Жартылай өткізгіштік диод. P-n өткелдің тура және кері бағытта ығысулары жағдайында вас-н динамикалық кедергіні және түзету коэффициентін қалай анықтауға болады?
Жартылай өткізгіштік диодта электрондық-кемтіктік бір өткел болады. p-n ауысуды теориялық талдаудан диодтың жұмысын тура ығысу жағдайында да, кері ығысу жағдайында да едәуір дәл бейнелейтін қарапайым теңдеу алынады:
(3)
мұндағы
- кері қанығу тоғы,
- диодқа берілген кернеу,
- өткелдің абсолют температурасы,
- Больцман тұрақтысы,
- электрон заряды (абсолют мәні).
(3) формуланы мына түрде жазуға болады:
,
(4)
мұндағы
- термиялық потенциал
;
болғанда
.
|
5–сурет. р-n ауысудағы бөгеттік сиымдылықтың кернеуге тәуелділігі |
үшін
экспоненциал мүшесі бірмен салыстырғанда
көп үлкен болуға тиіс; сонда (3) формуладағы
бірді ескермеуге болады. Демек, тура
ығысу кезінде
(3) теңдеу
(тура ығысу кезінде).
(5)
(5) өрнек
токтың
кернеуден қарапайым экспоненциалды
тәуелділігі болып табылады; бұл тура
ток мәні кері қанығу
тоғы мәнінен көп үлкен және
кернеу аз өскен жағдайдың өзінде тура
ток тез өседі деген физикалық көрініспен
үйлеседі. Мәселен, бөлмелік температура
жағдайында (
үшін)
әрбір 60 мВ-қа өскенде тура ток 10 есеге
өсетін болады. Бірақ, кері ығысу
жағдайында,
болғанда, (3) теңдеудегі экспоненциалдық
мүше бірмен салыстырғанда кіші болып
қалады да төмендегідей
болады.
(кері ығысу жағдайында)
(6)
Cонымен, (3) теңдеуде
тура ығысу жағдайындағы үлкен ток та
және кері қанығу (
)
тогы
да сәтті көрсетілген.
(3) экспоненциалдық тәуелділікті қорыту кезінде физикалық кейбір идеализациялар жасалғанына қарамастан, нәтижелер реал диодтың жұмысшы алабының көпшілік бөлігі үшін эксперименттік деректермен жақсы үйлеседі.
6–суретте германий және кремний диодтарының ВАС-ы көрсетілген. Диодтың шартты белгіленуі суреттің сол бөлігінде берілген. Мұндағы символ–белгі диодты экспоненциалды деп санауға болатынын білдіреді.
6–суретте кернеу мен ток үшін сызықтық масштабтар алынған және токтар осі бойынша мәндер бүкіл сипаттаманы 80 мА ток мәніне шейін бейнелеу үшін алынғандықтан, сипаттама өте күшті сызықтық емес болуға тиіс сияқты. Кернеу белгілі мәнге жеткенге дейін ток нолге тең болып тұрады да, осыдан кейін кернеу артқанда ток тез өсетін болады. Елерліктей ток байқалатын кернеуді көбінесе диодтың табалдырық кернеуі деп атайды. Табалдырық кернеудің мәні германий диодтары үшін 0.2–0.3 B, кремний диодтары үшін 0.6–0.7 В болады.
6–суретте кремний диодының сипаттамасы келтірілген, оның тура бағыттағы тоғы 80мА жетеді, ал кері қанығу тоғы 0.5 мА. Кернеу 0.5 В маңайында болған жағдайда кремний диодындағы ток нольден елеулі өзгеше болады. Ығысу кері бағыттан +0.5 В-қа дейін өзгергенде ток өте көп есе өзгереді.
ВАС потенциалдардың контактылық айырмасын бағалауға мүмкіндік береді. Диодқа берілген кернеу потенциалдардың контактылық айырмасынан кіші болған жағдайда, ВАС сызықтық емес, өйткені берілген кернеу түгелдей дерлік көлемдік заряд алабына түседі. Осы алабтың ені р-n өткелдің ВАС-ның ерекшелігін анықтайды. Сыртқы кернеу потенциалдық тосқауылдың биіктігінен артқан кезде зарядтың негізгі тасушылары үшін бітеме қабат жойылады (шашырайды) және берілген кернеу бүкіл жартылай өткізгіштің бойымен төмендеп түседі – ВАС сызықтық түрге айналады.
Сонымен, осы екі алабтың (сызықтық және сызықты емес) шекарасындағы А нүктесі контактылық потенциалдар айырымына сәйкес келеді (7–сурет).
|
6–сурет. Кремний және германий диодтарының ВАС - сы |
|
7–сурет. Потенциалдардың контактылық айырмасын ВАС бойынша анықтау
|
ВАС-тан
динамикалық кедергіні
Түзету
коэффициенттерін
Жартылай өткізгішті диод (оң және теріс бағыттарда өткізу механизмдері).
р-n ауысуға кернеу түсірілген жағдайды қарастырайық. Тепе-теңдіктегі күйді қарастырғанда қолданылатын дрейфтік және диффузиялық ток ұғымдарын пайдаланып, ауысудың ВАС-ы жайында сапалық көріністі алуға болады.
Алғашында р-алаб n-алабқа қатысты оң таңбалы болатындай етіліп онша үлкен емес кернеу түсірілген деп ұйғарайық. Бәрінен бұрын осы кернеу екі бейтарап алаб пен көлемдік заряд алабы аралығында қалайша бөлініп таралады? деген сұрақ туады. Осы сұрақты егжей-тегжейлі талдауға сапалық қарастыру жеткіліксіз, дегенмен берілген кернеудің барлығы дерлік көлемдік заряд алабына түсетінін көрсетуге болады, өйткені оның кедергісі үлкен; берілген кернеудің тек болмашы бөлігі бейтарап р- және n- алабтарының үлесіне келеді. Бұған қоса, кернеу түсірілгенде, ол көлемдік заряд алабындағы электр өрісін жылулық тепе-теңдікке сәйкес мәнге қарағанда төмен болатындай етіп түсіріледі. Сондықтан заряд тасушыларының дрейфі мен диффузиясы арасындағы баланс (тепе-теңдік) бұзылады. Мәселен, өріс және оған сәйкес дрейфтік ток кемитіндіктен заряд тасушылардың тасымалдануы процесінде диффузиялық құраушы басым болады да, р-алабтан n-алабқа кемтіктердің тоғы (ағыны) және n-алабтан р-алабқа электрондар тоғы пайда болады. Біртекті жартылай өткізгіштегі сияқты, электрондар мен кемтіктердің қарама-қарсы бағыттардағы қорытқы тасымалдануы зат нұсқасы арқылы толық тура ток құрайтын болады. Концентрация градиенттері өте үлкен болатындықтан, үлкен ток алу үшін болмашы кіші U кернеу (1 В-тан кіші) жеткілікті болады (3–суреттегі ВАС-ты қараңыз). Осындай үлкен токтарды тудыратын кернеудің полярлығы, тура кернеуге, немесе тура ығысуға сәйкес келеді.
Кемтіктердің тасымалы
Электрондардың тасымалы
|
|
3-сурет. Тура ығысу кезіндегі р-n ауысу |
|
Тура
ығысу көлемдік заряд алабындағы өрісті
төмендетеді және өткел арқылы негізгі
заряд тасушыларды бұлар негізгі болмайтын
алабтарға қарай диффузия жасауларына
мүмкіндік туғызады. Демек, тура ығысу
жағдайында негізгі емес тасушылардың
концентрациялары ауысу маңайында қатты
өседі.
Кемтіктердің тасымалдануы
Электрондардың тасымалдануы
|
|
4–сурет. Кері ығысу кезіндегі p-n ауысу (U0) |
|
Енді р-n ауысуға полюсі қарама-қарсы кернеу – кері ығысу түсірілген жағдайды қарастырайық (4–сурет). Кері кернеу көлемдік заряд алабына түгелдей дерлік түсіріледі және электр өрісін өзгертеді. Бірақ, түсірілген кернеудің бұдан бұрыны жағдайдан өзгешелігі сол, ол көлемдік заряд алабындағы өрісті өсіреді. Осы өскен өріс негізгі тасушылардың диффузиясына күшті кедергі жасайды. Диффузия есебінен зарядтардың тасымалдануы доғарылады, яғни өріс негізгі заряд таымалдаушыларды тиісті бейтарап алабтарда ұстап тұратындай және бұлардың көлемдік заряд алабы арқылы диффузиялануына мүмкіндік бермейтіндей бағытталған болады. Сонымен, өрістің бағыты негізгі емес заряд тасушыларды тиісті бейтарап алабтардан суырып шығарып және бұларды көлемдік заряд алабы арқылы дрейф жасауға мәжбір ететіндей бағытталған болады. Осының нәтижесінде кемтіктердің n-алабтан р-алабқа және р-алабтан n-алабқа тасымалдануы пайда болады, бұл өткел арқылы теріс, немесе кері токты тудырады.
Бейтарап
жартылай өткізгіш затта негізгі емес
заряд тасушылардың концентрациясы
негізгі тасушылар концентрациясынан
әлденеше қатарға кіші болатындығы бұрын
айтылған болатын. Демек,
негізгі емес заряд тасушылар
концентрациясына пропорционал кері
ток, тура ығысу кезіндегі токтан көп
қайтара кіші болады. Бұдан
басқа, кері ығысу артып, негізгі заряд
тасушылардың диффузиясы тоқтайтын
мәнге жеткенен кейін (әдетте ол вольттың
бөлігі), кері ығысуды бұдан әрі арттырғанмен
ол кері токты өзгертпейді немесе өте
аз өзгертеді (4–сурет). Кері ығысудың
өсуі көлемдік заряд алабында электр
өрісінің өсуімен қабаттаса жүргенімен,
негізгі емес заряд тасушылардың бейтарап
алабтардан келулерімен шектеліп тұрады.
Сондықтан, бейтарап алабтардан негізгі
емес тасушылардың бәрін өріс суырып
алатындай мәнге жеткен кезде, өріс
кернеулігінің бұдан әрі өсуінен ток
тәуелді болудан қалады. Осы тұрақты
кері ток р-n
ауысудың кері
қанығу тоғы деп
аталады, өйткені ток мәні максимал
мәнге, немесе қанығу мәніне кері кернеуді
өсіргенде жетеді. Кері қанығу тоғы
немесе
арқылы
белгіленеді.
Ауысу (өткел) арқылы кері ығысу кезінде негізгі емес тасушыларды суырып шығару процесі нәтижесінде негізгі емес тасушылар жиналады. Кері қанығу тоғы кері кернеуге тәуелді болғанымен, оған негізгі емес тасушылардың концентрациясының өзгерісін тудыратын құбылыстар ықпал етеді. Мұндай құбылыстарға температураның өзгерісі, жартылай өткізгішті жарықпен немесе рентген сәулесімен немесе екінші өткел көмегімен негізгі емес тасушыларды қосымша инжекциялау жатады. Соңғы құбылыс өте маңызды роль атқарады: транзистордың жұмысы осыған негізделген.
Сонымен, р-n ауысу тура бағытта өте үлкен токтарды өткізе алады (р-алабтан n-алабқа), ал кері бағытта өте әлсіз токтарды өткізе алады. Тура бағыттағы токтың шамасына тән мәндер құрылым мөлшеріне және жылуды бөліп шығаруына қарай бірнеше миллиамперден амперге дейінгі аралықта жатады. Кері токтар шамамен алты реттік шамаға кіші болады және наноамперден микроамперге дейінгі диапазонда жатады.
Магнит өрісінің индукциясы деген не? Магнит индукция векторының физикалық мағынасы қандай? Магнит индукциясын өлшеудің қандай әдістерін білесіз? (Холл датчик эдісі, электромагниттік индукция әдісі)
Тогы бар
өткізгіштерді немесе қозғалыстағы
зарядтарды қоршап тұрған кеңістікте
магнит өрісі пайда болады; осы өрісті
оның тогы бар басқа өткізгішке немесе
магнит стрелкасына әсері бойынша
байқауға болады. Кеңістіктің әрбір
нүктесіндегі магнит өрісі сандық түрде
магнит өрісінің
кернеулік
векторы көмегімен немесе магнит өрісінің
индукция векторы көмегімен бейнеленуі
мүмкін. Вакуумда
және
векторлары мына қатынаспен байланысады:
(1)
мұнда
- магниттік тұрақты.
Магнит
өрісінің кернеулігін немесе индукциясын
есептеу үшін Био-Савара- Лапласа заңы
қолданылады. Осы заңға сәйкес
тогы бар өткізгіш элементі кеңістіктің
қашықтықта тұрған нүктесінде туғызатын
магнит өрісінің
элементар
кернеулігі мына өрнекпен анықталады
(2)
Мөлшері шектеулі өткізгіш туғызатын қорытқы кернеулікті табу үшін магнит өрістерінің суперпозиция принципін пайдаланып элементар кернеуліктердің векторлық қосындысын табу керек:
(3)
Қосынды шектік жағдайда тогы бар контур бойынша интеграл түрінде жазылады. (3) формуланы соленоид өрісіндегі магнит өрісінің кернеулігін есептеу үшін қолданайық. Соленоидтың әрбір орамы – бұл дөңгелек ток, сондықтан алдымен тогы бар дөңгелек орам өрісіндегі өріс кернеулігін есептейміз (1 - сурет).
|
1-сурет. Тогы бар дөңгелек орамның осіндегі кернеулікті есептеу
|
Магнит
өрісінің
-
ОА өсіне перпендикуляр құраушыларын
қосқанда олар контурдың симметриялығы
салдарынан бірін – бірі теңгереді;
Сондықтан магнит өрісінің А нүктесіндегі
кернеулігі дөңгелек токтың өсі бойымен
бағытталады және модулі бойынша мынаған
тең болады:
(4)
(5)
(5)
– те
және
векторларының
өзара перпендикуляр
екендігі ескерілген.
(5) -
ті (4)
– ке және
және
шамаларының
тұрақты екендігі ескерілгенде мына
өрнек шығады
(6)
Енді
2 – суретте көрсетілген соленоидтың
өрісін есептеуді қарастырайық.
Соленоидтың бірлік ұзындығына
орам келетін болсын, сонда
бөлікте
орам
болады. Осы орамдар соленоидтың 0
нүктесінде (6)-ға сәйкес мынадай кернеулік
туғызады
(7)
|
|
2-сурет. Соленоидтың өрісін есептеу
|
|
3-сурет.
-ті
есептеу
3–суретте
элемент,
радиус-вектор және
мен
бұрыштары бөлек кескінделген. 2 және
3–суреттердегі геометриялық сынулардан
мыналар алынады:
(8)
(8)
- ті (7) – ге қоямыз және
-ден
–ге
дейін интегралдаймыз:
(9)
Шексіз ұзын соленоид жағдайында
(10)
болады.