المحاضرة 2. الثنائيات أشباه الموصلات

انتقال ثقب الإلكترون وخصائصه. تقاطع ثقب الإلكترون عبارة عن طبقة رقيقة بين جزأين من بلورة شبه موصلة، حيث يتمتع أحد الأجزاء بموصلية إلكترونية والآخر مزود بموصلية ثقب. عمليةيمكن أن يكون أصل انتقال ثقب الإلكترون مختلفًا: الانصهار (الثنائيات الفوقية)، وانتشار مادة إلى أخرى (ثنائيات الانتشار)، والنمو الموجه نحو النفوق لبلورة واحدة على سطح أخرى (الثنائيات الفوقي)، وما إلى ذلك. ، يمكن أن تكون انتقالات ثقب الإلكترون متناظرة وغير متماثلة، وحادة وناعمة، ومستوية ونقطية، وما إلى ذلك. ومع ذلك، بالنسبة لجميع أنواع التحولات، فإن الخاصية الرئيسية هي التوصيل الكهربائي غير المتماثل، حيث تمر البلورة بالتيار في اتجاه واحد، ولكنها لا تمر في الآخر.

يظهر الشكل هيكل انتقال ثقب الإلكترون. 2.1 أ. جزء واحد من هذا التحول مشوب بنجاسة المتبرع وله الموصلية الإلكترونية(ن - المنطقة). والجزء الآخر، المشوب بشوائب متقبلة، له موصلية ثقبية (منطقة P). يختلف تركيز الإلكترون في أحد الأجزاء وتركيز الثقب في الجزء الآخر اختلافًا كبيرًا. وبالإضافة إلى ذلك، هناك تركيز صغير في كلا الجزأين وسائل الإعلام البسيطة.

تميل الإلكترونات الموجودة في المنطقة N إلى اختراق المنطقة P، حيث يكون تركيز الإلكترون أقل بكثير. وبالمثل، تنتقل الثقوب من المنطقة P إلى المنطقة N. نتيجة للحركة المضادة للشحنات المعاكسة، ينشأ ما يسمى بتيار الانتشار. بعد عبور الإلكترونات والثقوب الواجهة، تترك وراءها شحنات معاكسة، مما يمنع مرور تيار الانتشار الإضافي. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء التوازن الديناميكي عند الحدود وعندما تكون المناطق N و P مغلقة، لا يتدفق التيار في الدائرة. يظهر الشكل توزيع كثافة الشحنة الفضائية أثناء الانتقال. 2.1 ب.

في هذه الحالة، يظهر مجال كهربائي جوهري E داخل البلورة عند السطح البيني، والذي يظهر اتجاهه في الشكل 1. 2.1. تبلغ قوة هذا المجال الحد الأقصى عند الواجهة، حيث تتغير إشارة الشحنة الفضائية فجأة. على مسافة معينة من الواجهة، لا توجد شحنة فضائية ويكون أشباه الموصلات محايدًا.

يتم تحديد ارتفاع الحاجز المحتمل عند تقاطع pn بواسطة فرق جهد التلامس بين المنطقتين N وP. ويعتمد فرق جهد التلامس بدوره على تركيز الشوائب في هذه المناطق:

حيث  T = kT/q هو الجهد الحراري، وN n وP p هما تركيزات الإلكترونات والثقوب في المنطقتين N وP، وn i هو تركيز الناقل في أشباه الموصلات غير المشابهة.

فرق جهد التلامس للجرمانيوم هو 0.6... 0.7 فولت، وللسيليكون - 0.9... 1.2 فولت. يمكن تغيير ارتفاع الحاجز المحتمل عن طريق تطبيق جهد خارجي على الوصلة p. إذا قام جهد خارجي بإنشاء حقل في تقاطع p-n يتزامن مع الحقل الداخلي، فإن ارتفاع الحاجز المحتمل يزداد مع القطبية العكسية للجهد المطبق، وينخفض ​​ارتفاع الحاجز المحتمل؛ إذا كان الجهد المطبق

بالإضافة إلى تيار الانتشار، يحتوي التيار المباشر على تيار توصيل يتدفق إلى الداخل الاتجاه المعاكسوبالتالي فإن إجمالي التيار عند انحياز الوصلة p-n إلى الأمام سيكون مساوياً للفرق بين تيار الانتشار (2.2) وتيار التوصيل:

تسمى المعادلة (2.3) بمعادلة Ebers-Moll، وتظهر في الشكل 1 خاصية الجهد الحالي المقابلة للوصلة p-n. 2.3. نظرًا لأن الإمكانات الحرارية عند  t = ZOOK هي T = 25mV، إذن عند U = 0.1 V يمكننا أن نفترض ذلك

يمكن تحديد المقاومة التفاضلية للوصلة p-n باستخدام الصيغة (2.3):

من أين نحصل عليه

لذلك، على سبيل المثال، عند تيار I = 1A و  t = 25 mV، تكون المقاومة التفاضلية للوصلة 25 m0m.

لا تتجاوز القيمة الحدية للجهد عند تقاطع p-n مع الانحياز الأمامي فرق جهد التلامس  k. ويقتصر الجهد العكسي على انهيار تقاطع p-n. يحدث انهيار تقاطع pn بسبب تكاثر الانهيار الجليدي لحاملات الأقلية ويسمى انهيار الانهيار الجليدي. أثناء الانهيار الجليدي لوصلة p-n، يزداد التيار عبر الوصلة بلا حدود عند جهد ثابت عبرها، كما هو موضح في الشكل. 2.3.

تحتوي تقاطع أشباه الموصلات p-n على سعة حالة عامةيتم تعريفها على أنها نسبة زيادة الشحنة عند الوصلة إلى زيادة انخفاض الجهد عبرها، أي. ج=دق/دو. تعتمد سعة الوصلة على قيمة وقطبية الجهد الخارجي المطبق. مع الجهد العكسي عبر الوصلة، تسمى هذه السعة حاجزًا ويتم تحديدها بواسطة الصيغة

حيث  k هو فرق جهد التلامس، U هو الجهد العكسي عند الوصلة، C bar (0) هي قيمة سعة الحاجز عند U = 0، والتي تعتمد على مساحة تقاطع p-n وخصائص كريستال أشباه الموصلات. يظهر الشكل اعتماد سعة الحاجز على الجهد المطبق. 2.4.

من الناحية النظرية، توجد سعة الحاجز عند جهد أمامي عند الوصلة p-n، ولكن يتم تحويلها بواسطة مقاومة تفاضلية منخفضة r تفاضلية.

عندما يكون الوصل p-n متحيزًا للأمام، يكون لسعة الانتشار تأثير أكبر بكثير، والذي يعتمد على قيمة التيار الأمامي I وعمر حاملات الأقلية  p. لا ترتبط هذه السعة بالتيار المتحيز، ولكنها تعطي نفس تحول الطور بين الجهد والتيار مثل السعة العادية. يمكن الحصول على قيمة قدرة الانتشار من الصيغة

يتم تحديد السعة الإجمالية للوصلة تحت الانحياز الأمامي من خلال مجموع سعات الحاجز والانتشار

عندما تكون الوصلة منحازة عكسيًا، لا توجد سعة انتشار وتتكون السعة الإجمالية فقط من سعة الحاجز.

ديود أشباه الموصلاتيسمى جهازًا يحتوي على مخرجين ووصلة p-n واحدة (أو عدة). يمكن تقسيم جميع الثنائيات أشباه الموصلات إلى مجموعتين: المعدل والخاصة. الثنائيات المعدلة، كما يوحي اسمها، مصممة للتصحيح تكييف. حسب التردد والشكل جهد التيار المترددوهي مقسمة إلى عالية التردد ومنخفضة التردد والنبض. أنواع خاصةتستخدم الثنائيات أشباه الموصلات المختلفة خصائص ب ن-الانتقالات؛ ظاهرة الانهيار، حاجز السعة، وجود مناطق ذات مقاومة سلبية، الخ.

من الناحية الهيكلية، تنقسم الثنائيات المعدلة إلى ثنائيات مستوية ونقطية، ووفقًا لتكنولوجيا التصنيع إلى سبائك، وانتشار، وفوق محوري. نظرًا للمساحة الكبيرة للوصلة pn، يتم استخدام الثنائيات المستوية لتصحيح التيارات الكبيرة. الثنائيات نقطة لديها منطقة صغيرةالانتقال، وبالتالي، تم تصميمها لتصحيح التيارات الصغيرة. لزيادة جهد انهيار الانهيار الجليدي، يتم استخدام أعمدة المعدل، التي تتكون من سلسلة من الثنائيات المتصلة على التوالي.

الثنائيات المعدل قوة عاليةتسمى القوة. عادة ما تكون المادة المستخدمة في صناعة هذه الثنائيات عبارة عن السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم. لا يستخدم الجرمانيوم عمليا بسبب قوته الاعتماد على درجة الحرارةالتيار العكسي. تستخدم الثنائيات المصنوعة من سبائك السيليكون لتصحيح التيار المتردد بتردد يصل إلى 5 كيلو هرتز. يمكن أن تعمل ثنائيات انتشار السيليكون بترددات أعلى تصل إلى 100 كيلو هرتز. يمكن استخدام ثنائيات السيليكون الفوقي ذات الركيزة المعدنية (مع حاجز شوتكي) بترددات تصل إلى 500 كيلو هرتز. الثنائيات زرنيخيد الغاليوم قادرة على العمل في نطاق تردد يصل إلى عدة ميغاهيرتز.

مع تيار كبير من خلال تقاطع PN، ينخفض ​​\u200b\u200bجهد كبير في الجزء الأكبر من أشباه الموصلات، ولا يمكن إهماله. مع الأخذ في الاعتبار التعبير (2.4)، فإن خاصية الجهد الحالي لصمام الثنائي المصحح تأخذ الشكل

حيث R هي المقاومة الحجمية لبلورة أشباه الموصلات، والتي تسمى المقاومة المتسلسلة.

يظهر الشكل الرسومي التقليدي لصمام ثنائي أشباه الموصلات. 2.5 أ، وهيكلها في الشكل. 2.5 ب. يسمى قطب الصمام الثنائي المتصل بالمنطقة P الأنود (على غرار الصمام الثنائي الفراغي الكهربائي)، ويسمى القطب المتصل بالمنطقة N الكاثود. تظهر خاصية الجهد الحالي الثابت للديود في الشكل. 2.5 بوصة.

تتميز ثنائيات الطاقة عادةً بمجموعة من المعلمات الثابتة والديناميكية. تشمل المعلمات الثابتة للديود ما يلي:

انخفاض الجهد U np عبر الصمام الثنائي عند قيمة معينة للتيار الأمامي ؛

التيار العكسي أنا أراجع عند قيمة معينة من الجهد العكسي ؛

متوسط ​​قيمة التيار الأمامي I np.cp ؛

نبض الجهد العكسي U rev.i.

تتضمن المعلمات الديناميكية للديود خصائص الوقت أو التردد. تشمل هذه المعلمات:

وقت الاسترداد الجهد العكسي.

وقت صعود التيار الأمامي I var؛

الحد من التردد دون تقليل أوضاع الصمام الثنائي f m ax .

يمكن ضبط المعلمات الثابتة باستخدام خاصية الجهد الحالي للديود، والتي تظهر في الشكل. 2.5 بوصة. يتم عرض القيم النموذجية للمعلمات الثابتة لثنائيات الطاقة في الجدول. 2.1.

ت
الجدول 2.1

يعد وقت الاسترداد العكسي للصمام الثنائي toc هو المعلمة الرئيسية لثنائيات المقوم، التي تميز خصائصها بالقصور الذاتي. يتم تحديده عندما يتحول الصمام الثنائي من تيار أمامي معين I pr إلى جهد عكسي معين U arr. تظهر الرسوم البيانية لهذا التبديل في الشكل. 2.6 أ. مخطط الاختبار الموضح في الشكل. 2.6 ب، عبارة عن مقوم نصف موجة يعمل على حمل مقاوم R n ويتم تغذيته من مصدر جهد مستطيل.

يقفز الجهد عند مدخل الدائرة في الوقت t=0 قيمة إيجابيةأم. بسبب القصور الذاتي لعملية الانتشار، لا يظهر التيار في الصمام الثنائي على الفور، ولكنه يزيد بمرور الوقت. جنبا إلى جنب مع الزيادة في التيار في الصمام الثنائي، يتناقص الجهد على الصمام الثنائي، والذي بعد t nar يصبح مساوياً لـ U pr. في الوقت t 1، يتم إنشاء وضع ثابت في الدائرة، حيث يكون تيار الصمام الثنائي i = I n  يو م /ص ن.

يتم الحفاظ على هذا الوضع حتى الوقت t 2، عندما يتم عكس قطبية جهد الإمداد. ومع ذلك، فإن الشحنات المتراكمة عند حدود الوصلة pn تحافظ على الصمام الثنائي في الحالة المفتوحة لبعض الوقت، ولكن يتم عكس اتجاه التيار في الصمام الثنائي. بشكل أساسي، يحدث ارتشاف الشحنة عند حدود الوصلة p-n (أي تفريغ السعة المكافئة). بعد سباقات الفاصل الزمني للامتصاص، تبدأ عملية إيقاف تشغيل الصمام الثنائي، أي. عملية استعادة خصائص القفل.

بحلول الوقت t 3، يصبح الجهد على الصمام الثنائي صفرًا ويكتسب بعد ذلك القيمة المعاكسة. تستمر عملية استعادة خصائص الحجب للدايود حتى الوقت t 4، وبعد ذلك يصبح الدايود مقفلاً. بحلول هذا الوقت، يصبح التيار في الدايود صفرًا، ويصل الجهد إلى القيمة -U m، - وبالتالي يمكن حساب الوقت tres من الانتقال Ud إلى الصفر حتى يصل تيار الدايود إلى القيمة الصفرية I d =0.

يُظهر النظر في عمليات تشغيل وإيقاف الصمام الثنائي المقوم أنه ليس صمامًا مثاليًا، وفي ظل ظروف معينة، لديه موصلية الاتجاه المعاكس. يمكن تحديد زمن الارتشاف لحاملات الأقلية في تقاطع pn بواسطة الصيغة

حيث  p هو عمر حاملات الأقلية.

يمكن تقدير وقت استعادة الجهد العكسي على الصمام الثنائي باستخدام التعبير التقريبي

تجدر الإشارة إلى أنه عندما تكون Rn = 0 (والتي تتوافق مع تشغيل الصمام الثنائي عند حمل سعوي)، فإن التيار العكسي عبر الصمام الثنائي في لحظة إيقاف تشغيله يمكن أن يكون أعلى بعدة مرات من تيار الحمل في الوضع الثابت.

من فحص الرسوم البيانية في الشكل. 2.6 أ ويترتب على ذلك أن فقدان الطاقة في الصمام الثنائي يزيد بشكل حاد عند تشغيله، وخاصة عند إيقاف تشغيله. ونتيجة لذلك، تزداد الخسائر في الصمام الثنائي مع زيادة تردد الجهد المصحح. عندما يعمل الصمام الثنائي بتردد منخفض وشكل متناسق لجهد الإمداد، لا توجد نبضات تيار عالية السعة ويتم تقليل الخسائر في الصمام الثنائي بشكل حاد.

عندما تتغير درجة حرارة جسم الصمام الثنائي، تتغير معلماته. يجب أن يؤخذ هذا الاعتماد في الاعتبار عند تطوير المعدات. يعتمد الجهد الأمامي على الصمام الثنائي والتيار العكسي بقوة على درجة الحرارة. معامل درجة حرارة الجهد (TCV) على الصمام الثنائي لديه قيمة سلبيةلأنه مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض ​​الجهد عبر الدايود. يمكننا أن نفترض تقريبًا أن TKN U pr = -2mV/K.

يعتمد التيار العكسي للصمام الثنائي بقوة أكبر على درجة حرارة العلبة وله معامل إيجابي. وهكذا، مع زيادة درجة الحرارة لكل 10 درجات مئوية، يزداد التيار العكسي لثنائيات الجرمانيوم بمقدار مرتين، والتيار لثنائيات السيليكون بمقدار 2.5 مرة.

يمكن حساب الخسائر في الثنائيات المعدل باستخدام الصيغة

حيث P pr - خسائر في الصمام الثنائي أثناء الاتجاه الأمامي للتيار، P arr - خسائر في الصمام الثنائي أثناء التيار العكسي، P re - خسائر في الصمام الثنائي في مرحلة الاسترداد العكسي.

يمكن حساب القيمة التقريبية للخسائر الآجلة باستخدام الصيغة

حيث I pr.sr و U pr.sr هما متوسط ​​قيم التيار الأمامي والجهد الأمامي على الصمام الثنائي. وبالمثل، يمكنك حساب فقدان الطاقة أثناء التيار العكسي:

وأخيرا، يتم تحديد الخسائر في مرحلة الاسترداد العكسي من خلال الصيغة

حيث f هو تردد الجهد المتردد.

بعد حساب فقدان الطاقة في الصمام الثنائي، يجب تحديد درجة حرارة جسم الصمام الثنائي باستخدام الصيغة

حيث T p.max = 150 0 C هي درجة الحرارة القصوى المسموح بها لبلورة الصمام الثنائي، R p.c. - المقاومة الحرارية لجسم الصمام الثنائي (الوارد في البيانات المرجعية للصمام الثنائي)، Tk.max - الحد الأقصى لدرجة الحرارة المسموح بها لجسم الصمام الثنائي.

الثنائيات حاجز شوتكي. لتصحيح الفولتية المنخفضة عالية التردد، يتم استخدام صمامات حاجز شوتكي (SBDs) على نطاق واسع. تستخدم هذه الثنائيات الاتصال من المعدن إلى أشباه الموصلات بدلاً من الوصلة pn. عند نقطة التلامس، تظهر طبقات أشباه الموصلات المستنفدة من حاملات الشحنة، والتي تسمى طبقات البوابة. تختلف الثنائيات ذات حاجز شوتكي عن الثنائيات ذات الوصلة pn في المعلمات التالية:

انخفاض انخفاض الجهد إلى الأمام.

لديك جهد عكسي أقل.

ارتفاع التسرب الحالي.

لا يوجد تقريبًا أي رسوم استرداد عكسية.

هناك خاصيتان رئيسيتان تجعلان هذه الثنائيات لا غنى عنها في تصميم المقومات ذات الجهد المنخفض والتردد العالي: انخفاض الجهد الأمامي المنخفض ووقت استرداد الجهد العكسي المنخفض. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدم وجود وسائل الإعلام غير الأساسية التي تتطلب وقت الاسترداد يعني الغياب الجسديتبديل خسائر الصمام الثنائي نفسه.

في ثنائيات حاجز شوتكي، يكون انخفاض الجهد الأمامي دالة للجهد العكسي. يبلغ الحد الأقصى للجهد لثنائيات شوتكي الحديثة حوالي 150 فولت. عند هذا الجهد، يكون الجهد الأمامي لـ DS أقل بمقدار 0.2...0.3 فولت من الجهد الأمامي للثنائيات ذات الوصلة p-n.

تصبح مزايا صمام ثنائي شوتكي ملحوظة بشكل خاص عند تصحيح الفولتية المنخفضة. على سبيل المثال، يحتوي صمام ثنائي شوتكي بجهد 45 فولت على جهد أمامي قدره 0.4...0.6 فولت، وعند نفس التيار، يكون لدى الصمام الثنائي ذو الوصلة p-n انخفاض في الجهد قدره 0.5...1.0 فولت. عندما ينخفض ​​الجهد العكسي إلى ينخفض ​​الجهد الأمامي 15 فولت إلى 0.3...0.4 فولت. في المتوسط، يمكن أن يؤدي استخدام ثنائيات شوتكي في المقوم إلى تقليل الخسائر بنسبة 10...15% تقريبًا. يتجاوز الحد الأقصى لتردد تشغيل DS 200 كيلو هرتز بتيار يصل إلى 30 أمبير.

المحاضرة 3. أنواع خاصة من الثنائيات أشباه الموصلات

أنواع الثنائيات أشباه الموصلات. تشمل الثنائيات الخاصة بأشباه الموصلات الأجهزة التي تستخدم خصائص خاصةتقاطعات p-n: سعة أشباه الموصلات الخاضعة للرقابة - المتغيرات والمتغيرات؛ زينر وتصفح الانهيار الجليدي - ثنائيات زينر. تأثير النفق- الثنائيات النفقية والعكسية؛ التأثير الكهروضوئي - الثنائيات الضوئية. إعادة تركيب الفوتون لحاملات الشحنة - مصابيح LED؛ الثنائيات متعددة الطبقات - dinistors. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصنيف بعض أنواع الأجهزة ذات ثلاث أطراف، مثل الثايرستور والثنائيات ثنائية القاعدة، على أنها صمامات ثنائية.

Varicaps عبارة عن صمامات ثنائية لأشباه الموصلات تستخدم السعة الحاجزة لوصلة p-n. تعتمد هذه السعة على الجهد العكسي المطبق على الصمام الثنائي وتتناقص كلما زادت. يمكن أن يكون عامل الجودة لسعة الحاجز للدوالي مرتفعًا جدًا، حيث يتم تحويله بواسطة مقاومة عالية إلى حد ما للصمام الثنائي عند الانحياز العكسي.

يظهر الشكل التخطيطي للدوالي في الشكل. 3.1 أ، وتظهر خصائص السعة والجهد في الشكل. 3.1 ب. رمز varicapa يحتوي على خمسة عناصر. يشير العنصر الأول إلى المادة التي يصنع منها الدوالي (K - السيليكون). يشير العنصر الثاني إلى أن الصمام الثنائي ينتمي إلى فئة varicap الفرعية (B - varicap). العنصر الثالث هو الرقم الذي يحدد الغرض من الدوالي (1 - لضبط الدوالي، 2 - لضرب الدوالي). العنصر الرابع هو رقم سريتطوير. وأخيرًا، العنصر الخامس هو الفرز حسب المعلمات. لذلك، على سبيل المثال، في الشكل. يوضح الشكل 3.1 ب خصائص varicap KV117A.

يمكن تحديد القيمة النظرية لسعة varicap بواسطة الصيغة

حيث C 0 هي السعة الأولية للمتغير عند U in = 0، U in هو الجهد على المتغير،  k هو فرق جهد التلامس.

المعلمات الرئيسية للvaricap هي: قدرتها الأولية C o، عامل الجودة Q c، معامل تداخل السعة K c. يتم تحديد عامل الجودة للدوالي من خلال نسبة القوة التفاعلية للدوالي Q إلى القدرة P:

* فيما يلي، يتم تعيين جميع الثنائيات (أي الأجهزة ذات القطبين مع وصلة n-p) على VD أو D، كما في الشكل 1. 3.1.

يتم تعريف معامل تداخل السعة على أنه نسبة السعة القصوى C max للمتغير إلى الحد الأدنى للسعة C min

وبالإضافة إلى ذلك، فإنها تشير في كثير من الأحيان إلى معامل درجة الحرارة لسعة الدوالي  c = C/T والتردد المحدد fpre، حيث يتم تقليل عامل جودة الدوالي إلى Q = 1.

يزداد عامل الجودة للدوالي مع زيادة الجهد العكسي وانخفاض تردد التشغيل. تظهر الرسوم البيانية لاعتماد عامل الجودة لـ KV117A varicap على التردد والجهد العكسي في الشكل. 3.2.

تظهر دائرة varicap مكافئة في الشكل. في الشكل 3.3، حيث C b هي سعة الحاجز، وR w هي مقاومة الوصلة والتسربات التي تحولها بسبب تصميم المتغير، وR p هي مقاومة مادة أشباه الموصلات ومنطقة p-n والاتصال. يتم إعطاء مقاومة الدوالي بواسطة

يمكن تحديد عامل الجودة للدوالي في منطقة التردد المنخفض وفقًا لـ (3.4) من خلال الصيغة

ويترتب على ذلك أنه يزداد مع زيادة التردد.

عند الترددات العالية، إذا تحقق الشرط C b R w >>1، يمكن إهمال المقاومة R n ومن ثم يعتمد عامل جودة المتغير على التردد حسب الصيغة

أي أنه يتناقص مع زيادة التردد.

ويترتب على ذلك أن عامل الجودة للدوالي له حد أقصى يتوافق مع التردد

وفي هذه الحالة، يمكن العثور على عامل الجودة الأقصى باستخدام الصيغة

في الشكل. يوضح الشكل 3.3 ب اعتماد عامل الجودة Q على التردد بالنسبة للدوالي المصنوعة من السيليكون وزرنيخيد الغاليوم. يمكن أن نرى من الرسوم البيانية أن التردد الأمثل لمتغيرات زرنيخيد الغاليوم هو ~ 1 كيلو هرتز، بينما بالنسبة لمتغيرات السيليكون يصل إلى 1 ميجا هرتز تقريبًا.

يتم استخدام الدوالي في مختلف الدوائر الإلكترونيةآه: المغيرات، ودوائر الرنين القابلة للضبط، والمولدات المضبوطة إلكترونيًا، ومكبرات الصوت والمولدات البارامترية، وما إلى ذلك. 3.4 يوضح رسمًا تخطيطيًا لدائرة الرنين مع الضبط الإلكتروني باستخدام الجهد العاصمة U p. يتم توفير جهد الضبط لـ نقطة المنتصفاثنين من varicaps متصلين متتاليين VD1 وVD2 من خلال طريق مقاوم إضافي. إن إدراج varicaps يجعل من الممكن زيادة انحدار الضبط ويلغي الحاجة إلى استخدام مكثف منفصل. خاصة بالنسبة لمثل هذه المخططات، تنتج الصناعة متغيرات مزدوجة من أنواع KVS111 أو KVS120.

الثنائيات زينر- هذه هي ثنائيات أشباه الموصلات التي تعمل في وضع الانهيار الجليدي. عندما يكون الصمام الثنائي شبه الموصل متحيزًا عكسيًا، يحدث انهيار جليدي كهربائي في الوصلة p-n. علاوة على ذلك، على مدى نطاق واسع من التغييرات الحالية من خلال الصمام الثنائي، يتغير الجهد عبره قليلاً جدًا. للحد من التيار من خلال صمام ثنائي الزينر، يتم توصيل المقاومة على التوالي معه. إذا كانت الطاقة المستهلكة في وضع الانهيار لا تتجاوز الحد الأقصى المسموح به، ففي هذا الوضع يمكن أن يعمل صمام ثنائي زينر إلى أجل غير مسمى. في الشكل. ويبين الشكل 3.5 أ تمثيلاً تخطيطيًا لثنائيات الزينر، والشكل 3.5 أ. يوضح الشكل 3.5 ب خصائص الجهد الحالي.

يعتمد جهد التثبيت لثنائيات الزينر على درجة الحرارة. في الشكل. 3.56 الخط المتقطع يوضح حركة خصائص الجهد الحالي مع زيادة درجة الحرارة. من الواضح أن الزيادة في درجة الحرارة تزيد من جهد انهيار الانهيار الجليدي عند Ust > 5V وتقلله عند 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.

في بعض الأحيان يتم استخدام انخفاض الجهد الأمامي عبر الصمام الثنائي لتثبيت الجهد. تسمى هذه الأجهزة، على عكس ثنائيات الزينر، بالمثبتات. في منطقة الانحياز الأمامي للوصلة p-n، يكون الجهد عبرها بقيمة 0.7...2V ويعتمد قليلاً على التيار. في هذا الصدد، يسمح لك المثبتات بتثبيت الفولتية المنخفضة فقط (لا تزيد عن 2 فولت). للحد من التيار من خلال المثبت، يتم توصيل المقاومة أيضًا على التوالي معه. على عكس ثنائيات الزينر، مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض ​​الجهد الموجود على المثبت، نظرًا لأن الجهد الأمامي على الصمام الثنائي له TKN سلبي. تظهر دائرة توصيل صمام ثنائي الزينر في الشكل. 3.6 أ، والمثبت - في الشكل. 3.6 ب.

الطبيعة المذكورة أعلاه للاعتماد على درجة الحرارة لجهد ثنائيات الزينر ترجع إلى أنواع مختلفةانهيار فيهم. في الوصلات الواسعة عند شدة مجال تصل إلى 5*10 4 فولت/سم، يحدث انهيار جليدي. مثل هذا الانهيار عند جهد الوصل> 6V له معامل درجة حرارة موجب.

في الممرات الضيقة ذات التوتر العالي المجال الكهربائي(أكثر من 1.4 * 10 6 فولت) لوحظ حدوث انهيار وهو ما يسمى زينر. يحدث هذا الانهيار عند جهد توصيل منخفض (أقل من 5 فولت) ويتميز بمعامل درجة حرارة سلبي. عندما يكون الجهد عند الوصلة من 5 إلى 6 فولت، فإن كلا النوعين من الانهيار موجودان في وقت واحد، وبالتالي يكون معامل درجة الحرارة قريبًا من الصفر. الرسم البياني للتبعية معامل درجة الحرارةيظهر TKH st من جهد التثبيت U st في الشكل. 3.7.

المعلمات الرئيسية لثنائيات الزينر هي:

استقرار الجهد ش.

معامل درجة حرارة تثبيت الجهد TKN st؛

التيار المسموح به من خلال صمام ثنائي زينر أنا st.add.

المقاومة التفاضلية لثنائي الزينر r st.

بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة لثنائيات الزينر النبضية، يتم تسوية وقت تشغيل الصمام الثنائي الزينر t، وبالنسبة لثنائيات الزينر مزدوجة الجوانب، يتم تسوية عدم تناسق جهد التثبيت U st = U st1 – U st2.

زينر ديود المقاومة التفاضليةهي معلمة تميز ميل خاصية الجهد الحالي في منطقة الانهيار. في الشكل. يوضح الشكل 3.8 أ الخاصية الخطية لثنائي الزينر، والتي يمكنك من خلالها تحديد مقاومته التفاضلية وإنشاء الدائرة المكافئة الموضحة في الشكل. 3.8 ب.

و
باستخدام واحد هو مبين في الشكل. 3.8 ب دائرة مكافئة، يمكنك حساب أبسط مثبت جهد كما هو موضح في الشكل. 3.9 أ. وباستبدال دايود الزينر بالدائرة المكافئة له نحصل على الدائرة التصميمية الموضحة في الشكل. 3.9 ب. لهذا المخطط، يمكنك كتابة نظام المعادلات

ونتيجة لحل نظام المعادلات (3.9) نحصل على الجهد عند خرج المثبت

باستبدال قيمة I n، نحصل أخيرًا على

من التعبير (3.11) يترتب على ذلك أن جهد الخرج للمثبت يعتمد على الجهد عند مدخل المثبت U in، ومقاومة الحمل I n والحد الحالي R g، وكذلك معلمات صمام ثنائي زينر U st و ص ش.

يتضمن رمز ثنائي الزينر ما يلي: مادة شبه موصلة (K - silicon)؛ تعيين فئة فرعية من الثنائيات زينر (الحرف C)؛ رقم يشير إلى قوة صمام ثنائي الزينر؛ رقمين يتوافقان مع جهد التثبيت، وحرف يشير إلى ميزة التصميم أو السكن. على سبيل المثال، يتوافق صمام ثنائي زينر KS168A مع صمام ثنائي زينر منخفض الطاقة (التيار أقل من 0.3 أمبير) مع جهد تثبيت يبلغ 6.8 فولت، في علبة معدنية.

بالإضافة إلى تثبيت الجهد، تستخدم ثنائيات الزينر أيضًا للحد من نبضات الجهد وفي دوائر الحماية عناصر مختلفةمن زيادة الجهد عليهم.

الثنائيات النفقية. تأثير النفق هو مرور التيار من خلال تقاطع pn. في هذه الحالة، يبدأ التيار بالمرور عبر الوصلة بجهد أقل بكثير من فرق جهد التلامس. يتم تحقيق تأثير النفق من خلال إنشاء طبقة استنفاد رقيقة جدًا، والتي يصل حجمها في الصمام الثنائي النفقي إلى 0.01 ميكرون. وبوجود هذه الطبقة الرقيقة المستنفدة، حتى عند جهد 0.6...0.7 فولت، تصل شدة المجال إلى (5...7)*10 5 فولت/سم. في الوقت نفسه، يتدفق تيار كبير من خلال تقاطع P-N الضيق.

يتدفق هذا التيار في كلا الاتجاهين، فقط في منطقة التحيز الأمامي يزداد التيار أولاً، وبعد أن وصل إلى القيمة I max، عند الجهد U 1، ثم ينخفض ​​بشكل حاد إلى I min عند الجهد U 2. يرجع الانخفاض في التيار إلى حقيقة أنه مع زيادة الجهد في الاتجاه الأمامي، يتناقص عدد الإلكترونات القادرة على إجراء انتقال النفق. عند الجهد U 2 يصبح عدد هذه الإلكترونات صفرًا ويختفي تيار النفق.

مع زيادة أخرى في الجهد فوق U2، يكون تدفق التيار الأمامي هو نفس تدفق الصمام الثنائي التقليدي ويتم تحديده عن طريق الانتشار.

نظرًا للسمك الصغير جدًا لطبقة الوصلة p-n، فإن وقت الانتقال خلالها قصير جدًا (يصل إلى 10 13 - 10 14 ثانية)، وبالتالي فإن الصمام الثنائي النفقي هو جهاز خالٍ من القصور الذاتي تقريبًا. في الثنائيات التقليدية، تمر الإلكترونات عبر الوصلة بسبب الانتشار، أي. ببطء شديد. تظهر خاصية الجهد الحالي لصمام الثنائي النفقي في الشكل. 3.10 أ، وتمثيلها التخطيطي في الشكل 3.10 أ. 3.10 ب.

يمكن تمييز ثلاثة أقسام رئيسية في خاصية الجهد الحالي لصمام ثنائي النفق: القسم الأولي لنمو التيار من النقطة 0 إلى I max، وقسم الانخفاض الحالي من I max إلى I min، وقسم نمو التيار الإضافي من أنا دقيقة. من الواضح أن القسم الساقط، الذي تكون فيه زيادة الجهد الموجبة U > 0 تقابل زيادة تيار سالبة I، له مقاومة سلبية (أو موصلية سلبية -G).

الدائرة المكافئة لصمام الثنائي النفقي عند نقطة التشغيل المحددة في قسم المقاومة السلبية لإشارة صغيرة لها الشكل الموضح في الشكل. 3.10 بوصة. في هذا الرسم البياني، C هي السعة الإجمالية للديود عند أدنى نقطة لخاصية الجهد الحالي، -G هي الموصلية السلبية في القسم المتساقط، r n هي مقاومة فقدان السلسلة، L هي محاثة الخيوط.

تظهر دائرة المولد باستخدام صمام ثنائي النفق في الشكل. 3.11 أ. في هذه الدائرة، يتم توصيل الصمام الثلاثي النفقي TD على التوالي مع الحمل ومصدر جهد ثابت E. لكي تحدث تذبذبات في هذه الدائرة، يجب استيفاء شرطين. الشرط الأول هو أن يضمن جهد المصدر E أن نقطة تشغيل TD تقع في قسم المقاومة السلبية (قسم السقوط). الشرط الثاني هو أن تكون المقاومة السلبية للـ TD أكبر من مقاومة الحمل الموجبة R H (أي 1/G > R H).

في الشكل. يوضح الشكل 3.11 ب كيفية اختيار جهد مصدر الطاقة E لمقاومة حمل معينة R H. يتم رسم نقطتين على محاور خاصية الجهد الحالي لـ TD. يعرض محور الجهد جهد مصدر الطاقة E، والذي يتوافق مع الجهد على الصمام الثنائي مع حمل قصير الدائرة RH، ويعرض المحور الحالي التيار E/RH، والذي يتوافق مع TD قصير الدائرة. وترتبط هاتان النقطتان بخط مستقيم يسمى الحمل. يتوافق تقاطع خط الحمل R H مع خاصية الجهد الحالي لـ TD مع تيارهما المتساوي (وهو أمر ضروري عند توصيلهما في سلسلة) ويحدد موضع نقطة التشغيل.

كما يتبين من الشكل. في الشكل 3.11 ب، يمكن تحقيق نقطة التشغيل على القسم المتساقط بطريقتين لرسم خط الحمل. يتقاطع خط التحميل 1، المرسوم عبر النقطتين E 1 وE 1 /R H2، مع خاصية الجهد الحالي لـ TD عند ثلاث نقاط A وB وC. ومن الواضح، عند توصيل الطاقة بالدائرة، ستكون النقطة الأولى هي نقطة التشغيل A ، حيث تكون مقاومة TD موجبة وبالتالي لن يكون هناك جيل.

يتقاطع خط التحميل 2، المرسوم بين النقطتين E 2 و E 2 / R H3، مع خاصية الجهد الحالي لـ TD عند نقطة واحدة فقط B. يوفر هذا الاختيار لجهد الإمداد E 2 والحمل R H3 إمكانية حدوث تذبذبات في الدائرة . ولتحديد مقاومة الحمل المسموح بها نجد المقاومة السلبية للـ TD. للقيام بذلك، نحدد المقاومة الكلية للـ TD باستخدام دائرتها المكافئة (الشكل 3.10 ج).

يسمى الصمام الثنائي شبه الموصل بالمحول الكهربائي جهاز أشباه الموصلاتمع وصلة كهربائية مصححة واحدة لها مخرجين.

هيكل الصمام الثنائي لأشباه الموصلات انتقال ثقب الإلكترونوتظهر التسمية الرسومية التقليدية في الشكل. 1.2، أ، ​​ب.

يشير الحرفان p وn إلى الطبقات ذات الموصلية من النوع p والنوع n، على التوالي.

عادة، تختلف تركيزات معظم حاملات الشحنة (الثقوب الموجودة في الطبقة p والإلكترونات في الطبقة n) بشكل كبير. تسمى طبقة أشباه الموصلات ذات التركيز الأعلى بالباعث، والطبقة ذات التركيز الأقل تسمى القاعدة.

بعد ذلك، سننظر في العناصر الرئيسية للديود (تقاطع p-n والاتصال غير المصحح لأشباه الموصلات المعدنية)، والظواهر الفيزيائية الكامنة وراء تشغيل الصمام الثنائي، وكذلك مفاهيم مهمة، يستخدم لوصف الصمام الثنائي.

فهم عميق الظواهر الفيزيائيةيعد إتقان هذه المفاهيم ضروريًا ليس فقط من أجل اختيار أنواع معينة من الثنائيات بشكل صحيح وتحديد أوضاع تشغيل الدوائر المقابلة، وإجراء الحسابات التقليدية باستخدام تقنية أو أخرى.

بسبب الإدخال السريع في ممارسة العمل الهندسي الأنظمة الحديثةنمذجة الدوائر، يجب أن توضع هذه الظواهر والمفاهيم في الاعتبار باستمرار عند تنفيذها النمذجة الرياضية.

أنظمة المحاكاة تتحسن بسرعة و النماذج الرياضيةتأخذ عناصر الدوائر الإلكترونية في الاعتبار بشكل متزايد الظواهر الفيزيائية "الدقيقة". وهذا يجعل التعمق المستمر للمعرفة في المجال الموصوف أمرًا مرغوبًا فيه للغاية، كما أن فهم الظواهر الفيزيائية الأساسية، فضلاً عن استخدام المفاهيم الأساسية ذات الصلة، أمر ضروري.

الوصف أدناه للظواهر والمفاهيم الرئيسية، من بين أمور أخرى، يجب أن يعد القارئ لدراسة منهجية لقضايا النمذجة الرياضية للدوائر الإلكترونية.

يجب أن تكون الظواهر والمفاهيم التي تمت مناقشتها أدناه معروفة عند دراسة ليس فقط الصمام الثنائي، ولكن أيضًا الأجهزة الأخرى.

هيكل تقاطع pn.

أولاً، دعونا ننظر إلى طبقات أشباه الموصلات المعزولة عن بعضها البعض (الشكل 1.3).

دعونا نصور مخططات النطاق المقابلة (الشكل 1.4).

في الأدب الروسيفي الإلكترونيات، غالبًا ما تتميز مستويات مخططات النطاق والاختلافات بين هذه المستويات بالجهد واختلاف الجهد، ويتم قياسها بالفولت، على سبيل المثال، يشار إلى أن فجوة النطاق f 5 للسيليكون هي 1.11 فولت.

في الوقت نفسه، تطبق أنظمة نمذجة الدوائر الأجنبية النهج الذي يميز المستويات المحددة واختلافات المستويات بواسطة طاقة أو أخرى ويتم قياسها بالإلكترون فولت (eV)، على سبيل المثال، استجابة لطلب من مثل هذا النظام حول فجوة النطاق في حالة صمام ثنائي السيليكون، تبلغ قيمتها 1.11 فولت.

يستخدم هذا العمل النهج المعتمد في الأدبيات المحلية.

الآن فكر في طبقات التلامس لأشباه الموصلات (الشكل 1.5).

عند التلامس مع طبقات أشباه الموصلات، يحدث انتشار الثقوب من الطبقة p إلى الطبقة n، والسبب في ذلك هو أن تركيزها في الطبقة p أكبر بكثير من تركيزها في الطبقة n (يوجد تدرج في تركيز الثقب). هناك سبب مماثل يضمن انتشار الإلكترونات من الطبقة n إلى الطبقة p.

يؤدي انتشار الثقوب من الطبقة p إلى الطبقة n، أولاً، إلى تقليل تركيزها في المنطقة الحدودية للطبقة p، وثانيًا، يقلل من تركيز الإلكترونات الحرة في المنطقة الحدودية للطبقة n بسبب إعادة التركيب. إن انتشار الإلكترونات من الطبقة n إلى الطبقة p له نتائج مماثلة. ونتيجة لذلك، في المناطق الحدودية للطبقة p والطبقة n، يظهر ما يسمى بالطبقة المستنفدة، حيث يكون تركيز ناقلات الشحنة المتنقلة (الإلكترونات والثقوب) منخفضًا. طبقة النضوب لديها كبيرة المقاومة.

ولا يتم تعويض أيونات شوائب الطبقة المستنفدة بالثقوب أو الإلكترونات. بشكل جماعي، تشكل الأيونات شحنات فضائية غير معوضة، مما يخلق مجالًا كهربائيًا بقوة E الموضحة في الشكل. 1.5. يمنع هذا المجال انتقال الثقوب من الطبقة p إلى الطبقة n وانتقال الإلكترونات من الطبقة n إلى الطبقة p. إنه يخلق ما يسمى بالتدفق الانجرافي لحاملات الشحنة المتنقلة، حيث ينقل الثقوب من الطبقة n إلى الطبقة p والإلكترونات من الطبقة p إلى الطبقة n.

في الحالة المستقرة، يكون التدفق الانجرافي مساويًا لتدفق الانتشار بسبب تدرج التركيز. في الوصلة pn غير المتماثلة، تكون الشحنة في الطبقة ذات تركيز شوائب أقل، أي في القاعدة، أكثر اتساعًا.

دعونا نصور المخطط الشريطي لطبقات الاتصال (الشكل 1.6)، مع الأخذ في الاعتبار أن مستوى فيرمي لها هو نفسه.

يُظهر النظر في بنية تقاطع pn ودراسة مخطط النطاق (الشكل 1.6) أن حاجزًا محتملًا ينشأ في المنطقة الانتقالية. بالنسبة للسيليكون، يبلغ ارتفاع حاجز الجهد Af حوالي 0.75 فولت.

دعونا نقبل الشرط المتمثل في أن إمكانات نقطة ما بعيدة عن الانتقال في الطبقة p يساوي الصفر. دعونا نرسم اعتماد الإمكانات Ф على الإحداثي x للنقطة المقابلة (الشكل 1.7). وكما يتبين من الشكل، فإن قيمة الإحداثيات x = 0 تتوافق مع حدود طبقات أشباه الموصلات.

من المهم أن نلاحظ أن مخططات النطاق المعروضة أعلاه والرسم البياني للجهد Ф (الشكل 1.7) يتوافق تمامًا مع النهج المستخدم في الأدبيات المتعلقة بفيزياء أشباه الموصلات، والذي يتم بموجبه تحديد الجهد لإلكترون له شحنة سلبية.

في الهندسة الكهربائية والإلكترونية يتم تعريفه على أنه العمل الذي تقوم به القوى الميدانية لنقل الوحدة شحنة موجبة.

دعونا نرسم اعتماد جهد Fe، المحدد على أساس نهج الهندسة الكهربائية، على الإحداثي x (الشكل 1.8).

أدناه، سوف نحذف المؤشر "e" في تحديد الإمكانات ونستخدم فقط نهج الهندسة الكهربائية (باستثناء مخططات المنطقة).

المباشر والعكس التبديل على ص ن-انتقال. مثالي الوصف الرياضيخصائص التحول.

لنقم بتوصيل مصدر خارجي بموصل p-n كما هو موضح في الشكل. 1.9. هذا هو ما يسمى بالاتصال المباشر لتقاطع p-n. نتيجة لذلك، سينخفض ​​​​الحاجز المحتمل بالقيمة u (الشكل 1.10)، وسوف ينخفض ​​تدفق الانجراف، وسوف يدخل تقاطع p-n في حالة غير متوازنة، وسوف يتدفق من خلاله ما يسمى بالتيار الأمامي.

لنقم بتوصيل المصدر بالوصلة p-n كما هو موضح في الشكل. 1.11. هذا هو ما يسمى بالتبديل العكسي لتقاطع p-n. الآن سوف يزيد الحاجز المحتمل بمقدار u (الشكل 1.12). في الحالة قيد النظر، من خلال تقاطع pn سيكون صغيرًا جدًا. وهذا هو ما يسمى بالعكس، والذي يتم ضمانه من خلال التوليد الحراري للإلكترونات والثقوب في المناطق المجاورة لمنطقة الوصلة pn.

ومع ذلك، فإن الشحنات الفضائية تخلق مجالًا كهربائيًا، والذي بدوره يؤثر بشكل كبير على حركة الناقلات الحرة للكهرباء، أي عملية تدفق التيار.

ومع زيادة المعكوس، تزداد مساحة الشحنات الفضائية (التي ترجع بشكل رئيسي إلى القاعدة) وكمية الشحنة في كل طبقة (p وn) من أشباه الموصلات. تحدث هذه الزيادة بشكل غير متناسب: مع وجود معامل جهد عكسي كبير، تزداد الشحنة مع زيادة المعامل بشكل أبطأ من معامل الجهد العكسي الصغير.

لنقدم توضيحًا توضيحيًا (الشكل 1.19)، حيث نستخدم الترميز:

Q هي الشحنة الفضائية في الطبقة n من أشباه الموصلات؛

u هو الجهد الخارجي المطبق على تقاطع p-n.

دعونا نشير بالرمز f إلى الدالة التي تصف اعتماد Q عليك. وفقا لما ورد أعلاه

في ممارسة النمذجة الرياضية (وفي الحسابات اليدوية)، من الملائم وبالتالي من المعتاد استخدام ليس هذا التعبير، ولكن آخر تم الحصول عليه نتيجة للتمايز. من الناحية العملية، يتم استخدام ما يسمى بالسعة الحاجزة C 6ap لوصلة p-n على نطاق واسع، وبحسب التعريف، C 6ap = | دي كيو/دو | لنرسم رسومًا بيانية لـ Q (الشكل 1.20) وC bar (الشكل 1.21).

ظاهرة نشوء وتغير الشحنة الفضائية للحاملات غير المتوازنة للكهرباء. قدرة الانتشار.

لو مصدر خارجيينقل تقاطع p-n في الاتجاه الأمامي (u> 0)، ثم يبدأ الحقن (الانبعاث) - تدفق ناقلات الأقلية من الكهرباء إلى طبقة أشباه الموصلات قيد النظر. في حالة الوصلة pn غير المتماثلة (وهو ما يحدث عادة في الممارسة العملية)، يتم لعب الدور الرئيسي عن طريق الحقن من الباعث إلى القاعدة.

ونفترض أيضًا أن الوصلة غير متماثلة وأن الباعث هو الطبقة p والقاعدة هي الطبقة n. ثم الحقن هو دخول الثقوب إلى الطبقة n. نتيجة الحقن هي ظهور ثقوب في قاعدة الشحنة الفضائية.

من المعروف أنه في أشباه الموصلات تحدث ظاهرة الاسترخاء العازل (استرخاء ماكسويل)، والتي تتمثل في حقيقة أن شحنة الفضاء الناتجة يتم تعويضها على الفور تقريبًا عن طريق شحنة الاقتراب من الناقلات الحرة ذات علامة مختلفة. يحدث هذا في حوالي 10 -12 ثانية أو 10 -11 ثانية.

وفقًا لهذا، سيتم تحييد شحنة الثقوب التي تدخل القاعدة على الفور تقريبًا بنفس شحنة الإلكترونات.

نستخدم الترميز التالي:

Q هي شحنة الحجم للحاملات غير المتوازنة في القاعدة؛

u هو الجهد الخارجي المطبق على تقاطع p-n؛

f هي دالة تصف اعتماد Q عليك.

لنقدم توضيحًا توضيحيًا (الشكل 1.22).

وفقًا لما سبق، Q = f(u) في الممارسة العملية، من الملائم والمعتاد استخدام ليس هذا التعبير، بل آخر تم الحصول عليه من هذا نتيجة للتمايز. في هذه الحالة، يتم استخدام مفهوم سعة الانتشار C diff للوصلة p-n، وبحسب التعريف C diff = dQ / du تسمى السعة سعة الانتشار، لأن الشحنة Q قيد النظر تكمن وراء انتشار الموجات الحاملة في القاعدة.

من الملائم والمعتاد وصف Cdiff ليس كدالة لـ u، ولكن كدالة للتيار i للوصلة p-n.

تتناسب الشحنة Q نفسها بشكل مباشر مع التيار i (الشكل 1.23، أ). بدوره، i يعتمد بشكل كبير على u (التعبير المقابل مذكور أعلاه)، وبالتالي فإن المشتق di / du يتناسب أيضًا بشكل مباشر مع التيار (بالنسبة للدالة الأسية، يكون مشتقها أكبر، كلما كان أكبر المزيد من القيمةوظائف). ويترتب على ذلك أن فرق السعة C يتناسب طرديا مع التيار i (الشكل 1.23.6):

Cdif=i·τ/φт حيث φт - درجة الحرارة المحتملة (المحددة أعلاه)؛

τ هو متوسط ​​زمن الرحلة (لقاعدة رقيقة)، أو العمر (لقاعدة سميكة).

متوسط ​​وقت الطيران هو الوقت الذي تمر فيه الناقلات الكهربائية المحقونة بالقاعدة، والعمر هو الوقت من حقن الناقل الكهربائي في القاعدة حتى إعادة التركيب.

إجمالي سعة الوصلة pn.

هذه السعة C per تساوي مجموع السعات المدروسة، أي C per = C bar + C diff.

عندما يكون التقاطع متحيزًا عكسيًا (u< 0) диффузионная емкость практически равна нулю и поэтому учитывают барьерную емкость. При прямом смещении обычно С бар < С диф.

عدم تصحيح الاتصال بأشباه الموصلات المعدنية.

لتوصيل المحطات الخارجية في الثنائيات، يتم استخدام ما يسمى جهات اتصال أشباه الموصلات المعدنية غير التصحيحية (الأومية). هذه هي جهات الاتصال التي لا تعتمد مقاومتها عمليًا على قطبية الجهد الخارجي أو حجمه.

استقبال اتصالات غير تصحيحية - لا أقل مهمة هامةمن الحصول على تقاطعات p-n. بالنسبة لأجهزة السيليكون، غالبا ما يستخدم الألومنيوم كمعدن الاتصال. يتم تحديد خصائص الاتصال بأشباه الموصلات المعدنية من خلال الاختلاف في وظيفة عمل الإلكترون. دالة عمل الإلكترون من مادة صلبة هي زيادة الطاقة التي يجب أن يتلقاها الإلكترون الموجود على مستوى فيرمي للخروج من هذا الجسم.

دعونا نشير إلى دالة الشغل للمعدن بـ A m، ولأشباه الموصلات بـ A p. بقسمة دالة الشغل على شحنة الإلكترون q، نحصل على الإمكانات المقابلة:

φ م =أ م /ف،φ ن =أ ن /ف

دعونا ندخل في الاعتبار ما يسمى بفرق جهد الاتصال φ مليون:φ مليون=φ م -φ ن

لكي نكون محددين، دعونا ننتقل إلى جهة اتصال أشباه الموصلات المعدنية من النوع n. للحصول على جهة اتصال غير تصحيحية، يجب استيفاء الشرط φ مليون< 0. Изобразим соответствующие зонные диаграммы для неконтактирующих металла и полупроводника (рис. 1.24).

كما يظهر الرسم البياني، مستويات الطاقةفي أشباه الموصلات، يتم ملء نطاق التوصيل المقابل بشكل أقل من المعدن. لذلك، بعد توصيل المعدن بشبه الموصل، تنتقل بعض الإلكترونات من المعدن إلى شبه الموصل. سيؤدي ذلك إلى زيادة تركيز الإلكترون في أشباه الموصلات من النوع n.

وبالتالي، سيتم زيادة موصلية أشباه الموصلات في منطقة التلامس وستختفي الطبقة المستنفدة من الناقلات الحرة. الظاهرة المذكورةتبين أن هذا هو السبب وراء عدم تصحيح جهة الاتصال. للحصول على اتصال شبه موصل معدني من النوع p غير مصحح، يجب استيفاء الشرط φmp> 0

يسمى الاتصال بين اثنين من أشباه الموصلات من النوع n و p تقاطع p-n أو تقاطع n-p. نتيجة للتلامس بين أشباه الموصلات، يبدأ الانتشار. تذهب بعض الإلكترونات إلى الثقوب، وبعض الثقوب تذهب إلى جانب الإلكترون.

ونتيجة لذلك، يتم شحن أشباه الموصلات: n بشكل إيجابي، وp بشكل سلبي. بعد أن يبدأ المجال الكهربائي الذي يظهر في المنطقة الانتقالية بالتداخل مع حركة الإلكترونات والثقوب، سيتوقف الانتشار.

عندما يتم توصيل تقاطع pn في الاتجاه الأمامي، فإنه سوف يمرر التيار من خلال نفسه. إذا قمت بتوصيل تقاطع pn في الاتجاه المعاكس، فلن يمرر التيار عمليا.

يوضح الرسم البياني التالي خصائص الجهد الحالي للتوصيلات الأمامية والعكسية لوصلة pn.

تصنيع صمام ثنائي أشباه الموصلات

يُظهر الخط الصلب خاصية الجهد الحالي للاتصال المباشر لوصلة pn، ويوضح الخط المنقط الاتصال العكسي.
يوضح الرسم البياني أن الوصلة pn غير متماثلة بالنسبة للتيار، حيث أن مقاومة الوصلة في الاتجاه الأمامي أقل بكثير منها في الاتجاه العكسي.

تستخدم خصائص الوصلة PN على نطاق واسع للتصحيح التيار الكهربائي. للقيام بذلك، يتم تصنيع الصمام الثنائي لأشباه الموصلات على أساس تقاطع pn.

عادة، يتم استخدام الجرمانيوم والسيليكون والسيلينيوم وعدد من المواد الأخرى لصنع الثنائيات أشباه الموصلات. دعونا نلقي نظرة فاحصة على عملية إنشاء تقاطع pn باستخدام الجرمانيوم مع أشباه الموصلات من النوع n.

لا يمكن الحصول على مثل هذا الانتقال عن طريق التوصيل الميكانيكي بين اثنين من أشباه الموصلات بأنواع مختلفة من الموصلية. وهذا مستحيل لأنه يخلق فجوة كبيرة جدًا بين أشباه الموصلات.

ونحتاج إلى ألا يكون سمك الوصلة pn أكبر من المسافات بين الذرات. لتجنب ذلك، يتم دمج الإنديوم في أحد أسطح العينة.

لإنشاء صمام ثنائي شبه موصل، يتم تسخين شبه موصل يحتوي على ذرات الإنديوم إلى ارتفاع درجة الحرارة. يتم ترسيب أزواج من الشوائب من النوع n على سطح البلورة. علاوة على ذلك، بسبب الانتشار، يتم إدخالها في البلورة نفسها.

على سطح البلورة ذات الموصلية من النوع p، تتشكل منطقة ذات موصلية من النوع n. يوضح الشكل التالي بشكل تخطيطي كيف يبدو هذا.

من أجل منع تعرض البلورة للهواء والضوء، يتم وضعها في علبة معدنية محكمة الغلق. على الأساسي المخططات الكهربائية، تتم الإشارة إلى الصمام الثنائي بالرمز الخاص التالي.

مقومات أشباه الموصلات لديها جدا موثوقية عاليةوعمر الخدمة الطويل. عيبهم الرئيسي هو أنهم لا يستطيعون العمل إلا في نطاق درجات حرارة صغير: من -70 إلى 125 درجة.

الثنائيات أشباه الموصلات

ديود أشباه الموصلات - العنصر الدائرة الكهربائية، وجود محطتين ولها الموصلية الكهربائية من جانب واحد. يمكن تقسيم جميع الثنائيات أشباه الموصلات إلى مجموعتين: المعدل والخاصة. الثنائيات المعدلة، كما يوحي اسمها، مصممة لتصحيح التيار المتردد. اعتمادًا على تردد وشكل الجهد المتردد، يتم تقسيمها إلى تردد عالٍ ومنخفض التردد ونبضي. تستخدم أنواع خاصة من الثنائيات شبه الموصلة خصائص مختلفة ص نالتحولات: ظاهرة الانهيار، سعة الحاجز، وجود مناطق ذات مقاومة سلبية، إلخ.

من الناحية الهيكلية، تنقسم الثنائيات المعدلة إلى ثنائيات مستوية ونقطية، ووفقًا لتكنولوجيا التصنيع إلى سبائك، وانتشار، وفوق محوري. الثنائيات المستوية بسبب المساحة الكبيرة ص ن-تستخدم الوصلات لتصحيح التيارات الكبيرة. تحتوي الثنائيات النقطية على منطقة انتقالية صغيرة، وبالتالي فهي مصممة لتصحيح التيارات الصغيرة. لزيادة جهد انهيار الانهيار الجليدي، يتم استخدام أعمدة المعدل، التي تتكون من سلسلة من الثنائيات المتصلة على التوالي.

تسمى الثنائيات المعدلة ذات الطاقة العالية بثنائيات الطاقة. عادة ما تكون المادة المستخدمة في صناعة هذه الثنائيات عبارة عن السيليكون أو زرنيخيد الغاليوم. لا يتم استخدام الجرمانيوم عمليا بسبب الاعتماد القوي على درجة الحرارة للتيار العكسي. تستخدم الثنائيات المصنوعة من سبائك السيليكون لتصحيح التيار المتردد حتى 5 كيلو هرتز. يمكن أن تعمل ثنائيات انتشار السيليكون بترددات أعلى تصل إلى 100 كيلو هرتز. يمكن استخدام ثنائيات السيليكون الفوقي ذات الركيزة المعدنية (مع حاجز شوتكي) بترددات تصل إلى 500 كيلو هرتز. الثنائيات زرنيخيد الغاليوم قادرة على العمل في نطاق تردد يصل إلى عدة ميغاهيرتز.

تعمل الثنائيات باستخدام وصلة ثقب الإلكترون - وهي طبقة رقيقة من المادة بين منطقتين أنواع مختلفةالموصلية الكهربائية - نو ص. الخاصية الرئيسية لهذا التحول هي التوصيل الكهربائي غير المتماثل، حيث تمر البلورة بالتيار في اتجاه واحد ولا تمر في الاتجاه الآخر. يظهر جهاز انتقال ثقب الإلكترون في الشكل 1.1، أ. جزء منه مشوب بنجاسة مانحة وله موصلية إلكترونية ( ن-منطقة)؛ والآخر، المشوب بنجاسة قابلة، له موصلية ثقب ( ص-منطقة). تختلف تركيزات الناقلات في المناطق بشكل حاد. بالإضافة إلى ذلك، هناك تركيز صغير لحاملات الأقلية في كلا الجزأين.

الشكل 1.1. ص نانتقال:

أ – الجهاز ب – الشحنات الحجمية

الإلكترونات في ن-المناطق تميل إلى اختراق ص- المنطقة التي يكون تركيز الإلكترون فيها أقل بكثير. وكذلك الثقوب من ص- يتم نقل المناطق إلى ن-منطقة. نتيجة للحركة المضادة للشحنات المعاكسة، ينشأ ما يسمى بتيار الانتشار. بعد عبور الإلكترونات والثقوب الواجهة، تترك وراءها شحنات معاكسة، مما يمنع مرور تيار الانتشار الإضافي. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء التوازن الديناميكي عند الحدود، وعند الإغلاق ص- و ن- المناطق التي لا يتدفق فيها التيار في الدائرة. توزيع الكثافة الشحنة الحجميةفي الفترة الانتقالية يظهر في الشكل 1.1، ب. في هذه الحالة، داخل البلورة، عند الواجهة، ينشأ مجال كهربائي خاص بها. ، اتجاهه موضح في الشكل 1.1، أ. تصل شدتها إلى الحد الأقصى عند الواجهة، حيث يحدث تغيير مفاجئ في إشارة الشحنة الفضائية. ومن ثم فإن أشباه الموصلات تكون محايدة.

ارتفاع الحاجز المحتمل هو ص نيتم تحديد الانتقال من خلال فرق الاتصال المحتمل ن- و ص-المناطق التي بدورها تعتمد على تركيز الشوائب فيها:

, (1.1)

أين هي الإمكانات الحرارية نو ص ص- تركيز الإلكترونات والفجوات فيها ن- و ص-المناطق، ن ط- تركيز حاملات الشحنة في أشباه الموصلات غير المرتبطة.

فرق جهد التلامس للجرمانيوم هو 0.6...0.7 فولت، وللسيليكون 0.9...1.2 فولت. يمكن تغيير ارتفاع الحاجز المحتمل عن طريق تطبيق جهد خارجي عليه ص نانتقال. إذا كان مجال الجهد الخارجي يتزامن مع الداخلي، فإن ارتفاع الحاجز المحتمل يزداد؛ ومع عكس القطبية للجهد المطبق، يقل ارتفاع الحاجز. إذا كان الجهد المطبق يساوي فرق جهد التلامس، فإن حاجز الجهد يختفي تمامًا.

ومن ثم، إذا خفض الجهد الخارجي حاجز الجهد يسمى مباشراً، وإذا زاده يسمى عكسياً.

يتم عرض الرمز وخاصية الجهد الحالي (خاصية فولت أمبير) للديود المثالي في الشكل 1.2.

يُطلق على الطرف الذي يجب أن يطبق عليه جهد موجب اسم الأنود، ويسمى الطرف ذو الجهد السالب الكاثود (الشكل 1.2، أ). الدايود المثالي في اتجاه التوصيل مقاومته صفر. في الاتجاه غير الموصل توجد مقاومة كبيرة بلا حدود (الشكل 1.2، ب).

الشكل 1.2 الرمز (أ) وخاصية الجهد الحالي

خصائص الصمام الثنائي المثالي (ب)

في أشباه الموصلات ص-نوع الناقلات الرئيسية هي الثقوب. يتم إنشاء الموصلية الكهربائية للثقب عن طريق إدخال ذرات الشوائب المتقبلة. تكافؤها هو أقل من ذرات أشباه الموصلات. في هذه الحالة، تلتقط ذرات الشوائب إلكترونات أشباه الموصلات وتخلق ثقوبًا - حاملات شحن متنقلة.

في أشباه الموصلات ن-نوع الناقلات الرئيسية هي الإلكترونات. يتم إنشاء الموصلية الإلكترونية عن طريق إدخال ذرات الشوائب المانحة. تكافؤها أكبر من تكافؤ ذرات أشباه الموصلات. تشكيل الروابط التساهميةمع ذرات أشباه الموصلات، لا تستخدم ذرات الشوائب إلكترونًا واحدًا، والذي يصبح حرًا. الذرات نفسها تصبح أيونات موجبة غير متحركة.

إذا كان مصدر الجهد متصلاً بالأطراف الخارجية للدايود في الاتجاه الأمامي، فسيتم إنشاء مصدر الجهد هذا ص-نالانتقال، مجال كهربائي موجه نحو الداخل. سوف ينخفض ​​​​الحقل الناتج. في هذه الحالة، ستبدأ عملية الانتشار. سوف يتدفق التيار المباشر في دائرة الصمام الثنائي. كيف قيمة أكبرالجهد الخارجي، كلما كان المجال الداخلي أصغر، كلما كانت طبقة الحجب أضيق، كلما زاد التيار الأمامي. مع زيادة الجهد الخارجي، يزداد التيار الأمامي بشكل كبير (الشكل 1.3). عند الوصول إلى جهد خارجي معين، فإن عرض الطبقة الحاجزة سينخفض ​​إلى الصفر. سيكون التيار الأمامي محدودًا فقط بمقاومة الحجم وسيزداد خطيًا مع زيادة الجهد.

الشكل 1.3. خاصية IV للديود الحقيقي

في هذه الحالة، انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي هو انخفاض الجهد المباشر. قيمتها صغيرة وتعتمد على المادة:

الجرمانيوم جي: ش العلاقات العامة= (0.3 - 0.4) الخامس؛

السيليكون سي: ش العلاقات العامة=(0.6 - 1) خامسا.

إذا قمت بتغيير قطبية الجهد الخارجي، فإن المجال الكهربائي لهذا المصدر سوف يتزامن مع المجال الداخلي. سيزداد الحقل الناتج، وسيزداد عرض طبقة الحجب، وسيزداد التيار بشكل مثاليلن تتدفق في الاتجاه المعاكس. ولكن بما أن أشباه الموصلات ليست مثالية، بالإضافة إلى ناقلات الهاتف المحمول الرئيسية، فهي تحتوي على كمية صغيرة من ناقلات الأقلية، ونتيجة لذلك، يحدث تيار عكسي. وتعتمد قيمته على تركيز ناقلات الأقلية وتتراوح عادة من وحدات إلى عشرات الميكرومبيرات.

يكون تركيز حاملات الأقلية أقل من تركيز حاملات الأغلبية، وبالتالي فإن التيار العكسي صغير. حجم هذا التيار لا يعتمد على حجم الجهد العكسي. يمتلك السيليكون تيارًا عكسيًا أقل بعدة مرات من الجرمانيوم، لكن ثنائيات السيليكون لديها انخفاض جهد أمامي أعلى. يعتمد تركيز حاملات الأقلية على درجة الحرارة وكلما زادت زاد التيار العكسي، لذلك يسمى التيار الحراري I o:

I o (T)=I o (T o)e a D T,

DT=T-T o ; و قه =0.09k -1؛ و Si =0.13k -1؛ أنا oG >> أنا oSi . .

هناك صيغة تقريبية

I o (T) = I o (T o)2 T * ,

أين ت *- ارتفاع درجة الحرارة، وهو ما يتوافق مع الضعف التيار الحراري,

تي * قه=8...10 درجة مئوية؛ تي * سي=6 س ج.

التعبير التحليليلخصائص الجهد الحالي ص صالانتقال له الشكل:

, (1.2)

أين ش- الجهد الخارجي المطبق.

لدرجة حرارة 20 درجة مئوية φ ر = 0.025 فولت.

مع زيادة درجة الحرارة بسبب زيادة التيار الحراري وانخفاض الحاجز المحتمل، وانخفاض مقاومة طبقات أشباه الموصلات، ينتقل الفرع المباشر لخاصية الجهد الحالي إلى منطقة التيارات العالية. تنخفض مقاومة الحجم لأشباه الموصلات نو ص. ونتيجة لذلك، فإن انخفاض الجهد الأمامي سيكون أقل. مع زيادة درجة الحرارة، بسبب انخفاض الفرق بين تركيزات الناقلات الرئيسية والأقلية، يتناقص حاجز الجهد للطبقة الحاجزة، مما سيؤدي أيضًا إلى انخفاض ش العلاقات العامةلأن الطبقة العازلة سوف تختفي عند انخفاض الجهد.

سوف تتوافق الفولتية الأمامية المختلفة مع نفس التيار (الشكل 1.4)، مما يشكل فرقًا DU،

أين ه- معامل درجة حرارة الجهد.

إذا كان التيار من خلال الصمام الثنائي ثابتا، فإن انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي سوف ينخفض. عندما تزيد درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة، ينخفض ​​انخفاض الجهد الأمامي بمقدار 2 مللي فولت.

أرز. 1.4. رمز التحقق من البطاقة ص صالانتقال في الشكل. 1.5. CVC من الجرمانيوم و

درجات حرارة مختلفة من الثنائيات السيليكون

مع زيادة درجة الحرارة، يتحول الفرع العكسي لخاصية الجهد الحالي إلى الأسفل (الشكل 1.4). نطاق درجة حرارة التشغيل لثنائيات الجرمانيوم هو 80 درجة مئوية، لثنائيات السيليكون 150 درجة مئوية.

تظهر خصائص الجهد الحالي لثنائيات الجرمانيوم والسيليكون في الشكل 1.5.

المقاومة التفاضلية ص صالانتقال (الشكل 1.6):

(1.3)

مع زيادة القيمة الحالية ص د- يتناقص.

الشكل 1.6 تعريف التفاضلية

مقاومة الصمام الثنائي

مقاومة العاصمة ص صانتقال: .

تتميز مقاومة التيار المباشر بمعامل انحدار الخط المستقيم المرسوم من نقطة الأصل إلى هذه النقطة. تعتمد المقاومة أيضًا على القيمة الحالية: كلما زادت، تقل المقاومة . آر جي< R Si .

تختلف خاصية الجهد الحالي للديود شبه الموصل إلى حد ما عن خاصية الجهد الحالي للديود المثالي. لذلك، بسبب تسرب التيار على طول سطح البلورة، فإن التيار العكسي الحقيقي سيكون أكبر من التيار الحراري. وبناء على ذلك، فإن المقاومة العكسية للدايود الحقيقي أقل من المقاومة المثالية ص صانتقال.

انخفاض الجهد الأمامي أكبر من المثالي ص صانتقال. يحدث هذا بسبب انخفاض الجهد عبر طبقات أشباه الموصلات صو نيكتب. علاوة على ذلك، تحتوي الثنائيات الحقيقية على إحدى الطبقات صأو نلديها تركيز أعلى من شركات النقل الكبرى من غيرها. طبقة مع تركيز عالالناقل الرئيسي يسمى الباعث ولديه مقاومة قليلة. الطبقة ذات التركيز الأقل من الناقلات الرئيسية تسمى القاعدة. لديها مقاومة كبيرة جدا.

تحدث الزيادة في انخفاض الجهد الأمامي بسبب انخفاض الجهد عبر المقاومة الأساسية.

لحساب الدوائر الإلكترونية التي تحتوي على ثنائيات أشباه الموصلات، يصبح من الضروري تمثيلها في شكل دوائر مكافئة. يظهر الشكل 1.7 الدائرة المكافئة لثنائي أشباه الموصلات مع تقريب خطي متعدد التعريف لخاصية جهد التيار الخاص به. يوضح الشكل 1.8 دوائر مكافئة تستخدم الخصائص IV للصمام الثنائي المثالي والخصائص IV للصمود المثالي ص نانتقال ( ص د- مقاومة الصمام الثنائي، ص ص- مقاومة تسرب الصمام الثنائي).

الشكل 1.7. تقريب خاصية الجهد الحالي للديود

قطاعات خطية

الشكل 1.8. استبدال الثنائيات باستخدام خصائص الجهد الحالي

الصمام الثنائي المثالي (أ) والخاصية IV المثالية ص نالانتقال (ب)

تشغيل الصمام الثنائي في الدائرة مع الحمل.دعونا نفكر أبسط سلسلةمع الصمام الثنائي والمقاوم، والعمل عند مدخلات الجهد القطبي المعاكس (الشكل 1.9). يتم تحديد نمط توزيع الجهد على عناصر الدائرة من خلال موضع خطوط الحمل (الشكل 1.10) - على الرسم البياني لخاصية الجهد الحالي للصمام الثنائي على طول محور الجهد، يتم رسم نقطتين في كلا الاتجاهين، محددين +ش مو -ش مجهد الإمداد، والذي يتوافق مع الجهد عبر الصمام الثنائي مع حمل قصير الدائرة ص ن، وتترسب التيارات على محور التيار في كلا الاتجاهين ش م / ص نو - ش م / ص ن، والذي يتوافق مع الصمام الثنائي القصير. وترتبط هاتان النقطتان في أزواج بخطوط مستقيمة تسمى خطوط التحميل. تقاطعات خط التحميل ص نفي الربعين الأول والثالث مع الفروع

تتوافق خصائص جهد التيار الثنائي لكل مرحلة من جهد الإمداد

أرز. 1.9. الدائرة مع الصمام الثنائي والشكل. 1.10. خصائص IV للديود مع الحمل

الحمل المباشر

تياراتها المتساوية (وهو أمر ضروري عند توصيلها بالتسلسل) وتحديد موضع نقاط التشغيل.

نصف موجة إيجابية U>0، U=U م.

هذه القطبية مباشرة للديود. سوف يفي التيار والجهد دائمًا بخصائص الجهد الحالي:

,

بجانب:

U d = U m - I d R H;

في أنا د = 0، يو د = يو م;

في U d = 0، I d = U m /R H;

مع اتصال مباشر ش م >>ش العلاقات العامة(الشكل 1.10).

في التطبيق العملي ش العلاقات العامة>0 (ش العلاقات العامة- الجهد الأمامي) عندما يكون الصمام الثنائي مفتوحًا. عندما يعمل الصمام الثنائي في الاتجاه الأمامي، يكون الجهد عبره في حده الأدنى - ( جي-0.4 فولت؛ سي-0.7 فولت)، ويمكن اعتباره صفرًا تقريبًا. سيكون التيار الأقصى.

الشكل 1.11. إشارات الجهد والتيار في دائرة الصمام الثنائي مع الحمل

.

نصف موجة سلبية ش<0, U= -U m .

خاصية الصمام الثنائي هي نفسها، ولكن

U d = -U m -I d R H,;

أنا د = 0، يو د = يو م;

U d =0, I d =U m /R H ; أوه<

القدرات ص صانتقال.عند تشغيله ص صالانتقال في الاتجاه المعاكس، وكذلك عند الفولتية الأمامية الصغيرة في المنطقة ص صالانتقال هناك طبقة كهربائية مزدوجة: في صالمنطقة - سلبية، في نالمناطق - إيجابية.

يؤدي تراكم الشحنات غير المعوضة في هذه الطبقة إلى ظهور السعة ص صالانتقال، وهو ما يسمى السعة الحاجز. وهو يميز التغير في الشحنة المتراكمة عندما يتغير الجهد الخارجي وفقًا للشكل 1.12. ج ب =dQ/ دو .

أرز. 1.12. الاعتماد على سعة الحاجز

من الجهد العكسي.

تعتمد سعة الحاجز على الأبعاد الهندسية ص صانتقال. مع زيادة ش وصول.عرض ص صيزداد الانتقال وتقل السعة.

عندما يتم تشغيل الصمام الثنائي في الاتجاه الأمامي، تختفي سعة الحاجز عمليا، وتتراكم ناقلات الأقلية المنقولة من الباعث في الطبقة الأساسية للصمام الثنائي. يؤدي تراكم الشحنة أيضًا إلى إنشاء تأثير السعة، وهو ما يسمى سعة الانتشار. س ديتجاوز عادة ج ب.

يتم تحديد قدرة الانتشار ج د = د ق د / دو.

تؤثر هذه السعات عندما تعمل الثنائيات بترددات عالية. القدرات ص صيتم تضمين التحولات في الدائرة المكافئة (الشكل 1.13).

أرز. 1.13. دوائر مكافئة للديود مع مراعاة السعات:

أ – قدرة الحاجز. ب – قدرة الانتشار

العمليات العابرة في الثنائيات.عندما تعمل الثنائيات بإشارات عالية التردد (1-10 ميجاهرتز)، فإن عملية الانتقال من حالة غير موصلة إلى حالة موصلة وبالعكس لا تحدث بشكل فوري بسبب وجود سعة في الانتقال، بسبب التراكم الشحنات الموجودة في قاعدة الدايود .

يوضح الشكل 1.14 المخططات الزمنية للتغيرات في التيارات عبر الصمام الثنائي والحمل أثناء النبضات المستطيلة لجهد الإمداد. تعمل السعات الموجودة في دائرة الصمام الثنائي على تشويه الحواف الأمامية والخلفية للنبضات، مما يؤدي إلى ظهور زمن الارتشاف ر ص.

عند اختيار الصمام الثنائي لدائرة معينة، من الضروري أن تأخذ في الاعتبار خصائص التردد والأداء.

أرز. 1.14. العمليات العابرة في

تبديل الصمام الثنائي:

ر f1- مدة الحافة الأمامية للانتقال؛

ر f2- مدة الحافة الخلفية؛

ر ص- زمن الارتشاف .

انفصال ص صانتقال.لا يمكن أن يزيد الجهد العكسي للديود إلى أي قيمة. عند جهد عكسي معين، مميز لكل نوع من أنواع الصمام الثنائي، تحدث زيادة حادة في التيار العكسي. ويسمى هذا التأثير انهيار الانتقال. هناك عدة أنواع من الانهيار (الشكل 1.15):

1- انهيار الانهيار الجليدي، عندما تحدث زيادة في التيار العكسي بسبب تكاثر الانهيار الجليدي للناقلات غير ذات الأغلبية؛

أرز. 1.15. خصائص الجهد الحالي لأنواع مختلفة من الأعطال

2- انهيار النفق، عند التغلب على الحاجز المحتمل وتحدث طبقة الحجب بسبب تأثير النفق.

أثناء الانهيارات الجليدية وانهيارات الأنفاق، يزداد التيار العكسي بجهد عكسي ثابت.

هذه هي الأعطال الكهربائية. فهي قابلة للعكس. بعد الإزالة ش وصول.يستعيد الصمام الثنائي خصائصه.

3- الانهيار الحراري، ويحدث عندما تنطلق كمية من الحرارة إلى الداخل ص صالانتقال، يتم إطلاق المزيد من الحرارة عن طريق سطح الصمام الثنائي إلى البيئة. علاوة على ذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة ص صأثناء الانتقال، يزداد تركيز ناقلات الأقلية، مما يؤدي إلى زيادة أكبر في التيار العكسي، والذي بدوره يؤدي إلى زيادة في درجة الحرارة، وما إلى ذلك. منذ بالنسبة للثنائيات المصنوعة على أساس الجرمانيوم، وصلت.أكبر من الثنائيات القائمة على السيليكون، فبالنسبة للأولى يكون احتمال الانهيار الحراري أعلى من الثاني. ولذلك، فإن درجة حرارة التشغيل القصوى لثنائيات السيليكون أعلى (150 درجة مئوية...200 درجة مئوية) مقارنة بثنائيات الجرمانيوم (75 درجة مئوية...90 درجة مئوية).

في هذه الحالة، الانهيار ص صتم تدمير الانتقال.

أسئلة الاختبار.

1. ما هو الصمام الثنائي لأشباه الموصلات؟ خصائص الجهد الحالي للديود المثالي والحقيقي؟

2. ما هي المواد المستخدمة لصنع الثنائيات شبه الموصلة؟ كيفية إنشاء مناطق من نوع أو آخر من الموصلية في ركيزة أشباه الموصلات؟

3. ما هو المجال الكهربائي الذاتي في البلورة عند الحدود ع-ن-انتقال؟ كيف يتغير عند تطبيق الجهد الخارجي؟

4. ما الذي يفسر تأثير التوصيل أحادي الاتجاه ع-ن-التحول في أشباه الموصلات؟

5. خصائص الجهد الحالي ص ن- تحولات ثنائيات الجرمانيوم والسيليكون عند تغير درجة الحرارة الخارجية؟

6. كيف يتم تحديد المقاومة التفاضلية للديود؟

7. كيف يتم بناء خصائص الجهد الحالي للصمام الثنائي مع خط التحميل؟

8. اشرح آلية تكوين سعات الحاجز والانتشار للدايود؟ كيف تؤثر على عمل الصمام الثنائي في دوائر التيار المتردد؟

محاضرة 2. أنواع خاصة

حاليًا، يتم استخدام ثلاث مجموعات رئيسية من الأساليب لتصنيع الوصلات في زرنيخيد الغاليوم: الانتشار، ونضوج الطور الغازي، ونضوج الطور السائل. لم تعد طريقة الدمج، التي كانت تستخدم سابقًا في تكنولوجيا أشباه الموصلات، مستخدمة في تكنولوجيا ثنائي الفينيل متعدد الكلور، نظرًا لأنها لا تنتج وصلة ثقب إلكتروني منحوتة ومسطحة، وبالتالي فهي غير مناسبة لتصنيع صمامات ثنائية الليزر. لذلك، فإن الطرق الرئيسية الآن لتصنيع ثنائيات PCG هي طرق الانتشار والتنقيط.

8.3.1. طريقة الانتشار

تقوم نظرية الانتشار على افتراض أن ذرات الشوائب لا تتفاعل مع بعضها البعض أثناء عملية الانتشار، ولا يعتمد معدل الانتشار على تركيزها. وبناء على هذا الافتراض، يتم اشتقاق المعادلات الأساسية للانتشار - قوانين فيك. يعرّف قانون فيك الأول تدفق الانتشار بأنه كمية متناسبة مع تدرج التركيز (في ظل ظروف متساوية الحرارة مع انتشار أحادي البعد).

أين هو تركيز الذرات المنتشرة؟ س - إحداثيات المسافة؛ معامل الانتشار.

يحدد قانون فيك الثاني معدل الانتشار

وبناء على هذه القوانين يمكن إيجاد توزيع تركيز الشوائب في عينة شبه محدودة. في الحالة التي يكون فيها التركيز الأولي في الحجم البلوري قريبًا من الصفر، ويكون التركيز السطحي ثابتًا ويظل ثابتًا، فإن تركيز الشوائب بعد الوقت x عند العمق x يساوي

إذا حدث الانتشار من طبقة رقيقة بسماكة تركيز الشوائب لكل وحدة

السطح، ثم يتم التعبير عن توزيع الشوائب بالمعادلة

يتم تحديد ملفات تعريف التركيز لتوزيع الشوائب في العينة إما بطريقة التتبع الإشعاعي أو بطريقة المسبار لقياس "انتشار المقاومة" على طول قسم مائل من العينة.

اعتماد معامل الانتشار على درجة الحرارة له شكل

ومع ذلك، لا يتم الحفاظ على هذا الاعتماد دائمًا في أشباه الموصلات الثنائية بسبب الانحرافات عن قانون فيك، حيث تتفاعل الشوائب مع أحد مكونات المركب أو مع الشواغر المتكونة بسبب تبخر المكون المتطاير أثناء تفكك المركب. في بعض الأحيان، نتيجة تفاعل الشوائب مع مكونات المركب، تتشكل مركبات جديدة أكثر استقرارا من شبه الموصل الثنائي الأصلي. في المركبات من هذا النوع، يحدث الانتشار من خلال حركة الذرات على طول مواقع الشبكة الفرعية لعناصر المجموعتين III و V. تعتمد طاقة التنشيط للانتشار على نوع الشبكة الفرعية التي يحدث انتشار العقد على طولها. إلا أن هذه الآلية ليست الوحيدة؛ على سبيل المثال، من الممكن انتشار الشوائب على طول الفجوات. تمت مناقشة انتشار الشوائب المختلفة في أشباه الموصلات الثنائية في المراجعات. وترد في الجدول بيانات عن انتشار الشوائب في زرنيخيد الغاليوم. 8.3.

يمكن أن يتم تصنيع الوصلات بطريقة الانتشار عن طريق نشر كل من الجهات المانحة في زرنيخيد الغاليوم من النوع والمستقبلات في المادة من النوع. نظرًا لأن انتشار المتبرعين يحدث ببطء شديد، فعادةً ما يتم تنفيذ انتشار المتقبلين. أكثر شوائب السبائك شيوعًا المستخدمة في تصنيع الحقن هي الشوائب المستقبلة - الزنك والمتبرع - التيلوريوم. تنتج الصناعة بلورات مفردة من زرنيخيد الغاليوم مخصصة لإنتاج PKG، المخدرة بالتيلوريوم إلى تركيزات منها

(انقر لعرض المسح)

التركيزات، كما هو موضح أعلاه، هي الأمثل. يتم إنتاج تقاطع ثقب الإلكترون في الصفائح المقطوعة من هذه البلورات المفردة عن طريق انتشار الزنك، مما يجعل من الممكن، عند درجات حرارة ليست عالية جدًا، إنتاج تقاطع بسرعة عند أي عمق مرغوب.

يجب أن يتم إعداد صفائح زرنيخيد الغاليوم التي تصل للانتشار بشكل خاص. أولاً، يتم تحديد المستوى ذو المؤشر (100) في البلورة باستخدام الأشعة السينية. يتم بعد ذلك تقطيع البلورة إلى رقائق موازية لهذا المستوى البلوري. يتم تحديد اختيار الطائرة من خلال الاعتبارات التالية. تتكسر بلورات المركبات بسهولة على طول المستوى (110). في التركيب المكعب للسفاليريت، المميز لهذه المركبات، هناك ثلاث مستويات (110)، متعامدة مع المستوى (111)، واثنتين متعامدتين (100). إذا تم اختيار المستوى (111)، فيمكن تصنيع ثنائيات PKG الثلاثية.

يتم بسهولة تصنيع الثنائيات ذات رنانات Fabry-Perot النموذجية من صفائح مقطوعة بالتوازي مع المستوى (100) عن طريق انقسام مزدوج بسيط على طول (110). يجب أن تكون مستويات الرنان هذه متعامدة تمامًا مع الوصلة المستقبلية، نظرًا لأن سمك الطبقة النشطة من الصمام الثنائي يبلغ 1-2 ميكرون فقط. وبالتالي، يمكن أن تؤدي الانحرافات غير المهمة لمستوى الرنان إلى هروب الإشعاع من المنطقة النشطة. من أجل تحقيق هذا المطلب، يتم طحن جانب واحد من اللوحة بمسحوق بحجم حبيبات يبلغ 5 ميكرومتر عموديًا على المستويات المشقوقة قبل الانتشار. يتم صقل السطح الأرضي للوحة يدويًا على الزجاج باستخدام مسحوق تلميع (بحجم حبة يبلغ أول 1 ميكرومتر ثم 0.3 ميكرومتر). في بعض الأحيان يتم استخدام التلميع الكيميائي أيضًا.

تتم عملية نشر الزنك في صفيحة زرنيخيد الغاليوم المصقولة إما في حجم مغلق (في أمبولة محكمة الغلق) أو في نظام التدفق. ومع ذلك، في كثير من الأحيان يتم استخدام نظام مغلق. للقيام بذلك، يتم ضخ الأمبولة أولاً إلى ضغط متبقي يبلغ حوالي ملم زئبق. فن. ويؤخذ إما عنصر الزنك أو مركباته كمصدر للزنك، والمركب الأخير عبارة عن خليط من نسبة الأطوار الصلبة

والتي يتم اختيارها اعتمادا على ظروف درجة الحرارة للانتشار. إذا تم استخدام عنصر الزنك كمصدر للشوائب، فسيتم أيضًا وضع عنصر الزرنيخ في الأمبولة بنسبة أو كما سيظهر أدناه، فإن ضغط الزرنيخ في الأمبولة له أهمية كبيرة في هذه العملية.

هناك ثلاثة أنواع مختلفة من عمليات الانتشار المستخدمة في التكنولوجيا لتشكيل التحولات.

1. انتشار الزنك في خطوة واحدةفي جو من الزرنيخ في اللوحة (100) أو (111) يتم تنفيذه عند درجة حرارة يتم تحميل الزنك والزرنيخ في الأمبولة بنسبة تركيزها الإجمالي في الطور الغازي في نهاية العملية، يتم تبريد الأمبولة بشكل حاد بالماء. يتم تحديد مدة العملية حسب العمق المطلوب للانتقال.

نتيجة للانتشار لمدة ثلاث ساعات في ظل هذه الظروف، يتم تشكيل التحول على عمق حوالي 20 ميكرومتر.

2. انتشار الزنك يليه التلدين في جو الزرنيخ.تشبه عملية الانتشار تلك الموصوفة أعلاه، ولكن في نهاية عملية الانتشار، يتم وضع اللوحة في أمبولة أخرى، حيث يتم أيضًا وضع الزرنيخ بكمية يتم ضخ الأمبولة مع الحمولة إلى مم زئبقي. فن. ويتم الاحتفاظ بها في الفرن عند درجة حرارة 900 درجة مئوية لفترة من الوقت، ويساعد التلدين على توسيع المساحة المعوضة، وتسوية الطبقة الانتقالية النشطة، وإنشاء انتقال سلس وغير حاد. الظروف المثالية هي التالية: المرحلة الأولى (الانتشار) - درجة الحرارة مدة نسبة تركيز الزنك للمرحلة الأولى المرحلة الثانية (التليين) - درجة الحرارة 900 أو - مدة تركيز الزرنيخ للمرحلة الثانية ويبلغ عمق الانتشار في هذه الظروف حوالي 8 ميكرون.

3. الانتشار على ثلاث مراحل.إلى عملية الانتشار المكونة من مرحلتين الموصوفة أعلاه، تتم إضافة مرحلة ثالثة - الانتشار الضحل للزنك لتشكيل طبقة

في نهاية عملية نشر وتبريد الأمبولة، تتم إزالة صفيحة زرنيخيد الغاليوم وشق حافتها لتحديد الانتقال وتحديد عمق حدوثه وملاحظة خصائصه بصريًا: التساوي والعرض وما إلى ذلك. ل

ولجعل التحول مرئيًا بوضوح، يتم حفر الرقاقة في محلول أو يتم تطبيق قطرة من المحلول على السطح المكسور وتترك لمدة 15 - 30 ثانية، وبعد ذلك يتم شطف اللوحة بالماء المقطر. يمكن رؤية خطين على السطح المحفور: الخط السفلي يحدد حدود الانتقال، والخط العلوي هو المكان الذي يبدأ فيه انحطاط مادة النوع.

آلية انتشار الزنك في زرنيخيد الغاليوم.يعد توزيع تركيز الزنك في زرنيخيد الغاليوم نتيجة للانتشار أمرًا شاذًا. بالنسبة لانتشار الزنك عند درجات حرارة أقل، يمكن وصفه بواسطة دالة خطأ غاوسية، أي المعادلتين (8.4) و(8.5)؛ وفي هذه الحالة يمكن حساب قيم معاملات الانتشار مع الأخذ بعين الاعتبار المعلمات الواردة في الجدول. 8.3. بالنسبة لدرجات حرارة الانتشار التي تزيد عن 800 درجة مئوية، فإن توزيع الزنك في زرنيخيد الغاليوم لا يطيع هذا النمط الكلاسيكي. تظهر الأمثلة النموذجية لتوزيع الزنك الشاذ في الشكل 1.

8.13 للانتشار عند درجة حرارة ل

الظواهر الشاذة أثناء انتشار الزنك في زرنيخيد الغاليوم هي موضوع العديد من الدراسات. وقد لوحظت الحقائق التالية.

أرز. 8.13. ملامح توزيع تركيز الزنك في صفيحة زرنيخيد الغاليوم لتركيزات سطحية مختلفة عند درجة حرارة الانتشار ومدة حوالي

عند درجات حرارة الانتشار الأعلى، يعتمد معامل انتشار الزنك بشدة على تركيز الزرنيخ، وتزداد قابلية ذوبان الزنك في زرنيخيد الغاليوم حتى بثلاثة أوامر من الحجم (من 1017 إلى 1017 إلى 1017، أي في حالة عدم وجود تدرج لتركيز الزنك على عينة.

يمكن أن تتواجد ذرات الزنك في زرنيخيد الغاليوم إما في مواقع الغاليوم أو في الفجوات، لذلك، يمكن أن يحدث انتشار الزنك على طول فراغات الغاليوم والفجوات. يمكن التعبير عن قانون فيك لآلية الانتشار المزدوج هذه بالمعادلة

أين و هي معاملات انتشار الزنك على طول الفجوات ووفقا لآلية استبدال الغاليوم.

يمكن تبسيط هذه المعادلة عن طريق إدخال معامل الانتشار الفعال:

تظهر نتائج انتشار التركيز المتساوي أنه عند التركيزات العالية من الزنك، يسود الانتشار على طول الفجوات، أي.

وبالتالي، يمكن وصف انتشار التركيز المتساوي بالمعادلة (8.4). يمكن حساب معامل انتشار التركيز المتساوي بناءً على تحليل تركيز ذرات الزنك الخلالي والشواغر الغاليوم. ويظهر اعتماده القوي على تركيز الزنك في الشكل. 8.14.

أرز. 8.14، اعتماد معامل انتشار الزنك في زرنيخيد الغاليوم على تركيز الزنك.

ومع ذلك، في ظل الظروف التكنولوجية الحقيقية في درجات الحرارة المرتفعة، وصل تركيز الزنك السطحي على زرنيخيد الغاليوم إلى أعلى قليلاً من كثافة بخار الزنك في الأمبولة. في غياب ضغط الزرنيخ في الأمبولة، كان توزيع الزنك في العينة مشوهًا بشكل لا يتكرر، و

وكان التحول متفاوتا، وخاصة في تركيزات منخفضة من الزنك. أدى إدخال الزرنيخ في الأمبولة إلى تصحيح الوضع بشكل كبير. انخفض اعتماد معامل الانتشار على تركيز الزنك بشكل ملحوظ، واستمر الانتشار بشكل أكثر انتظامًا، وكان الانتقال سلسًا.

يجب الانتباه إلى حقيقة أن الظواهر الشاذة في انتشار الزنك تحدث عند درجات حرارة أعلى من درجة الحرارة التي يبدأ عندها زرنيخيد الغاليوم في التحلل، لذلك يجب إنشاء ضغط زرنيخ في الأمبولة يساوي على الأقل ضغط تفكك زرنيخيد الغاليوم. عند درجة حرارة معينة. بالإضافة إلى ذلك، بما أن الزنك يشكل مركبتين متطابقتين منصهرتين مع الزرنيخ، فيمكن توقع تكوينهما على مصدر الزنك وعلى سطح زرنيخيد الغاليوم. يمكن أن تؤدي هذه العمليات، بالإضافة إلى تفكك زرنيخيد الغاليوم، إلى إطلاق الغاليوم السائل وتكوين محاليل الغاليوم من الزنك وزرنيخيد الغاليوم، مما يؤدي إلى اضطرابات سطحية محلية تزيد من تشويه صورة الانتشار والانتقال. للتخلص من هذه الاضطرابات السطحية وجعل الانتشار أقرب إلى نظام التركيز المتساوي، يتم أحيانًا نشر الزنك من خلال طبقة مترسبة على زرنيخيد الغاليوم، أو من طبقة مشبعة بالزنك.

يمكن تحديد شروط تحقيق الانتشار القابل للتكرار للزنك في زرنيخيد الغاليوم بناءً على النظر في مخططات الطور لتوازن الغاليوم والزرنيخ والزنك (الشكل 8.15).

إذا تم استخدام عنصر الزنك فقط كمادة منتشرة، فسيتم نقل الزرنيخ من زرنيخيد الغاليوم إلى مصدر الزنك حتى تتشكل مراحل التوازن من زرنيخيدات الزنك على كلا السطحين. وبطبيعة الحال، سيؤدي ذلك إلى إطلاق الغاليوم السائل، وتعطيل سطح اللوحة وتشويه جبهة الانتشار.

إذا كان المصدر هو الزنك والزرنيخ أو زرنيخيدات الزنك، فإن كل شيء يعتمد على كمية المادة المنتشرة وتكوينها ودرجة حرارتها. مع كميات صغيرة من مادة الانتشار (عدة أمبولات)، لا يتم تشكيل مرحلة مكثفة - كل الزنك والزرنيخ موجودان في مرحلة البخار. يتم التعبير عن اضطرابات الانتقال السطحي من مدة الانتشار ودرجة الحرارة