Kapacitetet r-p tranzicionit. Kur ndizet r-p tranzicioni në drejtim të kundërt, si dhe në tensione të vogla përpara në rajon r-p tranzicioni ka një shtresë elektrike të dyfishtë: në r zona - negative, në n zonat - pozitive.

Akumulimi i ngarkesës së pakompensuar në këtë shtresë çon në shfaqjen e kapacitetit r-p tranzicioni, i cili quhet kapacitet pengues. Karakterizon ndryshimin në ngarkesën e akumuluar kur ndryshon tensioni i jashtëm sipas Fig. 1.12. C b =dQ/dU .

Oriz. 1.12. Varësia e kapacitetit pengues

nga tensioni i kundërt.

Kapaciteti i barrierës varet nga dimensionet gjeometrike r-p tranzicionit. Me rritje U arr. gjerësia r-p tranzicioni rritet dhe kapaciteti zvogëlohet.

Kur dioda ndizet në drejtimin përpara, kapaciteti i pengesës praktikisht zhduket dhe transportuesit e pakicave të transferuara nga emetuesi grumbullohen në shtresën bazë të diodës. Ky akumulim i ngarkesës krijon gjithashtu një efekt kapaciteti, i cili quhet kapaciteti i difuzionit. S d zakonisht tejkalon C b.

Përcaktohet kapaciteti i difuzionit C d = dQ d / dU.

Këto kapacitete ndikojnë kur diodat funksionojnë në frekuenca të larta. Kapacitetet r-p tranzicionet përfshihen në qarkun ekuivalent (Fig. 1.13).

Oriz. 1.13. Qarqet ekuivalente të diodës duke marrë parasysh kapacitetet:

a – kapaciteti pengues; b – kapaciteti i difuzionit

Proceset kalimtare në dioda. Kur diodat funksionojnë me sinjale me frekuencë të lartë (1-10 MHz), procesi i kalimit nga një gjendje jopërçuese në një gjendje përcjellëse dhe anasjelltas nuk ndodh menjëherë për shkak të pranisë së kapacitetit në tranzicion, për shkak të akumulimit e ngarkesave në bazën e diodës.

Figura 1.14 tregon diagramet kohore të ndryshimeve të rrymave nëpër diodë dhe ngarkesës gjatë impulseve drejtkëndore të tensionit të furnizimit. Kapacitetet në qarkun e diodës shtrembërojnë skajet kryesore dhe pasuese të pulseve, duke shkaktuar shfaqjen e kohës së resorbimit tp.

Kur zgjidhni një diodë për një qark specifik, duhet të merren parasysh vetitë dhe performanca e frekuencës së saj.

Oriz. 1.14. Proceset kalimtare në

dioda ndërruese:

t f1- kohëzgjatja e skajit kryesor të tranzicionit;

t f2- kohëzgjatja e skajit pasues;

tp- koha e resorbimit.

Zbërthimi r-p tranzicionit. Tensioni i kundërt i diodës nuk mund të rritet në asnjë vlerë. Në një tension të caktuar të kundërt, karakteristik për secilin lloj diodë, ndodh një rritje e mprehtë e rrymës së kundërt. Ky efekt quhet zbërthim i tranzicionit. Ekzistojnë disa lloje të avarive (Fig. 1.15):

1- prishja e ortekëve, kur ndodh një rritje e rrymës së kundërt për shkak të shumëzimit të ortekëve të transportuesve jo-shumicë;

Oriz. 1.15. Karakteristikat e tensionit aktual për lloje të ndryshme prishjesh

Prishja e 2-tunelit, kur kapërcehet pengesa potenciale dhe shtresa bllokuese ndodh për shkak të efektit të tunelit.

Gjatë prishjeve të ortekëve dhe tunelit, rryma e kundërt rritet me një tension konstant të kundërt.

Këto janë prishje elektrike. Ato janë të kthyeshme. Pas heqjes U arr. dioda rikthen vetitë e saj.

3- zbërthimi termik, ndodh kur sasia e nxehtësisë që çlirohet brenda r-p tranzicioni, më shumë nxehtësi lëshohet nga sipërfaqja e diodës në mjedis. Për më tepër, me rritjen e temperaturës r-p tranzicioni, përqendrimi i transportuesve të pakicës rritet, gjë që çon në një rritje edhe më të madhe të rrymës së kundërt, e cila, nga ana tjetër, çon në një rritje të temperaturës, etj. Meqenëse për diodat e bëra në bazë të germaniumit, arr. më e madhe se për diodat me bazë silikoni, atëherë për të parën probabiliteti i prishjes termike është më i lartë se për të dytën. Prandaj, temperatura maksimale e funksionimit për diodat e silikonit është më e lartë (150 o...200 o C) sesa për diodat e germaniumit (75 o...90 o C).

Në këtë rast zbërthimi r-p tranzicioni është shkatërruar.

Pyetjet e testit.

1. Çfarë është një diodë gjysmëpërçuese? Karakteristikat e tensionit aktual të një diode ideale dhe reale?

2. Cilat materiale përdoren për prodhimin e diodave gjysmëpërçuese? Si të krijoni rajone të një ose një lloji tjetër përçueshmërie në një substrat gjysmëpërçues?

3. Sa është fusha vetë-elektrike në një kristal në kufi p-n- tranzicioni? Si ndryshon kur aplikohet tension i jashtëm?

4. Çfarë shpjegon efektin e përcjelljes njëkahëshe p-n- kalimi në një gjysmëpërçues?

5. Karakteristikat e rrymës-tensionit p-n-Tranzicionet për diodat e germaniumit dhe silikonit kur ndryshon temperatura e jashtme?

6. Si përcaktohet rezistenca diferenciale e një diode?

7. Si ndërtohen karakteristikat e rrymës-tensionit të një diode me linjë ngarkese?

8. Shpjegoni mekanizmin e formimit të kapaciteteve barriere dhe difuzive të diodës? Si ndikojnë ato në funksionimin e një diode në qarqet e rrymës alternative?

Leksioni 2. Llojet e veçanta

Leksioni 2. Diodat gjysmëpërçuese

Tranzicioni elektron-vrima dhe vetitë e tij. Një bashkim elektron-vrimë është një shtresë e hollë midis dy pjesëve të një kristali gjysmëpërçues, në të cilin një pjesë ka përçueshmëri elektronike dhe tjetra ka përçueshmëri vrimash. Procesi teknologjik i krijimit të një tranzicioni elektron-vrimë mund të jetë i ndryshëm: shkrirja (diodat e aliazhit), difuzioni i një lënde në një tjetër (diodat e difuzionit), rritja e orientuar nga epitaksi e një kristali në sipërfaqen e një tjetri (diodat epitaksiale), etj. Sipas projektimit, tranzicioni i vrimës elektronike mund të jetë simetrik dhe asimetrik, i mprehtë dhe i lëmuar, i rrafshët dhe me pikë, etj. Megjithatë, për të gjitha llojet e tranzicioneve, vetia kryesore është përçueshmëria elektrike asimetrike, në të cilën kristali kalon rrymë në një drejtim, por nuk e kalon në tjetrin.

Struktura e tranzicionit elektron-vrima është paraqitur në Fig. 2.1 a. Një pjesë e këtij kryqëzimi është e mbushur me një papastërti të donatorit dhe ka përçueshmëri elektronike (N - rajon). Pjesa tjetër, e ndotur me një papastërti pranuese, ka përçueshmëri vrimash (P - rajoni). Përqendrimi i elektroneve në një pjesë dhe përqendrimi i vrimës në pjesën tjetër janë dukshëm të ndryshëm. Përveç kësaj, ka një përqendrim të vogël të bartësve të pakicave në të dyja pjesët.

Elektronet në rajonin N priren të depërtojnë në rajonin P, ku përqendrimi i elektroneve është shumë më i ulët. Në mënyrë të ngjashme, vrimat nga rajoni P lëvizin në rajonin N. Si rezultat i kundër-lëvizjes së ngarkesave të kundërta, lind një e ashtuquajtur rrymë difuzioni. Elektronet dhe vrimat, pasi kanë kaluar ndërfaqen, lënë pas ngarkesa të kundërta, të cilat pengojnë kalimin e mëtejshëm të rrymës së difuzionit. Si rezultat, ekuilibri dinamik vendoset në kufi dhe kur rajonet N- dhe P janë të mbyllura, nuk rrjedh rrymë në qark. Shpërndarja e densitetit të ngarkesës hapësinore në tranzicion është paraqitur në Fig. 2.1 b.

Në këtë rast, një fushë elektrike e brendshme E intrinsic shfaqet brenda kristalit në ndërfaqe, drejtimi i së cilës tregohet në Fig. 2.1. Fuqia e kësaj fushe është maksimale në ndërfaqe, ku shenja e ngarkesës hapësinore ndryshon befas. Në një distancë nga ndërfaqja, nuk ka ngarkesë hapësinore dhe gjysmëpërçuesi është neutral.

Lartësia e pengesës potenciale në kryqëzimin pn përcaktohet nga ndryshimi i potencialit të kontaktit midis rajoneve N dhe P. Dallimi i potencialit të kontaktit, nga ana tjetër, varet nga përqendrimi i papastërtive në këto zona:

ku  T =kT/q është potenciali termik, N n dhe P p janë përqendrimet e elektroneve dhe vrimave në rajonet N- dhe P, n i është përqendrimi i bartësit në gjysmëpërçuesin e papërpunuar.

Diferenca e potencialit të kontaktit për germanium është 0,6... 0,7 V, dhe për silikon - 0,9... 1,2 V. Lartësia e pengesës potenciale mund të ndryshohet duke aplikuar një tension të jashtëm në kryqëzimin p. Nëse një tension i jashtëm krijon një fushë në një kryqëzim pn që përkon me atë të brendshëm, atëherë lartësia e pengesës së mundshme rritet me polaritetin e kundërt të tensionit të aplikuar, lartësia e pengesës së mundshme zvogëlohet. Nëse tensioni i aplikuar

Përveç rrymës së difuzionit, rryma e përparme përmban një rrymë përcjellëse që rrjedh në drejtim të kundërt, prandaj rryma totale kur anon përpara kryqëzimin p-n do të jetë e barabartë me diferencën midis rrymës së difuzionit (2.2) dhe rrymës së përcjelljes:

Ekuacioni (2.3) quhet ekuacioni Ebers-Moll, dhe karakteristika korresponduese e rrymës-tensionit të kryqëzimit p-n është paraqitur në Fig. 2.3. Meqenëse në  t =ZOOK potenciali termik është T=25mV, atëherë tashmë në U = 0.1 V mund të supozojmë se

Rezistenca diferenciale e kryqëzimit p-n mund të përcaktohet duke përdorur formulën (2.3):

nga e marrim

Kështu, për shembull, në një rrymë I = 1A dhe  t = 25 mV, rezistenca diferenciale e kryqëzimit është 25 m0m.

Vlera kufizuese e tensionit në kryqëzimin p-n me anim përpara nuk e kalon diferencën e potencialit të kontaktit  k Tensioni i kundërt kufizohet nga zbërthimi i kryqëzimit p-n. Ndarja e një kryqëzimi pn ndodh për shkak të shumëzimit të ortekëve të bartësve të pakicës dhe quhet prishje orteku. Gjatë një prishjeje orteku të një kryqëzimi p-n, rryma përmes kryqëzimit rritet pa kufi me një tension konstant në të, siç tregohet në Fig. 2.3.

Një bashkim gjysmëpërçues p-n ka një kapacitet, i cili përgjithësisht përkufizohet si raporti i rritjes së ngarkuar përgjatë kryqëzimit me rritjen e rënies së tensionit në të, d.m.th. C=dq/du. Kapaciteti i kryqëzimit varet nga vlera dhe polariteti i tensionit të jashtëm të aplikuar. Me tension të kundërt në kryqëzim, kjo kapacitet quhet pengesë dhe përcaktohet nga formula

ku  k është diferenca e potencialit të kontaktit, U është tensioni i kundërt në kryqëzim, C bar (0) është vlera e kapacitetit të pengesës në U = 0, e cila varet nga sipërfaqja e kryqëzimit p-n dhe vetitë e kristal gjysmëpërçues. Varësia e kapacitetit të pengesës nga tensioni i aplikuar është treguar në Fig. 2.4.

Teorikisht, kapaciteti i barrierës ekziston në një tension përpara në kryqëzimin p-n, por ai është i mbyllur nga një diferencial r rezistencë e ulët diferenciale.

Kur kryqëzimi p-n është i njëanshëm përpara, kapaciteti i difuzionit ka një ndikim shumë më të madh, i cili varet nga vlera e rrymës përpara I dhe jetëgjatësia e bartësve të pakicës  p. Ky kapacitet nuk lidhet me rrymën e paragjykimit, por jep të njëjtën zhvendosje fazore midis tensionit dhe rrymës si një kapacitet normal. Vlera e kapacitetit të difuzionit mund të merret nga formula

Kapaciteti total i kryqëzimit nën paragjykim përpara përcaktohet nga shuma e kapaciteteve të barrierës dhe difuzionit

Kur kryqëzimi është me anim të kundërt, nuk ka kapacitet difuzioni dhe kapaciteti total përbëhet vetëm nga kapaciteti i barrierës.

Diodë gjysmëpërçuese quhet një pajisje që ka dy dalje dhe një (ose disa) kryqëzime p-n. Të gjitha diodat gjysmëpërçuese mund të ndahen në dy grupe: ndreqës dhe special. Diodat ndreqës, siç sugjeron emri, janë krijuar për të korrigjuar rrymën alternative. Në varësi të frekuencës dhe formës së tensionit të alternuar, ato ndahen në frekuencë të lartë, frekuencë të ulët dhe pulsuese. Llojet e veçanta të diodave gjysmëpërçuese përfitojnë nga vetitë e ndryshme të kryqëzimeve p-n; dukuria e prishjes, kapaciteti i barrierës, prania e zonave me rezistencë negative, etj.

Strukturisht, diodat ndreqës ndahen në dioda planare dhe pika, dhe sipas teknologjisë së prodhimit në aliazh, difuzion dhe epitaksial. Për shkak të zonës së madhe të kryqëzimit pn, diodat planare përdoren për të korrigjuar rrymat e mëdha. Diodat me pikë kanë një zonë të vogël tranzicioni dhe, në përputhje me rrethanat, janë krijuar për të korrigjuar rrymat e vogla. Për të rritur tensionin e prishjes së ortekut, përdoren kolonat ndreqës, të përbëra nga një seri diodash të lidhura në seri.

Diodat ndreqës me fuqi të lartë quhen dioda të fuqisë. Materiali për dioda të tilla është zakonisht silikoni ose arsenid i galiumit. Germanium praktikisht nuk përdoret për shkak të varësisë së fortë nga temperatura e rrymës së kundërt. Diodat e aliazhit të silikonit përdoren për të korrigjuar rrymën alternative me një frekuencë deri në 5 kHz. Diodat e difuzionit të silikonit mund të funksionojnë në frekuenca më të larta, deri në 100 kHz. Diodat epitaksiale silikoni me një substrat metalik (me një pengesë Schottky) mund të përdoren në frekuenca deri në 500 kHz. Diodat e arsenidit të galiumit janë të afta të funksionojnë në intervalin e frekuencës deri në disa MHz.

Me një rrymë të madhe përmes kryqëzimit pn, një tension i konsiderueshëm bie në pjesën më të madhe të gjysmëpërçuesit dhe nuk mund të neglizhohet. Duke marrë parasysh shprehjen (2.4), karakteristika e tensionit aktual të diodës ndreqëse merr formën

ku R është rezistenca e vëllimit të kristalit gjysmëpërçues, i cili quhet rezistenca serike.

Përcaktimi grafik konvencional i një diode gjysmëpërçuese është paraqitur në Fig. 2.5 a, dhe struktura e tij në Fig. 2.5 b. Elektroda e diodës e lidhur me rajonin P quhet anodë (e ngjashme me një diodë elektrike me vakum), dhe elektroda e lidhur me rajonin N quhet katodë. Karakteristika statike e rrymës-tensionit të diodës është paraqitur në Fig. 2.5 inç.

Diodat e fuqisë zakonisht karakterizohen nga një grup parametrash statikë dhe dinamikë. Parametrat statikë të diodës përfshijnë:

Rënia e tensionit U np nëpër diodë me një vlerë të caktuar të rrymës së përparme;

Rryma e kundërt I rrotullohet në një vlerë të caktuar të tensionit të kundërt;

Vlera mesatare e rrymës së përparme I np.cp;

Tensioni i kundërt i pulsit U rev.i.

Parametrat dinamikë të një diode përfshijnë karakteristikat e saj të kohës ose frekuencës. Këto parametra përfshijnë:

Tensioni trevers i kohës së rikuperimit;

Koha e rritjes së rrymës përpara I var;

Kufizoni frekuencën pa reduktuar modalitetet e diodës f m ax .

Parametrat statikë mund të vendosen duke përdorur karakteristikën e tensionit aktual të diodës, e cila tregohet në Fig. 2.5 inç. Vlerat tipike të parametrave statikë të diodave të fuqisë janë dhënë në tabelë. 2.1.

T
tabela 2.1

Koha e rikuperimit të kundërt të diodës t oc është parametri kryesor i diodave ndreqës, duke karakterizuar vetitë e tyre inerciale. Përcaktohet kur dioda kalon nga një rrymë e dhënë përpara I pr në një tension të caktuar të kundërt U arr. Grafikët e një ndërrimi të tillë janë paraqitur në Fig. 2.6 a. Diagrami i provës i paraqitur në Fig. 2.6 b, është një ndreqës me gjysmëvalë që vepron me një ngarkesë rezistente R n dhe mundësohet nga një burim tensioni drejtkëndor.

Tensioni në hyrje të qarkut në kohën t=0 kërcen në një vlerë pozitive U m . Për shkak të inercisë së procesit të difuzionit, rryma në diodë nuk shfaqet në çast, por rritet me kalimin e kohës t ext. Së bashku me rritjen e rrymës në diodë, voltazhi në diodë zvogëlohet, i cili pas t nar bëhet i barabartë me U pr Në kohën t 1, vendoset një modalitet i palëvizshëm në qark, në të cilin rryma e diodës i = I n  U m /R n.

Kjo situatë ruhet deri në kohën t 2, kur polariteti i tensionit të furnizimit është i kundërt. Sidoqoftë, ngarkesat e grumbulluara në kufirin e kryqëzimit pn e mbajnë diodën në gjendje të hapur për ca kohë, por drejtimi i rrymës në diodë është i kundërt. Në thelb, resorbimi i ngarkesës ndodh në kufirin e kryqëzimit p-n (d.m.th., shkarkimi i kapacitetit ekuivalent). Pas intervalit kohor të resorbimit t garave, fillon procesi i fikjes së diodës, d.m.th. procesi i rivendosjes së vetive të tij të mbylljes.

Në kohën t 3, voltazhi në diodë bëhet zero dhe më pas fiton vlerën e kundërt. Procesi i rivendosjes së vetive bllokuese të diodës vazhdon deri në kohën t 4, pas së cilës dioda bllokohet. Deri në këtë kohë, rryma në diodë bëhet zero, dhe voltazhi arrin vlerën -U m, - Kështu, koha tre mund të numërohet nga kalimi Ud në zero derisa rryma e diodës të arrijë vlerën zero I d =0.

Shqyrtimi i proceseve të ndezjes dhe fikjes së një diode korrigjuese tregon se ajo nuk është një valvul ideal dhe, në kushte të caktuara, përçohet në drejtim të kundërt. Koha e resorbimit të bartësve të pakicës në një kryqëzim pn mund të përcaktohet nga formula

ku  p është jetëgjatësia e transportuesve të pakicës.

Koha e rikuperimit të tensionit të kundërt në diodë mund të vlerësohet duke përdorur shprehjen e përafërt

Duhet të theksohet se kur Rn = 0 (që korrespondon me funksionimin e diodës në një ngarkesë kondensuese), rryma e kundërt përmes diodës në momentin që ajo fiket mund të jetë shumë herë më e lartë se rryma e ngarkesës në modalitetin e palëvizshëm.

Nga ekzaminimi i grafikëve në Fig. 2.6 a rrjedh se humbja e fuqisë në diodë rritet ndjeshëm kur ndizet dhe, veçanërisht, kur fiket. Rrjedhimisht, humbjet në diodë rriten me rritjen e frekuencës së tensionit të korrigjuar. Kur dioda funksionon në një frekuencë të ulët dhe formë harmonike të tensionit të furnizimit, nuk ka impulse të rrymës me amplitudë të lartë dhe humbjet në diodë zvogëlohen ndjeshëm.

Kur temperatura e trupit të diodës ndryshon, parametrat e saj ndryshojnë. Kjo varësi duhet të merret parasysh gjatë zhvillimit të pajisjeve. Tensioni përpara në diodë dhe rryma e kundërt e saj varen më së shumti nga temperatura. Koeficienti i temperaturës së tensionit (TCV) në diodë ka një vlerë negative, pasi me rritjen e temperaturës, tensioni në diodë zvogëlohet. Përafërsisht mund të supozojmë se TKN U pr = -2mV/K.

Rryma e kundërt e diodës varet edhe më fort nga temperatura e rastit dhe ka një koeficient pozitiv. Kështu, me një rritje të temperaturës për çdo 10 ° C, rryma e kundërt e diodave të germaniumit rritet me 2 herë, dhe ajo e diodave të silikonit me 2,5 herë.

Humbjet në diodat ndreqës mund të llogariten duke përdorur formulën

ku P pr - humbjet në diodë gjatë drejtimit përpara të rrymës, P arr - humbjet në diodë gjatë rrymës së kundërt, P rec - humbjet në diodë në fazën e rikuperimit të kundërt.

Vlera e përafërt e humbjes së ardhshme mund të llogaritet duke përdorur formulën

ku I pr.sr dhe U pr.sr janë vlerat mesatare të rrymës së përparme dhe tensionit përpara në diodë. Në mënyrë të ngjashme, mund të llogarisni humbjen e energjisë gjatë rrymës së kundërt:

Dhe së fundi, humbjet në fazën e rikuperimit të kundërt përcaktohen nga formula

ku f është frekuenca e tensionit të alternuar.

Pas llogaritjes së humbjeve të fuqisë në diodë, temperatura e trupit të diodës duhet të përcaktohet duke përdorur formulën

ku T p.max = 150 0 C është temperatura maksimale e lejuar e kristalit të diodës, R p.c. - rezistenca termike e trupit të bashkimit-diodë (të dhëna në të dhënat e referencës për diodën), Tk.max - temperatura maksimale e lejuar e trupit të diodës.

Diodat penguese Schottky. Për të korrigjuar tensionet me frekuencë të ulët të lartë, diodat penguese Schottky (SBD) përdoren gjerësisht. Këto dioda përdorin kontakt metal-gjysmëpërçues në vend të një kryqëzimi pn. Në pikën e kontaktit, shfaqen shtresa gjysmëpërçuese të varfëruara nga transportuesit e ngarkesës, të cilat quhen shtresa të portës. Diodat me një pengesë Schottky ndryshojnë nga diodat me një kryqëzim pn në parametrat e mëposhtëm:

Rënie e ulët e tensionit përpara;

Kanë tension të kundërt më të ulët;

Rryma më e lartë e rrjedhjes;

Nuk ka pothuajse asnjë tarifë rikuperimi të kundërt.

Dy karakteristika kryesore i bëjnë këto dioda të domosdoshme në projektimin e ndreqësve me tension të ulët dhe me frekuencë të lartë: rënia e ulët e tensionit përpara dhe koha e ulët e rikuperimit të tensionit të kundërt. Për më tepër, mungesa e transportuesve të pakicës që kërkojnë kohë rikuperimi të kundërt do të thotë që fizikisht nuk ka humbje ndërrimi në vetë diodën.

Në diodat penguese Schottky, rënia e tensionit përpara është një funksion i tensionit të kundërt. Tensioni maksimal i diodave moderne Schottky është rreth 150 V. Në këtë tension, voltazhi përpara i DS është 0.2 ... 0.3 V më pak se tensioni përpara i diodave me një kryqëzim p-n.

Përparësitë e diodës Schottky bëhen veçanërisht të dukshme kur korrigjoni tensione të ulëta. Për shembull, një diodë Schottky 45 volt ka një tension përpara prej 0,4 ... 0,6 V, dhe në të njëjtën rrymë një diodë me një kryqëzim p-n ka një rënie të tensionit prej 0,5 ... 1,0 V. Kur tensioni i kundërt bie në Tensioni përpara 15 V zvogëlohet në 0.3 ... 0.4 V. Mesatarisht, përdorimi i diodave Schottky në një ndreqës mund të zvogëlojë humbjet me afërsisht 10 ... 15%. Frekuenca maksimale e funksionimit të DS kalon 200 kHz me një rrymë deri në 30 A.

Leksioni 3. Llojet e veçanta të diodave gjysmëpërçuese

Llojet e diodave gjysmëpërçuese. Diodat e veçanta gjysmëpërçuese përfshijnë pajisje që përdorin vetitë e veçanta të kryqëzimeve p-n: kapaciteti i kontrolluar i gjysmëpërçuesit - varikapat dhe varaktorët; Zener dhe surf orteku - dioda zener; efekti i tunelit - tuneli dhe diodat e kundërta; efekt fotoelektrik - fotodioda; rikombinimi i fotoneve të bartësve të ngarkesës - LED; dioda me shumë shtresa - dinistorë. Përveç kësaj, disa lloje të pajisjeve me tre terminale, të tilla si tiristorët dhe diodat me dy baza, klasifikohen si dioda.

Varicaps janë dioda gjysmëpërçuese që përdorin kapacitetin pengues të një kryqëzimi p-n. Ky kapacitet varet nga tensioni i kundërt i aplikuar në diodë dhe zvogëlohet me rritjen e tij. Faktori i cilësisë së kapacitetit pengues të një varicap mund të jetë mjaft i lartë, pasi ai shmanget nga një rezistencë mjaft e lartë e diodës në paragjykim të kundërt.

Një paraqitje skematike e një varicap është paraqitur në Fig. 3.1 a, dhe karakteristika e tij e kapacitetit-tensionit është paraqitur në Fig. 3.1 b. Simboli varicap përmban pesë elemente. Elementi i parë tregon materialin nga i cili është bërë varikapi (K - silic). Elementi i dytë tregon se dioda i përket nënklasës varicap (B - varicap). Elementi i tretë është një numër që përcakton qëllimin e varikapit (1 - për akordimin e varikapëve, 2 - për shumëzimin e varikapëve). Elementi i katërt është numri serial i zhvillimit. Dhe së fundi, elementi i pestë korrespondon me shqyrtimin sipas parametrave. Kështu, për shembull, në Fig. 3.1 b tregon karakteristikat e varicapit KV117A.

Vlera teorike e kapacitetit varicap mund të përcaktohet me formulë

ku C 0 është kapaciteti fillestar i varikapit në U në = 0, U in është voltazhi në varikap,  k është diferenca e potencialit të kontaktit.

Parametrat kryesorë të një varikapi janë: kapaciteti fillestar i tij C o, faktori i cilësisë Q c, koeficienti i mbivendosjes së kapacitetit K c. Faktori i cilësisë së një varicap përcaktohet nga raporti i fuqisë reaktive të varicapit Q me fuqinë P:

*Në sa vijon, të gjitha diodat (d.m.th., pajisjet me dy elektroda me një kryqëzim n-p) caktohen VD ose D, si në Fig. 3.1.

Koeficienti i mbivendosjes së kapacitetit përcaktohet si raporti i kapacitetit maksimal C max të një varikapi me kapacitetin minimal të tij C min

Përveç kësaj, shpesh tregohet koeficienti i temperaturës së kapacitetit të varikapit  c = C/T dhe frekuenca kufizuese fpre, në të cilën faktori i cilësisë së varikapit reduktohet në Q = 1.

Faktori i cilësisë së një varicap rritet me rritjen e tensionit të kundërt dhe uljen e frekuencës së funksionimit. Grafikët e varësisë së faktorit të cilësisë së varikapit KV117A nga frekuenca dhe tensioni i kundërt janë paraqitur në Fig. 3.2.

Një qark ekuivalent varicap është paraqitur në Fig. 3.3, ku C b është kapaciteti i barrierës, R w është rezistenca e kryqëzimit dhe rrjedhjet që e largojnë atë për shkak të dizajnit të varikapit, R p është rezistenca e materialit gjysmëpërçues, rajoni p-n dhe kontakti. Impedanca e varikapit jepet nga

Faktori i cilësisë së një varicap në rajonin e frekuencës së ulët në përputhje me (3.4) mund të përcaktohet nga formula

nga ku del se rritet me rritjen e frekuencës.

Në frekuenca të larta, nëse plotësohet kushti C b R w >>1, rezistenca R n mund të neglizhohet dhe më pas faktori i cilësisë së varikapit varet nga frekuenca sipas formulës.

pra zvogëlohet me rritjen e frekuencës.

Nga kjo rrjedh se faktori i cilësisë së një varicapi ka një maksimum, i cili korrespondon me frekuencën

në këtë rast, faktori maksimal i cilësisë mund të gjendet duke përdorur formulën

Në Fig. Figura 3.3 b tregon varësinë e faktorit të cilësisë Q nga frekuenca për varikapet e bëra nga silikoni dhe arsenidi i galiumit. Nga grafikët shihet se për varikapet e arsenidit të galiumit frekuenca optimale është ~ 1 kHz, ndërsa për varikapet e silikonit ajo pothuajse arrin 1 MHz.

Varicaps përdoren në qarqe të ndryshme elektronike: modulatorë, qarqe rezonante të sintonizueshme, oshilatorë të akorduar elektronikisht, amplifikatorë dhe oshilatorë parametrikë, etj. Në Fig. Figura 3.4 tregon një diagramë të një qarku rezonant me akordim elektronik duke përdorur një tension konstant U p ju për të rritur pjerrësinë e akordimit dhe eliminon nevojën për të përdorur një kondensator ndarës. Veçanërisht për skema të tilla, industria prodhon varikapa të dyfishtë të llojeve KVS111 ose KVS120.

Diodat Zener- Këto janë dioda gjysmëpërçuese që funksionojnë në modalitetin e prishjes së ortekëve. Kur një diodë gjysmëpërçuese ka një anim të kundërt, ndodh një prishje e ortekëve elektrike të kryqëzimit p-n. Për më tepër, në një gamë të gjerë ndryshimesh të rrymës përmes diodës, voltazhi në të ndryshon shumë pak. Për të kufizuar rrymën përmes diodës zener, një rezistencë lidhet në seri me të. Nëse në modalitetin e prishjes fuqia e konsumuar në të nuk e kalon maksimumin e lejuar, atëherë në këtë mënyrë dioda zener mund të funksionojë pafundësisht. Në Fig. 3.5a tregon një paraqitje skematike të diodave zener, dhe Fig. 3.5 b tregon karakteristikat e tyre të tensionit aktual.

Tensioni i stabilizimit të diodave zener varet nga temperatura. Në Fig. 3.56 vija e ndërprerë tregon lëvizjen e karakteristikave të rrymës-tensionit me rritjen e temperaturës. Është e qartë se një rritje e temperaturës rrit tensionin e prishjes së ortekëve në Ust > 5V dhe e zvogëlon atë në Ust< 5 В. Иначе говоря, стабилитроны с напряжением стабилизации больше 5 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U cт < 5В - отрицательный. При U cт =6...5B ТКН близок к нулю.

Ndonjëherë një rënie e tensionit përpara në një diodë përdoret për të stabilizuar tensionin. Pajisjet e tilla, ndryshe nga diodat zener, quhen stabistorë. Në rajonin e paragjykimit përpara të kryqëzimit p-n, voltazhi në të ka një vlerë prej 0,7 ... 2 V dhe varet pak nga rryma. Në këtë drejtim, stabilatorët ju lejojnë të stabilizoni vetëm tensione të ulëta (jo më shumë se 2V). Për të kufizuar rrymën përmes stabilizatorit, një rezistencë përfshihet gjithashtu në seri me të. Për dallim nga diodat zener, me rritjen e temperaturës, voltazhi në stabilizues zvogëlohet, pasi voltazhi përpara në diodë ka një TKN negativ. Qarku i lidhjes së diodës zener është paraqitur në Fig. 3.6 a, dhe stabitori - në Fig. 3.6 b.

Natyra e mësipërme e varësisë nga temperatura e tensionit të diodave zener është për shkak të llojeve të ndryshme të prishjes në to. Në kryqëzimet e gjera në forca fushore deri në 5*10 4 V/cm, ndodh prishja e ortekëve. Një prishje e tillë në një tension kryqëzimi > 6V ka një koeficient pozitiv të temperaturës.

Në kryqëzimet e ngushta me forcë të lartë të fushës elektrike (më shumë se 1,4 * 10 6 V), vërehet një avari, i cili quhet Zener. Kjo ndarje ndodh në tension të ulët të kryqëzimit (më pak se 5 V) dhe karakterizohet nga një koeficient negativ i temperaturës. Kur tensioni në kryqëzim është nga 5 në 6 V, të dy llojet e prishjes ekzistojnë njëkohësisht, kështu që koeficienti i temperaturës është afër zeros. Varësia e koeficientit të temperaturës TKH st nga tensioni i stabilizimit U st tregohet në Fig. 3.7.

Parametrat kryesorë të diodave zener janë:

Tensioni i stabilizimit U st;

Koeficienti i temperaturës së stabilizimit të tensionit TKN st;

Rryma e lejuar përmes diodës zener I st.add.

Rezistenca diferenciale e diodës zener r st.

Përveç kësaj, për diodat zener me pulsim, koha e kalimit të diodës zener t në është normalizuar, dhe për diodat zener të dyanshme, asimetria e tensionit të stabilizimit U st = U st1 – U st2 normalizohet.

Rezistenca diferenciale e diodës Zenerështë një parametër që karakterizon pjerrësinë e karakteristikës së rrymës-tensionit në rajonin e prishjes. Në Fig. Figura 3.8a tregon karakteristikën e linearizuar të diodës zener, me ndihmën e së cilës mund të përcaktoni rezistencën e saj diferenciale dhe të ndërtoni qarkun ekuivalent të paraqitur në Fig. 3.8 b.

DHE
duke përdorur atë të paraqitur në Fig. 3.8 b qark ekuivalent, mund të llogarisni stabilizuesin më të thjeshtë të tensionit të paraqitur në Fig. 3.9 a. Duke zëvendësuar diodën zener me qarkun e saj ekuivalent, marrim qarkun e projektimit të paraqitur në Fig. 3.9 b. Për këtë skemë, mund të shkruani një sistem ekuacionesh

Si rezultat i zgjidhjes së sistemit të ekuacioneve (3.9), marrim tensionin në daljen e stabilizatorit

Duke zëvendësuar vlerën e I n, më në fund marrim

Nga shprehja (3.11) rrjedh se voltazhi i daljes së stabilizatorit varet nga tensioni në hyrje të stabilizatorit U in, rezistenca e ngarkesës I n dhe kufiri i rrymës R g, si dhe nga parametrat e diodës zener U st. dhe r rr.

Simboli për një diodë zener përfshin: material gjysmëpërçues (K - silic); përcaktimi i nënklasës së diodave zener (shkronja C); një numër që tregon fuqinë e diodës zener; dy numra që korrespondojnë me tensionin e stabilizimit dhe një shkronjë që tregon një tipar dizajni ose strehimi. Për shembull, dioda zener KS168A korrespondon me një diodë zener me fuqi të ulët (rrymë më pak se 0,3 A) me një tension stabilizimi prej 6,8 V, në një kuti metalike.

Përveç stabilizimit të tensionit, diodat zener përdoren gjithashtu për të kufizuar impulset e tensionit dhe në qarqe për mbrojtjen e elementeve të ndryshëm nga rritja e tensionit në to.

Diodat e tunelit. Efekti i tunelit është kalimi tunelues i rrymës përmes një kryqëzimi pn. Në këtë rast, rryma fillon të kalojë nëpër kryqëzim me një tension dukshëm më të ulët se diferenca e potencialit të kontaktit. Efekti i tunelit arrihet duke krijuar një shtresë shumë të hollë zbrazjeje, e cila në një diodë tuneli arrin 0.01 mikron. Me një shtresë kaq të hollë të varfëruar në të, edhe në një tension prej 0,6...0,7 V, forca e fushës arrin (5...7)*10 5 V/cm. Në të njëjtën kohë, një rrymë domethënëse rrjedh përmes një kryqëzimi kaq të ngushtë p-n.

Kjo rrymë rrjedh në të dy drejtimet, vetëm në rajonin e paragjykimit përpara, rryma së pari rritet, dhe pasi të ketë arritur vlerën I max, në tensionin U 1, pastaj zvogëlohet mjaft ashpër në I min në tensionin U 2. Ulja e rrymës është për faktin se me rritjen e tensionit në drejtimin përpara, numri i elektroneve të afta për të bërë një tranzicion tunel zvogëlohet. Në tensionin U 2 numri i elektroneve të tilla bëhet zero dhe rryma e tunelit zhduket.

Me një rritje të mëtejshme të tensionit mbi U2, rrjedha e rrymës së përparme është e njëjtë me atë të një diode konvencionale dhe përcaktohet nga difuzioni.

Për shkak të trashësisë shumë të vogël të shtresës së bashkimit p-n, koha e kalimit nëpër të është shumë e shkurtër (deri në 10 13 – 10 14 s), kështu që dioda e tunelit është një pajisje pothuajse pa inerci. Në diodat konvencionale, elektronet kalojnë nëpër kryqëzim për shkak të difuzionit, d.m.th. shumë ngadalë. Karakteristika e tensionit aktual të diodës së tunelit është paraqitur në Fig. 3.10 a, dhe paraqitja e tij skematike është në Fig. 3.10 b.

Në karakteristikën e tensionit aktual të një diodë tuneli, mund të dallohen tre seksione kryesore: seksioni fillestar i rritjes së rrymës nga pika 0 në I max, seksioni i rënies së rrymës nga I max në I min dhe seksioni i rritjes së mëtejshme të rrymës. nga I min. Është e qartë se seksioni në rënie, në të cilin një rritje pozitive e tensionit U > 0 korrespondon me një rritje negative të rrymës I, ka një rezistencë negative (ose përçueshmëri negative -G).

Qarku ekuivalent i diodës së tunelit në pikën e zgjedhur të funksionimit në seksionin e rezistencës negative për një sinjal të vogël ka formën e treguar në Fig. 3.10 inç. Në këtë diagram, C është kapaciteti total i diodës në pikën minimale të karakteristikës së rrymës-tensionit, -G është përçueshmëria negative në seksionin në rënie, r n është rezistenca e humbjes së serisë, L është induktiviteti i prizave.

Qarku i gjeneratorit duke përdorur një diodë tuneli është paraqitur në Fig. 3.11 a. Në këtë qark, trioda e tunelit TD lidhet në seri me ngarkesën dhe një burim tensioni konstant E. Që të ndodhin lëkundjet në këtë qark duhet të plotësohen dy kushte. Kushti i parë është që voltazhi i burimit E të sigurojë që pika e funksionimit të TD të jetë e vendosur në seksionin e rezistencës negative (seksioni në rënie). Kushti i dytë është që rezistenca negative e TD të jetë më e madhe se rezistenca pozitive e ngarkesës R H (d.m.th. 1/G > R H).

Në Fig. 3.11 b tregon se si të zgjidhni tensionin e burimit të energjisë E për një rezistencë të caktuar të ngarkesës R H. Dy pika vizatohen në boshtet e karakteristikave të rrymës-tensionit të TD. Boshti i tensionit shfaq tensionin e burimit të energjisë E, i cili korrespondon me tensionin në diodë me një ngarkesë me qark të shkurtër RH, dhe boshti aktual shfaq rrymën E/RH, e cila korrespondon me një TD me qark të shkurtër. Këto dy pika lidhen me një vijë të drejtë, e cila quhet ngarkesë. Kryqëzimi i linjës së ngarkesës R H me karakteristikën e rrymës-tensionit të TD korrespondon me rrymën e tyre të barabartë (e cila është e nevojshme gjatë lidhjes së tyre në seri) dhe përcakton pozicionin e pikës së funksionimit.

Siç mund të shihet nga Fig. 3.11 b, pika e funksionimit në pjesën e rënies mund të arrihet në dy mënyra të tërheqjes së vijës së ngarkesës. Linja e ngarkesës 1, e tërhequr përmes pikave E 1 dhe E 1 / R H2, kryqëzon karakteristikën e tensionit aktual të TD në tre pika A, B dhe C. Natyrisht, kur lidhni energjinë në qark, e para do të jetë pika e funksionimit A , në të cilën rezistenca e TD është pozitive dhe, për rrjedhojë, nuk do të ketë gjeneratë.

Linja e ngarkesës 2, e tërhequr midis pikave E 2 dhe E 2 / R H3, kryqëzon karakteristikën e tensionit aktual të TD vetëm në një pikë B. Kjo zgjedhje e tensionit të furnizimit E 2 dhe ngarkesës R H3 ofron mundësinë e lëkundjeve në qark . Për të përcaktuar rezistencën e lejuar të ngarkesës, gjejmë rezistencën negative të TD. Për ta bërë këtë, ne përcaktojmë rezistencën totale të TD duke përdorur qarkun ekuivalent të tij (Fig. 3.10 c).

Një diodë gjysmëpërçuese është një pajisje gjysmëpërçuese që konverton elektrikisht me një kryqëzim elektrik korrigjues dhe që ka 2 terminale.

Në Fig. 1.2, a, b.

Shkronjat p dhe n tregojnë shtresa me përçueshmëri të tipit p dhe n, përkatësisht.

Në mënyrë tipike, përqendrimet e shumicës së transportuesve të ngarkesës (vrima në shtresën p dhe elektrone në shtresën n) ndryshojnë shumë. Shtresa gjysmëpërçuese me përqendrim më të lartë quhet emetues, dhe shtresa me përqendrim më të ulët quhet bazë.

Më pas, do të shqyrtojmë elementet bazë të një diode (kryqëzim p-n dhe kontakt metal-gjysmëpërçues jo ndreqës), dukuritë fizike që qëndrojnë në themel të funksionimit të diodës, si dhe koncepte të rëndësishme të përdorura për të përshkruar diodën.

Një kuptim i thellë i fenomeneve fizike dhe zotërimi i këtyre koncepteve është i nevojshëm jo vetëm për të zgjedhur saktë llojet specifike të diodave dhe për të përcaktuar mënyrat e funksionimit të qarqeve përkatëse, duke kryer llogaritjet tradicionale duke përdorur një ose një teknikë tjetër.

Për shkak të futjes së shpejtë të sistemeve moderne të modelimit të qarkut në praktikën inxhinierike, këto dukuri dhe koncepte duhet të mbahen vazhdimisht parasysh gjatë kryerjes së modelimit matematik.

Sistemet e simulimit po përmirësohen me shpejtësi, dhe modelet matematikore të elementeve të qarkut elektronik po marrin gjithnjë e më shumë parasysh fenomenet fizike më "delikate". Kjo e bën shumë të dëshirueshme thellimin e vazhdueshëm të njohurive në fushën që përshkruhet dhe kuptimin e dukurive themelore fizike, si dhe përdorimin e koncepteve bazë përkatëse, të domosdoshëm.

Përshkrimi i mëposhtëm i dukurive dhe koncepteve kryesore, ndër të tjera, duhet të përgatisë lexuesin për një studim sistematik të çështjeve të modelimit matematikor të qarqeve elektronike.

Dukuritë dhe konceptet e diskutuara më poshtë duhet të njihen kur studioni jo vetëm diodën, por edhe pajisjet e tjera.

Struktura e kryqëzimit p-n.

Së pari, le të shohim shtresat gjysmëpërçuese të izoluara nga njëra-tjetra (Fig. 1.3).

Le të paraqesim diagramet përkatëse të brezit (Fig. 1.4).

Në literaturën vendase për elektronikën, nivelet e diagrameve të brezit dhe ndryshimet midis këtyre niveleve shpesh karakterizohen nga potenciale dhe ndryshime potenciale, duke i matur ato në volt, për shembull, tregohet se hendeku i brezit f 5 për silikon është i barabartë me 1.11 V.

Në të njëjtën kohë, sistemet e modelimit të qarkut të huaj zbatojnë qasjen që nivelet e treguara dhe dallimet e nivelit karakterizohen nga një ose një tjetër energji dhe maten në elektron volt (eV), për shembull, në përgjigje të një kërkese nga një sistem i tillë në lidhje me gap në rastin e një diodë silikoni, vlera 1,11 eV.

Kjo vepër përdor qasjen e adoptuar në literaturën vendase.

Tani merrni parasysh shtresat kontaktuese të gjysmëpërçuesit (Fig. 1.5).

Në shtresat kontaktuese të një gjysmëpërçuesi, difuzioni i vrimave ndodh nga shtresa p në shtresën n, arsyeja për të cilën është se përqendrimi i tyre në shtresën p është dukshëm më i madh se përqendrimi i tyre në shtresën n (ekziston një gradient përqendrimi i vrimës). Një arsye e ngjashme siguron difuzionin e elektroneve nga shtresa n në shtresën p.

Difuzioni i vrimave nga shtresa p në shtresën n, së pari, zvogëlon përqendrimin e tyre në rajonin kufitar të shtresës p dhe, së dyti, zvogëlon përqendrimin e elektroneve të lira në rajonin kufitar të shtresës n për shkak të rikombinimit. Difuzioni i elektroneve nga shtresa n në shtresën p ka rezultate të ngjashme. Si rezultat, në rajonet kufitare të shtresës p dhe shtresës n, shfaqet një shtresë e ashtuquajtur e varfëruar, në të cilën përqendrimi i transportuesve të ngarkesave të lëvizshme (elektrone dhe vrima) është i ulët. Shtresa e varfëruar ka një rezistencë të lartë.

Jonet e papastërtive të shtresës së varfërimit nuk kompensohen nga vrima ose elektrone. Së bashku, jonet formojnë ngarkesa hapësinore të pakompensuar, duke krijuar një fushë elektrike me një forcë E të treguar në Fig. 1.5. Kjo fushë parandalon kalimin e vrimave nga shtresa p në shtresën n dhe kalimin e elektroneve nga shtresa n në shtresën p. Ai krijon një të ashtuquajtur rrjedhje lëvizëse të transportuesve të ngarkesave të lëvizshme, duke lëvizur vrimat nga shtresa n në shtresën p dhe elektronet nga shtresa p në shtresën n.

Në gjendje të qëndrueshme, fluksi i zhvendosjes është i barabartë me fluksin e difuzionit për shkak të gradientit të përqendrimit. Në një kryqëzim pn asimetrik, ngarkesa në shtresën me një përqendrim më të ulët të papastërtisë, pra në bazë, është më e gjerë.

Le të përshkruajmë diagramin e brezit për shtresat kontaktuese (Fig. 1.6), duke marrë parasysh që niveli i Fermit për to është i njëjtë.

Shqyrtimi i strukturës së kryqëzimit pn dhe studimi i diagramit të brezit (Fig. 1.6) tregojnë se një pengesë potenciale lind në rajonin e tranzicionit. Për silikonin, lartësia Af e pengesës së mundshme është afërsisht 0,75 V.

Le të pranojmë kushtin që potenciali i një pike të largët nga kalimi në shtresën p është i barabartë me zero. Le të paraqesim varësinë e potencialit Ф nga koordinata x e pikës përkatëse (Fig. 1.7). Siç shihet nga figura, vlera e koordinatave x = 0 korrespondon me kufirin e shtresave gjysmëpërçuese.

Është e rëndësishme të theksohet se diagramet e brezit të paraqitur më sipër dhe grafiku për potencialin Ф (Fig. 1.7) korrespondojnë rreptësisht me qasjen e përdorur në literaturën mbi fizikën e gjysmëpërçuesve, sipas së cilës potenciali përcaktohet për një elektron që ka një ngarkesë negative. .

Në inxhinieri elektrike dhe elektronikë përkufizohet si puna e bërë nga forcat e fushës për të transferuar një ngarkesë të vetme pozitive.

Le të paraqesim varësinë e potencialit Fe, të përcaktuar në bazë të një qasjeje inxhinierike elektrike, nga koordinata x (Fig. 1.8).

Më poshtë, ne do të heqim indeksin "e" në përcaktimin e potencialit dhe do të përdorim vetëm qasjen e inxhinierisë elektrike (me përjashtim të diagrameve të zonave).

Lidhja e drejtpërdrejtë dhe e kundërt e kryqëzimit p-n. Një përshkrim matematikor i idealizuar i karakteristikave të tranzicionit.

Le të lidhim një burim të jashtëm me kryqëzimin p-n siç tregohet në Fig. 1.9. Kjo është e ashtuquajtura lidhje e drejtpërdrejtë e kryqëzimit p-n. Si rezultat, pengesa potenciale do të ulet me vlerën u (Fig. 1.10), fluksi i lëvizjes do të zvogëlohet, kryqëzimi p-n do të shkojë në një gjendje joekuilibri dhe e ashtuquajtura rryma e përparme do të rrjedhë nëpër të.

Le të lidhim burimin me kryqëzimin p-n siç tregohet në Fig. 1.11. Ky është i ashtuquajturi ndërrimi i kundërt i kryqëzimit p-n. Tani barriera potenciale do të rritet me u (Fig. 1.12). Në rastin në shqyrtim, përmes kryqëzimit pn do të jetë shumë i vogël. Kjo është e ashtuquajtura e kundërta, e cila sigurohet nga gjenerimi termik i elektroneve dhe vrimave në zonat ngjitur me rajonin e kryqëzimit pn.

Sidoqoftë, ngarkesat hapësinore krijojnë një fushë elektrike, e cila nga ana tjetër ndikon më së shumti në lëvizjen e transportuesve të lirë të energjisë elektrike, d.m.th., në procesin e rrjedhës së rrymës.

Ndërsa rritet anasjelltas, rritet zona e ngarkesave hapësinore (kryesisht për shkak të bazës) dhe sasia e ngarkesës në secilën shtresë (p dhe n) të gjysmëpërçuesit. Kjo rritje ndodh në mënyrë disproporcionale: me një tension të kundërt të modulit të madh, ngarkesa rritet me rritjen e modulit më ngadalë sesa me një tension të kundërt të modulit të vogël.

Le të japim një ilustrim shpjegues (Fig. 1.19), ku përdorim shënimin:

Q është ngarkesa hapësinore në shtresën n të gjysmëpërçuesit;

u është tensioni i jashtëm i aplikuar në kryqëzimin p-n.

Le të shënojmë me f funksionin që përshkruan varësinë e Q nga u. Në përputhje me sa më sipër

Në praktikën e modelimit matematik (dhe në llogaritjet manuale), është e përshtatshme dhe për këtë arsye e zakonshme të përdoret jo kjo shprehje, por një tjetër, e marrë nga kjo si rezultat i diferencimit. Në praktikë, përdoret gjerësisht i ashtuquajturi kapaciteti pengues C 6ap i një kryqëzimi p-n, dhe sipas përkufizimit, C 6ap = | dQ/du | Le të vizatojmë grafikët për Q (Fig. 1.20) dhe C bar (Fig. 1.21).

Fenomeni i shfaqjes dhe ndryshimit të ngarkesës hapësinore të bartësve joekuilibër të energjisë elektrike. Kapaciteti i difuzionit.

Nëse një burim i jashtëm anon kryqëzimin p-n në drejtimin përpara (u> 0), atëherë fillon injektimi (emetimi) - hyrja e bartësve pakicë të energjisë elektrike në shtresën gjysmëpërçuese në shqyrtim. Në rastin e një kryqëzimi asimetrik pn (që zakonisht ndodh në praktikë), rolin kryesor e luan injektimi nga emetuesi në bazë.

Më tej supozojmë se kryqëzimi është asimetrik dhe se emituesi është shtresa p dhe baza është shtresa n. Pastaj injektimi është hyrja e vrimave në shtresën n. Pasoja e injektimit është shfaqja e vrimave në bazën e një ngarkese hapësinore.

Dihet se në gjysmëpërçuesit ndodh fenomeni i relaksimit dielektrik (relaksimi Maxwell), i cili konsiston në faktin se ngarkesa hapësinore që rezulton kompensohet pothuajse menjëherë nga ngarkesa e afrimit të transportuesve të lirë të një shenje tjetër. Kjo ndodh në rreth 10 -12 s ose 10 -11 s.

Në përputhje me këtë, ngarkesa e vrimave që hyjnë në bazë do të neutralizohet pothuajse menjëherë nga e njëjta ngarkesë e elektroneve.

Ne përdorim shënimin e mëposhtëm:

Q është ngarkesa vëllimore e bartësve jo ekuilibër në bazë;

u është tensioni i jashtëm i aplikuar në kryqëzimin p-n;

f është një funksion që përshkruan varësinë e Q nga u.

Le të japim një ilustrim shpjegues (Fig. 1.22).

Në përputhje me sa më sipër, Q = f(u) Në praktikë, është e përshtatshme dhe e zakonshme të përdoret jo kjo shprehje, por një tjetër, e marrë nga kjo si rezultat i diferencimit. Në këtë rast, përdoret koncepti i kapacitetit të difuzionit C diff të kryqëzimit p-n, dhe sipas përkufizimit C diff = dQ / du Kapaciteti quhet kapacitet difuzioni, pasi ngarkesa Q në shqyrtim qëndron në themel të difuzionit të transportuesve në bazë.

Është e përshtatshme dhe e zakonshme të përshkruhet Cdiff jo si një funksion i u, por si një funksion i rrymës i të kryqëzimit p-n.

Ngarkesa Q në vetvete është drejtpërdrejt proporcionale me rrymën i (Fig. 1.23, a). Nga ana tjetër, i varet në mënyrë eksponenciale nga u (shprehja përkatëse është dhënë më lart), prandaj derivati ​​di / du është gjithashtu drejtpërdrejt proporcional me rrymën (për një funksion eksponencial, derivati ​​i tij është më i madh, aq më e madhe është vlera e funksionit). Nga kjo rrjedh se ndryshimi i kapacitetit C është drejtpërdrejt proporcional me rrymën i (Fig. 1.23.6):

Cdif=i·τ/φт ku φτ - potenciali i temperaturës (i përcaktuar më sipër);

τ është koha mesatare e fluturimit (për një bazë të hollë), ose jetëgjatësia (për një bazë të trashë).

Koha mesatare e fluturimit është koha gjatë së cilës bartësit elektrikë të injektuar kalojnë bazën, dhe jetëgjatësia është koha nga injektimi i bartësit elektrik në bazë deri në rikombinim.

Kapaciteti total i kryqëzimit pn.

Ky kapacitet C për është i barabartë me shumën e kapaciteteve të konsideruara, d.m.th. C për = C bar + C diff.

Kur kryqëzimi është me anim të kundërt (u< 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

Kontakt jo-ndreqës metal-gjysmëpërçues.

Për të lidhur terminalet e jashtëm në dioda, përdoren të ashtuquajturat kontakte metal-gjysmëpërçues jo-ndreqës (ohmik). Këto janë kontakte, rezistenca e të cilave praktikisht nuk varet as nga polariteti dhe as nga madhësia e tensionit të jashtëm.

Marrja e kontakteve jo korrigjuese nuk është më pak e rëndësishme sesa marrja e kryqëzimeve p-n. Për pajisjet e silikonit, alumini përdoret shpesh si metal kontaktues. Vetitë e kontaktit metal-gjysmëpërçues përcaktohen nga ndryshimi në funksionin e punës së elektroneve. Funksioni i punës së një elektroni nga një trup i ngurtë është rritja e energjisë që duhet të marrë një elektron i vendosur në nivelin e Fermit për të dalë nga ky trup.

Le të shënojmë funksionin e punës për një metal me A m, dhe për një gjysmëpërçues me A p. Duke pjesëtuar funksionin e punës me ngarkesën e elektronit, marrim potencialet përkatëse:

φ m =A m /q,φ n =A n /q

Le të paraqesim në konsideratë të ashtuquajturën diferencë të potencialit të kontaktit φ mn:φ mn=φ m -φ n

Për të qenë specifik, le t'i drejtohemi kontaktit metal-gjysmëpërçues të tipit n. Për të marrë një kontakt jo-ndreqës, duhet të plotësohet kushti φ mn< 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

Siç vijon nga diagrami, nivelet e energjisë në gjysmëpërçues që korrespondojnë me brezin e përcjelljes janë të mbushura më pak se në metal. Prandaj, pas lidhjes së metalit dhe gjysmëpërçuesit, disa elektrone do të lëvizin nga metali në gjysmëpërçues. Kjo do të çojë në një rritje të përqendrimit të elektroneve në gjysmëpërçuesin e tipit n.

Kështu, përçueshmëria e gjysmëpërçuesit në zonën e kontaktit do të rritet dhe shtresa e varfëruar nga transportuesit e lirë do të mungojë. Kjo dukuri rezulton të jetë arsyeja që kontakti do të jetë jo korrigjues. Për të marrë një kontakt metal-gjysmëpërçues të tipit p jo-ndreqës, duhet të plotësohet kushti φmp> 0

për projektimin dhe ndërtimin e pajisjeve gjysmëpërçuese

1. Tema: Llogaritja e një diode difuzioni ndreqës.

2. Afati i fundit për dorëzimin e projektit të kursit për mbrojtje:

3. Të dhënat fillestare për projektimin:

3.1 Tensioni i kundërt i pulsit të përsëritur: U RRM = 2000 V.

3.2 Rryma maksimale e lejueshme përpara: I FAV = 350 A.

3.3 Rryma e kundërt e lejuar: I RRM ≤ 3 mA.

3.4 Rënia e tensionit përpara: U FM ≤ 1.5 V.

4.1 Llogaritja e rezistencës së kristalit origjinal.

4.2 Llogaritja e dimensioneve gjeometrike të shtresave të elementit ndreqës.

4.3 Llogaritja e diametrit të elementit ndreqës dhe zgjedhja e dizajnit të strehimit të diodës.

4.4 Kontrollimi i përputhshmërisë së vlerave të llogaritura dhe të specifikuara të parametrave kryesorë të diodës dhe rregullimi i llogaritjeve.

5. Lista e materialit grafik.

5.1 Karakteristikë e volt-amperit e një diode të një njësie sipërfaqeje.

5.2 Grafikët e varësisë së fuqisë së alokuar dhe të tërhequr nga diametri i elementit ndreqës.

5.3 Struktura e elementit ndreqës.

ABSTRAKT

Shënimi shpjegues përmban 32 faqe tekst të shtypur, 2 figura, 3 tabela, 3 shtojca janë përdorur gjatë shkrimit;

elementi ndreqës, modeli eksponencial, profili i difuzionit, rezistenca, tensioni i prishjes, rajoni i ngarkesës hapësinore, rryma e përparme, dioda.

Objekti i zhvillimit është një diodë ndreqëse e difuzionit.

Qëllimi i punës - projektimi i diodës së difuzionit ndreqës.

Metodat e zhvillimit - llogaritja analitike.

Rezultatet e marra: në bazë të parametrave elektrikë të dhënë, u përcaktuan parametrat teknologjikë për prodhimin e elementit ndreqës dhe u zhvillua struktura e diodës.

Karakteristikat kryesore të projektimit dhe funksionimit: Tensioni i kundërt i pulsit përsëritës U RRM = 2000 V, rryma maksimale e lejueshme përpara I FAV = 350 A, rryma e kundërt e lejuar I RRM ≤ 70 mA, rënia e tensionit përpara U FM ≤ 1,5 V. Rezistenca e kristalit origjinal r = 70 Ohm×cm, trashësia e strukturës W = 270 μm, thellësia e kryqëzimit p-n x j = 55 μm, parametrat e difuzionit Dt = 2,17 × 10 -6 cm -2, diametri i elementit ndreqës d B = 24 mm. Temperatura maksimale e strehimit T C = 140°C.

Fusha e aplikimit: dioda e zhvilluar mund të përdoret në çdo pajisje energjetike ku përdorimi i saj është i nevojshëm dhe plotësohen kushtet e funksionimit.

Hyrje

1. Pjesa teorike

1.1 Përzgjedhja e materialit të diodës dhe lloji i përcjellshmërisë së kristalit origjinal

1.2 Përcaktimi i rezistencës së kristalit origjinal

1.3 Llogaritja e dimensioneve gjeometrike të shtresave të elementit ndreqës

1.4 Llogaritja e diametrit të elementit ndreqës dhe zgjedhja e dizajnit të strehimit të diodës

1.5 Kontrollimi i përputhshmërisë së vlerave të llogaritura dhe të specifikuara të parametrave kryesorë të diodës dhe rregullimi i llogaritjeve

2. Pjesa llogaritëse

2.1 Llogaritja e rezistencës së kristalit origjinal

2.2 Llogaritja e dimensioneve gjeometrike të shtresave të elementit ndreqës

2.3 Llogaritja e diametrit të elementit ndreqës dhe zgjedhja e dizajnit të strehimit të diodës

2.4 Kontrollimi i përputhshmërisë së vlerave të llogaritura dhe të specifikuara të parametrave kryesorë të diodës dhe rregullimi i llogaritjeve

konkluzioni

Lista e burimeve të përdorura

Shtojca A

Shtojca B

Shtojca B

HYRJE

Qëllimi i këtij projekti të kursit është të përcaktojë parametrat kryesorë elektrikë, teknologjikë dhe operacionalë të një diode difuzioni ndreqës bazuar në një strukturë të caktuar (natyrën e shpërndarjes së papastërtive) dhe karakteristikat elektrike.

Dizajni i pajisjeve gjysmëpërçuese është një detyrë komplekse që kërkon njohuri themelore në fushën e fizikës së pajisjeve gjysmëpërçuese dhe gjysmëpërçuese, teknologjisë së gjysmëpërçuesve, etj. Proceset fizike në pajisjet gjysmëpërçuese në shumicën e rasteve përshkruhen nga një sistem ekuacionesh diferenciale jolineare të pjesshme që nuk kanë zgjidhje analitike. Llogaritjet e sakta në to janë të mundshme vetëm me metoda numerike. Në fazën e trajnimit, është më e përshtatshme të përvetësohen aftësitë e projektimit bazuar në formula dhe shprehje analitike për të konsoliduar aftësitë e llogaritjes së pajisjeve gjysmëpërçuese.

Pavarësisht se në llogaritje janë përdorur formula analitike, të cilat janë të zbatueshme vetëm për disa përafrime, megjithatë, falë aftësive të fituara, për çdo rast specifik u zgjodhën ato raporte që japin gabimin më të vogël të llogaritjes. Si rezultat, u zhvillua një diodë që mund të prodhohet lehtësisht në një cikël standard teknologjik, dhe të gjitha karakteristikat elektrike dhe operacionale do të korrespondojnë me ato të specifikuara.

Një analizë ekonomike e projektit nuk u krye.

Nuk ka asnjë risi në punë, pasi projektimi është realizuar në bazë të literaturës shkencore.

1. PJESA TEORIKE

1.1 Përzgjedhja e materialit të diodës dhe lloji i përcjellshmërisë së kristalit origjinal

Aktualisht, diodat ndreqës janë bërë pothuajse tërësisht nga germaniumi dhe silikoni. Materialet si arsenidi i galiumit dhe karbidi i silikonit nuk përdoren ende gjerësisht për shkak të teknologjisë komplekse të prodhimit dhe përpunimit.

Diodat ndreqëse të silikonit kanë një sërë përparësish mbi ato të germaniumit. Për shkak të faktit se silikoni ka një brez më të madh, diodat e silikonit kanë temperatura më të larta funksionimi (deri në 190 °C kundrejt 85 °C për diodat e germaniumit). Si rezultat, ato mund të funksionojnë me densitet më të lartë të rrymës në drejtimin përpara.

Për shkak të hendekut më të gjerë të brezit në silikon, përqendrimi i bartësve të brendshëm të ngarkesës n i është dy rend me madhësi më të ulët se në germanium, si rezultat, diodat e silikonit kanë rryma të kundërta që janë mijëra herë më pak se diodat e germaniumit. Diodat e silikonit i rezistojnë tensioneve të larta të kundërta, të përcaktuara nga prishja e ortekëve të kryqëzimit p-n. Ndërsa në diodat e germaniumit (për shkak të rrymave të kundërta relativisht të mëdha) prishja termike mund të zhvillohet më herët. Kjo lehtësohet edhe nga vlera më e ulët e koeficientit të përçueshmërisë termike të germaniumit.

Disavantazhi i diodave të silikonit është rënia relativisht e madhe e tensionit në drejtimin përpara. Për shkak të ndryshimit në hendekun e brezit në nyjet e silikonit p-n, lartësia e pengesës së mundshme (në të njëjtat nivele dopingu të rajoneve bazë) është 1.5 - 2.0 herë më e lartë se lartësia e pengesës së mundshme në kryqëzimet p-n të germaniumit. Rënia e tensionit në kryqëzimin p-n në diodat e silikonit do të jetë afërsisht po aq herë më e madhe.

Kristali burimor për diodat ndreqës mund të ketë përçueshmëri të tipit n dhe p. Por meqenëse në germanium dhe silikon lëvizshmëria e elektroneve tejkalon dukshëm lëvizshmërinë e vrimave, preferohet të përdoren materiale burimore të llojit të përçueshmërisë elektronike, pasi në këtë rast rënia e tensionit do të jetë më e vogël.

Zgjedhja e llojit të përçueshmërisë së kristalit fillestar mund të ndikohet nga gjendja e sipërfaqes së gjysmëpërçuesit. Në nyjet e silikonit p - n në oksidin e silikonit ose në ndërfaqen e silikonit - dioksidit të silikonit, pothuajse gjithmonë ka një ngarkesë pozitive të konsiderueshme, e cila mund të zvogëlojë ndjeshëm tensionin e ndarjes sipërfaqësore në kryqëzimet p + -n (nëse difuzioni është kryer në origjinal kristal i tipit n) ose çon në formimin e një kanali përmbysjeje dhe një rritje të mprehtë të rrymës së kundërt në kryqëzimet n + - p (nëse difuzioni është kryer në kristalin origjinal të përçueshmërisë së tipit p). Nëse në rastin e parë është e mundur të përdoren metoda mjaft të zhvilluara për eliminimin e prishjes sipërfaqësore, atëherë rrethana e fundit e ndërlikon shumë krijimin e kryqëzimeve p-n të tensionit të lartë me rryma të ulëta të kundërta. Prandaj, për të krijuar dioda me tension të lartë, është më mirë të zgjidhni silikonin origjinal të llojit të përçueshmërisë elektronike.

1.2 Përcaktimi i rezistencës së kristalit origjinal

Rezistenca specifike e kristalit të burimit ndikon në një sërë parametrash të diodës ndreqës: rënia e tensionit përpara, rryma e kundërt, kapaciteti, etj. Por voltazhi i prishjes së ortekut të kryqëzimit p-n U B varet në masën më të madhe prej tij, kështu që zgjedhja e rezistenca specifike e kristalit të burimit bëhet pastaj tensioni i prishjes së ortekëve.

Tensioni i prishjes së ortekut përcaktohet nga vlera e specifikuar e tensionit të kundërt të pulsit përsëritës U rrm:

ku k është faktori i sigurisë.

Vlera e faktorit të sigurisë zgjidhet e barabartë me 0.75 - 0.80.

Tensioni i prishjes së ortekut të një kryqëzimi p-n të difuzionit varet jo vetëm nga rezistenca e kristalit origjinal, por edhe nga natyra e shpërndarjes së papastërtisë difuzuese.

Profilet e papastërtive të kryqëzimeve p-n të difuzionit (veçanërisht të tensionit të lartë), brenda rajonit të ngarkesës hapësinore, përafrohen më saktë nga një eksponencial. Pastaj përqendrimi i papastërtisë që rezulton, për shembull, për rastin e difuzionit të një papastërtie pranuese në materialin burimor të tipit n, ka formën:

ku x j është thellësia e kryqëzimit p-n nga sipërfaqja;

N 0, λ - parametrat e përafrimit.