Германийлі pn

      Германийлі  pn – ауысудың  кері қосылған  кездегі вольт – амперлік сипаттамасы 1.17 – суретте  көрсетілген. Кремнийлі  pn – ауысудың  вольт – амперлік сипаттамасындағы бастапқы бөлігін осы масштаба көрсету мүмкін емес,өйткені кері  I_кері   тоғы өте аз (сипаттама кернеу өсімен қосылады).

 

 

 

 

 

 

1.17 – суретте .      Германийлі  pn – ауысудың  кері қосылған  кездегі вольт – амперлік  сипаттамасы

 

  Тура және кері  токтардың  келтірілген  сипаттамаларына  қарап, германийлі pn – ауысудың  тура тоқ  кері тоқтан 3 есе көп екені белгілі (кремнийлі pn – ауысудағы бұл айырмашылық одан да көп ).Бұл дегеніміз электронды – кемтікті ауысу бір жақты өткізгіштік қасиетіне ие  болатынын айтады, сол үшін ол айнымалы тоқтарды  түзеу үшін кең түрде қолданылады.

   pn – ауысудың  кері қосқан кезде берілген аймақтағы негізгі  емес тасмалдаушылар  pn – ауысудан ауыспалы аймаққа өтіп, ал қайтқан  кезде потенциалдық тосқауыл биік болғандықтан , берілген аумақта негізгі емес заряд тасымалдаушылардың концептрациясы  төмендеп , тепе – тең күйге түседі.

  Кернеуді кері қосып,  pn – ауысудағы негізгі емес тасмалдаушыларды ауыспалы аумаққа өткізу процессін экстракция деп атайды.

   pn – ауысудағы  кері қосқан кезде U және 1.13 – суретке сәйкес ауысудың ені кеңейді.Бұл элетр көзінен пайда болған электр өрісі бөліктің  шекарасына тиетін негізгі заряд тасымалдаушыларды р – және n – ауысуларға ауыстыратынын көрсетеді.

  Біз симметриялық  pn – ауысулардығы кері және тура қосылу кезіндегі процесстерді қарастырдық.Бірақ жартылай өткізгіштерде көбінесе симметриялы емес  pn – ауысу қолданылады, ондағы  р – және n – ауысулардың қоспаларының  концентрациясы бір – бірінен айырықшаланады.  Бұндай ауысуларды n – аймақтағы қоспа   концентрациясы  р - аймағынан жүз есеге дейін аз болуы мүмкін. 

                      Симметриялық емес pn – ауысу

   Симметриялы  емес  pn – ауысудағы өтетін процесстерді қарастырамыз.Біз білетіндей, pn – ауысу пайда болған кезде диффузия нәтижесінде  әр  аумақта қоспалардағы  атомдардың толықтырылмаған зарядтары қатысады.Және бұл кезде берілген аумақта олардың бір бөлігі негізгі заряд тасымалдаушылар  ауыспалы аумаққа өткен соң қатысады, ал басқа бөлігі – ауыспалы аумақтан негізге заряд тасымалдаушылармен өндірілетін негізгі емес заряд тасымалдаушылардың  келуі салдарынан соңғы зарядтарды  нейтралдайды.

   Симметрияық  pn – ауысуда бұл бөліктер шамасы бірге тең, ал симметриялы емес  pn – ауысудағы қатынас басқаша.Егер n – аумақтағы донорлық қоспаның концентрациясы р – аумақтағы акцепторлық қоспаның концентрациясынан 2 – 3 есе кіші болса, онда концентрация градиеті, сәйкесінше р – аумақтың бағытындағы бос электрондар диффузиялық тоғы мен n – аумақтың бағытындағы кемтіктердің диффузиялық тоғынан аз болады.Сондықтан р – аумақтағы n – аумақтан келген бос электрондар арқасында қатысқан акцепторлар зарядының саны, n – аумаққа диффузияланған кемтіктер арқасында қатысқан акцепторлар зарядының санынан әлдеқайда аз болады. n – аумақтағы р – аумаққа өткен диффузияланған электрондар арқасында донорлық зарядар саны,р – аумақтан келген кемтіктер арқасында қатысқан донорлар санынан әледеқайда көп болады.                                                                               

    Бірақ көрсетілген  бқліктердің кез – келген қатынасында  р – аумақтағы акцепторлық  қоспаның қатысқан теріс зарядтарының ортақ саны n – аумақтағы донорлық қоспа зарядтарының оң зарядтарының ортақ санына тең болады.Өйткені n – аумақтағы донорлық қоспа концентрациясы р – аумақтағы акцепторлық қоспа концентрациясынан төмен болады, донорлық қоспадағы толықтырылмаған оң зарядтар р – аумақта қатысқан акцепторлық қоспаның теріс зарядтарынан көп орын алады.

   Қорытындылай келе, симметриялы емес pn – ауысу үлкен кедергіге ие болатын аумаққа қарай жылжиды.

  Симмтериялы емес  pn – ауысуда сыртқы көз потенциалдық тосқауылды төмендеткен кезде қоспасы көп болатын аумақтан қоспасы аз болатын аумаққа қарай инжектеледі.

  Сол үшін жартылай өткізгіштегі заряд тасымалдаушылар инжектелетін негізгі заряд  тасымалдаушылар концентрациясы жоғары аумақты эмиттер деп атайды, ал заряд тасымалдаушылар инжектелетін қоспа концентрациясы аз аумақты база деп атайды.Қоспа концентрациясы аз аумақ база деп аталатын себебі, ол әр кезде жартылай  өткізгіштегі, қоспа концентрациясы жоғары аумақ жасайтын шығыс пластинкасының бөлгігі болып табылады.Қарастырылып отырған мысалда (1.18 – суретті қара) р – аумақ эмиттер, ал n – аумақ база болып табылады.

        рn – ауысудың теориялық вольт – амперлік сипаттамасы

pn – ауысу арқылы тұрақты және кері тоқтардың тәуелділігі.Беріген кернеуден, pn – ауысудың вольт – амперлік сипаттамасы мына формуламен еспетелінеді:

 

 

 

мұндағы І_т – белгілі температура үшін, материалы белгіленген және pn – ауысу  ауданымен анықталатын жылулық тоқ; U – қойылатын кернеу (белгісін ескерген кезде).

 Бұл тәуелділіктің  графигі  1.19 – суретте көрсетілген.

 

 

 

 

 

1.19 – сурет. pn – ауысудың теориялық вольт – амперлік сипаттамасы

 

І_кері = І_т теңдігі идеалда pn – ауысуға реалды орын алатын кері  І_кері тоқтың үшінші құрамы ескерілмейді.

                               pn – ауысудағы тесілудің пайда болуы

Егер  pn – ауысуға қойылатын U_кері  кернеуді  бірітіндеп жоғарылатсақ ол белгілі бір мәнге жеткен кезде ауысу арқылы өтетін кері тоқ ауысуындағы кернуді біраз көтерген кезде де жоғарыланған байқауға болады (1.20 – сурет ), ол  pn – ауысудың дифференциалдық өткізгіштігінің күрт өсуін көрсетеді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.20 – сурет . pn – ауысудың кері тармағы

pn – ауысудың  тесілуі – бұл берілген ауысуда кері кернеу (тоқ) арқылы  критикалық мәнге ие болатын дифференциалдық өткізгіштіктің күрт ұлғаю құбылысы.

  Тесілудің электрлік және жылулық түрі болады.

   Электрлік тесілу – қайталанатын құбылыс,U_кері кернеуін алып тастағанда pn – ауысудың   қасиеттері толық орнына келеді.

Жылулық тесілу - қайталанбайтын процесс, оның нәтижесінде кристалдық тор бұзылып, pn – ауысу істен шығады.

    Электрлік тесілу ауысудың ішінде күшті электр өрісі әсерінен заряд тасмалдаушылардың ағынды көбеюімен болатын ағымды тесілу, және туннельді эффект барысында пайда болатын туннельді тесілу.

  Ағымды тесілудің  негізі келесіден тұрады. Ауысудағы электрлік өрістің кернеулігі үлкен болған сайын ,р – аумақтағы n – аумаққа өтетін электрондардың жылдамдығы да өседі.

 Кері кернеудің мәнін  тапқан кезде осы электрондар  жартылай өткізгіштегі ауысу  ішіндегі орналасқан атомдарды  иондауға жеткілікті энргияға  ие болады. Атомдардан шыққан  электрондар электр өрісі әсерінен  қозғалған кезде басқа атомдармен  соқтығысып оларды иондайды.Бұл  процесс тізбекті реакция   тәрізді ағымды түрде жүзеге  асырылады, сондықтан ауысудан  өтетін кері тоқ күрт өседі.Ауысудағы  кернеуді көбейту ауысудағы кері тоқты көбейтеді, ал ондағы кернеу мүлдем жоғарыламайды.Тізбектегі тоқ күшейген сайын тоқ көзінің ішкі кедергісіедегі кернеудің түсуі жоғарылайды.Сонымен,тоқ көзіндегі ЭҚК бұл режимде pn – ауысу   мен тоқ көзінің ішкі кедергісінің арасында таралады.ЭҚК – ның біраз бөлігі  р – және n – аумақтарына таралады.

  Туннельді тесілуді  қарастырамыз. Туннельді эффекттің  мағынасын түсіндіру үшін  pn – ауысудың энергетикалық диаграммасын қолданамыз,оны біз өткізгіштің р – және n – аумағындағы валентті аймақтың «төбесі» мен « түбіне» сәйкес келетін энергетикалық аймақтарды көрсететіндей етіп қарапайым түрде көрсетеміз(1.21 – сурет ).

   Кері кернеудің   әсерінен потенциалдық тосқауыл  көтеріледі және осыған қатысты  аймақтардың энергетикалық диаграммалар  қозғалысы өседі.

Кері кернеудің   белгілі  бір шамасында р – аумақтағы  валентті  аймақтың «төбесі»  өткізгіштің n – аумақтың « түбінен» жоғары орналасқан, демек р – аумақтағы валентті аймақтың үстіңгі жағы және өткізгіштің n – аумағында аймақтың төменгі бөлігі қабаттасады.

  Осы кезде р – аумақтағы валентті электрондардың бір бөлігі n – аумақтың өткізгіш аймағы электрондармен толтырылған деңгейлерге тең энергетикалық деңгейлерде орналасады.Сол үшін өткізгіштің аймақта бос аймақтар  болған жағдайда р – аумақтың жеке электрондар тыйым салынған аймақты өтпей – ақ ,сол энергетикалық деңгейде қала отырып, n – аумаққа ауысуы мүмкін.

  Осы уақытта n – аумақтың р – аумақта бос энергетикалық деңгейі болған кезде, потенциалдық тосқауылды өтией соңғы деңгейге өте алады («туннель» арқылы өтетеін тәрізді).

Электрондардың кез –  келген бағытта ауысу ықтималдылығы  бірдей, сол үшін туннельді тоқ  нөлге тең  болады.(1.21, а – сурет).n – аумақта өткізгіштік аймақтағы сол аумақтағы бос электрондарға тола алатын энергетикалық деңгейлер саны шектеулі , өйткені р – аумақтағы электрондармен толтырылған валентті аймақтағы энергетикалық деңгейлердің саны үлкен.Сондықтан кері кернеуді жоғарылатқан кезде кері бағыттағыдан қарағанда р – аумаққа өтетін электрондар саны көп болады(1.21,б – сурет ).

  Нәтижесінде, pn – ауысу арқылы  кері туннельді тоқ жүреді, оның шамасы кері кернеу өскен сайын өседі.Энергетикалық диаграммада туннельді тоқ алты бірлікке тең болады(1.21,б – сурет ).

  pn – ауысудан өтетін І_кері кері тоқ есебінен қоршаған ортаға таралатын жылудан қарағанда уақыт бірлігінде көп жылу шығаратын жылулық баланстың бұзылуы салдарынан жылулық тесілу пайда болады.Осы кезде ауысудың  температурасы жоғарылайды, ол жартылай өткізгіштегі  pn – ауысудығы атомдарды қосымша иондалуына әкеп соғады,демек І_кері кері тоқтың  одан әрі ұлғаюына және ауысудағы температурасы жоғарылауына әкеледі.Бұл процесске шектеу қоймаса кристалдық тор бұзылады және  pn – ауысу істен шығады.Әлбетте жылулық тесілуден кейін электрлік тесілу пайда болады.

                              pn – ауысудың сыйымдылығы

    Электр өткізгіштігі жұқа қабатпен бөлінген pn – ауысудағы акцыпторлық (-q) және донорлық (+q) қоспалардың атомдардың толықтырылмаған көлемдік  зарядтары сыйымдылықты құрайды.Бұл сыйымдылықты  тосқауылдық сыйымдылық немесе  pn – ауысуға жабыстырылған кернеуге  тәуелді болады.Кері кернеуді жоғарылатқан  pn – ауысудың  ені үлкейіп ,тосқауылдық сыйымдылық жоғарылайды.

    N_a >N_d шартына сәйкес құмалы симметрия емес pn – ауысудың  тосқауылдық сыйымдылығы мына формуламен анықталады:

 

 

 

Мұндағы S – ауысудың ауданы,см² ; N_d – n – типті базадағы донорлық қоспаның концентрациясы;U – кері кернеу .

1.22 – суретте  pn – ауысудығы тосқауылдық сыйымдылықтың кернеуден тәуелділігі көрсетілген . Тосқауылдық сыйымдылық  pn – ауысуды жоғары жиіліктегі тоқты түзеу үшін қолдану қиынға түседі, өйткені оның кедергісі жоғары  жиілікте төмендейді және ол  pn – ауысудың кері кедергісін шунттайды: тоқтың кері жарты толқыны тосқауылдық сыйымдылық арқылы тұйықталып , түзеу эффектісі жоғалады.

 

 

 

 

 

1.22 – суретте  . Тосқауылдық сыйымдылық  тәуелділігі

   pn – ауысу бар жоғары жиіліктегі жартылай өткізгіштік құрылғыларда тосқауылдық сыйымдылық төмен болады.Сол кезде  тосқауылдық сыйымдылықты пайдалану тиімді болып табылады. Тосқауылдық сыйымдылықтың кернеуден тәуелділігі   pn – ауысудағы базаға мысалы кемтіктер сияқты негізгі заряд тасмалдаушылар инжектеледі.Осының нәтижесінде база оң  зарядталады және оған жалғасқан сыртқы тізбектен сәйкес келетін бос электрондардың саны енеді.

  Кемтіктер базада  жылдам өндіріле алмайтындықтан  көлемдік зарядтар қарсы тұрады:инжектелген  кемтіктермен жасалған оң,және  базаға бос электрондармен түсетін  теріс зарядтар.

  Осының негізінде  базада диффузиялық сыйымдылықтың  бар екенінайту орынды болып  табылады.Сыртқы кернеудің полярлігін  ауыстырған кезде базаның негізгі емес зарядтар тасмалдаушылар экстракция нәтижесінде эмиттерге ауысады. Бірақ жоғары жиілікте бұл процесс сыртқы кернеудің кері толқыны өткен кезде аяқталып болмайды және базада негізгі емес тасмалдаушылар саны көбейеді.

  Сонымен pn – ауысу анық  бір инерцияға ие, осының нәтижесінде pn – ауысудың қалыпты жұмысы бұзылады.Осының салдарынан   диффузиялық сыйымдылықтың pn – ауысу жұмысына кері әсері байқалады.Айтылған