15.2. Қысқаша теориялық мәліметтер

№15 Жартылай ө ткізгіштердегі электрондық – кемтіктік

ауысуды зерттеу

15. 1. Жұ мыстың мақ саты: Жартылай ө ткізгіш (диод) қ ұ рылымының электрлік қ асиеттерін зерттеу, р-n ауысудың (ө ткелдің ) негізгі сипаттамалары мен параметрлерін анық тау.

15. 2. Қ ысқ аша теориялық мә ліметтер

Жартылай ө ткізгіш қ ұ ралдарының кө пшілігінің жұ мыс істеуі жартылай ө ткізгіштік қ ұ рылымдар (р-n) арқ ылы электр тоғ ының ө туіне негізделген. Егер Ом заң ына бағ ынатын ө ткізгіштерді қ арастыратын болсақ, онда ө ткізгіштер арқ ылы ө тетін ток ө ткізгішке тү сетін кернеуге пропорционал болады: , мұ ндағ ы – ө ткізгіштің кедергісі, ол температурағ а тә уелді, ол ө скенде ө седі, бірақ мен –ғ а тә уелді емес. Ал жартылай ө ткізгіштік қ ұ рылымдардың кедергісі ток пен кернеуге тә уелді, яғ ни бұ лардың функциясы болады: = . Осы жағ дайдан р-n қ ұ рылымының вольт-амперлік сипаттамасы (ВАС) сызық тық емес деген қ орытынды шығ аруғ а болады. ВАС – жартылай ө ткізгіш арқ ылы бір бағ ытта жә не оғ ан кері бағ ытта ө тетін токтың тү сірілген кернеуге тә уелді ө згерісін график арқ ылы бейнеленуі.

Электрондық -кемтіктік ауысу (р-n ауысу) бұ л жартылай ө ткізгіштің біреуі n-типті, екіншісі р-типті электр ө ткізгіштікке ие екі алабы (облысы) арасындағ ы ауыспалы қ абат (1–сурет). р-n ауысуы жартылай ө ткізгіштің тұ тас кристалына оғ ан акцепторлық жә не донорлық қ оспаларды ендіру жолымен алынады.

1–сурет. Электрондық -кемтіктік ауысу

Мұ ндай қ ұ рылымның маң ызды қ асиеттерінің бірі – ауысу маң айындағ ы қ озғ алғ ыш электрондар мен кемтіктер концентрацияларының ассимметриялы болуы. Мысалы, р-типті алабта кемтік негізгі заряд тасушы болып табылады жә не оның концентрациясы шамасына жететін болса, ал n - типті алабта кемтік негізгі заряд тасушы емес жә не оның концентрациясы ғ ана болады. Демек, р-алабтан n-алабқ а ө терде геометриялық шекараның маң айында кемтіктің концентрациясы едә уір ө згеруге тиіс. Электрондарғ а қ атысты осындай пайымдаулар р-n ауысудың маң ында электрондардың концентрациясы да елеулі тү рде ө згеруге тиіс екендігін кө рсетеді. Заряд тасушылар концентрацияларының координатқ а байланысты осындай ү лкен ө згеруі, яғ ни заряд тасушылар концентрациясы градиентінің болуы, зарядты тасымалдаудың жаң а тү рін тудырады жә не осындай қ ұ рылым ү шін біртекті заттыкінен ө згеше ВАС - тың кү шті ассимметриясын тудырады.

Тепе - тең дік жағ дайдағ ы р-n ауысуында зарядтың тасымалдануы. Алдымен р-n ауысуын (1–сурет) сыртқ ы кернеу жоқ та қ арастырайық.

Кемтіктердің диффузиясы Þ Ü Кемтіктердің дрейфі Ü Электрондардың диффузиясы Электрондардың дрейфі Þ 2–сурет. Тепе-тең діктегі p-n ауысу

Бұ рын айтылғ андай, ауысу жазық тығ ы маң ында, электрондар мен кемтіктер концентрацияларының ү лкен градиенттері болады, бұ лар р-алабтан n-алабқ а кеміктердің, ал n-алабтан р-алабқ а электрондардың диффузиялық ағ ынын тудырады. Заряд тасушыларының концентрациясы басым алабтан концентрациясы тө менірек алаб бағ ытында диффузиясы салдарынан пайда болатын ток диффузиялық деп аталады. Газ молекулаларының диффузиясы сияқ ты, электрондар мен кемтіктердің диффузиясы қ атты дененің бү кіл кө лемі бойынша бұ лардың салыстырмалы концентрациялары тең ескенше жү ре береді деп кү туге болады. Бірақ бұ лай болмайды екен. Кемтіктер р-алабтан диффузия жасағ ан кезде ол жерде акцептордың саны дә л сондай қ озғ алмайтын теріс иондары қ алады. Осы сияқ ты электрондар n-алабтан диффузия жасағ анда ол жерде донордың оң зарядталғ ан қ озғ алмайтын иондары қ алады. Демек, ө ткелдің маң айында кемтіктер мен электрондардың диффузиясы р-типті материалда қ озғ алмайтын теріс зарядтардың артық концентрациясы бар алабы, ал n-типті материалда оң зарядтың мол алабы пайда болады. Осы шекарағ а жақ ын орналасқ ан қ озғ алмайтын зарядтары бар қ абат, кең істіктік (кө лемдік) заряд алабын қ ұ райды (2–сурет).

Ауысудың екі жағ ындағ ы кө лемдік заряд алабтарының ә рқ айсысының заряды осы алабтан диффузия жасағ ан жылжымалы заряд тасушылардың зарядына таң басы қ арама-қ арсы болады. Диффузия ү дей тү скен сайын зарядталғ ан алабтардың мө лшері де арта тү седі. Осы себепті негізгі заряд тасушыларды кері тартатын кү ш те ө седі. Бұ л кү штер диффузиялық ағ ынғ а кедергі жасайды. Сондық тан диффузия процесін ө зін-ө зі шектейтін процесс деп қ арастыруғ а болады. Бұ л процесс кең істік зарядтың электр ө рісі диффузиялық ағ ынды тең гергенге шейін жү ре береді; сонда зарядтың тасымалдануы тоқ тап, ток нольге тең болады.

Сонымен, қ озғ алмайтын зарядтары бар алаб электр ө рісін туғ ызады, осы ө рістің шамасы зарядталғ ан алаб мө лшеріне пропорционал, ал бағ ыты электрондар мен кемтіктердің диффузиялық ағ ынғ а қ арсы бағ ытталғ ан дрейфін туғ ызатындай болады.

Дрейфтік ағ ын (ө ткізгіштік тогы) деп электр ө рісі ә серінен заряд тасушылардың тасымалдануын айтады.

Сондық тан, заряд тасушыларының берілген типінің қ орытқ ы тасымалдануын диффузия салдарынан тасымалдану мен дрейф есебінен тасымалдану арасындағ ы айырма ретінде, яғ ни диффузиялық жә не дрейфтік ток арасындағ ы айырма ретінде қ арастыруғ а болады. Тепе-тең дік жағ дайында электрондық жә не кемтіктік ағ ындардың дрейфтік жә не диффузиялық қ ұ раушылары бірін-бірі тең геріп тұ рады да, сыртқ а шығ арылатын толық ток нольге тең болады. 2–суретте тепе-тең діктегі р-n ауысу келтірілген (тө менгі жағ ында стрелкалармен ток қ ұ раушылары белгіленген).

Ауысу маң айында заряд тасушылардың екі тү рлі тасымалдануы іске асатындық тан (электрондар мен кемтіктер заряд тасымалдайды), электрондар мен кемтіктердің диффузиясы бү кіл кө лем бойынша бұ лардың концентрацияларының біркелкі таралуын тудырмайды. Диффузия мен дрейф тек ауысуғ а жақ ын маң айда ғ ана іске асады. Ауысудан қ ашық тағ ы р- жә не n- алабтары бейтарап ә рі бір текті болады. Ауысу маң айындағ ы кө лемдік заряд алабы мен зат нұ сқ асының бейтарап алабтары арасындағ ы шекара мінсіз айқ ын емес, бірақ та кө рнекілік ү шін алабтарды айқ ын бө лінген деп кө рсету ың ғ айлы. Сондық тан 2–суреттегі штрих сызық тар кө лемдік заряд алабы мен бейтарап р- жә не n - алаптары арасындағ ы шекараны кө рсетеді.

Заряд тасушылар концентрациясының градиентінен пайда болатын ауысудағ ы j_к потенциалдар айырымы жапсарлық (контактылық ) потенциалдар айырымы деп аталады. Ә детте контактылық потенциалдар айырымы вольттың ондағ ан бө лігіндей шамада болады.

Электрондық -кемтіктік ауысудың қ алың дығ ы микрометрдің жү здік бө лігінен бірнеше микрометр аралығ ында ө згереді.

р-n ауысудың вольт-амперлік сипаттамасы (ВАС). Енді р-n ауысуғ а кернеу тү сірілген жағ дайды қ арастырайық. Тепе-тең діктегі кү йді қ арастырғ анда қ олданылатын дрейфтік жә не диффузиялық ток ұ ғ ымдарын пайдаланып, ауысудың ВАС-ы жайында сапалық кө ріністі алуғ а болады.

Алғ ашында р-алаб n-алабқ а қ атысты оң таң балы болатындай етіліп онша ү лкен емес кернеу тү сірілген деп ұ йғ арайық. Бә рінен бұ рын осы кернеу екі бейтарап алаб пен кө лемдік заряд алабы аралығ ында қ алайша бө лініп таралады? деген сұ рақ туады. Осы сұ рақ ты егжей-тегжейлі талдауғ а сапалық қ арастыру жеткіліксіз, дегенмен берілген кернеудің барлығ ы дерлік кө лемдік заряд алабына тү сетінін кө рсетуге болады, ө йткені оның кедергісі ү лкен; берілген кернеудің тек болмашы бө лігі бейтарап р- жә не n- алабтарының ү лесіне келеді. Бұ ғ ан қ оса, кернеу тү сірілгенде, ол кө лемдік заряд алабындағ ы электр ө рісін жылулық тепе-тең дікке сә йкес мә нге қ арағ анда тө мен болатындай етіп тү сіріледі. Сондық тан заряд тасушыларының дрейфі мен диффузиясы арасындағ ы баланс (тепе-тең дік) бұ зылады. Мә селен, ө ріс жә не оғ ан сә йкес дрейфтік ток кемитіндіктен заряд тасушылардың тасымалдануы процесінде диффузиялық қ ұ раушы басым болады да, р-алабтан n-алабқ а кемтіктердің тоғ ы (ағ ыны) жә не n-алабтан р-алабқ а электрондар тоғ ы пайда болады. Біртекті жартылай ө ткізгіштегі сияқ ты, электрондар мен кемтіктердің қ арама-қ арсы бағ ыттардағ ы қ орытқ ы тасымалдануы зат нұ сқ асы арқ ылы толық тура ток қ ұ райтын болады. Концентрация градиенттері ө те ү лкен болатындық тан, ү лкен ток алу ү шін болмашы кіші U кернеу (1 В-тан кіші) жеткілікті болады (3–суреттегі ВАС-ты қ араң ыз). Осындай ү лкен токтарды тудыратын кернеудің полярлығ ы, тура кернеуге, немесе тура ығ ысуғ а сә йкес келеді.

Кемтіктердің тасымалы Þ

Ü Электрондардың тасымалы


3-сурет. Тура ығ ысу кезіндегі *р-n* ауысу

Тура ығ ысу кө лемдік заряд алабындағ ы ө рісті тө мендетеді жә не ө ткел арқ ылы негізгі заряд тасушыларды бұ лар негізгі болмайтын алабтарғ а қ арай диффузия жасауларына мү мкіндік туғ ызады. Демек, тура ығ ысу жағ дайында негізгі емес тасушылардың концентрациялары ауысу маң айында қ атты ө седі.

Ü Кемтіктердің тасымалдануы

Электрондардың тасымалдануы Þ


4–сурет. Кері ығ ысу кезіндегі p-n ауысу ( U < 0)

Енді р-n ауысуғ а полюсі қ арама-қ арсы кернеу – кері ығ ысу тү сірілген жағ дайды қ арастырайық (4–сурет). Кері кернеу кө лемдік заряд алабына тү гелдей дерлік тү сіріледі жә не электр ө рісін ө згертеді. Бірақ, тү сірілген кернеудің бұ дан бұ рыны жағ дайдан ө згешелігі сол, ол кө лемдік заряд алабындағ ы ө рісті ө сіреді. Осы ө скен ө ріс негізгі тасушылардың диффузиясына кү шті кедергі жасайды. Диффузия есебінен зарядтардың тасымалдануы доғ арылады, яғ ни ө ріс негізгі заряд таымалдаушыларды тиісті бейтарап алабтарда ұ стап тұ ратындай жә не бұ лардың кө лемдік заряд алабы арқ ылы диффузиялануына мү мкіндік бермейтіндей бағ ытталғ ан болады. Сонымен, ө рістің бағ ыты негізгі емес заряд тасушыларды тиісті бейтарап алабтардан суырып шығ арып жә не бұ ларды кө лемдік заряд алабы арқ ылы дрейф жасауғ а мә жбір ететіндей бағ ытталғ ан болады. Осының нә тижесінде кемтіктердің n-алабтан р-алабқ а жә не р-алабтан n-алабқ а тасымалдануы пайда болады, бұ л ө ткел арқ ылы теріс, немесе кері токты тудырады.

Бейтарап жартылай ө ткізгіш затта негізгі емес заряд тасушылардың концентрациясы негізгі тасушылар концентрациясынан ә лденеше қ атарғ а кіші болатындығ ы бұ рын айтылғ ан болатын. Демек, негізгі емес заряд тасушылар концентрациясына пропорционал кері ток, тура ығ ысу кезіндегі токтан кө п қ айтара кіші болады. Бұ дан басқ а, кері ығ ысу артып, негізгі заряд тасушылардың диффузиясы тоқ тайтын мә нге жеткенен кейін (ә детте ол вольттың бө лігі), кері ығ ысуды бұ дан ә рі арттырғ анмен ол кері токты ө згертпейді немесе ө те аз ө згертеді (4–сурет). Кері ығ ысудың ө суі кө лемдік заряд алабында электр ө рісінің ө суімен қ абаттаса жү ргенімен, негізгі емес заряд тасушылардың бейтарап алабтардан келулерімен шектеліп тұ рады. Сондық тан, бейтарап алабтардан негізгі емес тасушылардың бә рін ө ріс суырып алатындай мә нге жеткен кезде, ө ріс кернеулігінің бұ дан ә рі ө суінен ток тә уелді болудан қ алады. Осы тұ рақ ты кері ток р-n ауысудың кері қ анығ у тоғ ы деп аталады, ө йткені ток мә ні максимал мә нге, немесе қ анығ у мә ніне кері кернеуді ө сіргенде жетеді. Кері қ анығ у тоғ ы немесе арқ ылы белгіленеді.

Ауысу (ө ткел) арқ ылы кері ығ ысу кезінде негізгі емес тасушыларды суырып шығ ару процесі нә тижесінде негізгі емес тасушылар жиналады. Кері қ анығ у тоғ ы кері кернеуге тә уелді болғ анымен, оғ ан негізгі емес тасушылардың концентрациясының ө згерісін тудыратын қ ұ былыстар ық пал етеді. Мұ ндай қ ұ былыстарғ а температураның ө згерісі, жартылай ө ткізгішті жарық пен немесе рентген сә улесімен немесе екінші ө ткел кө мегімен негізгі емес тасушыларды қ осымша инжекциялау жатады. Соң ғ ы қ ұ былыс ө те маң ызды роль атқ арады: транзистордың жұ мысы осығ ан негізделген.

Сонымен, р-n ауысу тура бағ ытта ө те ү лкен токтарды ө ткізе алады (р-алабтан n-алабқ а), ал кері бағ ытта ө те ә лсіз токтарды ө ткізе алады. Тура бағ ыттағ ы токтың шамасына тә н мә ндер қ ұ рылым мө лшеріне жә не жылуды бө ліп шығ аруына қ арай бірнеше миллиамперден амперге дейінгі аралық та жатады. Кері токтар шамамен алты реттік шамағ а кіші болады жә не наноамперден микроамперге дейінгі диапазонда жатады.

р-n ауысудың тосқ ауылдық сиымдылығ ы. Электр ө рісінің ө згеруі (тү сірілген кернеу есебінен) кө лемдік заряд алабы енінің ө згерісін тудырады. Электр ө рісінің ө суі осы алаб енінің кішіреюіне ә кеп соғ ады. 2, 3, 4–суреттерде бітеме қ абат енінің ө згеруі кө рнекілік ү шін ү лкейтіліп берілген. Шындығ ында кө лемдік заряд алабының ені жә не оның кернеу тү сірілген кездегі ө згеруі бү кіл қ ұ рылымның азғ антай бө лігін қ ұ райды. Кө лемдік заряд алабы енінің ө суі кері бағ ытта ығ ысқ ан ө ткелдің маң айындағ ы алабтың заряд тасушыларының сиреуіне ә келіп соғ ады.

Сыртқ ы кернеу ө згергенде кө лемдік зарядтың мө лшері мен шамасының ө згеруі “сиымдылық тың ” ө згеруіне ұ қ сас, соның тә ртібіне пара-пар. Электр тізбегі элементінің сиымдылық реакциясы деп жалпы жағ дайда элементке берілген кернеу ө згерген кезде ондағ ы зарядтың ө згерісін айтады .

Кернеуге байланысты кө лемдік зарядтың ө згеру процесін сыртқ ы тізбек электр сиымдылық ретінде қ абылдайды. р-n ө ткел жағ дайында бұ л тосқ ауылдық немесе зарядтық сиымдылық деп аталады, яғ ни ө ткел алабындағ ы екі электрлік қ абат ө зін конденсатор сияқ ты кө рсетеді: р-n ауысудың шекаралары - конденсатордың астарлары, ауысудың тасушылар азайғ ан қ абаты – диэлектрик болып табылады.

Бө геттік (тосқ ауылдық ) сиымдылық жазық конденсатор сиымдылығ ының белгілі формуласы бойынша анық талады:

, (1)

мұ ндағ ы - р-n ө ткелдің ауданы (конденсатор астарларының ауданы), - кө лемдік заряд алабының қ алың дығ ы (диэлектриктің қ алың дығ ы), - диэлектриктің салыстырмалы диэлектрлік тұ рақ тысы, - электрлік тұ рақ ты. Кө пшілік жағ дайда ө ткелдің ауданы кішкентай болады, бұ ғ ан қ арамастан, сиымдылық, тасушылары азайғ ан алабтың қ алың дығ ы кішкентай болғ андық тан, ө те ү лкен бола алады.

кернеуді кері бағ ыттан тура бағ ытқ а қ арай ө сірген кезде бө геттік сиымдылық артады (5–сурет), ө йткені бітеме қ абаттың қ алың дығ ы кемиді.

Бұ л тә уелділік мына формуламен бейнеленеді:

, (2)

мұ ндағ ы - бө геттік сиымдылық ( болғ андағ ы); ,

- контактылық потенциалдар айырмасы.

Бө геттік сиымдылық мә ндері ондық бө ліктерден ондағ ан пикофарадқ а дейінгі аралық та болады.

5–суретте келтірілген тә уелділігі вольт-фарадтық сипаттама (ВФС) деп аталады. Бұ л р-n ө ткелдің кө лемдік заряд қ абатының ө ткелге тү сірілген кернеуге байланысты ө згеру динамикасын кө рсетеді.

6. Идеал жартылай ө ткізгіштік диод

Жартылай ө ткізгіштік диодта электрондық -кемтіктік бір ө ткел болады. p-n ауысуды теориялық талдаудан диодтың жұ мысын тура ығ ысу жағ дайында да, кері ығ ысу жағ дайында да едә уір дә л бейнелейтін қ арапайым тең деу алынады:

, (3)

мұ ндағ ы - кері қ анығ у тоғ ы, - диодқ а берілген кернеу, - ө ткелдің абсолют температурасы, - Больцман тұ рақ тысы, - электрон заряды (абсолют мә ні).

(3) формуланы мына тү рде жазуғ а болады:

, (4)

мұ ндағ ы - термиялық потенциал ; болғ анда .

5–сурет. р-n ауысудағ ы бө геттік сиымдылық тың кернеуге тә уелділігі

ү шін экспоненциал мү шесі бірмен салыстырғ анда кө п ү лкен болуғ а тиіс; сонда (3) формуладағ ы бірді ескермеуге болады. Демек, тура ығ ысу кезінде (3) тең деу

(тура ығ ысу кезінде). (5)

(5) ө рнек токтың кернеуден қ арапайым экспоненциалды тә уелділігі болып табылады; бұ л тура ток мә ні кері қ анығ у тоғ ы мә нінен кө п ү лкен жә не кернеу аз ө скен жағ дайдың ө зінде тура ток тез ө седі деген физикалық кө рініспен ү йлеседі. Мә селен, бө лмелік температура жағ дайында ( ү шін) ә рбір 60 мВ-қ а ө скенде тура ток 10 есеге ө сетін болады. Бірақ, кері ығ ысу жағ дайында, болғ анда, (3) тең деудегі экспоненциалдық мү ше бірмен салыстырғ анда кіші болып қ алады да тө мендегідей болады.

(кері ығ ысу жағ дайында) (6)

Cонымен, (3) тең деуде тура ығ ысу жағ дайындағ ы ү лкен ток та жә не кері қ анығ у ( ) тогы да сә тті кө рсетілген.

(3) экспоненциалдық тә уелділікті қ орыту кезінде физикалық кейбір идеализациялар жасалғ анына қ арамастан, нә тижелер реал диодтың жұ мысшы алабының кө пшілік бө лігі ү шін эксперименттік деректермен жақ сы ү йлеседі.

6–суретте германий жә не кремний диодтарының ВАС-ы кө рсетілген. Диодтың шартты белгіленуі суреттің сол бө лігінде берілген. Мұ ндағ ы символ–белгі диодты экспоненциалды деп санауғ а болатынын білдіреді.

6–суретте кернеу мен ток ү шін сызық тық масштабтар алынғ ан жә не токтар осі бойынша мә ндер бү кіл сипаттаманы 80 мА ток мә ніне шейін бейнелеу ү шін алынғ андық тан, сипаттама ө те кү шті сызық тық емес болуғ а тиіс сияқ ты. Кернеу белгілі мә нге жеткенге дейін ток нолге тең болып тұ рады да, осыдан кейін кернеу артқ анда ток тез ө сетін болады. Елерліктей ток байқ алатын кернеуді кө бінесе диодтың табалдырық кернеуі деп атайды. Табалдырық кернеудің мә ні германий диодтары ү шін 0. 2–0. 3 B, кремний диодтары ү шін 0. 6–0. 7 В болады.

6–суретте кремний диодының сипаттамасы келтірілген, оның тура бағ ыттағ ы тоғ ы 80мА жетеді, ал кері қ анығ у тоғ ы 0. 5 мА. Кернеу 0. 5 В маң айында болғ ан жағ дайда кремний диодындағ ы ток нольден елеулі ө згеше болады. Ығ ысу кері бағ ыттан +0. 5 В-қ а дейін ө згергенде ток ө те кө п есе ө згереді.

ВАС потенциалдардың контактылық айырмасын бағ алауғ а мү мкіндік береді. Диодқ а берілген кернеу потенциалдардың контактылық айырмасынан кіші болғ ан жағ дайда, ВАС сызық тық емес, ө йткені берілген кернеу тү гелдей дерлік кө лемдік заряд алабына тү седі. Осы алабтың ені р-n ө ткелдің ВАС-ның ерекшелігін анық тайды. Сыртқ ы кернеу потенциалдық тосқ ауылдың биіктігінен артқ ан кезде зарядтың негізгі тасушылары ү шін бітеме қ абат жойылады (шашырайды) жә не берілген кернеу бү кіл жартылай ө ткізгіштің бойымен тө мендеп тү седі – ВАС сызық тық тү рге айналады.

Сонымен, осы екі алабтың (сызық тық жә не сызық ты емес) шекарасындағ ы А нү ктесі контактылық потенциалдар айырымына сә йкес келеді (7–сурет).

6–сурет. Кремний жә не германий диодтарының ВАС - сы

7–сурет. Потенциалдардың контактылық айырмасын ВАС бойынша анық тау

12 3 Следующая ⇒