Транзистор

                           Маңғыстау энергетикалық колледжі  МКҚК 

 

 

 

 

              Өзіндік жұмыс 

 

  Тақырып: Транзистор

  Дайындаған: Машириков Қайрат 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                           Тексерген: 

 

 

 

 

                                                                  2013-2014ж                        

 

                                                               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 (1-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.

                              

                                                                      1 – 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.

Егер  а  және  б  нүктелері аралығындағы кернеу жоқ болса,  n-р  ауысуындағы  ток өте аз болады,  а  және  б  қысқаштарында кернеу пайда  болғаннан кейін бұл ток, сол  жақтағы ауысудағы тура ток сияқты, үлкен болады. Осындай әдіспен, сол  жақтағы  р-n  ауысуының көмегімен, оң жақтағы (жабық)  n-р  ауысуындағы  ток күшін басқаруға болады. Сол  жақтағы ауысуды жаба отырып, оң жақтағы ауысуды токты тоқтатамыз;  сол жақтағы ауысуды аша отырып, оң жақтағы ауысудан өтетін ток аламыз. Сол жақтағы ауысудағы тура кернеуді өзгерте отырып, сол арқылы оң жақтағы  ауысудағы ток күшін өзгертеміз.  р-n-р  типті транзисторды күшейткіш  ретінде пайдалану осыған негізделген.

Транзистордың жұмысында (2-сур.) оң ауысуға жүктеме кедергісі R  және  Б батареясының көмегімен, ауысуды жабатын, кері кернеу беріледі (ондаған вольт). Бұл кезде ауысу арқылы өте аз кері ток жүреді, ал батареяның  Б барлық кернеуі n-р ауысуына түседі. Жүктемеде кернеу нольге тең болады. Егер сол жақтағы ауысуға енді аздаған тура  кернеу   берілсе,  онда  ол   арқылы

                     

                                                                             2 – сур.

аздаған тура ток жүре бастайды. Дәл осындай ток, жүктеменің  R  кедергісіне кернеудің түсуін жасай  отырып, оң жақтағы ауысу арқылы да аға бастайды. Бұл кезде  n-р  ауысуындағы кернеу кеми бастайды, өйткені батареяның кернеуінің бір  бөлігі енді жүктеме кедергісіне  түседі.

Сол жақтағы  ауысудағы тура кернеуді арттырған  кезде оң жақтағы ауысу арқылы өтетін ток көбейіп, жүктеменің  R  кедергісіндегі кернеу өседі. Сол  жақтағы  р-n  ауысуы ашық болған кезде, оң жақтағы  n-р ауысуынан өтетін ток, батареяның  Б кернеуінің едәуір бөлігі жүктеменің  R  кедергісіне  түсетіндей, үлкен шамаға ие болады.

Сонымен, сол  жақтағы ауысуға, вольттің бөлігіне тең тура кернеу бере отырып, жүктеме  арқылы үлкен ток алуға болады, және де оған түскен кернеу батареяның  Б кернеуінің едәуір бөлігін құрайды, яғни ондаған вольт. Сол жақтағы  ауысуға берілген кернеуді вольттің жүзден бір бөлігіндей өзгерте отырып, жүктемедегі кернеуді ондаған вольтқа  дейін өзгертеміз. Осындай әдіспен  кернеу бойынша күшейтуді алады.

Транзисторда  мұндай жалғастыруда ток бойынша  күшейтуді алуға болмайды, өйткені  оң жақтағы ауысу арқылы жүретін  ток, сол жақтағы ауысу арқылы жүретін токтан, оның үстіне, аздап  аз болады. Бірақ кернеудің күшеюіне байланысты мұнда қуаттың күшеюі болады. Ең соңында қуат бойынша  күшею энергия көзінің  Б  есебінен болады.

Транзистордың жұмысын плотинаның әсерімен салыстыруға  болады. Тұрақты көздің (өзеннің  ағысы) және плотинаның көмегімен су деңгейінің құламасы жасалынады. Қақпаның вертикаль орын ауыстыруына өте  аз энергия жұмсай отырып, біз үлкен  қуатты су ағынын басқара аламыз, яғни қуатты тұрақты көздің энергиясын басқарамыз.

n-p-n  типті  транзистордың жұмысы,  p-n-p  типті  транзистордың жұмысына мүлтіксіз  ұқсас, тек ауысудағы кернеу  кері полярлығы болады (3-сур.) және транзистордағы ток негізінен электрондардан тұрады.

              

                                                                         3 – сур.

Өткізу бағытында  қосылған ауысу (суретте – сол  жағы) эмиттерлік, жабылу жағындағы  ауысу (суретте – оң жағы) – коллекторлық деп аталынады. Ортаңғы аймақ  база, сол жақтағы – эмиттер, ал оң жақтағы коллектор деп аталынады. Базаның қалыңдығы миллиметрдің тек бірнеше жүздеген немесе мыңдаған бөлігін құрайды.

Транзистордың қызмет ету мерзімі және оның экономдылығы, электрондық шамдарға қарағанда  көп есе артық. Транзистор деген  сөз, trasfer – ауыстыру , resistor – кедергі  деген ағылшын сөздерінен құралған.

Қазіргі техникада  транзисторлар ерекше кең таралды. Олар көптеген ғылыми, өндірістік және үй-тұрмысындағы аппаратуралардың электрлік  тізбектерінде электрондық шамдарды алмастырады. Осындай құралдарды пайдаланатын, портативті радиоқабылдағыштарды күнделікті өмірде транзисторлар деп атайды. Мұндай транзисторлардың электрондық  шамдармен салыстырғанда артықшылықтары, ең алдымен көп энергия қабылдайтын  және оның қызуы үшін уақыттың қажет  болатын жарқырап қызатын катодтың болмауы. Мұнан басқа бұл құралдар өлшемдері және массасы бойынша, электрондық шамдарға қарағанда  ондаған және жүздеген есе кіші. Олар төменірек температурада жұмыс  істейді.

Транзистордың кемшілігі, жартылай өткізгіштік диодтардың кемшілігімен бірдей. Олар температураның көтерілуіне, электрлік асқын жүкке  және күшті  көктеп өтуші сәулеленуге  өте сезімтал.

Енді  n-p-n –  типті транзистордың жұмысын  зоналар теориясы бойынша түсіндірейік. 4 – суретте күшейту тізбегіне жалғасқан осындай транзистор көрсетілген.  Эмиттер – база  ауысуына  тура    бағытта   тұрақты   ығыстырушы

                    

                                                                       4 – сур.

кернеу   U_э  беріледі, ал база – коллектор ауысуына кері бағытта тұрақты ығыстырушы кернеу  U_к  беріледі. Айнымалы күшейтілетін кернеу  U_кір  аз шамадағы кіріс кедергісіне R_кір  беріледі. Осы көрсетілген жалғасуда ығыстырушы кернеулердің таңбасында, эмиттер – база ауысуының кедергісі улкен емес, ал керісінше, база – коллектор ауысуының кедергісі өте үлкен. Бұл R_шығ  шамасын өте улкен етіп алуға мүмкіндік береді.

5 – суретте, ығыстырушы кернеулер және кіріс сигналы жоқ жағдайдағы, электрондардың (тұтас сызық) және кемтіктердің (үзінді сызық) потенциалдық энергияларының жолы көрсетілген. Тура кернеуді  U_э  қосу, бірінші ауысудағы потенциалдық бөгетті төмендетеді, ал кері кернеуді қосу екінші ауысудағы потенциалдың бөгеттегі потенциалдық бөгетті өсіреді (5-сур.,б).  Эмиттер тізбегіндегі  токтың  жүруі   электрондардың   база   аймағына

өтуімен қоса жүреді. Базаға еніп кеткен электрондар коллектор  бағытына қарай еріксіз диффузияланады. Егер базаның қалыңдығы үлкен  болмаса, барлық

                         

                                                                    5 – сур.    

                                             

дерліктей электрондар, рекомбинация жасауға үлгіре алмай, база – коллектор  шекарасында тұрған потенциалдық төбешіктен «дөңгелеп» түседі де, коллектор тізбегіне  келеді.

Эмиттер тізбегіндегі кіріс кернеуге тәуелді  І_э  тогының өзгеруі коллекторға енетін электрондар санының өзгеруіне алып келеді, демек, коллектор тізбегіндегі  І_к  токты дәл осындай өзгеріске ұшыратады.   Айталық,

І_к  ≈ І_э  болсын. Бұл токтарды сәйкес кернеулер және кедергілер арқылы өрнектеп, мына қатынасты аламыз  U_кір / R_кір ≈ U_шығ / R_шығ. Мұнан

 

                                                                  .   

                                

R_шығ >> R_кір  болғандықтан,  U_шығ кернеуді кіріс кернеуден U_кір  едәуір артық болады. Сонымен, транзистор кернеу мен қуатты арттырады. Құралдан алынған жоғарылатылған қуат, коллектор тізбегіне жалғасқан ток көзінің есебінен болады.

                                                               ҚОРЫТЫНДЫ

Өткізгіштер мен диэлектриктерден басқа, өткізгіштігі олардың аралығында жататын бір  топ заттар бар. Бұл заттарды жартылай өткізгіштер деп атайды.  Өткізгіштерден жартылай өткізгіштердің ең басты айырмашылығы, олардың электр өткізгіштігінің температураға тәуелділік сипаты арқылы. Өлшеулердің көрсетуі бойынша бірқатар элементтердің (кремний, германий, селен және басқалар) және қоспалардың (РвS, CdS және басқалар) меншікті кедергісі температура артқан сайын, металдардағы сияқты артпайды, керісінше, төтенше кенет төмендейді.

Жартылай  өткізгіштердің өткізгіштігінің механизмін, оның ішкі құрылысы арқылы түсіндіруге  болады. Мысалы, кремний – төрт валенттік  элемент. Бұл атомның сыртқы қабатшасында, ядромен әлсіз байланысқан, төрт электрон бар екендігін білдіреді. Кремнийдің әрбір атомының жақын  көршілерінің саны да төртке тең. Көрші  атомдар жұбының өзара әсерлесуі  электрондық жұптар байланысының көмегімен  іске асады, мұны коваленттік байланыс деп атайды.

Кремнийдің  электрондық жұптар байланысы жеткілікті түрде берік және төменгі температура  кезінде үзілмейді. Сондықтан кремний  төменгі температурада электр тогын  өткізбейді. Кремнийді қыздырған  кезде бөлшектердің кинетикалық  энергиясы артады да, жеке байланыстардың үзілуі басталады. Кейбір электрондар  өзінің байланыста тұрған кезіндегі  орбитасынан ауытқып еркін күйге  көшеді. Электр өрісінде олар тордың түйіндерінің арасында қозғалып, электр тогын тудырады.

Жартылай  өткізгіштердің, онда еркін электрондарының  болуы салдарынан өткізгіштігін, электрондық  өткізгіштік   деп   атайды.   Байланыс  үзілген кезде электрон жетіспейтін бос орын пайда болады. Оны кемтік деп атайды. Кемтікте, басқа қалыпты байланыстарға  салыстырғанда артық оң заряд  болады. Кристалда кемтіктердің орны тұрақты болып қалмайды. Атомдардың байланысын қамтамасыз ететін бір электрон, пайда болған кемтікке секіріп көшіп  орналасады, ал ол электронның тұрған орнында жаңа кемтік пайда болады. Сонымен, кемтіктер бүкіл кристалл бойымен орын ауыстыруы мүмкін. Электр өрісі болған кезде кемтіктердің реттелген орын ауыстыруы болады, сонымен еркін электрондардың электр тогына, кемтіктердің орын ауыстыруымен байланысты электр тогы қосылады. Кемтіктердің қозғалыс бағыты электрондардың қозғалыс бағытына қарама қарсы. Сонымен, жартылай өткізгіштерде зарядты тасымалдаушылардың екі типі болады:  электрондар  және кемтіктер. Демек жартылай өткізгіштер  электрондық өткізгіштікпен бірге  кемтіктік өткізгіштікке ие болады. Бұл өткізгіштік механизмі таза жартылай өткізгіштер үшін. Мұндай жағдайдағы өткізгіштікті жартылай өткізгіштердің өзіндік өткізгіштігі деп атайды.

Жартылай  өткізгіштердің маңызды ерекшелігі, онда қоспалар болғанда, өзіндік өткізгіштікпен бірге қосымша – қоспалық өткізгіштік  пайда болады. Қоспалардың концентрациясын  өзгерте отырып, оң және теріс таңбалы  зарядты тасымалдаушылардың санын  едәуір өзгертуге болады. Мысалы, төрт валенттілік элементке бес валенттілік  элемент атомдарын ендірсе, онда бір электронның атоммен байланысы  нашарлайды. Ол атомнан оңай бөлініп  шығып, еркін электронға айналады.

Электрондарын жеңіл беретін, яғни еркін электрондардың санын көбейтетін қоспаларды донорлық қоспалар деп атайды. Донорлық қоспалары  бар жартылай өткізгіштер электрондардың көп санына ие болатындықтан, оларды  n- типті жартылай өткізгіштер деп  атайды. n- типті жартылай өткізгіштерде электрондар негізгі зарядты тасымалдаушыларға, ал кемтіктер – негізгі емес зарядты тасымалдаушыларға жатады.

Егер енді төрт валенттік элементке үш валенттік  элемент атомдарын ендірсе, онда көрші атомдармен қалыпты электронды жұптық байланыс түзу үшін бір электрон жетіспей қалады. Осының нәтижесінде  кемтік пайда болады. Кристалдағы  кемтіктердің саны қоспа атомдарының  санына тең. Мұндай текті қоспаны  акцепторлық деп атайды.

Электр өрісі  болған кезде кемтіктер өріс бойымен  орын ауыстырып, кемтіктік өткізгіштік  пайда болады. Электрондық өткізгіштіктен кемтіктік өткізгіштігі артық жартылай өткізгіштерді  р- типті жартылай өткізгіштер деп атайды. р- типті  жартылай өткізгіштерде негізгі  зарядты тасымалдаушыларға кемтіктер, ал негізгі емес тасымалдаушыларға  электрондар жатады.