Фотодиодтың құрылымдық сұлбасы

Биполярлы транзисторлар туралы қазақша реферат

Биполярлы транзисторлар өткізгіштігі әр түрлі үш жартылай өткізгіш қабаттардан тұрады. Транзисторлар қабаттардың орналасу ретіне байланысты p-n-p және n-p-n типті болып бөлінеді. Күштік транзисторлардың арасында кең қолданысқа ие болғаны n-p-n типті транзистор.

Күштік транзисторлардың қауіпсіз жұмыспен қамтамасыз ету.

Күштік транзисторлардың сенімді жұмысының негізгі шарты белгілі-бір жұмыс шартымен анықталатын вольтамперлік сипаттаманың статикалық және динамикалық түрде ОБР-мен сәйкес келуі.

Күштік транзистордың ОБР-мен анықталатын шектеулер:

Коллектор тогының макмимал мәні(сток),

Транзистормен азайтылатын қуаттың мүмкін болаты мәні,

Коллектор-эмиттердегі кернеудің мүмкін болатын мәні (сток-исток).

Күштік транзисторлардың импульсті режимінде ОБР шекаралары кеңейеді. Бұл жылулық процесстердің инерциялығымен сипатталады, транзистордың жартылай өткізгішті құрылымы тез қызиды.

Транзистордың динамикалық ВАС байланысатын жүктеме параметрларымен анықталады. Мысалы, активті – индуктивті жүктеменің сөндірілуі кілттік элементтегі ток күшінің көбеюіне алып келеді. Бұл ток күшінің көбеюі токтың нольге дейін төмендеуі кезінде жүктеменің индуктивті құраушысында пайда болатын өздік индукцияның ЭДС анықталады Um=Ldi dt.

Aктивті – индуктивті жүктемені байланыстырудағы ток күші көбеюінің шығарулары мен шек салуларында ауыстырудың қажетті траекториясын құруға мүмкіндік беретін түрлі ауыстырудың траекториясын құру тізбектері(АТҚТ) қолданылады. Қарапайым жағдайда активті-индуктивті жүктемені немесе RS-тізбегін шунттайтын, МОП транзисторының бастауы мен ағынына параллель қосылатын диод болуы мүмкін.

Фотодиод – фотосезімтал аймағына түскен жарықты p-n өткелдегі процесстер арқылы электр зарядына айналдыратын оптикалық сәулелену құрылғысы.

Жұмысы фотовольттік эффектке негізделген фотодиод күндік элемент деп аталады. p-n фотодоидтарынан басқа p-і-n фотодиодтары да бар, p және n қабаттарының арасында легирленбеген жартылай өткізгіш і қабаты орналасқан. p-n және p-і-n фотодиодтары жарықты тек электр зарядына айналдырады, бірақ оны күшейтпейді, ал көшкіндік фотодиод пен фототранзисторларының жұмыс істеу принципі:

Базада кванттық сәулеленудің әсерінен еркін тасымалдағыштардың генерациясы орын алады. Олар p-n өткел шекарасына ұмтылады. Базаның ені кемтіктер p-өткеліне өтіп үлгермейтіндей етіп жасалынады. Фотодиод тогы негізгі емес тасымалдаушылар тогымен – дрейфтік токпен анықталады. Фотодиодтың тез әрекет етуі p-n өткелінің тасымалдаушыларының бөліну жылдамдығымен және p-n өткелдің сыйымдылығымен С p-n анықталады.

Фотодидо екі режимде жұмыс жасай алады:

Фотогальвиндік – сыртқы кернеусіз

Фотодиодты – сыртқы кері кернеулі

Ерекшеліктері:

Құрастыру технологиясы мен құрылымы қарапайым;

Жоғары фотосезімталдығы мен тез әрекеттігінің сәйкестендірілуі;

Базаның аз кедергісі;

Инерциясы аз;
Фотодиодтың құрылымдық сұлбасы
1 – жартылай өткізгіш кристалы; 2 — түйісулер; 3 — шықпалар; Ф – электромагниттік сәулелену ағыны; E – тұрақты ток көзі; RH – жүктеме.

Топтастыру

p-і-n фотодиоды

негізгі мақала: p-і-n фотодиоды

p-і-n құрылымының ортаңғы i-аумағы өткізгіштіктері қарама қарсы екі қабат арасында орналасқан. Үлкен кернеу болғпн кезде і- қабатын да, сәулелендірудегі фотондар есебінен пайда болған еркін тасымалдағыштарды да кішірейтеді, p-n өткелінде электр өрісінде үдеу алады. Бұл тез әрекеттенуде және сезімталдығына ұтыс береді. p-і-n фотодиодында тез әрекеттенудің жоғарылауы диффузия процесі күшті электр өрісінде электр зарядының дрейфымае ауысыуымен анықталады. Uобр~0,1В болған кезде p-і-n фотодиоды тез әрекет ету артықшылығына ие болады.

Артықшылықтары:

1)    Спектрдің ұзын толқынды бөлігіндегі сезімталдықты қамтамасыз ету і-аймағының енінің өзгеруі арқылы жүзеге асады;

2)    Жоғары сезімталдық және тез әрекеттену;

3)    Аз жұмыс кернеуі Uраб.

Кемшіліктері:

і- аймағында жоғары жиілікті алу қиындығы

Шоттки фотодиоды

Құрылымы металл – жартылай өткізгіш. Құрылымды құрғанда электронардың бір бөлігі металлдан p-типті жартылай өткізгішке ауысады.

Көшкінді фотодиод

Негізгі мақала: көшкінді фотодиод

Құрылымда көшкінді тесу қолданылады. Ол фототасымалдағыштардың энергиясы электронды кемтіктік жұптар энергиясынан көп болған кезде пайда болады. Өте сезімтал. Бағалау үшін көшкінді көбейту коэффициенті:

Көшкінді көбейтуді жүзеге асыру үшін екі шартты орындау қажет:

1)    Кеңістікті заряд аумағының электр өрісі аса үлкен болуы қажет, себебі электрон еркін қозғалу ұзындығындағы энергиясы тыйым салынған аумақ еніндегіге қарағанда үлкен болуы қажет:

2)    Кеңістікті заряд аймағының ені еркін қозғалу енінен аса үлкен болуы қажет:

W>>λ

Ішкі күшеткіш коэффициентінің мәні фотодиод түріне байланысты M=10-100 мәнге ие болады.

Гетероқұрылымды фотодиод

Гетероөткел дегеніміз тыйым салынған аймақтағы ендері әр түрлі екі жартылай өткізгіш арасында пайда болатын қабат. p+ қабаты қабылдаушы терезе рөлінде болады. Зарядтар орталық аймақта генерацияланады. Тыйым салынған аймақтағы ендері әр түрлі жартылай өткізгіштерді таңдау арқылы толқын ұзындықтарының барлық диапазонын жауып тастауға болады. Кемшілігі – жасау қиындығы.

Параметрлері:

Сезімталдық

Шуылдар

Транзистор(ағыл.тілінен transfer – ауыстыру және resistance – кедергі немесе transconductance – активті электрон аралық өткізгіштік және varistor – ауыспалы кедергі) – жартылай өткізгіш материалдан жасалған электронды құрылғы, әдетте кіріс сигналдары электр өрісіндегі токты басқара алатын үш шығысты болады. Әдетте электр сигналдарын күшейту үшін, генерациялау үшін және түрлендіру үшін қолданылады.

Шығыстізбегінде токты басқару кіріс кернеуін немесе тогын өзгерту арқылы жүзеге асыруға болады. Кіріс мәндерін аз ғана өзгерту шығыс кернеуі мен тогын үлкен өзгертулерге алып келуі мүмкін. Бұл транзистордың күшейткіш коэффициенті аналогты техникада қолданылады(аналогты ТВ, радио, байланыс және т.б.).

Қазіргі уақытта аналогты техника биполярлы транзисторларды (БТ) үстемелейді (халықаралық термин – BJT6 bipolar junction transistor). Электрониканың басқа маңызды саласы цифрлық техника (логика, жады, процессорлар, компьютерлер, цифрлы байланыс және т.б.) болып табылады, мұнда, керісінше, өрістік транзисторлар биполяр транзисторларды ығыстырып тастады.

Транзисторлар бір кремнийлық кристалды интегралдық технология шегінде жасалынады және логика, жады, процессор және т.б. микросұлбаларды құруда элементар кірпіш болып табылады. Қазіргі заманғы МОПТ өлшемдері 90-нан 32 нм-ге дейін. Қазіргі бір чип құрамында бірнеше миллиард МОПТ бар. 60 жыл көлемінде МОПТ өлшемі кішіреюін және олардың чипта көп мөлшерде орналасуын арттыруда, жақын аралықта чиптағы транзисторлар интеграциясының деңгейін арттыру күтілуде. МОПТ мөлшерін кішірейтупроцессордың тез әрекет етуін арттырады және энегргоқолданысы мен жылу шығаруды кемітеді.

Өрістік транзистор – жартылай өткізгіш құрылғы, оның тогы кіріс сигналынан пайда болатын электр өрісінің перпеникуляр тогының әсерінен өзгереді.

Өрістік транзисторда жұмыс тогының ағыны тек бір таңбалы заряд тасымалдаушыларға(электрондар немесе кемтіктер) негізделген, сондықтан мұндай құрылғыларды униполярлы электронды құрылғылардың кеңірек класына қосады(биполярлымен салыстырғанда). Өрістік транзисторларды физикалық құрылымы мен жұмыс жасау механизмі бойынша 2топқа бөледі. Біріншісін басқарылатын p-n өткелді транзисторлар немесе металл – жартылай өткізгіш өткелі құрайды, екіншісін басқарылатын бөлектелген электродты транзистор, яғни МПД (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) транзисторлар құрайды.

Өрістік транзисторды үш негізні сұлбаның бірі бойынша құруға болады: ортақ бастау(ОБ), ортақ ағын(ОА) және ортақ бекітпе(ОБе).

Практикада көбінесе ОБ сұлбасын қолданады, ОЭ биполяр транзисторы секілді болады. Ортақ бастаулы каскад ток пен қуаттың үлкен күшеюін береді. ОБе сүлбасы ОБ сұлбаға ұқсас. Ол токты кұшейтпейді, сондықтан ОБ салыстырғанда қуат бірнеше есе аз күшейеді. ОБе каскадта кіріс кедергісі өте аз, соған байланысты практикада қолданудың шектеріне ие.
Басқарлатын p-n өткелді транзисторлар

Басқарылатын p-n өткелді өрістік транзистор – кері бағытта жылжытылған p-n өткелінен бөлектенген бекітпелі өрістік транзистор.

Осындай транзистор негізгі электр тасымалдаушылардың басқарылатын тогы өтетін аймақтың екі түзетпейтін түйісулерге және кері бағыттта жылжытылған бір немесе екі басқарушы электронды кемтіктік өткелдерден тұрады. p-n өткелде кері кернеуді өзгерткенде оның қалыңдығы, яғни негізгі заряд тасымалдаушылардың басқарылатын тогы өтетін аймақтың қалыңдығы өзгереді. Қалыңдығы мен бүйір қимасы басқарылатын p-n өткелінің сыртқы кернеуімен басқарылатын және негізгі тасымалдаушылардың басқарушы тогы өтетін аймақ канал деп аталады. Негізгі тасымалдаушылары каналға кіретін электрод бастау деп аталады. Негңзгң тасымалдаушы зарядтары каналдан шығатын электрод ағын деп аталады. Каналдың бүйір қимасын өзгертетін электрод бекітпе деп аталады. Ағын тогын, яғни жүктеме тізбегіндегі салыстырмалы қуатты сыртқы қорек көз тогын, басқару бекітпенің p-n өткеліндегі кері кернеуді өзгерткенде жүзеге асады. Кері токтың аздығына байланысты ағын тогынбасқаруға қажет және бекітпе тізбегіндегі сигнал көзін қоректендіруге қажет қуат өте аз болады. Сондықтан өрістік транзистор электромагнитті тербелістерді қуаты, тогы және кернеуі бойынша күшетумен қамтамасыз ете алады.

Осылайша өрістік транзистор әрекет ету принципі бойынша вакуумды триодқа ұқсас. Өрістік транзистордың бастауы вакуумдық триодтың катодына , бекітпе – торға, ағын – анодқа ұқсас. Бірақ өрістік транзистор вакуумдық диодтан өте қатты ерекшеленеді. Біріншіден, өрістік транзистордың жұмыс жасауы үшін катодты қыздыру қажет емес. Екіншіден, бастау мен ағынның кез келген фунциясын осы электродтардың әрқайсысы орындай алады. Үшіншіден, өрістік транзисторларды n каналмен және p- каналмен жасауға болады. Ол өрістік транзистордың бұл екі түрін сұлбада сәйкестендіруге қолайлы.

Өрістік транзситордың биполярлы транзистордан айырмашылықтары:

Біріншіден, әрекет ету принципі бойынша: биполярлы транзисторда кіріс сигналын кіріс тогы, ал өрістік транзисторда кіріс кернеуі немесе электр өрісі басқарады. Екініден, өрістік транзиторлар үлкен кіріс кедергілерге ие, ол қарастырып отырған өрістік транзистордың бекітпесіндегі p-n өткелін кері жылжытумен байланысты. Үшіншіден, өрістік транзисторлар шуылдыі төмен деңгейіне ие. Биполяр транзистордың базасында және p-n өткелінде тасымалдаушылардың кері комбинациялау процессіғ және жартылай өткізгіштің кристалының бетіндегі генрациялы –рекомбинациялы процессі төмен жиілікті шуылдарға ие болады.

Транзисторларды құрғаннан кейінэлектрониканың дамуы, оның негізгі есептерін шешуэлектронды құрылғылар мен құралдарды жасау технологиясының жетілдендіруге алып келді. 1957 жылы жартылай өткізгіш құралдарын жасаудың планарлық технологиясы ойлап табыоһлды.

Планарлық технология диффузионды технологияға, маскілеу және фотолитография оксидіне негізделген. Бұл – жартылай өткізгіш құралдарды интегралды әдіспен жасаудың электроникадағы екінші технологиялық революция. 1961 жылы планарлы технология көмегімен жартылай өткізгішті сала салудың тек бір жағында бірінші электрлі байланысты кремнийлі интегралды микросұлбалар алынды. Планарлы технология кристалда элементтерді бір-бірінен бөлектеуге көмектесті.

Планарлы технологиямен қатар тұтқындау технологиясы сұлба элементтерін ондаған мкм-ден бірлік мкм-ге дейін кемітуге мүмкіндік берді дәне элемент аралық байланыстардың сенімділік мәселесін шешті. Бұл микроэлектрониканың дамуына алып келді. Микроэлектроника – микроминиатюрлі интегралдық орындаудыңэлектронды функционалды құрылғыларын зерттеумен, байланыстырумен, құрастырумен және қолданумен байланысты электрониканың бір аймағы.

Микроминиатюрлеу – бұл тек құрылғының массасы мен көлемін кішірейту ғана емес, сонымен қатар жаңа физикалық құбылыстарға негізделген әрекет ету принципі. Интеграция – берілген көлемде белгілі бір мөлшердегі элементтерді біріктіру, осы элементтерді құрастырудың жаңа технологиялық әдістері бойынша бір микросұлбаға біріктіру.

Қазіргі уақытта интегралды микросұлбалар электронды құрылғылардың негізі болып табылады.

Микроэлектрониканың дамуын бес кезеңге бөлуге болады. Олар бір бірінен интеграция деңгейімен сипатталатын интегралды микросұлба қиындығымен ерекшеленеді. ИМС-тің интеграция деңгейі оның кристалындағы элементтер мен компоненттер санымен анықталады.

Микроэлектрониканың басқа техника салаларына негізі артықшылығы – құрастырудың группалық әдісі. Микроэлектроникадағы бірлік көптеген чип элементтерінен тұратын жартылай өткізгіш пластина болып табылады. Құрастырудың бағасын кеміту электронды компоненттер өлшемін кішірейтуді талап етеді. Осылайша, тек бір пластина құралдарының шығыстары ғана өспейді, сонымен қатар олардың жұмыс істеу сенімділігімен қатар құралдардың тез әрекет етуі артады.

60-шы жылдардың басынан, бірінші интегралды микросұлбалардың шығу кезінен, транзистор өлшемдері 1 мкм-ден микронның бірнеше ондық бөліктеріне дейін азайды. Жиырмасыншы ғасырдың соңғы ширегінде әр бір жарым жыл сайын микросұлбадағы транзисторлар саны екі есе артып отырды. Транзисторлардың артуының осындай жылдамдығы жаңа жүзжылдық басында гигромасштабты сұлбаға келу керек едік. Осындай масштабтағы интеграция жаңа шешімдерді талап етеді.

Осылайша, микроэлектрониканың неізгі тенденциясы интегралды микросұлбалардың интеграциясының дәрежесінің артуы болып табылады. Бұл тендецияның дамуының жолында бөгеуілдер бар. Егер 1,0…0,1 диапазоны күрделі технологиялық бөгеуіл болса, онда элементтердің сызықты мөлшер 0,1… -0,05мкм диапазоны – фундаменталды физикалық бөгеуіл, шұғыл өзгереді, ал мысалдар мен үйреншіктк теорялық модельдер өз күшін жоғалтады. Интегралды микросұлба өлшемдерінің бірнеше деңгейде кішіреюі оның жартылай өткізгіш элементтерінің жұмыс принципін өзгертеді. Кванттық эффекттар ерекшелене бастайды, ал өткізгіш физикасы электронды толқындардың кванттық-механикалық интерференциясымен анықталады.

Наноэлетроника – микроэлектрониканың логикалық дамуы. Қатты ақпараттық құралдар микордан нанометрлік мөлшерге дейін кемиді. Наноэлектроника электромагнитті өріспен электрондардың әрекеттсу процессі мен физикалық көріністері зерттелетін электрониканың бір бағыты. Кваннты наноэлектроника құралдарында ақпарат тасушылар рөлін электронның толқындық функциясы ойнайды.

Электрониканың дамуында бес кезең бар:

Бесінші – интегралды микросұлбалардың пайда болуы және микорэлектроникаға ауысуы.

Жартылай өткізгіш диод түрлері өте көп. Олар класс бойынша, қасиеттерібойынша, қолдану мақсаты және т.б. бойынша бөлінеді. Әр түрлі функцияларды орыедауға арналған, бір бірінен құрамы бойынша ажыратылатын және төменгі немесе жоғарғы жиілікте жұмыс жасайтын түрлі жартылай өткізгіш материалдарынан жасалған диодтар болады. Құрылымына байланысты нүктелік және жазықтық диодтар болады. Нүктелік диодтардың p-n өткелінің ауданын анықтайтын сызықтық өлшемдері өткелдің қалыңдығына тең немесе одан да аз. Жазықтық диодтарында бұл өлшемдер өткел қалыңдығынан анағұрлым үлкен.

Нүктелік диодтар өткелің аз көлеміне ие және сондықтан кез келген жиілікте қолданыла береді. Бірақ олар бір немесе ондаған милиампер токтарды өткізе алады. Жазықтық диодтар көлемі өткел ауданына байланысты ондаған пикофарадқа ие бола алады. Сондықтан оларды ондаған килогерцтен артық емес жиілікте пайдаланады, ал рұқсат етілген ток жүздеген амперға тең болады. Суретте нүктелік және жазықтық диодтар құрылымы көрсетілген. Түзеткіш диодтар. Атауынан көрініп тұрғандай олардың негізгі міндеті – ауыспал токты түзету. Бұд процесс радиоэлектроникада аса маңызды, себебі барлық дерлік құрылғылар тұрақты токпен қоректенеді, ал қысқаша айтқанда, розеткада ауыспалы кернеу болады. Тұрақты кернеу(тұрақты ток) – бұл уақыт бойынша полярлығы өзгенмейтін кернеу(ток). Ауыспалы кернеу үшін оның полярлығы анықталған заң бойынша уақыт интервалында минустан плюсқа өзгеріп отырады. Анықталған заң бұл синус немесе косинус заңы , яғни уақыттың бір мезеттерінде кернеу полярлығы, мысалы, оң, ал келесі мезгілде теріс. Осылайша шексіздікке дейін. Негізі электроникада синус заңы бойынша өзгеру мынадай түрге ұқсас болады: u=Umsinωt+φ.

Розеткадағы кернеу синусоида заңы бойынша өзгереді, яғни ол ауыспалы. Бұл суретте көрсетілген. Бұны осциллограф экранынан бақылауға болады. Түзеткіш нүктелік диодтар жоғары жиілікте жұмыс істейді, бірақ төмен жиіліктеде жұмыс істей алады. Бұл диодтар көптеген құралдарды жұмыс істейді, сондықтан оларды әмбебап деп те атайды. Мұндай диодтар үшін жазықтық диодтарымен салыстырғанда үлкен емес тура ток тән болады.