2. Жартылай өткізгішті диодтар
жүктеу/скачать 125,08 Kb.
|
2 дәріс ЦЭ
|
2 дәріс 2. Жартылай өткізгішті диодтар 2.1 Электронды-саңылау ауысуы (переход) бар жартылай өткізгіштері (pn - ауысу) Ең қарапайым жартылай өткізгішті құрылғы диод болып табылады, ол электронды-саңылау (pn) ауысуы бар жартылай өткізгіш кристалл болып табылады. Диодтың белгіленуі 2.1 - суретте көрсетілген, оның конструкциясы және қоспалардың таралу схемасы. Контактілердің жанында, әдетте, қоспалардың және тиісінше, негізгі заряд тасымалдаушылардың концентрациясы жоғарлайды. Бұл металл контактісі мен жартылай өткізгіш аймақ арасындағы кедергіні азайту үшін жасалады. Диодтың негізгі элементі - электронды-саңылау ауысуы (pn-ауысу). Сурет – 2.1 pn-ауысуы бар жартылай өткізгішті диод: белгіленуі, конструкциясы, қоспалардың таралуы Электрондық саңылау қосылысы тек диодтардың ғана емес, сонымен қатар басқа биполярлы құрылғылардың да негізгі элементі болып табылады, өйткені ол биполярлық құрылғылардағы заряд тасымалдаушылардың ағынын басқаруға мүмкіндік беретін электронды-саңылау ауысуы (переход). Кристалда сәйкесінше акцепторды және донорлық қоспаны енгізу арқылы өткізгіштік түрін өзгерту арқылы электронды-саңылау ауысуы жасалады. pn қосылымын жасаудың көптеген жолдары бар. 2.2-суретте қорытпа (сплавной), диффузиялық және эпитаксиалды-диффузия технологияларының схемалары берілген. Сурет – 2.2 Әртүрлі технологиялық әдістерді қолдана отырып, pn ауысуын дайындау схемалары Қорытпа технологиясымен бастапқы кристал мен қайта кристалданған жартылай өткізгіш аймағы арасындағы интерфейсте электронды-саңылау ауысуы қалыптасады, онда біріктіру орын алды (2.2а-сурет). 2.2b-суретте акцепторлы қоспаны n-типті кристалға диффузиялау арқылы pn ауысуын жасау әдісі көрсетілген. 2.2.в-суретте көрсетілген технологияның ерекшелігі, диффузия пленкадағы кристалдық құрылымды сақтауға мүмкіндік беретін арнайы эпитаксиалды технология бойынша n+ типті кристалда өсірілген n типті жартылай өткізгіш қабықшасы бар кристалда жүзеге асырылады. Диодтың электрлік сипаттамаларының ерекшелігі оған берілген кернеудің бір полярлығында кедергісі төмен (анодта плюс - тікелей қосылу) және басқа полярлықта (анодта минус - кері байланыс) жоғары қарсылық. Диодтың бұл қасиеті оны түзеткіштерде - айнымалы кернеуді тікелей кернеуге түрлендіру схемаларында кеңінен қолдануды қамтамасыз етті. 2.3-суретте. орташа қуатты жартылай өткізгіш диодтың ток кернеуінің сипаттамасы көрсетілген – I(U) тәуелділігі, қисық 1. Сурет – 2.3 Жартылай өткізгішті диодтың (1) және идеал түзеткіштің (2) ток кернеуінің сипаттамалары. Сол 2.3-суретте кернеу оң болғанда ток өтетін, ал теріс болғанда өтпейтін «идеалды» кілттің сипаттамалары көрсетілген. Графиктерді салыстырудан көріп отырғанымыздай, жартылай өткізгіш диодтың қасиеттері идеал түзеткіштің қасиеттеріне жақын, өйткені ол үшін тура бағыттағы ток кері бағыттағы токтан миллиондаған есе артық болуы мүмкін. Жартылай өткізгішті диодтың негізгі кемшіліктері мыналарды қамтуы керек: алға ығысумен - бастапқы секцияда («өкше») төмен токтар аймағының болуы және соңғы қалыңдығының кедергісі rs; қарама-қарсы жағдайда, бұзылудың болуы және шағын (бірақ температурамен қатты өсетін) кері ток. Ток-кернеу сипаттамасының (ТКС) тура және кері тармақтары 2.3-суретте басқа масштабта көрсетілгенін атап өткен жөн. 2.4-суретте осы функционалдық тәуелділіктерді сипаттайтын сызықтар көрсетілген: диодтың ТКС сипаттамасы және жүктеме сипаттамасы. Сурет – 2.4 Диодтың белсенді жүктемедегі жұмысын түсіндіретін диаграмма Суреттен көрініп тұрғандай, диодтың сипаттамасы неғұрлым тік және төмен токтар аймағы («өкше») кішірек болса, диодтың түзеткіш қасиеттері соғұрлым жақсы болады. Жұмыс нүктесінің бұзылуға дейінгі аймаққа кіруі диодтағы жоғары қуаттың босатылуына және оның ықтимал бұзылуына ғана емес, сонымен қатар түзеткіш қасиеттерінің жоғалуына әкеледі. Диодтары бар тізбектерді электрлік талдауда жеке ТКС сипаттамалары түзу сызықтар түрінде беріледі, бұл диодты әртүрлі эквивалентті тізбектер түрінде көрсетуге мүмкіндік береді, 2.5-суретті қараңыз. Бір немесе басқа диодтың эквивалентті схемасын таңдау ол қолданылатын құрылғыны талдау мен есептеудің нақты шарттарымен анықталады. Сурет – 2.5 Тура және кері қосылу үшін диодтың эквивалентті тізбектері. Жартылай өткізгішті диодтың түзеткіш қасиеттері оның негізгі элементінің pn – ауысуының электрлік қасиеттерінің ассиметриясына байланысты. pn ауысуы бар диодтар биполярлық құрылғылар деп аталады, өйткені электрондар да, саңылаулар да байланыс аймағы арқылы заряд тасымалдау процестеріне қатысады. Диодтың ток-кернеу сипаттамасының (ТКС) сызықты еместігін анықтайтын p және n аймақтарының шекарасында потенциалды тосқауылдың (блоктау қабатының) пайда болуына әкелетін негізгі құбылыстарды қарастырдық. 2.2 pn – ауысуының бұзылуы pn – ауысуындағы кернеудің жоғарылауымен, үлгілердің белгілі бір кернеуіне U жеткенде, токтың күрт өсуі басталады, бұл pn – ауысуының бұзылуына әкеледі. pn ауысуының бұзылуының бірнеше физикалық механизмдері бар. Көшкінінің (лавина) бұзылуы Жоғары электр өрісінде миноритарлық заряд тасымалдаушы тормен соқтығысқан кезде электрон-саңылау жұбын құру үшін өзінің орташа еркін жолында жеткілікті энергияны ала алады. Жаңадан пайда болған тасымалдағыштар электр өрісінде үдете отырып, электронды-саңылау жұптарының одан әрі түзілуіне бөлім алады. Уақыт өте келе тасымалдаушылар санының көбею процесі көшкіндік сипатта болады, сондықтан бұзылудың бұл түрі көшкін деп аталады. Көшкіннің бұзылуы көшкіннің көбейту коэффициентімен сипатталады, ол үшін келесі қатынас жарамды: (2.1) мұндағы J - көбейту алдындағы кері ток (қанықтыру және генерация тоғының қосындысына тең), n - pn ауысуының материалы мен қоспалау профиліне байланысты коэффициент, бұл коэффициент 2-ден 6-ға дейінгі мәндерге ие болуы мүмкін. Көшкіннің бұзылу кернеуі p және n аймақтарының қоспалау дәрежесіне байланысты. Сонымен, күрт p+ n ауысуы үшін (p+ - p аймағының ауыр қоспалануын білдіреді), бұзылу кернеуінің n аймағының легирлеу дәрежесіне тәуелділігі келесі түрде болады: (2.2) мұндағы Eg – эВ-дағы жолақ саңылауы, N – см-3 бойынша жеңіл легирленген аймақтағы қоспа концентрациясы. Әртүрлі материалдардан жасалған pn түйіспелері үшін күрт теңгерімсіз өтпе үшін сәйкес кернеудің қоспалау коэффициенті 2.6-суретте көрсетілген. 2.6-сурет. Асимметриялық сатылы ауысу үшін көшкіннің бұзылу кернеуінің қоспа концентрациясына тәуелділігі. Егер p және n аймақтары қатты легирленген болса, онда ОПЗ ені аз болады және туннельдік әсерге байланысты валенттік аймақтағы электрондардың күшті аймақта пайда болатын кедергіні жеңіп, өткізгіштік зонасына енуінің шектеулі ықтималдығы бар. электр өрісі. Туннель эффектісі электрондардың энергияны жеңгеннен кейін энергиясын өзгертпеуімен сипатталады, сондықтан бұл әсер орын алу үшін электр өрісі жолақтардың көлбеуін қамтамасыз ететіндей күшті болуы керек. электрондармен толтырылған валенттік зонаның деңгейлері рұқсат етілген жолақтың толтырылмаған энергетикалық деңгейлеріне қарама-қарсы аймақтар. 2.27-сурет. Суреттегі нүктелі сызық электрондардың біреуі еңсеруге тиіс потенциалдық кедергіні көрсетеді. Тасымалдаушы ауысуының туннельдік механизмі тек шағын ОПЗ енінде орын алатындықтан, бұзылудың бұл түрі төмен бұзылу кернеулерімен сипатталады. Тоннельдің бұзылуының ерекше белгілеріне бұзылу кернеуінің салыстырмалы түрде әлсіз температураға тәуелділігі де кіруі керек. 2.4 Жылулық бұзылыс 2.7-сурет. Термиялық бұзылу кезінде pn ауысуының ток-кернеу сипаттамасының кері тармағының түзілуін түсіндіретін диаграмма 2.8-сурет. Туннельдік ауысудағы бос заряд тасымалдаушылардың пайда болуын түсіндіретін энергетикалық диаграмма. Кері кернеудің жоғарылауымен торапта жылу түрінде бөлінетін қуат та артады, сондықтан салыстырмалы жоғары кері токтары бар pn өткелдері үшін pn өтуі қызып кетуі мүмкін, бұл өз кезегінде кернеудің жоғарылауына әкеледі. кері ток. Кері токтың артуы қосымша жылудың пайда болуына және сәйкесінше қосымша қыздыруға әкеледі, бұл кері токтың одан әрі өсуіне әкеледі. Осылайша, pn түйісуінде оң кері байланыс пайда болады, бұл термиялық тұрақсыздықтың пайда болуына әкеледі - термиялық бұзылу. Белгілі бір температураға сәйкес келетін P=UI=const ауысымында бөлінген қуаттың тұрақты мәнін сақтай отырып, pn өткелінің (ВАС) сипаттамаларын аламыз делік. 2.7-суретте әр түрлі температураларға сәйкес келетін кері токтар және түйісу температурасын анықтайтын диссипацияланған қуаттың тұрақтылығына сәйкес гиперболалық қисықтар көрсетілген. Бірдей температураға сәйкес келетін қисықтардың қиылысу нүктелерін қосатын болсақ, оның термиялық бұзылу жағдайындағы pn түйісу сипаттамасының кері тармағын аламыз. 2.7-суреттен көрініп тұрғандай, термиялық бұзылу кезінде pn өткелінің кері сипаттамасында теріс дифференциалды кедергісі бар қима пайда болады. Бұл бөлімде кернеудің төмендеуімен токтың ұлғаюы байқалады (токтың тұрақсыздығы). Токты шектеу үшін арнайы шаралар қабылдамасаңыз, онда диод істен шығады. Термиялық бұзылудың пайда болуының алғы шарты үлкен кері ток болып табылады, сондықтан мұндай бұзылу түрі шағын диапазондағы материалдарға негізделген құрылғыларда оңайырақ болады. 2.5 Күштік диодтар Күштік түзеткіш диодтар, әдетте, электр құрылғыларын қуатпен қамтамасыз ететін блоктарда жұмыс істейді, сондықтан, әдетте, олар қуатты және жоғары тиімділікке ие болуы керек. айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіру, жұмыс кезінде олардың параметрлерін өзгертпеу және олардың конструкциясы жылуды жақсы таратуды қамтамасыз етуі керек. Түзеткіш диодтар, әдетте, айтарлықтай қуатты тарататындықтан, олар қызады, бұл олардың түзеткіш қасиеттерінің нашарлауына әкеледі және pn өту температурасы белгілі бір мәннен асып кетсе, диод істен шығуы мүмкін, бұл өз кезегінде істен шығумен бірге жүруі мүмкін. бүкіл қуат блогының. Температураның pn ауысуына әсерін сипаттау үшін арнайы параметр енгізіледі - жылу кедергісі. Жартылай өткізгішті құрылғылардың жылу кедергісі жартылай өткізгішті құрылғыда бөлінетін қуаттың оны қыздыруға қалай әсер ететінін сипаттайды. Rt термиялық кедергісі [o/Вт] өлшенеді: (2.3) Tp - PN түйісу температурасы, Toc - қоршаған орта температурасы Rt мәні - құрылғының конструкциясына, атап айтқанда, кристалды бекіту әдісіне, корпустың дизайнына байланысты. Кристалл ұстағыш пен корпустың өзі неғұрлым массивті болса, құрылғының жылу кедергісі соғұрлым төмен болады. 2.9-суретте мысал ретінде екі қоршаудың жылу кедергісі бар конструкциялары көрсетілген. 2.9-сурет. Әртүрлі кедергісі бар диод конструкцияларының мысалдары: 1,2-төмен қуат, Rt = (100-200)/ Вт, 3-орташа қуат, Rt = 1-10°/Вт. жүктеу/скачать 125,08 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|