Жартылай өткізгіш диодтың кедергі сыйымдылығына қатысты диффузиялық сыйымдылығы. Жартылай өткізгішті диодтар, p-n өтуі, бұзылу түрлері, кедергі сыйымдылығы, диффузиялық сыйымдылық

Кері ағын механизміөту арқылы салыстырмалы түрде қарапайым. Көлемдік заряд аймағының электр өрісінде қозғалатын аймақтардың бірі үшін кішігірім заряд тасымалдаушылар қазірдің өзінде негізгі тасымалдаушылар болып табылатын аймаққа түседі. Мажоритарлық тасымалдаушылардың шоғырлануы әдетте көрші аймақтағы азшылық тасымалдаушылардың шоғырлануынан айтарлықтай асып түсетіндіктен (n n>> npжәне б >> p n), онда жартылай өткізгіштің белгілі бір аймағында негізгі заряд тасымалдаушылардың шамалы қосымша мөлшерінің пайда болуы жартылай өткізгіштің тепе-теңдік күйін іс жүзінде өзгертпейді.

Тұрақты ток ағынымен басқа сурет алынады . Бұл жағдайда потенциалдық кедергіні еңсеретін және олар үшін азшылықты тасымалдаушылар болып табылатын жартылай өткізгіш аймағына енетін мажоритарлық заряд тасымалдаушылардан тұратын токтың диффузиялық құрамдас бөлігі басым болады. Бұл жағдайда азшылықты тасымалдаушылардың концентрациясы тепе-теңдік концентрациясымен салыстырғанда айтарлықтай артуы мүмкін. Тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың ену құбылысы деп аталады инъекция.

Тұрақты ток өткен кезде p-n-электронды аймақтан саңылау аймағына өту электрондарды айдау, саңылау аймағынан электронды аймаққа, саңылауларды айдау болады.

Қарапайымдылық үшін біз жартылай өткізгіштің саңылау аймағынан электронды аймаққа саңылауларды енгізуді ғана қарастырамыз, содан кейін жасалған барлық қорытындыларды саңылау аймағына электрондарды енгізудің қарсы процесіне кеңейтеміз. Қолданылған жағдайда p-n-беріліс бағытында кернеудің ауысуы (3.13-сурет), содан кейін потенциалдық тосқауылдың биіктігі төмендейді, ал тесіктердің белгілі бір саны ішке ену мүмкіндігіне ие болады. n-аймақ.

3.13-сурет. Түйіспе арқылы өтетін тұрақты ток ағынының схемасы

Бұл тесіктердің алдында n-аймақ электрлік бейтарап болды, яғни. жеткілікті шағын көлемдердің әрқайсысында оң және теріс зарядтар n-аудандар нөлге дейін қосылды.

ішінен инъекцияланған тесіктер R-аудандарында n-ауданы, кейбір оң кеңістік зарядын білдіреді. Бұл заряд жартылай өткізгіштің көлемінде таралатын және негізгі заряд тасымалдаушылар – электрондарды қозғалысқа келтіретін электр өрісін жасайды. Саңылаулар жасаған электр өрісі электрондарды саңылауларға тартады, оның теріс кеңістік заряды тесіктердің оң кеңістік зарядының орнын толтыруы керек. Дегенмен, айдалатын саңылаулардың кеңістік зарядының жанында электрондардың концентрациясы олардың көрші көлемдегі концентрациясының төмендеуіне әкеледі, яғни. электрлік бейтараптылықтың бұзылуына және осы көлемдердегі ғарыштық зарядтың пайда болуына.

Электрлік бейтарап жартылай өткізгіштің ішіндегі бос зарядтардың ешбір қайта бөлінуі саңылаулардың кеңістік зарядының орнын толтыра алмайтындықтан, жартылай өткізгіштің электрлік бейтараптық күйін қалпына келтіру үшін сыртқы шығыстан электрондардың қосымша саны кіруі керек, жалпы заряд ол айдалатын тесіктердің жалпы зарядына тең болады. Электрон мен тесіктің зарядтары шамасы бойынша бірдей және таңбалары қарама-қарсы болғандықтан, сыртқы терминалдан жартылай өткізгіштің негізгі бөлігіне түсетін электрондар саны айдалған тесіктердің санына тең болуы керек.

Осылайша, пайда болуымен бір мезгілде n-инъекциялық тесіктердің белгілі бір санының аймақтары - кіші тепе-теңдіксіз тасымалдаушылар -электрондардың бірдей саны пайда болады негізгі тепе-теңдіксіз тасымалдаушылар.Бұл және басқа тасымалдаушылар тепе-теңдік емес, өйткені олар термодинамикалық тепе-теңдік концентрациясынан ерекшеленетін концентрация жасайды.

Кіші тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың кеңістік зарядын негізгі тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың ғарыштық зарядымен өтеу процесі өте жылдам жүреді. Бұл процестің тұндыру уақыты релаксация уақытымен анықталады

және германийге арналған (ε = 16), оның кедергісі 10 Ом. см,шамамен 10-11 сек.Сондықтан процесті құруды бірден деп санауға болады.

Тасымалдаушы концентрациясы тікелей түйіспеде жоғары болғандықтан, тасымалдаушылар концентрация градиентінің болуына байланысты жартылай өткізгіштің негізгі массасына тереңірек концентрациялар бағытында таралады. Бұл ретте тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың концентрациясы рекомбинацияға байланысты төмендейді, осылайша концентрацияның жалпы мәні тепе-теңдік мәніне бейім болады.

3.14-сурет. Тепе-тең емес минор концентрациясының таралу қисығы

pn түйісуінің электронды аймағындағы тасымалдаушылар (саңылаулар).

Егер тепе-теңдік емес концентрация тепе-теңдік негізгі тасымалдаушылардың концентрациясымен салыстырғанда аз болса (инъекцияның төмен деңгейі), онда тепе-теңдік емес тасымалдаушылардың концентрациясының төмендеуі жартылай өткізгішке терең өту бағытында экспоненциалды көрсеткішке сәйкес болады. заң (3.14-сурет):

(3.23)

Лтасымалдаушылардың өмір бойы таралу уақыты болатын орташа қашықтықты сипаттайды.

Өтпелі кезеңнен жеткілікті алыс жерде (x →¥ ) заряд тасымалдаушылардың тепе-теңдік концентрациясы сақталады.

Инъекцияның төмен деңгейінде тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың концентрациясы n-Интерфейстің жанындағы аймақ қосылыстағы кернеудің шамасына экспоненциалды түрде тәуелді болады:

(3.24)

(сағ У= 0; оң мәндердің жоғарылауымен жылдам өседі U).

Тоғысудағы кернеудің Δ-ға өзгеруіне назар аударыңыз uтепе-теңдіксіз тесіктердің концентрациясының жоғарылауына әкеледі n-аймақтар, яғни. жауапты өзгертуге. Кернеудің өзгеруінен туындаған зарядтың өзгеруін кейбір сыйымдылықтың әрекеті ретінде қарастыруға болады. Бұл контейнер деп аталады диффузия , өйткені ол түйіспе арқылы өтетін токтың диффузиялық компонентінің өзгеруіне байланысты пайда болады.

деп қорытынды жасауға болады диффузиялық сыйымдылық өткел арқылы өтетін тура токтарда немесе өткізгіштік токпен салыстырғанда диффузиялық токты елемеуге болмайтын төмен кері кернеулерде көрінеді.

Біз диффузиялық қабілетті Δ зарядының өзгеруі ретінде көрсетеміз Q, оны тудырған Δ кернеуінің өзгеруіне байланысты u:

және өтпе арқылы өтетін токтың диффузиялық сыйымдылыққа әсерін бағалаңыз.

Миноритарлық тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың жалпы заряды n-доменді (3.23) өрнекті интегралдау арқылы алуға болады.

Жартылай өткізгішті диод - бір түзеткіш электр тоғы бар, 2 шығысы бар электр түрлендіретін жартылай өткізгіш құрылғы.

Жартылай өткізгіш диодтың электронды-тесігі бар құрылымы және оның шартты графикалық белгіленуі күріш. 1.2, а, б.

p және n әріптері тиісінше p-типті және n-типті өткізгіштігі бар қабаттарды білдіреді.

Әдетте, негізгі заряд тасымалдаушылардың (p қабатындағы саңылаулар және n қабатындағы электрондар) концентрациялары айтарлықтай ерекшеленеді. Концентрациясы жоғары жартылай өткізгішті қабат эмиттер деп, ал төмен концентрациялы қабат негіз деп аталады.

Әрі қарай, біз диодтың негізгі элементтерін (p-n өтуі және түзетілмейтін металл-жартылай өткізгіш контактісі), диодтың жұмысының негізінде жатқан физикалық құбылыстарды, сондай-ақ диодты сипаттау үшін қолданылатын маңызды түсініктерді қарастырамыз.

Физикалық құбылыстарды терең түсіну және осы ұғымдарға ие болу диодтардың нақты түрлерін дұрыс таңдау және сәйкес тізбектердің жұмыс режимдерін анықтау, бір немесе басқа әдісті пайдалана отырып дәстүрлі есептеулерді орындау үшін ғана қажет емес.

Заманауи схемаларды модельдеу жүйелерінің инженерлік практикаға жылдам енуіне байланысты математикалық модельдеуді орындау кезінде бұл құбылыстар мен түсініктерді үнемі есте ұстау керек.

Модельдеу жүйелері тез жетілдірілуде, электронды схема элементтерінің математикалық модельдері ең «нәзік» физикалық құбылыстарды тезірек ескереді. Бұл сипатталған саладағы білімді үнемі тереңдетіп отыруды және негізгі физикалық құбылыстарды түсінуді, сондай-ақ сәйкес негізгі ұғымдарды пайдалануды қажет етеді.

Негізгі құбылыстар мен түсініктердің келесі сипаттамасы, басқалармен қатар, оқырманды электронды схемаларды математикалық модельдеу мәселелерін жүйелі түрде зерттеуге дайындауы керек.

Төменде қарастырылатын құбылыстар мен түсініктер тек диодты ғана емес, басқа құрылғыларды да зерттеу кезінде белгілі болуы керек.

p-n-өткелінің құрылымы.

Алдымен бір-бірінен оқшауланған жартылай өткізгіш қабаттарды қарастырайық (1.3-сурет).

Сәйкес зоналық диаграммаларды бейнелейік (1.4-сурет).

Электроника бойынша отандық әдебиеттерде диапазон диаграммаларының деңгейлері және бұл деңгейлердің айырмашылықтары көбінесе потенциалдар мен потенциалдар айырмашылығымен сипатталады, оларды вольтпен өлшейді, мысалы, олар кремний үшін f 5 диапазонының 1,11 В екенін көрсетеді.

Сонымен қатар, шетелдік тізбектерді модельдеу жүйелері көрсетілген деңгейлер мен деңгейлер айырмашылықтары сол немесе басқа энергиямен сипатталатын және электронды вольтпен (эВ) өлшенетін тәсілді жүзеге асырады, мысалы, мұндай жүйенің сұрауына жауап ретінде кремний диод жағдайындағы жолақ саңылауы, мәні 1,11 эВ.

Бұл жұмыста біз отандық әдебиетте қабылданған әдісті қолданамыз.

Енді жартылай өткізгіштің жанасу қабаттарын қарастырайық (1.5-сурет).

Жартылай өткізгіштің жанасу қабаттарында p қабатынан n қабатына тесіктердің диффузиясы жүреді, оның себебі p қабатындағы олардың концентрациясы n қабатындағы концентрациясынан әлдеқайда жоғары (тесік концентрациясының градиенті бар). Осыған ұқсас себеп электрондардың n қабатынан p қабатына диффузиясын қамтамасыз етеді.

Саңылаулардың p қабатынан n қабатына диффузиясы, біріншіден, олардың p қабатының шекараға жақын аймағындағы концентрациясын төмендетеді, екіншіден, рекомбинация есебінен n қабатының шекараға жақын аймағындағы бос электрондардың концентрациясын төмендетеді. Электрондардың n қабатынан p қабатына диффузиясы ұқсас нәтижелерге ие. Осының нәтижесінде жылжымалы заряд тасымалдаушылардың (электрондар мен саңылаулар) концентрациясы аз болатын p қабаты мен n қабатының шекараға жақын аймақтарында сарқылған деп аталатын қабат пайда болады. Таусылған қабат жоғары кедергіге ие.

Таусылған қабаттың қоспа иондары саңылаулармен немесе электрондармен өтелмейді. Иондар бірге компенсацияланбаған кеңістік зарядтарын құрайды, олар суретте көрсетілген E күші бар электр өрісін жасайды. 1.5. Бұл өріс тесіктердің p қабатынан n қабатына өтуіне және электрондардың n қабатынан p қабатына өтуіне жол бермейді. Ол жылжымалы заряд тасымалдаушылардың дрейфтік ағынын жасайды, ол тесіктерді n қабатынан p қабатына және электрондарды p қабатынан n қабатына жылжытады.

Тұрақты күйде дрейфтік ағын концентрация градиентіне байланысты диффузиялық ағынға тең. Асимметриялық p-n өткелінде қоспа концентрациясы төмен қабаттағы заряд ұзарады, яғни негізде.

Олар үшін Ферми деңгейі бірдей болатынын ескере отырып, жанасатын қабаттар үшін жолақ диаграммасын бейнелейік (1.6-сурет).

p-n-өткелінің құрылымын қарастыру және жолақ диаграммасын зерттеу (1.6-сурет) өту аймағында потенциалдық кедергінің пайда болатынын көрсетеді. Кремний үшін потенциалдық тосқауылдың Af биіктігі шамамен 0,75 В.

р қабатындағы ауысудан алыс кейбір нүктенің потенциалы нөлге тең деген шартты қабылдаймыз. Ф потенциалының сәйкес нүктенің х координатасына тәуелділігін салайық (1.7-сурет). Суреттен көрініп тұрғандай координатаның х = 0 мәні жартылай өткізгіш қабаттардың шекарасына сәйкес келеді.

Жоғарыда келтірілген жолақ диаграммалары мен Ф потенциалының графигі (1.7-сурет) жартылай өткізгіштер физикасы бойынша әдебиеттерде қолданылатын тәсілге қатаң сәйкес келетінін атап өту маңызды, оған сәйкес потенциал теріс мәнге ие электрон үшін анықталады. зарядтау.

Электротехника мен электроникада ол бір оң зарядты тасымалдау үшін өріс күштерінің атқаратын жұмысы ретінде анықталады.

Электрлік тәсіл негізінде анықталған Fe потенциалының х координатасына тәуелділігін салайық (1.8-сурет).

Төменде потенциалды белгілеудегі «е» индексі алынып тасталады және тек электротехникалық тәсіл қолданылады (аймақтық диаграммаларды қоспағанда).

p-n-өтінісінің тікелей және кері қосылуы. Өтпелі сипаттаманың идеалдандырылған математикалық сипаттамасы.

Сыртқы көзді p-n өткеліне суретте көрсетілгендей қосыңыз. 1.9. Бұл p-n-өткелінің тікелей қосылуы деп аталады. Нәтижесінде потенциалдық тосқауыл u мәніне азаяды (1.10-сурет), дрейф ағыны азаяды, p-n өтуі тепе-теңдік емес күйге өтеді және ол арқылы алға бағытталған ток өтеді.

Көзді p-n өткеліне суретте көрсетілгендей қосыңыз. 1.11. Бұл p-n өткелінің кері қосылуы деп аталады. Енді потенциалдық кедергі u-ға артады (1.12-сурет). Қарастырылып отырған жағдайда p-n өтуі өте аз болады. Бұл p-n түйісу аймағына іргелес аймақтардағы электрондар мен тесіктердің термиялық генерациясымен қамтамасыз етілетін кері деп аталады.

Дегенмен, ғарыштық зарядтар электр өрісін жасайды, бұл өз кезегінде бос электр тасымалдаушылардың қозғалысына, яғни ток ағынының процесіне айтарлықтай әсер етеді.

Кері өскен сайын жартылай өткізгіштің әрбір қабатындағы (p және n) ғарыштық зарядтардың ауданы (негізінен негізге байланысты) және зарядтың шамасы артады. Бұл өсу пропорционалды түрде орын алады: үлкен кері кернеуде заряд аз кері кернеуге қарағанда модульдің жоғарылауымен баяу өседі.

Түсіндірме иллюстрацияны келтірейік (1.19-сурет), мұнда біз белгілерді қолданамыз:

Q – жартылай өткізгіштің n қабатындағы кеңістік заряды;

u - p-n өткеліне қолданылатын сыртқы кернеу.

Q-ның u-ға тәуелділігін сипаттайтын функцияны f арқылы белгілеңіз. Жоғарыда айтылғандарға сәйкес

Математикалық модельдеу тәжірибесінде (және қолмен есептеулерде) бұл өрнекті емес, дифференциалдау нәтижесінде алынған басқа өрнекті пайдалану ыңғайлы және сондықтан әдеттегі. Тәжірибеде тосқауыл сыйымдылығы деп аталатын C 6ar p-n өтуі кеңінен қолданылады және анықтамасы бойынша C 6ar = | dQ / du | Q (1.20-сурет) және С жолағы (1.21-сурет) үшін графиктерді салайық.

Электр тогының тепе-теңдік емес тасымалдаушыларының көлемдік зарядының пайда болу және өзгеру құбылысы. диффузиялық қабілеті.

Егер сыртқы көз p-n өтуін алға бағытта жылжытса (u> 0), онда айдау (шығару) басталады - электр энергиясының азшылық тасымалдаушыларының қарастырылып отырған жартылай өткізгіш қабатқа енуі. Асимметриялық p-n өтуі жағдайында (әдетте бұл іс жүзінде болады) негізгі рөлді эмитенттен негізге бүрку атқарады.

Әрі қарай, түйіспе симметриялы емес және p қабаты эмитент, ал n қабаты негіз болады деп есептейміз. Содан кейін инъекция n қабатына тесіктердің кіруі болып табылады. Инъекцияның салдары ғарыштық заряд негізіндегі тесіктердің пайда болуы болып табылады.

Жартылай өткізгіштерде диэлектрлік релаксация (Максвелл релаксациясы) құбылысы орын алатыны белгілі, ол пайда болған кеңістік зарядының басқа таңбалы бос тасымалдаушылардың жақындаған зарядымен бірден дерлік өтелуінен тұрады. Бұл 10 -12 с немесе 10 -11 с ретімен болады.

Осыған сәйкес, базаға кіретін саңылаулардың заряды бірдей модульдің электронды зарядымен дереу дерлік бейтараптандырылады.

Біз белгілерді қолданамыз:

Q – базадағы тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың кеңістік заряды;

u – p-n өткеліне берілетін сыртқы кернеу;

f — Q-ның u-ға тәуелділігін сипаттайтын функция.

Түсіндірме мысал келтірейік (1.22-сурет).

Жоғарыда айтылғанға сәйкес, Q = f(u) Іс жүзінде бұл емес, дифференциация нәтижесінде алынған басқа өрнекті қолдану ыңғайлы және әдеттегі. Бұл жағдайда диффузиялық сыйымдылық түсінігі пайдаланылады C diff p-n өтуі және анықтамасы бойынша C diff \u003d dQ / du Сыйымдылық диффузия деп аталады, өйткені қарастырылатын заряд Q базадағы тасымалдаушылардың диффузиясының негізінде жатыр.

C дифференциалды u функциясы ретінде емес, p-n өткелінің i тоғының функциясы ретінде сипаттау ыңғайлы және әдеттегі.

Q зарядының өзі i токқа тура пропорционал (1.23, а-сурет). Өз кезегінде, i экспоненциалды түрде u-ға тәуелді (сәйкес өрнек жоғарыда келтірілген), сондықтан di / du туындысы да токқа тура пропорционал (көрсеткіштік функция үшін оның туындысы үлкен, функцияның мәні үлкен). Бұдан шығатыны, сыйымдылық C дифференциалдылығы i токқа тура пропорционал (1.23.6-сурет):

Cdif=i τ/φt мұндағы φt – температуралық потенциал (жоғарыда анықталған);

τ – орташа ұшу уақыты (жұқа негіз үшін) немесе өмір сүру уақыты (қалың негіз үшін).

Ұшудың орташа уақыты - инъекциялық электр тасымалдаушылардың база арқылы өтетін уақыты, ал қызмет ету уақыты - электр тасығыштың базаға айдауынан рекомбинацияға дейінгі уақыт.

p-n өткелінің жалпы сыйымдылығы.

Бұл сыйымдылық C жолағы қарастырылған қуаттардың қосындысына тең, яғни C жолағы \u003d C жолағы + С айырмашылығы.

Ауысу кері бағытта болған кезде (u< 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

Түзетпейтін металл-жартылай өткізгіш контакті.

Диодтардағы сыртқы сымдарды қосу үшін түзетілмейтін (омдық) металл жартылай өткізгіш контактілері қолданылады. Бұл кедергісі іс жүзінде сыртқы кернеудің полярлығына да, шамасына да тәуелді емес осындай контактілер.

Түзетпейтін контактілерді алу p-n өткелдерін алудан кем емес маңызды міндет болып табылады. Кремний құрылғылары үшін алюминий жиі байланыс металы ретінде пайдаланылады. Металл-жартылай өткізгіш контактінің қасиеттері электрондардың жұмыс функциялары арасындағы айырмашылықпен анықталады. Қатты денеден шыққан электронның жұмыс функциясы - бұл денеден шығу үшін Ферми деңгейіндегі электрон алуы керек энергияның өсімі.

Металл үшін жұмыс функциясын A m, ал жартылай өткізгіш үшін - A p деп белгілейік Жұмыс функциясын электрон зарядына q бөлсек, сәйкес потенциалдарды аламыз:

φ m =A m /q,φ n =A n /q

Контактілі потенциалдар айырымы φ деп аталатынды қарастырайық mn:φ mn=φ m -φ n

Анық болу үшін n-типті металл-жартылай өткізгіш контактісіне жүгінейік. Түзетпейтін контактіні алу үшін φ шарты mn< 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

Диаграммадан келесідей, өткізгіштік аймағына сәйкес келетін жартылай өткізгіштегі энергия деңгейлері металға қарағанда аз толтырылған. Демек, метал мен жартылай өткізгішті қосқаннан кейін электрондардың бір бөлігі металдан жартылай өткізгішке өтеді. Бұл n-типті жартылай өткізгіштегі электрон тығыздығының жоғарылауына әкеледі.

Осылайша, жанасу аймағындағы жартылай өткізгіштің өткізгіштігі артады және бос тасымалдаушылардың таусылған қабаты болмайды. Бұл құбылыс контактінің түзетілмейтіндігінің себебі болып табылады. Түзетпейтін p-типті металл-жартылай өткізгіш контактісін алу үшін φmp> 0 шартын орындау қажет.

p-n-өтініске айнымалы кернеу берілгенде сыйымдылық қасиеттері пайда болады.

p-n өткелінің түзілуі донорлық және акцепторлық атомдардың қозғалмайтын иондарымен құрылған кеңістік зарядының пайда болуымен байланысты. p-n өткеліне берілген сыртқы кернеу өткелдегі кеңістік зарядының мәнін өзгертеді. Демек, p-n өткелі жалпақ конденсатордың бір түрі сияқты әрекет етеді, оның пластиналары түйісуден тыс n- және p-типті аймақтар болып табылады, ал заряд тасымалдаушыларда таусылған және жоғары кедергіге ие ғарыштық заряд аймағы оқшаулағыш болып табылады.

Мұндай сыйымдылық p-n-өткізу деп аталады тосқауыл. C B кедергі сыйымдылығын формула бойынша есептеуге болады

S – p-n – түйісу аймағы;   0 – салыстырмалы () және абсолютті ( 0) өткізгіштік;  - p-n өткелінің ені.

Кедергі сыйымдылығының ерекшелігі оның сыртқы қолданылатын кернеуге тәуелділігі болып табылады. (2.2) ескере отырып, күрт өту үшін кедергі сыйымдылығы мына формула бойынша есептеледі:

,

мұндағы «+» белгісі кері, ал «-» түйіспедегі тура кернеуге сәйкес келеді.

күріш. 2.6 Кері кернеуге қарсы кедергі сыйымдылығы

Қосылу аймағына, қоспа концентрациясына және кері кернеуге байланысты тосқауыл сыйымдылығы бірліктерден жүздеген пикофарадтарға дейінгі мәндерді қабылдауы мүмкін. Кері кернеуде кедергінің сыйымдылығы пайда болады; тікелей кернеуде ол шағын кедергімен шунтталады r pn.

Кедергі сыйымдылығынан басқа, p-n өткелінде диффузиялық сыйымдылық деп аталатын болады. Диффузия сыйымдылығы базадағы тепе-тең емес зарядтың жиналу және резорбциялану процестерімен байланысты және базалық аймақтағы тепе-тең емес зарядтардың қозғалысының инерциясын сипаттайды.

Диффузия сыйымдылығын келесідей есептеуге болады:

,

мұндағы t n – негіздегі электрондардың өмір сүру уақыты.

Диффузия сыйымдылығының мәні p-n өтуі арқылы өтетін токқа пропорционал. Тура кернеу кезінде диффузиялық сыйымдылықтың мәні ондаған мың пикофарададқа жетуі мүмкін. p-n өткелінің жалпы сыйымдылығы кедергі мен диффузиялық сыйымдылықтардың қосындысымен анықталады. Кері кернеумен C B > C DIF; тікелей кернеуде диффузиялық сыйымдылық C DIF >> C B басым болады.

Күріш. 2.7 Айнымалы токтағы p-n-өткізу эквивалентті схемасы

Эквивалентті тізбекте екі сыйымдылық C B және C DIF p-n өткелінің r pn дифференциалдық кедергісіне параллель қосылған; r pn қатарында r B негізінің көлемдік кедергісі кіреді.

p-n өткеліне берілетін айнымалы кернеу жиілігінің жоғарылауымен сыйымдылық қасиеттері барған сайын айқын болады, r pn сыйымдылықпен шунтталады және p-n өткелінің жалпы кедергісі базаның көлемдік кедергісі арқылы анықталады. Осылайша, жоғары жиіліктерде p-n өтуі өзінің сызықтық емес қасиеттерін жоғалтады.

p - n- Өту әдістерін алу

Қорытпа қосылыстары жартылай өткізгішті кристалдық негізге қажетті легірлеуші ​​затты қамтитын төмен балқитын металл қорытпасының «люкін» қою арқылы алынады. Қыздырған кезде сұйық балқыма аймағы пайда болады, оның құрамы үлгі мен субстраттың бірлескен балқуымен анықталады. Салқындату кезінде қайта кристалдану пайда болады. Қоспа атомдарымен байытылған жартылай өткізгіштің аймағы. Егер бұл аймақтың допинг түрі субстраттың допинг түрінен өзгеше болса, онда өткір p - n- өтпелі кезең және оның металлургиялық шекарасы X 0 аймақтың қайта кристалдану шекарасымен сәйкес келеді. Бұл беттегі қорытпаның ауысуында айырмашылық күрт өзгереді (өткір p - n- ауысу). Балқымадан тартылған кезде өтпелі түзілу балқымадағы қоспалар құрамының дозаланған өзгеруі арқылы жартылай өткізгіш құйманың өсуі кезінде болады. Диффузиялық ауысулар газ тәрізді, сұйық және қатты фазалардағы көздерден қоспаларды диффузиялау арқылы алынады. Имплантацияланған қосылыстар иондық кезінде пайда болады допантты имплантация. Эпитаксиалды ауысулар эпитаксиалды өсу немесе өсу әдісімен алынады, соның ішінде молекулярлық сәулелік эпитаксия әдісімен өзгеру заңын ең нәзік жолмен (1 нм-ге дейінгі рұқсатпен) басқаруға мүмкіндік береді. Н D ( х)-На ( x). Жиі аралас әдістер қолданылады: біріктіру, имплантация немесе эпитаксиалды өсуден кейін құрылымды диффузиялық өңдеу орындалады. Алғаннан кейін p - n-П. легирлеу ғана реттелмейді Р- және n-аудандар, сонымен қатар бүкіл өтпелі қабаттың құрылымы; атап айтқанда, қажетті градиент алынады a = d(Н D - На) /dxметаллургиялық нүктеде өту X = X 0 . Көп жағдайда асимметриялық Р + - П- немесе П + - r -P., онда бір аймақтардың допингі (+) екіншісінен әлдеқайда күшті.

Қолданбалар p - n-П. түзеткіш (жартылай өткізгіш) диодтардың әрекеті негізделген үлкен түзету коэффициенті бар сызықты емес CVC бар. Кернеудің өзгеруімен таусылған қабаттың қалыңдығын өзгерту арқылы Уоның басқарылатын сызықты емес сыйымдылығы бар.

Алға бағытта қосылып, ол тасымалдаушыларды бір аймақтан екіншісіне жібереді. Инъекциялық тасымалдаушылар токты басқара алады және т.б. p - n-өту, жарық шығарумен рекомбинациялау, бұрылу p - n- Өту. электролюминесценттік сәулелену көзіне, кернеуді жылдам ауыстыру кезінде инъекция аймағында инерциалды түрде тұрып қалады. Р - n-П. Ағымдағы p - n-П. жарық немесе басқа иондаушы сәулелер арқылы басқарылады. Қасиеттер p - n-П. олардың декомпацияда қолданылуын анықтау. құрылғылар: түзеткіш, детектор, араластырғыш диодтар, биполярлы және бірполярлы транзисторлар; туннельдік диодтар; көшкінге қарсы диодтар (микротолқын генераторлары); фотодиодтар, көшкін фотодиодтары, фототранзисторлар ; тиристорлар, фототиристорлар; фотоэлементтер, күн батареялары; Жарықдиодты шамдар, инъекциялық лазерлер; бөлшектердің детекторлары және т.б. Р - n-қосылу Шоттки тосқауылдарымен, изотиптік гетероидтық кедергілермен және жазық қоспалы бөгеттермен ығыстырылады.

p-n-өтініске айнымалы кернеу берілгенде сыйымдылық қасиеттері пайда болады.

p-n өткелінің түзілуі донорлық және акцепторлық атомдардың қозғалмайтын иондарымен құрылған кеңістік зарядының пайда болуымен байланысты. p-n өткеліне берілген сыртқы кернеу өткелдегі кеңістік зарядының мәнін өзгертеді. Демек, p-n өткелі жалпақ конденсатордың бір түрі сияқты әрекет етеді, оның пластиналары түйісуден тыс n- және p-типті аймақтар болып табылады, ал заряд тасымалдаушыларда таусылған және жоғары кедергіге ие ғарыштық заряд аймағы оқшаулағыш болып табылады.

Мұндай сыйымдылық p-n-өткізу деп аталады тосқауыл . C B кедергі сыйымдылығын формула бойынша есептеуге болады

S – p-n – түйісу аймағы; e e 0 - салыстырмалы (e) және абсолютті (e 0) өткізгіштік; D - p-n өткелінің ені.

Кедергі сыйымдылығының ерекшелігі оның сыртқы қолданылатын кернеуге тәуелділігі болып табылады. (2.2) ескере отырып, күрт өту үшін кедергі сыйымдылығы мына формула бойынша есептеледі:

,

мұндағы «+» белгісі кері, ал «-» түйіспедегі тура кернеуге сәйкес келеді.

Кедергі сыйымдылығының кері кернеуге тәуелділігі сыйымдылық-кернеу сипаттамасы деп аталады (2.6-суретті қараңыз). Қосылу аймағына, қоспа концентрациясына және кері кернеуге байланысты тосқауыл сыйымдылығы бірліктерден жүздеген пикофарадтарға дейінгі мәндерді қабылдауы мүмкін. Кері кернеуде кедергінің сыйымдылығы пайда болады; тікелей кернеуде ол шағын кедергімен шунтталады r pn.

Кедергі сыйымдылығынан басқа, p-n өткелінде диффузиялық сыйымдылық деп аталатын болады. Диффузия сыйымдылығы базадағы тепе-тең емес зарядтың жиналу және резорбциялану процестерімен байланысты және базалық аймақтағы тепе-тең емес зарядтардың қозғалысының инерциясын сипаттайды.

Диффузия сыйымдылығын келесідей есептеуге болады:

,

мұндағы t n – негіздегі электрондардың өмір сүру уақыты.

Диффузия сыйымдылығының мәні p-n өтуі арқылы өтетін токқа пропорционал. Тура кернеу кезінде диффузиялық сыйымдылықтың мәні ондаған мың пикофарададқа жетуі мүмкін. p-n өткелінің жалпы сыйымдылығы кедергі мен диффузиялық сыйымдылықтардың қосындысымен анықталады. Кері кернеумен C B > C DIF; тікелей кернеуде диффузиялық сыйымдылық C DIF >> C B басым болады.

Айнымалы токтағы p-n-өткелінің эквивалентті тізбегі күріште көрсетілген. 2.7. Эквивалентті тізбекте екі сыйымдылық C B және C DIF p-n өткелінің r pn дифференциалдық кедергісіне параллель қосылған; базаның көлемдік кедергісі r¢ B r pn тізбектей жалғанады.p-n өткеліне берілетін айнымалы кернеу жиілігінің жоғарылауымен сыйымдылық қасиеттері барған сайын айқын болады, r pn сыйымдылықпен шунтталады және p-n өткелінің жалпы кедергісі негіздің көлемдік кедергісі арқылы анықталады. Осылайша, жоғары жиіліктерде p-n өтуі өзінің сызықтық емес қасиеттерін жоғалтады.

Диод түрлері

Диодтар жіктеледі:

1. Жиілігі бойынша:

2. төмен жиілікті;

3. орта диапазон;

4. жоғары жиілікті;

5. Микротолқынды пеш – диодтар.

6. Өндіріс технологиясы бойынша:

7. нүкте;

8. қалқымалы;

9. диффузия.

10. Функционалдық мақсаты бойынша:

11. түзеткіш;

12. әмбебап;

13. Жарықдиодты шамдар;

14. туннельдік диодтар.

Түзеткіш диодтың негізгі сипаттамалары келесі параметрлер болып табылады: I pr, U pr, I pr max, U pr max, I arr, U arr max, r dif, қайда r айырмашылығы– диодтың дифференциалдық кедергісі: .

Стабилитрон үшін негізгі параметрлер болып табылады I минмен , Iмен макспен , Uмен минмен , U макспен, стабилдік диодтан басқа (жұмыс нүктесінде анықталады), рейтингтер мен бұзылу кернеуі U arr макс. Сондай-ақ TKN (температуралық кернеу коэффициенті) берілген: немесе ішінде % үстінде °C: .

Импульстік диодтар жұмыс жиілігімен сипатталады fжәне импульстік жауап: т шығыс(диод өзінің қасиеттерін қалпына келтіретін уақыт), p-n өткелінің сыйымдылығы Cpnжәне түзеткіш диодтар сияқты сипаттамалар: Мен пр, мен келдімжәне т.б.

Электрмен жабдықтау жүйесі. Түзеткіштердің жіктелуі және сипаттамалары. R жүктемесі бар бір және толық толқынды түзеткіш.

Қуат көздері электронды құрылғының негізгі бөлігін құрайды. туралы 50% жабдықтың салмағынан әдетте үлкен өлшемдері мен салмағы бар трансформаторды қамтитындығына байланысты қуат көзі болып табылады.

Қуат көзі мыналардан тұрады: трансформатор, диод тізбегі, тегістеу сүзгісі және тұрақтандырғыш .

Негізгі қуат көздері - электр емес энергияны электр энергиясына түрлендіретін құрылғылар (генераторлар және т.б.)

Екінші қуат көздері - электр энергиясының бір түрін екіншісіне түрлендіретін құрылғылар (мысалы, айнымалы токты тұрақты токқа ( түзеткіштер ), тұрақты токтан айнымалы токқа ( инверторлар )).

Трансформатор диод тізбегін қоректендіру желісімен сәйкестендіруге арналған. Екінші және бірінші реттік орамалардың айналым санының қатынасы трансформация коэффициенті деп аталады. Трансформатордың екінші мақсаты - егер жүктеме жерге тұйықталған болса, диод тізбегін желіден оқшаулау.

диодтық тізбек кірістегі кернеуді түзетуге және шығыста белгілі бір тұрақты компонентті алуға арналған.

U dкернеудің тұрақты құрамдас бөлігі болып табылады;

мен дтоктың тұрақты құрамдас бөлігі болып табылады.

Диод тізбегінің түріне байланысты диод тізбегінің шығысындағы кернеудің сапасы әртүрлі. Бұл сапа толқындық факторды бағалайды:

.

Толқындық коэффициенті 1-ден үлкен (толық толқынды түзеткіштер үшін) немесе 1-ден аз (жарты толқынды түзеткіштер үшін) болуы мүмкін.

Тегістеу сүзгілері ретінде пассивті RC және LC сүзгілері қолданылады (LC сүзгілері жиі қолданылады). Бір LC сүзгі элементі толқындық факторды 25 еседен аспайды. Күшті азайту үшін Қ б 2 немесе 3 сілтеме сүзгілерін қолданыңыз. (егер сілтемелер саны 3-тен көп болса, өздігінен қозу мүмкін).

Тұрақтандырғыш толқынды одан әрі азайтуға арналған (азайтады Қ б 1000 есе немесе одан да көп). Әдетте, оның негізін интегралды схемалар (op-amps немесе арнайы схемалар) құрайды.

Трансформатордың, диод тізбегінің және тегістеу сүзгінің қосындысы деп аталады түзеткіш . Түзеткіштің негізгі сипаттамалары:

1) жүктемедегі орташа түзетілген ток мен 0;

2) жүктемедегі орташа түзетілген кернеу U 0;

3) жүктемедегі толқындық фактор K n0;

4) түзеткіштің сыртқы сипаттамасы U 0 \u003d U 0 (I 0).

Жарты толқынды түзеткіш тізбегі.

Оң жарты циклдегі кернеуде U 2диод VD ашылады және ток жүктеме арқылы өтеді мен 2тең мен д. Бұл кезде жүктемедегі кернеу амплитудасы бар синусоидалы сипатқа ие болады U 2 м(диодтағы кернеудің төмендеуін елемейміз).

Теріс жарты цикл кернеуінде U 2диод VD жабылады және оған кері кернеу беріледі U arr макс \u003d U 2 м. Осылайша, жүктемедегі кернеу мен ток импульсті болады (0-ден б– синусоидалы сипаты және бастап ббұрын 2бкернеу мен ток нөлге тең).

Түзеткіштің сипаттамаларын анықтайық:

1. Трансформатордың қайталама орамының жұмыс кернеуі:

белгілеу wt=u, содан кейін немесе .

Осыдан жарты толқынды түзету тізбегінің кемшілігі бірден көрінеді: орамның орташа түзетілген кернеуі 2 еседен аз U 2.

, қайда мен 2 м- трансформатордың екінші реттік орамасының ток күшінің амплитудасы.
арасындағы байланысты білу U dжәне U 2келесі өрнекті жазуға болады:
I 2 \u003d 1,57I d,қайда мен д- орташа түзетілген ток.
Бұл өрнектер трансформатордың қайталама орамасының қуатын анықтауға, сонымен қатар қайталама орамның орам сымына қойылатын талаптарды алуға мүмкіндік береді ( P 2 \u003d U 2 I 2).

3. Трансформатордың бастапқы орамасының ток күшінің тиімді мәні:
бастапқы және қайталама орамалардың тогы арасындағы байланыс сызықты, мұнда n- түрлендіру коэффициенті. Өз кезегінде i 2 \u003d I 2 -I d, содан кейін . Токтың тиімді мәнін анықтайық мен 1 (I 1):
.
Әрі қарай, қуатты анықтауға болады P1трансформатордың бастапқы орамасы ( P 1 \u003d U 1 I 1). Бастапқы және қайталама орамалардың қуатын біле отырып, сіз трансформатордың типтік қуатын есептей аласыз ( С):

4. Диодтағы кері кернеу

5. Жүктемедегі кернеудің бірінші гармоникасының жиілігі ( f n1): f n1 \u003d f желілер \u003d 50 Гц.
Бұл жарты толқынды түзету тізбегінің екінші кемшілігін білдіреді. Ол жиілікте болу фактісінен тұрады 50Гцбөренелеуге қарсы сүзгіні құрастыру кезінде көбірек L және C қажет.

6. Пульсация коэффициенті , мұндағы U 1 мЖүктеме кернеуінің қисығын Фурье қатарына кеңейту арқылы анықталады (жартылай толқынды түзету тізбегі үшін U 1 м > U d, бұл да оның кемшілігі).

Өйткені екінші реттік орамның тоғында тең тұрақты құраушы бар мен д, содан кейін трансформатор мәжбүрлі ауытқуды бастан кешіреді, сондықтан трансформатордың шығысындағы сигнал оның қанықтылығына байланысты бұрмалануы мүмкін. Бұған жол бермеу үшін трансформатордың өлшемін ұлғайту керек.

Көрсетілген кемшіліктерге байланысты бұл схема шығыс сигналының жоғары сапасы қажет болмаса қолданылады.

Ортасы бар толық толқынды тізбек.

Оның құрамында орташа терминалды трансформатор және екі диод бар. Екі жарты толқынды түзеткіштен тұрады.

W ' 2 \u003d W '' 2;

Оның кемшілігі тізбектен бірден көрінеді: трансформатордың ортаңғы нүктесін шығару қажеттілігі және қайталама орамның айналымдарының бірдей саны.

Осы схеманың жұмысын қарастырайық.

Оң жарты циклде VD1 диоды ашық және диод тогы жүктеме арқылы өтеді мен d1. Жүктеме кернеуінің амплитудасы U n макс \u003d U 2 м. Теріс жарты циклде VD1 диоды жабылады және VD2 диоды ашылады, өйткені жартылай орамдар бірдей болғандықтан, жүктемедегі кернеу амплитудасы да тең болады U 2 м. Жүктемедегі кернеу импульстік сипатқа ие, ал негізгі гармоника жиілігі желі жиілігінен 2 есе жоғары ( f n1 \u003d 2f желі). Жартылай орамдардың әрқайсысында ағып жатқан ток бір жарты цикл ішінде нөлден ерекшеленеді. Трансформатордың өзегіне қатысты жартылай орамалардың токтарынан пайда болатын магнит ағындары синусоидалы болып табылады. Сондықтан трансформатордың қайталама орамасының тогы (ядроға қатысты) синусоидалы сипатқа ие деп болжауға болады.

Түзеткіштің негізгі сипаттамалары.

1. Жүктемедегі орташа түзетілген кернеу U d:
өйткені бұл түзеткіш екі жарты толқынды түзеткіштің қосындысы, онда: .

2. Трансформатордың қайталама орамасының ток күшінің тиімді мәні:
өйткені трансформатордың жартылай орамасы арқылы өтетін токтың табиғаты (жартылай толқынды түзеткішпен салыстырғанда) өзгерген жоқ, онда қатынас бірдей болады: .
Әрі қарай, жарты толқынды түзеткішке ұқсас қорытындылар жасай отырып, біз мыналарды аламыз:

Тізбектің кемшіліктеріне схеманың күрделілігі және трансформатордың конструкциясы жатады.

Жартылай өткізгішті диод токтың немесе кернеудің жеткілікті жылдам өзгеруіне қатысты инертті, өйткені жаңа тасымалдаушы бөлу бірден орнатылмайды. Белгілі болғандай, сыртқы кернеу өткелдің енін, демек, түйіспедегі кеңістік зарядтарының шамасын өзгертеді. Сонымен қатар, айдау немесе экстракция кезінде базалық аймақтағы зарядтар өзгереді (эмиттердегі зарядтардың рөлі шамалы). Демек, диодта p-n өтуімен параллель қосылған деп санауға болатын сыйымдылық бар. Бұл сыйымдылықты екі компонентке бөлуге болады: кедергі сыйымдылығы, ауысудағы зарядтардың қайта бөлінуін көрсететін және диффузиялық қабілеті, базадағы зарядтардың қайта бөлінуін көрсетеді. Мұндай бөлу әдетте шартты болып табылады, бірақ іс жүзінде бұл ыңғайлы, өйткені екі сыйымдылықтың қатынасы қолданылатын кернеудің әртүрлі полярлықтары үшін әртүрлі. Тура кернеу кезінде негізгі рөлді базадағы артық зарядтар және сәйкесінше диффузиялық сыйымдылық атқарады. Кернеу кері болған кезде базадағы артық зарядтар аз және кедергі сыйымдылығы негізгі рөл атқарады. Екі сыйымдылықтың да сызықты емес екенін алдын ала ескереміз: диффузиялық сыйымдылық тікелей токқа, ал кедергі сыйымдылығы кері кернеуге байланысты.

n + -p типті асимметриялық ауысуды қарастырып, кедергі сыйымдылығының мәнін анықтайық. Сонда р-типті негіздегі теріс зарядтың көлемін өтудің бүкіл еніне тең деп санауға болады: . Осы зарядтың модулін жазайық:

мұндағы N – негіздегі қоспа концентрациясы; S – өтпелі аймақ. Бірдей (бірақ оң) заряд эмитент қабатында болады.

Бұл зарядтардың сыйымдылығын келесідей анықтауға болатын ойша конденсатордың пластиналарында орналасқанын елестетіңіз.

Кері ауысу кезінде ауысу енінің өрнегін ескере отырып және кернеуге қатысты Q зарядын дифференциалдау, ең соңында мынаны аламыз:

(7.10)

мұндағы және сәйкесінше тепе-теңдік күйдегі потенциалдық кедергінің ені мен биіктігі.

Диодтың сыйымдылығы бар екенін есте ұстай отырып, айнымалы ток үшін оның толық эквивалентті тізбегін салуға болады (3.10а-сурет).

Бұл тізбектегі R 0 кедергісі n- және p- аймақтарының жалпы салыстырмалы түрде аз кедергісін және осы аймақтардың өткізгіштермен байланысын білдіреді. Тікелей қосылымы бар сызықты емес кедергі R nl R pr тең, яғни. аз, ал кері кернеуде R nl = R arr, яғни. бұл өте үлкен. Әртүрлі жиілік жағдайларындағы берілген эквивалентті схеманы жеңілдетуге болады. Төмен жиілікте сыйымдылық өте үлкен және сыйымдылықты елемеуге болады. Сонда, алға ығысу кезінде эквивалентті тізбекте тек R 0 және R pr кедергілері ғана қалады (7.5б-сурет),

7.5b-сурет. 7.5c-сурет.

және кері кернеумен - тек R arr кедергісі, өйткені R 0<< R обр (рис.7.5в).

Жоғары жиілікте сыйымдылық салыстырмалы түрде аз қарсылыққа ие. Демек, тікелей кернеумен 7.5d-суретке сәйкес тізбек алынады (егер жиілік өте жоғары болмаса, онда C дифференциалы іс жүзінде ешқандай әсер етпейді),

7.5d-сурет. 7.5e-сурет.

ал керісінше жағдайда R arr және C b қалады (7.5е-сурет).

Диодтың терминалдары арасында әлі де C сыйымдылығы бар екенін есте ұстаған жөн, ол диодты өте жоғары жиіліктерде айтарлықтай шунттауы мүмкін. Электр өткізгіштердің индуктивтілігі микротолқынды пеште де пайда болуы мүмкін.

Диодтардың классификациясы.

Диодтарды жіктеу негізінен жүзеге асырылады:

1) электр тораптарын және диодтық құрылымдарды құрудың технологиялық әдістері туралы

2) диодтардың атқаратын қызметі бойынша.

Өндіріс технологиясына сәйкес диодтар нүктелік және жазық болуы мүмкін. Нүктелік диодтардың негізгі сипаттамалары: p-n-өткізу аймағы шағын, оларда шағын сыйымдылық бар (1pF-ден аз), аз токтар (1 немесе ондаған мА-дан аспайды). Микротолқынды пешке дейін жоғары жиілікте қолданылады. Технология: акцепторлы қоспамен қапталған вольфрам жіпі (германий үшін – индий, кремний үшін – алюминий) үлкен ток импульсінің көмегімен n-типті германий немесе n-типті кремний пластинасына дәнекерленген.

Жазық диодтар: өндіріс технологиясы балқыту немесе диффузия болуы мүмкін. Балқыту кезінде алюминий сияқты металды қабылдағыш материалдан жасалған таблетка жартылай өткізгіш кремний болса, әдетте n-типті жартылай өткізгіш пластинаның тазартылған бетіне қойылады. 600 ... 700 0 С дейін қыздырылған кезде ол балқу температурасы әлдеқайда жоғары болатын кремнийдің көрші қабатын ерітеді және ерітеді. Пластинаның бетіне жақын салқындағаннан кейін алюминиймен қаныққан p + -типті кремний қабаты (p-типті эмитент, n-типті негіз). Диффузия: қоспа атомдары әдетте жартылай өткізгіш пластинкаға газ тәрізді ортадан оның беті арқылы жоғары температурада (шамамен 1000 0) еніп, диффузия есебінен тереңдікте таралады, т.б. термиялық қозғалыс. Процесс арнайы диффузиялық пештерде жүргізіледі, мұнда температура мен процестің уақыты жоғары дәлдікпен сақталады. Уақыт пен температура неғұрлым ұзағырақ болса, соғұрлым қоспалар пластинаның тереңдігіне енеді. Диффузиялық pn өткелі тегіс болып шығады және оның ауданы үлкен және бастапқы пластинаның ауданына тең, жұмыс токтары ондаған амперге жетеді.

Атқаратын қызметі бойынша түзеткіш, импульстік, түрлендіргіш, коммутациялық, детекторлық диодтар, стабилдік диодтар, варикаптар және т.б. Диодтардың жеке кластарын жұмыс жиілік диапазонына байланысты ішкі сыныптарға бөлуге болады (төмен жиілікті, жоғары жиілікті, микротолқынды диодтар, оптикалық диапазонның диодтары). Диодтар жартылай өткізгіш материалмен де ерекшеленеді: кремний ең көп қолданылады, бұрын кең таралған германийді ауыстырады. Кремний диодтары жоғары максималды жұмыс температурасына ие (Si - 125 ... 150 0 C, Ge - 70 ... 80 0 C) және бірнеше реттік шама төмен кері ток. Параметрлері бойынша кремний диодтарынан жоғары галлий арсенидті диодтардың (атап айтқанда, металл жартылай өткізгіштері) саны үнемі өсіп келеді.

Диодтардың кейбір түрлерін және олардың негізгі параметрлерін қарастырыңыз.

1.Төмен жиілікті түзеткіш диодтар. Олар айнымалы ток қуат көздерінде қолданылады.

Диодтың негізгі электрлік параметрлері берілген I ex.avg кезіндегі U ex.avg мәндері, сондай-ақ кері кернеудің берілген амплитудалық (максималды) мәніндегі I arr.avg (U arr.max) мәндері болып табылады. кезеңдегі тура кернеу мен кері токтың мәндері). Ең көп таралған pn өткелі кремний диодтары үшін U ave.av T \u003d 20 0 C кезінде 1..1.5В-тан аспайды. Температураның жоғарылауымен бұл мән төмендейді, ал TKN алға қарай мәніне байланысты. ток; токтың жоғарылауымен азаяды, ал жоғары токта ол тіпті оң болуы мүмкін. Т = 20 0 С кремний диодтарының кері тогы, әдетте, мкА оннан аспайды және температураның жоғарылауымен артады (еселену температурасы шамамен 10 0 С). T=20 0 C кезінде кері токты елемеуге болады. Кремний диодтарының ыдырау кернеуі жүздеген вольтты құрайды және температура жоғарылаған сайын артады.

Металл-жартылай өткізгішті жалғауы бар кремний диодтарының тікелей кернеуі p-n өтуі бар диодтарға қарағанда шамамен екі есе аз. Ал кері ток біршама үлкенірек және температураға қатты тәуелді, әрбір 6..8 0 С үшін екі есе өседі.

Диодтың түрін таңдаған кезде максималды рұқсат етілген түзетілген ток, кері кернеу және температура ескеріледі. Рұқсат етілген токқа байланысты шағын диодтар (<300мА), средней (<1А) и большой (>10A) қуат. Шектеулі кері кернеу өтудің бұзылуымен шектеледі және 50-ден 1500В-қа дейінгі диапазонда жатыр. Рұқсат етілген кері кернеуді арттыру үшін диодтар тізбектей қосылады. Бір технологиялық циклде дайындалған және жалпы корпусқа салынған тізбектей жалғанған бірнеше диодтар түзеткіш полюсі деп аталады. Кремний диодтарының максималды жұмыс температурасы 125..50 0 С жетеді және кері токтың өсуімен шектеледі.

Кішкентай p-n түйісу ауданы (1 мм 2-ден аз) төмен қуатты диодтар балқыту арқылы, үлкен ауданы бар жоғары қуатты диодтар - диффузия арқылы жасалады. p-n өтуі бар күштік диодтар әдетте 1 кГц аспайтын жиіліктерге дейін жұмыс істей алады, ал металл-жартылай өткізгішті диодтар - жүздеген кГц жиіліктерге дейін.

Германий диодтары жолақ саңылауының кішірек болуына байланысты кремний диодтарынан шамамен 1,5...2 есе аз (әдетте 0,5 В артық емес) тура кернеуге ие. Ол негізінен базалық кедергідегі кернеудің төмендеуімен анықталады, бұл жағдайда TC U pr >0. Т=20 0 С кезіндегі кері ток кремний диодтарына қарағанда 2..3 рет үлкен және температураға көбірек тәуелді. Әрбір 8 0 С үшін екі еселенген, осыған байланысты максималды жұмыс температурасы әлдеқайда төмен (70 ... 80 0 С).

Термиялық бұзылу механизмі германий диодтарының қысқа мерзімді импульстік шамадан тыс жүктемелер кезінде де істен шығуына әкеледі. Бұл айтарлықтай кемшілік. Температураның жоғарылауымен бұзылу кернеуі төмендейді.

Кіші түйісу аймағына байланысты жоғары жиілікті диодтардың максималды рұқсат етілген тікелей токтары шағын (әдетте 100мА-дан аз), бұзылу кернеулері, әдетте, 100 В-тан аспайды.

3. импульстік диодтар.Импульстік режимде жұмыс істеуге арналған, яғни. импульстік сигналдарды, кілттік және цифрлық тізбектерді қалыптастыру және түрлендіру құрылғыларында.

Импульстік диодтардың ең маңызды параметрі кері қарсылықтың қалпына келу уақыты болып табылады. Ол диодты I CR берілген тура токпен күйден кері кернеу U arr берілген күйге ауыстырудың өтпелі процесін сипаттайды. 7.6-суретте диод арқылы өтетін кернеу мен токтың уақыттық диаграммалары көрсетілген.

Қалпына келтіру уақыты t диодтағы кернеудің турадан кері түрге ауысуының t 1 сәтінен кері кернеу 0,1 пр момент t 1 мәніне жеткен t 2 сәтіне дейін, сондай-ақ қайта зарядтау процесі есептеледі. кедергі сыйымдылығы. Коммутациялық диодтарда қалпына келтіру уақыты мүмкіндігінше қысқа болуы керек; базадағы азшылықты тасымалдаушылардың қызмет ету мерзімін қысқарту қажет, олар үшін p-n өтуі бар кремний диодтары алтынмен легирленген. Бірақ кремний диодтары үшін 1 нс-тен аз ретті қалпына келтіру уақытын алу мүмкін емес. Галлий арсенидінде кремнийге қарағанда қызмет ету мерзімі әлдеқайда қысқа, ал p-n өтуі бар диодтарда 0,1 нс ретті t res алуға болады. Кедергі сыйымдылығын азайтуға өту аймағын азайту арқылы қол жеткізіледі. Ең қысқа қалпына келтіру уақыты (t re<0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C б r б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

Барлық импульстік диодтар үшін сыйымдылық өлшеу кезінде қолданылатын айнымалы ток сигналының белгілі бір кері кернеуінде және жиілігінде көрсетіледі. Ең төменгі сыйымдылық мәндері 0,1…1 пФ құрайды.

Импульстік диодтардың меншікті параметрлеріне ең үлкен импульстік кері ток I rev.i.max және максималды импульстік кедергі r pr.i.max, оны орнату процесіндегі ең жоғары тура кернеудің тікелей токқа қатынасына тең. Бұл шамалардың мәндерінің мүмкіндігінше аз болғаны жөн.

Импульстік диодтар үшін тізбектердегі ток пен кернеудің тұрақты күй мәндерін анықтайтын статикалық параметрлер де маңызды. Оларға берілген тура токтағы тура кернеу және берілген кері кернеудегі кері ток жатады.

4. Стабилитрондар.Стабилитрон - тізбектердегі кернеуді тұрақтандыруға арналған жартылай өткізгіш диод. Стабилдік диодтар қуат көздерінде, шектегіштерде, деңгей қысқыштарында, кернеу анықтамаларында және басқа құрылғыларда қолданылады. Стабилитрондардың жұмыс істеу принципі p-n өткелінде көшкін немесе туннельдің бұзылуын пайдалануға негізделген. 7.7-суретте кері кернеуі бар стабилдік диодтың типтік вольт-амперлік сипаттамасы көрсетілген.

Бұзылу бөлімінде - CVC жұмыс бөлімінде кернеу токқа өте әлсіз тәуелді. Жұмыс тогының I ст.мин минималды мәні I–V сипаттаманың «тік» бөлімінің басына сәйкес келеді, мұнда r дифференциалды кедергісі =ΔU/ΔI шамалы болады. Максималды ток I st.max рұқсат етілген қуат шығынымен анықталады. Негізгі параметр - тұрақтандыру кернеуі U st, ол іс жүзінде бұзылу кернеуіне тең, жұмыс аймағындағы ток I st белгілі бір мәнінде орнатылады.

Стабилдік диодтың коммутациялық сұлбасы 7.8-суретте көрсетілген.

Мұндағы R ogr – шектеуші резистор; R n - жүктеме резисторы, U n \u003d U st болатын кернеу. Шектеу резисторы арқылы өтетін ток I \u003d (E-U st) / R ogr, ал стабилдік диод арқылы өтетін ток I st \u003d I-I n, мұндағы I n \u003d U st / R n, ол жұмыс нүктесіне сәйкес келеді. c 3.11-суретте. Егер қуат көзінің кернеуі номиналды шамадан ауытқыса, стабилитрон арқылы өтетін ток Δ I st = ΔE) / R diff кезіндегі R шегі өзгереді.<<(R огр ││ R н) и рабочая точка перемещается в пределах участка C ’ C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

Егер жүктеме тогы өзгерсе және сондықтан Δ I n мәніне жүктеме, содан кейін стабилдік диод арқылы өтетін ток және Δ U \u003d - r diff ΔI n шамамен бірдей өзгереді. «-» таңбасы жүктеме тогы артқан сайын стабилдік диодтың тогы төмендейтінін білдіреді. Жақсы тұрақтандыруды алу үшін дифференциалды кедергі мүмкіндігінше төмен болуы керек.

Негізгі қоспалар концентрациясының жоғарылауымен p-n өткелінің бұзылу кернеуі төмендейді. Түрлі типтегі құрылғылар үшін U st 3-тен 200 В-қа дейін болуы мүмкін.

Температураның әсері температураның бір градусқа өзгеруімен U st кернеуінің өзгеруін сипаттайтын TKN тұрақтандыру кернеуінің температуралық коэффициентімен бағаланады, яғни.

(7.12)

Кернеудің температуралық коэффициенті 10 -5-тен 10-ға дейін болуы мүмкін -3 К -1 . U мақаласының мәні және TKN белгісі негізгі жартылай өткізгіштің кедергісіне байланысты. 7В-қа дейінгі кернеулер үшін стабилдік диодтар төмен кедергісі бар кремнийден жасалған, яғни. қоспалардың жоғары концентрациясы бар. Бұл стабилдік диодтарда p-n өткелінің шағын қалыңдығы бар, онда жоғары қарқынды өріс әрекет етеді, ал бұзылу негізінен туннельдік әсерге байланысты болады. Бұл жағдайда TKN теріс болып шығады. Егер қоспалардың концентрациясы төмен кремний қолданылса, онда p-n өткелі қалыңырақ болады. Оның бұзылуы жоғары кернеулерде орын алады және көшкін болып табылады. Мұндай стабилдік диодтар оң TKN-мен сипатталады.

Жоғары вольтты стабилдік диодтарды тұрақтандырудың температуралық коэффициентін термиялық тұрақтандыруды қолдана отырып, 1 ... 2 ретке азайтуға болады. Ол үшін стабилдік диодтың кері жалғанған p-n өтуі алға бағытта жалғанған бір немесе екі p-n өтуімен тізбектей жалғанады. Белгілі болғандай, p-n өтуіндегі тура кернеу температураның жоғарылауымен төмендейді, бұл бұзылу кернеуінің жоғарылауын өтейді. Мұндай термиялық компенсацияланған стабилдік диодтар дәлдік деп аталады. Олар тірек кернеу көздері ретінде пайдаланылады.

Көбінесе стабилдік диод көз кернеуі тұрақсыз, ал жүктеме кедергісі R n тұрақты болған кезде осындай режимде жұмыс істейді. Бұл жағдайда дұрыс тұрақтандыру режимін орнату және қолдау үшін R кедергісінің шегі белгілі бір мәнге ие болуы керек. Әдетте R ogr стабилдік диодтың сипаттамаларымен ортаңғы нүкте үшін есептеледі. Егер E кернеуі E min-ден E max-қа өзгерсе, онда R шегін келесі формула арқылы табуға болады

(7.13)

мұндағы E cf \u003d 0,5 (E min + E max) - көздің орташа кернеуі;

I cf \u003d 0,5 (I min + I max) - стабилдік диодтың орташа тогы;

I n \u003d U st / R n - жүктеме тогы.

Егер E кернеуі бір бағытта өзгере бастаса, онда стабилдік диодтың тогы өзгереді, бірақ ондағы, демек, жүктемедегі кернеу тұрақты болады. Көз кернеуіндегі барлық өзгерістер шектеуші резистормен жұтылуы керек болғандықтан, бұл кернеудің ең үлкен өзгеруі E max - E min тең, токтың ең үлкен мүмкін өзгеруіне сәйкес келуі керек, бұл кезде тұрақтандыру әлі де сақталады, яғни. I max - I min. Бұдан шығатыны, егер Е мәні ΔE-ге өзгерсе, онда тұрақтандыру шарт болған жағдайда ғана жүзеге асырылады

Екінші мүмкін тұрақтандыру режимі E=const кезінде пайдаланылады және R n R n min-ден R n max аралығында өзгереді. Мұндай режим үшін R шегін формула бойынша токтардың орташа мәндерінен анықтауға болады

(7.15)

I n cf \u003d 0,5 (I n min + I n max) және I n min \u003d U st / R n max және I n max \u003d U st / R n min.

Жоғары тұрақты кернеулерді алу үшін бірдей токтарға арналған стабилдік диодтардың тізбекті қосылымы қолданылады.

5. Варикаптар.Диодтар варикаптар деп аталады, олардың жұмыс принципі p-n өткелінің кедергі сыйымдылығының кері кернеуге тәуелділігіне негізделген. Осылайша. Варикаптар - бұл механикалық емес, электрлік басқарылатын айнымалы сыйымдылықтың конденсаторлары, яғни. кернеудің кері өзгеруі. Олар тербелмелі контурдың жиілікті реттеу тізбектерінде, жиілікті бөлу мен көбейтуде, жиілікті модуляцияда, басқарылатын фаза ауыстырғыштарында және т.б. электрмен басқарылатын сыйымдылығы бар элементтер ретінде қолданылады.

Тербелмелі контурдың жиілігін реттеу үшін варикапты қосудың қарапайым схемасы 7.9-суретте көрсетілген.

Басқару кернеуі U варикап VD-ге жоғары кедергісі бар R резисторы арқылы беріледі, бұл варикоптың маневрленуін және кернеу көзінің тербелмелі тізбегін азайтады. Индуктивтілік элементі арқылы тұрақты токты жою үшін тербелмелі контур варикапқа параллельді жоғары сыйымдылықты ажыратқыш конденсатор Cp арқылы қосылады. Кері кернеудің шамасын және сәйкесінше варикаптың сыйымдылығын және тербелмелі контурдың жалпы сыйымдылығын өзгерту арқылы соңғысының резонанстық жиілігі өзгереді.

Варикопты өндіруге арналған негізгі жартылай өткізгіш материал кремний болып табылады, сонымен қатар галлий арсениді қолданылады, ол төменгі негіздің кедергісін қамтамасыз етеді.

Варикаптың электрлік параметрлеріне берілген жиілікте өлшенетін номиналды, максималды және минималды кернеулердегі сыйымдылық, сыйымдылықтың қабаттасу коэффициенті, сапа коэффициенті, жиілік диапазоны, сыйымдылықтың температуралық коэффициенттері және сапа коэффициенті жатады. Варикоптардың әртүрлі түрлерінде номиналды сыйымдылық бірнеше бірліктен бірнеше жүз пикофарадаға дейін болуы мүмкін.