2. Әртүрлі материалдан жасалған өткізгіштердегі түйісу құбылыстары

жүктеу 355,5 Kb.

бет	8/10
Дата	12.09.2022
өлшемі	355,5 Kb.
	#39221

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Дип.-Қатты-дененің-физика-элементтері

.2. Транзисторлар

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.
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 (27-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

27 – 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 (28-сур.) және транзистордағы ток негізінен электрондардан тұрады.

28 – 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. 29 – суретте күшейту тізбегіне жалғасқан осындай транзистор көрсетілген. Эмиттер – база ауысуына тура бағытта тұрақты ығыстырушы

29 – 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.
30 – 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 (30-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

30 – 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.

жүктеу 355,5 Kb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10