Жартылай өткізгіштік диод

Егер р-n ауысуы бар кристалғ а сыртқ ы кернеу тү сірсе не болатынын қ арастырайық. 23 – суретте а) кернеу жоқ кездегі АБ ауысу аймағ ы бар осындай кристалл бейнеленген. Бұ л жағ дайда, АБ ауысу аймағ ындағ ы ө ріс жасағ ан, n – аймақ тағ ы кемтіктердің диффузиялық ағ ыны, р – аймақ тағ ы кемтіктердің қ арсы ағ ынына тең. Бұ л айтылғ андар қ арсы ағ атын электрондарғ а да қ атысты, сондық тан кристалда ток болмайды.

Кристалғ а р – аймағ ындағ ы потенциалы n – аймағ ындағ ы потенциалғ а қ арағ анда жоғ ары сыртқ ы кернеу берейік (23-сур., б). АБ қ абатының кедергісі ү лкен болуы салдарынан, 1 В-тан аспайтын бұ л барлық кернеу, тікелей осы қ абатқ а тү седі, ал кристалдың басқ а бө ліктерінде сыртқ ы кернеудің болуы ә сер етпейді. Бұ л кезде АБ аймағ ында ө ріс, сыртқ ы ө ріс ішкі ө ріске қ арсы бағ ытталғ андық тан, ә лсірейді, ал аймақ тың ө зі жің ішкереді.

Бұ л р-n ауысу арқ ылы кемтіктер мен электрондардың қ арсы ағ ындарының арасындағ ы жылжымалы тепе-тең дікті бұ зады. АБ аймағ ындағ ы ө рістің ә лсіреуінен солдан оң ғ а қ арай кемтіктердің жә не оң нан солғ а қ арай электрондардың диффузиялық ағ ындары артады, сол кезде жылжымалы тасымалдаушылардың қ арама-қ арсы ағ ындары ө згермей қ алады. Демек, кристалл арқ ылы р – аймақ тан n – аймақ бағ ытында ток жү реді. Бұ л кездегі кристалдағ ы токты жә не тү сірілген кернеуді тура деп атайды.

Айта кету керек, тура ток кемтіктер тогы мен электрондар тогының қ осындысынан тұ ратындық тан, бұ л қ осылатын токтардың тепе-тең дігі тіптен

23 – сур.

міндетті емес. Ауысу арқ ылы ө тетін, кемтіктер жасағ ан ток, электрондар жасағ ан токтан ондағ ан жә не жү здеген есе ү лкен болуы мү мкін, жә не де керісінше. Егер n – аймақ та n-типті қ оспаның концентрациясы ү лкен болмаса (яғ ни жартылай ө ткізгіш айқ ын n-типті), ал р – аймақ та р-қ оспаның концентрациясы ү лкен болса, онда токтың кемтіктік бө лігі, оның электрондық бө лігінен ә лде қ айда ү лкен болады.

Егер ауысудағ ы сыртқ ы кернеуді біртіндеп арттырта берсе, онда оның шамасы тү йісу потенциалдар айырымына жақ ындағ ан сайын кристалл арқ ылы ө тетін тү зу токтың ө суі жылдамдай бастайды. Мысалы, германий кристалының р-n ауысуындағ ы кернеу 0, 5 В болғ анда тура токтың тығ ыздығ ы 10⁴ А/м² шамасындай болады.

Енді р-n ауысуғ а кері полярлы сыртқ ы кернеу тү сірілген жағ дайды қ арастырайық: n – аймақ қ а оң потенциал берілген (23-сур., в). Бұ л жағ дайда р-n ауысуындағ ы АБ аймвқ кең ейеді, ал АО аймақ тағ ы теріс заряд жә не БО аймақ тағ ы оң заряд артады, яғ ни р-n ауысуында ө ріс кү шейеді.

Демек, кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағ ындары кемиді, себебі р-n ауысуының тежеуші ә серін жең у ү шін енді ү лкен энергия керек болады жә не мұ ндай энергиясы бар кемтіктер мен электрондар аздап қ ана кездеседі. Электрондар мен кемтіктердің қ арсы ағ ындары бұ л кезде ө згермей қ алады жә не олар диффузиялық ағ ындардан басым бола бастайды. Сондық тан,

n – аймақ тан р – аймақ қ а бағ ытталғ ан қ орытқ ы ток пайда болады.

Қ арастырылып отырғ ан жағ дайдағ ы р-n ауысуғ а тү сірілген кернеу жә не ол арқ ылы ө тетін ток кері деп аталынады. Бірақ n – аймақ тағ ы кемтіктер жә не р – аймақ тағ ы электрондар ө те аз, ө йткені кө рсетілген аймақ тар ү шін бұ л зарядтарды негізгі емес тасымалдаушылар. Сондық тан кері токтың тығ ыздығ ы ө те аз. Кремний жартылай ө ткізгіштік диодтарда ол сыртқ ы кернеу жү здеген вольт болғ анда бір квадрат метрге бірнеше миллиампер келеді.

Кернеу артқ ан сайын кері ток жайлап ө седі жә не кернеудің кейбір мә ндерінде ол тіптен оғ ан тә уелді болмай қ алады (қ анығ у тогы). Бұ л былай тү сіндіріледі, жеткілікті ү лкен кері кернеуде (германий ү шін 0, 1 – 0, 2 В) кемтіктер мен электрондардың диффузиялық ағ ындары тіптен жойылып кетпейді, ө йткені негізгі емес тасымалдаушылардың қ арсы ағ ындары кернеуге тә уелді емес, сондық тан кернеу ә рі қ арай артқ анда кері ток ө згермей қ алады.

Сонымен, егер р-n ауысуында тура кернеу вольттің бө лігімен ө лшенсе, онда ол арқ ылы ө тетін токтың шамасы ампердің бө лігімен ө лшенеді (орташа қ уатты тү зеткіштер ү шін). Егер кері кернеу жү здеген вольтпен ө лшенген кезде де, онда р-n ауысуы арқ ылы ө тетін токтың шамасы микроампердің жү здеген жә не мың дағ ан бө ліктерімен ө лшенеді. Демек, р-n ауысуы бар кристалл диодқ а ұ қ сас; р-n ауысу вентиль сияқ ты қ ызмет атқ арады: токты бір бағ ытта ө ткізеді (ауысу ашық) жә не оны кері бағ ытта ө ткізбейді (ауысу жабық). Осындай диодқ а тізбектей жү ктік кедергі жалғ ап жә не оларғ а айнымалы кернеу беріп (24-сур.), біз іс жү зінде жү ктеме тізбегінде бағ ыты бойынша тұ рақ ты ток аламыз.

24 – сур.

25 – суретте диод пен жү ктемеге, ток кө зінен берілген, айнымалы токтың графигі бейнеленген. Айталық ток кө зі кернеуінің U_{кө з} ө згеруінің бірінші

25 – сур.

жарты периодында (25-сур., а) диод ө ткізетін бағ ытта жалғ ассын. Бұ л кезде диодтағ ы кернеу ө те аз (25-сур., б), жә не тура токты кедергісіз ө ткізеді, ол барлық қ алғ ан кернеу жү ктемеге тү седі (25-сур., в). Бұ л қ оректендіру кө зі беретін кернеу диод пен жү ктеменің кедергілеріне пропорционал бө лінетінімен тү сіндіріледі. Ө ткізетін бағ ытта қ осылғ ан диодтың кедергісі аз болғ андық тан, периодтың бірінші жартысының барлығ ында барлық тү сірілген кернеу жү ктемеге келеді.

Периодтың келесі жартысында диод жабық, оның кедергісі ө те ү лкен, сондық тан барлық кернеу диодқ а тү сірілген болып шығ ады, ал тізбекте ток жоқ. Бұ л жоғ арыда айтылғ андардан, дербес жағ дайда, жартылай ө ткізгіштік диодты тізбекке жү ктемелі кедергісіз қ осуғ а болмайды.

Жартылай ө ткізгіштік диодтардың ең бір мә нді кемшілігі – температура артқ ан кезде олардың тү зеткіштік ә серінің нашарлауы болады. Бұ л температура кө терілгенде «электрон-кемтік» жұ бтарының генерациясының артуымен тү сіндіріледі. Бұ л процесс негізгі емес жылжымалы зарядтарды тасымалдаушылар концентрациясының артуына алып келеді; n – аймақ та кемтіктердің жә не р – аймақ та электрондардың. Демек, диодтың температурасы кө терілгенде кері ток артады, яғ ни диодтың тү зеткіштік сапасы нашарлайды. Сондық тан, іс жү зінде ә рбір жартылай ө ткізгіштік диод ү шін оның жұ мысының температуралық шегі болады, бұ л шек жартылай ө ткізгіштің атомынан электронды жұ лып алуғ а қ ажетті энергияғ а тә уелді (яғ ни «электрон-кемтік» жұ бын жасауғ а қ ажетті энергия). Кремнийлік диод ү шін оның жұ мысының шекті температурасы 200⁰ С-ден аздап кем, ал германийлік диод ү шін мұ нан да кем. Кремний карбид негізінде жасалынғ ан диодтар 500 – 600⁰ С температуралар кезінде де жұ мыс істейді.

Алмаздағ ы кө міртегі атомынан электрондарды жұ лып алу ү шін ө те ү лкен энергия жұ мсау керек. Сондық тан алмаз негізінде жасалынғ ан диодтар 900⁰ С шамасындай температурада жұ мыс атқ ара алады. Алайда, алмазғ а қ оспа ендіру кезіндегі қ иыншылық тар, яғ ни р-n ауысуын алу кезіндегі, алмазды жартылай ө ткізгіш ретінде пайдалануғ а кедергі жасайды.

Жартылай ө ткізгіштік диодтардың артық шылық тары мыналар: жоғ ары ПӘ К (германийлік жә не кремнийлік диодтардың ПӘ К-і 90%-ғ а дейін жетеді), тү зетілген токтың ү лкен қ уатында аз габаритті (ауысу ауданы 25 мм² диод қ уаты бірнеше ондағ ан киловатт токты тү зете алады) жә не шамдық диодтарғ а қ арағ анда, едә уір механикалық беріктігі артық жә не қ ызмет ету уақ ыты ұ зақ.

Соң ында айта кететін нә рсе, екі ә р текті металдардың тү йісуінен болатын тү йісу потенциалдар айырымы шоғ ырланғ ан ауысу аймағ ы, р-n ауысуының қ асиетіне ие бола алмайды жә не айнымалы токты тү зету ү шін пайдалануғ а болмайды. Бұ л, біріншіден, ауысу аймағ ының екі жағ ында да жылжымалы зарядты тасымалдаушылар тек электрондар болып саналады жә не, екіншіден, ауысу қ абатының қ алың дығ ы ө те аз болғ андық тан, электрондар бұ л арқ ылы екі бағ ытқ а да жеткілікті тү рде еркін ө те алады.

5 .2. Транзисторлар

Жоғ арыда айтылғ ан р-n ауысудың қ асиетін, жартылай ө ткізгіштік триод немесе транзистор деп аталынатын, электрлік тербелістерді кү шейткіштер жасау ү шін пайдалануғ а болады.

Транзисторда кристалдың екі р – аймағ ы жің ішке n – аймағ ымен бө лінеді (26-сур.). Мұ ндай транзисторды р-n-р деп шартты белгілейді. n- р- n – типті транзистор да жасауғ а болады, яғ ни кристалдың екі n – аймағ ы жің ішке р – аймағ ымен бө лінеді.

26 – сур.

р- n- р – типті транзистор негізінде жасалынғ ан жартылай ө ткізгіштік кү шейткіштердің жұ мыс істеу принципін тү сіндірейік. Бұ л транзистор ү ш аймақ тан тұ рады, шеткілері кемтіктік ө ткізгіштікке, ал ортадағ ысы электрондық ө ткізгіштікке ие. Транзистордың бұ л ү ш аймағ ына ө збетінше контактілер жасалынады, бұ лар арқ ылы ә ртү рлі кернеулерді, сол жақ тағ ы р-n ауысуына а жә не б контактілеріне жә не оң жақ тағ ы n-р ауысуғ а б жә не в контактілері арқ ылы, беруге болады.

Егер оң жақ тағ ы ауысуғ а кері кернеу берсе ол жабық болады жә не ол арқ ылы ө те аз кері ток жү реді. Енді сол жақ тағ ы р-n ауысуғ а тура кернеу береміз, сонда ол арқ ылы едә уір тура ток жү ре бастайды.

Транзистордың р – аймағ ының бірі, мысалы сол жақ тағ ы, n – аймақ тағ ы n-типті қ оспаның мө лшерімен салыстырғ анда, р-типті: қ оспаның мө лшері ә детте жү здеген есе артық болады. Сондық тан, р-n ауысу арқ ылы тура ток, солдан оң ғ а қ арай қ озғ алатын, тек кемтіктер ағ ынынан тұ рады. Кемтіктер, транзистордың n – аймағ ына келіп, жылулық қ озғ алыс жасай отырып, n-р ауысу бағ ыты бойынша диффузияланады, бірақ жарым-жартылай n – аймақ тағ ы бос электрондармен рекомбинацияланып ү лгереді. Бірақ егер n – аймағ ы жің ішке болса жә не онда еркін электрондар тіптен кө п болмаса (айқ ын басым n-типті ө ткізгіш емес), онда кө птеген кемтіктер екінші ауысуғ а жетеді жә не оғ ан еніп, оның ө рісінің арқ асында оң жақ тағ ы р – аймақ қ а ө теді. Жақ сы транзисторларда оң жақ тағ ы р – аймақ қ а енетін кемтіктер ағ ымы, сол жақ тан n – аймақ қ а енетін кемтіктердің 99%-ын қ ұ райды.

Егер а жә не б нү ктелері аралығ ындағ ы кернеу жоқ болса, n-р ауысуындағ ы ток ө те аз болады, а жә не б қ ысқ аштарында кернеу пайда болғ аннан кейін бұ л ток, сол жақ тағ ы ауысудағ ы тура ток сияқ ты, ү лкен болады. Осындай ә діспен, сол жақ тағ ы р-n ауысуының кө мегімен, оң жақ тағ ы (жабық) n-р ауысуындағ ы ток кү шін басқ аруғ а болады. Сол жақ тағ ы ауысуды жаба отырып, оң жақ тағ ы ауысуды токты тоқ татамыз; сол жақ тағ ы ауысуды аша отырып, оң жақ тағ ы ауысудан ө тетін ток аламыз. Сол жақ тағ ы ауысудағ ы тура кернеуді ө згерте отырып, сол арқ ылы оң жақ тағ ы ауысудағ ы ток кү шін ө згертеміз. р-n-р типті транзисторды кү шейткіш ретінде пайдалану осығ ан негізделген.

Транзистордың жұ мысында (27-сур.) оң ауысуғ а жү ктеме кедергісі R жә не Б батареясының кө мегімен, ауысуды жабатын, кері кернеу беріледі (ондағ ан вольт). Бұ л кезде ауысу арқ ылы ө те аз кері ток жү реді, ал батареяның Б барлық кернеуі n-р ауысуына тү седі. Жү ктемеде кернеу нольге тең болады. Егер сол жақ тағ ы ауысуғ а енді аздағ ан тура кернеу берілсе, онда ол арқ ылы

27 – сур.

аздағ ан тура ток жү ре бастайды. Дә л осындай ток, жү ктеменің R кедергісіне кернеудің тү суін жасай отырып, оң жақ тағ ы ауысу арқ ылы да ағ а бастайды. Бұ л кезде n-р ауысуындағ ы кернеу кеми бастайды, ө йткені батареяның кернеуінің бір бө лігі енді жү ктеме кедергісіне тү седі.

Сол жақ тағ ы ауысудағ ы тура кернеуді арттырғ ан кезде оң жақ тағ ы ауысу арқ ылы ө тетін ток кө бейіп, жү ктеменің R кедергісіндегі кернеу ө седі. Сол жақ тағ ы р-n ауысуы ашық болғ ан кезде, оң жақ тағ ы n-р ауысуынан ө тетін ток, батареяның Б кернеуінің едә уір бө лігі жү ктеменің R кедергісіне тү сетіндей, ү лкен шамағ а ие болады.

Сонымен, сол жақ тағ ы ауысуғ а, вольттің бө лігіне тең тура кернеу бере отырып, жү ктеме арқ ылы ү лкен ток алуғ а болады, жә не де оғ ан тү скен кернеу батареяның Б кернеуінің едә уір бө лігін қ ұ райды, яғ ни ондағ ан вольт. Сол жақ тағ ы ауысуғ а берілген кернеуді вольттің жү зден бір бө лігіндей ө згерте отырып, жү ктемедегі кернеуді ондағ ан вольтқ а дейін ө згертеміз. Осындай ә діспен кернеу бойынша кү шейтуді алады.

Транзисторда мұ ндай жалғ астыруда ток бойынша кү шейтуді алуғ а болмайды, ө йткені оң жақ тағ ы ауысу арқ ылы жү ретін ток, сол жақ тағ ы ауысу арқ ылы жү ретін токтан, оның ү стіне, аздап аз болады. Бірақ кернеудің кү шеюіне байланысты мұ нда қ уаттың кү шеюі болады. Ең соң ында қ уат бойынша кү шею энергия кө зінің Б есебінен болады.

Транзистордың жұ мысын плотинаның ә серімен салыстыруғ а болады. Тұ рақ ты кө здің (ө зеннің ағ ысы) жә не плотинаның кө мегімен су дең гейінің қ ұ ламасы жасалынады. Қ ақ паның вертикаль орын ауыстыруына ө те аз энергия жұ мсай отырып, біз ү лкен қ уатты су ағ ынын басқ ара аламыз, яғ ни қ уатты тұ рақ ты кө здің энергиясын басқ арамыз.

n-p-n типті транзистордың жұ мысы, p-n-p типті транзистордың жұ мысына мү лтіксіз ұ қ сас, тек ауысудағ ы кернеу кері полярлығ ы болады (28-сур.) жә не транзистордағ ы ток негізінен электрондардан тұ рады.

28 – сур.

Ө ткізу бағ ытында қ осылғ ан ауысу (суретте – сол жағ ы) эмиттерлік, жабылу жағ ындағ ы ауысу (суретте – оң жағ ы) – коллекторлық деп аталынады. Ортаң ғ ы аймақ база, сол жақ тағ ы – эмиттер, ал оң жақ тағ ы коллектор деп аталынады. Базаның қ алың дығ ы миллиметрдің тек бірнеше жү здеген немесе мың дағ ан бө лігін қ ұ райды.

Транзистордың қ ызмет ету мерзімі жә не оның экономдылығ ы, электрондық шамдарғ а қ арағ анда кө п есе артық. Транзистор деген сө з, trasfer – ауыстыру, resistor – кедергі деген ағ ылшын сө здерінен қ ұ ралғ ан.

Қ азіргі техникада транзисторлар ерекше кең таралды. Олар кө птеген ғ ылыми, ө ндірістік жә не ү й-тұ рмысындағ ы аппаратуралардың электрлік тізбектерінде электрондық шамдарды алмастырады. Осындай қ ұ ралдарды пайдаланатын, портативті радиоқ абылдағ ыштарды кү нделікті ө мірде транзисторлар деп атайды. Мұ ндай транзисторлардың электрондық шамдармен салыстырғ анда артық шылық тары, ең алдымен кө п энергия қ абылдайтын жә не оның қ ызуы ү шін уақ ыттың қ ажет болатын жарқ ырап қ ызатын катодтың болмауы. Мұ нан басқ а бұ л қ ұ ралдар ө лшемдері жә не массасы бойынша, электрондық шамдарғ а қ арағ анда ондағ ан жә не жү здеген есе кіші. Олар тө менірек температурада жұ мыс істейді.

Транзистордың кемшілігі, жартылай ө ткізгіштік диодтардың кемшілігімен бірдей. Олар температураның кө терілуіне, электрлік асқ ын жү кке жә не кү шті кө ктеп ө туші сә улеленуге ө те сезімтал.

Енді n-p-n – типті транзистордың жұ мысын зоналар теориясы бойынша тү сіндірейік. 29 – суретте кү шейту тізбегіне жалғ асқ ан осындай транзистор кө рсетілген. Эмиттер – база ауысуына тура бағ ытта тұ рақ ты ығ ыстырушы

29 – сур.

кернеу U_э беріледі, ал база – коллектор ауысуына кері бағ ытта тұ рақ ты ығ ыстырушы кернеу U_к беріледі. Айнымалы кү шейтілетін кернеу U_кір аз шамадағ ы кіріс кедергісіне R_кір беріледі. Осы кө рсетілген жалғ асуда ығ ыстырушы кернеулердің таң басында, эмиттер – база ауысуының кедергісі улкен емес, ал керісінше, база – коллектор ауысуының кедергісі ө те ү лкен. Бұ л R_шығ шамасын ө те улкен етіп алуғ а мү мкіндік береді.

30 – суретте, ығ ыстырушы кернеулер жә не кіріс сигналы жоқ жағ дайдағ ы, электрондардың (тұ тас сызық) жә не кемтіктердің (ү зінді сызық) потенциалдық энергияларының жолы кө рсетілген. Тура кернеуді U_э қ осу, бірінші ауысудағ ы потенциалдық бө гетті тө мендетеді, ал кері кернеуді қ осу екінші ауысудағ ы потенциалдың бө геттегі потенциалдық бө гетті ө сіреді (30-сур., б). Эмиттер тізбегіндегі токтың жү руі электрондардың база аймағ ына

ө туімен қ оса жү реді. Базағ а еніп кеткен электрондар коллектор бағ ытына қ арай еріксіз диффузияланады. Егер базаның қ алың дығ ы ү лкен болмаса, барлық

30 – сур.

дерліктей электрондар, рекомбинация жасауғ а ү лгіре алмай, база – коллектор шекарасында тұ рғ ан потенциалдық тө бешіктен «дө ң гелеп» тү седі де, коллектор тізбегіне келеді.

Эмиттер тізбегіндегі кіріс кернеуге тә уелді І_э тогының ө згеруі коллекторғ а енетін электрондар санының ө згеруіне алып келеді, демек, коллектор тізбегіндегі І_к токты дә л осындай ө згеріске ұ шыратады. Айталық,

І_к ≈ І_э болсын. Бұ л токтарды сә йкес кернеулер жә не кедергілер арқ ылы ө рнектеп, мына қ атынасты аламыз U_кір / R_кір ≈ U_шығ / R_шығ . Мұ нан

.

R_шығ > > R_кір болғ андық тан, U_шығ кернеуді кіріс кернеуден U_кір едә уір артық болады. Сонымен, транзистор кернеу мен қ уатты арттырады. Қ ұ ралдан алынғ ан жоғ арылатылғ ан қ уат, коллектор тізбегіне жалғ асқ ан ток кө зінің есебінен болады.