Биполярлы транзисторлар

Электр тогын басқару үшін қолданылатын екі р-n ауысуларынан тұратын құрылғыны транзистор деп атайды.Оның электродтарына түсірілген кернеулерді өзгерте отырып,токтың шамасын басқаруға,оны генерациялауға немесе ауыстырып-қосуға болады.Транзисторда диод секілді германийден немесе кремнийден жасалады.Алғаш рет жұмыс жасайтын транзисторды Bell фирмасының зертханасында 1948 ж. Джон Бардин,Уолтер Браттейн және Уильям Шокли жасап шығарған.Транзистордың артықшылығы: оның көлемінің аздығы,кернеудің аз ғана мәнінде жұмыс жасағанда,үлкен қоректендіру көзін тілемеуі; Биполярлы транзистор деп,екі өзара әсер етуші p-n ауысулары бар кристалдардан жасалған құралды айтады. Биполярлы транзистордың құрылымы p-n-p немесе n-p-n,қуаты,жұмыс жиілігі және басқа да белгілері жағынан ажыратылады.

Биполярлық транзистордың құрылысы.

Электр өткізгіштігі р- түріндегі микрокристалл пластинаның екі жағына электр өткізгіштігі n-түріндегі кристалл қабаты жасалған.Кристалдың электрлік шығысы бар орталық бөлігін база,бір шеткісін –эмиттер,екіншісін –коллектор деп атайды.Базаның электр өткізгіштігі электрондық та,кемтіктік те болуы мүмкін,соған сәйкес транзистор да p-n-p немесе n-p-n құрылымды болады.

         p-n-p                                    n-p-n

 Транзисторлардың үш электродының бірі-кіріске,екіншісі-шығысқа қосылады,ал үшіншісі-кіріс және шығыс үшін ортақ болады.Осыған байланысты транзисторларды қосудың 3 түрі бар:ортақ базамен(ОБ),ортақ эмиттермен(ОЭ), ортақ коллектормен(ОК). Жұмыс режимдері: 1)Транзистордың екі өткеліне кернеу тура бағытта берілсе транзистор қанығу режимінде болады.2)Эмиттерлік өткеліне тура бағытта,ал коллектор өткеліне кері бағытта берілсе транзистор активті режимде жұмыс істейді. 3)Эмиттерлік өткелге кері бағытта,ал коллекторға тура бағытта берілсе,транзистор кері бағытта ток өткізіп инверция режимінде болады.4)Эмиттерлік өткелге кері бағытта, коллекторға да кері бағытта берілсе режим отсечки болады.Жұмыс істеу принципі: Сыртқы кернеу болмағанда кристалл энергетикалық тепе-теңдікте болады:барлық қоспалы атомдар иондалған,Ферми деңгейі акцепторлардың деңгейінен жоғары р-аймағында жатады,ал базалық қабатта(n-аймағында) –донорлардан төмен деңгейде жатады.База облысында потенциалдың нөлге дейін көтерілуі оның нөлдік потенциал нүктесіне,яғни корпусқа қосылғандығымен түсіндіріледі.Эмиттерлік ауысуға Е_э сыртқы кернеу көзін (эмиттерге оң полюсті,терісін базаға) қосқанда және коллекторлық ауысудың электродтары қысқа тұйықталғанда,бұл тура ауысу болып,потенциалдар айырымы φ_б=φ₀+U_эб шамасына азаяды,кемтіктерді р-аймағынан n-аймағына тасымалдау –инжекциясы басталады.База облысында тасымалдаушылардың белгілі бір бөлігі Е_э көзінен келетін электрондармен рекомбинацияланады.Қалған бөлігі хаосты түрде қозғалып,коллекторлық ауысуға тақалып,базамен қосылған коллектор арқылы еркін өтіп кетеді.

Транзистордың әр р-n -ауысуына тура және кері кернеу берілу мүмкін.
Осыған орай, транзистордың төрт жұмыс істеу режимі болады:

– отсечки режимі – екі ауысуына кері кернеу беріледі;

– қанығу режимі – екі ауысуына тура кернеу беріледі;

– активті режимі – эмиттерлік ауысуына тура кернеу беріледі,ал коллекторлық ауысуына кері кернеу беріледі.

– инверстік режимі – эмиттерлік ауысуына кері кернеу беріледі, ал коллекторлық ауысуына тура кернеу беріледі.

4.1Сурет - Биполярлық транзисторы, «n-p-n» және «p-n-p» құрылысы

 Транзистордың n-p-n активтік режимнің жұмысы 4.1суретте көрсетілген.Тоқ көзі U_бэ эмиттерлік ауысуына тура бағытта қосылған («–» эмиттердегі таңбасы), және эмиттерлік ауысуы арқылы тура тоғы өтеді. Сонымен қатар мұнда эмиттерден базаға электрондар инжекцияланады, ал базадан эмиттерге–кемтіктер инжекцияланады.Транзистордың база-эмиттер ауысуы, тура бағытта қосылған диод сияқты жұмыс істейді.База мен эмиттер арасында болатын кернеудін мәні U_бэ 0,6÷0,8 В аспауға тиіс, өйткені,егер бұл шарт орындалмаса,онда ауысуы арқылы өтетін тоғы аса жоғары мәнге өседі. Бірақ эмиттер базаға қарағанда жоғары легірленген болатындықтан, электрондардың ағыны кемтіктер ағынынан көбірек болағандықтан, транзисторда болатын процестерді ол шешеді.Эмиттерден инжекцияланған электрондары базада негізгі емес заряд тасушылары болып табылады,олар диффузия көмегімен қозғалады,яғни базаның көлемінде біркелкі орналасуға тырысады. Базаның қалындығы аз болғандықтан, көп электрондар рекомбинацияланбайды, осыдан коллекторлық ауысуына жетеді.Коллекторлық ауысуы жанында,электрондардың ағыны,электро өрістің әсеріне және кері ауысуына түседі,осының нәтижесінде коллекторлық ауысуы арқылы электрондардың тездетілген дрейф пайда болады. Коллекторда электрондар негізгі заряд тасымалдаушылары болады және олар транзистордың ішкі тізбегінде тоқты тудырып, коллекторлық шығуына тез арада жетеді. Коллекторлық ауысуы арқылы электрондардың дрейфі,база аумағында концентрациясын төмендейді, осының нәтижесінде эмиттер арқылы инжекцияланған электрондар ағынымен бағытталған диффузияны тудырады,бірақ электрондардың біраз бөлігі,база аумағында рекомбинацияланады. Сондықтан эмиттерлік ауысуы арқылы өткен электрондар, коллекторлық ауысуына жетеді. Осының нәтижесінде коллекторлық тоғы I_К,эмиттер тоғына қарағанда I_Э аз болады. Базада электрондардың рекомбинациясы,базаның ішкі тізбегінде тоқ тудырады – ток база I_Б.

Эмиттерлік, коллекторлық және базалық тоқтар арасында мынандай қатынасы болады:

I_Э = I_К + I_Б

Эмиттерлік тоғының жеткізу коэффициенті тең болады:

α = ΔI_К / ΔI_Э,

яғни бұл коэффициенті,жаңадан шыққан транзисторлар үшін,әр қашан аз болады,бірақ бірге жақын (0,9÷0,997) болады. Биполярлық транзисторларды сипаттайтың екінші физикалық параметрі, базалық тоқтын жеткізу коэффициенті болып табылады,оны транзистордың тоқ бойынша күшейту коэффициенті деп атаймыз: β = ΔI_К / ΔI_Б.

Бір типті транзисторларда да, күшейту коэффициенті әр түрлі болу мүмкін,яғни бұл коэффициент әр қашан тұрақты болмайды,бірақ 50÷250 мшектерінде болады.

Транзисторда коллекторлық тоқтың негізіне,коллекторлық p-n -ауысуының кері тоғының негізі қосылады I_КО. Соңдықтан коллектордың толық тоғы,мына теңдеумен шығарылады:

I_K = β I_Б + I_КО

Транзистор электродының тоқтары Кирхгоф заңымен байланыстырылған болғандықтан, онда α коэффициенті,алдында көрсетілген β коэффициенті көмегімен оңай жазылаыды:

α= β / (β+1).

 

42. Биполяр транзистордың вольтамперлік сипаттамасын түсіндіріңіз

Егер өткелдің ішкі электр өрісіне сырттан кернеу берілсе,онда өткелдің кернеулігі артып потенциал биіктігі φ₀+Е мәніне дейін өседі.Берілген кернеу мөлшеріне қарай потенциалды барьер биіктей келе негізгі тасушылардың диффузиялық қозғалысы токтар нөлге теңеседі.р-n өткелге кернеу сырттан тура бағытта берілсе,онда ішкі электр өрісінің және сыртқы электр өрісінің бағыттары бір-біріне қарама-қарсы болып,өткелдің потенциал биіктігі φ₀-Е мәніне дейін төмендейді.Потенциал биіктігі төмендегенде негізгі заряд тасушылар өткелден қозғалып диффузия тогын арттырады.

Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные

 

43. Биполяр транзистордың дифферциал параметрлеріне анықтама беріңіз

Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера, сопротивление эмиттерного, r_э, и коллекторного, r_к, переходов, а также коэффициент обратной связи эмиттер-коллектор μ_эк.

Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе:

Сопротивление эмиттерного перехода, r_э, определяется:

Сопротивление коллекторного перехода r_к, определяется:

Коэффициентом обратной связи μ_эк называется отношение приращения напряжения на эмиттере к приращению напряжения на коллекторе при постоянном токе через эмиттер:

Для коэффициента передачи α можно записать

,

где – коэффициент инжекции или эффективность эмиттера,

– коэффициент переноса.

Таким образом, γ – доля полезного дырочного тока в полном токе эмиттера J_э, а коэффициент χ – показывает долю эмиттерного дырочного тока, без рекомбинации дошедшего до коллекторного перехода.

44. Эмиттерлі өтудің дифференциалды кедергісін түсіндіріңіз

Коллекторлық өтудің дифференциалды кедергісін түсіндіріңіз

Биполяр транзистордың параметрлерін сипаттайтын негізгі өлшемдері төмендегідей болады:

эмиттер тогын жіберетін коэффициент

(r_э) эмиттерлік және (r_к) коллекторлық өткел кедергілері.

µ_эк эмиттер-коллектордың кері байланыс коэффициенті.

Эмиттер тогының дифференциаолдық жеткізу коэффициенті дегеніміз-коллектор тогының коллекторға тұрақты кернеу берілгендегі эмиттер тогының қатынасы: =dІ_к/dІ_э

U_к = const

Эмиттерлік өткел кедергісі: r_{э =}dU_э/dІ_э

І_к = const

Коллекторлық өткел кедергісі:

r_к= dU_к/dІ_к

       І_э = const

µ_эк кері байланыс коэффициенті дегеніміз-эмиттердегі кернеудің коллектор арқылы тұрақты ток өткенде эмиттердегі кернеуге қатынасы:

µ_эк = dU_к/dU_э

       І_э = const

І_э=І_эр+І_эn екенін ескерсек  жеткізу коэффициентін былай жазамыз:

α= dІ_к/dІ_э = dІ_эр/dІ_э dІ_к/dІ_эр = ϰ,

мұнда инжекция коэффициенті немесе эмиттер эффективтігі  = dІ_эр/dІ_э,

ϰ = dІ_к/dІ_эр

 

45. Биполяр транзистор параметрлерінің жиілікке байланысын түсіндіріңіз

Берілген кернеуден транзистордың кіру және шығу тоқтарының байланысын сәйкесінше транзистордың кіру және шығу сипаттамалары деп атайды. Биполярлы транзистордың кіру және шығу сипаттамаларының жанұяларында бірнеше сұлбалар анализі кезінде артық болатын нақты ақпарат бар. Аз сигналад жұмыс істейтін транзисторды сұлбаның элементі ретінде қарастырғанда, оны сұлбасы 4.5-суретте көретілген төртполюст түрінде қарастырған жеңіл. Төртполюстінің кернеуі мен тоғы өзара теңдеу жүйесімен байланысқан. Осы теңдеулер коэффициенттері транзистордың қасиетін бейнелейді және оның параметрлері болып табылады.

4.5-сурет – төртполюс түрінде көретілген транзистордың сұлбасы

Биполярлы транзисторды аса ыңғайлы бейнелейтін тәуелсіз айнымалылар ретінде кіру тоғы және шығу кернеуі таңдалған һ-параметр жүйесі болып табылады:

U₁ = h₁₁ I₁ + h₁₂ U₂

I₁ = h₂₁ I₁ + h₂₂ U₂, мұнда һ₁₁      - кіру кедергіні сипаттайтын, кедергінің шамасы бар параметр және кіруде кернеу өзгеруінің транзистор шығуында айнымалы тоқ бойынша қысқа тұйықталу режиміндегі оның өзгеруіне әкеліп соқтырған кіру тоғына қатынасын көрсетеді. Һ₁₁ мәні шығудағы айнымалы тоқ бойынша қысқа тұйықталу режиміндегі транзистордың кіру сипаттамасының еңкішімен анықталады; һ₁₂ – шығу және кіру тізбектер арасындағы ішкі кері байланысты сипаттайтын өлшемсіз параметр және кіруде кернеу өзгеруінің айнымалы тоқ бойынша кіру тізбегінде бос жүріс режиміндегі оның өзгеруіне әкеліп соқтырған шығудағы кернеу қатынасын көрсетеді;

һ₂₁  - шығу және кіру тізбектер арасындағы тоқ бойынша тура байланысты сипаттайтын өлшемсіз параметр және шығу тоқ өзгеруінің айнымалы тоқ бойынша шығу тізбегінің қысқаша тұйықталу режимінде оның өзгеруіне әкеліп соқтырған кірудегі тоқ қатынасын көрсетеді. һ₂₁  параметрі транзистордың маңызды параметрлерінің бірі болып табылады.

       һ₂₂ – шығу өтімділігін сипаттайтын өтімділік шамасы бар параметр және шығу тоқ өзгеруінің айнымалы тоқ бойынша кіру тізбегінің қысқаша тұйықталу режимінде оның өзгеруіне әкеліп соқтырған шығудағы кернеу қатынасын көрсетеді. Һ₂₂ транзистордың кіру сипаттамасының еңкішімен анықталады.

       Һ-параметрлерінің нақты мәндері транзисторды қосудың әртүрлі сұлбаларына әралуан, сондықтан ЖБ және ЖЭ-сы бар сұлбаларда сәйкесінше «б» немесе «э» индекстерін қосады. Биполярлы транзисторды қосу сұлбаларының аса таралған түрі – ЖЭ-сы бар сұлба.

       Һ-параметрлер биполярлы транзистордың анализ үшін ыңғайлы болатын эквивалентті сұлбаларды құруға мүмкіндік береді.

       Биполярлы транзистордың қасиетін анықтайтын негізгі сипаттамалар оның статикалық сипаттамалары болып табылады. Бірақ, бұл сипаттамаларды қарастырмастан, келесіні байқау қажет:

Транзисторда ағатын прцесстер оның кіру тоқтарымен анықталады. Бұл тоқты табу үшін I_вх (U_вх) қатынасын білу керек. Себебі транзистордың кіру тоғы тек қана кіру емес, шығу кернеуіне байланысты. Транзистордың толық сипаттамасы үшін екі статикалық сипаттаманың жанұясы болуы керек: кіру және шығу.

2.Транзистордың статикалық сипаттамасының түрі оның қосылу сұлбасына байланысты. Демек, кез келген қосылу сұлбасы кезінде транзисторда физикалық процестер өзгермейді, бірақ кіру және шығу шамалары елеулі өзгереді.

46. Өрістік транзисторлар. Типтері және құрылысына анықтама беріңіз.

«p-n» ауысу арқылы басқарылушы өрістік транзисторлар, құрлымы, жұмыс принципі, сипаттамалары және параметрлері. Ерекшеленген жаппалы өрісті транзисторлар. Транзистор – үш электродты, электр сигналдарын күшейту мен түрлендіруге арналған жартылай өткізгіштік аспап. Ток түзуге қатысатын заряд тасушыларына байланысты транзистор биполяр және униполяр болып екіге бөлінеді.

Өрісті транзистор электр өрісімен (токсыз) басқарылады. Кіріс кедергісі өте жоғары болғандықтан сигнал көзінен ток пен қуат жұмсамайды. Өрісті транзистордың екі түрі бар: р-n - ауысулы өрісті транзистор және оқшауланған (изоляцияланған) тиекті өрісті транзистор. Соңғы транзистор индукцияланған және қондырылған каналды болып тағы екіге бөлінеді де, құрылысына сәйкес МДЖ (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) транзистор деп те аталады.

Олардың шартты белгілері 1-суретте көрсетілген.

                              а)               ә)              б)            в)

Сурет 1 - Өрісті транзисторлардың схемалық шартты белгілері:

а) р-n - ауысулы n -каналды; ә) р-n - ауысулы р -каналды; б) оқшауланған тиекті индукцияланған р -каналды; в) оқшауланған тиекті индукцияланған

n -каналды.

47. Баскарушы p-n ауысу негізіндегі өрістік транзисторды түсіндіріңіз

р-n ауысулы өрісті транзистор. Транзистордың бұл түрі бір ғана р-n ауысуынан турады. р-n ауысулы өрісті транзистордың қарапайым құрылысы 2,а-суретте келтірілген: негізгі n кремний кристалын екі жағынан р аймағы, яғни тиек (Т) (затвор) қапсыра қоршап тұр. Олардың ортасында орналасқан n аймағы канал деп аталады да, оның тізбегі жалғанған екі шетінің бірі-бастау (Б) (исток), екіншісі құйма (Қ) (сток) деп аталып, тоқтың шығу және жиналу көздерін көрсетеді. р-n ауысулы өртістік транзистордың жұмыс істеу принципі мынадай. Тиекке теріс кернеу беретін болсақ (2, ә-сурет), онда кәдімгі р-n ауысуының кері қосылуындағыдай (р-n ауысуы) оның ені арта түседі. Ауысу ішінде жылжымалы заряд бөлшектерінің болмайтындығын ескере отырып, оны диэлектрикке балауға болады. Онда осы диэлектрик аймағы каналдың енін екі жағынан қусыра қыса түсіп, оның ток өткізу қабілетін азайтып, басқаша айтқанда, оның кедергісін арттырады. Сонымен біз тиек кернеуінің арқасында канал енін өзгерте отырып, бастаудан құймаға ағатын ток күшінің шамасын реттеуімізге, басқаруымызға болады. Транзистордың басқару принципінің мәні осында.

Сурет 2 - р-n -ауысулы өрісті транзисторының жұмыс істеу принципіне түсініктеме сурет

Құймадан ток алу үшін оған қандай бағытта кернеу түсіруіміз керек? Каналымыз n-текті болып, оның жылжымалы заряд тасушылары электрондар болса, оған әріне оң полюсті кернеу беруіміз керек.

Егер тиекте (бастаумен салыстырғанда) кернеу жоқ деп есептесек, онда түсірілген қуйма кернеуінің арқасында р-n - ауысуы тағы да кері қосылады да, оның енінің өзгеруі негізінен қуйма тұсынан өтеді. Бұл жағдай 2, б-суретте көрсетілген.Сонымен, тиек пен құйма кернеулерінің көмегімен канал енін өзгерте отырып, керегімізше қуйма тогының шамасын реттеуге, басқаруымызға қолымыз жетеді. р-n - ауысудың шекарасының айналасында негізгі заряд тасушыларды өткізбейтін қабаттың пайда болуы, бізге жалпы физика курсынан белгілі. Өткізгіштің меншікті кедергісі бұл қабатта өте жоғары. Кері бағытқа сәйкес келетін өрістік р-n - ауысуға кернеу беретін болсақ, онда жабық қабаттың қалыңдағы көбейе түседі. Қаншалықты р-n - ауысуна кернеу көп берілетін болса, соншалықты өткізбейтін қабаттың қалыңдығы үлкейе түседі. Өрістік транзистордың бір ерекшелігі: құйма тізбегіндегі ток тиек пен бастау арасындағы кернеумен басқарылады, яғни р-n - ауысуында пайда болатын электр өрісі арқылы. Осы себептен мұндай транзистордың түрі өрістік транзистор деген атқа ие болған.Соңғы кездерде оңашаланған (изоляцияланған) тиегі бар өрістік транзисторлар кеңінен қолданылуға ие болды. Мұндай транзисторларда затвор металдан жасалынады және жартылай өткізгіштен диэлектриктің жұқа қабаты арқылы изоляцияланады. Диэлектриктің қызметін кремний оксиді атқарады.

48. Баскарушы p-n ауысу негізіндегі өрістік транзисторлардың вольт-амперлік сипаттамасын түсіндіріңіз

Оқшауланған тиекті өрістік транзисторлардың құймалық сипаттамаларының сыртқы түрі р-n ауысулы өрістік транзистордың сипаттамасына ұқсас келеді.Оқшауланған тиекті өрістік транзисторлардың құйма-тиектік сипаттамаларының өзара айырмашылығы 4-суретте индукцияланған және қондырылған каналды түрлеріне арналып салыстырмалық түрде көрсетілген.

 I_қ                                                                                                                                              I_қ

 

 

                           UT                 -UT+UT U_n                                                  U_n              0

4 сурет - Индукцияланған (а) және қондырылған (ә) каналды МДЖ транзисторларының құйма-тиектік сипаттамалары. Өрістік транзисторлардың тағы бір түрі – статикалық индукциялық транзистор (СИТ). Оның ерекшелігі: тиек кернеуі тура түсіріліп, тиекке ток берілсе, ол биполяр транзисторының режимінде, ал кері түсірілсе, өрістік транзистор режимінде жұмыс істей алуында. Бұл СИТ-тің әрі биполяр транзисторының, әрі өрістік транзисторларының артықшылықтарына ие болуына мүмкіндік береді.

49.Шалаөткізгіштердегі фотоөткізгіштік. Егер жартылай өткізгіштерге энергиясы рұқсат етілмеген зона енінің энергиясынан жоғары болатын электромагнитті сәуле кванты түссе, онда жартылай өткізгіштердің ішкі фотоэффектісі мүмкін болады, яғни сәулені жұтқан электрондар валентті зонадан өтімділік зонасына ауыса алады. Осының салдарынан өтімділік зонадағы электрондар мен валентті зонадағы кемтіктердің саны және олармен байланысты жартылай өткізгіштердің өтімділігі артады. Түсетін сәуле әсерінен жартылай өткізгіштің өтімділігінің артуы құбылысы жартылай өткізгіштердің фотоөткізгіштігі деп аталады.

Бұл құбылыс физика үшін өте маңызды, өйткені ол жартылай өткізгіштің маңызды екі сипатын анықтайды – рұқсат етілмеген зонаның енін және жартылай өткізгіштегі заряд тасымалдаушылардың орташа өмір сүру уақытын.

Рұқсат етілмеген зонаның енін эксперимент түрінде табылған, ішкі фотоэффектінің қызыл шегі – сәуленің максимальді толқын ұзындығы арқылы есептейді. Ол үшін мына қатынасты қолданады: .

Жартылай өткізгіштердің заряд тасушыларының орташа өмір сүру уақытын эксперимент түрінде табылған, жартылай өткізгіштің өтімділігі мен сәулелендірген жарық арасындағы тәуелділік арқылы есептеледі (6.17-сурет). Бөлме температурасында қоспасы жоқ жартылай өткізгішті қарастырайық. Бөлме жарықтығы болмаған жағдайда онда заряд тасымалдаушылардың концентрациясының тепе теңдігі болады, онымен өтімділік байланысты.

Жартылай өткізгішті жарықтандырғанда онда электрон – кемтікті жұп түзіледі. Бұл процесс жақын арада электрондар мен кемтіктердің рекомбинациясы әсерінен тепе теңдік күйге түседі, ал рекомбинация ықтималдығы электрондар мен кемтіктердің концентрациясы артқан сайын жоғарылай береді. Нақты бір уақыт өткен соң рекомбинация жылдамдығы электрондар мен кемтіктердің туу жылдамдығымен теңеседі. Осы кезде жартылай өткізгіште электрондар мен кемтіктердің концентрациясының жаңа мәні алыптасады: . Егер жарықты кенеттен сөндіріп тастасақ, онда электрондар мен кемтіктердің концентрациясы рекомбинация әсерінен жәймен жартылай өткізгішті жарықтандырғанға дейін байқалған мәніне оралады. Жартылай өткізгіштің өтімділігінің өзгерісі осыған ұқсас. Уақытты жартылай өткізгіштегі электрондар мен кемтіктердің орташа өмір сүру уақыты деп аталады. Жартылай өткізгіштің фотоөткізгіштігі техника үшін маңызды, өйткені олар жарық және басқа да электромагнитті сәулелер үшін жартылай өткізгішті датчиктерді құруға мүмкіндік береді.

50. p-n ауысуы негізіндегі фотодиодтар. Жарық квантының hV энергиясымен өзіндік жұтылу жиілігіне түскен кезде шалаөткізгіште екі түрлі біртекті емес тасымалдаушылар пайда болады – электрондар мен кемтіктер. Электр сигналын тіркеген кезде тасымалдаушының концентрациясының өзгеруін де ескеру керек. Өзге тепе-тең жағдайларда негізгі емес тасымалдаушылардың концентрациясының өзгерісін тіркеу оңайырақ. p-n ауысуы негізіндегі фотодиодтарда сыртқы жарықтану әсеріндегі негізгі емес тасымалдаушылардың концентрациясының өзгерісін тіркеу қағидасы жүзеге асырылған.

51. Шалаөткізгіштік фотоэлементтің сезгіштігін түсіндір Полупроводниковым фотоэлементом называется полупроводниковый прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает э. д. с., называемая фото-э. д. с. Работа фотоэлемента с запирающим слоем, или, что то же, вентильного фотоэлемента, основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с различными проводимостями ().Поглощение лучистой энергии при освещении поверхности фотоэлемента вблизи -перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей заряда электронов и дырок. Образующиеся электроны под действием электрического поля -перехода уходят в слой , дырки — в слой . Это приводит к избытку дырок в слое и электронов в слое . Возникающая разность потенциалов (фото-э. д. с.) между слоями вызывает ток во внешней цепи от электрода к электроду . Величина этого тока зависит от количества электронов и дырок, а следовательно, от светового потока.

Схема устройства германиевого, фотоэлемента с запирающим слоем показана на рис. 18-10.

Рис. 18-10. Германиевый фотоэлемент и условный знак полупроводникового фотоэлемента.

Рис. 18-11. Кремниевый фотоэлемент.

Он состоит из пластинки германия 1 с -проводимостью, в которую вплавлен индий 2. В процессе изготовления в пластинке германия, расположенной над индием, образуется область с -проводимостью, на границе которой с германием и создается -переход. Слой германия, расположенный над индием, настолько тонок, что световые лучи свободна проникают в гзону -перехода. Корпус фотоэлемента из органического стекла залит изолирующим компаундом 3, через который проходят два проводниковых вывода.

Кремниевый фотоэлемент (рис. 18-11) состоит из пластины кремния с примесью, имеющей -проводимость. На поверхность пластины путем диффузии в вакууме вводят примесь бора, образуя слой с -проводимостью толщиной порядка 2 мкм. Батареи кремниевых элементов называются солнечными батареями и применяются для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую, имея к. п. д. около 11%.

Они, в частности, применяются на искусственных спутниках Земли для питания их радиостанций.

Фотоэлементы с запирающим слоем имеют высокую чувствительность (до ). Преимущество их перед другими фотоэлементами заключается в том, что они не требуют источника питания. Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной техники и т. д

52. Шалаөткізгішті фотоэлементтердің пайдалы жұмыс (әрекет) коэффициенті. ПӘК ұғымы күн жарығының болашақ кезеңде қолдануға болатындай фотоэлементке түсетін пайызын көрсетеді. ПӘК-тің артуы күн энергиясына деген шығынды төмендетуге мүмкіндік береді. ПӘК фотоэлементтің пластиналарының жиілігіне тәуелді, олар өз кезегінде өнім өндіруге қажетті шикізат ретінде қолданылады. Сонымен қатар, панельдің монокристалды не поликристалды түрде екендігіне байланысты. Элементтердің типтері поликристалды немесе монокристалды кремний болады. Мульти-фотоэлементтер монокристалды элементтерден тұратын батареяларға қарағанда өте төмен эффективтілікке ие. ПӘК-тің мәні қарапайым монокристалды элементтер үшін 12-20% аралығында ауытқу мүмкін. Қарапайым бекітілген ПӘК-те есепті ПӘК 15%-ды құрайды және кремнийдің өзіндік жасалу жолына байланысты. Поликристалды фотоэлементтер 14-17% диапазонындағы ПӘК пен монокристалды жарықтан салыстырмалы түрде төмен құнға ие. Фотоэлементтердің ПӘК-не әсер етуші факорлар келесілерді қосады: 1)Монтаждың беткі қабатына бағдар ұстау- шатыр дұрыс түрде оңтүстікке қарап тұруы керек. 2)Бүгілу бұрышы-жазықтықтың биіктігі мен еңістігі күн жарығының жылдың ішіндегі бір күндегі алынған сағатпен әсер етеді. 3)Температура-көптеген панельдер эксплуатация кезінде қыза түседі. Осылайша, олардың көбісі шатырдан биігірек орналасуы керек, ол арқылы суықтандырушы ауаның дұрыс ағынын қалыптастыруға мүкіндік туады. 4)Көлеңке-күн энергиясының жауы. Жүйені жасаудың алдында бұрғылаудың үстіңгі қабатына талдау жасауда өте үлкен зерттеу жүргізіледі, ол жыл бойғы көлеңкенің мүмкін болар формалары мен көлеңкенің нормасын анықтауға мүмкіндік туғызады.

53. Шалаөткізгішті фотоэлементтердің спектралдық сипаттамасы. Фотоэлементтің спектральді сипаттамасы деп фотоэлементтің фототоғының жарықтануының түсетін жарықтың толқын ұзындығына тәуелдігін айтады, ол монохромды толқындардың ұзындығына сәйкес болады: I_Н=f`(λ)Ф_λ.

λ> (С-жарықтың жылдамдығы) фотоэффект қарастырылмайды, сол себепті жоғары бойлау фототоғының мәні де 0-ге тең. Толқын ұзындығының кемуі кезінде фототоқ тез өсе түседі, осылайша ол λ –кезіндегі толқын ұзындығында макисимумға жетіп, кейін тез арада төмен түседі. Толқынның келешектегі ұзындығының азаюы кезінде фототоқтың ақырын жылдамдықта өсуі байқалады. Сілтілі металдар үшін фотоэффекттің қызыл шекарасы ₀=3:5эВ фотонының энергиясына сай келеді. ₀=10:15эВ өзге металдар үшін одан да әрі үлкен болып келеді. Металл фотоэмиттерлердің спектрдің көрінер аймағында фотосезгіш еместігі, мұнымен қоса өте кіші квантты шығарылымға ие болып табылады. Сол себепті таза металлдар электровакуумды құрылғыларды мүлдем қолданылмайды. Көрінер және жақын орналасқан ультрафиолет аймақтарындағы эффективті фотоэмиттерлер жартылай өткізгіш материалдардың негізінде құрастырылған. Сол үшін металлдардан жартылай өткізгіш материалдарға өтерде Эйнштейннің теңдігіне А_в-ны өзге W энергиясымен алмастыруымен сипаттаймыз, фотоэффект табалдырығы:

h=W+E_kмакс Бұл металдарға қарағанда сәл күрделі мәнмен байланысты болып келеді, олар фотоэффект кезінде жартылай өткізгішті тастап кетеді. Фотоэмиссияға жартылай өткізгіш құрамына қосылған қосылыстар әсер етеді, сонымен қатар оның жазықтығына әсерін тигізуімен көрініс табады. Жартылай өткізгіш фотоэмиттерді қолдану барысындағы фотоэффект келесідей сипатталыд:W=1:2эВ

54. Шалаөткізгіште жарықтың жұтылуы

Вследствие отражения и поглощения света полупроводником интенсивность падающего на него монохроматического излучения (I₀) уменьшается до некоторой величины I. В соответствии с законом Бугера-Ламберта:

I = I₀(1 – R)ехр(-ax), (3.41)

где; х – расстояние от поверхности полупроводника до данной точки вдоль луча; а – коэффициент поглощения; R – коэффициент отражения.

Величина а^-1 равна толщине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в е раз.

Поглощение света полупроводником может быть связано с различными процессами: возбуждением электронов из валентной зоны в зону проводимости, изменением колебательной энергии атомов решетки и др. Каждому из этих процессов будет соответствовать поглощение света полупроводником в определенной области спектра. Если поглощение света полупроводником обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет энергии кванта излучения, то поглощение называют собственным.

Пусть W_a и W_b – значения энергии электрона до и после взаимодействия с электромагнитным полем излучения. Тогда в соответствии с законом сохранения энергии и законом сохранения квазиимпульса или волнового вектора

W_b = W_a + hv; (3.42)

k_b = k_a + k_ф, (3.43)

где k_a и k_b – волновые векторы электрона в начальном и конечном состояниях; k_ф – волновой вектор фотона.

Волновой вектор фотона по меньшей мере на два порядка меньше волнового вектора электрона, поэтому в выражении (3.43) им можно пренебречь, отсюда

k_b = k_a (3.44)

Это означает, что в процессе взаимодействия электрона с полем излучения возможны только такие переходы, при которых волновой вектор электрона сохраняется. Их называют вертикальными или прямыми переходами. При таких переходах возбужденного электрона из валентной зоны в зону проводимости осуществляется лишь при участии фотона. Переходы, в которых наряду с поглощением фотона часть энергии перехода восполняется за счет энергии кристаллической решетки или, наоборот, отдается кристаллической решетке, получили название непрямых оптических переходов.

На рис. 3.13 изображена зонная структура для полупроводника, у которого минимуму энергий в зоне проводимости и максимуму энергии в валентной зоне соответствуют различные значения волнового вектора. Прямые оптические переходы обозначены стрелкой 1. В

этом случае прямые оптические переходы уже не связаны с минимальным значением энергии фотона для переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления непрямого оптического перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, обозначенного стрелкой 2 (рис. 3.13),необходимаэнергия меньшая, чем для прямого перехода. Переход 2 происходит без сохранения квазиимпульса электрона. В соответствии с законом сохранения импульса, решетке необходимо компенсировать изменение импульса. Это достигается путем поглощения или испускания фонона.

На рис. 3.14 приведен спектр поглощения германия, у которого наблюдаются как прямые, так и не прямые оптические переходы.