Жартылай өткізгішті диодтар

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШ ДИОДТЫҢ ҚОЛДАНЫЛУ САЛАСЫ

 

         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  Uкөз   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 200 0С-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.

 

       3.1 Жартылай өткізгіш диодтың электр өткізгіштігі

       Салыстырмалы  түрде қосатын қоспамыз өте  аз болғанымен, оның алған материалымыздағы  абсолюттік шоғырлану шамасы  жеткілікті – алған материалымыздың 1 куб сантиметрінде 1014 – 1018 атомға дейін болады. Осы электроны көп, оны бере алатын қоспаны донорлық қоспа деп атайды.

       Ал егер жартылай өткізгіште үш электрондары бар индийді қоссақ, онда жаңа түзілген заттың атомының сыртқы қабатында электрон жетпей қалады. Яғни, бұл үш электрон жартылай өткізгіштің үш электронымен ғана байланысқа түседі де, төртіншіміздің орны бос қалады (2.1-сурет).  Яғни, атомның сыртқы қабатында жеті электрон болады да, сегізінші орын, біреуі бос қалады. Дәл осы бос қалған орынға кез – келген еркін электрон келіп орналаса алады. Бұл жартылай өткізгішті  р – типті деп атайды,  ол латынның позитив (оң) деген сөзінен. Бұл – ойықты  жартылай өткізгіш деп аталады. Электронды қосып алуға дайын тұратын мұндай қоспаны акцепторлық қоспа деп атайды. Бұл арада айта кетер бір нәрсе — қазақ тілінде донор деген сөзді береген, ал акцептор деген сөзді алаған дейді. Жалпы жартылай өткізгіштік қасиеттері бар материалдар көп емес, жоғарыда айтылғандармен бірге селенді де (Sе) айтуға болады. Мұндай материалдар қазір де де ізделіну үстінде. Өндірістік масштабта кеңінен қолданылатындардың бірі ретінде галлий арсенидін (GaAs) айтуға болады. Оның жұмыс температурасы Цельсий бойынша 3000 – қа дейін барады. Жалпы, есте болатын нәрсе – диэлектриктер мен жартылай өткізгіштердің арасындағы шекара тек шартты түрде ғана. Өйткені, температураны өте жоғары көтерген уақытта диэлектриктеріміз өздерін жартылай өткізгіш сияқты сезінеді.  Ал өте төменгі температураларда жартылай өткізгішіміз диэлектрикке айналады.

           Егер де біз жоғарыда айтылған n — типті және p — типті екі жартылай өткізгіштерді бір — бірімен қоссақ, онда диод деген құралды аламыз.  Диод деген сөз гректің дио — екі деген сөзінен алынған.

          Бұл екеуін диодтың екі электроды деп атайды. Олар оң таңбалы анод пен терѕс таңбалы катод. Диодтың ашық және жабық кездері болады. Ашық күйінде ол токты жақсы өткізеді де, жабық күйінде нашар өскізеді, сіпті өткізбейді деп айтуға болады. Егер де батереяның оң полюсын диодтың анодымен,ал теріс полюсын катодымен қоссақ, онда диод арқылы ток жүреді

Диодтың оң зарядты жағына қосылған ток көзінің оң полюсы жағындағы оң зарядтар диодтың өзі аттас зарядтарын өзіне итереді. Ал ток көзінің теріс полюс жағындағы теріс зарядтар диодтың теріс зарядтарын өзіне итереді. Ал диодтың өзіндегі оң және теріс зарядтар бір — біріне ұмтылып, электрондар бос орындарды, яғни ток жүре бастайды. Мұны диодтың тура тоғы дейді. Ал енді батареяны тізбекке керісінше қоссақ (2.5-сурет), яғни батареяның теріс полюсын диодтың анодына, ал оң полюсын катодына қоссақ, онда диод арқылы ток жүрмейді. Неге  олай болатынын тағы да түсіндіріп көрейік. Мұндай жағдайда диодтың теріс, негативті n жағында ток көзінің оң полюсы (ойықтар) орналасады да, диодтың теріс полюсындағы электрондарды өздеріне тартады. Яғни, электрондар мен ойықтар бір-біріне ұмтылады. Ал диодтың оң полюсы жағында ток көзінің теріс полюсы орналасқан. Бұл жерде де оң полюстағы ойықтар теріс полюстағы электрондармен қосылуға  ұмтылады. Сөйтіп, диодтағы оң полюстағы ойықтар мен теріс полюстағы электрондар бір — бірінен екеуі екі жаққа қашады. Екі ортада пайда болған ара қашықтықты потенциалды барьер деп атайды. Мұндағы « I тура » дегеніміз өткізетін тоғы -тура ток. Ал « I кері » дегеніміз — диодқа керісінше берілген ток - кері ток.

 

        3.2 Диодтың вольт — амперлік сипаттамасы 

        Жалпы вольт  — амперлік сипаттама дегеніміз диодқа ма, жоқ әлде басқа бір аспапқа ма, бәрібір, берілетін кернеу өзгергенде, соған байланысты токтың калай өзгеретінін көрсететін график.  Диодқа арналған 2.7-сурет — графикті көрсету аркылы оның қалай жұмыс істейтінін түсіне аламыз. Диодқа тура кернеу бергенде ток бірден көтеріледі. Яғни, диод ашылады. Ал кері кернеу бергенде ток өте аз мөлшерде болады, яғни диод жабық. Осы уақыттағы аз мөлшердегі болсын ток іс жүзінде еш уақытта есепке алынбайды-өйткені оның мөлшері расында да өте аз. Сондықтан да ол токты біз жоқ деп есептейміз.Егер де біз кері кернеуді белгілі бір мөлшерден көп артық берсек, онда кері ток бірден көп мөлшерге артады. Көп мөлшерге артқан токтың зияны сол диод тесілді немесе диод «жанып кетті» дейді. Бірақ тура берген кернеуіміздің өзі де белгілі бір мөлшерден жоғарыламауы керек. Өйткені ондай жағдайда да әлгі «жанып кетті» деген нәрсе міндетті түрде болады. Д246 аталатын диодтың сыртқы түрі 2.6-суретте көрсетілген.

Барлық диодтардың да вольт - амперлік  сипаттамалары  жоғарыда  көрсетілген графикке  ұқсас болады. Бұларды Д226А немесе Д242 деген сияқты белгілерменатайды. Мұндағы Д — диод деген сөз, ал тұрған сан заводтың конструкциялық рет саны. Ал соңындағы әріп — аспап тобының түрі. Кремнийден жасалған диодтардың тура кедергісі германийге карағанда сәл көбірек, ал кері кедергісі он есеге артық. Кремний диодының тағы бір артықшылығы оның жұмыс температурасының 180 — 200°С-ге дейін жететіндігі. Яғни ток тығыздығы жоғары. Осыған байланысты қуаттары бірдей болғанда кремний диодтарының көлемі кіші болып келеді. Бірақ та, табиғатта таза кремнийді алып, оны сол қалпында сақтау біраз қиыншылықтар туғызады. Соның салдарынан кремнийден жасалған жартылай өткізгіш аспаптар біраз қымбат тұрады. Ал кремний дегеніміз жер бетінде оттегіден кейін таралуы бойынша екінші орын алатын элемент.

 

 

 

 

 

 

ҚОРЫТЫНДЫ

 

      Жартылай өткізгіш диод қазіргі кезде электроника саласында көп қолданыс табуда. Жалпы жартылай өткізгіштік қасиеттері бар материалдар көп емес, жоғарыда айтылғандармен бірге селенді де (Sе) айтуға болады. Мұндай материалдар қазір де де ізделіну үстінде. Өндірістік масштабта кеңінен қолданылатындардың бірі ретінде галлий арсенидін (GaAs) айтуға болады. Оның жұмыс температурасы Цельсий бойынша 3000 – қа дейін барады. Жалпы, есте болатын нәрсе – диэлектриктер мен жартылай өткізгіштердің арасындағы шекара тек шартты түрде ғана. Өйткені, температураны өте жоғары көтерген уақытта диэлектриктеріміз өздерін жартылай өткізгіш сияқты сезінеді.  Ал өте төменгі температураларда жартылай өткізгішіміз диэлектрикке айналады.