Заряд тасымалдаушылардың ауысу арқылы диффузиялық және дрейфтік қозғалыстары.

Транзистордың ауысуындағы заряд тасымалдаушылардың қозғалыс ерекшеліктері, яғни ондағы токтің жүру процесі транзистордың жасау технологиясына байланысты. Транзисторды әртүлі технологиялық әдістермен жасайды. Төмендегі 4.3а–суретте балқыту әдісімен жасалған текті, 4.3ә–суретте эпитаксиалды – диффузиялық технология әдісімен жасалған текті, ал 4.3б–суретте планарлық технология әдісімен жасалған текті транзисторлардың құрылымы көрсетілген. Осы суреттерден олардың құрылымдық ерекшеліктері көрініп тұр.

Диффузиялық технология деп қоспа элементтердің атомдарын негізгі шала өткізгіштің ішкі кеңістігіне ендіру әдісін айтады. Нәтижесінде өткізгштігі әртүрлі, немесе текті қабат пайда болады.

Эпитаксия деп, шала өткізгіш төсеніштің үстіне оның кристалдық құрлымымен құрылымын бірдей болғызып зат молекулаларының қабыршық қабатын отырғызу әдісін айтады. Жасалу технологиясына байланысты транзисторлардың базаларының қоспалары мен олардың концентрацияларының шоғырлануы біркелкі немесе біркелкі емес болуы мүмкін.

4.3 – сурет

Егер базадағы қоспалары мен олардың концентрациясы біркелкі болса, онда базаға келген негізгі емес заряд тасымалдаушылардың саны артады да, олар диффузиялық қозғалысқа енеді, яғни ауысу арқылы диффузияланады. Диффузия процесі жүрілу үшін негізгі және негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концентрациясы бірдей болмауы керек. Мұндай процеске негізделген транзисторды диффузиялық транзистор деп атайды.

Базасына диффузиялық әдіпен береген (донорлық) және алаған (акцепторлық) қоспалар енгізілген, яғни базасы бір текті емес транзисторлар да болады. Бірақ мұндағы береген қоспаның концентрациясы алаған қоспадан көп болады. Транзисторлардың базаларының қоспалары біркелкі емес шоғырлануына байланысты ауысу аймағында ішкі электр өрісі пайда болады. Енді осы электр өрісі қалай пайда болатындығына аздап тоқталайық. Мәселен текті транзисторды алып қарастыратын болсақ, онда қоспалардың базада біркелкі шоғырланбауына байланысты базадағы еркін электрондардың концентрациясы ондағы береген қоспаның концентрациясымен тең бола алмайды. Сондықтан еркін электрондардың біраз бөлігі ауысудың эмиттер жағынан коллектор жағына диффузиялық жолмен өтеді. Сөйтіп, ауысудың эмиттер жағы оң, ал коллектор жағы теріс зарядталады. Осылайша қарама-қарсы зарядталған қабаттың аралығында күш сызықтары эмиттерден коллекторге қарай бағытталған электр өрісі қалыптасады. Осы бағытта кемтіктердің қозғалуына мүмкіндік туады. Осы өрістің әсерінен базадағы негізгі емес заряд тасымалдаушылардың қозғалысын дрейфтік, ал мұндай процеске негізделген транзисторды дрейфтік транзистор деп атайды.

Дрейфтік транзисторлардың диффузиялық транзисторлардан бірнеше артық жақсылық жақтары бар:

1. жұмыс жиілігі жоғары;

2. паразиттік сыйымдылығы кіші.

Кемшілік жағына тоқталатын болсақ, эмиттерлік аусыуға берілетін кернеудің мәні аз, коллектрінің ішкі кедергісі үлкен.

5-дәріс: Униполярлы транзисторлар. МДП-транзистор.

Дәрістің мақсаты: - өрістік немесе арналық транзисторлар жұмыс принципімен танысу, оқып үйнену.

Түйін сөздер: - заряд тасымалданатын жұқа пластинана ара дейді, Сол себепті, өрістік транзисторды кейде арналық транзистор дейді.

Өрістік немесе арналық транзисторлар жұмыс принципі жағынан электрвакуумдық триод лампаға өте ұқсас. Мұндағы ерекшелікке тоқталатын болсақ, заряд тасымалдаушылар вакуумда емес германий кристалының бойымен қозғалады. Транзистордың тогі тек бір түрлі заряд тасымалдаушылар арқылы ғана жүзеге асады. Сол себепті, өрістік транзисторлар униполярлы транзисторлар деп аталады.

3

2 2 – шығыс жүктемесі

2

кіріс

1 1 3

1-бастау, 2-жапқы, 3-құйма

5.1– сурет

Өрістік транзистордың құрылымына және электрлік сұлбаға қалай қосылатынына танысайық. Өрістік транзистор текті жұқа шала өткізгіш пластинкаға құрылады. Оны арна деп те атайды. Сол себепті, өрістік транзисторды кейде арналық транзистор дейді. Оның екі жағына текті шала өткізгіш қабат отырғызылады (5.1–сурет). Бұл қабат басқарушы электродтың міндетін атқарады, оны жапқы (затвор) деп атайды.

Егер кіріс тетігіне сырттан кернеу берілмесе, онда негізгі заряд тасымалдаушы электрондардың ағыны бастаудан құймаға қарай бағытталады. Ал, ток керісінше құймадан бастауға қарай ағады. Электрондардың ағыны екі жапқының аралығындағы арна арқылы өтеді.

Бастапқы түрақты токтің мәнін құйманың кернеуі мен арнаның кедергісі анықтайды. Арнаның кедергісі ауысумен шектелген арнаның еніне тәуелді. Кіріске сырттан берілген кернеу ауысу қабатының енін өзгертеді. Бастаудың тогінің бастау мен құйманың кернеуіне тәуелділігінің графикалық сипаттамасы 5.2а–суретте көрсетілген, мұндағы жапқы мен құйманың кернеуі . Бұл тәуелділікті бастаулық сипаттама деп атайды.

кернеуінің мәні аздап өссе, онда оған түзу сызықты тәуелділікпен өседі, ал –нің мәні азайған жағдайда да осы заңдылық сақталады. –нің мәні белгілі бір шамадан артқанда –нің мәні оған түзу сызықты тәуелділікпен ауытқиды, оның мәні қанығады, ал қанығу тогінің мәні –нің мәніне тәуелді. –нің қанығуының себебі, оның белгілі бір мәнінде –нің мәні артқан сайын құйма жағындағы арнаның ені жіңішкере келе ток күші мен кернеудің аралығында динамикалық тепе-теңдік қалыптасады.

Енді бастаулық-жапқылық сипаттаманы, яғни –нің –ға тәуелділігінің сипаттамасына тоқталайық (5.7ә–сурет). Мұнда –нің мәні бастау мен құйманың кернеуіне сызықты тәуелділікпен өсетінін байқауға болады. Ал жапқы мен құйманың кернеуінің теріс мәнінің шамасы артқан сайын сызықты тәуелділікпен кемиді, ол белгілі бір максималь мәнге жеткенде арна жабылады, яғни ток жүрмейтін болады.

Өрістік транзисторлардың негізгі сипаттамалық көрсеткіштері:

1. сипаттамасының тіктігі

,

2. бастаудың дифференциалдық кедергісі

,

3. кернеуді күшейту коэффициенті

.

Биполярлық транзистор арқылы өтетін ток негізгі емес заряд тасымалдаушылардың базаға инжекциялануы арқылы басқарылатын болса, ал униполярлық транзисторларда, ол электрондардың ағынына жапқының тарапынан перпендикуляр бағытта әсер ететін электр өрісіне тікелей байланысты.

5.2 – сурет

Өрістік транзисторлардың биполярлық транзисторларға салыстырғанда кіріс кедергілері мен күшейту коэффициенттері үлкен, сонымен қатар аса жоғары жиіліктер үшін шуыл коэффициенттері кіші, температураға және тесіп өту кернеуіне төзімді.

Жапқысы оқшауланған өрістік транзистор

Жапқысы оқшауланған өрістік транзисторларды көбінесе МДШ транзисторлар деп атайды. Бұлайша аталуының себебі мұнда Мметалл, Ддиэлектрик, Шшалаөткізгіштің түйіспелерін пайдаланады. МДШ қысқаша металл  диэлектрик шалаөткізгіш деген ұғымды білдіреді.

МДШ транзисторлар арнасының сипатына байланысты екі түрге бөлінеді:

1) бастау мен құйманы тура қосатын өткізгіштік арнасы бар МДШ транзисторлар:

2) жапқының кернеуі (электр өрісі) арқылы пайда болған индукциялық арнасы бар МДШ транзисторлар.

Бастау мен құйманы тура қосатын өткізгіштік арнасы бар МДШ транзисторлардың құрылымы төмендегі 5.3асуретте көрсетілген.

Бұл транзистордың бастауы мен құймасы екеуі де тектес шала өткізгіштен жасалған. Олардың арасы дәл осы шала өткізгішпен тура қосылған, ол өткізгіш арнаның міндетін атқарады. Арнаның өткізгіштік қасиеті жапқыға берілген кернеудің шамасы мен оның полярлығына байланысты өзгереді. Егер жапқыға теріс потенциал берілсе, онда ол арнаның негізгі заряд тасымалдаушы электрондарын кері итереді. Арна арқылы бастаудан құймаға қарай қозғалатын электрондардың жүрісі тежеледі де ток жүрмейді.

Ал егер жапқыға оң потенциал берілсе, онда ол арнаның негізгі заряд тасымалдаушы электрондары жапқыға қарай тартылып, арна арқылы бастаудан құймаға қарай қозғалатын электрондардың жүрісі жеңілдейді, арнаның өткізгіштігі артады, демек құйманың тогі өседі.

а)

ә)

1-бастау, 2-жанқы, 3-құйма, 4-металл қабат, 5-диэлектик

5.3  сурет

5.4асуретте өткізгіштік арнасы бар МДШ транзисторлардың құймалық (шығыс) сипаттамысы, ал 5.4әсуретте бастаужапқылық (кіріс) сипаттамысы келтірілген. Егер болса, онда арна арқылы тек оның өткізгіштігіне байланысты ток жүреді. Сипаттаманың 0б бөлігінде арнаға түсетін кернеуінің мәні аз, токтің мәні оған сызықты тәуелділікпен өзгереді. нүктеге жақындаған сайын арнаға түсетін кернеуінің мәні артады, сонымен бірге арнаның өткізгіштігі де жақсарады. нүктеге жеткеннен кейін арна жіңішкеріп, арнадағы ток қанығу мәніне жетеді.

5.4  сурет

Енді кернеуінің кіріс сипаттамаға әсерін бақылайық (5.4әсурет).

5.5 – сурет

Егер жапқыға кернеу берілсе, онда оның өрісі арнадағы электрондарды кері итереді. Арнаның өткізгіштігі кемиді. Сондықтан мәндерінің тәуелділік сипаттамасының қисықтары тәуелділік сипаттамасының қисығынан төмен жатады. Егер болса, онда арнаның өткізгіштігі артады да оның сипаттамасының қисығы тәуелділік қисығынан жоғары шығады. Себебі, арнадағы электрондардың концентрациясы молаяды.

Өрістік транзисторлардың шартты белгілері:

5.6 – сурет

Жоғарыда 5.4әсуретте көрсетілген индукциялық арнасы бар МДШ транзисторлардың құрылымымен танысайық. Мұнда бастауы мен құйманы қосып тұрған өткізгіштік арна жоқ. Егер мұндай транзистордың жапқысына оң потенциал берілсе (құймаға салыстырғанда), онда жапқының өрісі электрондарды өзіне қарай тартады. Олар жапқының астына жиналады. Мұндағы жапқыметалл, ал оның астында диэлектрик қабат орналасқан. Металл және диэлектриктің аралығында пайда болатын электр өрісінің сипаттамасы алдыңғы тақырыпта айтылған. Осыған ұқсас жапқыда пайда болған электр өрісі бастаудан шыққан электрондарды құймаға жеткізетін арна ашып береді (5.3әсуреттегі үзік сызық). Электр өрісінің әсерінен пайда болған бұл арнаны индукциялық арна дейді.

Индукциялық арнасы бар МДШ транзисторлардың шығыс және шығыс сипаттамалары жоғарыдағы 5.5а және әсуреттерде көрсетілген.

Индукциялық арнасы бар МДШ транзисторлардың сипаттамалары өткізгіштік арнасы бар МДШ транзисторларға ұқсас екенін байқауға болады.

а)  ауысуы басқармалы арнасы текті өрістік транзистор;

ә)  ауысуы басқармалы арнасы текті өрістік транзистор;

б)  арнасы текті МДШ транзистор;

в)  арнасы текті МДШ транзистор.

Алмастырып қосушы аспаптар тиристорлар

Әр текті шала өткізгіштерді олардың сипаттамалары (ток күшінің кернеуге тәуелділігі) кенет және шапшаң өзгеретіндей етіп өзара түйістіріп қосуға болады. Ондай аспаптар арқылы электрлік жүйелердің тетіктерін тез арада, автоматты түрде алмастырып қосуға немесе ток көзіне әр түрлі қосуға өте ыңғайлы. Мұндай аспапты тиристор деп атайды. Тиристорды тор арқылы басқарылатын иондық прибордың, яғни тиратронның шала өткізгіштік түрі ретінде қабылдауымызға болады.

Тиристордың төрт және қабаттары, үш ауысуы болады (5.7  сурет). Ең сыртқы шетіндегі қабаты анодтың, келесі сыртқы қабаты катодтың, ал оған көршілес орналасқан қабаты басқарушы электродтың міндетін атқарады.

5.7  сурет

Тиристордың екі түрі бар. Екі электродты (Анод және катод) құрылымды тиристорды динистор, үш электродты құрылымды (Анод, катод және басқарушы электрод) тиристорды тринистор немесе триодтық тристор деп атайды.

Динисторды электродтарына берілген кернеудің полюстерін өзгерту арқылы жүйеге қосуға немесе ажыратуға болады. Ал тринистор басқарушы электродына берілген басқарушы токтің көмегімен ашық күйден жабық күйге көше алады. Динистордың жұмыс принципімен, яғни вольтамперлік сипаттамасымен танысайық (5.8сурет).

Т ура кернеудің мәні аз болған жағдайда ауысулар арқылы өтетін инжекциялық тоқтің мәні де аз (сипаттаманың 1 бөлігі). Енді сырттан берілетін кернеудің шамасын мәніне дейін арттырайық. Иондық соққының

5.8 - сурет

әсерінен заряд тасымалдаушылардың саны молаяды. ауысулардың потенциалдық тосқауылы кемиді, ішкі кедергі тез азаяды, нәтижесінде токтің шамасы мәніне дейін кенет артады (сипаттаманың 2 бөлігі).

Осыдан кейін жүйеде ( ауысуларда) шамасы жоғары, бірақ мәні теріс кедергі пайда болады, заряд тасымалдаушылардың саның өсуі шектеледі. Динистор өте тез арада жабық күйден (сипаттаманың 3 бөлігі) ашық күйге өтеді. Ашық күйдегі (сипаттаманың 4 бөлігі) динистордың кедергісі өте аз, бірақ мәні оң болады. Динистор қуатты алмастырып қосушының міндетін атқарады.

5.9сурет

Жоғарыдағы тиристордың тізбекке динистор ретінде (5.9асурет) және тринистор ретінде (5.9әсурет) қосылуының сұлбасы берілген.

және текті екі транзисторды біріктіру арқылы да тиристорды жасауға болатындығын 5.9бсуреттен көруге болады.

Тринистордың динистордан ерекшелігі оның басқарушы электродына сырттан берілетін қуаты аз кернеу арқылы үлкен қуатты электрлік жүйені үлкен жылдамдықпен басқаруға болатындығында.

Төрт электродты құрылымды шала өткізгіш аспаптарды тетристор немесе бинистор деп атайды. Олардың вольтамперлік сипаттамасы, яғни жұмыстау принциптері динистор мен тринисторға ұқсас.

6-дәріс: Электрондық күшейткіштердің классификациясы. Негізгі сипаттары. Жұмыс ережесін тұрақтандыру.

Дәрістің мақсаты: - электрондық күшейткіштердің жұмыс принципімен танысу, есеп жасау.

Түйін сөздер: - транзистордың шығысындағы ток күші мен кернеулерінің арасындағы байланысын сипаттайтын сызықты динамикалық сипаттама немесе жүктеме сызығы деп атайды.

Сигналдар деп аталатын электрлік шамалар көбінесе өте әлсіз болып келеді. Сондықтан, ондай сигналдардың кернеуін, тогін және қуатын күшейту үшін электрондық күшейткіштер деп аталатын электрондық құрылғыларды пайдаланады. Жалпы электрондық күшейткіштер сигналды коректендіруші ток көзінің э.қ.кнің энергиясының есебінен күшейтеді, қуатын арттырады.

Күшейткіштердің топқа бөлінуі

Электрондық күшейткіштер сигалдардың жиіліктеріне және олардың пішініне, яғни түр тұрпатына қарай бірнеше топқа бөледі:

1) төменгі жиіліктердің күшейткіштері (ТЖК)  жиіліктері бірнеше ондаған герцден бірнеше ондаған килогерцге дейінгі үздіксіз периодтық сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар;

2) тұрақты ток күшейткіштері (ТТК) кернеу мен тогінің шамасы аса баяу өзгеретін, жиіліктер аумағы нөлден басталып бірнеше ондаған герцмен шектелетін сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар. ТТК автоматика және есептеу техникаларының құрылғыларында кеңінен қолданылады;

3) талғағыш күшейткіштер  жиіліктерінің төменгі және жоғарғы мәндері шектелген ( ) сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар;

4) импульстік немесе кең жолақты күшейткіштер  жиіліктері бірнеше ондаған килогерцден бірнеше ондаған мегагерцге дейінгі үзікүзік сигналдарды күшейтуге арналған электрондық құрылғылар.

Күшейткіштердің техникалық көрсеткіштері

Күшейткіштердің жұмыс күйі бірнеше техникалық көрсеткіштер арқылы сипатталады. Олардың ең маңыздылары:

1) күшейту коэффициенті  күшейткіштің кірісіне берілген шама оның шығысында неше есе өсіп шықанын көрсететін коэффициент. Оның күшейтетін шамаларына байланысты кернеу бойынша, ток күші бойынша және қуат бойынша күшейту коэффициенттері деп аталатын үш түрі болады.

Кернеу бойынша күшейту коэффициенті:

, (6.1)

мұндағы  күшейткіштің кірісіндегі, ал  күшейткіштің шығысындағы кернеулердің мәні.

Ток күші бойынша күшейту коэффициенті:

, (6.2)

мұндағы  күшейткіштің кірісіндегі, ал  күшейткіштің шығысындағы ток күшінің шамалары.

Қуат бойынша күшейту коэффициенті:

, (6.3)

мұндағы  күшейткіштің кірісіндегі, ал  күшейткіштің шығысындағы сигналдардың қуатының мәндері.

Егер күшейткіш құрылғы көптеген каскадтан құралса, онда оның күшейту коэффициенті:

. (6.4)

Жалпы күшейту коэффициентін логарифмдік бірлікпендецибелмен көрсету өте қолайлы, өйткені адамның есту мүшесі қабылдайтын дыбыс қатаңдығы оған сәйкес дыбыс толқыны энергиясының өзгеруінің логарифміне пропорционал қатынаста болады. Бір бел өлшемге он есе күшейту сәйкес келеді, демек . Енді децибелмен бағалайтын болсақ, онда

,

,

; (6.5)

2) пайдалы әсер коэффициенті (ПӘК):

, (6.6)

мұндағы  күшейткіштің шығысындағы пайдалы қуат, ал  барлық жұмсалған қуат;

3) күшейткіштің сезімталдығы  күшейткіштің қабылдайтын кіріс сигалының кернеуінің немесе қуатының минимал мәні. Қазіргі күшейткіштер үшін , ;

4) күшейткіштің кіріс кедергісі  күшейткіштің кіріс сигналының кернеуі түсетін кедергі, демек , ал шығыс кедергісі  күшейткіштің жүктемесі жоқ кезіндегі транзистордың коллектор және эмиттер аралық кедергісі.

5 ) күшейткіштің жұмыс жиілігінің ауқымы  күшейту коэффициенті тұрақты сақталатын ең төменгі және ең жоғарғы жиіліктерінің аралығы. Күшейткіштің ең төменгі

және ең жоғарғы жиіліктерінің мәні,

оның орташа жиілігіне

сәйкес келетін күшейту

коэффициентінің (6.1 сурет)

мәнімен анықталады;

6.1  сурет

6) күшейткіштегі сигналдың бұрмалануы  күшейткіштің активті элементінің (транзистордың) вольтамперлік сипатамасының сызықты тәуелділіктен ауытқуына байланысты оның шығысындағы сигналдың түр тұрпатының кірісіне берілген сигналмен сәйкестігі бұзылып, өзеріске ұшырау, жаңадан гармоникалық құрамалар пайда болу құбылысы. Мұндай бұрмалануды сызықты емес бұрмалану дейді. Ал кейде күшейткіштің сұлбасында индуктивтік орама және конденсатор сияқты реактивтік элементтердің болуына баланысты сигналдың жиіліктері мен фазаларында сызықты өзгерістер де байқалады.

Ортақ эмиттерлі қарапайым күшейткіш

Биполярлық транзисторға негізделген күшейткіштер көбінесе ортақ эмиттерлі сұлба бойынша құрастырылады (6.2сурет). Өйткені, жоғарыда атап өткеніміздей, мұндай күшейткіштердің қуат бойынша күшейту коэффициенттері ең жоғары болады.

Енді осы каскадтың жұмыстау принципімен танысайық. Синусоидалық сигналдың кернеуін конденсатор арқылы транзистордың эмиттербазасына берейік. Осы кернеудің әсерінен базамен оның тұрақты тогіне салыстырғанда амплитудасы пульсациялық ток жүре бастайды.

Базаның тұрақты тогінің мәнін коректендіруші ток көзінің э.қ.кі мен кедергі анықтайды. Базадағы токтің өзгерісі кедергі арқылы жүретін коллектор тізбегінің тогін үлкен өзгеріске ұшыратады. Коллектор тогінің айнымалы құрамасы конденсатор арқылы өтіп, күшейткіштің шығыс тізбегіндегі жүктеменің кедергісіне шығыс кернеуін береді.