Текст книги "Электроника асослари. Ўқув қўлланма"

2.2. ЭЛЕКТРОН ТЕШИКЛИ «n-р» – ЎТИШ

Жуда кўп яримўтказгичли асбобларнинг ишлаши турли хил ўтказувчанликка эга бўлган, ярим ўтказгич кристалларида суний йўл билан ҳосил қилинган, иккита қўшни соха чегарасида юз берадиган жараёнлар билан боғлиқдир. Бу чегаравий қатламлар электрон тешикли ёки «n-р» ўтиш деб айтилади.

Юқорида айтиб ўтилганидек (2.6а-расмга қаранг), кристалларнинг электрон «n» – турли ўтказувчанлик сохасидаги асосий электр заряд элтувчилари эркин электронлар хисобланади. Аралашма атомларига эса фиксацияланган (аниқ белгиланган) мусбат зарядлар (донор аралашма ионлари) тўғри келади. Тешикли «р» турли ўтказувчанлик сохасидаги асосий заряд элтувчилар бўлиб коваклар (тешиклар) хисобланади, аралашма атомларида эса фиксацияланган манфий зарядлар (акцепторлар аралашма ионлари) тўғри келади.

Турли хил ўтказувчанликка эга бўлган кристалларни бир – бирига бирлаштирилмаса, заряд ташувчилар уларнинг бутун хажми бўйича тенг тақсимланади. Агар сунъий равишда «n – р» ўтишни эритиш, диффузия ёки ўстириш усули билан хосил қилиниб, кристаллар бирлаштирилса, чегара қатламида электрон ва тешикларнинг рекомбинацияси юз беради. «n» -тур ярим ўтказгичнинг ўтказувчанлик зонасидаги эркин электрон, «р» тур ярим ўтказгичнинг валент зонасидаги эркин коваклар сатхларини эгаллайди. Бунинг натижасида икки кристалл бирлашган чегаравий зона яқинида заряд элтувчилар йўқолади ва юқори электр қаршилигига эга бўлган қатлам хосил бўлади. Бу сийраклашган беркитувчи қатлам ёкиси «n -р» ўтиш деб айтилади. Унинг қалинлиги бир неча микрондан ортмайди. Беркитувчи қатламнинг кенгайишига харакатсиз донор ва акцептор ионлари қаршилик кўрсатади. Улар кристаллар чегарасида контакт потенциаллар фарқини – потенциал тўсиқни вужудга келтиради. Хосил бўлган электр майдон (Е_о) куч чизиқларини йўналиши «n» – сохадан «р» соха томон бўлади ва у электрон ҳамда тешикларни харакатланишига тўсқинлик қилади, яъни қаршилик кўрсатади. Бу майдон таъсирида «n-р» ўтишнинг қаршилиги ортади. (2.6-в-расмда) «n – р» ўтишли ярим ўтказгич қатламларига мос келувчи электростатик потенциал (j_е) нинг тақсимланиши кўрсатилган. Агар ана шундай ярим ўтказгичга ташқи манба (G_B) дан «р» – тур кристаллга «мусбат» ва р-тур кристаллга «манфий» кучланиш берилса (2.7а-расм) беркитувчи қатлам янада кенгаяди, чунки контакт зоналардан хам мусбат («р» – зона ичига), хам манфий («n» – зона ичига) ташувчиларнинг (электрон ва тешиклар) «сўрилиши» юз беради. Демак, ташқи манба қутблари 2.7а – расмда кўрсатилгандек бўлса, «n – р» ўтишнинг қаршилиги ортиб кетади ва ундан оқиб ўтаётган ток миқдори оз бўлади. Манбанинг бундай уланиши тескари улаш дейилади.

2.6 – расм. n – р – ўтишнинг хосил бўлиши: а – кристалларнинг бир – бирига тегишигача бўлган таркиби б – беркитувчи қатламларнинг ҳосил бўлиши, в – ярим ўтказгич чегарасидаги контакт потенциаллар фарқи.

Агар ташқи манбани ярим ўтказгичга, юқорида кўрсатилганга нисбатан, тескари қутбли қилиб уланса (манфий қутб «n» – турли кристаллга ва мусбат қутб «р» – турли кристаллга), ташқи электр майдоннинг (Е₂) куч чизиқлари йўналиши беркитувчи қатлам электр майдони (Е₁) куч чизиқларига қарама – қарши йўналишда бўлиб қолади (2.7. б-расм). Бунда «n-р» – ўтиш электр майдонининг тормозлаш таъсири маoлум даражада компенсацияланади ва ундан анча катта тўғри ток оқиб ўтади, чунки беркитувчи қатлам тораяди. Токнинг бундай йўналиши тўғри улаш дейилади (2.7.в, г-расм). Яхши ярим– ўтказгичлардаги қаршилик тўғри ва тескари уланишларда камида ўн мартаўзгаради. «р – n» ўтишнинг вентиль (бир томонлама ўтказиш) хусусиятидан ярим ўтказгичли асбоблар диод, транзистор, тиристорлар ва х.з. лар ясашда кенг фойдаланилади.

2.7 – расм. Яримўтказгичлардаги тўғри ва тескари йўналишларнинг хосил бўлиши: а – тескари йўналиш, б – потенциаллар фарқининг n-р-зона кенгайгандаги ўзгариш таксимоти в – тўғри йўналиш, г – контакт потенциаллар фарқининг n-р зона торайгандаги ўзгариш таксимоти.

2.3. ЯРИМ ЎТКАЗГИЧЛИ ДИОДЛАР УМУМИЙ ТУШУНЧАЛАР

Классификацияси ва белгиланиш системалари. ярим ўтказгичли диодиларнинг тузилиши ва катталиклари.

Ярим ўтказгичли диод деб, мавжуд технологик усулларидан бири қўлланилиб «n-р» – ўтиш хосил қилинган ярим ўтказгич кристаллига айтилади.

2.8-расмда «р-n» – ўтиш эга бўлган ярим ўтказгичли диоднинг вольт-ампер тавсифномаси (ВАТ) келтирилган.

2.8-расм «р-n» – ўтишнинг вольт – ампер тавсифномаси.

Диоднинг ВАТ жуда кўп факторларга боғлиқ. Масалан: ташқи таъсир, контакт сохасининг геометрик ўлчамларига, ток тошувчилар миқдорига, тескари кучланиш катталигига ва х.к.

Амалий жихатдан бу факторларни тескари токка бўлган таъсири катта. Масалан, мухит хароратининг кўтарилиши ёки тескари кучланишнинг бирор қийматгача оширилиши тескари токнинг бирданига кўпайиб кетиши натижасида р-n ўтишнинг бузилишига (куйишига) сабаб бўлади.

Умуман олганда р-n – ўтишнинг бузилиши турлари хилма-хил бўлади.

Шулардан иссиқлик ва электр бузилишини кўрайлик.

Иссиқлик бузилиши солиштирма қаршилиги етарлича катта ва р-n ўтиш сохаси кенг бўлган ярим ўтказгичларда кузатилади. Ярим ўтказгичнинг қизиши билан кристалл панжаранинг иссиқлик харорати ортади ва кўплаб электронлар валент боғланишларини узиб эркин электронга айланади. Натижада кристаллнинг хусусий ўтказувчанлиги ортади. Бунда ярим ўтказгичнинг қизиши фақат ташқи мухит хароратининг ортиши билан белгиланмайди. р-n ўтишдан ўтадиган ток ҳам унинг қизишига олиб келади. Агар р-n ўтишда ажраладиган иссиқликни йўқотиш чораси кўрилмаса, иссиқлик бузилиши майдон кучланганлигининг кичик қийматларида хам содир бўлиши мумкин. Электр бузилиши асосий бўлмаган ток ташувчилар сонининг яримўтказгич хажмидаги электр майдон кучлаганлиги ортиши туфайли содир бўлади. Бунда майдон кучланганлиги ортиши билан ток ташувчиларнинг харакат тезлиги ортади. Натижада урилиш туфайли ионлашишнинг кучкисимон кўпайиши вужудга келади. У р-n ўтишнинг бузилишига олиб келади. Иккинчи томондан, майдон кучланганлигининг ортиши автоэлектрон эмиссия ходисасига хам сабаб бўлади. Бунинг натижасида хам бузилиш содир бўлади. Кенг р-n ўтишда диодларда урилиш ионланиши туфайли, тор р-n ўтишли диодларда эса, автоэлектрон эмиссия туфайли бузилиши содир бўлади. электр бузилишининг иссиқлик бузилишидан фарқи шундаки, унда кенг р-n ўтишда диодларда урилиш ионланиши туфайли, тор р-n ўтишли диодларда эса, автоэлектрон эмиссия туфайли бузилиши содир бўлади. Электр бузилишининг иссиқлик бузилишидан фарқи шундаки, унда кучланиш ўзгаришининг бирор оралиғида тескари ток кучланишига боғлиқ бўлмай қолади ва жараён қайтар бўлади, яъни майдон кучланганлиги йўқолиши билан бошланғич холат тикланади.

2.9-расмда ярим ўтказгичли диоднинг тўлиқ волpт-ампер тавсифномаси кўрсатилган.

2.9 – расм. Ярим ўтказгич диоднинг тўлиқ вольт-ампер тавсифномаси.

Унда 1-чизиқ иссиқлик бузилиш, 2-чизиқ эса электр бузилишини кўрсатади. Контакт сохасининг кенгилигига қараб ярим ўтказгичли диодлар нуқтавий ва ясси диодларга ажратилади. Биз танишган диодлар ясси диодлардир. Улардан тўғри токнинг катталиги контакт юзаси кенглигига боғлиқ бўлиб, қиймати бир неча миллиампердан бир неча юз ампергача етади.

Нуқтавий диодларнинг контакт юзаси жуда кичик бўлади. Улар нуқта контактли пайвандлаш йўли билан хосил қилинади. Нуқтавий диодларнинг ясси диодлардан афзаллиги шундаки, уларнинг р-n ўтиш сиғими жуда кичик бўлади. Шунинг учун уларни юқори частотали қурилмаларда ишлатиш мумкин.

Хозирги пайтда инфрақизил, улpтрабинафша ва кўринувчи нурлар спекторини сезувчи оптоэлектрон диодлар катта қизиқиш уйғотмоқда.

2.10 – расмда диодларнинг схемадаги шартли белгиланиши келтирилган.

2.10 – расм. Ярим ўтказгич диодларининг схемадаги шартли белгиланиши. 1 – диод, 2 – туннелли диоди, 3 – стабилитрон, 4 – варикап.

ГОСТ 10862—72 га мувофиқ, диодлар қуйидагича маркаланади. Биринчи элемент харф ёки рақам бўлиб фойдаланилган ярим ўтказгич материални билдиради. Г ёки I – германий; К ёки 2 – кремний; А ёки 3 – галлий арсенид. Иккинчи элемент (харф) диодларнинг классини кўрсатади.

Ц – тўғрилагич устунчалари; С – стабилитронлар; В – варикаплар;

И – туннелли диод; А – ёруғлик диодлари; ОД – оптронлар ва хоказо.

Учинчи элемент (сон) диоднинг хусусиятини аниқлайди. Тўртинчи ва бешинчи элементлар (сонлар) диодларнинг технологик ишлаб чиқариш тартибини (0,1 дан 99 гача) белгилайди. Олтинчи элемент (харф) диоднинг параметрик группасини аниқлайди (параметрлар махлумотномалардан олинади). Масалан: «Г Д 10 7 А» қуйидагича тушунтирилади: германий кристаллидан тайёрланган (Г) ярим– ўтказгичли нуқтавий (Д), кичик қувватли (I), 7 ишлаб чиқаришда (07), «А» группа (тўғри ток £ 0,02 А, тўғри кучланиш IB, тескари ток £ 0,02 тескари кучланиш £ I5B) га хос диод.

«3 0 Д I 0 I А» – арсенид галлий ярим ўтказгичли материалидан тайёрланган оптрон жуфтли диод, биринчи ишлаб чиқарилиши, параметрик группаси «А» (ўтказиш коэффициенти I%, кириш кучланиши – 1,5В) ва х.з.

ТЎҒРИЛАГИЧ ДИОДЛАРИ ВА УСТУНЧАЛАР

Турли тўғрилагич схемаларида ясси юзали диодлар ишлатилади. Бунинг учун қотишма ёки диффузион технология усули билан олинган ясси юзали кремний диодлари, тўғрилагич устунчалари кенг ишлатилади. Диодлар хаммаси катта юзали «р – n» ўтишга эга бўлиб, тўғри йўналишда катта (50А гача бўлган) токларни ўтказиш хусусиятига эга. Тўғрилагич устунчалари кетма – кет уланган бир хил турли диодлардан иборат бўлиб, пластмасса корпусга жойлаштирилади. Устунчалар катта (15000B гача) тескари кучланишга мўлжалланган бўлиб, электрон асбобларнинг юқори кучланишли блокларида кенг қўлланилади. 2.11-расмда кремний асосли ясси юзали тўғрилагич диодлари ва устунчаларининг (В) тузилиши, вольт – ампер тавсифномаси (ВАТ) оиласининг хароратга боғликлиги кўрсатилган. Бундай диодларнинг асосий параметрлари бўлиб қуйидагилар хисобланади:

1. Максимал рухсат этилган тўғри ток. I _мах (А);

2. Тўғри кучланиш U _туг (В);

3. Берилган тескари кучланишдаги тескари ток. I _тек, (мкА);

4. Рухсат этилган максимал тескари кучланиш. U _текс (В);

5. Ишчи диапазон харорати Т, (⁰К).

Стабилитронлар – диодларга электр бузилишларининг қайтар бўлиши катта амалий ахамиятга эга. Чунки бунда тескари токнинг бирор кичик қийматдан бошлаб диоддаги потенциал тушувчи токка боғлиқ бўлмай қолади. Ярим ўтказгичли диоднинг бу хусусиятидан кучланишни стабилизацияловчи элемент сифатида ишлатиш имконини беради. Бундай ярим ўтказгичли диодлар стабилитронлар деб аталади.

2.11– расм. Тўғрилагич диодлар ва устунчалар: а – кавшарланган кам қувватли кремнийли диод: 1 – чиқиқ, 2 – шиша изолятор, 3 – корпус, 4 – кристалл тутқич, 5 – алюминий сим, 6– кристалл, 7– кавшар; б – қувватли тўғрилагич диоди: 1 – чиқиқлар, 5 – ковшар, 6 – кристалл тутқич; в – тўғрилагич. устунча, г-кремний ясси тўғрилагич диодларининг иш харароти бўйича ВАТси.

Стабилитрон кучсимон ёриб ўтиш ходисасига асосланиб ишлайди. Стабилитрон қўйилган тескари йўналишдаги кучланиш орттириб борилса, диоддан ўтадиган тескари ток миқдори жуда кичик бўлганлигидан, схеманинг чиқишида кучланиш хам ортиб боради. Кучланиш миқдори кучсимон ёриб ўтиш миқдрорига ётганда диоддан ўтаётган ток кескин ортиб кетади. Чиқиш кучланиши эса бир оз камаяди.

Кириш кучланишнинг бундан кейинги ортиши стабилитрон орқали ўтувчи токни оширишга сарфланади ва чиқиш кучланиши деярли ўзгармайди. Бу оралиққа тўғри келган чиқиш кучланиши, стабилитроннинг стабилизациялаш кучланиш деб аталади.

Стабилитронлар стабилизациялаштириш ва импульсларни амплитуда қиймати бўйича чеклаш учун мўлжалланган. Булардан ташқари, уларни берилган кучланишнинг таянч манбалари сифатида хам ишлатиш мумкин.

Стабилитроннинг тузилиши ва унинг ВАТ лари 2.12 – расмда кўрсатилган. Стабилитрон диод учун асосий материал сифатида акцептор аралашмали алюминий эритиб киритилган «n» – турли кремний пластинкаси олинади. «р-n» – ўтишли кристаллни герметик берк металл экран ичига жойлаштирилади. ВАТ-нинг тескари токлар сохасига тўғри келган қисми токлар ўқига параллел бўлган тик тўғри чизиқ, кўринишида бўлади. Демак, ток кенг чегараларда ўзгарганда хам, стабилитрон кучланиши деярли, ўзгармайди. Стабилитронлар кетма – кет уланганда, умумий кучланиш айрим стабилитронлар кучланишларининг алгебраик йиғиндисига тенг.

Стабилитроннинг параметрлари қуйидагилар:

1. Стабилизация кучланиши —

2.Кучланишнинг стабилизация коэффициенти:

3. Дифференциал қаршилиги – R_диф.

4.Стабилитронниинг максимал (I мох) ва минимал (I мин) токлари

5. Максмисал сочилиш куввати – Р_мах

Rю – юклама каршилиги стаблитронга параллел улангани учун стабилизация режимида стабилитрон ва юкламада кучланиш бир хилда булади.

Айрим холда стабилитрон хосил булган кучланишдан кичикрок булган стабилизицияланган кучланиш олиш керак булади. Бунинг учун юкламага кушимча кетма-кет резистор уланади. У Ом конунига асосан топилади.

Варикаплар – ярим ўтказгичли диод бўлиб, сиғими тескари йўналишидаги кучланишга боғлиқ бўлади. Тескари кучланишнинг ортиши билан р-n ўтиш сиғимининг камайиши қуйидагича:

Бу ерда j_k—контакт потенциаллар айирмаси; Cu– кучланишга боглик булган сиғим; С_о – диодга кучланиш берилмаган холдаги сиғими; n– варикапнинг турига боғлиқ бўлган коэффицент

2.12 – расм. Кремнийли стбилитроннинг конструкцияси (а) ва ВАТи (б); 1,8 – ташқи чиқиқ, 2 —трубка, 3 – изолятор, 4 – корпус, 5 – ички чиқиқ, 6 – кристалл, 7 – кристалл тутқич.

Стабилитроннинн кўллашнилиш схемаси 2.13-расм келтирилган.

2.13-расм. Стабилитронни уланиш схемаси.

Бундан тескари кучланишнинг ортиши билан р-n ўтишнинг кенглиги ортади ва сиғим кичраяди. Бу боғланиш варикапнинг волpтфара тавсифномаси (ВФТ) дейилади (2.14 б-расм).