Бағдарламалар

Диффузия сыйымдылығы тәуелді. Жартылай өткізгіш диодтар, p-n-өткізу, бұзылу түрлері, кедергі сыйымдылығы, диффузиялық сыйымдылық

Жартылай өткізгішті диод токтың немесе кернеудің жеткілікті жылдам өзгеруіне қатысты инерциялық болып табылады, өйткені жаңа тасымалдаушы бөлу дереу орнатылмайды. Өздеріңіз білетіндей, 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 сыйымдылығытүйіспедегі зарядтардың қайта бөлінуін көрсететін және диффузиялық қабілеті, базадағы зарядтардың қайта бөлінуін көрсетеді. Мұндай бөлу әдетте ерікті, бірақ іс жүзінде бұл ыңғайлы, өйткені екі сыйымдылықтың қатынасы қолданылатын кернеудің әртүрлі полярлығы үшін әртүрлі. Тура кернеумен негізгі рөлді базадағы артық зарядтар және сәйкесінше диффузиялық сыйымдылық атқарады. Кері кернеу кезінде базадағы артық зарядтар аз және кедергі сыйымдылығы негізгі рөл атқарады. Екі сыйымдылықтың да сызықты емес екенін алдын ала ескеріңіз: диффузиялық сыйымдылық тікелей токқа, ал кедергі сыйымдылығы кері кернеуге байланысты.

n + -p типті ауысуды асимметриялық деп есептей отырып, кедергі сыйымдылығының мәнін анықтайық. Сонда p-типті базадағы теріс зарядтың ұзындығын өтудің бүкіл еніне тең деп санауға болады:. Осы зарядтың модулін жазайық:

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

Бұл зарядтар ойдағыдай конденсатордың пластиналарында орналасқанын елестетіп көріңіз, олардың сыйымдылығын анықтауға болады.

Кері қосылыммен өту енінің өрнегін ескере отырып және Q зарядын кернеу бойынша саралау арқылы біз ақырында мынаны аламыз:

(7.10)

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

Диодтың сыйымдылығы бар екенін ескере отырып, оның толық эквивалентті тізбегін құруға болады. айнымалы ток(3.10а-сурет).

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

7.5b суреті. 7.5c сурет.

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

Үстінде жоғары жиіліктерконденсаторлар салыстырмалы түрде төмен қарсылыққа ие. Сондықтан, тікелей кернеумен 7.5d-суретке сәйкес тізбек алынады (егер жиілік өте жоғары болмаса, онда Cdiff іс жүзінде әсер етпейді),

7.5d суреті. 7.5e суреті.

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

Сондай-ақ, диодтың терминалдарының арасында диодты өте жоғары жиілікте айтарлықтай шунттауы мүмкін С сыйымдылығы бар екенін есте ұстаған жөн. Электр өткізгіштердің индуктивтілігі микротолқынды пеште де пайда болуы мүмкін.

Диодтардың классификациясы.

Диодтарды жіктеу негізінен жүзеге асырылады:

1) электр тораптары мен диодтық құрылымдарды құрудың технологиялық әдістері туралы

2) диодтардың орындалатын қызметі бойынша.

Өндіріс технологиясына сәйкес диодтар нүктелік және жазық болуы мүмкін. Нүктелік диодтардың негізгі сипаттамалары: p-n-өткелінің ауданы шағын, сыйымдылығы төмен (1pF-тен аз), токтары төмен (1 немесе ондаған мА-дан аспайды). Олар микротолқынды жиіліктерге дейін жоғары жиілікте қолданылады. Технология: акцепторлық қоспамен (германий үшін – индий, кремний үшін – алюминий) қапталған вольфрам талшығы үлкен ток импульсінің көмегімен n-типті германий немесе n-типті кремний пластинасына дәнекерленген.

Жазық диодтар: Өндіріс технологиясы синтез немесе диффузия болуы мүмкін. Жартылай өткізгіш пластинаның тазартылған бетіне балқытылған кезде, әдетте, жартылай өткізгіш кремний болса, алюминий, мысалы, металл қабылдағыш материалдың n-типті түйіршіктері қойылады. 600 ... 700 0 С дейін қыздырылған кезде ол балқу температурасы әлдеқайда жоғары болатын іргелес кремний қабатын ерітеді және ерітеді. Пластинаның бетінде салқындағаннан кейін алюминиймен қаныққан p + -типті кремний қабаты (p-типті эмитент, n-типті негіз). Диффузия: қоспа атомдары әдетте газ тәрізді ортадан жартылай өткізгіш пластинкаға оның беті арқылы жоғары температурада (шамамен 1000 0) келіп, диффузия есебінен ішке қарай таралады, яғни. 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. Диффузия p-n-өткізу тегіс болып шығады және оның ауданы үлкен және бастапқы пластинаның ауданына тең, жұмыс токтары ондаған амперге жетеді.

Атқаратын қызметі бойынша түзеткіш диодтар, импульстік, түрлендіру, коммутациялау, детекторлық диодтар, стабилдік диодтар, варикаптар және т.б. Диодтардың жеке кластарын жұмыс жиіліктерінің 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 ығыстырады. 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 диодтар (атап айтқанда, металл жартылай өткізгіш диодтар) саны үздіксіз өсуде.

Диодтардың кейбір түрлерін және олардың негізгі параметрлерін қарастырайық.

1.Төмен жиілікті түзеткіш диодтар... Олар айнымалы токты түзететін қуат көздерінде қолданылады.

Диодтың негізгі электрлік параметрлері берілген I пр.ав кезіндегі U pr.av мәндері, сонымен қатар кезеңдегі тура кернеу мен кері токтың I арр. мәндері). Ең кең таралған pn өткелі кремний диодтары үшін U pr.av T = 20 0 С кезінде 1..1.5В аспайды. Температураның жоғарылауымен бұл мән төмендейді, ал TKN тікелей токтың мәніне байланысты. ; 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 көбірек тәуелді, әрбір 6 ... 8 0 С үшін екі есе өседі.

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

Аз қуатты диодтар p-n түйісу ауданы (1 мм 2-ден аз) термоядролық әдіспен, үлкен ауданы бар қуатты диодтар диффузиялық әдіспен жасалады. p-n өтуі бар күштік диодтар әдетте 1 кГц аспайтын жиіліктерге дейін жұмыс істей алады, ал металл-жартылай өткізгіштік ауысуы бар диодтар - жүздеген кГц жиіліктерге дейін.

Германий диодтары кіші диапазонға байланысты кремнийден шамамен 1,5 ... 2 есе аз (әдетте 0,5 В-тан аспайды) тура кернеуге ие. Ол негізінен базалық кедергідегі кернеудің төмендеуімен анықталады, бұл жағдайда TK U pr> 0. Т = 20 0 С кезіндегі кері ток кремний диодтарына қарағанда 2..3 рет жоғары 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 тұрақты токтары аз (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 кедергінің қалпына келу уақыты болып табылады. Ол диодты I pr берілген тура токпен күйден кері кернеу U arr берілген күйге ауыстыру процесін сипаттайды. 7.6-суретте диод арқылы өтетін кернеу мен токтың уақыттық диаграммалары көрсетілген.

Қалпына келтіру уақыты t t 1 кері кернеу 0,1 және т.б. моментке жеткенде t 1), сондай-ақ қайта зарядтау процесі, алға қарай кері қарай диодтағы кернеудің өзгеруінің t 1 сәтінен t 2 сәтіне дейін есептеледі. кедергі сыйымдылығы. Импульстік 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 арсенидінің қызмет ету мерзімі кремнийге қарағанда әлдеқайда қысқа, ал p-n өтуі бар диодтарда 0,1 нс ретті t реп алуға болады. Кедергі өткізу қабілетін азайту түйісу 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 сигналдың белгілі бір кері кернеуінде және жиілігінде көрсетіледі. Ең аз сыйымдылық мәндері 0,1 ... 1 пФ құрайды.

Импульстік диодтардың меншікті параметрлеріне максималды импульстік кері ток I arr.i.max және максималды импульстік кедергі r r.i.max жатады, ол оны орнату кезіндегі максималды алға кернеудің тікелей токқа қатынасына тең. Бұл мәндердің 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 - бұл тізбектердегі кернеуді тұрақтандыруға арналған жартылай өткізгіш диод. Стабилдік диодтар қуат көздерінде, шектегіштерде, қапсырмаларда, кернеу анықтамаларында және басқа құрылғыларда қолданылады. Стабилитрондардың жұмыс істеу принципі pn өткелінде көшкін немесе туннельдік бұзылуды қолдануға негізделген. 7.7-суретте кері кернеудегі стабилдік диодтың әдеттегі кернеу-ток сипаттамасы көрсетілген.

Бұзылу бөлімінде - I - V сипаттамасының жұмыс бөлімі, кернеу токқа өте әлсіз тәуелді. I st.min жұмыс тоғының ең аз мәні I - V сипаттамасының «тік» бөлімінің басына сәйкес келеді, мұнда шағын дифференциалдық кедергі r диф = ΔU / ΔI қол жеткізіледі. Максималды ток I st.max рұқсат етілген шығын қуатымен анықталады. Негізгі параметр - тұрақтандыру кернеуі U st, іс жүзінде бұзылу кернеуіне тең, жұмыс бөлігінде ток I st белгілі бір мәнінде орнатылады.

Стабилитронды қосу схемасы 7.8-суретте көрсетілген.

Мұндағы R ogr – шектеуші резистор; R n - жүктеме резисторы, U n = U ст болатын кернеу. Шектеу резисторы арқылы өтетін ток I = (EU st) / R ogr, ал стабилдік диод арқылы өтетін ток I st = II n, мұндағы I n = U st / R n, ол суреттегі c жұмыс нүктесіне сәйкес келеді. 3.11. Егер қуат көзінің кернеуі номиналды шамадан ауытқыса, стабилдік диод арқылы өтетін ток Δ I st = ΔE) / R ogr кезінде r диф.<<(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. демек, Δ I n мәні бойынша жүктеме, содан кейін стабилдік диод арқылы өтетін ток шамамен бірдей өзгереді және Δ U = - r dif ΔI n. «-» таңбасы жүктеме тогы артқан сайын стабилдік диодтың тогы төмендейтінін білдіреді. Жақсы тұрақтандыруды алу үшін дифференциалды кедергі мүмкіндігінше төмен болуы керек.

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

Температураның әсері температура бір градусқа өзгерген кезде U st кернеуінің өзгеруін сипаттайтын TKN кернеуінің тұрақтандыруының температуралық коэффициентімен бағаланады, яғни.

(7.12)

Кернеудің температуралық коэффициенті 10 -5-тен 10 -3 К -1-ге дейін болуы мүмкін. U ст 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 pn өткелінің шағын қалыңдығы бар, онда жоғары күшті өріс әрекет етеді және 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 үшін оң TCN тән.

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 тура бағытта жалғанған бір немесе екі p-n өтуімен тізбектей жалғанады. Белгілі болғандай, pn өткеліндегі тура кернеу температураның жоғарылауымен төмендейді, бұл бұзылу кернеуінің жоғарылауын өтейді. Мұндай температуралық компенсацияланған стабилдік диодтар дәлдік диодтар деп аталады. Олар кернеудің анықтамалық 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 ogr кедергісі 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 ogr-ды келесі формула бойынша табуға болады

(7.13)

мұндағы E cf = 0,5 (E min + E max) көздің орташа кернеуі;

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

I n = U st / R n - жүктеме тогы.

Егер E кернеуі бір бағытта немесе басқа бағытта өзгере бастаса, онда стабилдік диодтың тогы өзгереді, бірақ ондағы, демек, жүктемедегі кернеу тұрақты болады. Көз кернеуіндегі барлық өзгерістер шектеуші резистормен жұтылуы керек болғандықтан, E max - E min тең осы кернеудің ең үлкен өзгерісі тұрақтандыру әлі де сақталатын токтың мүмкін болатын ең үлкен өзгеруіне сәйкес келуі керек, 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 және R n R n min-ден R n max диапазонында өзгерген кезде қолданылады. Мұндай режим үшін R ogr формула бойынша токтардың орташа мәндерімен анықталуы мүмкін

(7.15)

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

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

5. Варикаптар.Варикаптар диодтар деп аталады, олардың принципі p-n өткелінің кедергі сыйымдылығының кері кернеуге тәуелділігіне негізделген. Осылайша. Варикаптар - механикалық басқарылмайтын, бірақ электрлік басқарылатын айнымалы конденсаторлар, яғни. кері кернеуді өзгерту арқылы. Олар тербелмелі контурдың жиілігін реттеу, жиілікті бөлу және көбейту, жиілікті модуляция, басқарылатын фазалық ауыстырғыштар және т.б. үшін тізбектерде электрмен басқарылатын сыйымдылығы бар элементтер ретінде қолданылады.

Тербелмелі контурдың жиілігін баптау үшін варикапты қосудың ең 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 контурын азайтады. Индуктивтілік элементі арқылы тұрақты токты жою үшін тербелмелі контур варикапқа параллельді үлкен конденсатор C p блоктау конденсаторы арқылы қосылады. Кері кернеудің мәнін 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.

Диффузия сыйымдылығы – жоғары кедергі бөлігіндегі азшылық тасымалдаушылардың тепе-теңдіксіз зарядының ақырғы уақыт «резорбциясының» әсерін модельдейтін виртуалды сыйымдылық. p-n-өту.

Егер, бұрынғыдай, біз аймақ болған кезде жағдайды қарастырамыз Рқарсылығы жоғарырақ, яғни.

n n >> p n,

содан кейін ауданда Рэлектрондар аз тасымалдаушылар болып табылады және олардың тепе-теңдік концентрациясы төмен. Алға ығысу қолданылған кезде электрондар қабаттың негізгі тасымалдаушысы болып табылады n- қабатқа көп мөлшерде өтеді Р, онда тепе-теңдіксіз азшылық тасымалдаушылардың кеңістік зарядын жасайды.

Егер қолданылатын кернеу кенеттен блоктаушы кернеуге өзгерсе, онда электрондардың ауысуы n-аймақ тоқтайды, бірақ қабаттың электрондары nұсталды R-қабат (тепе-теңдіксіз кеңістік заряды), азшылық тасымалдаушылар сияқты қабатқа оралады nазшылық тасымалдаушылардың ғарыштық заряды болса R-ауданы тепе-теңдікке дейін кемімейді. Физикалық тұрғыдан, бұл кернеуді алғадан кері қарай өзгерткеннен кейін біраз уақыт өткенін білдіреді p-n-өту тепе-теңдік мәнінен әлдеқайда үлкен кері ток өтеді Мен С(3.12-сурет, а).

Күріш. 3.12. Диффузия қабілеттілігінің көрінісі p-n-өту:

а- сигналды өзгертудің төмен жылдамдығымен;

б- сигналдың өзгеруінің жоғары жылдамдығымен

күріште. 3.12, бкернеудің жоғары жиілігіндегі диффузиялық сыйымдылық бір жақты өткізгіштік қасиетінің жоғалуына қалай әкелетіні көрсетілген п-н- ауысу. Әлбетте, тура токтың мәні неғұрлым үлкен болса, соғұрлым тепе-тең емес заряд соғұрлым көп болса, оның резорбциясы (диффузия сыйымдылығының разряды) үшін соғұрлым ұзақ уақыт қажет болады, соғұрлым инерция үлкен болады. p-n-өту.

3.7. Сындыру п-н- ауысу

Кері кернеудің белгілі бір критикалық мәнге дейін артуы кері токтың көшкін тәріздес ұлғаю құбылысын тудырады, егер сіз оны шектеу шараларын қолданбасаңыз, бұзылуға әкеледі. p-n-өту. Бұл құбылыс бұзылу деп аталады. Физикалық бұзылу механизмі өте күрделі және оны шартты түрде екі түрге бөлуге болады: жылу және электрлік.

Термиялық бұзылу

Термиялық бұзылуды келесі диаграмма арқылы жеңілдетуге болады: кері ток өткен кезде p-n-ауысу – бөлінген қуат P = U 0 I 0, бұл жартылай өткізгіш көлемін қыздыруға әкеледі. Оң термиялық байланыс пайда болады, егер температура тепе-теңдігі қамтамасыз етілмесе (тиімді жылуды кетіруге байланысты) термиялық бұзылуға әкеледі. p-n-өту. Жылулық ағып кетудің алдын алу инженерлік маңызды мәселе болып табылады және оған кері кернеудің мөлшерін шектеу және жылуды жақсы таратуды қамтамасыз ету арқылы қол жеткізіледі. п-н- көшу (орнату п-н-жылу бөлетін пластина-радиаторларға көшу, белсенді желдету).

p-n өткеліндегі dU сыртқы кернеуінің өзгеруі ондағы жинақталған dQ зарядының өзгеруіне әкеледі. Демек, p-n өткелі өзін сыйымдылығы C = dQ / dU болатын конденсатор сияқты ұстайды.

Өзгеретін зарядтың физикалық табиғатына байланысты тосқауылдық (зарядтау) және диффузиялық сиымдылықтар ажыратылады.

Кедергі (зарядтау) сыйымдылығы сыртқы кері кернеудің әсерінен кедергі қабатының ені өзгерген кезде иондардың өтелмеген зарядының өзгеруімен анықталады. Демек, идеалды электронды-саңылау өткелін сыйымдылығы қатынаспен анықталатын жазық конденсатор ретінде қарастыруға болады.

мұндағы П, d - тиісінше p-n өткелінің ауданы мен қалыңдығы.

(1.41) және (1.31) қатынастарынан ол шығады

Жалпы жағдайда зарядтау қабілетінің p-n өткеліне берілген кері кернеуге тәуелділігі формуламен өрнектеледі.

мұндағы C 0 - U OBR = 0 кезінде p-n өткелінің өткізу қабілеті; g - p-n өту түріне байланысты коэффициент (өткір p-n ауысулары үшін g = 1/2, ал тегіс g = 1/3).

Кедергі сыйымдылығы N A және N D ұлғаюымен, сондай-ақ кері кернеудің төмендеуімен артады. C BAR = f (U OBR) тәуелділік сипаты суретте көрсетілген. 1.13, а.

Диффузия сыйымдылығын қарастырайық. Алдыңғы бағытта pn өткеліне қолданылатын сыртқы кернеудің жоғарылауымен түйісу шекараларына жақын инъекциялық тасымалдаушылардың концентрациясы артады, бұл p- және n-аймақтарында азшылық тасымалдаушылар тудыратын заряд мөлшерінің өзгеруіне әкеледі. . Мұны қандай да бір қабілеттіліктің көрінісі ретінде қарастыруға болады. Ол токтың диффузиялық құрамдас бөлігінің өзгеруіне байланысты болғандықтан, оны диффузия деп атайды. Диффузия сыйымдылығы - айдау зарядының өсу dQ inzh оны тудырған кернеудің dU pr өзгеруіне қатынасы, яғни. ... (1.30) теңдеуді пайдалана отырып, айдалған тасымалдаушылардың зарядын анықтауға болады, мысалы, n-аймақтағы тесіктер:

1.13-сурет p-n өткелінің тосқауыл (а) және диффузиялық (б) қуаттарының кернеуге тәуелділігі.

Сонда n-аймақтағы тепе-теңдіксіз саңылаулардың жалпы зарядының өзгеруінен туындаған диффузиялық қабілеттілік формула бойынша анықталады.

Сол сияқты, p-аймағына электрондарды енгізуге байланысты диффузиялық сыйымдылық үшін,

1.13-сурет Эквивалентті тізбек p-n түйісуі.

Жалпы диффузиялық сыйымдылық

Сыйымдылықтың p-n өткеліндегі тура кернеуге тәуелділігі 1.13, б-суретте көрсетілген.

p-n өткелінің жалпы сыйымдылығы зарядтау және диффузиялық қуаттардың қосындысымен анықталады:

Сағат p-n қосуалға бағытта ауысқанда диффузиялық сыйымдылық басым болады, ал қарсы бағытта қосу кезінде зарядтау қабілеті басым болады.

күріште. 1.14 айнымалы токтағы p-n өткелінің эквивалентті тізбегі көрсетілген. Схемада pn өткелінің дифференциалды кедергісі r D, DIF диффузиялық сыйымдылығы C, БАР-дың C кедергі сыйымдылығы және p- және n-аймақтары көлемінің кедергісі r 1. (1.37) теңдеуіне сүйене отырып, мынаны жазуға болады:

Егер p-n ауысуын тікелей қосу кезінде U pr >> j t, онда:

Бөлме температурасында ; (1.42)

(1.42) қатысты ағымдағы мән ампермен ауыстырылады). Ағып кетуге төзімділік r УТ оның құрылымының жетілмегендігіне байланысты кристал бетінен токтың өту мүмкіндігін ескереді. WITH BAR p-n өткелінің тікелей қосылуымен<< С ДИФ, дифференциальное сопротивление r Д ПР мало и соизмеримо с r 1 , поэтому эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис. 1.15, а.

1.15-сурет Жеңілдетілген pn қосылысының эквивалентті схемалары.

Кері қисаюмен r D OBR >> r 1, S BAR >> S DIF және эквивалентті схема суретте көрсетілген пішінге ие. 1.15, б.

Диффузия сыйымдылығы pn өткелінің жанындағы зарядтардың қайта бөлінуін көрсетеді және негізінен түйіспенің алға ығысуында көрінеді. pn түйісуіндегі тура кернеуді өзгерту базадағы тепе-теңдіксіз тасымалдаушылардың зарядын өзгертеді. Зарядтың бұл өзгеруі диффузиялық қабілеттілікті тудырады:

Жартылай өткізгішті диодтар

Жартылай өткізгішті диодтар - бір p-n-өткізуі бар электр түрлендіргіш құрылғылар, олардың 2 электр өткізгіштері бар.

Диодтарды белгілеу схемалық диаграммаолардың функционалдық мақсатына байланысты. Диодтардың негізгі түрлері:

1.қуат (түзеткіш) диодтар;

2. эталондық диодтар (стабилдік диодтар мен тұрақтандырғыштар);

3. импульстік диодтар;

4. туннельдік диодтар;

5. варикаптар;

6. Микротолқынды диодтар;

7. магнитодиодтар;

8.Жарық диодты шамдар және т.б.

Күшті диодтар

Күшті диодтар өнеркәсіптік жиілікті токты түзетуге арналған. Олар p-n-өткелінің ток-кернеу сипаттамасының клапан қасиеттерін пайдаланады. 3.1-сурет. диодтың шартты белгісін және оның p-n-өткізу сипаттамасымен біріктірілген ток-кернеу сипаттамасын көрсетеді.

Қуат диодтарының негізгі параметрлері:

1. I пр. ¾ тура токтың орташа рұқсат етілген мәні;

2. U pr.sr. ¾ рұқсат етілген тікелей ток кезінде алға кернеудің төмендеуі;

3. U arr. электрлік бұзылуға әкелмейтін диодтың максималды ¾ рұқсат етілген кері кернеуі;

4. Мен келдім. max ¾ рұқсат етілген кері кернеудегі диодтың кері токының мәні;

5. R қосу. ¾ құрылғының рұқсат етілген қуаты;

6.t ° жұмыс. max ¾ максималды рұқсат етілген жұмыс температурасы;

7.f max ¾ шекті жұмыс жиілігі.

Жоғары жиілікті диодтар

Жоғары жиілікті диодтар айнымалы токты маңызды айнымалы ток жиіліктерінде (жүздеген кГц-тен жүздеген МГц-ке дейін) бір бағытты түрлендіруге арналған. Кәдімгі түзеткіш диодтарды осы мақсаттарда пайдалану мүмкін еместігінің негізгі себебі олардың айтарлықтай кедергі сыйымдылығы болып табылады. Түзетілген сигнал жиілігінің жоғарылауымен жабық диодтың сыйымдылығы азаяды, клапанның қасиеттері бұзылады және диод өзінің функционалдық мақсатын орындауды тоқтатады. Бұл әсерді жою үшін (түйістің сыйымдылығын азайту үшін) жоғары жиілікті диодтарда екі технологиялық әдіс қолданылады: нүктелік және мезоқорытпалық деп аталатын технологиялар.

Жоғары жиілікті диодтың функциялары түзеткіш диодтың функцияларына ұқсас. Жоғары жиілікті диодты белгілеу қосулы электрлік диаграммалартүзеткіш диодтың белгіленуі сәйкес келеді. Түзеткіш диодқа тән параметрлерге қосымша, нөлдік кері кернеуде диодтың максималды сыйымдылығы қосылады.

Микротолқынды диодтар (микротолқынды диодтар)

Микротолқынды диодтар сигналдарды түрлендіруге арналған электр тоғыондаған МГц-ке дейін. Нүктелік технология арқылы орындалады.

Импульстік диодтар

Импульстік диодтардың белгіленуі және ток кернеуінің сипаттамасы түзеткіш диодтарға ұқсас. Импульстік диодтар импульстік сипаттағы сигналдармен жұмыс істеуге арналған (коммутация режимінде), сондықтан диодтарды қосу және өшіру процестерінің инерциясын ескеру қажет. маңыздылығытікелей токтың күрт өзгеруімен тікелей кернеуді орнату уақытын және қолданылатын кернеудің полярлығы өзгерген кезде кері қарсылықты қалпына келтіру уақытын ала бастайды. Бұл факторлардың екеуі де рекомбинация процестерінің жылдамдығымен (бос ток тасымалдаушылардың өмір сүру ұзақтығы) анықталады. Рекомбинация процестерінің жылдамдығын арттыру үшін осы диодтардың жартылай өткізгіш материалдарына қоспалар енгізіледі, олар бос ток тасымалдаушыларға (алтын, никель) «тұзақтарды» құрайды.

Оң полярлықтың кіріс импульсінің әсерінен (3.2-сурет) заряд тасушылар диодтың базалық аймағына енгізіледі. Кернеуді алғадан кері қарай өзгерту диффузиялық сыйымдылықтың болуына байланысты токтың кері көтерілуіне әкеледі. Кері токтың көтерілуін инъекциялық зарядқа байланысты диодтың кері кедергісінің төмендеуі ретінде қарастыруға болады.

Импульстік диодтың негізгі параметрлері:

1.t arr = t 2 - t 1 ¾ кері қарсылықтың қалпына келу уақыты, яғни. ток нөлден өткен сәттен (тура кернеудің полярлығын өзгерткеннен кейін) кері ток алдын ала белгіленген шағын мәнге жеткенге дейінгі уақыт аралығы;

2.t pr = t 4 - t 3 ¾ алға қарсылықты орнату уақыты, яғни. тікелей ток импульсі диодқа берілген сәттен бастап ондағы тікелей кернеудің алдын ала белгіленген мәніне жеткенге дейінгі уақыт аралығы;

3. R және = U pr. Макс / I пр. Импульстік кедергі;

4. I pr. Max ¾ максималды рұқсат етілген импульстік ток;

5. U pr. Макс ¾ максималды импульстік алға кернеу;

6. R қосу. ¾ максималды рұқсат етілген қуат шығыны.

Импульстік диодтардың әртүрлілігі Шоттки диоды, онда p-n-өткізу жартылай өткізгіш-металл құрылымы арқылы қалыптасады. Бұл ауысудың ерекшелігі базада артық зарядтың жиналмауы болып табылады. Мұндай диодтың инерциялық қасиеттері тосқауыл сыйымдылығындағы зарядқа байланысты. Шоттки диодының белгіленуі 3.3-суретте көрсетілген.

p-n-өтініске айнымалы кернеуді қолданғанда сыйымдылық қасиеттері көрінеді.

p-n өткелінің түзілуі донорлық және акцепторлық атомдардың стационарлық иондарымен құрылған кеңістік зарядының пайда болуымен байланысты. pn өткеліне берілген сыртқы кернеу түйіспедегі кеңістік зарядының мөлшерін өзгертеді. Демек, p-n өткелі өзін жазық конденсатордың бір түрі сияқты ұстайды, оның пластиналары түйісуден тыс n- және p-типті аймақтар болып табылады, ал изолятор заряд тасымалдаушыларында таусылған және жоғары кедергісі бар кеңістіктік заряд аймағы болып табылады.

Бұл p-n-өткізу сыйымдылығы деп аталады тосқауыл... Кедергі сыйымдылығы C B формула бойынша есептелуі мүмкін

S - p-n-өткізу аймағы;  ·  0 – салыстырмалы () және абсолютті ( 0) диэлектрлік тұрақтылар;  – p-n – өткелінің ені.

Кедергі сыйымдылығының ерекшелігі оның сыртқы қолданылатын кернеуге тәуелділігі болып табылады. (2.2) ескере отырып, кенеттен өту үшін кедергі сыйымдылығы мына формуламен 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. Кедергі сыйымдылығы кері кернеуде көрінеді; тікелей кернеумен, ол r pn шағын кедергімен шунтталады.

Тосқауыл сыйымдылығынан басқа, p-n-өткізу диффузиялық сыйымдылыққа ие. Диффузия сыйымдылығы базадағы тепе-тең емес зарядтың жинақталуы 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 сыйымдылығы pn өткелінен өтетін токқа пропорционал. Алдыңғы кернеуде диффузиялық сыйымдылық ондаған мың пикофарадқа жетуі мүмкін. p-n-өткелінің жалпы сыйымдылығы кедергі және диффузиялық қуаттардың қосындысымен анықталады. Кері кернеуде C B> C DIF; тікелей кернеуде диффузиялық қабілеттілік басым болады C DIF >> C B.

Күріш. 2.7 Айнымалы токтың эквивалентті p-n-өткізу тізбегі

Эквивалентті тізбекте p-n-өткізу r pn дифференциалдық кедергісіне параллель екі C B және C DIF конденсаторлары қосылған; базаның көлемдік кедергісі r B r pn-мен тізбектей қосылған.

pn-өткеліне қолданылатын айнымалы кернеудің жиілігінің жоғарылауымен сыйымдылық қасиеттері көбірек көрінеді, r pn сыйымдылық кедергісі арқылы шунтталады және pn-өтпенің жалпы кедергісі көлемдік кедергімен анықталады. негіз. Осылайша, жоғары жиіліктерде pn түйісуі өзінің сызықтық емес қасиеттерін жоғалтады.

p - n- Өту әдістерін алу

Қорытпа ауысулары жартылай өткізгішті кристалдық негізге қажетті легірлеуші затты қамтитын төмен балқитын металл қорытпасының «үлгісін» қолдану 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 өткізгіш аймақ. Егер бұл аймақтың допинг түрі субстратты допинг түрінен өзгеше болса, онда өткір p - n-өтпелі, оның үстіне 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 жартылай өткізгіш құйманың өсуі кезінде балқымадағы қоспалар құрамының мөлшерленген өзгеруі арқылы пайда болады. Диффузиялық ауысулар газ тәрізді, сұйық және қатты фазалардағы көздерден қоспалардың диффузиясы арқылы алынады. Имплантацияланған қосылыстар иондық кезінде пайда болады қоспаларды имплантациялау. Эпитаксиалды түйіспелер эпитаксиалды өсу немесе өсу әдісімен, соның ішінде молекулярлық сәулелік эпитаксия әдісімен алынады, бұл кеңістікте ең жұқа (1 нм-ге дейінгі рұқсатпен) вариация заңын реттеуге мүмкіндік береді. Н D ( x) - На ( x)... Жиі аралас әдістер қолданылады: біріктіру, имплантация немесе эпитаксиалды өсуден кейін құрылымды диффузиялық өңдеу орындалады. Алғаннан кейін p - n-П. легірлеу ғана реттелмейді Р- және n-аудандар, сонымен қатар бүкіл өтпелі қабаттың құрылымы; атап айтқанда, қажетті градиент алынады a = d(Н D - На) / dxметаллургия нүктесінде. өту X = X 0 ... Көп жағдайда асимметриялық Р + - П- немесе П + - б-б., онда бір аймақтардың допингі (+) екіншісінен әлдеқайда күшті.

Қолданбалар, p - n-П. түзеткіш (жартылай өткізгіш) диодтардың әрекетінің негізі болып табылатын жоғары түзету коэффициенті бар сызықты емес I - V сипаттамасы бар. Кернеудің өзгеруімен сарқылу қабатының қалыңдығының өзгеруіне байланысты Уоның басқарылатын сызықты емес сыйымдылығы бар.

Алға бағытта қосылған ол медианы бір аймақтан екіншісіне енгізеді. Инъекциялық тасымалдағыштар ток жүргізе алады және т.б. p - n-өту, жарық шығарумен рекомбинациялау, түрлендіру p - n- Өту. электролюминесценттік сәулелену көзіне, кернеуді жылдам ауыстыру кезінде инъекция аймағында кешіктірілетін инерция Р - n-П. Ағымдағы p - n-П. жарық немесе басқа иондаушы сәулелер арқылы басқарылады. Қасиеттер p - n-П. олардың ыдырауда қолданылуына себеп болады. құрылғылар: түзеткіш, детектор, араластырғыш диодтар, биполярлы және бірполярлы транзисторлар; туннельдік диодтар; көшкін-транзитті диодтар (микротолқынды генераторлар); фотодиодтар, көшкін фотодиодтары, фототранзисторлар ; тиристорлар, фототиристорлар; фотоэлементтер, күн батареялары; Жарықдиодтар, инъекциялық лазерлер; бөлшектердің детекторлары және т.б. Р - n-түйіс Шоттки тосқауылдарымен, изотиптік гетероидтықтармен, жазық легирленген кедергілермен ығыстырылады.