АЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

«Алматы энергетика және байланыс университеті»

Комерциялық емес акционерлік қоғамы

Ұ.Қ.Дегембаева, Б.М.Шайхин

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. ЖАРТЫЛАЙӨТКІЗГІШТІ АСПАПТАР МЕН ИНТЕГРАЛДЫҚ МИКРОСҰЛБАЛАР

Оқу құралы

Алматы 2010

УДК 621.3.049

ББК _____________

Микроэлектроника. Шалаөткізгішті аспаптар мен интегралдық микросұлбалар:

Оқу құралы / Ұ.Қ.Дегембаева, Б.М.Шайхин;

АЭжБУ. Алматы, 2009. – 79 бет.

ББК__________________

Шалаөткізгішті аспаптардың: диодтардың, биполярлы және өрістік транзисторлардын жұмыс істеу принциптері, сипаттамалары мен параметрлері қарастырылды.

Оқу құралы 050704 – Есептеу техникасы және бағдарламалық қамту, 050719 – Радиотехника, электроника және телекоммуникация және 050702 – Автоматтандыру және басқару мамандықтары бойынша оқитын студенттерге арналған.

Мазмұны

Кіріспе

1Анықтамалар 5

1.1 Физикалық электроника 6

1.2 Микроэлектроника 6

1.3 Үзіктілікті шалаөткізгіш аспаптар мен ИТ – дерді

өндіру технологиясы 7

1.4 Оптоэлектроника 7

1.5 Наноэлектроника - XXI ғасырдағы информациялық жүйенің

негізі 8

1.6 Наноэлектрониканың кванттық негізі 9

1.7 Шалаөткізгіштік кұрылымдардың модельдері 10

2.1 Коваленті байланыстың (КБ) моделі 11

2.3 Электрондар мен коваленттік байланыс(КБ) 11

2.3 Электрондар мен кемтіктер 11

3 Микроэлектроника негіздері 12

3.1 Терморезисторлар 12

3.2 Фотокедергілер 12

3.3 Тензокедергілер 14

4 Интегралдық микросхемалардың түрлері және жасалу

технологиясы 15

4.1. Интегралдық микросхемалардың пассивті, активті

элементтері 18

4.2 Монолиттік интегралдық схемалардағы элементтер мен

компоненттерді бірінен-бірін изоляциялау 20

5 Әрекеті р-n ауысуға негізделген жартылайөткізгіш аспаптар 25

5.1 Жартылайөткізгіш диодтар. Диодтың ВАС-ы 22

5.2 Диодтың кедергісі және сыйымдылығы 26

6 Ме-ШӨ түйіспесі 30

6.1 Диодтардың жіктелуі 32

6.2 Диодтардың қолдануы және белгіленулері 33

7. Кілт режімінде ШӨ аспаптарының жұмысы

Жалгаудың электрондық схемалары туралы жалпы мәліметтер 47

8 Биполярлық транзистордың құрылысы мен жұмыс істеу

қағидасы 50

8.1 Эмиттер тоғының беріліс еселеуіші (коэффициенті) 52

8.2 Дәріптелген (идеализированный) транзистор және оның

ВАС-ы.(Эберс-Моллдың математикалық нобайы) 54

8.3 Транзисторлардың динамикалық параметрлері 57

8.4 БПТ-нің статикалық сипаттамаларына температураның

әсері 60

9 Өрістік транзисторлар.Тәжірибе жүзінде дәлелдеген

транзистордың жұмыс істеу негізі 61

Кіріспе

Шалаөткізгіштерді электроника саласында қолдану күкіртті қорғасын (PbS) кристалынан жасалған бірінші детектордан қазіргі кезеңдегі, ауданы I cм2-тан кем кремнийдің (Si) жалпақ тілігінде орындалған микроЭВМ-ға дейін, ұзақ жол кешті. Бұл нәтиже технологияның табыстарымен байланысты, ал технология болса, физикалық электроникаға сүйенеді. Біздің заманда микроэлектрониканың дамуы шалаөткізгіштер физикасының, олардың негізінде жаңа құрылымдар (структуралар) жасау технологиясының және бұл құрылымдардың тәсімдерге (схемаларға) (ҮИТ) біріктіру жетістіктерімен үздіксіз ынталандырып тұрады. Аса күрделі электрондық жүйелердің сенімділігі төмен, сыртқы шектік көлемі (габариттері) үлкен және жарамайтындай өте жоғары тұтыну қуаты, үстіміздегі ғасырдың 60-жылдары дағдарыс жағдайына әкеліп соқты. Бұл дағдарысты интегралдық микроэлектроника саласындағы ойлардың (идеялардың) көмегімен жеңуге болады. Электрониканың бұл бағыты бүкіл дүниені билеп алып, қазір үздіксіз жетілдіруде. Бұл саланың тууымен электрондық аппараттарды жасау түбегейлі өзгерді. Физиктер, химиктер мен технологтар, тәсім және жүйе техниктер бірге күш салса ғана электрондық интегралдық тәсім (ИТ) туады. Қазіргі замандағы электрониканың орасан зор “ғимаратын” салғанмен, зерттеушілер өздеріне келесі сұрақтарды қойды: электрониканың жұмыс істеуі ең жақсы ма, оның шеше алмайтын міндеттері бар ма, ғылым-техникалық революция ұсынатын жаңа түйінді мәселелерді қойғанда қиындықтар туады. Расында да, ақпаратты (информацияны) көзбен шолатындай етіп бейнелеу, оптикалық құбылыстардың қатыстыруын әрқашанда керек қылады. Міне, сондықтан, болашақ ақпараттық жүйелерді жасау тәсімдердің жаңаларының арасында, оптоэлектроника маңызды орын алады. Оптикалық құбылыстардың ерекшеліктері электрондық құбылыстармен үйлесте (тіркесте) оптоэлектрондық ақпараттық жүйелерге (ОАЖ) жаңа, зор мүмкіншіліктер істеп береді. Яғни, оптоэлектроника, оптика мен электрониканың мүмкіншіліктерінен асып түседі.
Кейбір анықтамаларға көшкенге дейін, ең алдымен, келесі бетте көрсетілген көзқарас жүйесінің кестесін (диаграммасын) қарастырайық. Бұл кесте осы курс пәндерінің арасындағы ішкі байланыстарын бақылауға мүмкіндік береді де, оқулықтың мазмұнымен таныстырады. Осындай көзқарас жүйесінің кестелері оқу құралында анықтама ретінде жиі келтіріледі. Оқырманға кестелерді, олардың құрылымы мен мазмұнын өз бетімен таңдап, жиі сызуына кеңес береміз. Бұл күмәнсіз, оқылатын материалдың нәтижелі, терең меңгерілуін арттырады.

1. Анықтамалар

Білімнің қай саласына болса да, анықтама беру әрдайым қиын болып келеді, себебі бұл жағдайда негізінен бір тұтас болып келетін бұл саланы бөлуге тура келеді. Соның өзінде де әлдебір ғылым саласының нақтылы объектілерін ретке келтіреміз десек, бізге санақ нүктелері керек болып шығады. Осы мақсатымызға жетуге ғылыми түсініктер көмектесе алады. Сондықтан, тәуекел деп, алдыңыздағы кітапта қарастырылатын физикалық электроника, микроэлектроника, микроэлектрондық технология және оптоэлектроника деген білім салаларына мағыналы анықтамаларды беріп көрейік.

1.1 Физикалық электроника

Сөздердің өз мағынасы бойынша физикалық электроника деп, қозғалыстағы электрондар ағындары тудыратын электр тоғын пайдаланумен айналысатын, оны зерттейтін ғылым саласын айтады. Тәжірибе жағынан үйлесетіндей етіп, анықтаманы басқаша да беруге болады. Мысалы, кейбір қатты денелердің электрондық қасиеттерін, электронды жинап, белгілі жерге жеткізе алатын құрылғыларды жасауға жарайтын материалдарды дайындау тәсілдерін зерттейтін ғылым саласын физикалық электроника деп те, атауға болады. Соңғы беріліп отырған анықтама физикалық электрониканы микроскоптық деңгейде болатын құбылыстардың көзқарасын сипаттайды. Бұл құбылыстардың шын мәніндегі көрінісін аңғарамын деп ұмтылушы физикке, мейлінше кішкентай материалдық дүниедегі болатын тәсілдер әрқашанда аса қызық болып көрінеді. Әлбетте, физиктер мен инженерлер заттардың барлық қасиеттерін тексеруге ұмтылмайды, олардың тек қана электрондық қасиеттерін зерттейді. Кез келген материалдарды қарастырмай, олар сипаттамалар өндіріс құралдарында қолдану көзқарасынан қызықтыратын шалаөткізгіштерге ғана ерекше көңіл аударады. Электрониканың қолданбалы немесе өнеркәсіп электроникасы деп аталатын және онымен тығыз байланысты тәсім-техникасы (схемотехника) делінетін сала тарамы бар екенін ескертейік. Физикалық электрониканың жетістіктері негізінде сақталатын ақпаратты сақтау, түрлендіру және жеткізу құрылғыларын дайындау, бұл салалардың міндеті болып табылады.

1.2Микроэлектроника

Физикалық электрониканың үздіксіз дамуы айрықша мәнді кезеңге – микроэлектрониканың пайда болуына жеткізеді. Кремнийдің өте кішкене (миниатюралы) жұқашаларынан немесе тұтас жиынтықтарынан орындалған, құрамындағы элементтердің тығыздығы жоғарғы дәрежеде болатын интегралдық тәсімдердің (ИТ) физикалық және техникалық мәселелерімен айналысатын ғылым мен техника саласын микроэлектроника деп атауға келісілген. Қысқасы, микроэлектроника дегеніміз, керекті қасиеттері бар әртүрлі элементтердің жасалынуымен айналысатын сала. Бұл элементтерге жататындар: жалғаулық өткізгіштер, актив элементтер (биполяр мен өрістік транзисторлардың құрамына кіретін p-n және металл-шалаөткізгіш өткелдері), сондай-ақ пассив элементтер (резисторлар мен конденсаторлар). Жоғарыда аталып өткен барлық элементтер өздерінің оқшаулағыш (изоляциялаушы) пен өткізгіш аймақтарымен көбіне кремний немесе басқа шалаөткізгіштің беті мен көлемінде бір төсеніште (подложкада) жасалады. Сондықтан, бұл салада қабыршақтардың (пленкалардың) өсетін орындары мен қалыңдығын, сондай-ақ төсенішке енгізілетін қоспалардың үйірленуін (концентрациясын) басқаруға мүмкіндік беретін тәсілдер қолданылады. Бұның нәтижесінде күшейту, есте сақтау, сигналдарды ығыстыру және т.б. амалдары ИТ (интегралдық тәсімдер) жасалады. ИТ мен қатар үзіктілікті элементтерден жиналған электр тізбектері қолданбалы электроника зерттейтін объектілер болып табылады. Бұның бәрі физикалық пен қолданбалы электрониканың өзара байланысы бір-біріне еніп кеткендігін көрсетеді.

1.3. Үзіктілікті шалаөткізгіш аспаптар мен ИТ – дерді өндіру технологиясы

Үзіктілікті шалаөткізгіш аспаптар электроникасы және онымен қоса, қазіргі уақытта маңызы басым болып жүрген планарлық микроэлектроника, - екеуі де белгілі бір технологияға сүйенеді. Бұл атаумен түпкі бұйым – үзіктілікті аспап немесе ИТ жасауда берілген жүйелілікпен қолданылатын ережелерді, нормалар мен талаптардың жинағын, сондай-ақ материалдарды, жоспарлау тәсілдері мен өндіруді белгілеуге келіскен. Планарлық технологияны шалаөткізгіш аспаптар дайындаудағы жеке технологияларының біріктірілуі ретінде қарастыруға болады. ИТ – тердің пішіннамалық (геометриялық) өлшемі немесе біріктірілу дәрежесі, тұтынушылық қуаты, тез әрекеттілігі мен сенімділігі сияқты сипаттамалары пайдаланылатын технологияның түрімен елеулі байланысты.

1.4 Оптоэлектроника

Оптикалық және электрондық құбылыстар физикалық тұрғыдан өзара терең байланысты. Жарық генерациясы (пайда болуы) – бұл электрондық құбылыс. Кері құбылыс – жарық көмегімен электр энергиясын алу – жақсы белгілі, мысалы, күн батареясы. Жарық пен электрдің өзара түрленуімен байланысты болатын оптоэлектрондық құбылыстардың қолданылып жүрген эффекілері мыналар: электрооптикалық эффект; Фарадей эффектісі және оған тектес құбылыстар; рекомбинациалық сәулелену; фотоөткізгіштік және оған тектес құбылыстар; электролюминесценция; Франц – Келдіш эффектісі; басқармалы қоспалы, экситондық пен плазмалық жұту мен шағылысу; фотохромдық, фототермопластикалық эффектілер және т.б. Сонымен, қорыта келгенде, электроникаға сәйкес оптоэлектрониканы, заттардың ішіндегі оптикалық пен электрондық құбылыстарды байланысты түрде зерттейтін, олардың негізінде жаңа аспаптар (элементтер) мен ақпараттық жүйелердің жасалынуымен айналысатын ғылым саласы деп анықтауға болады. Шартты түрде оптоэлектрониканы мына төмендегі үш салаға бөліп жүр.

1) Фотоника. Бұл салада тек қана оптикалық сигналдар түрінде берілген ақпаратты сақтау, жеткізу, өңдеу мен бейнелеу үшін қолданылатын құрылғыларды жасау әдістерімен айналысады.

2) Радиооптика. Бұл сала радиофизика қағидалары мен әдістерінің оптикада қолданылуымен айналысады.

3) Оптроника. Ішкі оптикалық байланыстары бар электрондық құрылғыларды (оптоэлектрондық тәсімдер делінетін) жасау әдістерімен айналысады.
Оптоэлектрониканың өте маңызды, жақсы жақтары келесі:

а) жарық шоқтарын қолданғандықтан, тәсім элементтеріне өз еркімен әрекет істеуіне мүмкіндік беріп, гальваникалық байланыстардан босану (құтылу) және кері оптикалық байланыстарды ұйымдастыру мүмкіншілігі;

ә) сигналдардың бір бағытта ғана (жарық көзінен қабылдағышқа) тарауы;

б) оптикалық сигналдар демеуіштерінің (параметрлерінің) тек қана уақытқа тәуелділігі емес (таза электрондық жүйелердегідей), сондай-ақ мекендіктерге (координаттарға) тәуелділігі, яғни тұтас кескіндермен немесе кеңістіктегі жарық шоқтарының орналасуының өзгеруімен жұмыс істеу мүмкіндігі;

в) жарық шоқтарының демеуіштерінің көбін пайдаға асыру мүмкіндігі (интенсивтік, жиілік, фаза, поляризация);

г)оптикалық жалғау аралықтарынаң бөгеуілдеулердің (“наводкалардың”) түсуінен жақсы қорғану;

ғ) оптоэлектрондық тәсімдердің шыға берістерінің жоғары жүктемелікке қабілеттілігі;

д) аралық өзгертулерді таза оптикалық ету мүмкіндігі (дифракция, интерференция, голографиялық тәсілдерді қосқанда);

е) оптикалық тербелістер жиілігінің жоғарылығы және онымен байланысты аса кең жолақты құрылғыларды жасау мүмкіндігі.

1.4 Наноэлектроника - XXI ғасырдағы информациялық жүйенің негізі

Наноэлектроника ғылым мен техникадағы жаңа бөлім, қазіргі замандағы қатты заттар физикасы, кванттық электроника, физикалық химия және жартылайөткізгіштік электроника технологиясы негізінде құрылады. Наноэлектроника облысын зерттеу жаңа принциптерді өңдеу үшін, сонымен қатар информацияны өңдеудің миниатюрлі және тез әсерлі жаңа саты пайда болды.

Информацияны тарату, өңдеу, алу операцияларын құрайтын құрылғылар «информациялық жүйе» ұғымын құрайды. Бұл құрылғылар сыртқы әсерді (дауыс, қысым, температура, ортаның химиялық құрамасы) электрлік сигналға түрлендіретін әртүрлі датчиктер; бұл электронды жүйелі түрлендіргіштер және де компьютерлік технология негізінде осы сигналдарды өңдеуіштер, сонымен қатар ол радиобайланыс және телекоммуникация. Бұл жүйедегі информация үзіліссіз электрлік сигнал ретінде –информацияны кодтаудың аналогты формасы немесе тізбектелген электрлі импульс ретінде – кодтаудың цифрлық формасы ретінде беріледі. Аналогты кодтау кезінде керекті информация үзіліссіз электрлі сигналдың сәйкес тербелісінің амплитудасы және жиілігімен беріледі. Цифрлық формада информация екілік кодта болады, ол электрлі импульспен беріледі, логикалық жағдай «0» болса, электрлік кернеу (немесе ток) болмайды, ал «1» болса электрлік кернеу (немесе ток) болады. Цифрлық кодтардың қателерден және бөгеттерден қорғанысы, есептеуіш жүйелердегі өңдеудің үлкен жылдамдығы және байланыс каналдары арқылы өтетін информацияның үлкен тығыздықтағы берілуі, олардың жаңа информациялық жүйелерде кең таралуына негіз болды. Олардың негізгі элементі болып логикалық 0 және 1 тұрақты электрлі жағдайға сәйкес келетін электронды прибор. Осындай конструкцияға сәйкес және олардың электроникадағы даму эволюциясы 1- суретте көрсетілген. Олардың қарапайымы механикалық кілт болып табылады, электрлі тізбекті қосып және ажыратып екі аталған логикалық жағдайды іске қосады.

1- Сурет Информациялық жүйелердің элементтері

1.5 Наноэлектрониканың кванттық негізі

Кванттық механика тұрғысынан электрон толқын түрінде беріледі, ол сәйкес толқындық функциямен жазылған. Бұл толқынның наноразмерлі қатты денелі құрылымдарда таралуы кванттық шек қоюмен, интерференциямен және потенциалды барьер арқылы туннельдеуіне байланысты эффектілермен басқарылады.

2. Шалаөткізгіштік кұрылымдардың модельдері

Кейбір түсініктердің, идеялар мен елестер жиынтығын немесе белгілі бір математикалық тұрпатты (форманы) “модель” атауымен белгілеу келісілген. Физикалық құбылыстарды, олардың қасиеттерін модельдер көмегімен сипаттау, бір жағынан қисынды түсіндіруге мүмкіндік береді, ал екінші жағынын – кейбір ерекше жағдайларда, модель бұрын белгісіз жаңа ақиқаттарды (фактілерді) ашуға әкеліп соғады. Бұл атаудың жалпы анықтамасы осындай. Біздің бөлетін модельдердің қысқаша сипаттамаларын келтірейік. Ковалентті байланыстың (КБ) моделі қарапайым болғандықтан қолданылуы шектелген, ал құндылығы шалаөткізгіште жүретін тасымалдау тәсілін интуициялық деңгейде сипаттай алатындығында. Бұл модель кристалдық қатты денелердің ішіндегі физикалық тәсілдерді сапалық түрде қарастыруға мүмкіндік береді. Ал бұл жағдайда табылған мәліметтер математикалық тұрғыдан қатал зерттеудің алдындағы кезеңде өте қажет. Энергетикалық зоналар (ЭЗ) моделі ең жиі қолданылатындардың қатарына жатады, себебі шалаөткізгіш құрылымдардың ішіндегі тасымалдау құбылыстарын мөлшерлеп есептеу тұрғысынан қарастыруға мүмкіндік береді. Модель шимақтық немесе талдамдық түрлерінде қолданылады. Үстіртін қарастырған кезде әдетте КБ-моделінен бастап, соңынан ЭЗ-моделіне көшеді. Бұл жағдай шалаөткізгіштегі заряд тасымалдаушылардың – электрондар мен электрондық кемтіктердің (келешекте жай кемтіктер деп аталатын) қозғалу физикасын жан-жақты зерттеп тануға мүмкіндік береді. Математикалық модель кейбір физикалық болжауларға сүйеніп, олардың негізінде шалаөткізгіштік материалдар мен құрылымдардың ішіндегі құбылыстардың математикалық тұжырымдарын береді. Назария (теория) жүзіндегі зерттеулердің негізгі құрал-сайманы болып есептеледі. Ұқсастық (аналогтық) моделі немесе балама тәсім, ең көп таралған. Құндылығы – тәжірибе жүзінде пайдаланудағы ыңғайлылығында. Жалпы жағдайда токтар мен кернеулердің арасындағы байланыстары көрсетілген кейбір “қара жәшік” түрінде қарастырылады. Осы себептерден құрылымның ішіндегі физикалық құбылыстарға тек жанама қатысы бар.

2.1 Коваленті байланыстың (КБ) моделі

Құрылым ерекшеліктеріне байланысты қатты денелерді: аморф, поликристалл және монокристалл түрлеріне бөлуміз. Аморф заттардың белгілі бір құрылымы болмайды. Поликристалдар бөлек түйіршіктерден немесе шағын аймақтардан тұрады. Әр түйіршіктің анық білініп тұратын құрылымы бар, бірақ көршілес түйіршіктердің өлшемдері, олардың бағдарлануы мүлде ерекше. Кеңістікте атомдары реттеліп, кристалл торы деп аталатын үш өлшемді оралымды (периодты) құрылымды түзетін заттар – монокристалдар. Керекті қасиеттерді қамтамасыз ету үшін шалаөткізгіш құрылымдар мен ИТ-дер монокристалдардан жасалады. Олардаң арасындағы мәні ең зоры – кремний (Si) монокристалы. Қазіргі кезге дейін Si бәрінен жиі қолданылады. Монокристалдардың қайсысында болса да, заряд тасымалдау құбылыстарына елеулі әсер ететін құрылым ақаулары (дефектері) кездеседі. Ақаулар (мысалы, вакансиялар, дислокациялар мен түйіршіктердің шекаралары) монокристалды өсіру тәсілі кезінде технологиялық жеткіліксіздіктерден пайда болады. Атомдардың кристалдарға бірігуінің негізгі себепшісі – электрондар. Заттың ішінде атомдар бір-біріне жақын орналасқандықтан атом аралық байланыс пайда болады. Оларды иондық, металдық және коваленттік байланыстар деп, әртүрлерге бөледі. Иондық байланыс жағдайда электрондар атомнан атомға орын ауыстырады, соның салдарынан құрылымда иондар пайда болады. Металдық байланыс жағдайда оң таңбалы зарядтардан (иондардан) тұратын кристалл торы “электрон газымен” қоршанады (валенттік электрондар барлық атомдарға біржола ортақ). Аяғы коваленттік байланыс кезінде сыртқы электрондар (валенттік делінетін) ең жақын көрші атомдарға ғана ортақ. Сондықтан, ковалентті байланысқан қатты денелер әртүрлі кристалл торынан тұрады. Торлар түрі ковалентті байланыс бағыттарының арасындағы бұрыштармен айқындалады.

2. 2 Электрондар мен кемтіктер

Егер кеңістіктегі атомдар кристалл торын құра алатындай етіп жақындасса, араларында өзара тебу мен тартылысу байланыс күштері пайда болады. Байланыстың потенциялық энергиясы атом аралығының қашықтығына тәуелді. Атомдар арасындағы тартылу мен оларға қарама-қарсы бағытталған тебілу күштері әртүрлі физикалық орталарда елеулі өзгеше болып келеді. Мысалы, инертті газдарда, Ван-дер-Вальс күштері деп аталатын, әлсіз тартылысу күштері әсер етеді, ал металдарда негізінен металл типті тордың пайда болуына келтіретін күштер елеулі. Егер кристалл химиялық элементтердің периодтық жүйесінің I- тобы мен VII – тобының атомдарынан құрылған болса, оның ішінде иондық байланысқа тән электростатикалық тартылу күші басым болады. IV – топтың химиялық элементтерінен құрылған қатты денелер ковалентті байланысқан (КБ) атомдардан құрылады. Егер күрделі денелер II – ші мен VI – топтардың элементтерінен III-ші мен V-топтардың элементтеріне қосқанда пайда болса, кристалдық құрылым ионды-ковалентті байланысқан атомдардың қисындастырылуынан (комбинацияларынан) тұрады.

2.3 Электрондар мен коваленттік байланыс (КБ)

Егер кристалл атомдары өзара тікелей жап-жақын болса, атомдарының сыртқы электрондық қабықшаларында орналасқан валенттік деп аталатын электрондар бір-бірімен қйлысып қосылады. Бұның нәтижесінде едәуір атомаралық күш пайда болады. Қатты денелердің электрлік қасиеттері негізінен электрондардың үлесті

3 Микроэлектроника негіздері

3.1 Терморезисторлар

Терморезисторлардың жұмыс принципі жартылайөткізгіштер кедергісінің валенттік зонадан өткізгіштік зонаға электрондардың ауысуы немесе керcінше коршаған ортаның температурасының өсуі не кемуі яғни болмаса термистор бойымен өтетін токтан қызатын жартылайөткізгіш температурасының өзгерісі салдарынан температураға байланысты өзгеріміне негізделген. Терморезисторларды әдетте өтпелі металдардың тотықтарынан хром, марганец, никель, мыс, қалайы оксидтерінен дайындайды.

Термисторды сипаттайтындар:

1. 20⁰С кезіндегі кедергісі.R₂₀ кедергі термисторлардың әртүрлі типінде бірнеше омнан жүздеген килоом аралығында жатады.

2.Температуралық сезгіштік В коэффициенті. Бұл шама термистор кедергісінің өзгерісін Т₁ және Т₂ қос температурада өлшеу жолымен анықталады.

3. Кедергінің температуралық коэффициенті:

α_Т=1/R dR/dT=-B/T²

3. 2 Фотокедергілер

Фотокедергілер жарықтандыру кезіндегі ішкі фотоэффектіні пайдалану негізінде кедергісін өзгертеді. Фоторезисторлар үшін PbS, CdSe, Bi₂S материалдары пайдаланады. Бұл матреиалдар вакуумда тозандыру (PbS) арқылы, не жұқа таблетка, монокристалдық жұқа пластина түрінде изоляциялайтын шыны, слюда не керамика тағанға жабыстырылады. Одан әрі вакуумде тозаңдандыру арқылы металл электродтар жабыстырылады немесе қысқыш электродтар орнатылады.

Фоторезисторлардың интегралдық сезімталдығын вакуумдық фотоэлементтер сезімталдығынан ондаған мың есе жоғары болуы, дайындаудың оңайлығы, салмағы мен габаритінің шағындығы, фототок шамасының көптігі, басқару релесінде тікелей әрекет жасау мүмкіндігі- фоторезисторлардың артықшылығы бола отырып, ол техникада кеңінен қолданылады. Әйтсе де, фоторезисторлардың фототоктың жарықтандыру қарқындылығына сызықты емес тәуелділігі, фототоктың жарықтандыруға орай инерциялығы және температуралық тәуелділігі елеулі кемшілігі болып табылады. Егер фотокедергінің жыпылықтайтын жарықпен жыпылықтау жиілігін υ арттыра отырып жарықтандырса, онда фототок 2- суреттегідей өзгере бастайды.

2 Сурет.

Ауытқу жарық тудыратын электрондар мен кемтіктер қосақтарының релаксация уақытынан, сондай-ақ престелген ұнтақтан дайындалған фотокедергілерде сыйымдылық эффектісінің болуына байланысты. Фотокедергілердің қолданылуына тоқталайық. Олар өлшеу техникасында және телевизиялық беру түтігінде фотоэлектрлік түрлендіргіш ретінде, өлшеуіш құрылғы, әртүрлі реле және реттеуіш ретінде колданылады. Фотоэлектрлік релені штампылау престерінде қауіпсіздік техникасында, конвейердегі детальдарды санау үшін рулоннан келетін қағаз жыртылғанда ротациялық баспа машинасын тоқтату үшін пайдаланады.

Фотокедергілердің қасиеттерін сипаттайтын кесте

1.1 -кестесі

Параметрлері	Фотокедергілер мен материалдар түрі
Параметрлері	ФС-А PbS	ФСК-CdS поликристал	ФСК-МCdS монокристал	ФС-Д поликристалл CdSe
Ауданы, мм²	4х7	5х7	1х2	4х7
Спектрлік облысы,λ^*_мах,мкм	2,1	0,6	0,51	0,75
λ^*/ λ_мах		0,4-1,0		0,45-1,2
Меншікті сезімталдығы, мкА/лмВ	500	6000	6000	20000
I_c/I₀ катынасы	1,2	140	10⁵	500
Жұмыстық ток, мА	0,1	2	0,1	1000
0-40⁰С кезінде фототоктың температуралық коэффициенті (%)	1.5	-0.2	0.8	-2.5
Тұрақтысы,(t) сек	4х10^-5	2х10^-3	10^-5	5х10^-3

3.3 Тензокедергілер

Күрделі зоналық құрылымы бар жартылай өтгізгіштер бір жақты созу не сығу деформациясы кезінде меншікті кедергі айтарлықтай өзгереді. Бұл құбылыс механикалық кернеу және қысым өлшеу датчиктері үшін пайдаланады. Тензодатчик S=ΔR/Rε тензосезімталдық коэффициентімен сипатталады: мұндағы ε=Δl/l₀салыстырмалы деформация. Көп экстремумды бар тензорезистивтік эффект жартылайөткізгіштерде бір жақты деформация кезінде тор параметрлерінің ауытқуы бір-біріне қатысты экстремумдардың ығысуын тудыруға байланысты пайда болады.

Тензодатчиктер шағын деформацияларды, күш моменттерін өлшеуде, қысымды түрлендіруде т.б. қолданылады. Технологиялық, конструктивтік, схемалық шешімдердің арқасында электрондық аппаратураның салмағы, көлемін әлдеқайда кішірейтіп, тиімділігін, экономикалық пайдалылығын күшейтіп, сериялылығын жақсарту проблемаларын шешетін электрониканың күшті дамып келе жатқан жаңа саласы микроэлектроника деп аталады. Микроэлектрониканың негізінде электрондық компоненттердің жасалуы мен қолданылуының интегралдық принципі жатыр. Бұл принцип бойынша, әрбір компонент жекелеген транзистор, диод, резистор, конденсатор болып бөлінбей, ал олардың біріккен, біртұтас схемдық қосылысы ретінде электрондық аппаратураның жеке бөлшегі, немесе тұтас қондырғысы болып табылады. Басқаша айтқанда, интегралдық микросхема (ИМС) дегеніміз бұл бір технологиялық процесспен жасалып шыққан, өзара электорлық қосылысы бар, жалпыға ортақ корпусқа салынған, біртұтас бөлінбейтін активтік элеменнтер (транзисторлар, диодтар) мен пассивтік элементтерден (резисторлар, конденсаторлар) құрылған микроэлекторндық бұйым.

4 Интегралдық микросхемалардың түрлері және жасалу технологиясы

Конструктивті – технолнологиялық белгілері бойынша интегралдық микросхемалар жартылайөткізгіштік (монолитті), пленкалық, гибридтік және бір-бірімен сыйысқан ИМС-тар деген кластарға бөлінеді.

Жартылайөткізгіштік ИМС-тарда барлық элементтер жартылайөткізгіш технологиялық операция процесінде ортақ жартылайөткізгіш астарлық қабаттың (кремнийдің кристалы) үстінде жасалынады.

Пленкалық интегралдық микросхемаларда барлық элементтер диэлектриктен жасалған табанның (пассивті астарлық қабат) үстіне жұқа қабыршық болып жапсарылады.Қалың пленкалы және жұқа пленкалы ИМС-тар бар.

Гибридті ИМС-тарда пассивті элементтер (резисторлар, конденсаторлар) диэлектрлік астарлық қабаттың үстіндегі жұқа пленка (қабыршақ) түрінде жасалып, ал активті элементтер (диодтар, транзисторлар) жеке-жеке өте кішкентай көлемді (микроминиаторлы) жасалып, схема тұрған платонның үстінен орын алады.

Бірімен-бірі сыйысқан ИМС-тарды жартылайөткізгіш және пленкалық микросхемалардың технологиясы негізінде жасайды, яғни транзисторлар мен диодтарды жартылайөткізгіштік ИМС-тардікіндей жасап, ал пассивті элементтер мен өзара қосылыстарды пленкалар түрінде астарлық қабаттың үстіне салады.

ГОСТ 17021-75 бойынша, бір микросхеманың корпусының ішіндегі элементтердің санына байланысты алты дәрежелі интеграция бар:

бірінші дәрежелі – 1-ден 10-ға дейін,

екінші дәрежелі - 10-нан 10 –ге дейін,

үшінші дәрежелі - дейін,

төртінші дәрежелі - дейін,

бесінші дәрежелі - дейін,

алтыншы дәрежелі - дейін элементтер санынан тұрады.

Көбіне 100-ден артық элементтері бар интегралдық микросхемаларды үлкен интегралдық микросхемалар (орысша қысқаша БИС) деп атайды.

Сонымен интегралдық микросхема дегеніміз біркелкі технологиялық циклда, бір бүтін көлемде немесе жартылайөткізгіш кішкентай кристалдың үстінде біртұтас жасалған, активті және пассивті элементтерден, оларды қосатын және қосылғыш элементтерден тұратын функционалдық (күшейткіштік, түзеткіштік, генераторлық және тағы басқалары) түйін. Жартылайөткізгіштік микросхемаларды жасау үшін диаметрі 30÷60 мм, жалпақтығы 0,25; 0,4 мм болатын кремнийдің монокристалды пластикаларын қолданады. Бір пластинкада бірден саны көп /300÷500-дей/ бірдей функционалдық структуралар (элементтер мен өзара қосылғыштар тобы) группалық әдіспен істеледі.

Жартылайөткізгіштік микросхеманың элементтерін қалыптастыру үшін, яғни транзисторларды, диодтарды, резисторларды дайындап бірімен-бірін қосып немесе бірімен-бірін изоляциялап схема құру үшін мынандай технологиялық процесстерді қолданады:

1) кремнийді тотықтыру;

2) фотолитография,

3) диффузия,

4) эпитаксиальды өсіру;

5) металлизация.

Бұл процесстердің әрқайсысын жеке-жеке қарайық.

1) Кремнийді тотықтыру. Жартылайөткізгіштік интегралдық микросхемаларды өндіруде, диэлектрлік, қорғайтын және маскалайтын (кірме атомдардың жергілікті диффузия процессін жүргізгенде кейбір жерге кірме атомдарды өткізбейтін маска ретінде қолданатын) қасиеттері бар кремнийдің қос тотығы маңызды рөл атқарады.

Кремнийден жасалатын интегралдық микросхемаларды планарлық технологиямен дайындаған кезде әртүрлі тотықтырғыш ортадағы: құрғақ және ылғалды оттегіде, немесе судың буында жоғары температурада кремнийдің тотығу процессі жүргізіліп, оның тотығы алынады.

2) Фотолитография. Микросхемалардағы элементтердің берілген орналасу реті мен конфигурациясын сақтап жасау үшін фотолитография әдісін қолданады. Астарлық қабатта схема суретінің көшірмесін алу үшін алдымен схеманың фотооригиналын жасайды, осыдан кейін фотошаблон дайындалады. Фотооригинал дегеніміз - өте үлкен дәрежелі дәлдікпен үлкейтілген масштабта (100:1, 200:1, 500:1) микросхеманың структурасының әрбір қабатының конфигурациясын көрсетіп, әдейі арнап жасалған чертеж. Фотошаблон дегеніміз - өте жоғары дәлдікпен 1:1 масштабта мөлдір материалға фотосуретке түсіру арқылы жасалған фотооригиналдың негативтік немесе позитивтік бейнесі. Фотошаблондарды дайындау үшін айырғыштық қабілеті 1 мм-де 1200 сызыққа дейін жететін фотопластикалар мен жоғары айырғышты оптика қолданылады. Соңғы уақытта элементтің өлшемі 0,7÷0,4 мкм микросхемалар бар.

3) Диффузия. p-n өткелдерін алу үшін жартылайөткізгішке кірме атомдар кіргізетін әдіс ретінде диффузия маңыздылығы бойынша бірінші орында тұрады. p-n өткелдерінің қасиеттеріне микросхемалардың негізгі сипаттамалары тәуелді болғандықтан, ал p-n өткелдерінің қасиеттері диффузия арқылы жартылайөткізгіштерде пайда болатын кірме атомдардың роналасуына байланыстырылғаннан, диффузияға мынандай өте қатты талаптар қойылады, кіргізілген кірмелердің саны мен орналасуы, температура мен кіргізу уақыты өте қатаң қадағалануға тиіс.

4) Эпитаксия. Эпитаксия деп кристалл торының құрылысы, астарлық қабаттың құрылысын (структурасын) қайталайтын жартылайөткізгіш жұқа қабаттардың бағдарлап, жалғаса өсу құбылысын айтады. Жартылайөткізгіш жұқа қабаттардың (пленкалардың) эппитаксиальдық жалғана өсуі, кірмелердің диффузиясымен бірге жартылайөткізгіштік микросхемалардың транзисторлық структураларын алуға қолданылады.

Жартылайөткізгіш интегралдық технологиясындағы пленкаларды эпитаксиальды жалғаса өсіру әдістерін пайдаланудың мынандай бірқатар жақсы жақтары бар:

а) анықталған бағдарлы криссталлографиялық осьтері бар монокристаллдық жұқа қабыршақты жартылайөткізгіштерді алу мүмкіндігі;

б) жәй дифузияға қарағанда жақсы сипаттамалары бар транзисторларды алу мүмкіндігі;

в) пленкалардағы кірмелердің бірқалыпты орналасу мүмкіндігі (кірмелер диффузиясында бұл іс жүзінде тіпті мүмкін емес);

г) транзисторлық структураларды дайындап алу операциясының уақыттың қысқаруы (эпитаксиальдық пленкалардың өсу жылдамдығы өте жоғары, 5 мкм/мин 1270^°С температурада).

5) Металлизация. Микросхемалардың планарлық структурасында схема аралық қосылыстар қостотықты кремнийдің изоляциялық қабатының үстіне салынған металл пленкалар арқылы жасалады. Схема аралық қосылыстарды құру процессі металлизация деп аталады. Ол үшін алтын, никель, қорғасын, күміс, хром, алюминий сияқты металдар пайдаланылады. Өткізгіштер мен контактық аудандардың керекті суреті фотолитография әдісі бойынша жасалады. Өткізгіштердің жуандығы мен олардың ара қашықтықтары 10÷13 мкм.

4.1. Интегралдық микросхемалардың пассивті,активті элементтері.

Енді микросхемалардың пассивті жіне активті элементтерінің жасалу технологиясына байлнысты кейбір ерекшеліктері мен құрылымдарын қарап өтейік.

Бұларға резисторлар, конденсаторлар, индуктивтік катушкалар және схема аралық қосылыстар жатады.

Жұқа пленкалы ИМС-тарда резисторлар өткізбейтін табанның (астарлық қабаттың) үстіндегі екі контактінің арасына салынған жолақшадан немесе белгілі конфигурациялы пленкадан тұрады.

Резистордың кедергісін пленканың геометриялық өлшемдерін (енін, ұзындығы және жуандығын) өзгертумен қатар, пленканың материалын басқа материалмен ауыстырып та өзгертуге болады.

Металл пленкалы резисторларды нихромның, танталдың нитридының буларын тұндыру арқылы немесе керметтер деп аталатын металлдар мен диэлектриктердің қоспасын жасайды. Керметтерді қолдану арқылы жоғары үлестік кедергілі резисторды жасауға болады. Оларды астарлық қабатқа хром мен кремнийдің монототығының буларын бірден қатар тұндыру арқылы алуға болады.

Монолитті (біртұтас) ИМС-тарда резистордың ролін, соның ішкі көлемінде монолиттік ИМС-тағыжасайтын монокристалл жартылайөткізгіштің жеке ауданының көлемдік кедергісі атқарады.Бұл жағдайда кристалл астарлық қабат болып табылады.

Көбіне резисторларды, резистордың зонасын шектеген маска арқылы кірмелерді жергілікті диффузия жасау жолмен алады. Бұл процессте астарлық қабатта бірден осыған сәйкес транзисторлардың базалық және эмиттерлік қабаттары пайда болады. Осы диффузия технологиясымен жасалған резисторлар диффузиялық деп аталады. Бұл резисторлар базалық диффузия процессі жүріп жатқан уақытта жасалынады, яғни барлық транзисторлардың базалық қабаттары жасалып жатқан кезде олармен бірге бір уақытта істеледі.

Атап өткен жөн, ИМС-тарды жасағанда әрбір стадияда, әрбір кірменің (донорлық немесе акцепторлық) түрінің екі этапты диффузиясы жүргізіледі. Осындай диффузия процессі кезінде жартылайөткізгіштің үстінде тотық қабат пайда болады, бұл қабат келесі диффузияда (ИМС транзисторларының эмиттерлерін жасау процессі), бұдан бұрын жасалынған диффузиялық резисторды, оған кірмелердің кіріп кетуінен қорғайды. Содан кейін фотошаблондардың көмегімен фотолитография әдісін қолдана отырып, қышқылмен өңдеу арқылы контакт болатын жерлерден тотық қабаттар жойылады. Осы пайда болған терезешіктерге вакуумде, резистордың контактары болып табылатын алюминийді тозаңдатып жапсырады.

Диффузиялық резистордың резистордың R эквиваленттік схемасына, коллекторлық өткелі эпитаксиальды пленка мен астарлық қабаттан тұратын, ал эмиттерлік өткелі резистордың қабаты мен эпитаксиальды пленкадан тұратын транзистор кіреді. Контактар мен қосылғыш электродтардың кедергісі эквиваленттік схемада R₁ резисторы түрінде көрсетілген. Диффузиялық резисторлардың кедергісі 30 комнан аспайды, жасау қателігі 10÷20% . Барьерлік сыйымдылықтар С₁және С₂-ның шамалары кішкентай, оларды есептемей-ақ қоюға болады.

ИМС-тарда екі түрлі конденсаторлар қолданылады. Жұқа пленкалы және p-n өткелінің барьерлік сыйымдылығын пайдаланатын конденсаторлар.

Жұқа пленкалы конденсаторлар (56,а-сурет) металл диэлектрик-металл болып үш қабатты структурадан тұрады. Диэлектрик ретінде тантал тотығы Та₂О₅, цинк сульфиді Z_nS, алюминий тотығы А₂О₃ және кремнийдің монототығы SiO немесе германиидың монототығы GeO қолданылады.

Кей кездерде конденсатордың астары ретінде, үстінде тотықтандыру әдісімен диэлектрик SiO-ның қабаты салынған кремниилік астарлық қабат (монолиттік ИМС-тарда) қолданылады. Ал диэлектриктің үстіне содан кейін екінші астар тозаңдатып жасалады.

Осы аталған технологиялық әдістермен үлестік сыйымдылығы 1000 пф/мм²-қа жететін конденсаторлар жасауға болады. Бұдан үлкен сыйымдылығы бар конденсаторларды жасау мүмкіндігі жоқ болғандықтан көбіне ИМС-тарды конденсаторсыз қалыптастыруға тырысады.

ИМС-тарды құру жолында индуктивтік катушкаларды жасау көп қиындық тудырады. Қазіргі уақытта кішкентай үлестік кедергісі бар материалды астарлық қабатқа индуктивтік катушка жасайтын жұқа пленка ретінде тұндыру арқылы орындалатын жұқа пленкалық технология қолданылады. Индуктивтік катушканы орамдары жиі орналасқан спираль түрінде жасайды (57-сурет). Индуктивтіктің номинальды шамалары 10 мкгн-ден аспайды. Индуктивтік катушкалардың өлшемдері ИМС-тің басқа элементтерінің өлшемдерінен үлкен болып келеді. Сондықтан да ИМС-тарды индуктивтік катушкаларсыз жасауға ұмтылады.

Активті элементтері

Жартылайөткізгіш интегралдық микросхемаларда биполярлық және МДП транзисторлар қолданылады. Олар монолиттік технологиямен жасалады және n-p-n тектес транзисторлар пайдаланылады, себебі бұлардың электрлық параметрлері p-n-p түрлеріне қарағанда әлдеқайда жақсы болады.

Эпитаксиальды- планарлық транзистордың жасалу технологиясына тоқталып өтейік. Осы транзистордың жасалу этаптары мынандай:

1) n-тектес астарлық қабат тазаланып, жалтырланады;

2) оның үстіне эпитаксиальды қабат өсіріледі (қалыңдығы шамамен

15 мкм).

3) эпитаксиальдық қабаттың үстіне изоляциялық қабаты салынады;

4) тиісті масканы қолдана отырып, химиялық қышқылмен өңдеу және фотолитография әдісімен изоляциялық қабатта «терезе» жасалады;

5) осы терезе арқылы диффузияның көмегімен р-тектес кірмелер (көбіне бор) кіргізіледі, осылай база жасалады.

6) конструкцияны тегіс тағы SiO₂ изоляциялық қабатымен жауып тастайды.

7) екінші рет химиялық қышқылмен өңдеу және фотолитография әдісін қолдану р - зонасының орталық ауданында жаңа «терезе» ашуға мүмкіндік береді;

8) осы «терезе» арқылы диффузияның көмегімен n-тектес кірмелер (ФОСФОР) кіргізіліп, эмиттер жасалады;

9) барлық конструкция үшінші рет SiO₂ қабатымен жабылады:

10) эмиттер мен базаның қосылғыштары үшін өте кішкентай ойықтар жасау үшін, үшінші рет фотолитография әдісін қолданамыз.

11) осы ойықтарға металл (Al) қабаттар жапсырамыз – бұлар контакттық аудандар болып табылады. Оларға эмиттер мен базаның сыртқы қосылғыштары (электродтары) қосылады. Сол сияқты коллекторлық (астарлық) қабатқа да металлдық қабат жапсырылып, сыртқы қосылғыш сым жалғанады.

Аталып өткен процесстер группалық әдіспен жүргізіледі, сонда бір пластинкада ондаған, жүздеген микросхемалар жасалады, ал әр микросхеманың өзі көптеген транзисторлардан тұрады.

Жартылайөткізгіш микросхемалардың диодтарын биполярлық транзисторларағындай диффузиялық (эпитаксиальдық) қабаттар мен өткелдердің негізінде жасайды.

4.2 Монолиттік интегралдық схемалардағы элементтер мен компоненттерді бірінен-бірін изоляциялау.

Монолиттік интегралдық микросхемаларды бәрін ортақ бір жартылайөткізгіш астарлық қабаттың үстінде жасайтындықтан кейбір элементтер мен компоненттерді бірінен-бірін изоляциялау керек. Мұнда интегралдық микросхеманың компоненті деп экплутация, тексерілуі, алынуы бойынша және бұйым ретінде қарауға болатын қайсыбір болмасын электрорадиоэлементтің функциясын атқаратын микросхеманың бөлігін айтады. Изоляция жасағанда негізінен көп тараған екі әдіс бар: кері бағытта қосылған қосымша p-n өткелдерінің көмегімен немесе SiO₂ –ден жасалатын диэлектриктік қабаттың көмегімен.

Бірінші әдіс бойынша әрбір элементке p-n өткел керек. Бұл жағдайда элементтерді бөлу эпитаксиальдық қабатты өсіру және тотықтыру операциясы арқылы жүргізіледі. Тотықпен жабылған эпитаксиальдық қабаты бар астарлық қабаттың үстінен фотолитография әдісімен изоляциялық контур үшін «терезелер» ашылады да, астарлық р-тектес қабатпен диффузиялық р-облыстар біріне-бірі жабысып, қосылып кететіндей қылып, бордың қоспа атомдарын тереңдетіп кіргізіп, қос диффузия жасайды.

Осылай жасалған р-n өткелдер өздеріне берілген кері кернеумен қосылып, кедергілері өте үлкен болып, компоненттерді бірімен-бірін изоляциялайды. Бұл изоляцияда жабық р-n өткелінің паразиттік сыйымдылығы және кері токтың әсерінен туатын шамасы температураға, әрі жеке компоненттердің түріне байланысты болатын кему тогы бар.

Бұған қарағанда SiO₂ пленкасымен изоляциялаған жақсы нәтиже береді. Мұндай изоляцияны былай жасайды. Фотолитография және қышқылмен өңдеудің көмегімен астарлық қабатта ойықтар жасалады. Сосын оның үсті тотықтандырылып, SiO₂ қабаты жасалып, үстінен электр өткізгіштігі n-тектес эпитаксиальдық пленка өсіріледі. Осыдан кейін пластинка SiO₂ қабатына жеткенге дейін сүргіленеді. Сонда эпитаксиальдық оралшықтар ойықтарда ғана қалады да, керекті компоненттерді қалыптастыруға болады, n-тектес электрөткізгіштігі бар изоляцияланған қалталар пайда болады. Интегралдық микросхемалардың шартты белгісі негізінен 4 элементтен тұрады (ГОСТ-18682-73). Бірінші элемент-микросхеманың конструктивтік, технологиялық жасалу түрін көрсететін цифры. Егерде 1,5,7 цифрлары болса, онда жартылайөткізгіштік технологиясымен жасалған микросхемалар; ал 2,4,6,8 цифрлары тұрса, гибридтік технологиямен жасалған микросхемалар; тек қана 3 цифры тұрса, онда пленкалық, немесе вакуумдық, немесе керамикалық технологиямен жасалған микросхемалар.

Екінші элемент-микросхеманың сериясының жобалап жасалу реттілігін көрсететін екі цифры (00-дан 99-ға дейін).

Үшінші элемент-микросхеманың функционалдық тағайындалуын көрсететін екі әріп.

Төртінші элемент – микросхеманы жобалап жасағандағы реттілік номірі, цифры. Ал кейде микросхеманың шартты белгісінің ең алдында тұратын К, КМ және КР деген әріптер, оларды жасайтын заводтың қабылдау шартын көрсетеді.

Микросхеманың негізгі шартты белгісінің ең соңына бір әріп қосылып жазылуы мүмкін, ол осы берілген микросхеманың қандай кернеуге арналғанын анықтайды.

Мысал үшін К 140 УДІА микросхемасын алып көрейік. Микросхема толығынан 61-суретте берілген. Бұл жартылайөткізгіш технологиясымен жасалған микросхема, себебі І деген цифр тұр алдында, 40-шы серия УД екі әріпі операциалдық күшейткіш екенін көрсетеді, реттілік нөмірі І-де, А деген әріп қоректендіру көзі ±6,3 В екенін анықтайды.

Микросхема дегеніміз бірнеше транзистордан, резисторлардан тұратын, өте күрделі электрондық аспап екені көрініп тұр.

5 Әрекеті р-n ауысуға негізделген жартылайөткізгіш аспаптар

Жартылайөткізгіш аспаптардың әрекеті р-n ауысудың қасиеттерін пайдалануға негізделген. Бұл аспаптарға әртүрлі мақсаттағы диодтар, транзисторлар, фотогальваникалық элементтер, жартылайөткізгіш лазерлер т.б. жатады

Р-n ауысулар жартылайөткізгіштер қасиетінің сезімталдықты арттыруға, сөйтіп фотодиодтар, фототранзисторлар, салқындатқыштар, т.б. жасауға мүмкіндік береді.

5.1 Жартылайөткізгіш диодтар. Диодтың ВАС-ы

Диодтар түзеткіш, импульсті, жоғары жиілікті, детекторлы және ауыстырғыш, Шотки диодтары, стабилитрондар, варикаптар, тунельдік диодтар, айналымды және тасқынды- өтпелі болып келеді. Диодтардың көмегімен жиілігі және куаты әр түрлі айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіреді.

Диодты келесі өрнекпен сипаттауға болады.

(1)

бұл жерде -p-n - өткелге түсірілген кернеу

- жылулық потенциал

(p-n - өткелдің шекарасында сыртқы кернеу жоқ кезінде түйіспелік потенциалдар айырмына, деп белгіленетіне тең. Егер Т=300 К болса В. Бұған k – Больцман тұрақтысы екенін:

- газдың универсал тұрақтысы

- Авогадро саны

Т- абсолют температура екенін, ал

- e^-ның заряды екенің ескеріп, есептей аламыз.

Егер өткелге түсірілген кернеудің шамасы 0,1...0,2 В және теріс таңбалы болса, яғни

онда (1) өрнектегі экспоненциалдық құраушыны “1” – мен салыстырғанда елемеуге болады, ал егер , яғни оң таңбалы болса және 0,1 В асып түссе, онда “1” - ді елемеуге болады Міне сондықтан диодтың ВАС-ы 3.1 суреттегідей (p-n - өткелдің идеал ВАС-ы)

3 Сурет (а) идеал p-n - өткелдің

және (б) – нақты диодтың статикалық ВАС-тары

Идеал ВАС-та рекомбинациялық - генерациялық процестер (олар p-n – көлемінде және p-n - нің бетінде болады) ескерілмейді, себебі p-n - өткелі шексіз жұқа және шексіз (∞) деп есептеледі.

Нақты p-n - өткел шексіз жұқа емес, сондықтан кері кернеу түсірілгенде кемтіктік жұптардың генерациялануы жүреді де, деп белгіленетін генерация тоғы пайда болады. Кері кернеудің шамасы артқанда p-n - өткелдің қалыңдығы да артады (Эрли эффекті), яғни генерацияланатын жұптар саны өседі. Міне сондықтан да шамасының өсуімен бірге кері ток шамасы да өседі.

Нақты p-n - өткелдің ұзын байлығы да шексіз емес. Шалаөткізгіш кристалл беті кристалл торының бұзылуларымен және ластануларымен сипатталады, бұл жағдай рекомбинация – генерациялық процесстерге әкеліп соғады да, p-n - өткелдің бетінде қосымша токтың пайда болуына, ағып кешу тогы деп аталатын келтіреді. Сонымен, нақты диодтың кері тоғы келесі:

Бұл жердегі

деп отырғанымыз бөлме температурасы болған кездегі Т₀=300 К жылулық токтың шамасы:

(2)

- жылулық ток шамасын екі есе артырғандағы температураның өсімшесі. Бұл - өсімше мәннің шалаөткізгіштің материалына тәуелді (Ge үшін ~10 К, ал Si үшін ~7 К)

және токтардың қатынасын алсақ яғни , бұл шама да диодтың материалына тәуелді екен:

Ge үшін ,

Si үшін .

Ағып кету тоғы да () қолданылған ШӨ материалына тәуелді: Ge диодтары үшін әрдайым:

Si диодтарының кейбірлері үшін керсінше .

Міне жоғарыдағы айтқанды ескерсек Ge диодтары үшін , яғни кері ток жылулык ток болып шығады. Сондықтан бұл кері ток температуралық өзгерістерге көбірек ұшырайды да Si диодтардың шамасын бірнеше ретті асып түседі. Si диодтары үшін

Нақты диодтың ВАС-сы– суретте келтіргендей түрде болады. АВ – кесінді p-n - өткелдің электрлік тесіп өтілуі.

Егер электрлік тесіп өту тоғын шектемесек, электрлік тесіп өту керіленетін, ал жылулық керіленбейтін процестер.

Жылулық тесіп өту p-n - өткелде тасушылардың өсуінен түсіндіріледі. Диод ішінде бөлініп шығатын қуат келесі:

Міне осы қуат өткелден алып кетіліп үлгермейді де температура өседі, ал олай болса кері ток тоғы да өседі, яғни оң кері байланыс (ОКБ) туады да, өткел қызып кету себебінен бұзылады.

Нақты диодтың тура тарамалығы (ВАС-ның) идеал p-n - өткелдегіден өзгеше жүреді. Себебі (2) өрнекте базаның көлемдік кедергісі, R_Д деп белгіленетін, ескерілмеген. Инжекция деңгейі үлкен болғанда бұл базаның көлемдік кедергісі диод шықпаларындағы кернеудің (яғни диодқа түсірілген U_Д) және е^-ды – кемтіктік өткелге түсетін кернеудің (U_бэ) шамалары тең еместігіне келтіреді. Бұл тең еместік айырым диодтың тура тоғы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым жоғары болады, себебі

Тақырыптың ең басында берілген идеал p-n - өткелінің ВАС-ы [(1)-өрнек] база аймағындағы кернеу түсуін (ол IR_б –ге тең) ескермейді де, мәнінде тек U_бэ нақты мәнін қойсақ (әрине инжекция деңгейі үлкен болғанда “1”- ді елемемейміз), нақты диодтың тура тармағын (ВАС-ының) келесі өрнекпен сипаттаймыз:

немесе

Егер болса, бұл инжекция деңгейі үлкен жағдайға сәйкесті, онда кіретін қосындысы елемесе де болады. Ал олай алатын болсақ нақты диод ВАС-сының тура тармағы келесі сызықты тәуелділікпен сипатталады:

ВАС-тың бұл учаскесі тура тармақтың омдық учаскесі деп аталады.

Қатаң айтқанда, диодтың тура тоғы өзгергенде R_б – кедергісі тұрақты болып қала бермейді. База кедергісі ток тығыздығына тәуелді, яғни I, және онымен байланысты база ішіндегі артық негізгі емес тасушылар концентрациясының өсуі R_б – кедергінің кемуіне келтіреді. Бұл жағдай база кедергісінің модуляциясы деп аталатын құбылысқа айналады.

База кедергісі (R_б) және бұл кедергінің модуляциясы бірілесіп ықпал етуі ток шамасы үлкен түрде өзгеруін сақтайды. Сонда да, үлкен ток аймағында нақты диодтардың ВАС-тарының сызықтылығы, көп жағдайларда жарамды аппроксимация болып табылады.

ВАС-тың тура тармағының температураға тәуелділігін бағалау үшін кернеудің температуралық коэффициенті (КТК) қолданылады:

Бұл коэффициент тура токтың белгілі бір мәнінде температура 1 К шамасына өзгергенде тура кернеудің салыстырмалы өзгеруін көрсетеді.

5.2 Диодтың кедергісі және сыйымдылығы

ШӨ диодтың статикалық және дифференциалдық (динамикалық) кедергілерімен сипатталады. Олар ВАС бойынша анықталады. Дифференциалдық кедергі () сан мәнінде кернеудің шексіз кішкентай шамасының сәйкесті ток өсімшесінің қатынасына тең. Тоқ диодтың берілген режімімен анықталады.

Дифференциалдық кедергіні ВАС-ның графигінен табуға болады. Ол үшін ВАС-тағы жұмысшы нүктеде (мысалы “E” нүктесінде, 2.2 б- сурет) жанаманы тұрғызады. Осы жанаманың абцисс өсімін құратын β бұрышының катангенсі r_Д- нің шамасын береді:

. (4)

Бұл жерде мен “E”жұмысшы нүктенің маңындағы кернеу мен токтың ақырлық өсімшелері; мен - кернеу мен ток осьтерсінің масштабы.

Статикалық кедергі () сан мәні бойынша элементке түсірілген U_E кернеуінің осы элемент арқылы өтетін I_E тоғына қатынасымен анықталады. Бұл кедергі ВАС-тағы жұмысшы нүкте арқылы және координатор өсінің басы арқылы өткізілген түзу беретін α – бұрышының котангесімен анықталады:

. (5)

мен кедергілердің мәні жұмысшы нүктесінің қай жерден ВАС-та алынғанына тәуелді. шамасы шамасына тең, үлкен және кіші де болуы мүмкін. Бірақ әрдайым оң, яғни >0, ал теріс (<0) те болуы мүмкін, мысалы, туннельдік диодтағы ВАС-та.

ЖЖ (жоғарғы жиіліктерде) және импульсті режімдерде жұмыс істегенде - деп белгіленген диод сыйымдылығының ролі артады. Бұл сыйымдылық U және f (кернеудің және жиіліктердің) тапсырылған шамаларында диод шықпаларының арасында өлшенеді. Бұл сыйымдылыққа кіретіндер келесі:

С_өткел– p-n - өткелдің сыйымдылығы;

С_дифф – диффузиялық сыйымдылық;

С_зар. – зарядтық сыйымдылық;

С_к – диод корпусының сыйымдылығы.

Диффузиялық пен зарядтық сыйымдылықтар p-n - өткелдің сыйымдылығын құрады:

Сондықтан диод сыйымдылығын (С_Д) келесі түрде жазамыз:

Диффузиялық сыйымдылық p-n - өткелдің түйіспелік қабында пайда болады. Келесі жағдайдан:

p-n - өткелге тура ығысу түсірілгенде, кернеу шамасының өзеруі, осы p-n - өткелдегі зарядты өзгертеді, яғни диффузияланатын кемтіктер мен электрондар саны өзгереді;

- кез келген сыйымдылықтағыдай бұл өзгерісті математикалық тілінде келесі өрнекпен бере аламыз:

, (6)

Бұл жерде - зарядтың өзгеруі

- осы заряд өзгеруіне келтірген кернеудің өзгеруі.

Диффузиялық сыйымдылықтың тура тоққа тәуелділігі келесі:

(7)

Бұл жерде - n – типті диод базасының ішіндегі кемтіктердің өмір сүру уақыты.

Соңғы өрнектен өткел арқылы неғұрлым үлкен және неғұрлым де үлкен болса, сол ғұрлым сыйымдылық шамасы да үлкен болады. Ал, ноль шамасына келесі шарт орындалса жетеді.

PS. Өмір сүру уақыты деп, тепе- теңсіз заряд тасушылар концентрациясының “е” есеге кеміген уақыт аралығын түсінуін айтамыз, -бұл сыйымдылықтың ерекшелігі келесі: сыйымдылық белігі бір дәрежеге дейін жалған сыйымдылық.

Бұл - сыйымдылықтың бар болуы, мысалы, ығысу токтарының p-n - өткел арқылы ағуымен байланысты емес. Бірақ бұл ескерту -сыйымдылық ток пен кернеу арасындағы сыйымдылықтық фазалық ығысуды береді.

Сонымен, инжекцияланайтын ШӨ -өткелдерде – квазибейтарап аймақта инжекцияланатын тасушылардың (p-n - өткелге оң ығысуды түсіргендегі) таралуы диффузиялық болу себебінен – ШӨ өткел арқылы жүретін ток сыртқы кернеуге қатысты белгілі бір кешігумен орнығады. Міне осы жағдай келесі қортындыға келтіреді: ШӨ- өткелі және квазибейтарап аймағы бар құрылым, белгілі бір сыйымдылыққа иеленеді (бұл сыйымдылық).

PS. Диффузиялық сыйымдылықты барьерлікпен салыстырсақ, ШӨ- өткел параметрлеріне ғана тәуелді емес (С_барьер _{(тосқаул)}сыйымдылығындай), оның үстіне квазибейтарап аймақтың параметрлеріне және де айнымалы кернеудің жиілігіне тәуелді.

Зарядтық сыйымдылық p-n - өткелге кері кернеу түсірілгенде пайда болады.

4 Сурет – Шалаөткізгіш диодтың қосылу схемасы және сыртқы кернеу жоқ кезіндегі p-n - өткелдің көлемдік зарядтарының кеңістік үлестірілуі

Жоғарыдығы 4 суреттен келесіні көреміз:

- көлемдік зарядтың аймағы таңбалары бойынша қарама-қарсы және қозғалмайтын көлемдік зарядтардың қос қабатынан түзіледі. Бұл қос қабатты белгілі бір потенциалға дейін зарядталған жазық конденсатор астарларына ұқсатып қарастыруға болады.

Егер сыртқы жабушы кернеу түсірілсе, ШӨ -нің дық және кемтіктік аймақтарының арасындағы потенциалдар айырымы өседі де, бұл аймақтардың көлемдік зарядтары да өседі. Бұл көлемдік зарядтары кристалл торымен байланысқан қозғалмайтын донор мен акцептор атомдарының иондары құрады. Сондықтан көлемдік зарядтың өсуі тек көлемдік заряд аймағының кеңейуімен байланысты бола алады. Бұл кеңейудің бағыты негізінен ШӨ- нің аз легирленген жағына, яғни база аймағына қарай жүреді.

Басқа сөзбен айтқанда, өткелге (p-n - өткелге) түсірілген жабушы кернеудің шамасы артқанда қозғалғыш заряд тасушыларға кедейленген (яғни - дар мен кемтіктер саны, концентрациясы азайған) аймақ ұлғаяды.

Көлемдік заряд өзгеруінің, яғни - дың, осы өзгеріске келтірген жабушы кернеудің өзгерісіне, яғни - ге қатынасы зарядтық (немесе басқаша айтқанда тосқауылдық) сыйымдылықтың шамасына тең болады.

Тосқауылдық сыйымдылықтың шамасы келесі тәуелдіні береді:

- көлемдік зарядтың аймағының шекарасында қозғалыш заряд тасушылар концентрациясы неғүрлым үлкен болса, сол ғұрлым үлкен болады. Яғни көлемдік заряд аймағының қабамы неғүрлым жіңішке болса, соғұрлым тосқауылдық сыйымдылық үлкен;

- сонымен қатар p-n - өткелге түсірілген кернеудің шамасы неғұрлым кіші болса, сол ғұрлым үлкен болады.

Қорытынды. Сонымен, диод сыйымдылығының, яғни С_Д- нің шамасы, оның жұмыс істеу режімімен анықталады:

Тура кернеу режімінде .

Кері кернеу режімінде

Диодтың жиіліктік қасиеттерін талдағанда жоғарыда қарастырылған кедергі мен сыйымдылықтарды ескеріп, диодтың балама схемасын зерттейді.

5 –Сурет ШӨ -диодтың орын басу схемасы

Тура ығысу кезінде ~Ом-ның ондық бөлігі сондықтан сыйымдылығының шунттеуші әрекетін елемеуге болады. Схема элементтерінің жиынтығы комплексті түрде келесі өрнекпен берілетін диод кедергісін сипаттайды:

Диодтың жиіліктік қасиеттері база аймағында жүретін келесі екі процесстермен анықтылады:

негізгі емес заряд тасушылардың жиналуымен;

негізгі емес заряд тасушылардың жайылуымен (таралуымен).

Сондықтан, тезәрекеттілікті жоғарлату көз қарасынан, диодты жасағанда мүмкіндікті база аймағындағы негізгі емес тасушылардың көлемдік зарядының өзгеру процестерін жылдамдату керек немесе оларды типті жайып тастау керек.

Мынау, сонғы жайып тастауды Шоткидың түзеткіш өткелін пайдаланып іске асырады. Бұл өткел Ме – ШӨ түйіспесінде пайда болады. Материалдарды таңдап алғанда түйіскен жерде е^-мен кемтіктер үшін потенциалдық тосқауылдың биіктігі бірдей болмайтындай етіп алады. Бұның нәтижесінде (тура ығысу кезінде) диодтың тура тоғы тек негізгі заряд тасушылардың қозғалысынан ғана пайда болады. Ал негізгі емес заряд тасушылар потенциалдық тосқауыл олар үшін биік болғандықтан метал ішінен ШӨ ішіне өте алмайды.

Мысалы, n – типті ШӨ металмен түйіскенде ШӨ ішінен металға қарай қозғалатын е^—дар ғана ток береді де, ал металдан ШӨ -ге қарай кемтіктердің қозғалу процессы жүрмейді. Олай болса, ШӨ ішінде оған қатысты негізгі емес заряд тасушылардың көлемдік заряды тумайды (пайда болмайды). Міне сондықтанда Шотки өткелі негізінде жасалған диодтардың, Шотки диодтары деп аталатыын, p-n - өткелі бар диодтарымен салыстырғанда тез әрекеттілігі жоғары болады.

Шотки диодтарының тағы бір ерекшелігі – негізгі заряд тасушылар (е^—дар) үшін потенциалдық тосқауыл биіктігі p-n - өткелі бар диодтарымен салыстырғанда төменірек және рауалы ток тығыздығы жоғырақ. Бұл соңғы жағдай жылу жетудің жақсы екендігімен байланысты. Осы артықшылықтары қуатты жоғары жиілікті түзеткіш диодтары жасағанда ескеріледі. Сонымен қатар кедергінің шамасы кіші болғандықтан Шотки диодтың ВАС- ның тура тармағы идеал ВАС-қа жақынырақ.

6 Ме-ШӨ түйіспесі

Түйіспесінің бұл түрі металл және ШӨ арасында токтың жүруін қамтамасыз етеді. Металды шалаөткізгішпен тұтастырғанда өтпелі аймақ пайда болады. е^—-ның шығу жұмысы түйістірілген материалдарда шамалары бойынша бірдей еместігінен қарсы келген диффузиялық және ығу (дрейфтік) е^—дық ағындары пайда болады. Осы ағындардың себебінен металдың және ШӨ-нің Ферми деңгейлері теңеседі. Осының нәтижесінде шектесу жерінде көлемдік зарядтың қос электр қабаты туады (өтпелі тосқауылдық қабат деп те аталатын) және онымен байланысты болатын түйіспелік потенциалдар айырымы (ТПА) пайда болады.

Бұл өтпелі қабат келесі параметрлермен сипатталады:

· қабат ішіндегі қозғалмалы заряд тасушылардың үлестірілуімен;

· қабат ішіндегі қоспалық атомдардың үлестірілуімен;

· потенциалдық тосқауылдың биіктігімен және формасымен;

· қабаттың енімен.

Келесі жағдайды ескеру керек.

Металда және зарядтардың электр өрісінің әрекеті елеусіз қысқа қашықтықтарға таралатындықтан. (Дебайдің қалқалау радиусы).

Ме – ШӨ түйіспесінің өтпелі қабаты тәжірибе жүзінде ШӨ -нің түйіспелік аймағында толығымен шоғырланған. Сонымен қатар, нақты Ме – ШӨ түйіспелерде қалқалаушы зарядтың айтарлықтай бөлігі түйіспесінің беттік е^—дық күйлерінде шоғырлануы мүмкін. Ал бұл соңғы жағдай потенциалдық тосқауылдың алғашқы биіктігін анықтайды.

Егер Ме – ШӨ - түйіспенің өтпелі қабатында негізгі заряд тасушылардың концентрациясы ШӨ- нің қалған көлеміндегі олардың концентрациясымен салыстырғанда жоғары болса (мысалы, түйіспелік құбылыстар себебінен немесе бұл қабатты қосымша лигерлеу себебінен), онда қабат байытылған ден аталады. Міне, осындай байытылған қабаты бар Ме – ШӨ түйіспенің потенциалдық тосқауылы жойылуыда мүмкін( мысалы, A -pSi түйіспесінде). Осындай түйіспелерді ом түйіспесі ретінде пайдаланады.

Егер Ме – ШӨ түйіспесінің өтпелі қабаты негізгі заряд тасушылардың концентрациясы төмендетіліп, кедейленген етіліп жасалса, онда бұндай түйіспе Шоттки – түйіспе деп аталады да, ал қабаттың ішінде қалыптасатын потенциалдық тосқауылды-Шоттки тосқауылы деп атайды (келесі беттегі суретті қараңыз).

Шоттки тосқауылы бар Ме – ШӨ түйіспенің түзеткіштік әрекеті болады.

Жоғарыда айтылып кеткендей, бұл түйіспенің (р-п өткелмен салыстырғанда) тек қана тосқауылдық сыйымдылығы ғана бар. Ме – ШӨ түйіспенің түзету әрекеті тәжирибе жүзінде тек тосқауыл үстінен өтетін негізгі заряд тасушылар ағымының өзгерулерімен анықталады, ал бұл жағдай осындай түйіспенің р-п өткелімен салыстырғанда тезәрекетті болуын қамтамасыз етеді.

Шоттки түйіспелері келесі аспаптарды жасағанда пайдаланады:

импульстік, детекторлық аралыстырғыш диодтарда;

көшкінді диодтарда;

фотодиодтарда;

ядролық сәуле шығарудың детекторлары;

БТ және ӨТ – транзисторларда және т.б.

6 – Сурет Ме – ШӨ түйіспе

Шоттки тосқауылы бар Ме – ШӨ түйіспенің зоналық диаграммасы:

Е_с- өткізгіштік зона түбінің энергиясы;

Е_F- Ферми деңгейі;

Е_V- валенттік зона төбесінің энергиясы;

- металдан е^- -ның шығу жұмысы;

- шалаөткізгіштен е^—дар үшін тосқауыл;

- шалаөткізгіш жағынан е^—дар үшін тосқауыл;

W_S- Шотки қабатының ені.

Сонымен қатар Шотки тосқауылы бар Ме – ШӨ түйіспе шалаөткізгіш қабатындағы қоспалы пішіндерді зерттеу құралы ретінде пайдаланады:

Шоттки түйіспелерінің мысалдары:

Au – nSi,

Ni – nSi,

Pt – nGaAs.

Шоттки түйіспелерінің ВАС- тары, е^—ды- кемтіктік өткелдердегідей , яғни р-п өткелдердегідей экспотенциалды түрде болады.

6.1 Диодтардың жіктелуі

Жіктелу белгісі	Диодтың аталуы
Өткелдің ауданы	Жазықтық Нүктелік
ШӨ материал	Ge, Si, GaAs
Атқаратын қызметі	Түзеткіш Импульстік Аса жоғары жиіліктік Стабилитрон (стабистор) Варикап және т.б.
Жұмыс істеу принципі	Көшкінді Туннельдік Шотки диоды Сәуле шығарғыш Фотодиод Ганн диоды
Жиілік	f_max<10³ Гц f_max>10³ Гц
Қуат	“Әлсіз” қуатты (I_{тура орт. мах}≤0.3 A) Орташа қуатты (0.3 A<I_{тура орт. мах}≤10 A) Үлкен қуатты (I_тура>10A)

6.2 Диодтардың қолдануы және белгіленулері

- Түзеткіш диод- p-n - өткеліне кілт болып табылады. Бұл кілт оған түсірілген кернеумен басқарылады. Тура кернеу кілтті тұйықтайды, кері кернеу – ажыратады. Бірақ бұл екі жағдайда да бұл кілт идеал емес. Тура кернеуді түсіргенде ашық диодта U_тура кернеуінің құламасы болатындықтан жүктемелік құрылғыдан алынатын түзетілген кернеу, кіріс кернеуінен бір шама төменірек.

Ашық диодтың U_тура шамасы келесі:

* Ge - диодтар үшін U_тура~0,5 В

* Si - диодтар үшін U_тура~1,5 В

Параметрлері:

I_{тура орт. мах}- кіріс кернеуінің периодындағы диодтың орташа тура тоғының мах мәні;

U_{кері, рауалы}- диодтың тұрақты кері кернеуінің рауалы ең үлкен мәні;

f_max- кіріс кернеуінің мах рауалы жиілігі;

U_тура- белгілі бір берілген ток шамасындағы диодта болатын кернеудің тура құламасы.

- импульстік диод – ШӨ- диод көбінесе импульстік режімдерде жұмыс істеу үшін арналған. Бұл диодтардың өтпелі процесстері өте қысқа, яғни диодқа түсірілген ток немесе кернеу импульсінің полярлығын өзгергенде (айырып - қосқанда) өтпелі процестер тез өтеді. Импульстік ШӨ- диод жұмыс істегенде ВАС-тың тура және кері тармақтарын пайдаланады. Төмендегі суретте импульстік ШӨ- диодқа (ИШӨД -ге) және оған тізбектеліп жүктеме кедергісі қосылған схемада импульстік тура токтың және ИШӨД –ні тура кернеуден кері кернеуге ауыстырып – қосқанда жүретін өтпелі процестер көрсетілген.

Бұл диодтың базасында тура ток пайда болғанда теңгерілмеген заряд тасушылардың (өткізгіштік зонадағы е^—дың және кемтіктіктердің) жиналуы және олардың ауыстырып – қосқанда (ИШӨД –ні тура кернеуден керіге) жайылуы – инерциялық процесс болып табылады. Сондықтан тура кернеу және диодтың кері тоғы бірден орнықпайды, олар белгілі бір уақыттың өтуімен ғана өзінің тұрақты (стационар) мәндеріне жетеді.

Өтпелі процестердің ұзақтығы диодтың С_диф және С_зар сыйымдылықтарына тәуелді. Инжекция деңгейінің шамасы төмен болғанда өтпелі процестерде негізгі рөльді қайта зарядталу процессі, яғни барьерлік (тосқауылдық) сыйымдылықтығы қайта зарядтау процессі, атқарады. Ал инжекция деңгейі жоғары болғанда зарядтың жиналу және жайылу процестері басым болады. Міне осы соңғы құбылыс диодтың шапшандығын, яғни тезәрекеттілігін анықтайды. Бұл құбылыс арнайы параметрмен – диодтың кері кедергісінің қалпына келтіру уақытымен, деп белгіленіп, сипаталады. Сондықтан жоғарыда айтылып кеткен түзеткіш диодтың I_{тура орт. мах}, U_тура, U_кері параметрлеріне қосымша ИШӨД үшін _{(қалпына келтіру)} параметрі енгізіледі. Бұл сонғы параметр ИШӨД-нің тезә рекеттілігін сипаттайды.

ИШӨД-нің тез әрекеттілігін өсіру үшін, яғни - не келтіру үшін, бұл диодтар нүктелік құрылым түрінде жасалады. Осының себебінен р-п өткелдің ауданы минималь болады да, С_зар- сыйымдылығының шамасы да минималь болады. Сонымен қатар минималь ету үшін базаның қалыңдығын да мүмкіндігінше жұқа етіп жасайды.

7 – Сурет Импульстік ШӨ - диоды

ИШӨД схемаларда жұмыс істегенде оның ішінде жүретін өтпелі процестер: жоғарыда – кернеу генераторымен жұмыс істегенде;

төменде- ток генераторымен жұмыс істегенде.

I-диод арқылы жүретін ток;

I_тура- импульсті тура токтың амплитудасы;

I_кері- ажыратып- қосқан t_о мезеттегі кері тоқтың мәні;

I_стац- кері токтың стационарлық мәні;

U- диодқа түсірілген кернеу;

U_тура- диод қосылған мезеттегі кернеудің мәні;

U_{тура орнық}- тура кернеудің диодқа түсірілгендегі орныққан мәні;

U_{кері орнық}- кері кернеудің диодта орныққан мәні;

t- уақыттық координата;

≈- қалпына келу уақыты;

t_орнығ- орнығу уақыты.

Ал енді, 3,5 – суретті талдайық.

Тура токтың басынан (яғни тікбұрышты импульс шебінен) диодқа түсірілген тура кернеудің шамасы деңгейіне түскенге дейін уақыт кесіндісін орнығу уақыты деп атайды (t_орнығу). Тура кернеудің бастапқы мәнінен (U_тура) орныққан мәніне (U_{тура орнық}) дейін түсуі импульстік ШӨД базасының модуляциясымен түсіндіріледі. Ал бұл базаның модуляциясын p-n - өткелінен инжекцияланатын заряд тасушылары орындайды.

Диодты ауыстырып – қосқанда (яғни t_о кезінде) база ішінде заряд тасушылардың инжекциялануы бітеді. Теңгерілмеген заряд тасушылар жарым-жартылай базаның негізгі тасушыларымен рекомбинацияланады, жарым-жартылай p-n - өткеліне қарай диффузияланып жайылады; олар (p-n - өткеліне бағытталған тасушылар) электр өрісінің әсерінен p-n - өткелді еркін өтіп кетеді де, айтарлықтай кері ток жүруінің себепшісі болады. Бұл тоқтың шамасы келесі өрнекпен беріледі:

Бұл жердегі - кері кіріс кернеу,- жүктеменің кедергісі.

Ал, енді фаза 1 мен фаза2 қалай пайда болатынын қарастырайық.

Диод базасының p-n - өткелмен шекарасында теңгерілменген кемтіктер мен е^—дар концентрациясының градиенті (концентрацияның өзі кеміп жатқанда) кері ток та өзінің мәнін сақтайды (), ал импульстік ШӨД-егі кернеу (оған түсірілген кернеу) тура бағытқа сәйкесті болады (фаза1).

Фаза 2 кезінде қалған теңгерілмеген заряд тасушылардың бөлігі таралады. Міне осының себебінен кері ток шамасы кемиді (~ экспонент бойынша) және өзінің стационарлық мәніне I_стац ұмтылады. Ал импульстік ШӨД-егі кернеу U_{кері орнық} шамасына дейін өседі, яғни диодтың жоғарғы кері кедергісінің қалпына келтірілуі орын алады. Импульстік ШӨД-нің ауыстырып – қосқасылу мезетінен оның кері кедергісінің орнығуына дейінгі уақыт аралығын қалпына келтіру уақыты деп аталады.

Импульстік ШӨД-нің тез әрекетілігін көтеру үшін (яғни t_орнығ мен уақыт аралықтарымен сипатталатын өтпелі процестердің ұзақтығын қысқарту үшін) теңгерілмеген заряд тасушылардың өмір сүру уақытын кеміту керек. Мысалы, жазық ШӨД үшін жуықтап алғанда келесі қатынастар ақиқат:

базасы қалын

диод үшін ;

базасы жұқа

диод үшін ;

бұл өрнектегі

- тиімді өмір сүру уақыты;

- диффузиялық ығысудың тиімді ұзындығы;

- база ішіндегі теңгерілмеген заряд тасушылардың диффузия коэфициенті,

- база қалыңдығы.

Тез әрекетілікті жоғарлату келесі жолдармен орындауға болады:

- база қалыңдығын кемітіп немесе p-n - өткелдің ауданын кемітіп бағытталған тасушылар;

- инжекцияламайтын түзетуші түйіспелерді (яғни Шотки

диодтарын) пайдаланумен;

- ШӨ ішінде алтын атомдарын (Au) енгізу жолымен.

Мынау соңғы әдісте алтынның қоспа атомдары қақпандардың ролін атқарады. Олар өткізгіштік е^—дары және кемтіктерді қармап алады да, олардың өзара рекомбинациялануына мүмкіндік туғызады.

Ең кең таралған импульстік ШӨД-лар келесі:

- Si –ден жасалған планарлы- эпитаксиалды және база аймағы Au- мен легирленген;

- Si –ден жасалған микробалқыма;

- Si –ден жасалған Шотки тосқауылы бар.

Сирегірек Ge –ден жасалған меза- диффузиялық және нүктелік импульстік ШӨД –лер пайдаланылады.

Жиі импульстік ШӨД-лері диод материалына, яғни құрамында бірнеше диодтық құрылымдар кіретін бірліктері (мысалы, ортақ катодпен, ортақ анодпен, еркін коммутациямен).

p-n - өткелдің кері кедергісін қалпына келтіру процесінің ұзақтығына тәуелді импульстік ШӨД-лерді екі топқа болуге болады:

-тезәрекетілігі орташа <0,1 мкс;

-тезәрекетілігі жоғары <10 нс.

Тезәрекеттілігі жоғары импульстік ШӨД мысалы ретінде - Si –ден жасалған планарлы- эпитаксиалдық диодты келтіруге болады: ≈0,1-10 нс.

Диффузия әдісімен жасалған импульстік ШӨД- лердің өтпелі сипаттамаларының ерекшелігі келесі:

- кері токтың түсу фазасының ұзақтығы кішкентай (<0,1 нс), яғни кері кедергінің қалпына келтірілуі күрт орындалады.

Диодтардың бұл түрі ұзақтықтары пикосекундты импульстерді қалыптастыру үшін және аса жоғары жиілік (АЖЖ) ауқымында жиілікті көбейту үшін пайдаланады.

Ал негізгі қолданылуы келесі:

- ЭЕМ-нің логикалық элементтерінде;

- ЭЕМ-нің жаттаушы құрылғыларын басқару схемаларында.

(СВЧ) АЖЖ диод- аса жоғары жиілікті сигналды (оншақты және жүзшақты гигагец) түрлендіру және өңдеу үшін арналған ШӨ- диод.

АЖЖ диодтар қолданылады:

АЖЖ ауқымының электрмагниттік тербелістердің генерациялау және күшейту құрылғыларында;

жиілікті көбейту құрылғыларында;

модуляциялау құрылғыларында;

сигналдарды реттеу және шектеу құрылғыларында ж.т.б.

Диодтың бұл топтың типтік өкілдері келесілер:

аралыстырғыш диодтар (екі жиіліктің қосынды сигналын немесе айырым сигналын алу);

детекторлы диодтар (АЖЖ сигналдың тұрақты құраушысын бөліп алу);

ауыстырып –қосқыш диодтар (АЖЖ сигнал қуатының деңгейін басқару).

АЖЖ диодтың шартты белгіленуі түзеткіш диодтікіндей.

Стабилитрон және стабистор тұрақты токтың сызықты емес тізбектерде кернеуді тұрақтандыру үшін қолданылады. Стабилитронның стабистордан айырмашылығы кернеді тұрақтандыру үшін ВАС-тың қай тармағы алынатығында. Өткен дәрістің 2.2 б –суреттен айтарлықтай ғана кернеудің өзгеруін көреміз (АВ мен СД участкілер). Сонымен қатар бұл I=f(U) –тәуелділік біршама сызықты екенін де көреміз. Шамасы жоғары кернеулерді (U>3В) тұрақтандыру үшін ВАС-тың кері тармағын (АВ участкісін) пайдаланады. Міне, осы мақсатпен қолданылатын диодтар стабилитрондар деп аталады. Кернеулердің мәндері (шамалары) үлкен болмағанда (U≤1В мысалы ИМС - терде) ВАС –тың тура тармақты (СД участкесін) пайдаланады да, ал бұл жағдайда қолданатын диодтар стабисторлар деп аталады.

Бұл үлкен ШӨ аспаптар, әдетте, SI-ден жасалады. Жоғарғы деңгейде легирленген SI-ді пайдалғанда (қоспалардың концентрациясы үлкен болса, онда еркін заряд тасушылар саны да үлкен болады) тұрақтандыру кернеуі төмендейді, ал егер SI-дің лигилену дәрежесі төмендесе – жоғарлайды. Тұрақтандыру кернеудің ауқымы 3- тен 180 Вке дейін.

Стабилитронның негізгі параметрлеріне жататындар келесі:

- берілген ток мәнінде номиналды тұрақтандыру кернеуі;

- берілген ток мәніндегі дифференциалдық кернеуі;

- тұрақтандырудың минималь жарамды тоғы;

- максималь жарамды шашырайтын қуат;

- тұрақтандырудың кернеуінің температуралық коэффициенті

[K^-1] өлшем бірлігімен беріледі де өтіп кеткен дәрежесі (2.3) өрнек бойынша:

бұл жерде - аралықта температура өзгергендегі U_{тұрақ ном.}- номинал мәнінен U_тұрақкернеуінің ауытқуы.

Кернеудің екі полярлы тұрақтандыру схемаларында симметриялы стабилитрон қолданылады, оның белгіленуі келесі:

8- Сурет. ШӨ стабилитронның ВАС-ы:

U- аспаптың шықпаларындағы кернеу;

U_тұрақ- тұрақтандыру кернеуі;

I- стабилитрон арқылы жүретін ток.

ШӨ стабилитронда ВАС-тың жұмысшы учаскесі оның е^—ды – кемтіктік өткелінің электрлік тесіп өтілуіне сәйкесті болатын кері кернеулердің тар аймағында жатыр. Тесіп өту механизм туннельдік эффектпен, немесе соққы иондау және көшкіндік тесіп өтумен түсінідіріледі. Сонымен, ШӨ стабилитронда U_тұрақ шамасы тәжірибе жүзінде электрлік тесіп өту кернеудің шамасымен дәлдеседі.

Дәл нәзік, немесе термокомпенсацияланған стабилитронда электрлік тесіп өту режімінде жұмыс істейтін р-n -өткелге (яғни стабилитронның өзі) тізбектеп тура бағытты ығысқан бір немесе екі р-n -өткелдерді жалғайды. Осылай жиналған стабилитронда кері ығысқан р-n -өткелдегі кернеу түсуінің өсуі (бұл құбылыс температураның өсумен көшкіндік тесіп өтілу себебінен жүреді) тура бағытта қосылған р-n -өткелдегі кернеу түсуінің кемуімен есесі қайтарылады.

Міне осы жағдай дәл нәзік стабилитрондар үшін шамасы аса кішкентай КТК –ны алуға мүмкіндік береді (~10^-5 1/К).

Стабилитронның жүмысын сипаттайтын жеті параметрі

Стабилитрон жұмысын сипаттайтын жеті параметр:

1. U_ст – стабилитронның стабилизация кернеуі

2. I_ст.min – стабилитронның минималды стабилизация тогы

3. I_ст.max – стабилитронның максималды стабилизация тогы

4. r_диф – стабилитронның дифференциалдық кедергісі

5. _ст – стабилитронның стабилизация кернеуінің температуралық коэффициенті

6. Р _max – стабилитронның максималды мүмкін сейілу қуаты

7. T_{к max} – стабилитронның максималды мүмкін корпус температурасы

Стабилитронның стабилизация кернеуімен анықталуы және басқарылуы

Стабилитронның стабилизация кернеуі p-n өткелінің тесіліп-ойылуының кернеуі болып табылады. Негізінен оның шамасы p-n өткеліндегі қоспаның концентрациясына, яғни стабилитрон базасының легирлену дәрежесіне тәуелді – неғұрлым легирлену дәрежесі аз болса, соғұрлым стабилизация кернеуі үлкен. Практика жүзінде стабилитронның стабилизация кернеуі 4-тен 200 В аралығында. Жұмыстық режімде стабилитрон кернеуі тоқшамасына байланысты емес екендігі туралы айтқан жөн. Стабилитронның бұл қасиеті практика жүзінде қолданудың негізі болып табылады.

Стабилитронның стабилизация кернеуі температуралық режімге де байланысты:

Температура жоғарылаған сайын, стабилизация кернеуі де артады.

Дәл нәзік стабилитрондар негізінен кернеудің эталон көздері және тіректік кернеу көздері және тіректік кернеу режімінде пайдаланады. Олар кеңінен келесі құрылғыларда да қолданылады:

ЦАТ –тарда;

ЭЕМ-нің енгізу – шығару (информацияны) құрылғыларында;

дәл нәзік цифрлық вольтметрде;

ток пен кернеу мөлшерлегіштерінде және т.б.

Варикап [ағылш. Varicap vari (able)-айнымалы және cap (acity)- сыйымдылық] – ШӨ диод. Бұл аспаптың сыйымдылығы (С_зар–электронды кемтіктік өткелдің сыйымдылығы) түсірілген электр кернеуге (ығысуға) сызықты емес түрде тәуелді болады. Бұл қасиеті варикапты сыйымдылығы электрмен басқарылатын элемент ретінде қолдануға мүмкіндік береді.

Варикаптың негізгі сипаттамасы – вольт-фарадалық сипаттама (ВФС). ВФС деп тәуелділігі:

9 Сурет – Варикаптың вольт-фарадалық сипаттамасы (ВФС-сы)

Варикаптың негізгі параметрлері:

С_В –берілген кері кернеуде шықпалар арасында өлшенген сыйымдылық;

К_Ceiling–сыйымдылық бойынша асып түсу коэффициенті.

Бұл коэффициент (К_С) С_В=f(U_кері) тәуелділікті бағалау үшін пайдаланылады да, кері кернеудің берілген екі мәндеріндегі варикап сыйымдылықтарының (C_B1мен С_В2) қатынастарына тең болады (К_С=2…20).

Варикап параметрлерінің температураға тәуелділігі сыйымдылықтың температуралық коэффициентімен сипатталады:

С_ВТК=∆С_В/(С_В∆Т),

бұл жерде ∆С_В/С_В –қоршаған ортаның ∆Т температураға өзгергендегі варикап сыйымдылығының салыстырмалы өзгеруі.

Сонымен, варикап ретінде кері тұрақты ығысу кезінде, тек тосқауылдық сыйымдылық (С_тосқ=С_зар) пайда болатын ШӨ диодтар пайдаланылады.

Варикаптар Ge, Si, және GaAs негізінде жасалады. Жоғарыда айтылып кеткен негізгі параметрлер секілді қосымша тағы да екі параметрлер туралы білу керек:

С-номинал (бастапқы) сыйымдылық;

Q-номинал (бастапқы) сапалылық.

Варикаптың номинал сыйымдылығын әдетте кері кернеудің минимал шамасымен өлшейді (U_min~ –1B–6В шамалар аралығында); оның шамасы ШӨ-материалымен (оның ішіндегі қоспалар концентрациясының деңгейімен), p-n-өткелдің ауданымен анықталады да, пФ бөлігінен бастап жүздеген пФ шамасын құрады.

Сапалылықты (сигнал жиілігіндегі варикаптың реактивті кедергісінің сыйымдылығының немесе кері кернеуінің берілген мәніндегі шығындар кедергісіне қатынасы) әдетте сыйымдылықты өлшегендегі кері кернеулер мәндерінде өлшейді.

Варикаптар жоғары және аса жоғары жиіліктер (f > 1 МГц) ауқымында жұмыс істейді. Бұл ауқымдағы сапалылық келесі формуламен табылады:

Q_жж=1/2fCr;

мұндағы r –диодтың тізбекті (С-сыйымдылыққа қатысты) кедергісі. Бұл кедергіге кіретіндер:

ШӨ көлеміндегі шығындар кедергісі;

Түйіспелер кедергісі және құрылым элементтерінің кедергісі.

ЖЖ және АЖЖ ауқымында пайдаланылатын варикаптарды кейде варакторлар деп те атайды.

80 жылдары келесі жетістіктер болған:

Сыйымдылық С=10 пФ шамасында f=50 МГц жиілікте Q_жж≥ 500.

PS Асып түсу коэффициенті (қосымша информация)

Жұмысшы, кернеулер ауқымында U_min–шамасынан бастап U_max–шамасына дейінгі (U_maxабс. шамасы бойынша 200 В-ке жетуі мүмкін) варикап сыйымдылығының өзгеру шамасын анықтауға мүмкіндік береді. Жоғарыда айтылып кеткендей, К_с–мәндері 2-20 болады. Егер, жатық ауысу мен күрт ауысу әдетте К_с ≤ 4 шамасында болса, p-n өткелдер аса күрт болған жағдайда, К_с –шамасы кеңірек шектерде өзгере алады.

Варикаптың қолдануы. Радио электрондық құрылғыларда варикап сыйымдылығының сызықты емес өзгеру қабілеті параметрлік күшейтуді, жиілікті көбейтуді және т.б. алу үшін пайдаланылады, ал сыйымдылықты электрлік басқару мүмкіндігі тербеліс контурының резонанс жиілігінің қашықтан және генерациялықсыз қайта реттеуін іске асыра алады.

Туннельдік диод (Эсаки диоды) – ШӨ-диодтарының арасында оған тән кернеу бойынша оң кері байланысы және жақсы динамикалық қасиеттері бар болғандықтан ерекше орын алады.

10 Сурет – Туннельдік диодтың ВАС-ы

Туннельдік диодтың ВАС-ы дифференциалдық кедергінің теріс учаскесіне ие (СД). Бұл келесі жағдаймен түсіндіріледі. Жабу қабатының қалыңдығы өте жұқа болғанда (10 ...10 нм және одан да кіші) зарядтардың валенттік зонадан өткізгіштік зонаға туннельдік өтуі бақыланады. Өзінің осындай ВАС-ы арқасында туннельдік диод (ТД) тензобергіш ретінде кең қолданыс тапты.

Сонымен, ТД әрекеті еркін заряд тасымалдаушылардың (электрондардың) квантмеханикалық туннельдеу процесінің арқасында тар потенциалдық тосқауыл арқылы өтуіне негізделген.

Электрондардың тосқауылы арқылы туннельді өтіп кету ықтималдылығы айтарлықтай дәрежеде p-n өткелдегі кеңістіктік заряд аймағының енімен анықталатындықтан, ТД (вырожденные) айныған ШӨ-лер негізінде (қоспалар концентрациясы (10²⁵– 10²⁷ м^-3) жасалынады.

Міне, осының себебінен, күрт p-n-ауысуды (жабу қабатының қалыңдығы 5 – 15 нм) алуға болады.

ТД-ты жасағанда әдетте Ge және GaAs, сирегірек Si, InSb, InAs, PbTe, GaSb, SiC және т.б. қолданады.

Ge-ден жасалған диодтарда донор қоспалар Р немесе As, ал акцепторлар – Ga және Al;

GaAs үшін – Sn, Pb, S, Se, Te (донорлар), Zn, Cd (акцепторлар).

Бірінші ТД-ты Ge-негізінде 1957жылы Л.Эссаки жасаған. ТД-тың ойлап табылуы, қатты дене ішінде туннельді процестердің бар екенін дәлелдеді.

Зарядтың тасымалы, туннельдік механизм бойынша жүруі, ТД ВАС-ның N-тәрізді жүруінің себепшісі болады (3.9 Суретті қараңыз).

11 Сурет – Ge - ден жасалған туннельдік диодтың (1 ) және Ga As-ден жасалған туннельдік диодтың (2 )

ВАС-тары:

U-туннельдік диодтағы ығысу кернеуі;

I/I_maxдиод арқылы жүретін токтың ВАС максимум қатынасы;

I_min– ВАС минимум тоғы (I_mах-ге қатысты);

U_maxмен U_min– I_maxжәне I_min тоқтарға сәйкесті ығысу кернеулері; I_тун– туннельдік ток;

І_диф– диффузиялық (яғни, жылулық ) ток.

ТД-ның қолданылуы:

АЖЖ ауқымындағы күшейткіштер мен генераторлардың схемаларында;

тез әрекетті айырып-қосатын құрылғыларда;

Екілік кодты жады құрылғыларында ж.т.т.

Сәуле шығарушы диод, ШӨ диод өзінің p-n-өткелінің аймағынан энергия кванттарын сәулендіреді. Басқаша айтқанда, ШӨ - диод арқылы электр тоғы өткенде, инфрақызыл (ИҚ) (бұл көрінетін) немесе ультракүлгін (УК) спектр аймағы.

7. Кілт режімінде ШӨ аспаптарының жұмысы

7.1 Жалғаудың электрондық схемалары туралы жалпы мәліметтер

Коммутатор (электрондық) – жаңа латын тілінше commutator, латынша commute (меняю, изменяю) – өзгертемін деген сөзден шыққан.

ЭҚ-лардың (электрондық құрылғылардың) түрлі ғылым және техника салаларында қолданылуын және олардың функционалдық мүмкіндіктерін кеңейту келесімімен тығыз байланысты:

- МЭ жетістіктерімен;

- Электр сигналдарын импульстік және цифрлық түрлендіру әдістерін кеңінен пайдаланумен.

Ал, бұл әдістердің қолданылуы коммутация режімін, яғни жалғау режімін пайдалануға негізделген. Бұл коммутация режімі электр тізбектерін периодты түрде қосуға, айыруға және ауыстырып-қосуға бейімделген. Тәжірибе жүзінде бұл режім кілт режімі деп аталады да, ал бұндай электр тізбектердің графикалық бейнеленуі – коммутация схемалары (КС) деп аталады. Бұл схемалардағы өтпелі процестерге реактивті элементтермен (C, L) қатар ШӨ аспаптар да үлкен ықпал жасайды. Бұл жағдай ШӨ аспаптардың белгілі бір инерциялығымен түсіндіріледі. Қолданылатын ШӨ аспаптың типіне (түріне) және оның жұмысқа пайдалану жағдайына (шартына) тәуелді турде бұл инерциялықтың дәрежесі үлкен немесе кіші болуы мүмкін. Соның өзінде де, қолданылатын ШӨ аспаптың типіне және жұмыс істеу шартына тәуелсіз КС-лердің (коммутация схемаларының) құрылуының бір қатар ерекшеліктерін бөліп алуға болады.

Жалпы жағдайда кез келген электрондық КС құрамына кіретіндер келесі:

кіріс электр сигналының көзі. Бұл сигнал сәйкесті түрде уақыт бойы өзгереді, ал сигнал көзінің белгілі бір ішкі кедергісі () болады. Бұл кедергі де жалпы жағдайда уақыт бойы өзгеріп тұруы мүмкін;

- ШӨ аспап. Бұл схема ішіндегі сызықты емес элемент электрондық кілт (ЭК) ролін атқарады;

- жүктеме .

Түсіндірулерді жеңілдету үшін келешекте жоғарыда аталынып кеткен кедергілерді белсенді деп есептейміз де, және деп белгілейміз (7.1-сурет). Тағы да ескерілетін жағдай – ЭК-ны ауыстырып –қосу үшін оның басқару тізбегіне түсірілетін - қосымша кіріс сигналы да, жалпы жағдайда керек. Тоқтаусыз ЭК-ның ауыстырып-қосылуын беретін бұл сигналдың () минималь мәні (шамасы) кілттің сезгіштігімен анықталады да, әдетте кернеу бірліктерінде өлшенеді. Жұмысқа пайдалану шарттарының бәрінде ЭК-ның сенімді жұмыс істеуі үшін - сигнал оның (ЭК-ның) тоқтаусыз қызмет атқару үшін керекті минималь сигнал шамасынан әдейі үлкен болуы тиіс. Қарапайым ЭК-ларда сигналы ретінде - кіріс электр сигналы да тікелей пайдаланылуы мүмкін, яғни коммутацияланатын (жалғанатын) кернеудің өзі.

Элементтердің орналасуына тәуелді келесі КС-терді (коммутация схемаларын) танып біледі:

- тізбекті КС-те , ЭК және тізбектеліп қосылады (12-сурет) (суреттердегі схемаларда ЭК латын алфавитінің S-әріпімен белгіленгенін ескертеміз);

- параллель КС-те , ЭК және параллель қосылады (13-сурет);

- тізбекті-параллель КС-те екі ЭК бар. Олардың біреуі (S1) - жүктемемен тізбектеліп қосылған, ал екіншісі (S2) – оған (-ға) параллель қосылған (14-сурет). Бұл жағдайда S1 мен S2 синхронды және қарама-қарсы фазада ауыстырып-қосылады, яғни егер S1 ашық (ажыратылған) болса, онда S2 жабық (тұйықталған) немесе керісінше.

12 Сурет Тізбекті коммутация схемасы. 13 Сурет Параллель коммутация схемасы

14-сурет. Тізбекті-параллель коммутация схемасы

Жоғарыда келтірілген кез келген КС-те (коммутациялық схемада) электрондық кілтке (ЭК-ға) келесі негізгі талаптар қойылады:

- ЭК тұйықталған жағдайда (яғни ШӨ аспап қосылған күйде) ЭК-ның ішкі кедергісі нөльге жақын болуы тиіс, яғни

;

- ЭК ажыратылған жағдайда (ШӨ аспап сөндірілген күйде) ЭК-ның ішкі кедергісі шексіздікке ұмтылуы тиіс ;

- ЭК-ның қосылған күйінен сөндірілгеніне және керісінше ауыстырып-қосу уақыты нөлге ұмтылуы тиіс:

Сонымен, электрондық кілттің (ЭК-ның) нақты сипаттамаларына жақындау дәрежесі, дәлірек айтқанда жоғарыда көрсетілген талаптарға жақындау дәрежесі ЭК-ның статикалық және динамикалық сипаттамаларына тәуелді.

Коммутация схемасының (КС-ның) статикалық сипаттамасын

яғни жүктеме кернеуінің () кіріс электр сигналының өзгеруіне тәуелділікті, ЭК-ның күйін анықтауға пайдаланады. Жалпы жағдайда бұндай сипаттамалар екеу. Біреуі ЭК-ның қосылған күйіне, ал екіншісі – сөндірілген (ажыратылған) күйіне сәйкесті.

КС-нің динамикалық қасиеттерін олардың шығысқа қысқа сигналдарын беру қабілетімен сипаттайды да, қолданылатын ЭК-лардың инерциялық қасиеттерімен де және электр тізбектері өздерінің зиянды (арам тамақ) параметрлерімен анықталады. Сан мәндері бойынша бұл қасиеттер келесілермен сипатталады:

- ауыстырып-қосу уақытымен;

- ауыстырып-қосуды кідірту уақытымен;

- немесе коммутацияның максималь жиілігімен.

Үстіміздегі уақытта ЭК режімде Si-ден жасалған БПТ-лер мен ӨТ-лер немесе ШӨ-диодтар қолданылады. ШӨ диодтар негізіндегі ЭК-лардың артықшылығы – олардың қарапайымдылығы. Бірақ интергралдық технологияны қолданғанда практика жүзінде бұл артықшылық айтарлықтай емес.

Соңғы жылдары ЭК-лер ӨТ-лер негізінде жасалып жүр. Бұның себебі, біріншіден, шашырайтын қуаттың азайтылу мүмкіндігі және екіншіден, ЭҚ-ларды (электрондық құрылғыларды) комплексті түрде миниатюризациялау талабымен келісіп тұрғаны.

Ал егер ЭК-лер БПТ-лер негізінде жасалса КС-тердің тез әрекеттілігін өсіруге болады. Осының себебінен олар импульсті және цифрлы электроника құрылғыларында (ӨТ-лермен қатар) кеңінен пайдаланып жүр.

7.2. Диодтық кілттер

Диодтық кілттердің құрылымы және олардың статикалық беріліс сипаттамалары.

Диодтық кілттердің статикалық беріліс сипаттамалары пайдаланылатын КС-мен және ШӨ-аспаптың ВАС-ымен анықталады. Әрекет ету принципі бойынша диодтық кілттер арнайы басқарушы кернеулерді талап етпейді. Оның ролін бұл жағдайда коммутацияланатын сигнал, яғни , тікелей орындайды. Міне, осының себебінен құрылғылардың бұл класы үшін тек бір ғана статикалық беріліс сипаттамасы болады ды, оның түрі - коммутацияланатын кернеудің амплитудасы полярлығымен анықталады.

Практика жүзінде диодтық кілттерді жинаудың тізбекті және параллель КС-лері қолданылып жүр. Сондықтан тек осы екеуіне тоқтайық.

Тізбекті диодтық кілт келесі беттегі 3.15-суретте келтірілген схемамен беріле алады. Статикалық беріліс сипаттамасының аналитикалық өрнегін (яғни, математика тілінде бұл сипаттаманы бейнелейтін) алғанда, жоғарыда ескеріліп кеткендей (осы дәптердің 52-бет), өрнекке кіретін кедергілер таза белсенді деп есептейміз де, ал диод ВАС-ы құрама-сызықтық функциямен (келесі түрдегі ) бейнеленеді. Олай болса 3.15, а-суреттегі КС үшін келесі өрнектерді жаза аламыз:

егер (10.1)

ал егер болса, онда ,

бұл жердегі , , , - құрама-сызықтық аппроксимация параметрлері, яғни ВАС-ты жуықтағандағы p-n-өткелдің тура және кері ығысқандағы дифференциалдық кедергілері және -деп белгіленген табалдырықтық кернеу.

15-Cурет а) Тізбекті диодтық кілттің схемасы

б) Д. Кілттің статикалық беріліс сипаттамасы

Егер диод және кіріс сигналының көзі идеалды идеалды деп алсақ (), онда жоғарыдағы (10.1) – теңдеулер жүйесі келесі түрге айналады:

, егер болса , егер болса (10.2)

Міне осы өрнектерге сәйкесті түрде тізбекті диодтық кілттің статикалық беріліс сипаттамасын салатын болсақ (10.4, б-сурет), оның түрі құрама-сызықты функция екеніне көзіміз жетеді.

Нақты диод және нақты сигнал көзін алатын болсақ, ВАС-тың тура тармағының көлбеулік бұрышы () – кілт ажыратылған деп есептеледі, егер , яғни келесі өрнектерді жаза аламыз:

α;

α. (10.3)

Жоғарыдағы (10.2) – теңдеулер жүйесімен бейнеленетін идеалды сигнал көзі мен диод үшін бұл бұрыштар өзінің шектік мәндеріне жетеді α және α'.

Статикалық беріліс сипаттамасындағы (3.16, б-сурет) - кернеуі диод кілтінің қосылу (немесе айырылу) мезетіне сәйкесті болады да, оны кілттің қосылу деңгейі деп аталады. Қарастырылып отырған схемада .

Егер коммутация схемасына қосымша - ығысу көздерін енгізсек, онда статикалық беріліс сипаттамасының түрін және - кернеуінің мәнін де өзгертуге болады.

а) б)

в) г)

16 Сурет. Ығысу көзін () түрлі қосқандағы (а, в) тізбекті диодтық кілттің схемалары және олардың статикалық беріліс сипаттамалары (б, г)

Алдағы беттегі (60-бет) схемалардың екеуінде де - кернеу келесі өрнекпен анықталады:

Ығысу кернеуінің () мәні қосымша көзінің қосылатын (жалғанатын) орнына тәуелді. Мысалы, 3.16, а-суреттегі схема үшін

ал, 3.16, в-суреттегі схема үшін . Келесі жағдайға көңіл аударайық. 3.16, б, г-суреттердегі сипаттамалардың көлбеулік бұрыштары бастапқы кілт схемасының бұрыштарымен (3.16, б-суретті қара) салыстырғанда кіші.

Параллель диодтық кілт

Төмендегі 3.16, а-суретте келтірілген схемамен беріледі. Кедергі - балласты кедергі болып табылады да, диод арқылы өтетін (ағатын) токты шектейді. Келесі болжамға келісіп: және статистикалық беріліс сипаттама үшін жоғарыдағы тізбекті диодтық кілттің жорамалдарына ұқсас ұйғарымдарды параллель диодтық кілт үшін де алып, келесі өрнектерді жазамыз:

(10.4)

егер (1+); болса.

Ал, егер (1+) (10.4΄)

онда

“Идеалды” диод үшін жоғарыдағы (10.4) пен (10.4΄) өрнектер келесі қарапайым түрде жазылады:

(1+) үшін ;

(1+) үшін

(а) (б)

17 Сурет. (а) Параллель диодтық кілттің схемасы және (б) оның берілісінің статикалық сипаттамасы

Жоғарыдағы (10.4) және (10.4΄) өрнектерге сәйкесті параллель диодтық кілттің статикалық беріліс сипаттамасының, яғни () функцияның түрі 10.6, б-суретте көрсетілгендей болады. Қарастырылып отырған жағдай үшін кілттің қосылу кернеуі келесіге тең:

Ал, статикалық беріліс сипаттамасының көлбеулік бұрыштары да, осы (10.4) және (10.4΄) өрнектерден табылады:

α;

α. (10.6)

“Идеалды” диод үшін = 0, =, Сондықтан (10.6) – өрнек келесі түрге келеді:

α0; α.

P.S. Жоғарыда қарастырылған тізбекті диодтық кілттегідей, егер қосымша ығысу көздерін пайдалансақ, кернеуін және статикалық беріліс сипаттамасының түрін кең шектерде өзгертуге болады. Міне осы жағдайды қалай іске асыруға болатынын келесі беттегі 10.7-суреттен көруге болады.

а) б)

в) г)

18-сурет. Ығысу көзін әртүрлі қосқандағы (а, в) параллель диодтық кілттердің схемасы және олардың статикалық беріліс сипаттамалары (б, г).

1-ші схемада (18, а-сурет)

ал, шығыс сигналының тұрақты құраушысы келесіге тең:

Статикалық ВАС-тардың көлбеулік бұрыштары алғашқы схеманың (10.6, а-сурет) сәйкесті сипаттамасының бұрыштарымен келесі теңсіздіктермен байланысқан:

Егер тауып алынған нәтижелерді салыстыратын болсақ, – көзін схемаға енгізу кілттің жұмысқа қосылу кернеуін айтарлықтай (күшті) өзгертетінін және оның (кілттің) статикалық беріліс сипаттамасының аймағындағы көлбеулігі тәжірибе жүзінде аймағындағы ВАС-тың көлбеулігіне айтарлықтай өзгерістерге келтірмейді.

P.S. Диодты қосқанда полярлығын өзгерту жолымен және кілттің схемасына бірнеше - көздерін енгізіп, тізбекті диодтық кілттердің және параллель диодтық кілттердің схемаларының статикалық ВАС-тарын айтарлықтай өзгертуге болады.

Қолданылуы. Қарастырылған кілттер кіріс импульстерді полярлығы және амплитудасы бойынша сұрыптау схемаларында және кіріс кернеуді шектеу (нормылау) схемаларында кеңінен қолданылып жүр.

8. Биполярлық транзистордың құрылысы мен жұмыс істеу қағидасы

Биполярлы транзистор дегеніміз шалаөткізгіш монокристалдың ішінде кезектесіп (алмасып) тұратын өткізгіштігі үш аймақ болатын р–п–р– немесе п–р–п құрылым. (19-а, Суретті қара).

19 Сурет – Биполярлық транзистордың құрылысы а)

Ортасындағы аймақты “Б”база деп, ал шеткі аймақтарды “Э” эмиттер және “К” коллектор деп атайды. Эмиттер, коллектор және база аймақтары транзисторды электр тізбегіне қосуға мүмкіндік беретін шықпалармен жабдықталған (қамдалған).

Эмиттер мен база құратын өткелді эмиттерлік (ЭӨ) өткел деп, ал коллектор мен база құратын өткелді коллекторлық (КӨ) деп атайды. Транзистор өткелдерінің әрқайсысына тік немесе кері ығысу беріле алады. ЭӨ-ге тік ығысу түскенде эмиттер ішінен базаға оған негізгі болмайтын тасымалдаушылар (тасушылар) инжекцияланады, ал КӨ-ге кері кернеу түсіп тұрғанда база аймағы арқылы өтіп келіп тұрған тасушылардың экстракциясы жүреді. БТ- де эмиттердің ішіндегі қоспалардың үйірленуі (концентрациясы) базаның ішіндегісінен бірнеше рет (порядок) жоғары болады, яғни ЭӨ- біржақты. Коллектордың ішіндегі қоспалардың үйірленуі эмиттердегідей (балқытылумен әзірленген транзистор) немесе шамамен алғанда базадағыдай (планарлық транзистор) болуы мүмкін. Әдетте транзисторда КӨ-нің ауданы ЭӨ-нің ауданынан үлкен, сондықтан бұл жағдай база ішіне инжекцияланған тасушылардың көбін жинап алуға мүмкіндік береді. База аймағында заряд тасушылардың өту механизміне тәуелді дрейфтік және дрейфсіздік транзисторларды айырып танайды.

Дрейфсіздік транзисторларда базалық аймақ арқылы негізгі емес заряд тасушылардың тасымалдануы диффузиямен байланысты. Дрейфтік транзисторларда қоспаларды арнайы үлестіру жолымен база аймағында ішкі электр өрісі тудырылып, негізгі емес заряд тасушылардың база арқылы тасымалдануы әрі дрейф арқылы (көмегімен), әрі диффузия көмегімен іске асырылады. Қазіргі транзисторлардың көбі дрейфтік. Бірақ жұмыс істеу қағидаларын түсіндіруді оңайлату (жеңілдету) үшін біз дрейфсіздік транзисторларды қарастырамыз.

Биполярлық транзисторлар үшін 20, б–суретте келтірілген шартты белгілерін қолдану керек.

20 Сурет б)

Транзистордың n-р-n түрінің жұмыс істеу қағидасын қарастырайық. Транзистор келесі тәртіптерде (режімдерде) қолданылуы мүмкін:

а) n-р өткелдердің екеуі де кері бағытта ығысқан (тоқтату (отсечка) тәртібі);

ә) өткелдердің екеуі де тік бағытта ығысқан (қанығу тәртібі);

б) эмиттерлік өткел тік бағытта, ал коллекторлық кері бағытта ығысқан (активті тәртіп – белсенді тәртіп);

Белсенді тәртіпте жұмыс істегенде (21- сурет) ЭӨ-нің потенциалдық тосқауылы.

21 Сурет – Биполярлық транзистордың жұмыс істеу қағидасы

мәніне дейін төмендейді, ал кедейленген қабаттың ені кемиді; КӨ-нің потенциалдық тосқауылы шамасына өседі, ал кедейленген қабаттың ені артады. Эмиттерлік өткел арқылы база ішіне электрондардың инжекциясы іске асады. Инжекцияның деңгейі инжекцияланған электрондардың үйірленуінің олардың (е– дың) база ішіндегі тепе-теңдік үйірленуіне қатынасымен анықталады.

Базаның W_б – деген ені транзисторларда W_б << L_n болатындай етіп таңдап алынады. Мұндағы L_n дегеніміз диффузиялық ұзындық

. (5)

мұндағы D_n– диффузия еселеуіші (коэффициенті);

– өмір сүру уақыты.

Сондықтан эмиттермен инжекцияланған е-дардың басым көпшілігі базаның кемтіктерімен рекомбинациялануға (жойылуға) үлгермей коллекторға жетеді. Қазіргі кремнийден жасалған транзисторлардың базасының ені W_б—1мкм, ал электронның кремнийдің ішіндегі диффузиялық ұзындығы 5-10 мкм. КӨ-ні маңында электрондар, оның үдеткіш өрісіне түседі де, коллектордың ішіне тартылады. Дрейфсіздік транзисторларда база электрі бейтарап болуы тиісті. Электрондар мен кемтіктердің жарым-жартылай рекомбинациялану себебінен базаның бейтараптылығы бұзылады. Оны қайта орнату үшін, яғни кемтіктердің оң таңбалы зарядын толықтыру үшін, орныққан жұмыс тәртібінде U_эб кернеу көзінен база ішіне кемтіктердің керекті саны енгізіледі. Бұл соңғы кемтіктер базаның рекомбинациялық тоғын береді. Физикалық тұрғыдан бұл артық е-дардың U_эб көзіне қайта ағуына сәйкесті. Сонымен қатар, база тізбегі бойынша І _кбо – тоғы (КӨ-нің кері тоғы) ағады.

КӨ арқылы ағатын І_к тоғы ЭӨ-нің тоғына тәуелді.

База тоғы:

І_б=І_э– І_к6)

8.1 Эмиттер тоғының беріліс еселеуіші (коэффициенті)

Эмиттер тоғы қатаң айтқанның өзінде де, ЭӨ бір жақты болғанның өзінде тек е-дардың қозғалысымен ғана анықталмай, кемтіктердің де қозғалысымен анықталады; ал коллектор тоғы (І_э-ге тәуелді болатын) тек е – мен ғана анықталады. Сондықтан эмиттердің тиімділігі (эффективтілігі) деген түсінікті енгізуге болады

(7)

Мұнда І_эп және І_эр - эмиттер тоғының құраушысы ретінде кіретін электрондардың және кемтіктік бөліктері

І_э=І_эп+І_эр. (8)

База арқылы тасушыларды тасымалдау еселеуі дегеніміз келесі қатынас болып табылады:

(9)

Эмиттердің тоғын беру статикалық еселеуіші деп - көбейтіні айтады.

Өндірістің шығаратын транзисторлары үшін бұл – деген еселеуіш 0,9-0,999 шамасына жетеді.

Қатаң математикалық қатынастарға сүйенбей-ақ І_к мен U_кб –ні, І_э мен U_эб-ні [кейде І_к=f(U_кб) және І_э=f(U_эб)] байланыстыратын ВАС-тың жүрісін түсіндірейік.

І_к=f(U_кб)- коллекторлық ВАС деп, ал, Іэ=f(Uэб)- эмиттерлік ВАС деп аталады.

22 Сурет – коллекторлық және вольт - амперлік сипаттамасы

Эмиттерлік тоқ нөлге тең болғанда (І_э=0), коллекторлық тізбек бойымен КӨ-нің кері тоғы І_кб бұл тоқ негізгі емес тасушылардың қозғалысынан туады. Бұл тоқ диодтағы кері ығысу бергендегі кері тоқтың U_кб- ға тәуелділігі сияқты заңдылықты береді. І_э=/0, яғни нөлге тең болмағанда база ішіне электрондардың ағыны инжекцияланады да, олардың (электрондың) көбі коллекторға жетеді. Эмиттер тоғымен қамтамасcыздандырылатын коллекторлық ток, І_э-ге тең болады екен. Коллектор кернеуінің нөл мәнінен кері кернеудің жеткілікті үлкен мәндеріне дейін өзгеруі коллектор тоғына тек сәл дәрежеде әсер етеді, себебі КӨ оған жеткен е-ның бәрін Uкб кернеуінің шамасына тәуелсіз жинап алады. Uкб-нің өсуімен Ік- ның сәл өсуінің бақылануы КӨ-нің Uкб-нің өсуімен, енінің кеңейуімен, ал база енінің кішірейуімен және еселеуішінің сәл үлкеюімен түсіндіріледі.<

Сонымен, коллектордың толық тоғы

(10)

ал база тоғы (11)

Uкб-нің шамасы үлкен болғанда, коллектордың тоғы КӨ-нің көшкіндік тесіп өтілу себебінен күрт өседі. КӨ-ге тік ығысу бергенде 2.3 Суреттегі ВАС –тан көріп отырғанымыздай І_к нөлге дейін кемиді де, ал одан кейін өзінің бағытын өзгертеді. Бұл жағдай КӨ-ге тік ығысу түсірілгенде оның электр өрісі база ішінен коллекторға қозғалып келе жатқан е- дар үшін тежеуші болатындығынан және КӨ-де тік тоқтың (І_э-нің әсерінен пайда болатын) пайда болуымен түсіндіріледі. 4.3, а Суреттегі сипаттамалар ВАС-тар үшін ширекте (квадратта) салынған, себебі коллекторлық кернеу кері болып тұр, ал коллекторлық тоқ негізгі емес заряд тасушыларымен іске асырылады.

U_кб=0 кезіндегі (жағдайындағы) эмиттерлік. ВАС диодтың ВАС-ына жақын; U_кб>0 болғанда сипаттама жоғары ығысады, себебі КӨ кеңейеді де, базаның ені кеңейеді. Бұл жағдайда U_кб =0 болғандағы сипаттаманың U_кб* кернеуінің мәніне сәйкесті жерін қарастырсақ, базадағы е- лердің үйірленуінің драдиенті өседі. Ал, бұл өз кезегінде эмиттер тоғының өсуімен қабаттас болады.

Әдетте коллекторлық эмиттермен салыстырғанда кемірек қосынлатындықтан және КӨ-нің ауданы ЭӨ-нің ауданынан үлкен болатындықтан, транзистор беттескелі (симметриялы) прибор емес. Бірақ тәсілге қосқанда эмиттер мен коллекторды орындарымен ауыстырып қосуға болады. Транзистордың тәсілге мұндай жалғануы инвестрлік, яғни терістелген деп аталады. Эмиттер тоғының беріліс еселеуіші (терістеп қосқанда коллектор эмиттер болды), тік жалғағандағы еселеуішінен кем болады. Бұл І_к-ның е-дық құрамының кемуімен және ауданы кем болатын коллектордың е-дарды жинауының нашарлануымен байланысты.

8.2 Дәріптелген (идеализированный) транзистор және оның ВАС-ы. (Эберс-Моллдың математикалық нобайы)

Есептеулер үшін оның ішінде өз тәсілдендірілген есептеулер үшін де нақты транзисторды, оның дәріптелген балама тәсілімен ауыстырып, орнына алуға болады.

23 Сурет – Эберс–Моллдың математикалық нобайы

Бұл тәсімді транзистор ЭӨ мен ЭК-ларды еліктетілетін (имитациялайтын) екі шалаөткізгіш ретінде және оларға қатарлас қосылған І₂ менІ₁ тоқ көздерімен беріліп отыр. Бұл тоқкөздері нақты транзисторлардағы өткелдердің өзара әрекеттесуін (байланысын) ескеруге мүмкіндік береді. Бұл балама (парапарлық) тәсімде базаның кедергісін елемеуге және ЭӨ мен КӨ өткелдерінде кернеу өзгергенде база арқылы заряд тасушылардың өту шарттары өзгермейді деп алуға келісілген. Мұндай жеңілдіктер І_э, І_к және І_б транзистор тоқтарының эмиттерлік Uэб мен коллекторлық U_кб кернеулерімен байланысын беретін өрнектерді оңай табуға мүмкіндік береді. Еске салайық, егер ЭӨ тік бағытта ығысқан болса және ол арқылы І₁- ток өтіп жатса, онда база ішіндегі заряд тасушылардың белгілі бір бөлігінің жойылу (рекомбинациялану) себебінен КӨ-нің ішіндегі ток кеміген болады. Бұл жағдай балама тәсімде І₁- ток генераторымен ескерілген. Осыған ұқсас терістеп (инверсті) қосқан жағдайда эмиттер ролін атқаратын өткелден берілуі де генераторымен ескерілген.

Тікелей 5.5 суреттен табатынымыз келесі:

(12)

Өткелдің ВАС-ын келесі түрде табылатынын, екенін ескеріп, әрбір п-р- өткел үшін былай жаза аламыз:

(13)

(14)

Транзистордың немқұрайлы (формалды) орнын баса тұру тәсілдері.

24 Сурет – Биполярлық транзистордың қосылу схемалары

Ортақ базамен қосылған күшейткіш

Транзистордың ОБ-схемасы бойынша қосылуы 3.12 – суретте көрсетілген.

25 Сурет – ОБ-схемасы бойынша қосылған күшейткіш

Кіріс сигнал (V _in) эмиттерге келіп түседі, ал шығыс сигнал (V _out ) коллектордан алынады. Бұл схеманың кіріс кедергісі өте кішкентай (~ 15 Ом ), ал шығыс кедергісі жеткілікті үлкен ( әдетте 1 МОм-нан асып түседі).

Бұл схема біршама тұрақталған тоқ көзін еске салады. Жоғарыда аталып кеткен барлық ерекшеліктер себебімен ОБ – күшейткішінің қолдану салалары шектелген, бірақ бұл схема кернеу бойынша күшейтуді қамтамасыз етеді, сондықтан кейде кедергілері төмен болатын көздерден

(микрофондар, бергіштер және антенналар) алынған сигналдарды күшейту үшін пайдаланылады.

Ортақ базамен қосылған күшейткіштің негізгі схемасы 25 – суретте көрсетілген. Тұрақты ток режімінде жұмыс істеудің шарттары R_в1, R_в2 резисторларымен орындалады. Базаны айнымалы ток сигналдарына қатысты айыруды С₁ конденсаторы іске асырады.

ОБ-схеманы күшейту мақсатымен пайдаланғанда тұрақтандыру проблемалары айтарлықтай қатаң емес, себебі бастапқы ток I_сво әдетте небәрі бірнеше микроампер.

Қарастырылып отырған схема үшін кіріс сигнал кедергісі төмен көзінен келіп түсуі тиіс. Міне, осындай көз ретінде жиі трансформатордың екінші реттік орамасы болады. Ал егер де сыйымдылықтық байланыс пайдаланылатын болса, кедергіні кеміту үшін сыйымдылығы өте жоғары болатын конденсаторды қолдану керек.

ОБ-схемасы кіріс пен шығыс арасындағы сигнал фазасына өзгерістер енгізбейді, себебі оң таңбалы кіріс сигналы келіп түскенде коллекторлық ток кемиді, ал коллектордағы кернеу өседі.

Келесі беттегі 3.1 – кесте жоғарыда сипатталған күшейткіштер схемаларының параметрлерінің айырмашылықтары келтірілген.

Түрлі күшейткіш транзисторлық схемалар параметрлерінің салыстырылуы

3.1 – кесте

Параметр	ОЭ - схема	ОК - схема	ОБ - схема
Кернеу бойынша күшейту коэффициенті	Жоғары	Төмен (1 немесе < 1)	Жоғары (> 100)
Ток бойынша күшейту коэффициенті	Жоғары (β)	Жоғары (β + 1)	Төмен (< 1)
Кіріс кедергісі, Z_in[Ом]	Орташа (~ 1)	Жоғары (> 100 )	Төмен
Шығыс кедергісі, Z_out[Ом ]	Орташа немесе жоғары	Төмен (< 100)	Жоғары (> 500)
Фазаның терістелуі	Бар	Жоқ	Жоқ

БПТ – нің қиылу режіміндегі динамикалық параметрлер

(қарастырып отырған модельде) екі сызықты емес тосқауылдық сыйымдылықтармен анықталады ( 3.7-Суретті қара). Бұл сыйымдылықтар сәйкесті р-n-өткелдердегі кернеу өсімшелерінің пайда болу себебінен жабу қабатының аймағында жиналған қозғалмайтын зарядтардың өсімшесін модельдейді:

; ; (16)

Мұнда және - эмиттерлік пен коллекторлық өткелдердің болған жағдайдағы сыйымдылықтардың шамасы, ал және -К-Б ( коллектор база ) және Э-Б ( эмиттер – база ) өткелдердің ТПА-сы

( түйіндік потенциалдар айырымы ); жақша сыртындағы "n" – көрсеткіштің мәні диффузиялық БПТ- лер үшін n=1/3 деп алынады.

Келешекте эмиттерлік және коллекторлық өткелдер сыйымдылықтарының шамасын паспорттық деректер ретінде ( әрине бегілі бір қателікпен ) пайдаланатын боламыз.

БПТ-нің белсенді режімдегі жиіліктік қасиеттері негізінен база ішіндегі қозғалмалы заряд тасушылардың таралу процесінің инерциялығымен және коллекторлық ауысудағы ( өткелдегі ) тосқауылдық сыйымдылықтың ( ) ықпалымен анықталады.

Инженерлік есептеулерде ток бойынша беріліс коэффицентінің ( ) жиіліктік сипаттамасы төменгі жиіліктік ( ТЖ ) сүзгінің ( I-ші реттік ) сипаттамасымен беріле алады.

(17)

Мұндағы - қиықтың дөңгелектік жиілігі. Бұл - жиілікте беріліс коэффицентінің абсолют мәні |β| - кемиді ( -есеге ). Уақыттық аймақта бұл тәуелділік келесі түрде болады

(18)

Мұндағы - тоқ бойынша беріліс коэффициентінің уақыт тұрақтысы.

БПТ-нің динамикалық параметрлерін қарастырғанда күшейтудің шекаралық жиілігі ( басқаша айтқанда «бірлік күшейту жиілігі» ) деген түсінік енгізіледі. Бұл жиілікте күшейту коэффициентінің модулі «1-ге» дейін кемиді. Тәжірибе жүзінде есептегенде келесі қатынасты пайдаланады:

(19)

(тағы интегралдық схемалардағы БПТ-лармен жұмыс істейміз) заряд тасушылардың тасымалдау процестерінің инерциялығымен;

өткелдердің нақты электр сыиымдылықтарының ( өткелдер тура және кері ығысқанда пайда болатын ) бар болуымен және ішкі кедергілер мәндерінің ақырғы болуымен;

зарядтардың жиналу және таралу эффектілерімен ( кілттік схемаларды талдағанда әсіресе маңызды ).

Инерциялық себептердің талдануын жеңілдету үшін әдетте, транзистор ішіндегі инерциялық процестер көздерінің үлкенірек бөлігін эквивалентті сыиымдылықтарға ( жалпы жағдайда кернеу мен жиілікке тәуелді болатын ) келтіреді де, түрлі режімдерде жұмыс істей алатын транзистордың эквивалентті схемасын құруға мүмкіндік болады.

26 Сурет – БПТ-нің айнымалы токтағы эквиваленттік схема

а) белсенді режім

б) қиылу режімі

(20)

^С*_к және ^С*_Э – кері ығысқан p-n - өткелдердің сыйымдылықтары.

белсенді режімдегі жұмысшы нүктенің орны бұзылуы мүмкін;

база тізбектеріндегі резисторлар шамалары (мәндері) үлкен схемаларда температураны жоғарылатқанда БПТ-нің қиылу режімінен шығуының бұзылуы мүмкін;

температура өзгергенді қию кернеуінде және қаныққан БПТ-нің коллекторындағы қалдық кернеудің шамасы да өзгереді. Бірақ бұл өзгерулер айтарлықтай емес, сондықтан тәжірибе жүзінде ескермеуге де болады.

8.3 Төменгі жиіліктер үшін эмиттері ортақ ТЖК –ның (төменгі жиіліктер күшейткіші) балама схемасы

Транзисторалр негізінде күшейту каскадтарының толып жатқан варианттарының ішінде ОЭ – схемасы бойынша БПТ-ні қосу кеңінен қолданылып жүр.

Бұл схема алғашқы талдауға ыңғайлы. Бөліп тұратын элементтер түрінде схемада С₁ және С₂ конденсаторлар пайдаланған, яғни Е_г – кіріс сигналының көзі және R_ж – жүктеме кедергісі сыйымдылықтық байланыс арқылы сәйкесті түрде каскадтың кірісі мен шығысында қосылған. ОЭ – күшейткіш каскадының негізгі болып келесі екі элементтер алынады: R_к- резистор және n-p-n транзистор.

27 Сурет.

Кіріс сигналы жоғында күшейткіш каскад тыныштық режімінде жұмыс істейді, кейде бұл режімді бастапқы, ал айнымалы сигнал күшейткіштерінде – тұрақты ток режімі деп те атайды. Базаның тыныштық тоғы R_б резисторының көмегімен келесі түрде беріледі:

. Бұл өрнектен коллектордың тыныштық тоғын беруге болады:. Сызықты күшейткіштердің көбі үшін тынышытық режімінде коллектордағы кернеуді келесіге тең болатындай таңдап алады:

Келесі ескертуді келтірсек. Тыныштық режімде Si – транзисторлар үшін кернеу .

Қарастырылып отырған каскадқа айнымалы кіріс сигналының оң таңбалы жартылай толқынын түсіргенде база тоғы да өседі. Бұның нәтижесінде R_к кедергідегі кернеудің кұлауы да өседі, ал транзистор коллекторындағы кернеу кемиді, яғни шығыс кернеудің теріс таңбалы жартылай толкынының қалыптасуы орындалады. Сонымен, ОЭ каскад кіріс сигналды терістейді, яғни U_кір. мен U_шығ. Арасында фаза ығысуын 180⁰ орындайды.

Айнымалы ток боыйнша күшейткіш каскадтың параметрлерін есептеу үшін оның шағын сигналды балама схемасын пайдаланған ыңғайлы (28 - сурет).

28 – Сурет.

Бұл схема орташа жиіліктер аймағы үшін ОЭ каскадының моделі, егер бөліп тұрушы сыйымдылықтардың кедергісі шамалы яғни кішкентай, ал коллекторлық өткелдің сыйымдылығының кедергісі үлкен және β – коэффициентінің, яғни ток бойынша күшейтудің дифференциалдық коэффициенті (ОЭ схема үшін ) шамасы бойынша кемуі байкалмайды.

Бұл схеманың негізінде БПТ- нің Оэ – схемасының баламасы алынған да, оған күшейткіш каскадтың R_к және R_б пассив элементтерін және де кіріс сигналдың генераторын және R_жүк толықтырған.

Келесі жағдайды ескерейік! Генератор яғни ток генераторы келесі екі тізбектермен шунтталады: және . Бұл тізбектердің соңғысы жүктеменің жұмысшы тізбегі болып табылады.

Коллектордың шығыс тоғына кедергінің ықпалын келесі балама параметрлерді пайдаланып ескеруге болады:

Онда .

Бұл жердегі және басқаларын тоқтардың амплитудалық мәндерін түсіну керек.

29 Сурет

30 Сурет

8.3 Транзисторлардың динамикалық параметрлері

Динамикалық параметрлер деп келесі параметрлерді түсінеміз. Бұл параметрлер схеманың басқа компоненттерінің (құрауыштарының) осындай параметрлерімен бірге сызықты схеманың АЖС-ының түрін анықтайтын немесе кілттік схемалардың өтпелі процестерін сипаттайтын болып табылады.

Белсенді режімде жұмыс істейтін схемалар үшін көбінесе ток бойынша бірлік коэффициентінің жиіліктік сипаттамасын қарастырады. (a-ны немесе b-ны). Бұл коэффициенттердің жиіліктік сипаттамасы келесі жағдайлармен анықталады:

транзисторлық құрастылымдағы базалық өзгеруі ток бойынша беріліс коэффициентінің өзгеруі. Міне осы, жоғарыда айтылған параметрлердің арасында температураға ең күшті тәуелді болатыны – кері токтар:

(21)

Мұнда t^*- екі еселеу температурасы, яғни температура айырымының белгілі бір мәнінде кері жылулық тоқтар екі еселенеді (тәжірибе жүзінде жиі келесі мәнді қолданады: t^*=10^оС).

Әдетте k_t- деп белгіленетін температуралық коэффициентті (жалпы алғанда кез келген температураға тәуелді «А» шаманың) былай түсінеді: - «1^оС-ға есептелген коэффициенттін түсінеміз.

U_БЭ-нің температуралық коэффициентінің мөлшерлік мәні жуықтап алғанда деп бағалағанда (ескерту: температураның өсуі U_БЭ-шамасының кемуіне әкеліп соғады).

Мүмкін болатын келесі бұзылуларға да көңіл аудару керек: Әдетте шамасы бойынша үлкен (оншақты, жүз шақты килоОм).

Шығыс кедергі:

(22)

БПТ-нің ОК схемасындағы өте кішкентай (өте аз шама).

Сонымен келесі жағдайды атап кетуге болады. БПТ-нің ОК-схемасы келесі параметрлерді алуға мүмкіндік береді:

Кернеу бойынша өте тұрақты күшейту коэффициентін (себебі b-мәні өте үлкен болғанда беріліс коэффицентінің шамасы b-ның мәніне өте аз теуелді болады);

Ток бойынша күшейту коэфицентін жоғарғы дәрежеде етіп алуға болады.

8.4 БПТ-нің статикалық сипаттамаларына температураның әсері

БПТ-нің барлық сипаттамаларына температураның өзгеруі әртүрлі дәрежеде ықпал етеді, бірақ келесі БПТ-нің статикалық сипаттамаларына нақты анықтаушы ықпал жасайтындар келесілер кері тоқтардың өзгеруі, j_т- деп бейнеленген температуралық потенциалдық тәжірибе жүзінде БПТ-нің тоқтары үшін барлық қатынастар және оның өткелдеріндегі потенциялдар және оның өткелдеріндегі потенциялдар үшін барлық қатынастар ( ОЭ схемасына тән болатын ) ОК-схемасы үшін де қолданыла алады.

Тағы бір ескерілетін жағдай – ол ОК-схемасы үшін қанығу режімі болмайды, себебі коллектор потенциялы ешқандай да база потенциялынан төмен бола алмайды.

БПТ-нің ОК-схемасы үшін қанығу режіміндегі параметрлер ОЭ- схемасындағы қиылу режіміндегі параметрлеріне ұқсас.

ОЭ-схемасындағы кернеу бойынша күшейту

(23)

Бұл соңғы өрнектен көретініміз: β-шамасы үлкен болғанда - шамасы « 1-ге» өте жақын.

ОЭ-схемасындағы ток бойынша күшейту

(24)

P.S. Бұл соңғы өрнектен - шамасы өте үлкен

Кіріс кедергіні талдағанда – эмитерлік резистор ток бойынша тізбекті КБ ( кері байланыс ) рөлін атқарады да , ОЭ-схемадағы кіріс кедергі келісіге тең болады.

8.5 ОБ схемасының шығыс импедансы

ОБ схемасының шығыс импедансы

ОБ схемасының шығыс импедансы келесі өрнектен анқталады:

· ОБ және ОЭ схемалардың шығыс импеданстары тең

8.6 ОБ схеманың айнымалы кернеу бойынша күшейту коэффиценттері

ОБ схеманың айнымалы кернеу бойынша күшету коэфиценттері келесі түрде анықталады

Егер конденсатормен шунтталса 7,51-сурет , онда кернеу бойынша күшейту коэфиценті артады:

ОБ және ОЭ схемалардың айнымалы кернеу бойынша күшейту коэффиценттері тең

8.7 ОБ схеманың жоғарғы жиіліктердегі жұмысы

ОБ схеманың ток бойынша беріліс коэффиценті 1-ге тең. Демек, схемада ешбір қалаусыз ТТКБ-лер, дәлірек айтқанда ток бойынша теріс таңбалы ҚБ-лер жоқтың қасы. Шығыстағы кернеу фаза бойынша кірістегі кернеумен дәлдеседі, демек, бұл жағдайда зиянды сыйымдылықтар арқылы орын алатын байланыстар да, ешбір проблемаларды туғыздайды.

Міне, осы себептен ОБ схемалар жиіліктерге шейін жұмыс істей алады.

9 Өрістік транзисторлар. Тәжірибе жүзінде дәлелдеген транзистордың жұмыс істеу негізі

Өрістік транзисторлар (ӨТ) н егізіндегі кіші сигналдар күшейткіштері

Кіші сигналдар күшейткіштері деп отырғанымыз амплитудасы жұмысшы нүктелердегі токтар мен кернеулер шамасынан көп кіші (мысалы, құраушыларға түсірілетін тұрақты тоқ пен кернеулердің мәндерінен) шағын айнымалы сигналдарды күшейту үшін пайдаланылатын схемалар. Зиянды элементтердің себебінен сигналдардың таралу кідірістерін және фазалық өзгерістерін ескермеуге болатындай ету үшін кіші сигналдар күшейткіштері айтарлықтай төменгі жиіліктерде жұмыс істелуі.

9.1 ӨТ сипаттамалары және негізгі қатынастар. ӨТ: белгіленулері, токтары және кернеулері

Өрістік транзисторлар шықпаларының аталымдары: құйма (D), бастау (S), және жаппа (G). ӨТ- лер кернеумен басқарылатын құраушылар болып табылады. Құйма-бастау тоғы жаппа-бастау кернеуімен анықталады. Төменгі түрлерін біледі:

басқарушы p-n өткелі бар ӨТ(JFET) және

оқшауланған жаппасы бар ӨТ(IGFET)

Сонғы ӨТ-нің аталымы келесі де болуы мүмкін:

құрылымы металл-тотық-шала-өткізгіш (MOSFET) немесе

МОШ (MТШӨ)-транзисторлар

МОШ-транзисторлар байытылған және де кедейленген болады. Транзистордың байытылған түрінде =0 болғанда құйма бастау арнасы жабық болады. Транзистордың кедейленген түрінде болғанда құйма-бастау арнасы ашық болады.

ӨТ-лер n-арналы және p-арналы болып та бөлінеді.

31 Сурет Басқарушы «p-n»- өткелі бар «n» арналы «р» ӨТ.

n-арналы транзисторларда жаппа тоғы жаппаның ішіне бағытталып ағады, яғни бұндай ӨТ-лер жаппаның оң (таңбалы) ығысуымен қосылады (оң жаппа-бастау кернеумен). p-арналы транзисторларда жаппа тоғы жаппаның ішінен сыртқа бағытталып ағады, яғни бұндай ӨТ-лер жаппаның теріс ығысуымен қосылады (теріс таңбалы жаппа-бастау кернеумен).

P.S n-арналы ӨТ-нің және n-p-n-типті БПТ-нің арасындағы ұқсастығы көруге болады.

2-кестеде өрістік транзисторларының (ӨТ) негізгі түрлерінің шолуы келтірілген.

Басқарушы p-n өткелі бар өткелі бар ӨТ-ні, яғни JFET-транзисторды пайдаланғанда жаппа-бастау (G-S) арна кері ығысқан) Si-диоды болып табылады. Бұл диодтың тура ығысуы ӨТ тоғының қатты артуына келтіруі мүмкін де, ол жұмыс істей алмауы мүмкін (тура ығысқан диодтың сипаттамаларын қара).

МОП-транзисторлардың жаппасы (G), құйма (D) мен бастаудан оқшауланған. Жаппа (G)-бастау (S) кедергісінің минималь кедергісі кілтінің тұйықталған күйіне («қосылған» күйге), кернеудің шамасына жеткендегі, сәйкесті болады.

Жиі МОП-транзисторларға параллель етіп Si-диодтар (кері ток диодтары ) жалғанады. Өткізбейтін күйде бастау-құйма арнасы кері ауытқыған Si-диоды сияқты жұмыс істейді де, жиілік түрлендіргіштерінде және екітактілі күшейткіштерде қолданыла алады (түзеткіш рөлін атқарады)

МОП-транзисторларда қосымша шықпа болады. Ол төсекіш (B) деп аталады да, диод арнасымен қосылып жаппа сияқты ӨТ-ні басқарады.

PS Ескерту. МОП-транзистордың электр тізбектерінің үзілуін тестермен тексереді. Ол үшін 10B кернеу көзіне қосылған бастау(S)-құйма (D) арнасына тестер жаппа (G)-бастау (S) басқарушы кернеумен қосылады. Егер ӨТ дұрыс жұмыс істейтін болса, арнаның күйі өзгермей қалуы тиіс (ашылған немесе жабылған күйде), басқарушы кернеуді өшіргеннің өзінде де.

2 К е с т е

Түрі	Белгіленуі	Сипаттамасы
Басқарушы p-n-өткелі бар n-арналы өрістік тран- зистор ӨТ
Басқарушы p-n-өткелі бар p-арналы ӨТ
n-арналы кедейленген МОП- транзистор
n-арналы байытылған МОП –транзистор
p-Арқылы кедейленген МОПтранзистор
p-Арқылы байытылған МОП- транзистор

9.2 Басқарушы «p-n»- өткелі бар ӨТ-нің сипаттамалық қисықтары

34-суретте -беріліс сипаттамасы және шығыс сипаттама келтірілген. Бұл сипаттамалық қисықтар басқарушы p-n- өткелі бар n-арналы ӨТ үшін оның барлық тоқтары мен кернеулердің өзара байланысын көрсетеді.

32 Сурет Басқарушы «p-n»- өткелі бар «n» арналы ӨТ-нің сипаттамалық қисықтар.

жаппа-бастау кернеу шамасы Vp . . .0 шектерінде жатады да, кіріс кернеуі болып табылады. Егер болса транзистор жаппасының жоғарғы дәрежелі импедансы жоғалады.

Беріліс сипаттаманы аналитикалық түрде жазуға болады.

(30)

Шығыс сипаттама сызықты және қанығу деп аталатын екі зоналға бөлінеді. Қанығу зонасында сипаттамалық қисық практика жүзінде горизонтальды, демек, құйма тоғы тек жаппа-бастау кернеуіне ғана тәуелді болады да, құйма-бастау кернеуіне тәуелсіз болады. Сызықты зонада құйма тоғы құйма-бастау кернеуіне тура пропорционал. Бұл жағдайда пропорционалдық коэффициент - кернеуіне тәуелді. Зоналар арасындағы шекараны қиылу жолы деп аталады да, келесі өрнекпен анықталады.

(31)

9.3 МОП-транзистордың сипаттамалық қисықтары

Бұл МТШӨ (яғни МОП) транзистордың -табалдырықтық кернеуі p-n- өткелі бар ӨТ-лердің – қиылу кернеуіне ұқсас. МОП-транзисторлардың байытылған түрі үшін оның мәні (щамасы) - жаппа-бастау кернеулер мәндерінің оң ауқымында, ал кедейленген түрі үшін теріс ауқымына жатады. Табалдырықтық кернеудің шамасы негізінен өнеркәсіптік жарамдығымен анықталады. МОП-транзисторлардағы жаппа өткізгіш арнадан оқшауланғандықтан, транзисторлардың бұл түрінде -жаппа-бастау кернеуінің айтарлықтай жоғарғы мәндерді (әдетте 20B) пайдаланылуы мүмкін.

МОП-транзистордың беріліс сипаттамаларының аналитикалық түрі, p-n-ӨТ-бар ӨТ-лердікіндей:

(32)

МОП-транзистордың байытылған түрлерінде - тоғын

тоғымен ауыстырылады. (34-сурет).

33 Сурет n-арналы МОП-транзистордың байытылған түрінің сипаттамалық қисықтары.

ӨТ тіктігі

Транзистордың тіктілігі (беріліс өткізгіштігі) деп белгілінетін келесі -беріліс сипаттаманың көлбеулігімен анықталады(34-сурет)

(33)

Динамикалық шығыс кедергісі

Динамикалық шығыс кедергі жаппа-бастау кернеуі тұрақты кезінде құйма-бастау кернеуінің өзгеруіне құйма тоғының өзгеруі(7.67-сурет)

(34)

Динамикалық шығыс кедергіні анықтау

ӨТ-лердің (әсіресе МОП-транзисторлардың) мәні, әдетте, өте үлкен (міне сондықтан шығыс сипаттамалық қисықтар практика жүзінде горизонтальді).

7.4.1.6 Кіріс импедансы жаппа-бастау өткелінің импедансымен анықталады.

Ал бұл өткел сыйымдылықтық болып табылады. Транзисторларға «спецификацияларын» бергенде бұл өткелде деп немесе төртполюсниктің параметрі деп алынады (тапсырылады). Кіріс импеданстың шамасы бірнеше нанофарадалар аралығында жатады.

9.4. Балама схемалар. Төменгі жиіліктерде жұмыс істейтін ӨТ-нің балама схемасы

34 Сурет Төменгі жиіліктерде жұмыс істейтін ӨТ-нің айнымылы ток бойынша балама схемасы

-жаппа-бастау кернеуі - құйма тоғын басқарады. Жоғарыда айтылғандай, динамикалық шығыс кедергінің шамасы, әдетте өте үлкен болғандықтан схеманы талдағанда оны ескермесе де болады.

37-суретте келтірілген схема үшін келесі өрнектер ақиқат:

(35)

Бұл жердегі -тіктік, -құйма (D) – бастау (S) – өткелдің дифференциалдық шығыс кедергісі.

Жоғарғы жиіліктерде транзисторлардың барлық шықпаларының арасындағы зиянды сыйымдылықтар айтарлықтай рөл атқара бастайды(38-сурет). Сыйымдылық -жаппа-бастау -кіріс кернеу көзі үшін жүктеме болып табылады. Сыйымдылық -жаппа-құйма ОБ-схемасында КБ-ні береді. Бұл КБ-нің терендігі кіріс кернеу көзінің ішкі кедергісіне тәуелді болады.

Бұл кедергінің тереңдігі кіріс кернеу көзінің ішкі кедергісінің кемуімен жиілікке-тәуілді КБ бәсеңдейді.

Келесі , , параметрлер (транзисторлар спецификацияларында кейде , және деп белгіленетін ) және балама схемада пайдаланатын шамалар арасындағы келесі өзара байланыс орын алады:

Кіріс сыйымдылық =≈+

Кері беріліс сыйымдылығы =≈

Беріліс өткізгіштің сандық жиілігі.

ӨТ-лердің беріліс өткізгіштігінің (яғни тіктігінің) сандық жиілігінің шамасы өте жоғары болады. Мысалы BF 245 деп белгіленетін транзистор үшін бұл жиіліктің шамасы 700MГц маңы. Демек, осы себептен ӨТ-лер жоғары жиілікті күшейткіштерді жинағанда жиі қолданылып жүр.

Анықтамалық кестерлерде бұл параметр аналогтық схемаларда ғана қолданылатын транзисторлар үшін келтіріледі. МОП-транзисторлардың көбі үшін сандық жиілік көрсетілмейді, себебі олар негізінен тез әрекеттті ажыратып-қосқыштарды жинау үшін пайдаланылады.

9.4.1 ӨТ негізінде жиналған схемалар

Кіші сигналдар режімінде жұмыс істеу үшін ӨТ-лердің қосылу схемаларының келесі үш түрі бар: ортақ құймамен (ОҚ), ортақ бастаумен(ОБ) және ортақ жаппамен (ОЖ).

Ортақ бастаумен (ОБ) жиналған схема ток және кернеу сигналдарын күшейту үшін қолданылатын күшейткіштің схемасы болып табылады.

(35 -сурет).

а) б)

35 Сурет. Ортақ бастаумен жиналған схемалар:

а) p-n өткелі бар ӨТ-негізіндегі;

б) МОП-транзистор негізіндегі

p-n өткелі бар ӨТ негізіндегі ОБ(ортақ бастаумен) жиналған схема 40-суретте (а)p-n өткелі бар ӨТ негізіндегі ОБ схема көрсетілген. Транзистордың жұмысшы нүктесі шығыс сипаттамалық қисықтық қанығу зонасында таңдап алынады. Демек, кедейленген ӨТ-транзистордың «n» -арналы түрлері үшін -кернеу теріс болуы тиіс. Жаппа мен жердің арасына жоғарғы импедансты -резистор қосылады. Бастау тоғы кедергі арқылы өткен кезде бастау кернеуінің оң ығысуына келтіреді. Бастау жермен Cs конденсатор арқылы жалғанған. -резистор шамасы құйма-бастау кернеуінің тұрақты құраушысын анықтайды. Шығыстағы –кернеуі жерге қатысты құйма кернеуі болып табылады. Оның фазасы кіріс кернеуінің фазасына қарама-қарсы фазада болады. МОЖ транзистор негізіндегі ортақ бастаумен (ОБ) жиналған схемасы.

36 Сурет МОЖ транзистордың байытылған түрінің негізіндегі ОБ схемасы көрсетілген.

Бұл схема БПТ-нің ОЭ схемасына ұқсайды. Жаппаға түсірілген кернеу бастауға түсірілген кернеуге қатысты оң болуы тиіс. Жұмысшы нүктенің тұрақтандырылуы Rs-резистор көмегімен іске асырылуы (p-n өткелі бар ӨТ-лердің жұмысшы нүктесін тұрақтандыру туралы бөлімді де қара).

9.4.2 Ортақ бастау схемасы үшін 4-полюсниктің параметрлері

ОБ схемасы үшін 4-полюсниктердің параметрлері жиі Y-параметрлерімен беріледі (37 -суретпен 3-кесте).

37 Сурет ОБ-схемесы үшін 4-полюсниктің параметрлерін анықтау.

3-кесте. ОБ-схема үшін 4-полюсниктердің параметрлері

Төменгі

жиіліктер

Жоғарғы жиіліктер

Шығыс шықпалары қысқа тұйықталғандағы кіріс өткізгіштік

Кіріс шықпалары қысқа тұйықталғандағы кері өткізгіштігі

Шығыс шықпалары қысқа тұйықталғандағы тура өткізгіштігі

Кіріс шықпалары қысқа тұйықталғандағы шығыс өткізгіштік

9.4.3 Ортақ бастау (ОБ) каскадының айнымалы ток бойынша балама схемасы

Кедергі (R) шамасы әдетте өте үлкен етіп таңдап алынады, сондықтан оны (яғни жаппаның кедергісін ) балама схемадан алып тастаса да болады.

Төмендегі 38 -суретте ОБ каскадыдының төменгі жиіліктерде жұмыс істеуін модельдеу үшін қолдануға болатын балама схема көрсетілген.

38 - суретте ОБ каскадының айнымалы ток бойынша балама схемасы

Биполярлық транзистордың кемшілігі – ол кіріс кедергісінің төмендігінде, ал оны жоғарлату үшін жеткілікті күрделі схеманың керек болуы.

БПТ дегеніміз – бұл токпен басқарылатын аспап, ал сонымен бірге шалаөткізгіш материалдың өткізгіштігін электр өрісінің көмегімен де басқаруға болады. Міне, егер транзистордың өткізгіштігі электр өрісімен модуляцияланса, бұл транзистор өрістік транзистор (ӨТ) деп аталады.

10 Базалық анықтамалар

Аналог па немесе цифр ма?

Басы үшін шамалы базалық анықтамалар берейік.

Сигнал – бұл уақытқа байланысты өзгеретін кез-келген физикалық шама (мысалы, температура, ауа қысымы, жарық интенсивтілігі, ток күші және т.с.с.). Дәл осы өзгерістің арқасында сигнал өзіндік қандай да бір ақпарат болғыза алады.

Электрлік сигнал – бұл уақытқа байланысты өзгеретін электрлік шама (мысалы, кернеу, ток, қуат). Негізінен барлық электроника электрлік сигналдармен жұмыс істейді. Бірақ қазірде жарық интенсивтілігінің уақытына байланысты өзгеретін жарық сигналдары көбірек қолданылып жүр.

Аналогтық сигнал – бұл анықталған аралықта кез-келген мәнді қабылдай алатын сигнал (мысалы, кернеу нөл мен он вольт аралығында өзгере алады). Тек қана аналогтық сигналдармен жұмыс істейтін құрылғы аналогтық құрылғы деп аталады.

Цифрлық сигнал – бұл тек екі мән қабылдайтын сигнал (кейде – үш). Бірақ кейбір мәндердің ауытқуы бола береді (39 сур). Мысалға, кернеу екі мән қабылдауы мүмкін 0- ден 0,5 В-ке дейін (нөлдік деңгей) немесе 2,5-тен 5 В-ке дейін (бірлік деңгей). Тек қана цифрлық сигналдармен жұмыс істейтін құрылғыларды цифрлық құрылғылар дейді.

Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа)

39 Сурет - Электрлік сигнал:

аналогтық (сол жақта) және цифрлық (оң жақта)

Табиғаттағы барлық сигналдарды аналогтық деуге болады, себебі, олар қандай да бір аралықта үздіксіз өзгереді. Сондықтан, электрондық құрылғылардың алғашқысы аналогтық болған. Олар физикалық шамаларды оларға пропорционалды кернеу немесе токқа айналдырған, оларға қандай да бір операциялар жүргізген және содан кейін қайтадан физикалық шамаға айналдырған. Мысалға, адамның даусын (ауа тербелісі) микрофонның көмегімен электрлік сигналға айналдырады, содан соң осы электрлік сигналдарды электрондық күшейткіштің көмегімен күшейтеді, сосын акустикалық жүйенің көмегімен ауа тербелісіне, одан да күштірек дыбысқа, айналдырады. Бірақ аналогтық сигналдың табиғатына байналысты, аналогтық сигналдардың және олармен жұмыс істейтін аналогтық электрониканың көптеген кемшіліктері бар. Себебі аналогтық сигнал шу, кедергі сияқты паразиттік сигналдарға сезімтал болып келеді. Шу – бұл кез-келген электрондық құрылғының (микрофон, транзистор, резистор,т.с.с.) ішкі хаостық әлсіз сигналдары. Кедергі сигнал бұл электрондық жүйеге сырттан келеді немесе бұлдыраған пайдалы сигнал (мысалға, радиоқұрылғыдан немесе трансформатордан шығатын электромагниттік сәуле).

Сигналдармен электрондық құрылғылар арқылы істейтін барлық операцияларды шартты түрде үлкен үш топқа бөлуге болады:

өңдеу (немесе айналдыру)

беру

сақтау

Осы барлық үш жағдайларда да пайдалы сигналдар шулармен, кедергілермен бұлдырайды. Сонымен қатар сигналды өңдеу кезінде (мысалға, күшейткенде, фильтрациялағанда) электрондық құрылғылардың идеалдық еместігінен формасы да бұлдырайды. Сигналды алыс қашықтыққа беру кезінде және сигналды сақтағанда олар әлсізденеді. Осының бәрі пайдалы сигналды нашарлатады. Сондықтан әрбір айналдыру, әрбір аралық сақталу, әрбір кабельмен немесе эфирмен берілу аналогтық сигналды нашарлатады, кейде толығымен жоғалуына әкеліп соқтырады. Тағы да ескеретін жайт, барлық шу, кедергілер дәл есептеуге келмейді. Сондықтан аналогтық құрылғыларды дәл түсіндіру мүмкін емес. Сонымен қатар, уақыт өтуімен аналогтық құрылғылардың параметрлері элементтерің ескіруімен өзгереді. Сондықтан бұл құрылғылардың сипаттамалары тұрақты болып қалмайды.

40 Сурет - Аналогтық (сол жақта) және цифрлық (оң жақта) сигналдардың шулармен және кедергілермен бұлдырауы

Аналогтық сигналдарға қарағанда екі-ақ мән қабылдайтын цифрлық сигналдар шулардан, кедергілерден жақсы қорғалған. Әрқашан рұқсат етілген ауытқулар аймағы болғандықтан, кішігірім ауытқулар цифрлық сигналды бұлдырлатпайды.(Сур 40) Сондықтан цифрлық сигнал күрделі және көпсатылы өңдеуді ұзағырақ сақтауды және сапалы берілуді өткізеді. Сонымен қатар, әрқашан цифрлық құрылғылардың сипаттамаларын абсолют дәлдікпен есептеуге және болжауға болады. Цифрлық құрылғылардың параметрлерінің өзгерісі олардың фунциялауыныа әсер етпегендіктен, олар ескіруге қатты ұшырамаған. Одан басқа, цифрлық құрылғыларды жобалау және іске қосу оңай болып келеді. Осы артықшылықтардың бәрі цифрлық электрониканың қарқынды дамуын қамтамасыз ететіні түсінікті.

Әйтсе де, цифрлық сигналдардың үлкен кемшілігі бар. Әрбір өзінің рұқсат етілген інде цифрлық сигнал қандай да бір минималды уақыт интервалында қалуы керек, әйтпесе оны тану мүмкін емес болып қалады. Ал аналогтық сигнал шексіз аз уақыт ішінде өзінің кез-келген мәнін қабылдай алады. Тағы да былай айтуға болады: аналогтық сигнал үздіксіз уақытта анықталған (яғни кезкелген уақыт мезетінде) бұл цифрлық сигнал дискретті (яғни, белгіленген уақытта). Сондықтан аналогтық құрылғылардың максималды жетілу шұғыл әрекеттілігі цифрлық құрылғыларға қарағанда әрқашанда үлкен болады. Аналогтық құрылғылар цифрлыққа қарағанда тез алмасатын сигналдармен жұмыс істей алады. Әрқашан аналогтық құрылғылардың информацияны өңдеу және беру жылдамдықтары цифрлыққа қарағанда жоғары болады.

Пайдаланатын әдебиеттер тізімі

1. Б.М.Шайхин, Ұ.Қ.Дегембаева. Электроника және аналогтық құрылғылардың схемотехникасы. – Алматы: АЭжБИ, 2008. – 82 б.

2. М.Ш.Нұрманов. Микросхемотехника негіздері. –Алматы: КазҰТУ, 2008. – 82 б.

3. Ә.Берікүлы. Электроника негіздері. –Алматы: 1990. – 82 б.

4. Жолшараева Т.М. Микроэлектроника. Полупроводниковые приборы. – Алматы: АИЭС, 2006. – 79 с.

5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. – 488 с.

6. Пасынков В.П., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е издание. – СПб.: Лань, 2006. – 479 с.

7. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Полупроводниковые приборы и их применение - Вып. 5. ‑ М.: Альтекс, 2004. ‑ 304 с.

8. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

9. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов В.Т. Электронные приборы: Учебник для вузов. – М.: ЛАЙТ ЛТД., 2000. – 416 с.

10. Бериков А.Б., Ордабаев Б.О. Полупроводниковые приборы. – Алматы: АЭИ, 1992. – 136 с

11. Лачин В.И., Савельев Н.С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов- на-Дону: Феникс, 2000. – 448 с.

12. Гусев В.Г., Гусев М.Ю. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991. – 495 с.

13. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. – СПб.: Лань, 2001. – 470 с.

14. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1989. – 352 с.

15. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. – М.: Радио и связь, 1991. – 280 с.

1.5 Наноэлектрониканың кванттық негізі

3.1 Терморезисторлар

Термисторды сипаттайтындар:

1. 200С кезіндегі кедергісі.R20 кедергі термисторлардың әртүрлі типінде бірнеше омнан жүздеген килоом аралығында жатады.

2.Температуралық сезгіштік В коэффициенті. Бұл шама термистор кедергісінің өзгерісін Т1 және Т2 қос температурада өлшеу жолымен анықталады.

3. Кедергінің температуралық коэффициенті:

αТ=1/R dR/dT=-B/T2

3. 2 Фотокедергілер

2 Сурет.

Фотокедергілердің қасиеттерін сипаттайтын кесте

1.1 -кестесі

Параметрлері

Фотокедергілер мен материалдар түрі

ФС-А

PbS

ФСК-CdS

поликристал

ФСК-МCdS

монокристал

ФС-Д

поликристалл

CdSe

Ауданы, мм2

4х7

5х7

1х2

4х7

Спектрлік облысы,λ*мах,мкм

2,1

0,6

0,51

0,75

λ*/ λмах

0,4-1,0

0,45-1,2

Меншікті сезімталдығы, мкА/лмВ

500

6000

6000

20000

Ic/I0 катынасы

1,2

140

105

500

Жұмыстық ток, мА

0,1

2

0,1

1000

0-400С кезінде фототоктың температуралық коэффициенті (%)

1.5

-0.2

0.8

-2.5

Тұрақтысы,(t) сек

4х10-5

2х10-3

10-5

5х10-3

3.3 Тензокедергілер

1. 20⁰С кезіндегі кедергісі.R₂₀ кедергі термисторлардың әртүрлі типінде бірнеше омнан жүздеген килоом аралығында жатады.

2.Температуралық сезгіштік В коэффициенті. Бұл шама термистор кедергісінің өзгерісін Т₁ және Т₂ қос температурада өлшеу жолымен анықталады.

α_Т=1/R dR/dT=-B/T²

Ауданы, мм²

Спектрлік облысы,λ^*_мах,мкм

λ^*/ λ_мах

I_c/I₀ катынасы

10⁵

0-40⁰С кезінде фототоктың температуралық коэффициенті (%)

4х10^-5

2х10^-3

10^-5

5х10^-3