылы еркін өтіп кетеді.
40.Биполяр транзистордағы токтар.Транзистордың әр р-n-ауысуына тура және кері кернеу берілу мүмкін.
Осыған орай, транзистордың төрт жұмыс істеу режимі болады:
– отсечки режимі – екі ауысуына кері кернеу беріледі;
– қанығу режимі – екі ауысуына тура кернеу беріледі;
– активті режимі – эмиттерлік ауысуына тура кернеу беріледі,ал коллекторлық ауысуына кері кернеу беріледі.
– инверстік режимі – эмиттерлік ауысуына кері кернеу беріледі, ал коллекторлық ауысуына тура кернеу беріледі.
4.1Сурет - Биполярлық транзисторы, «n-p-n» және «p-n-p» құрылысы
Транзистордың n-p-n активтік режимнің жұмысы 4.1суретте көрсетілген.Тоқ көзі Uбэ эмиттерлік ауысуына тура бағытта қосылған («–» эмиттердегі таңбасы), және эмиттерлік ауысуы арқылы тура тоғы өтеді. Сонымен қатар мұнда эмиттерден базаға электрондар инжекцияланады, ал базадан эмиттерге–кемтіктер инжекцияланады.Транзистордың база-эмиттер ауысуы, тура бағытта қосылған диод сияқты жұмыс істейді.База мен эмиттер арасында болатын кернеудін мәні Uбэ 0,6÷0,8 В аспауға тиіс, өйткені,егер бұл шарт орындалмаса,онда ауысуы арқылы өтетін тоғы аса жоғары мәнге өседі. Бірақ эмиттер базаға қарағанда жоғары легірленген болатындықтан, электрондардың ағыны кемтіктер ағынынан көбірек болағандықтан, транзисторда болатын процестерді ол шешеді.Эмиттерден инжекцияланған электрондары базада негізгі емес заряд тасушылары болып табылады,олар диффузия көмегімен қозғалады,яғни базаның көлемінде біркелкі орналасуға тырысады. Базаның қалындығы аз болғандықтан, көп электрондар рекомбинацияланбайды, осыдан коллекторлық ауысуына жетеді.Коллекторлық ауысуы жанында,электрондардың ағыны,электро өрістің әсеріне және кері ауысуына түседі,осының нәтижесінде коллекторлық ауысуы арқылы электрондардың тездетілген дрейф пайда болады. Коллекторда электрондар негізгі заряд тасымалдаушылары болады және олар транзистордың ішкі тізбегінде тоқты тудырып, коллекторлық шығуына тез арада жетеді. Коллекторлық ауысуы арқылы электрондардың дрейфі,база аумағында концентрациясын төмендейді, осының нәтижесінде эмиттер арқылы инжекцияланған электрондар ағынымен бағытталған диффузияны тудырады,бірақ электрондардың біраз бөлігі,база аумағында рекомбинацияланады. Сондықтан эмиттерлік ауысуы арқылы өткен электрондар, коллекторлық ауысуына жетеді. Осының нәтижесінде коллекторлық тоғы IК ,эмиттер тоғына қарағанда IЭ аз болады. Базада электрондардың рекомбинациясы,базаның ішкі тізбегінде тоқ тудырады – ток база IБ.
Эмиттерлік, коллекторлық және базалық тоқтар арасында мынандай қатынасы болады:
IЭ = IК + IБ
Эмиттерлік тоғының жеткізу коэффициенті тең болады:
α = ΔIК / ΔIЭ,
яғни бұл коэффициенті,жаңадан шыққан транзисторлар үшін,әр қашан аз болады,бірақ бірге жақын (0,9÷0,997) болады. Биполярлық транзисторларды сипаттайтың екінші физикалық параметрі, базалық тоқтын жеткізу коэффициенті болып табылады,оны транзистордың тоқ бойынша күшейту коэффициенті деп атаймыз: β = ΔIК / ΔIБ .
Бір типті транзисторларда да, күшейту коэффициенті әр түрлі болу мүмкін,яғни бұл коэффициент әр қашан тұрақты болмайды,бірақ 50÷250 мшектерінде болады.
Транзисторда коллекторлық тоқтың негізіне,коллекторлық p-n-ауысуының кері тоғының негізі қосылады IКО.Соңдықтан коллектордың толық тоғы ,мына теңдеумен шығарылады:
IK = β IБ + IКО
Транзистор электродының тоқтары Кирхгоф заңымен байланыстырылған болғандықтан, онда α коэффициенті,алдында көрсетілген β коэффициенті көмегімен оңай жазылаыды:
α= β / (β+1).
41.Биполяр транзистордың вольт амперлік сипаттамасы. Егер өткелдің ішкі электр өрісіне сырттан кернеу берілсе ,онда өткелдің кернеулігі артып потенциал биіктігі φ0+Е мәніне дейін өседі.Берілген кернеу мөлшеріне қарай потенциалды барьер биіктей келе негізгі тасушылардың диффузиялық қозғалысы токтар нөлге теңеседі.р-n өткелге кернеу сырттан тура бағытта берілсе ,онда ішкі электр өрісінің және сыртқы электр өрісінің бағыттары бір-біріне қарама-қарсы болып,өткелдің потенциал биіктігі φ0-Е мәніне дейін төмендейді.Потенциал биіктігі төмендегенде негізгі заряд тасушылар өткелден қозғалып диффузия тогын арттырады.
Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные
42.Биполяр транзистордың дифференциал параметрлері. 43.Эмиттерлік өткелдің дифференциалды кедергісі. 44.Коллекторлық өтудің дифференциалды кедергісі
Биполяр транзистордың параметрлерін сипаттайтын негізгі өлшемдері төмендегідей болады:
Эмиттер тогының дифференциаолдық жеткізу коэффициенті дегеніміз-коллектор тогының коллекторға тұрақты кернеу берілгендегі эмиттер тогының қатынасы: =dІк/dІэ
Uк = const
Эмиттерлік өткел кедергісі: rэ =dUэ/dІэ
Ік = const
Коллекторлық өткел кедергісі :
rк= dUк/dІк
Іэ = const
µэк кері байланыс коэффициенті дегеніміз-эмиттердегі кернеудің коллектор арқылы тұрақты ток өткенде эмиттердегі кернеуге қатынасы :
µэк = dUк/dUэ
Іэ = const
Іэ=Іэр+Іэn екенін ескерсек жеткізу коэффициентін былай жазамыз :
α= dІк/dІэ = dІэр/dІэ dІк/dІэр =ϰ ,
мұнда инжекция коэффициенті немесе эмиттер эффективтігі = dІэр/dІэ ,
ϰ = dІк/dІэр
45.Биполяр транзистор параметрлерінің жиілікке байланысы. Берілген кернеуден транзистордың кіру және шығу тоқтарының байланысын сәйкесінше транзистордың кіру және шығу сипаттамалары деп атайды. Биполярлы транзистордың кіру және шығу сипаттамаларының жанұяларында бірнеше сұлбалар анализі кезінде артық болатын нақты ақпарат бар. Аз сигналад жұмыс істейтін транзисторды сұлбаның элементі ретінде қарастырғанда, оны сұлбасы 4.5-суретте көретілген төртполюст түрінде қарастырған жеңіл. Төртполюстінің кернеуі мен тоғы өзара теңдеу жүйесімен байланысқан. Осы теңдеулер коэффициенттері транзистордың қасиетін бейнелейді және оның параметрлері болып табылады.
4.5-сурет – төртполюс түрінде көретілген транзистордың сұлбасы
Биполярлы транзисторды аса ыңғайлы бейнелейтін тәуелсіз айнымалылар ретінде кіру тоғы және шығу кернеуі таңдалған һ-параметр жүйесі болып табылады:
U1 = h11 I1 + h12 U2
I1 = h21 I1 + h22 U2 , мұнда һ11 - кіру кедергіні сипаттайтын, кедергінің шамасы бар параметр және кіруде кернеу өзгеруінің транзистор шығуында айнымалы тоқ бойынша қысқа тұйықталу режиміндегі оның өзгеруіне әкеліп соқтырған кіру тоғына қатынасын көрсетеді. Һ11 мәні шығудағы айнымалы тоқ бойынша қысқа тұйықталу режиміндегі транзистордың кіру сипаттамасының еңкішімен анықталады; һ12 – шығу және кіру тізбектер арасындағы ішкі кері байланысты сипаттайтын өлшемсіз параметр және кіруде кернеу өзгеруінің айнымалы тоқ бойынша кіру тізбегінде бос жүріс режиміндегі оның өзгеруіне әкеліп соқтырған шығудағы кернеу қатынасын көрсетеді;
һ21 - шығу және кіру тізбектер арасындағы тоқ бойынша тура байланысты сипаттайтын өлшемсіз параметр және шығу тоқ өзгеруінің айнымалы тоқ бойынша шығу тізбегінің қысқаша тұйықталу режимінде оның өзгеруіне әкеліп соқтырған кірудегі тоқ қатынасын көрсетеді. һ21 параметрі транзистордың маңызды параметрлерінің бірі болып табылады.
һ22 – шығу өтімділігін сипаттайтын өтімділік шамасы бар параметр және шығу тоқ өзгеруінің айнымалы тоқ бойынша кіру тізбегінің қысқаша тұйықталу режимінде оның өзгеруіне әкеліп соқтырған шығудағы кернеу қатынасын көрсетеді. Һ22 транзистордың кіру сипаттамасының еңкішімен анықталады.
Һ-параметрлерінің нақты мәндері транзисторды қосудың әртүрлі сұлбаларына әралуан, сондықтан ЖБ және ЖЭ-сы бар сұлбаларда сәйкесінше «б» немесе «э» индекстерін қосады. Биполярлы транзисторды қосу сұлбаларының аса таралған түрі – ЖЭ-сы бар сұлба.
Һ-параметрлер биполярлы транзистордың анализ үшін ыңғайлы болатын эквивалентті сұлбаларды құруға мүмкіндік береді.
Биполярлы транзистордың қасиетін анықтайтын негізгі сипаттамалар оның статикалық сипаттамалары болып табылады. Бірақ, бұл сипаттамаларды қарастырмастан, келесіні байқау қажет:
46. Өрістік транзисторлар. Типтері және құрылысы.«p-n» ауысу арқылы басқарылушы өрістік транзисторлар, құрлымы, жұмыс принципі, сипаттамалары және параметрлері. Ерекшеленген жаппалы өрісті транзисторлар. Транзистор – үш электродты, электр сигналдарын күшейту мен түрлендіруге арналған жартылай өткізгіштік аспап. Ток түзуге қатысатын заряд тасушыларына байланысты транзистор биполяр және униполяр болып екіге бөлінеді.
Өрісті транзистор электр өрісімен (токсыз) басқарылады. Кіріс кедергісі өте жоғары болғандықтан сигнал көзінен ток пен қуат жұмсамайды. Өрісті транзистордың екі түрі бар: р-n - ауысулы өрісті транзистор және оқшауланған (изоляцияланған) тиекті өрісті транзистор. Соңғы транзистор индукцияланған және қондырылған каналды болып тағы екіге бөлінеді де, құрылысына сәйкес МДЖ (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) транзистор деп те аталады.
Олардың шартты белгілері 1-суретте көрсетілген.
а) ә) б) в)
Сурет 1 - Өрісті транзисторлардың схемалық шартты белгілері:
а) р-n - ауысулы n-каналды; ә) р-n - ауысулы р-каналды; б) оқшауланған тиекті индукцияланған р-каналды; в) оқшауланған тиекті индукцияланған
n-каналды.
47.Басқарушы p-n ауысу негізіндегі өрістік транзисторлар. р-n ауысулы өрісті транзистор. Транзистордың бұл түрі бір ғана р-n ауысуынан турады. р-n ауысулы өрісті транзистордың қарапайым құрылысы 2,а-суретте келтірілген: негізгі n кремний кристалын екі жағынан р аймағы, яғни тиек (Т) (затвор) қапсыра қоршап тұр. Олардың ортасында орналасқан n аймағы канал деп аталады да, оның тізбегі жалғанған екі шетінің бірі-бастау (Б) (исток), екіншісі құйма (Қ) (сток) деп аталып, тоқтың шығу және жиналу көздерін көрсетеді. р-n ауысулы өртістік транзистордың жұмыс істеу принципі мынадай. Тиекке теріс кернеу беретін болсақ (2, ә-сурет), онда кәдімгі р-n ауысуының кері қосылуындағыдай (р-n ауысуы) оның ені арта түседі. Ауысу ішінде жылжымалы заряд бөлшектерінің болмайтындығын ескере отырып, оны диэлектрикке балауға болады. Онда осы диэлектрик аймағы каналдың енін екі жағынан қусыра қыса түсіп, оның ток өткізу қабілетін азайтып, басқаша айтқанда, оның кедергісін арттырады. Сонымен біз тиек кернеуінің арқасында канал енін өзгерте отырып, бастаудан құймаға ағатын ток күшінің шамасын реттеуімізге, басқаруымызға болады. Транзистордың басқару принципінің мәні осында.
Сурет 2 - р-n-ауысулы өрісті транзисторының жұмыс істеу принципіне түсініктеме сурет
Құймадан ток алу үшін оған қандай бағытта кернеу түсіруіміз керек? Каналымыз n-текті болып, оның жылжымалы заряд тасушылары электрондар болса, оған әріне оң полюсті кернеу беруіміз керек.
Егер тиекте (бастаумен салыстырғанда) кернеу жоқ деп есептесек, онда түсірілген қуйма кернеуінің арқасында р-n - ауысуы тағы да кері қосылады да, оның енінің өзгеруі негізінен қуйма тұсынан өтеді. Бұл жағдай 2, б-суретте көрсетілген.Сонымен, тиек пен құйма кернеулерінің көмегімен канал енін өзгерте отырып, керегімізше қуйма тогының шамасын реттеуге, басқаруымызға қолымыз жетеді. р-n - ауысудың шекарасының айналасында негізгі заряд тасушыларды өткізбейтін қабаттың пайда болуы, бізге жалпы физика курсынан белгілі. Өткізгіштің меншікті кедергісі бұл қабатта өте жоғары. Кері бағытқа сәйкес келетін өрістік р-n - ауысуға кернеу беретін болсақ, онда жабық қабаттың қалыңдағы көбейе түседі. Қаншалықты р-n - ауысуна кернеу көп берілетін болса, соншалықты өткізбейтін қабаттың қалыңдығы үлкейе түседі. Өрістік транзистордың бір ерекшелігі: құйма тізбегіндегі ток тиек пен бастау арасындағы кернеумен басқарылады, яғни р-n - ауысуында пайда болатын электр өрісі арқылы. Осы себептен мұндай транзистордың түрі өрістік транзистор деген атқа ие болған.Соңғы кездерде оңашаланған (изоляцияланған) тиегі бар өрістік транзисторлар кеңінен қолданылуға ие болды. Мұндай транзисторларда затвор металдан жасалынады және жартылай өткізгіштен диэлектриктің жұқа қабаты арқылы изоляцияланады. Диэлектриктің қызметін кремний оксиді атқарады.
48. Басқарушы p-n ауысу негізіндегі өрістік транзисторлардың вольт-амперлік сипаттамасы Оқшауланған тиекті өрістік транзисторлардың құймалық сипаттамаларының сыртқы түрі р-n ауысулы өрістік транзистордың сипаттамасына ұқсас келеді.Оқшауланған тиекті өрістік транзисторлардың құйма-тиектік сипаттамаларының өзара айырмашылығы 4-суретте индукцияланған және қондырылған каналды түрлеріне арналып салыстырмалық түрде көрсетілген.
Iқ Iқ
UT -UT +UT Un Un 0
4 сурет - Индукцияланған (а) және қондырылған (ә) каналды МДЖ транзисторларының құйма-тиектік сипаттамалары. Өрістік транзисторлардың тағы бір түрі – статикалық индукциялық транзистор (СИТ). Оның ерекшелігі: тиек кернеуі тура түсіріліп, тиекке ток берілсе, ол биполяр транзисторының режимінде, ал кері түсірілсе, өрістік транзистор режимінде жұмыс істей алуында. Бұл СИТ-тің әрі биполяр транзисторының, әрі өрістік транзисторларының артықшылықтарына ие болуына мүмкіндік береді.
49.Металл-диэлектрик-шалаөткізгіштің құрылғының физикалық қасиеті Өрістік транзисторды МДЖ (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) транзистор деп атайды.Осыған орай, транзистордың құрылысын зерттейтін болсақ, ол металл, диэлектрик және жартылай өткізгіш қабаттарынан тұратынын байқаймыз. Көптеген жағдайда транзистор кремнийден жасалып, ал диэлектрик ретіне кремний тотығы (SiO2) қолданылады. Сондықтан да ертеректе МДЖ транзисторы МТЖ (металл-тотық-жартылай өткізгіш) деген атпен де белгілі болған. МДЖ транзисторының бір түрі – индукцияланған каналды транзистордың құрылысы 3, а-суретте кескінделген. Енді осы транзистордың жұмыс істеу принципіне тоқталып өтейік. Тиекке ток көзінің теріс полюсі қосылса (суретті қараңыз), түсірілген кернеудің әсерінен тиектің астындағы электрондар одан алшақтай түседі. Табан ретінде пайдаланған n-текті жартылай өткізгішінде кемтіктер аз болғанымен олар баршылық та, түсірілген тиек кернеуінің әсерінен олар оған тартыла түседі. Кернеудің белгілі бір шамасына жеткенде (ток пайда болу кернеуі Uп деп аталады), кемтіктер тиектің астын бастаудан құймаға дейін толық жабады да, олардың арасында белгілі бір жол (канал) ашылғандай болады (р-қабат).
Енді бастау пен құйманың аралығына құйма кернеуін беретін болсақ, онда осы электродтардың арасында ток жүре бастайды. (Қаралып отырған жағдайда оң кемтіктерді құймаға жинау үшін оған теріс кернеу түсіруіміз керек).
Б - Т Қ Б Т Қ
т т
n+
n+
Р+
Р+
n
p
n
Б Қ Б Қ
а) ә)
Сурет 3 - Индукцияланған (а) және қондырылған (ә) каналды МДЖ транзисторының құрылымдары
3, ә-суретте МДЖ транзисторының екінші түрі – қондырылған каналды өрістік транзистор көрсетілген. Атына сәйкес бұл транзистордың каналы алдын ала қондырылып, технологиялық әдіспен арнайы жасалынады. Сондықтан да бұл транзистордың тиегіне кернеу түсірілмей жатып-ақ құйма тогының пайда болуы мүмкін. Оның үстіне тиекке теріс кернеу беретін болсақ, онда n каналдан электрондар аласталынып, оның өткізгіштігі төмендейді де, құйма тогының шамасы азаяды; ал керну оң бағытпен түсірілсе, электрондар жан-жақтан каналға тартыла түсіп, оны заряд тасушыларымен қанықтыра отырып, құйма тогының шамасын арттырады. Сондықтан да бұл режимді байыту режімі деп, ал алдыңғысын кедейлену режимі деп атайды. Осы тұрғыдан алғанда индукцияланған каналды транзистор тек байыту режиміне ғана жұмыс істей алады.
50.Металл-диэлектрик-шалаөткізгіштің құрылғы вольт-фарадтық сипаттамасы. МДП-транзистордың вольт-амперлік сипаттамасы белгілі бір шамада инверсионды канал типі мен жартылай өткізгіштің астарына тәуелді. жоқ болса, ал VG > VT жағдайында пайда болса, мұндай инверсионды канал индуцирленген деп аталады. Ал VG = 0 затворында нолдік кернеу кезінде инверсионды канал бар болса мұндай каналды орнатылған (встроенный) деп атайды. Индуцирленген каналды МДП-транзисторлар нолдік кернеу кезінде затворында үнемі жабық болады, ал орнатылған каналды МДП-транзисторлар нолдік кернеу кезінде затворында ашық болады. VG затворындагы әр түрлі кернеу кезінде IDS стогының тогының VDS стогындагы кернеуге тәуелділігі МДП-транзисторлардың өтпелі сипаттамалары деп аталады, ал VDS стогындагы кернеу кезінде IDS стогының тогының VG затворындагы кернеуге тәуелділігі МДП-транзисторлардың ауыспалы сипаттамалары деп аталады. VDS стогындагы кернеу DSV отсечкасындағы кернеуден артыұ болған жағдайда ауыспалы сипаттамаларда IDS стогының тогы VDS стогының кернеуіне тәуелді емес. 6.11 суретте n-каналды және n-каналды индуцирленген және орнатылған МДП-транзисторлардың вольт амперлік сипаттамалары (өтпелі және ауыспалы ) көрсетілген. Бұл жерде МДП-транзисторлардың әр түрлі түрлерінің схемотехникалық белгіленулері де көрсетілген. Осы вольт -амперлік сипаттамалардың анализінен активті режимдегі МДП-транзисторлардың сток және затворына берілетін кернеулердің белгілері туралы мәлімет алуға болады.
51.Шалаөткізгіште сыртқы фотоэффект. Легірлену деңгейі әр түрлі жартылай өткізгіштердің энергетикалық схемасы 1 суретте көрсетілген. Мұндағы ЕВАК жартылай өткізгіштен шыққан және вакуумда нолдік кинетикалық энергияға ие болатын электронның энергиясы. Вакуум деңгейі мен өткізу зонасының шекарасын бөлетін х энергиясы электронның бірігу энергиясы(электронного сродства). Ф өлшемі вакуум деңгейі мен Ферми деңгейінің энергияларының айырмашылығын көрсететін шығу жұмысы.
1 сурет. Сыртқы фотоэффекттің жартылай өткізгіштің легірлену деңгейіне тәуелділігі.
2 сурет. Фотоэлектрондардың қозуы, 3 сурет. CdTe-ден кваттық электрондардың таралуы және жартылай өткізгіштен спректральдық таралуы. Фотоэффекттің шығуы. шегі шамамен 5 Эв-қа тең.
52.Шалаөткізгіште ішкі фотоэффект. Егер дененің бетіне электромагниттік сәуле ағыны келіп түссе, онда оның белгілі бөлігі шағылады, ал қалғаны денеге еніп жұтылады. Сәуленің жұтылу салдарынан, біріншіден, өткізгіштік зонада жаңа заряд тасушылар – электрондар және толған зонада – кемтіктер пайда болады, яғни дененің электр өткізгіштігі артады. Бұл құбылыс фото өткізгіштік немесе ішкі фотоэффект деп аталады. Металдарда жарық түсірілмегеннің өзінде заряд тасушылар көп, сондықтанда оларда ішкі фотоэффект мүлде сезілмейді, ал диэлектриктер мен жартылай өткізгіштерге түсірілген электромагниттік сәуле олардың электр өткізгіштігін едәуір өзгертеді. Екіншіден, сәуле жұтқаннан кейін денеде энергиялары көп электрондар пайда болып, олардың кейбіреулері дене бетіне жетіп, беттік тосқауылды жеңіп сыртқа шығады. Бұл сыртқы фотоэффект немесе фотоэлектрондық эмиссия деп аталады.
1. Фотоэлектрондық ток эмиттерге еліп түсетін жарық ағынына тура пропорционал.
2. Фотоэлектрондардың максимал энергиясы түскен жарық жиілігіне тура пропорционал және оның интенсивтілігіне тәуелді болмайды .
Халықаралық электротехникалық комиссияның ұйғаруы бойынша, оптоэлектрондық приборларға (ОЭП) оптикалық диапазонда жұмыс істейтін приборлар жатады. Оптикалық диапазонда көзге көрінетін сәулелердің алатын орны аз-ақ. Осы диапазонның өзі бірнеше бөліктерден тұрады, бұл түстерді адам көзі әр түрлі сезініп қабылдайды.Оның үстіне адам көзінің түне және күндіз көру сезімталдығы да әр түрлі болады екен. Оның ең күшті сезімталдығы 550 нанометр шамасында, жасыл және сары түсті диапазондардың шекарасында орналасқан. Сондықтан көптеген индикаторлар осы түсті сәулелерде жұмыс істейді. Түн көрінісіне үйрене бастаған адам көзінің сезімталдығы толқын ұзындығының төмендеу шамаларына қарай ауысады да,шамамен 500 нм-ге сәйкес келеді. Фототранзистор мен фототиристорда сәуле орталық база аймағына түседі де, пайда болған жылжымалы зарядтар кәдімгі сырттан берілген база тогының әсеріне сәйкес қызмет атқарады
53.Шалаөткізгіштердегі фотоөткізгіштік. Фотоөткізгіштік деп шалаөткізгіштің оның қыздырылуымен байланыссыз электромагнитті сәулелендірудің әсерінен өткізгіштік қабілетінің өзгеруімен сипатталатын құбылысты айтамыз. Электромагнитті сәулелендіру болмаған жағдайда, шалаөткізгіштің өткізу қабілеті (күңгірт өткізгіштік) заряд тасымалдаушылармен анықталады: өткізгіштік зонасындағы электрондармен және валенттік зонадағы кемтіктермен. Бұл заряд тасымалдаушылар: no концентрациясындағы электрондар мен ро концентрациясындағы кемтіктер – шалаөткізгіштің кристалл торымен жылулық тепе-теңдікте орналасады және олар біртекті деп аталады. Шалаөткізгіштің шекті күңгірт өткізгіштігі о келесі теңдікпен айқындалады:
мұндағы е – электрон заряды, n және р сәйкесінше электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштығы. Шалаөткізгіштің жарықтануы кезінде , сондай-ақ жарық кванттарының энергиямен жұтылуы нәтижесінде қосымша заряд тасымалдаушылар (біртекті емес) пайда болады. Олардың қозу процесін оптикалық генерация деп атайды. Жарықтандырылған шалаөткізгіштің өткізгіштік қабілеті тасымалдаушының оптикалық генерациясы нәтижесінде келесідей көлемде өсе түседі:
мұндағы - шалаөткізгіштің шекті өткізгіштігі, n =nno – біртекті емес электрондар мен кемтіктердің сәйкесінше концентрациясы. Тасымалдаушының еркін күйде болатын уақыты (электрон - өткізгіштік зонасында, кемтік - валенттік зонада) еркін тасымалдаушының өмір сүру уақыты деп аталады. Өмір сүру уақытын анықтаушы ең негізгі процесс ретінде рекомбинация – электрон мен кемтіктің қосылу процесі болып табылады. Рекомбинацияның жылдамдығы біртекті емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясына пропорционалды. Осы себепті шалаөткізгіштің жарықтануы кезінде фотоөткізу қабілеті біртіндеп өседі. Рекомбинация жылдамдығының өсуімен фотоөткізудің өсу жылдамдығы төмендей түседі және бірнеше уақыт өткен соң, стационарлы фотоөткізгіштік қалыптасады. Оған біртекті емес nст электрондар мен рст кемтіктердің стационарлы концентрациясы сай келеді. Фотоөткізгіштіктің өсуі мен шөгуі фотоөткізушіліктің релаксациясы деп аталады. Фотоөткізгіштіктің өсуі келесі теңдікпен анықталады:
ал төмендеуі:
мұндағы о - фотоөткізгіштіктің стационарлы мәні, о - электронның өмір сүру уақыты.
54. Дембер эффекті. Егер шалаөткізгішті өзіндік жұтылу аймағына сай келетін толқын ұзындығы бар жарықпен жарықтандырса, онда жарық жұтылу процесі өтіп жатқан кеңістікте электронды-кемтікті қос бөліктер пайда болады. Осы заряд тасымалдаушылар жарықтандырылған аймақтан шалаөткізгіштің түбіне қарай бойлай енеді (1-сурет).
1-сурет. Дембердің ЭҚК-нің тууы
Электрондардың қозғалғыштығы кемтіктерге қарағанда көбірек болғандықтан, электрондар кемтіктерге қарағанда кристалдың түбіне тереңірек бойлай енеді. Тасымалдаушылардың диффузиясындағы мұндай айырмашылық шалаөткізгіштің бетінің салыстырмалы түрде оның көлеміне оң негізде зарядталуына алып келеді. Пайда болған электр өрісі баяу қозғалатын кемтіктердің қозғалысын арттып, қозғалғыш электрондардың қозғалысын баяулатуға бағытталған. Сол себепті жиынтық тоқ нольге тең. Жарықтандырылған шалаөткізгіште пайда болатын көлемді ЭҚК электрондар мен кемтіктердің диффузия коэффициенттерінің айырмашылығының нәтижесінде туады және ол Дембер ЭҚК-сі деген атқа ие болған. Дембер ЭҚК-ін есептеп шығару үшін шалаөткізгіште ауларды аз және беттік рекомбинация жоқ деп есептейік. Ол үшін теңдікті шешу керек:
мұндағы -Дембер өрісінің кернеулігі және -шектен тыс заряд тасымалдаушылардың концентрациясы. Стационарлы жағдайда тоқтың толық тығыздығы нольге тең. және болғандықтан,
және өрістің кернеулігі үшін мына теңдікті аламыз:
бұл жерде және 13.37-формуланы біртекті емес тасымалдаушылардың концентрациясы нолге теңесетін нүктеге дейін х арқылы интегралдаймыз (х=0). Бұл ара-қашықтық бірнеше диффузия ұзындығына тең болуы қажет болғандықтан,
мұндағы Сәйкесінше
13.39-формулаға сәйкес, Дембер ЭҚК-і неғұрлым үлкен болған сайын, соғұрлым электрондар мен кемтіктердің қозғалғыштығы қаттырақ айрықшаланады. Әдетте Дембер ЭҚК-нің шамасы өте аз, ол kT/e –ден кішкене көп.
55. p-n ауысуы негізіндегі фотодиодтар. Жарық квантының hV энергиясымен өзіндік жұтылу жиілігіне түскен кезде шалаөткізгіште екі түрлі біртекті емес тасымалдаушылар пайда болады – электрондар мен кемтіктер. Электр сигналын тіркеген кезде тасымалдаушының концентрациясының өзгеруін де ескеру керек. Өзге тепе-тең жағдайларда негізгі емес тасымалдаушылардың концентрациясының өзгерісін тіркеу оңайырақ. p-n ауысуы негізіндегі фотодиодтарда сыртқы жарықтану әсеріндегі негізгі емес тасымалдаушылардың концентрациясының өзгерісін тіркеу қағидасы жүзеге асырылған. Бұл өтпелдегі кері тоқ тоқтың дрейфті компоненттерімен шартталған. Ол келесідей сипатталады:
|
(5.3.1) |
Негізгі емес тасымалдаушылардың концентрациясының өзгерісі фототоқтың өзгерісіне алып келеді. Фототоқтың шамасы келесі формуламен анықталады:
|
(5.3.2) |
Себебі
|
|
Ендеше фототоқтың шамасы келесідей болады:
|
(5.3.4) |
где G темп генерации неравновесных носителей. |
|
(5.3.5) |
Здесь –квантовый выход, – коэффициент поглощения и φ – падающий световой поток. |
1-сурет. Фотодиодтың вольтамперлік сипаттамасы
56. p-i-n фотодиодтар. p-n ауысуы негізіндегі фотодиодтардың кемшіліктері p және n облыстары арасында орналасқан өзіндік өткізгіштігі бар i-қабаты болатын фотодиодтарда жойылады. Бұл қабаттың қалыңдығы W >> Lp ретінде өте үлкен көлемде алынады, жарық жұтылуы осы аймақта өтуі үшін. і-қабатында еркін тасымалдаушылар болмайды, p-n өтпелінің кері ығысуында барлық кернеу і-қабатына түседі. і-қабатындағы фотогенерирленген тасымалдаушылар өте мықты электр аймағында ажырайды және мұндай диодтың фотожауаптылығы өте тез болады. p-i-n фотодиодының құрылымы p-n ауысуы негізіндегі фотодиодтың кемшіліктеріне ұрынып қалмау үшін жасалған. Бірақ тіркелімнің қалған барлық негізгі қағидаттары сақталады. Қоспалы шалаөткізгіштің p және n қабаттарының арасына меншікті шалаөткізгішті енгізу зарядтың орналасу аймағының көлемін ұлғайтуға мүмкіндік береді.
1-сурет. p-i-n фотодиодының әрекет ету принципі
і-қабатының ені 500-700 мкм құрайды. Бұл диодтар келесідей шартпен жасалған: і-аймағында оптикалық жарықтанудың жұтылуы мен і-аймағынан легірленген аймаққа зарядтардың жеткізілуі уақыты төмендей түсуі үшін. Нәтижесінде түсіп жатқан фотондар сыртқы контурда тоқты аз уақыт аралығында және эффективті түрде қоздырады. Ішкі жұтылу аймағында пайда болатын тасымалдаушылар өте мықты электр өрісінен сәйкесінше p-n диодтың аймақтарына қарай ығысады. Мұндай диодтардың квантты эффективтігі 80%-ға тең. Сонымен, p-i-n фотодиодының басты артықшылығы ретінде қосылудың жоғары жылдамдығын айта өтсе болады, себебі сәулелендірудің жұтылуы і-аймағында жүреді. Тағы бір артықшылығы ретінде жоғары кванттық эффективтілікті айтса болады, себебі і-қабатының қалыңдығы жұтылудың кері коэффициентінен көбірек болады. p-i-n фотодиодтары үшін гетероөткізгіштерді қолдану фотодиод базасында жарықтың жұтылуынан құтылып кетуге мүмкіндік береді.
57.Фототранзисторлар.ФототранзисторбұлжарықтанудыңфотосезгішжартылайөткізгіштікқасиеткеиеқабылдағышыболыптабыладыОлқұрылымынақарайтранзисторғаұқсасжәнесигналдыңішкіөсуінежағдайжасайдыОныфотодиодпентранзистордантұратынкелбеттеелестетугеболадыФотодиодретіндебазаколлектордыңжарықтанубөлігіболыптабыладытранзисторэмиттердіңастындағықұрылымбөлігіФотодиодпентранзистордыңколлекторлыөткізгішіөзарабайланыстырылғанболғандықтанфототокколлекторлытоққасомаланадыБиполярлытранзисторғақарағандафототранзистордабазағадегенэлектрбайланысболмайдыалбазаныңтоғынреттеуоныңжарығынөзгертуменіскеасырыладыОсысебептендефототранзисторқорытындығаиеэмиттерменколлекторЖарықағыныныңnаймаққатүсуінегізіндеоныңішіндетепетеңдіксізэлектрондарменкемтіктерпайдаболадыКемтіктернегізгіеместасымалдағыштарретіндеболадыолардыңконцентрациясыныңөсуідрейфтікомпоненттердіңөсуінеалыпкеледіАлғашқыфототоқтыңкөлемідиодфототоғытеңдіктерменсипатталатынболадыАйырмашылығытекқанафототранзитордағыфототоққақатысушытепетеңдіксақтамаушытасығыштардыңбазаоблысынанжинақталуынанкөрінедіОныңWеніLpдиффузиондыұзындықтанкемірекСолсебептіалғашқыфототоқкелесідейболады
КемтіктіңтепетеңсіздігініңсалдарынанбазаданколлекторғақарайкетіпқалатындығынабайланыстыбазаэмиттерғабайланыстытерістүрдеқуаттанадыолөзкезегіндефототранзистордыңэмиттерліөтпелілігінетурапропорционалболыптабыладыТураэмиттерлірnөтуікезіндетоқтыңэмиттердентікелейбазағақарайенуінеинжекциондыкомпонентіпайдаболадыαэмиттерлітоғыныңберілукоэффициентікезіндеαинжектирлеушітасымалдығышынемесеβесекішітасығышқолданыладыСтационарлытоқкезіндебазадағырекомбинирленгентасығыштаролардыңсанынатікелейтеңболуыкерекСолсебептіинжекциондытоқалғашқыфотоағынғақарағандаβесекөпболуыкерекКколлекторыныңтоғыүштүрлікомпонеттентұруыкерекффотоағыныинжекциондыβф жәнежылулықК тоғы
Кфβ фβфК
βбазалықтоғыныңұлғаюкоффициентіүшінконструктивтітехнологиялықбиполярлытранзисторыныңпараметрлерінқолдануарқылыкелесініаламыз
Фалғашқыфотоағынкөлеміжарықағыныныңпараметрлеріменматериалдыңжартылайөткізгіштігісипаттамасыарқылыстандарттынегіздеалынады
суретФототранзистордыңэнергетикалықдиаграммасыжәнеәртүрліжарықдеңгейіндегіфототранзистрдыңвольтамперлісипаттамасы
58.Шалалөткізгішті фотоэлементтің сезгіштігі. Фотоэлементтің сезімталдығы анодты кернеу мен жарықтың спектральды құрамына байланысты. Фотоэлемент жарық ағынының интенсивтілігі мен оның жиілігіне жауап қатады, сол себепті де оның сезімталдығы интегралды (интенсивтілікке қарай) және спектральді(жиілігіне қарай) деп бөлінеді. Интегральді сезімталдық фотоэлементтің ультрафиолетті жиіліктен бастап инфрақызғылтқа дейінгі түрлі жиіліктегі жарықтық ауытқушылықтардан тұратын барлық жарық ағынына қарсы жауап қайтара алуымен сипатталады. Фотоэлемент әр түрлі спектральді аймақтарда әр түрлі сезімталдыққа ие, ал энергия көзінің тарауы оның температурасына тәуелді болып келеді. Мұның бәрі де келесіге алып келеді: көлемдері бірдей, бірақ түрлі темеператураға ие жарық көздерінен тараған жарық ағындары фотоэлемент торында түрлі тоқтарды тудыртады. S интегралды сезімталдықтың формуласы анықталған жарық көзінің монохромды емес жарыққа қатынасымен анықталады:
(1)
Фотоэлементтің спектральді сезімталдығы оның бір жиіліктегі жарықтық ауытқушылықтарға жауап қайтаруы қабілетімен сипатталды. фотоэлементінің спектральді сезімталдығы фототоқтың монохромды сәулелендіру Ф ағынының фотоағынына қатынасымен анықталады:
|
. (2) |
Фотоэлементтің бір бірлік сезімталдығы микроампердің люменге қатысымен анықталады(мкА/лм). Фотоэелементтерді эксплуатациялау кезінде зерігу құбылысы байқалады, ол өте үлкен және өте кіші жарық ағындарынғы үлкен сезімталдыққа ие фотоэлементтермен сипатталады. Ал олардың сезімталдығы алғашқы көлемнің 25%-ына жеткенде уақыт бойынша көбееді. Фотоэлементтің зерігуін жою үшін оны қараңғы жерге белгілі бір уақытқа қою қажет, осы уақыт аралығында оның сезімталдығы 100%-ға дейін қалпына келеді.
59. Шалаөткізгішті фотоэлементтердің пайдалы жұмыс (әрекет) коэффициенті. ПӘК ұғымы күн жарығының болашақ кезеңде қолдануға болатындай фотоэлементке түсетін пайызын көрсетеді. ПӘК-тің артуы күн энергиясына деген шығынды төмендетуге мүмкіндік береді. ПӘК фотоэлементтің пластиналарының жиілігіне тәуелді, олар өз кезегінде өнім өндіруге қажетті шикізат ретінде қолданылады. Сонымен қатар, панельдің монокристалды не поликристалды түрде екендігіне байланысты. Элементтердің типтері поликристалды немесе монокристалды кремний болады. Мульти-фотоэлементтер монокристалды элементтерден тұратын батареяларға қарағанда өте төмен эффективтілікке ие. ПӘК-тің мәні қарапайым монокристалды элементтер үшін 12-20% аралығында ауытқу мүмкін. Қарапайым бекітілген ПӘК-те есепті ПӘК 15%-ды құрайды және кремнийдің өзіндік жасалу жолына байланысты. Поликристалды фотоэлементтер 14-17% диапазонындағы ПӘК пен монокристалды жарықтан салыстырмалы түрде төмен құнға ие. Фотоэлементтердің ПӘК-не әсер етуші факорлар келесілерді қосады: 1)Монтаждың беткі қабатына бағдар ұстау- шатыр дұрыс түрде оңтүстікке қарап тұруы керек. 2)Бүгілу бұрышы-жазықтықтың биіктігі мен еңістігі күн жарығының жылдың ішіндегі бір күндегі алынған сағатпен әсер етеді. 3)Температура-көптеген панельдер эксплуатация кезінде қыза түседі. Осылайша, олардың көбісі шатырдан биігірек орналасуы керек, ол арқылы суықтандырушы ауаның дұрыс ағынын қалыптастыруға мүкіндік туады. 4)Көлеңке-күн энергиясының жауы. Жүйені жасаудың алдында бұрғылаудың үстіңгі қабатына талдау жасауда өте үлкен зерттеу жүргізіледі, ол жыл бойғы көлеңкенің мүмкін болар формалары мен көлеңкенің нормасын анықтауға мүмкіндік туғызады.
60. Шалаөткізгішті фотоэлементтердің спектралдық сипаттамасы. Фотоэлементтің спектральді сипаттамасы деп фотоэлементтің фототоғының жарықтануының түсетін жарықтың толқын ұзындығына тәуелдігін айтады, ол монохромды толқындардың ұзындығына сәйкес болады: IН=f`(λ)Фλ.
λ> (С-жарықтың жылдамдығы) фотоэффект қарастырылмайды, сол себепті жоғары бойлау фототоғының мәні де 0-ге тең. Толқын ұзындығының кемуі кезінде фототоқ тез өсе түседі, осылайша ол λ –кезіндегі толқын ұзындығында макисимумға жетіп, кейін тез арада төмен түседі. Толқынның келешектегі ұзындығының азаюы кезінде фототоқтың ақырын жылдамдықта өсуі байқалады. Сілтілі металдар үшін фотоэффекттің қызыл шекарасы 0=3:5эВ фотонының энергиясына сай келеді. 0=10:15эВ өзге металдар үшін одан да әрі үлкен болып келеді. Металл фотоэмиттерлердің спектрдің көрінер аймағында фотосезгіш еместігі, мұнымен қоса өте кіші квантты шығарылымға ие болып табылады. Сол себепті таза металлдар электровакуумды құрылғыларды мүлдем қолданылмайды. Көрінер және жақын орналасқан ультрафиолет аймақтарындағы эффективті фотоэмиттерлер жартылай өткізгіш материалдардың негізінде құрастырылған. Сол үшін металлдардан жартылай өткізгіш материалдарға өтерде Эйнштейннің теңдігіне Ав-ны өзге W энергиясымен алмастыруымен сипаттаймыз, фотоэффект табалдырығы:
h=W+Ekмакс Бұл металдарға қарағанда сәл күрделі мәнмен байланысты болып келеді, олар фотоэффект кезінде жартылай өткізгішті тастап кетеді. Фотоэмиссияға жартылай өткізгіш құрамына қосылған қосылыстар әсер етеді, сонымен қатар оның жазықтығына әсерін тигізуімен көрініс табады. Жартылай өткізгіш фотоэмиттерді қолдану барысындағы фотоэффект келесідей сипатталыд:W=1:2эВ