Қатты дененің физика элементтері

АБ аймағының сыртында электр өрісі болмағандықтан, сол  және оң жағындағы зарядтар хаосты қозғалысында оның шекарасынан кедергісіз өтіп кете алады, бұл туралы жоғарыда айтылды. Кемтіктердің кету және  n-аймақтан электрондардың келу нәтижесінде пайда болған  р – аймағындағы артық зарядтар  АО  қабатында шоғырланады, ал  р – аймағының барлық қалған бөлігі электрлік нейтраль күйінде қалады. n – аймағына да осы қатысты. Жылжымалы зарядтар қалмаған  АБ  қабатының өте үлкен меншікті кедергісі болады, бұл кезде кристалдың қалған бөліктеріндегі кедергі аз болады. Бұл,  р-n ауысуы бар кристалдың барлық электрлік кедергісі АБ  қабатымен жасалынады.

р- n  ауысуының пайда болуын энергетикалық зоналар арқылы түсіндіріп көрейік. р-n  ауысуында негізгі зарядты тасымалдаушылардың тепе-теңдікте болуы, олардың күйлері бірдей деңгейде болғанда іске асады, ал бұл энергетикалық зоналардың иілуіне алып келеді (20-сур.).

Ауысу аймағындағы энергетикалық зоналардың иілуінің себебі, тепе-теңдік  күйде   р-аймағындағы  потенциалдың     n-аймағындағы   потенциалдан

 

20 – сур.

төмен болуы. Валенттік  зонаның төменгі шекарасы электронның  потенциалдық энергиясына  Е_рэ, ауысуға перпендикуляр бағытта жол береді (21-сур.,а). Кемтіктің заряды электронның зарядына қарама-қарсы, сондықтан олардың потенциалдық энергиясы Е_рк,  Е_рэ-нің аз жерінде көп болады және керісінше (20-сур.,а).

21 – сур.

Тепе-теңдік күйінде негізгі  тасымалдаушылардың кейбір мөлшері потенциалдық бөгеттен өтіп кете алады, осының салдарынан ауысу арқылы аздаған ток І_нег. жүреді (21-сур.,а). Бұл ток негізгі емес тасымалдаушылардың қарама-қарсы І_н.емес тогымен компенсацияланады.  І_н.емес шамасы секунд сайын пайда болып жатқан негізгі емес тасымалдаушылардың санымен анықталады және потенциалдық бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді болмайды. Керісінше, І_нег шамасы бөгеттің биіктігіне күшті тәуелді. Тепе-теңдік потенциалдық бөгеттің, екі І_нег  және  І_н.емес токтары бірін-бірі компенсациялайтын, деңгейде орнығады.

Кристалға, плюсі  р  – аймаққа, ал минусы -  n – аймаққа жалғасқан бағытта, сыртқы кернеу берейік (мұндай кернеу тура деп аталынады). Бұл р – аймақтағы потенциалдың жоғарылауына (яғни  Е_рк  артады,  Е_рэ кемиді) және  n-

Аймақтағы потенциалдың төмендеуіне (яғни Е_рк кемиді, Е_рэ артады) алып келеді (21-сур.,б). Мұның нәтижесінде потенциалдық бөгеттің биіктігі кішірейеді де  І_нег ток өседі. Ал ток  І_н.емес  іс  жүзінде өзгермей қалады (жоғарыда келтірілгендей, ол бөгеттің биіктігіне тіптен тәуелді емес). Демек, қорытқы ток нольге тең болмай қалады. Потенциалдық бөгеттің төмендеуі түсірілген кернеуге пропорционал (ол  еU-ға тең). Бөгеттің биіктігін төмендеткен кезде негізгі тасымалдаушылар тогы, демек, қорытқы ток, тез өседі. Сонымен,  р – аймақтан  n – аймақ бағытында ауысу ток өткізеді, оның күші түсірілген кернеу артқанда тез өседі. Бұл бағыт тура деп аталынады.

22 – суретте р-n  ауысудың вольт-амперлік сипаттамасы берілген. Тура кернеуде   кристалда пайда болған электр   өрісі   негізгі   тасымалдаушыларды

22 – сур.

аймақтар арасындағы шекараға «сығады», осы себептен тасымалдаушылары жоқ ауысу қабатының ені қысқарады. Демек, ауысу кедергісі де азаяды, бұл кернеу неғұрлым үлкен болған сайын, солғұрлым көп азаяды. Сондықтан өткізу аймағындағы вольт-амперлік сипаттама түзу болып келмейді (22 – суретте оң тармақ).

Енді кристалға  n – аймаққа плюс, ал  р – аймаққа минус қосылатындай етіп кернеу түсірейік (бұл кернеу кері деп аталынады). Бұл потенциалдық бөгеттің көтерілуіне және негізгі тасымалдаушылар ток күшінің  І_нег  кемуіне алып келеді (21-сур.,в). Бұл кезде пайда болған қорытқы ток (кері ток деп аталынатын) қанығу мәніне тез жетеді (яғни кернеуге  U  тәуелсіз болып) және І_н.емес токқа тең болады. Сонымен n – аймақтан  р – аймаққа қарай бағытта (кері ток)  р-n  ауысуы, негізгі емес тасымалдаушылар қамтамасыз ететін, әлсіз ток өткізеді. Тек өте үлкен кері кернеуде, ауысудың электрлік тесілуі арқасында, ток күші бірден арта бастайды (22 – суретте сол тармақ). әрбір р-n ауысуы, оның бүлінбей шыдауға қабілеттілігі болатын, өзінің кері кернеуінің шекті мәнімен сипатталады.

22 – суреттен көрініп тұр, р-n  ауысуы тура бағытқа қарағанда, кері бағытта едәуір үлкен кедергіге ие болады. Бұл былай түсіндіріледі, кристалда пайда болған өріс кері кернеу қосылған кезде, аймақтар арасындағы шекарадан негізгі тасымалдаушыларды кері  «тартып»  алады, бұл тасымалдаушылары кеміген, ауысу қабатының енін ұлғайтады. Осыған сәйкес ауысудың кедергісі де артады.

5. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТІК ҚҰРАЛДАР

 

          5.1. Жартылай өткізгіштік диод

Егер  р-n  ауысуы бар кристалға сыртқы кернеу түсірсе не болатынын қарастырайық. 23 – суретте а) кернеу жоқ кездегі АБ  ауысу аймағы бар осындай кристалл бейнеленген. Бұл жағдайда, АБ ауысу аймағындағы өріс жасаған,  n – аймақтағы кемтіктердің диффузиялық ағыны,  р – аймақтағы кемтіктердің қарсы ағынына тең. Бұл айтылғандар қарсы ағатын электрондарға да қатысты, сондықтан кристалда ток болмайды.

Кристалға  р – аймағындағы  потенциалы  n – аймағындағы потенциалға қарағанда жоғары сыртқы кернеу берейік (23-сур.,б). АБ  қабатының кедергісі үлкен болуы салдарынан, 1 В-тан аспайтын бұл барлық кернеу, тікелей осы қабатқа түседі, ал кристалдың басқа бөліктерінде сыртқы кернеудің болуы әсер етпейді. Бұл кезде АБ  аймағында өріс, сыртқы өріс ішкі өріске қарсы бағытталғандықтан, әлсірейді, ал аймақтың өзі жіңішкереді.

Бұл  р-n  ауысу арқылы кемтіктер мен электрондардың қарсы ағындарының арасындағы жылжымалы тепе-теңдікті бұзады. АБ  аймағындағы өрістің әлсіреуінен солдан оңға қарай кемтіктердің және оңнан солға қарай электрондардың диффузиялық ағындары артады, сол кезде жылжымалы тасымалдаушылардың қарама-қарсы ағындары өзгермей қалады. Демек, кристалл арқылы  р – аймақтан  n – аймақ бағытында ток жүреді. Бұл кездегі кристалдағы токты және түсірілген кернеуді тура деп атайды.

Айта кету керек, тура ток кемтіктер тогы мен электрондар  тогының қосындысынан тұратындықтан, бұл қосылатын токтардың тепе-теңдігі  тіптен

                               

23 – сур.

міндетті емес. Ауысу арқылы өтетін, кемтіктер жасаған ток, электрондар жасаған токтан ондаған және жүздеген есе үлкен болуы мүмкін, және де керісінше. Егер  n – аймақта n-типті қоспаның концентрациясы үлкен болмаса (яғни жартылай өткізгіш айқын n-типті), ал  р – аймақта р-қоспаның концентрациясы үлкен болса, онда токтың кемтіктік бөлігі, оның электрондық бөлігінен әлде қайда үлкен болады.

Егер ауысудағы сыртқы кернеуді біртіндеп арттырта берсе, онда оның шамасы түйісу потенциалдар айырымына жақындаған сайын кристалл арқылы өтетін түзу токтың өсуі жылдамдай бастайды. Мысалы, германий кристалының р-n  ауысуындағы кернеу  0,5 В болғанда тура токтың тығыздығы 10⁴ А/м²  шамасындай болады.

Енді  р-n  ауысуға кері полярлы сыртқы кернеу түсірілген жағдайды қарастырайық:  n – аймаққа  оң потенциал берілген (23-сур.,в). Бұл жағдайда  р-n  ауысуындағы АБ  аймвқ кеңейеді, ал  АО  аймақтағы теріс заряд және  БО  аймақтағы оң заряд артады, яғни  р-n  ауысуында өріс күшейеді.

Демек, кемтіктер мен  электрондардың диффузиялық ағындары кемиді, себебі  р-n  ауысуының тежеуші әсерін жеңу үшін енді үлкен энергия керек болады және мұндай энергиясы бар кемтіктер мен электрондар аздап қана кездеседі. Электрондар мен кемтіктердің қарсы ағындары бұл кезде өзгермей қалады және олар диффузиялық ағындардан басым бола бастайды.  Сондықтан,

n – аймақтан  р – аймаққа бағытталған қорытқы ток пайда болады.

Қарастырылып отырған жағдайдағы  р-n  ауысуға түсірілген кернеу және ол арқылы өтетін ток кері деп аталынады. Бірақ n – аймақтағы кемтіктер және  р – аймақтағы электрондар өте аз, өйткені көрсетілген аймақтар үшін бұл зарядтарды негізгі емес тасымалдаушылар. Сондықтан кері токтың тығыздығы өте аз. Кремний жартылай өткізгіштік диодтарда ол сыртқы кернеу жүздеген вольт болғанда бір квадрат метрге бірнеше миллиампер келеді.

Кернеу артқан сайын  кері ток жайлап өседі және кернеудің  кейбір мәндерінде ол тіптен оған тәуелді  болмай қалады (қанығу тогы). Бұл былай түсіндіріледі, жеткілікті үлкен кері кернеуде (германий үшін 0,1 – 0,2 В) кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағындары тіптен жойылып кетпейді, өйткені негізгі емес тасымалдаушылардың қарсы ағындары кернеуге тәуелді емес, сондықтан кернеу әрі қарай артқанда кері ток өзгермей қалады.

Сонымен, егер  р-n  ауысуында тура кернеу вольттің бөлігімен өлшенсе, онда ол арқылы өтетін токтың шамасы ампердің бөлігімен өлшенеді (орташа қуатты түзеткіштер үшін). Егер кері кернеу жүздеген вольтпен өлшенген кезде де, онда  р-n  ауысуы арқылы өтетін токтың шамасы микроампердің жүздеген және мыңдаған бөліктерімен өлшенеді. Демек,  р-n  ауысуы бар кристалл диодқа ұқсас;  р-n  ауысу вентиль сияқты қызмет атқарады: токты бір бағытта өткізеді (ауысу ашық) және оны кері бағытта өткізбейді (ауысу жабық). Осындай диодқа тізбектей жүктік кедергі жалғап және оларға айнымалы кернеу беріп (24-сур.), біз іс жүзінде жүктеме тізбегінде бағыты бойынша тұрақты ток аламыз.

24 – сур.

25 – суретте диод пен жүктемеге, ток көзінен берілген, айнымалы токтың графигі бейнеленген.  Айталық   ток   көзі   кернеуінің  U_көз   өзгеруінің   бірінші

 

25 – сур.

 

жарты периодында (25-сур.,а) диод өткізетін бағытта жалғассын. Бұл кезде диодтағы кернеу өте аз (25-сур.,б), және тура токты кедергісіз өткізеді, ол барлық қалған кернеу жүктемеге түседі (25-сур.,в). Бұл қоректендіру көзі беретін кернеу диод пен жүктеменің кедергілеріне пропорционал бөлінетінімен түсіндіріледі. Өткізетін бағытта қосылған диодтың кедергісі аз болғандықтан, периодтың бірінші жартысының барлығында барлық түсірілген кернеу жүктемеге келеді.

Периодтың келесі жартысында диод жабық, оның кедергісі өте үлкен, сондықтан барлық кернеу диодқа түсірілген болып шығады, ал тізбекте ток жоқ. Бұл жоғарыда айтылғандардан, дербес жағдайда, жартылай өткізгіштік диодты тізбекке жүктемелі кедергісіз қосуға болмайды.

Жартылай өткізгіштік  диодтардың ең бір мәнді кемшілігі – температура артқан кезде олардың түзеткіштік әсерінің нашарлауы болады. Бұл температура көтерілгенде  «электрон-кемтік» жұбтарының генерациясының артуымен түсіндіріледі. Бұл процесс негізгі емес жылжымалы зарядтарды тасымалдаушылар концентрациясының артуына алып келеді;  n – аймақта кемтіктердің және  р – аймақта электрондардың. Демек, диодтың температурасы көтерілгенде кері ток артады, яғни диодтың түзеткіштік сапасы нашарлайды. Сондықтан, іс жүзінде әрбір жартылай өткізгіштік диод үшін оның жұмысының температуралық шегі болады, бұл шек жартылай өткізгіштің атомынан электронды жұлып алуға қажетті энергияға тәуелді (яғни  «электрон-кемтік» жұбын жасауға қажетті энергия). Кремнийлік диод үшін оның жұмысының шекті температурасы 200⁰ С-ден аздап кем, ал германийлік диод үшін мұнан да кем. Кремний карбид негізінде жасалынған диодтар 500 – 600⁰ С температуралар кезінде де жұмыс істейді.

Алмаздағы көміртегі  атомынан электрондарды жұлып алу  үшін өте үлкен энергия жұмсау керек. Сондықтан алмаз негізінде жасалынған диодтар 900⁰ С шамасындай температурада жұмыс атқара алады. Алайда, алмазға қоспа ендіру кезіндегі қиыншылықтар, яғни  р-n  ауысуын алу кезіндегі, алмазды жартылай өткізгіш ретінде пайдалануға кедергі жасайды.

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.

Соңында айта кететін  нәрсе, екі әр текті металдардың  түйісуінен болатын түйісу потенциалдар айырымы шоғырланған ауысу аймағы,  р-n  ауысуының қасиетіне ие бола алмайды және айнымалы токты түзету үшін пайдалануға болмайды. Бұл, біріншіден, ауысу аймағының екі жағында да жылжымалы зарядты тасымалдаушылар тек электрондар болып саналады және, екіншіден, ауысу қабатының қалыңдығы өте аз болғандықтан, электрондар бұл арқылы екі бағытқа да жеткілікті түрде еркін өте алады.

 

5.2. Транзисторлар

Жоғарыда айтылған  р-n  ауысудың қасиетін, жартылай өткізгіштік триод немесе транзистор деп аталынатын, электрлік тербелістерді күшейткіштер жасау үшін пайдалануға болады.

Транзисторда кристалдың екі  р – аймағы жіңішке  n – аймағымен бөлінеді (26-сур.). Мұндай транзисторды  р-n-р деп шартты белгілейді. n- р- n – типті транзистор да жасауға болады, яғни кристалдың екі n – аймағы жіңішке р – аймағымен бөлінеді.

26 – сур.

р- n- р – типті транзистор негізінде жасалынған жартылай өткізгіштік күшейткіштердің жұмыс істеу принципін түсіндірейік. Бұл транзистор үш аймақтан тұрады, шеткілері кемтіктік өткізгіштікке, ал ортадағысы электрондық өткізгіштікке ие. Транзистордың бұл үш аймағына өзбетінше контактілер жасалынады, бұлар арқылы әртүрлі кернеулерді, сол жақтағы  р-n ауысуына  а және  б контактілеріне және оң жақтағы n-р ауысуға б және  в контактілері арқылы, беруге болады.

Егер оң жақтағы ауысуға  кері кернеу берсе ол жабық болады және ол арқылы өте аз кері ток жүреді. Енді сол жақтағы  р-n  ауысуға тура кернеу береміз, сонда ол арқылы едәуір тура ток жүре бастайды.

Транзистордың  р – аймағының бірі, мысалы сол жақтағы,  n – аймақтағы n-типті қоспаның мөлшерімен салыстырғанда,  р-типті:  қоспаның мөлшері әдетте жүздеген есе артық болады. Сондықтан,  р-n  ауысу арқылы тура ток, солдан оңға қарай қозғалатын, тек кемтіктер ағынынан тұрады. Кемтіктер, транзистордың n – аймағына келіп, жылулық қозғалыс жасай отырып,  n-р  ауысу бағыты бойынша диффузияланады, бірақ жарым-жартылай  n – аймақтағы бос электрондармен рекомбинацияланып үлгереді. Бірақ егер  n – аймағы жіңішке болса және онда еркін электрондар тіптен көп болмаса (айқын басым n-типті өткізгіш емес), онда көптеген кемтіктер екінші ауысуға жетеді және оған еніп, оның өрісінің арқасында оң жақтағы  р – аймаққа өтеді. Жақсы транзисторларда оң жақтағы  р – аймаққа енетін кемтіктер ағымы, сол жақтан  n – аймаққа енетін кемтіктердің  99%-ын  құрайды.