Диоддор

 

Жабдуулар:

- тажрыйба тактасы;

- батарейкалар;

- мультиметр;

- резисторлор (,);

- туташтыруучу зымдар;

- диод (1N4007).

 

Максат:           Жарым өткөргүч диоддордун айрым иштөө өзгөчөлүктөрүн тажрыйба жүзүндө изилдөө.

 

Жарым өткөргүчтөр. Жарым өткөргүчтөрдүн электр өткөрүмдүүлүгү. Азыркы кездеги электрондук техникада жарым өткөргүч приборлор өзгөчө ролду ойнойт.

Жарым өткөргүч диоддордун иштөө принцибин жакшыраак түшүнүү үчүн, адегенде, жарым өткөргүчтөрдөгү электр тогун карайлы.

         Жарым өткөргүчтөр, салыштырмалуу каршылыгынын мааниси боюнча, өткөргүчтөр менен диэлектриктердин ортосунда орун алат. Эгерде бул материалдардын электр өткөрүмдүүлүгүн жана эркин электрондорунун концентрациясын салыштыра турган болсок, алардын маанилери төмөнкүдөй:

 

 

Жарым өткөргүчтөргө бир катар химиялык элементтер (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк ж.б.) жана кошулмалар (,  ж.б.) таандык. Бизди курчап турган дүйнөнүн органикалык эмес заттарынын дээрлик баары жарым өткөргүчтөр болуп эсептелет. Жаратылышта эң кеңири таралган жарым өткөргүч – бул жер кыртышынын 30% түзгөн кремний эсептелет.

7.1-сүрөт

Жарым өткөргүчтөрдүн металлдардан эң башкы айырмачылыгы - бул алардагы эркин электрондордун санынын, б.а. () салыштырмалуу каршылыгынын () температурадан көз карандылыгы. Металлдарда температуранын жогорулашы менен каршылык чоңоюп, өткөрүмдүүлүгү азайса, жарым өткөргүчтөрдө, тескерисинче, температуранын жогорулашы менен эркин электрондордун концентрациясы чоңоюп, өткөрүмдүүлүгү жогорулайт (7.1-cүрөт).  көз карандылыгынын мындай жүрүшү, жарым өткөргүчтөрдөгү  бош заряддардын концентрациясы температуранын жогорулашы менен чоңойгондугун көрсөтөт.

Жарым өткөргүчтөрдүн өздүк өткөрүмдүүлүгү. Жарым өткөргүчтөрдөгү электр тогунун пайда болуу механизмин түшүнүү үчүн, жарым өткөргүч кристаллдын түзүлүшүн жана кристаллдагы атомдордун бирин экинчисинин жанында кармап турган күчтүн табиятын билүү зарыл. Бул механизмди германийдин () мисалында карайлы. Кремнийдин () кристаллында да ушул сыяктуу болот.

Германий – төрт валенттүү элемент. Бул германийдин атомунун сырткы электрондук катмарында ядро менен салыштырмалуу начар байланышкан төрт электрондун бар экендигин билдирет. Алар валенттик электрондор деп аталышат. Кристаллдык торчодо германийдин ар бир атому төрт коңшу атом менен курчалган. Германийдин кристаллындагы ар бир атом өзүнүн сырткы төрт электрону аркылуу коңшу төрт атом менен коваленттик байланыш түзөт, б.а. байланыш валенттик электрондордун жуптары менен ишке ашат. Ар бир валенттик электрон, бир эле убакта, эки атомго таандык болот (7.2-сүрөт).

7.2-сүрөт

Германийдин кристаллындагы валенттик электрондор, металлдагыга салыштырмалуу, атомдор менен күчтүрөөк байланышкан. Ошондуктан, бөлмө температурасында, эркин (өткөрүмдүүлүк) электрондордун саны жарым өткөргүчтөрдө металлдардагыга караганда ондогон эсе аз. Температуранын абсолюттук нөлгө жакынкы маанисинде германий кристаллынын бардык электрондору байланыш түзүү менен алек. Мындай шартта кристалл электр тогун өткөрбөй өзүн диэлектрик катары алып жүрөт.

Эгерде кристалл сырткы таасирлерге – ысытууга же жарыктанууга дуушар болсо, атомдордун термелүү амплитудасы чоңоет. Бул учурда валенттик электрондордун кандайдыр бөлүгү атомду таштап кетүүгө жетишээрлик кинетикалык энергияга ээ болуп, коваленттик байланышты үзүшөт да, эркин (өткөрүмдүүлүк) электрондор болуп калышат. Электр талаасында алар торчолордун түйүндөрү арасында жылышуу менен, электр тогун түзүшөт. Жарым өткөргүчтөрдө эркин электрондордун болушу менен шартталган өткөрүмдүүлүк электрондук өткөрүмдүүлүк деп аталат. 

Сырткы таасирлердин аракети менен таза жарым өткөргүч кристаллындагы атомдордун жубунан бир электрон бошонуп, эркин электронго айланса, кристаллдын бул жердеги электрдик нейтралдуулугу бузулат (7.2-сүрөт). Электрон кеткен орунда ашыкча оң заряд – оң заряддуу “көңдөйчө” пайда болот. Ал өзүн, абсолюттук мааниси боюнча электрондун зарядына барабар, бирок белгиси оң болгон заряд катары алып жүрөт. Кристаллда көңдөйчөнүн абалы өзгөрбөй койбойт. Электрондун бошогон ордуна– көңдөйчөгө – коңшу атомдордун байланышын камсыз кылган электрондордун бирөө келип, кош электрондук байланышты калыбына келтирет. Бул процесс рекомбинация деп аталат. Мында которулуп келген электрондун мурдагы ордунда жаңы көңдөйчө пайда болот. Бул оң заряддуу көңдөйчө которулду дегенге барабар: ал жаңы – электрон таштап кеткен орунда пайда болот. Мына, ошентип, көңдөйчө бүт кристалл боюнча үзгүлтүксүз которулуп турат.

Электр талаасы жок учурда эркин электрондор жана көңдөйчөлөр баш аламан жылуулук кыймылында болушат. Эгерде жарым өткөргүчтү электр талаасына жайгаштырсак, анда багыттуу (иреттүү) кыймылга эркин электрондор гана эмес, өздөрүн оң заряддуу бөлүкчө катары алып жүргөн көңдөйчөлөр да катышат. Ошондуктан, жарым өткөргүчтөрдөгү электр тогу эркин электрондордун жана көңдөйчөлөрдүн иреттүү жылышы менен пайда болгон токтордун суммасына барабар болот:

 

 

Мына ушинтип жарым өткөргүчтөрдө эки типтеги зарядды алып жүрүүчүлөр: электрондор жана көңдөйчөлөр бар. Ошол себептен жарым өткөргүчтөр электрондук гана эмес, көңдөйчөлүү өткөрүмдүүлүккө да ээ болушат.  Көңдөйчөлөрдүн кыймыл багыты эркин электрондордун кыймыл багытына карама-каршы болот. Электрондук жана көңдөйчөлүү өткөрүмдүүлүк механизми таза жарым өткөргүчтөрдө гана байкалат. Мындай шарттагы өткөрүмдүүлүк жарым өткөргүчтүн өздүк өткөрүмдүүлүгү деп аталат. Жарым өткөргүчтөрдүн өздүк өткөрүмдүүлүгү адатта анчалык чоң эмес болот.

Жарым өткөргүчтөрдүн кошулмалуу өткөрүмдүүлүгү. Жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгү сырткы таасирлерден гана эмес, алардын курамына кирген кошулмалардан да көз каранды. Металлдарда берилген элементтердин атомдоруна башка элементтердин атомдорунун кошулушу кристаллдык торчодо дефекттерди пайда кылып, электрондордун багыттуу кыймылына каршылыкты пайда кылат. Ал эми жарым өткөргүчтөрдө кошулмалардын болушу аларда өздүк өткөрүмдүүлүк менен бирге кошулмалуу өткөрүмдүүлүктүн пайда болушуна алып келет.  Бул жарым өткөргүчтүн маанилүү өзгөчөлүгү болуп эсептелет.

Жарым өткөргүчкө, анын атомунун валенттик электрондорунун санынан айырмалуу сандагы валенттик электрондорго ээ болгон атомдорду киргизгенде, жарым өткөргүчтүн салыштырмалуу каршылыгы кескин азайгандыгы тажрыйбаларда байкалган.

7.3-сүрөт

Кошулмасы бар жарым өткөргүчтөрдүн өткөрүмдүүлүгү кошулмалуу өткөрүмдүүлүк деп аталат. Кошулмалуу өткөрүмдүүлүктүн эки түрү бар: электрондук жана көңдөйчөлүү. Электрондук өткөрүмдүүлүк төрт валенттүү германийдин кристаллына беш валенттүү атомдор, мисалы, мышьяктын атомдору () киргизилгенде пайда болот. 7.3-сүрөттө германийдин кристаллык торчосунун түйүнүндө жайгашып калган мышьяктын беш валенттүү атому көрсөтүлгөн. Мышьяктын атомунун төрт валенттүү электрону германийдин коңшу төрт атому менен коваленттик байланыш түзүүгө катышат. Ал эми мышьяктын бешинчи валенттүү электрону ашыкча болуп калат да, атомдон оңой эле ажырап, эркин болуп калат. Электронун жоготкон атом кристаллдык торчонун түйүнүндө жайгашкан оң ионго айланат.

Валенттүүлүгү жарым өткөргүч кристаллдын атомдорунун валенттүүлүгүнөн чоң болуп, өздөрүнүн ашыкча электрондорун оной берип, эркин электрондордун санын көбөйтүүчү кошулмалар донордук кошулмалар (донор – берүүчү) деп аталат. Донордук кошулманын кристаллга киргизилиши менен эркин электрондордун саны бир топко көбөйөт. Бул жарым өткөргүчтүн салыштырмалуу каршылыгынын кескин түрдө миңдеген, миллиондогон эсе азайышына алып келет. Донордук кошулмасы бар жарым өткөгүчтөрдө эркин электрондордун саны, көңдөйчөлөрдүн санына салыштырмалуу бир топ чоң болгондуктан (_{электронкөңдөйчө}), негизги заряд ташуучулар – электрондор, ал эми негизги эмес заряд ташуучулар көңдөйчөлөр болуп эсептелет. Бул учурдагы өткөрүмдүүлүк электрондук өткөрүмдүүлүк, ал эми мындай өткөрүмдүүлүккө ээ болгон жарым өткөргүч типтүү жарым өткөргүч деп аталат.

7.4-сүрөт

 Эгерде германийдин кристаллына үч валенттүү атомдорду, мисалы, индийдин атомдору киргизилсе, анда жарым өткөргүчтүн өткөрүмдүүлүк мүнөзү өзгөрөт. Индийдин сырткы электрондук катмарында үч гана валенттик электрону болгондуктан, коңшу германийдин төрт атомунун бирөөсү менен кош электрондук байланышты түзүү үчүн бир электрон жетишпейт. Бул жетишпеген электронду индийдин атому коңшу германийдин атомдорунун коваленттик байланышынан тартып алышы мүмкүн (7.4-сүрөт). Натыйжада, тартылып алынган электрондун ордунда көңдөйчө пайда болуп, электронун жоготкон германийдин атому оң ионго айланат. Электрондорду тартып алууга жөндөмдүү болгон атомдордун кошулмасы акцептордук кошулмалар (акцептор – кабыл алуучу) деп аталат.

Акцептордук кошулмасы бар жарым өткөгүчтөрдө көңдөйчөлөрдүн саны, электрондордун санына салыштырмалуу бир топко чоң болгондуктан (_{көңдөйчөэлектрон}), негизги заряд ташуучулар – көңдөйчөлөр, ал эми негизги эмес заряд ташуучулар электрондор болуп эсептелет. Бул учурдагы өткөрүмдүүлүк көңдөйчөлүү өткөрүмдүүлүк, ал эми мындай өткөрүмдүүлүккө ээ болгон жарым өткөргүч типтүү жарым өткөргүч деп аталат.

Көңдөйчөлүү өткөрүмдүүлүк коваленттик байланышты түзүүчү электрондордун германийдин атомдорунун биринен экинчисине эстафета түрүндө которулушу менен шартталарын белгилеп кетүү керек.

Жарым өткөргүч диод. Эми, жарым өткөргүчтөрдөгү электр тогунун пайда болуу механизми менен таанышкандан кийин, жарым өткөргүч диоддордун иштөө принцибин үйрөнүүгө өтөлү.

Каалаган жарым өткөргүч прибордо бир же бир нече электрондук-көңдөйчөлүү өтүш бар. Электрондук-көңдөйчөлүү өтүш (өтүшү) деп түрдүү өткөрүмдүүлүккө ээ болгон эки жарым өткөргүчтүн контакт болгон жери аталат.

Жогоруда белгилеп кеткендей, типтүү жарым өткөргүчтө негизги заряд ташуучулар электрондор жана _{электронкөңдөйчө}. Ал эми типтүү жарым өткөргүчтө негизги заряд ташуучулар көңдөйчөлөр Жана _{көңдөйчөэлектрон}.  жана типтүү эки жарым өткөргүч

7.5-сүрөт

идеалдуу контакт болгон кезде, алардын тийишүү беттеринде диффузия процесси башталат: типтүү жарым өткөргүчтөн көңдөйчөлөр типтүү жарым өткөргүчкө, ал эми электрондор, тескерисинче, типтүү жарым өткөргүчтөн типтүү жарым өткөргүчүнө өтүшөт (7.5-сүрөт). Натыйжада, зонасынын тийишүү бетине жакын аймагында электрондордун концентрациясы азайып, оң заряддуу катмар пайда боло баштайт. Ал эми зонасына тиешелүү аймакта көңдөйчөлөрдүн концентрациясы азайып, терс заряддалган катмар пайда боло баштайт. Улам кийинки бөлүкчөлөрдүн бул аймактан өтүшү кыйындап отурат. Анткени, бөлүкчө өтүүчү карама-каршы бетте ал бөлүкчөнүн зарядындай бир аттуу заряддар көбөйүп, улам алардын өтүшүнө каршылык кылган түртүшүү күчтөрү чоңоюп отурат. Белгилүү убакыттан кийин өтүү зонасында түзүлгөн электр талаасы электрондордун жана көңдөйчөлөрдүн андан аркы кыймылына тоскоолдук кыла баштайт да, диффузия токтойт. Контактта, б.а. эки түрдүү өткөрүмдүүлүккө ээ болгон жарым өткөргүчтөр тийишкен жука катмарда потенциалдар айырмасы турактуу мааниге ээ болот. Контактта пайда болгон ички талаа  типтүү жарым өткөргүчтөн типтүү жарым өткөргүчтү көздөй багытталган болот (7.6-сүрөт).

7.6-сүрөт

Эгерде -өтүшү бар жарым өткөргүчтү ток булагына зонасы оң уюлга, ал эми зонасы терс уюлга туура келгидей кылып туташтырсак, бекитилүүчү катмардагы электр талаасынын чыңалышы азая баштайт. Бул негизги заряд ташуучуларынын контакттык катмар аркылуу өтүүсүн жеңилдетет. зонасынан көңдөйчөлөр жана зонасынан электрондор бири-бирин көздөй кыймылга келүү менен - өтүшүндө электр тогун пайда кылышат. Мында электр тогунун пайда болушу - негизги заряд ташуучулар аркылуу ишке ашырылат. Бул каралган өтүү түз өтүш деп аталат жана - өтүшүндөгү ток күчү чыңалуунун чоңоюшу менен чоңоет.

Эгерде - өтүшү бар жарым өткөргүчтү ток булагына зонасы оң уюлга, ал эми зонасы терс уюлга туура келгидей кылып туташтырсак, бекитилүүчү катмардагы электр талаасынын чыңалышы чоңоет. Электрондор контакт аркылуу зонасынан зонасына, ал эми көңдөйчөлөр зонасынан зонасына өтүшөт, б.а. - өтүшүндө электр тогу негизги эмес заряд ташуучулар тарабынан пайда кылынат. Бул учурдагы өтүш  тескери өтүш деп аталат. типтүү жарым өткөргүчтө эркин электрондор аз, ал эми типтүү жарым өткөргүчтө көңдөйчөлөр аз болгондуктан, - өтүүшүнүн өткөрүмдүүлүгү азайып, каршылыгы чоңоет.

7.7-сүрөт

- өтүшүнүн токту дээрлик бир багытта гана өткөрүү жөндөмдүүлүгү жарым өткөргүч диод деп аталган түзүлүштө колдонулат. Бир  - өтүшү бар жарым өткөргүч кристаллын камтыган түзүлүш жарым өткөргүч диод деп аталат. Жарым өткөргүч диоддор кремнийдин же германийдин кристаллынан жасалат. Жарым өткөргүч диоддор түзөткүчтөрдө өзгөрмөлүү токту турактуу токко айландыруу үчүн колдонулат. Кремний диодунун вольт-ампердик мүнөздөмөсү 7.7-сүрөттө көрсөтүлгөн.

Жарым өткөргүч диоддор вакуумдук диоддорго караганда, кичине өлчөмү, көп убакытка чейин иштеши, механикалык бекемдиги сыяктуу бир топ артыкчылыктарга ээ. Ал эми кемчилиги болуп, алардын параметрлеринин температурадан көз карандылыгы эсептелет. Мисалы, кремний диоддору температуранын ден ге чейинки диапазонунда гана канааттандырарлык иштей алышат. Германий диоддорунун иштөөсүнүн температуралык диапазону чоңураак.