Ќазаќстан республикасы бiлiм жғне єылым министрлiгi

1. Санауыштың қайта санау коэффициентін анықтаңыз?

Бірінші каскад есептеу санауышында төрт разрядтыда жиналған екілік санауыш DD1 (мысал, К155ИЕ7), екінші – екілік – ондық санауыш DD2 (К155ИЕ6). Құрылғыда жұмыс анализін жүргізу үшін кірісіне импульс түскенде санауышта алдын - ала жаңартылады. Бірінші импульс, кіріс санауышында түскенде, шығысында қайталанады (£ 0) DD1. Оң фронты микросұлбада DD115 жағдайына ауысады, микросұлба DD2 - 9-ға. Содан кейінгі 15 импульсті жағдайға ауысу керек DD1, DD2 режимін ауыстырмай. Біткеннен кейін 17-ге DD1 импульсіне көшеді 15-ті жағдайға, DD2 – 8-ге. Тағы 16 импульсті DD2 7-ші жағдайға көшеді және шығысында 2 логикалық 1 пайда болады, санауышты нол жағдайына лақтырады. Сол жағдайда қайта есептеу коэффициенті 33 тең болады.

2. Жилікті бөлу программалау жобалауында. 2-ден 100 диапазонында бөлу коэффициенті косқыш прграмма көмегімен ауысады.

3. Сандық индикаторда қай сан жанады одан кейін 100 импульсті санауышта кірісіне келіп түскеннен кейін лақтырылады.

1. 
   Жартылай өткiзгiштердiң электрөткiзгiштiгi, p-n-ауысудың түзiлуi және қасиетi.
   

Жартылайөткізгіштер деп өзінің меншікті электрлік кедергісі өкізгіштер мен диэлектриктердің аралығында болатын материалдардың кең тараған тобын айтамыз. Негізінде жартылайөткізгішті материалдарға меншікті кедергісі ρ = (10^-3... 10⁹) Ом·см, өткізгіштерге(материалдарға) меншікті кедергісі ρ < 10^-4 Ом·см, ал диэлектриктерге (оқшаулағыштар) ρ>10¹⁰ Ом·см меншікті кедергісіндегі материалдар жатады. Шарттардың толық осылай топтасуы, өйткені жартылайөткізгіштер мен диэлектриктердің арасында принципиалды айырмашылықтар жоқ.

Осызаманғы жартылайөткізгіш аспаптарды жасауда, әсіресе интегралдық микросхемаларды жасауда көбінесе кремний қолданылады, өйткені оның кристалл торлары алмаздық типте, текшелік түрде реттеліп орналасқан қатты денедегі монокристалл болып табылады.(2.1-сурет)

Бұл кристаллдық тордың негізгі ерекшелігі, әрбір атом өзімен көршілес төрт атоммен өзара ковалентті байланысқан.

өзіндік жартылай өткізгіштің электр өткізу сипаты заттың атомын қосқанда өзгереді. Жалтылайөткізгішті аспаптарда және интегралды сұлбаларда Менделеев кестесінің V және III топ элементтері ретінде қолданатын қоспалар тек қоспалы жартылай өткізгіштер қолданады.

Сульманың бесінші валентті электроны ядромен нашар байланыста болады және ол өту жонасына оңай өтеді. Бұл жағдайда қоспалы атом жылжымайтын оң оинға айналады. Қоспалы атомнан үзілген бос электрондар өзіндік бос электрондарға қосылады. Бұл жағдайда жартылай өткізгіштің өткізгіштігі электрондармен айқындала бастайды. Мұндай жартылайөткізгіштен n- типті жартылайөткізгіштер деп аталады(от английского слова negative — отрицательный).. Электронды электр өткізгішті шартталған қосылыстар донорлы деп аталады.

а) с донорной примесью; б) с акцепторной примесью р-n өтудің вольт-амперлік құрылымы және сипаттамасы.

Рисунок 2.2– Структура примесных полупроводников

р-n өту, оның құрлымы.

p-n өтуін жасауда диффузиялық әдіс арқылы қорғайтын қышқылдық қабаты бар жартылай өткізгішті пластинкалар алдын ала фотолитографиялық өңдеуге шалдығады. Пластинаның бетінде берілген конфигурация ауданы құрылады. Фотолитографиядан кейін бұл «терезелер» арқылы жартылай өткізгішті пластинаға қоспалардың диффузиясын өткізеді және p-n өтуін алады.

Электрлік сипаттамалары берілген жартылай өткізгішті құралдарды жасау үшін электроөтімділіктің әр түрлі типімен кристал ауданының өлшемі өте дәл болу керек. Кристалдың жеке аудандарының конфигурациясы балқыма өтуде температураның тұрақты дәлділігіне, пластинка қалыңдығына, балқу уақытына және қоспалар санына байланысты болады. Кез келген көрсеткіштің ауытқуы номиналды мәнінен жартылай өткізгішті құралдардың электрлік параметрлерін үлкен шашырауға әкеледі. Диффузия көмегімен жақсы p-n өтулер құрастыруға болады, өйткені дифузиялық үрдіс өте ақырын және жақсы басқарылады.

Егер электронды – тесіктік өтуі құрылғанжартылай өткізгішті р-п өтуінесырты кернеуді жалғасақ, онда өтудің үлкен кедергісіне байланысыты кристалдың басқа бөлігінің кедергісімен салыстырғанда ол тек қана р-п өтуіне ғана оң болады.Сыртқы кернеу электронды-тесіктік өтуінде тепе-теңдік бұзылады да тоқ пайда болады.

Егер сыртқы кернеу көзінің оң полюсін р-п ауданға қоссақ, онда потенциалдық кедергінің биіктігі кішіриеді. Ал зарядтардың негізгі тасмалдаушыларының дифузиялық тоғы күрт өседі. Бұндай р-п ауданының қосылуын тура деп атайды. (2,3 б - сурет) р-п өтуінің тура қосылуында заряттардың тасмалдаушылардың олардың негізгі емес болып табылатын жартылай өткізгішті кристалды ауданына басым өтуі жүреді, сондықтан р-п өтуінің осы жұмыс істеу режимін негізгі емес тасмалдаушылардыңинжекция режимі деп атайды. Егер сыртқы кернеудің полярлығын өзгертсек онда р-п өтуіндегі потенциалдық кедергісінің биіктігі төмендейді. U = -0.5B болған жағдайда дифузиялық тоқ тоқтатылады және сыртқы кернеу өскенде р-п өтуінентек қана кері деп аталатын дрейфті тоқ өтеді. Негізгі емес тасмалдаушылардың саны негізгі тасмалдаушыларға қарағанда аз болғандықтан переход арқылы өтетін тоқтың шамасы тура қосылған байланыстағы тоққа қарағанда үлкен болмайды және сыртқы кернеудің өзгеруінің кең шектерінде тұрақты болады.

Осы негізде p-n өту симетриялы емес вольт – амперлі сипаттамаға ие болады (3.3 г суреті).

Тікелей қосқанда оның бойынан үлкен тік тоқ өтеді, ал кері қосқанда білінбейтін кері тоқ өтеді, яғни өткізгіштің өзіндік электр өтімділігімен анықталатын және ортаның температурасына тікелей тәуелді болатын ток. Мысалы, германилі жартылай өткізгішті аспаптарда p-n өтудің кері тогі әр бір 100 С температураның көтерілуінде екі еседей өседі.

p-n өтуінде кері кернеуде кері токтың тез өсуі бақыланады. Бұл құбылыс p-n өтудің пробойы деп аталады. өтудің пробойы жеткілікті күшті электрлік аймақта, негізгі емес заряд тасымалдаушылар жартылай өткізгіштің атомы тездеткен кезде пайда болады.

Иондауда электрон мен тесіктер пайда болады, олар жылдамдықтарды көбейтіп, атомдарды қайта иондатады және т.б., соның салдарынан диффузиялық ток өту арқылы тез өседі, ал p-n өтудің вольт-амперлік сипататамсында үлкен кері кернеудің аумағында кері токтың секіруі пайда болады. Пробойдан кейін өту шамасынан тыс жылыту кезінде оның құрылымының қайтымсыз өзгеруі болған кезде реттен шығады,жылулық пробойда байқалатынын айтып өтуі керек. Егер де p-n өтуде бөлінетін қуат рұқсат етілген деңгейде жарайтындай болса, ол пробойдан кейінде жұмыс істеу қабілетін сақтайды. Осындай пробой электрлік (қалыпқа келетін) деп аталады.

p-n өтуін жасауда диффузиялық әдіс арқылы қорғайтын қышқылдық қабаты бар жартылай өткізгішті пластинкалар алдын ала фотолитографиялық өңдеуге шалдығады. Пластинаның бетінде берілген конфигурация ауданы құрылады. Фотолитографиядан кейін бұл «терезелер» арқылы жартылай өткізгішті пластинаға қоспалардың диффузиясын өткізеді және p-n өтуін алады.

Электрлік сипаттамалары берілген жартылай өткізгішті құралдарды жасау үшін электроөтімділіктің әр түрлі типімен кристал ауданының өлшемі өте дәл болу керек. Кристалдың жеке аудандарының конфигурациясы балқыма өтуде температураның тұрақты дәлділігіне, пластинка қалыңдығына, балқу уақытына және қоспалар санына байланысты болады. Кез келген көрсеткіштің ауытқуы номиналды мәнінен жартылай өткізгішті құралдардың электрлік параметрлерін үлкен шашырауға әкеледі. Диффузия көмегімен жақсы p-n өтулер құрастыруға болады, өйткені дифузиялық үрдіс өте ақырын және жақсы басқарылады.

Әр түрлі типті электроөтімділікті жартылай өткізгіштердің шекарасының арасында электронды – тесікті өтуді құрастыру кезінде зарядтардың жылжымалы тасушыларында үлкен концентрацияның градиенттері пайда болады. Бұл p және n – типті жартылай өткізгіштердің арасындағы шекарасы арқылы диффузионды тоқтар (электронды n – ауданнан, тесікті p – ауданнан) өтуіне әкеп соқтырады. Негізгі тасымалдаушылардың кету нәтижесінде n – ауданында донорлы атомдардың оң зарядталған иондары, ал p – ауданында акцепторлы атомдардың теріс зарядталған иондары болатын жартылай өткізгіштер шекарасында электрөтімділіктің әр түрлі типтерімен біріктірілген қабат жасалады. Микрометр созылуының ондық бөлігінде бұл екі қабат p-n өтуі болып табылады. (2.3, а - сурет).

Егер сыртқы кернеу көзінің оң полюсін р-п ауданға қоссақ, онда потенциалдық кедергінің биіктігі кішіриеді. Ал зарядтардың негізгі тасмалдаушыларының дифузиялық тоғы күрт өседі. Бұндай р-п ауданының қосылуын тура деп атайды. (2,3 б - сурет) р-п өтуінің тура қосылуында заряттардың тасмалдаушылардың олардың негізгі емес болып табылатын жартылай өткізгішті кристалды ауданына басым өтуі жүреді, сондықтан р-п өтуінің осы жұмыс істеу режимін негізгі емес тасмалдаушылардыңинжекция режимі деп атайды. Егер сыртқы кернеудің полярлығын өзгертсек онда р-п өтуіндегі потенциалдық кедергісінің биіктігі төмендейді. U = -0.5B болған жағдайда дифузиялық тоқ тоқтатылады және сыртқы кернеу өскенде р-п өтуінентек қана кері деп аталатын дрейфті тоқ өтеді. Негізгі емес тасмалдаушылардың саны негізгі тасмалдаушыларға қарағанда аз болғандықтан переход арқылы өтетін тоқтың шамасы тура қосылған байланыстағы тоққа қарағанда үлкен болмайды және сыртқы кернеудің өзгеруінің кең шектерінде тұрақты болады.

Осы негізде p-n өту симетриялы емес вольт – амперлі сипаттамаға ие болады (3.3 г суреті).

Тікелей қосқанда оның бойынан үлкен тік тоқ өтеді, ал кері қосқанда білінбейтін кері тоқ өтеді, яғни өткізгіштің өзіндік электр өтімділігімен анықталатын және ортаның температурасына тікелей тәуелді болатын ток. Мысалы, германилі жартылай өткізгішті аспаптарда p-n өтудің кері тогі әр бір 100 С температураның көтерілуінде екі еседей өседі.

p-n өтуінде кері кернеуде кері токтың тез өсуі бақыланады. Бұл құбылыс p-n өтудің пробойы деп аталады. өтудің пробойы жеткілікті күшті электрлік аймақта, негізгі емес заряд тасымалдаушылар жартылай өткізгіштің атомы тездеткен кезде пайда болады.

Иондауда электрон мен тесіктер пайда болады, олар жылдамдықтарды көбейтіп, атомдарды қайта иондатады және т.б., соның салдарынан диффузиялық ток өту арқылы тез өседі, ал p-n өтудің вольт-амперлік сипататамсында үлкен кері кернеудің аумағында кері токтың секіруі пайда болады. Пробойдан кейін өту шамасынан тыс жылыту кезінде оның құрылымының қайтымсыз өзгеруі болған кезде реттен шығады,жылулық пробойда байқалатынын айтып өтуі керек. Егер де p-n өтуде бөлінетін қуат рұқсат етілген деңгейде жарайтындай болса, ол пробойдан кейінде жұмыс істеу қабілетін сақтайды. Осындай пробой электрлік (қалыпқа келетін) деп аталады.
&&&

 Өзін-өзі тексеру сұрақтары:

1. Жартылай өткізгіштерге қандай заттар жатады?

2. Жартылай өткізгіштің өзіндік және қоспалы электрөтімділігі дегеніміз не?

3. Жартылай өткізгіштердің «донорлық» және «акцепторлық» бөлінуін түсіндіріңіз.

4. Жартылай өткізгіште диффузияны тасушылар деген не?

5. р-п өту дегеніміз не және оның қасиеттері қандай?

6. р-п өтудің шекті электрлік параметрлері қалай аталады?

7. р-п өтудің қандай түрлері бар?
10-дәріс.

Тақырып. Жартылай өткiзгiшті диодтар.

Дәріс сабағының құрылымы:

1. 
   Жартылай өткізгіштік диодтар, түрлері, белгіленуі.
   
2. 
   Қосылудың негізгі сұлбалары.
   
3. 
   Стабилитрондар.
   

Жартылай өткізгішті диод деп бір р-п өтуі және екі шығыстары болатын жартылай өткізгішті аспапты атайды. Мұндай диод технологиялық қабылдау бірімен р-п өту орындалатын жартылай өткізгіш кристаллын. Өтуді құрайтын кристаллдың екі әр түрлі облыстың беттер бөлігін сыртқы шығыстардың пісіретін немесе дәнекерлейтін маталл пленкамен жабады (сур 3.1)

4. 
   
   
5. 
   Сурет 3.1 - жартылай өткізгіштің құрылымы мен шартты белгіленуі
   
6. 
   
   
7. 
   Жартылай өткізгіш диодтар түрлері, белгіленуі. Қосылудың негізгі сұлбалары
   
8. 
   
   
9. 
   
   
10. 
    Сурет 3.2 Диодтардың және оның вольт-амперлік сипаттамасының шартты графикалық белгіленуі.
    
11. 
    
    

Жоғарыда қарастырылған шынайы жартылай өткізгішті диод және оның вольт-амперлік сипаттамасы p-n өтуден біршама өзгеше. Негізгі айырмашылықтар келесі себептермен айқындалады.

Біріншіден, шынайы диодтарда, ереже бойынша pp>>nn диодтың тура бағыттағы вольт-амперлік мінездемеге әсер ететін тек базаның кедергісін r_б қана есептейді.

Үшіншіден, шын диодтарда шектелген өлшемдер болады, сондықтан кристалдың үстінде жүретін процестерді есепке алу керек.Ағылу тоғы негізгі болып саналады, өйткені ол, диодтағы кері бағытты вольт-амперлік мінездемеге әсер етеді.

Соңғы екі себеп, диодтың тура тоғы р-n-өтуінен кем болуына, және кері тоғы тұрақты болмай, біртіндеп өсетініне, әкеліп соғады (сурет 3.2, в).

Жартылай өткізгіштерінін түрлері өте көп, класстануының негізгі белгілерінің бірі ол мақсатына р-n-өтуінің бір құбылысқа байланысты.

Түзеткіш немесе күштік диодтар, олардың негізінде вентиль эффектісі болып табылады (тура кернеуде тоқ үлкен,ал кері кернеуде тоқ аз) олар схемадағы айнымалы тоқты түзетуге арналған. Көбнесе олар өндірістік жиілікті тоқтарды 50Гц÷50кГц тұракты тоққа түрлендіруге арналған.Айнымалы кернеуінің параметрлеріне(жиілікке және пішініне)байланысты,диодтарды төменгіжиілікті жіне жоғарыжиілікті дап боледі. Үлкен қуатты түзеткіш диодттарды күштілік деп атайды. Оларға вентильдік қаситтері: тура және кері бағыттағы кернеу,статикалық параметірлері маңызды болып табылады. Диодтар қуатты болғандықтан, оларға максималды тура тоқ және шекті кері кернеу да маңызды.Түзеткіш диодтың негізгі параметрлері осылар болып табылады:

–турақты кері кернеу Uкері – диодтың ұзақ уақытта бұзылуысыз жұмыс істей алатының кері бағыттағы кернеудің мәні;

–орташа тура тоғы Iтура орт – тура бағытта диод арқылы ағатың турақты тоқтың максималдық мәні;

–шекті максималді импульстік тура тоқ I_{пр и} – тоқтың тапсырылған максималдық импульстін узақтығы;

–турақты кері тоқ Iкері;

–турақты тура кернеу U_пр–диод арқылы орташа тура тоқ өткен кезде кернеудің түсуі;

–орташа тарау қуаты P_ср – диодтың белгілі бір уақыт аралығындағы орташа тарау қуаты;

–максималдық жиілік F_макс – диодқа қойылған параметрлері қамтамасыз етілгенде максималдық жұмыс жиілігі.Егер диодқа берілген айнымалы кернеудің жиілігі F_макс тан жоғары болса,диодтағы жоғалулар өте жоғары өседі.

Шекті кері кернеуді жоғарлату үшін,түзеткіш диодтарды тізбектей жалғайды. Егер элементтердін жалғануы бір кристалда немесе бір корпуста орындалса,онда сол аспаб түзеткіш столб деп аталады. Схмадағы диодттардын тізбектей жалғануынан,жай диодқа қарағанда, кернеуінің түсуі көп болады.

Түзеткіш блоктар,бір корпуста жиналған қарапайым диодтық схемадан жасалынады. Көбнесе осы схема төрт бірдей диод арқылы орындалады.

Аз қуатты жоғары жиілікті диодтар вентиль эффектісін пайдаланады,бірақта оларға статикалық параметрлердің вентильдік қасиеттерімен қоса диодттың өзіндік сиымдылығы және шығарғыштардың индуктивтілігі маңызды. Индуктивтілігін және сиымдылығын азайту үшін,қысқа шығарғыштар мен р-n өтүі көлемі жағынан аз диодтарды пайдаланады. Көбнесе, нүктелік диодтарды кең қолданады.
Стабилитрондар
Стабилитрондар электрлік тесіб өту режимнде жұмыс істейді. Аспаб кері қосылғанда, минималдыдан I_мин максималдыға дейін I_макс электрлік тесу жерінде кернеудің түсуі өте кішкентай болады да аспаб арқылы ағатын тоқ тұрақты деп есептеледі (сурет 3.3, а)

- тұрақтандыру кернеуі U_ст;

- минималды және максималды тұрақтандыру тоқтары I_min және I_max;

- дифференциалдық кедергі R_d = dI/dU – электрлік тесіб өтү жерінде;

12. 
    .
    
13. 
    
    

Стабисторлар стабилитрондар тәрізді, кернеуді тұрақтандыруға арналған. Стабилитрондармен салыстырып қарасақ олар диодтын вольт амперлік мінездеменің тура бағытында жұмыс істейді.

14. 
    Сурет 3.4 – стабилитронның ВАМ