Фотодиодтың құрылымдық сұлбасы
Биполярлы транзисторлар: құрылымы және қуатты режимдегі шектеулер
Биполярлы транзисторлар өткізгіштігі әртүрлі үш жартылай өткізгіш қабаттан тұрады. Қабаттардың орналасуына қарай олар p-n-p және n-p-n типтеріне бөлінеді. Күштік қолданбаларда кең тарағаны — n-p-n типті транзисторлар.
Күштік транзистордың қауіпсіз әрі сенімді жұмыс істеуінің негізгі шарты — нақты жұмыс режимімен анықталатын вольт-амперлік сипаттамалардың статикалық және динамикалық түрде қауіпсіз жұмыс аймағына (ОБР) сәйкес келуі.
ОБР анықтайтын негізгі шектеулер
- Коллектор тогының (немесе сток тогының) максимал мәні.
- Шашыратылатын қуаттың рұқсат етілген (мүмкін болатын) мәні.
- Коллектор–эмиттер (немесе сток–исток) кернеуінің рұқсат етілген мәні.
Импульстік режимде ОБР шекаралары уақытша кеңеюі мүмкін. Бұл жылулық процестердің инерциясымен түсіндіріледі: транзистордың жартылай өткізгіш құрылымы тез қызады, ал жылудың таралуы бірден болмайды.
Динамикалық ВАС көбіне жүктеме параметрлерімен анықталады. Мысалы, активті–индуктивті жүктемені ажырату (сөндіру) кілттік элементтегі токтың артуына әкелуі мүмкін. Бұл құбылыс индуктивті құрамдаста ток нөлге төмендеген сәтте пайда болатын өздік индукция ЭҚК-мен анықталады:
Негізгі қатынас
Um = L · dI/dt
Активті–индуктивті жүктемемен жұмыс істегенде ауысу процесінің қауіпсіз траекториясын қалыптастыру үшін әртүрлі ауысу траекториясын құру тізбектері қолданылады. Ең қарапайым шешім — RS-тізбекті (немесе активті–индуктивті жүктемені) шунттайтын, МОП-транзистордың бастау–ағын арасына параллель жалғанған диод.
Фотодиодтар: түрлері, жұмыс режимдері және параметрлері
Фотодиод — фотосезімтал аймаққа түскен жарықты p–n өтпеліндегі процестер арқылы электр зарядына (токқа) айналдыратын оптоэлектрондық құрылғы. Фотовольттік эффектке негізделіп, энергия өндіруге қолданылатын фотодиод күн элементі деп аталады.
p–n және p–i–n фотодиодтары
p–n фотодиодынан бөлек p–i–n фотодиоды да қолданылады: p және n қабаттарының арасында легирленбеген жартылай өткізгіш i-қабат орналасады. p–n және p–i–n фотодиодтары жарықты электр сигналына айналдырады, бірақ өздігінен күшейтпейді.
Фотодиод тогы көбіне негізгі емес тасымалдаушылардың дрейфтік тогымен анықталады. Тез әрекет етуі тасымалдаушылардың бөліну жылдамдығына және p–n өтпелдің сыйымдылығына (Cp–n) тәуелді.
Жұмыс режимдері
- Фотогальваникалық — сыртқы кернеусіз жұмыс.
- Фотодиодтық — сыртқы кері кернеумен жұмыс.
Артықшылықтары
- Құрылымы мен жасау технологиясы салыстырмалы түрде қарапайым.
- Жоғары фотосезімталдық пен тез әрекеттенудің үйлесімі.
- Инерциясы төмен, базаның кедергісі аз.
Қарапайым құрылымдық белгілеу
1 — жартылай өткізгіш кристалл
2 — түйісулер (өтпелер)
3 — шықпалар
Ф — электромагниттік сәулелену ағыны
E — тұрақты ток көзі
RH — жүктеме
p–i–n фотодиоды
p–i–n құрылымындағы ортаңғы i-аймақ екі қарама-қарсы өткізгіш қабаттың арасында орналасады. Үлкен кернеу кезінде i-аймақтағы электр өрісінде фотондар әсерінен пайда болған еркін тасымалдаушылар үдейді. Бұл сезімталдықты және тез әрекет етуді арттырады.
p–i–n фотодиодында тез әрекеттенудің артуы диффузия процесінің күшті электр өрісіндегі дрейфтік тасымалға ауысуымен түсіндіріледі. Кері кернеу өте аз болғанда да (шамамен Uобр ≈ 0,1 В) бұл құрылымның артықшылығы байқалады.
Артықшылықтары
- Ұзын толқынды аймақтағы сезімталдық i-аймақ енін өзгерту арқылы реттеледі.
- Жоғары сезімталдық және жоғары жылдамдық.
- Жұмыс кернеуі салыстырмалы түрде төмен.
Кемшілігі
i-аймақта жоғары жиілікті тиімді алу күрделірек.
Шоттки фотодиоды
Шоттки фотодиодының құрылымы металл–жартылай өткізгіш өтпеліне негізделеді. Құрылым қалыптасқанда электрондардың белгілі бір бөлігі металдан жартылай өткізгішке өтеді, нәтижесінде тосқауылдық қабат пайда болады.
Мұндай өтпелдердің негізгі артықшылығы — тасымалдаушылар динамикасының ерекшелігіне байланысты жоғары жылдамдыққа қол жеткізу мүмкіндігі.
Көшкінді (avalanche) фотодиод
Бұл құрылымда көшкінді тесу (avalanche breakdown) құбылысы пайдаланылады: тасымалдаушылар энергиясы жеткілікті болғанда жаңа электрон–кемтік жұптары пайда болып, токтың ішкі күшеюі жүзеге асады. Сондықтан көшкінді фотодиодтар өте сезімтал.
Көшкінді көбейтуді іске асыру шарттары
- Кеңістіктік заряд аймағындағы электр өрісі өте үлкен болуы керек.
- Кеңістіктік заряд аймағының ені еркін жүру ұзындығынан әлдеқайда үлкен болуы тиіс: W ≫ λ.
Ішкі күшейту коэффициенті фотодиод түріне қарай өзгеріп, әдетте M = 10–100 аралығында болады.
Гетероқұрылымды фотодиод
Гетероөткел — тыйым салынған аймақ ені әртүрлі екі жартылай өткізгіш шекарасында пайда болатын өтпе. Мұнда p+ қабаты көбіне «қабылдаушы терезе» қызметін атқарады, ал зарядтар негізгі (орталық) аймақта генерацияланады. Материалдарды дұрыс таңдау арқылы толқын ұзындықтарының кең диапазонын қамтуға болады.
Кемшілігі
Жасау технологиясының күрделілігі.
Негізгі параметрлері
Сезімталдық және шуыл деңгейі.
Транзисторлар: анықтама және электроникадағы рөлі
Транзистор (ағылш. transfer — ауыстыру және resistance — кедергі) — жартылай өткізгіш материалдан жасалған, әдетте үш шығысы бар электрондық құрылғы. Ол кіріс сигналы арқылы шығыс тізбегіндегі токты басқаруға мүмкіндік береді және күшейту, генерациялау, түрлендіру міндеттерінде кең қолданылады.
Кіріс шамасының аз ғана өзгеруі шығыста кернеу мен токтың едәуір өзгеруіне әкелуі мүмкін — бұл қасиет күшейткіш техникада қолданылады (радио, байланыс жүйелері, аналогтық электроника және т.б.). Аналогтық техникада ұзақ уақыт бойы биполярлы транзисторлар (BJT) басым болды, ал цифрлық техникада (логика, жады, процессорлар, цифрлық байланыс) өрістік транзисторлар кеңінен тарады.
Транзисторлар бір кремний кристалының интегралдық технологиясында жасалып, микросұлбалар құрудағы «элементар кірпіш» қызметін атқарады: логика, жады, процессор және басқа да көптеген жүйелер осы элементтерден жинақталады.
МОП-транзисторлар туралы қысқаша
Қазіргі МОП-транзисторлардың өлшемдері наноөлшемдерге дейін кішірейіп, бір чипте миллиардтаған транзисторды орналастыруға мүмкіндік берді. Өлшемді кішірейту әдетте жылдамдықты арттырып, энергия тұтынуды және жылу бөлуді азайтады.
Өрістік транзисторлар: түрлері және қосылу сұлбалары
Өрістік транзистор — тогы кіріс сигналынан пайда болатын электр өрісі әсерімен өзгеретін жартылай өткізгіш құрылғы. Мұнда жұмыс тогы көбіне бір таңбалы заряд тасымалдаушылармен (электрондар немесе кемтіктер) анықталады, сондықтан оларды униполярлы құрылғылар класына жатқызады.
Физикалық құрылымы бойынша топтар
- Басқарылатын p–n өтпелі немесе металл–жартылай өткізгіш өтпелі транзисторлар.
- Бөлектенген (оқшауланған) электродпен басқарылатын МДЖ/МПД транзисторлар (металл–диэлектрик–жартылай өткізгіш).
Негізгі қосылу сұлбалары
- Ортақ бастау (ОБ) — практикада ең жиі қолданылады; биполяр транзистордағы ортақ эмиттер сұлбасына ұқсас.
- Ортақ ағын (ОА) — буферлеуге ыңғайлы режимдер үшін.
- Ортақ бекітпе (ОБе) — кіріс кедергісі төмен, токты күшейтпейді; қолданылу аясы шектеулі.
Басқарылатын p–n өтпелі өрістік транзистор (JFET)
Бұл типте бекітпе p–n өтпесі кері бағытта ығыстырылған. Кері кернеуді өзгерту арқылы p–n өтпенің қалыңдығы өзгереді, нәтижесінде негізгі тасымалдаушылар өтетін аймақтың қимасы реттеледі. Кернеумен басқарылатын осы аймақ канал деп аталады.
Бастау
Негізгі тасымалдаушылар каналға кіретін электрод.
Ағын
Тасымалдаушылар каналдан шығатын электрод.
Бекітпе
Канал қимасын реттейтін басқарушы электрод.
Бекітпе тізбегіндегі кері токтың аз болуына байланысты басқаруға қажет қуат өте төмен. Әрекет ету принципі жағынан өрістік транзистор вакуумдық триодқа ұқсас: бастау — катодқа, бекітпе — торға, ағын — анодқа сәйкес келеді. Сонымен бірге өрістік транзисторға катодты қыздыру қажет емес және құрылғыларды n-канал және p-канал түрінде жасауға болады.
Өрістік және биполяр транзисторлардың айырмашылықтары
- Басқару тәсілі: биполярда — кіріс тогы, өрістікте — кіріс кернеуі/өрісі.
- Кіріс кедергісі: өрістік транзисторларда әдетте жоғары (бекітпе өтпесінің кері ығысуына байланысты).
- Шуыл: өрістік транзисторларда жиі төменірек деңгейде болады.
Микроэлектроникадан наноэлектроникаға дейін
Транзисторлардың жасалуымен электрониканың негізгі міндеттері өзгеріп, электрондық құрылғыларды жасаудың технологияларын жетілдіру қажеттілігі артты. 1957 жылы жартылай өткізгіш құрылғыларын жасаудың планарлық технологиясы пайда болды. Ол диффузиялық әдістерге, маскілеуге, оксид қабаттарына және фотолитографияға сүйенеді — бұл интегралды тәсілмен жасауға жол ашқан маңызды технологиялық серпіліс.
1961 жылы планарлық технология көмегімен кремнийде электрлік байланысы бар алғашқы интегралды микросұлбалар алынды. Кейін элементтерді бір-бірінен оқшаулау, өлшемдерді ондаған микрометрден бірлік микрометрге дейін азайту және байланыстар сенімділігін арттыру микроэлектрониканың дамуын жеделдетті.
Интеграция және микроминиатюрлеу
Микроминиатюрлеу — тек масса мен көлемді кішірейту емес, сонымен қатар жаңа физикалық құбылыстарға негізделген әрекет ету принциптеріне көшу. Интеграция — берілген көлемде элементтердің белгілі бір санын жаңа технологиялық әдістермен бір микросұлбаға біріктіру.
Интегралды микросұлбалардың интеграция деңгейі кристалдағы элементтер мен компоненттер санымен өлшенеді. Топтық (группалық) құрастыру әдісі бір пластинада көптеген чиптерді қатар өндіруге мүмкіндік береді, бұл құнын төмендетіп, сенімділікті арттырады.
Жартылай өткізгіш диодтар: түрлері және түзеткіш диодтың мәні
Жартылай өткізгіш диодтардың түрлері көп. Олар қасиеттері мен қолданылу мақсатына қарай, сондай-ақ жұмыс жиілігіне және материал құрамына байланысты жіктеледі. Құрылымына қарай диодтар нүктелік және жазықтық болып бөлінеді.
Нүктелік диод
Нүктелік диодта p–n өтпесінің ауданына сәйкес сызықтық өлшемдер өтпе қалыңдығына тең немесе одан да кіші болады. Өтпенің көлемі аз болғандықтан, мұндай диодтар жоғары жиіліктерде тиімді қолданылады. Дегенмен, олар әдетте токты бір немесе ондаған миллиампер деңгейінде өткізеді.
Жазықтық диод
Жазықтық диодта өтпе ауданы әлдеқайда үлкен, сондықтан сыйымдылық ондаған пикофарадқа дейін жетуі мүмкін. Осы себептен оларды жиілігі тым жоғары емес тізбектерде қолданады, ал рұқсат етілген токтары жүздеген амперге дейін баруы мүмкін.
Түзеткіш диодтар және айнымалы токты түзету
Түзеткіш диодтардың негізгі міндеті — айнымалы токты түзету. Бұл радиоэлектроника үшін өте маңызды, өйткені құрылғылардың басым бөлігі тұрақты токпен қоректенеді, ал электр желісінде айнымалы кернеу қолданылады.
Тұрақты кернеу (ток)
Уақыт бойынша полярлығы өзгермейтін кернеу (ток).
Айнымалы кернеу
Полярлығы белгілі заң бойынша минустан плюсқа ауысып отырады (жиі синусоида).
Синусоидалы заң
u = Um · sin(ωt + φ)
Нүктелік түзеткіш диодтар көбіне жоғары жиілікте жұмыс істейді, бірақ төмен жиілікте де қолданыла алады. Олар әртүрлі құралдарда жиі кездесетіндіктен, кейде әмбебап диодтар деп те аталады. Жазықтық диодтармен салыстырғанда, олардың тура тогы әдетте үлкен болмайды.