Транзисторлар

 

Транзисторлар

 

1. Биполярлық диффузиялық  тразисторлар

 

 

      Кері немесе бірнеше электірлік p-n өткелі бар, қуатты күшейтуге жарайтын, үш емесе одан да көп сыртқа қосылғышы бар электрлік түрлендіргіш жартылай өткізгіш аспапты тразистор деп атайды. Био полярлық деп талуы- тоқты тудыратын негізінен екі түрлі заряд тасмалдаушылар бар: электрондар мен кемтіктер, диффузиялық делінуі – тразистор ішіндегі тоқ диффузия құбылысы арқылы жүріп отырады. Қатар-қатар біріне-бірі қосылған жартылай өткізгіштердің түріне байланысты транзисторлар p-n-p – типті және n-p-n типті деп бөлінеді.

      p-n-p текті транзистордың қарапайым құралысы мен шартты белгісі 1.1, а-суретте көрсетілген; Ал n-p-n текті транзистордың құрылысы мен шартты белгісі 1.1, ә-суретте берілген.

      Транзисторды схемаға қосқан кезде, оның бірінші оң жақтан өткеліне тікелей кернеу, ал басқа өткеліне кері кернеу қосды. Бұл жағдайда тікелей қосылған өткел эмиттер делініп, ал соған тиісті сыртқы жартылай өткізгіштің  p-тектес немесе  n-тектес қабатты эмиттер (Э) деп аталады. Оратңғы p-тектес (n-p-n транзистор) немесе n-тектес (p-n-p транзистор) жартылай өткізгіш қабат база (Б) деп аталады. Кернеудің кері қосылуынан өткелінің ені орнынан кері жылжыған, ұзарған өткел – коллекторлық деп, ал оған тиісті сыртқы p-тектес немесе  n-тектес қабатт коллектор (К) деп аталады.

1.1-сурет. Транзисторлармен құрылысы мен шартты белгілері.

    

Мысалы, 1.1, а-суреттегі сол жақтағы p-тектес жартылай өткізгіш қабат –эмиттер, ортадағы n-тектес қабат – база, оң жақтағы сыртқа p-тектес жартылай өткізгіш қабат-коллектор.

Осындағы эмиттер мен  базасының арасындағы p-n-өткелі эмиттерлік, ал коллектор мен базаның арасындағы p-n өткелі коллекторлық.  Эмиттерлік p-n өткелі кернеуге тікелей қосылғандықтан, эмиттерден базаға заряд тасушылар  ағыны пайда болды, бұл прцесс инжекция деп аталады, ал коллектор  болсабазадан өтіп өзінің шекарасына келген заряд тасмалдаушыларын сорып  жинап алады, бұл процесс экстракция деп атайды. Базаны ортада тұрып  өзінен өтіп жатқан заряд тасмалдаушыларының ағынын реттейтін басқаратын электрод деп түсіну керек. Транзисторлардың әр түрлі технологиялық әдістермен жасалған кострукциалары 1.1-суретте көрсетілген.

      Жасалу технологиясына байланысты тразистордың базалары бір текті қоспалар концентрациасынан тұруы мүмкін. Бір текті концентрациалы базаға келген негізгі емес заряд тасмалдаушылар диффузия негізінде қозғалады. Мұндай транзисторларды диффузиялық немесе дрейфсіз деп атайды.

  

1.2-сурет. Әр түрлі технологиямен жасалған тразисторлардың құрылыстары (а) балқытумен; (ә) ипитаксиоалды-диффузиялық; (б) планарлық;

     

 Транзисторларды жасағанда  эмиттер мен коллекторларды кішілеу  омды қылып жасайды, яғни бұларға  қоспа атомдарды көп кіргізеді,  ал базаны оларға қарағанда  жоғарғы омды жасайды, қоспаларды  аз кіргізеді.

      Транзисторлардың электродтарға (эмиттерге, базаға, коллекторға) кернеуді қосқанда қалай жұмыс істейтінін көрейік. 1.3-суретте транзистордың қарапайым құрлысымен электродтарына кернеу қосылған схемасы берілген.

      Бұл жағдайда эмиттерлік p-n-өткелі кернеуге тікелей қосылып, өткелдің ені кішірейеді де, ал коллекторлық p-n-өткелі кернеуге кері қосылып, өткеллдің ені өсып кері жылжиды. Эмиттер мен базаның арасындағы кернеу   деп белгіленеді.

1.3-сурет. Транзистордың электрлік тізбекке қосылу схемасы

      Осылай электродтарына кернеу қосылып, күшейту режиміне көшкен кезде  p-n-p текті транзисторда мынандай процесстер жүреді:

1. Эмиттерлік өткелде потециалдық тосқауылдың кішірейуіне байланысты кемтіктер эмиттердің аймағынан p-n өткелі арқылы базаның аймағына диффузия жасап өтеді, бұл прцесс кемтіктердің инжекция жасауы деп аталады, электрондар база аймағынан эмиттер аймағына өтеді. Бірақ базадағы электрондарпдың саны эмиттердегі кемтіктер санынан әлде қайда кем болғандықтан, кемтіктер ағыны электрондардан асып түседі де, диффузия тоғын негізін кемтіктер  түзейді.
2. Базада тепетеңдіксіз негізгі емес заряд тасалдаушылар болып есептелінетін, оған инжекция жасаған кемтіктер диффузия процессі негізінде жылжып, эмиттерлік өткелден коллекторлық өткелне қарай қозғалады. Бұл қоғалыс кемтіктердің кейбір бөлігінің  базадағы негізгі заряд тасымалдаушылар-электрондармен рекомбинация жасау прцессімен қосыла жүреді. Осы жағдайда рекомбинация процесі кезінде жойылып кетіп жатқан электрондардың орнын толтыру үшін сыртқы электр тоқ көзінен базаға электрондар келіп түсіп жатады да, базаның барлық көлемінде оның электрлік бейтараптығы сақталып тұрады.
3. Коллекторлық өткелге келген кемтіктерге коллекторға берілген кернеу олады өзіне тартып жылдамдататын әсер туғызады да, тегіс коллекторға жұмсайды процесс энстракция деп аталады.

     Эмиттердің  тоғы екі құрамадан тұрады:

      Мұнда: кемтіктер түзейтін негізгі тоқ; электрондар түзейтін тоқ. Эмиттер тоғының көбін кемтіктер құрайтын болғандықтан, оның тоқтық үлесін инжекция коэфиценті сипаттайды:

 

  себебі 

 

Базаның тоғы:

 

Мұнда: - эмиттерден базаға инжекция жасаған кемтіктердің электрондарымен рекомбинация жасалуынан туатын тоқ; ал  коллекторлық өткелдің негізгі емес заряд тасмалдаушылары туғызатын кері тоғы. Заряд тасмалдаушылардың базада рекомбинация жасау процесін және одан өтуін тасмалдау коэфициенті сипаттайды:

 

      Мұнда: - коллектордың кемтіктер түзетін тоғы, яғни база арқылы коллекторлық өткелге жетіп үлгерген негізгі емес заряд тасмалдаушылар құратын тоқ.  – коеффициентінің мәні неғұрлым бірге жақыны болғаны дұрыс, сонда рекомбинация процессі аз болып, кемтіктердің көбі база рақлы коллекторға өтіп кетеді деген сөз. Ал коллекторлық тоқ мынандай құрамдардан тұрады:

1. Базада негізгі емес заряд тасмалдаушылардың база арқылы келлекторға өтіп кетіп түзейтін экстракция тоғы:

 

 

 

 

-тоқты беріп жіберу  коэфиценті.

2. Коллектор ішіндегі негізгі емес заряд тасмалдаушылардың (электрондардың) өткел арқылы базаға өтіп түзейтін тоғы – коллекторлық  өткелдің кері тоғы - .

Сонымен,

                                             

 

Жалпы алғанда Кирхгоф  заңы бойынша транзистор арқылы жүретін  тоқтар мынандай байланыста:

 

         

 

2. Өрістік транззисторла  p-n өткелді өрістік тразисторлар

 

 

     Бұл үш полюсті прибор, екі p-n өткелі кері қосылған, тізбекке қосылуы 1.15-суретте көрсетілген. Өрістік транзисторларда негізгі заряд тасмалдаушылардың ағыны басқару, жартылай өткізгіштің  канал деп аталатын облысында оның енін электр кернеуінің көмегімен өзгерту арқылы жүгізіліп отырады. Каналға кіретін заряд тасмалдаушылардың жүрісі басталатын электродты бастау  (Б) деп атайды.

      Каналдан заряд тасмалдаушылардың шығып жететін электродын құйма (Қ) деп атайды.    Каналдың енін берілген кернеу бойынша өзгертіп отыратын электрод жаппа (Ж) деп аталады. Құймаға оң потециал беріледі, ал жаппаға теріс потенциал беріліп, p-n өткелі кері қосылады.

      Егер бастау мен құйма екі арасына сыртқы кернеу (минуспен бастауға) берілсе, онда n-тектес жартылай өткізгіш пластиканың ішінже бастаудан құймаға бағытталған электрондардың дрейфтік қозғалысы басталады да, құйма тоғы пайда болады.

 

1.4-сурет. Өрістік транзистордың тізбекке қосылуы (а) мен шартты белгілері; (ә) р-тектес канал, (б) n-тектес канал, (в) таңбалануы

      

Жаппаның кернеуі -ны немесе құйманың кернеуін -ны өзгерте отырып, осы тоқтың шамасын реттеп өзгертіп отыруға болады. Жаппаға берілген кернеудің шамасы өскенде екі жақтағы p-n өткелінің ендері өсіп, каналдың ені қысқарып, кедергісін артады да, жұмыс тізбегіндегі тоқ азаяды.

        кернеуі қосылған кезде өткізгіш каалдың конфигурациясы өзгеріп отырады, себебі осы кернеу бар кезде каналдың құйма және бастау жақтарындағы потенциалдары әр түрлі болады. Бастау жағындағы p-n өткелінің кернеуі -ға, ал + , сондықтан да зарядтары азайған аудан құйма жағында бастау жағындағыға қарағанда әлде қайда енді және жалпақ болады.

      Жаппаның кернеуінің әлдебір теріс мәнінде екі p-n өткелдерінің зарядтары азайған, кедейленген қабаттары бірімен – бірі түйісіп, қосылып кетуі мүмкін (1.4-сурет) (үздік сызықпен көсетілген), осы жағдайда өткізгіш каналдың көлденең кесіндісінің ауданы 0-ге тең болып, каналдың кедергісі шексіздікке жетіп, құманың тоғы   нөлге тең болады, тразистор жабық күйге түседі. Осы кездегі жаппа мен бастаудың арасында берілген кернеу тоқ тыйылу кернеуі деп аталып, деп белгілінеді.

      кернеуінің және тоғының кішкене мәдерінде транзисторды тікелей кедергі деп қарауға болады. аздап өссе, онымен түзу сызықты байланыста өседі, ал азайса да соған сәйкес азаяды. қатты өскен сайын сипаттамасы (1.5, а-сурет) түзу сызықты байланыстан тысқары шығып кетеді, бұл құйма жағындығы каналдың енінің кішіреюінен болады. Тоқтың белгілі бір мәнінде өскен сайын аз-маз ғана өзгеріп отырып қанығу режимі деп аталатын шегіне жетеміз. кернеуінің  өсуі мен тоғының өсуі каналдың енінің онан сайын жіңішкеруін тудырып, осыдан  барып тоғының азаюына әкеп сағатын динамикалық тепе-теңдік пайда болады. Аяғында осы тоқ өзгермей қалады. Қанығу күйі басталатын кернеу қанығу кернеуі деп аталады. Айтылып өткен сипаттама құймалық деп аталады. p-n өткелді өрістік транзистордың екінші  сипаттамасы құймалы жаппалық, яғни деген тәуелділік. Бұл сипаттама 1.4, ә-суретте көрсетілген.  Мұндағы -тоқтың тыйылуы тыйып тастау кернеуінің шамасы.

      p-n өткелді өрістік транзистордың мынандай көрсеткіштері бар:

• Сипаттамасының тіктігі:

S/

• Құйманың дифференциалдық кедергісі:

/

• Кернеуді  күшейту коэффиценті:

/

1.4-сурет. Өрістік транзистордың құймалық (а) және құймалы-жаппалық (ә) сипаттамалары

        

 

 

 

3.Изоляцияланған затворы бар өрістік транзисторлар немесе МДЖ (металл-диэлектрик-жартылай өткізгіш) тразисторлар

      

 

Бұл транзисторлардың жұмысы мынандай құбылыстың негізінде құрылған:  егер де жартылай өткізгіш пластинка  мен одан кішкене қашықтықта орналасқан және диэлектрикпен бөлінген металл пластинка арасына потенциалдар айырмасын беретін болсақ, онда жартылай өткізгіштің бетіндегі зарядтар үлесі өзгереді де, жартылай өткізгіштің  көлемін де сыртқы өріске қарсы бағытталған  және одан жартылай өткізгіштің негізгі  көлемін экрандайтын ішкі электр өрісі туады.

      Металл пластинка жаппа деп аталып, жартылай өткізгіштің пластинкасынан диэлектрлік жұқа қабыршақпен бөлінеді, міне сондықтан да бұл транзисторлардың металл-диэлектрик-жартылайөткізгіш (полупроводник) үш қабаттан тұратындықтан қысқартылып, МДЖ, (МДП) – транзисторлар деп аталуы немесе МТЖ ( металл-тотық-жартылайөткізгіш) деп аталады. Өйткені, көбінесе диэлектрик ретінде кремний қос тотығы Si    қолданылады.

      Егерде металл электродқа n-тектес жартылай өткізгішке қарағанда оң потенциал берілген болса, онда жартылай өткізгіштің бетінде ионизацияланған кацепторлар мен донорлардың концентрациясының айырмасынан саны көп негізгі заряд тасмалдаушылар-электрондар концентрациясы бар қабат пайда болады. Бұл қабатты байытылған деп атайды. Егер де металл электродқа (жаппа) теріс потенциал берілсе, онда жартылай өткізгіштің бетінде электрондардан кедейленген қабат пайда болады. Ал р-тектес жартылай өткізгіш пен металл пластинканы алатын болсақ, ондай жағдайда негізі заряд тасмалдаушылармен (кемтіктермен) жартылай өткізгіштің бетіндегі байытылған қабат жаппаға теріс потенциал берілгенде, ал электрондармен кедейленген қабат жаппаға оң потенциал берілгенде пайда болады.

          МДЖ – тразисторлардың екі  түрлері бар:

1. Өзіндік әдейі жасалған каналы бар МДЖ-тразистор;
2. Өріс арқылы пайда болатын (индукцияланған) каналы бар МДЖ-транзистор.(1.5,а-сурет) өзіндік өткізгіш n-тектес  каналы бар МДЖ тразистордың құрылысы косетілген.

 

1.5-сурет. МТЖ-транзисторлардың құрылысы: а) өзіндік өткішгіш n-тектес  каналды, ә) индукцияланған каналы бар, -донорлық кірмелер көп енгізілгенін көрсетеді

 

          Бұл транзистордың әдейі арнап  жасалған жаппаның астындағы  каналының өткізгіштігі жаппаға  берілген кернеудің шамасы мен  полярлығына байланысты өзгеріп  отырады. Жаппаның оң жағында  бастау орналасқан, сол жағында  құйма электроды орналасқан. Суретте  көрсетілгендей  бастау мен құйма  n-тектес   болса, жаппаға теріс  потенциал берілсе, ол электрондарды  каналдан кері итереді де (кедейлену  режимі), бастаудан құймаға қарай  жүретін электрондар саны азайып, тоқ кішірейеді, ал жаппаға оң  потенциал берілсе онда электрондар  жаппа астына тартылып каналдың  өткізгіштігі өсіп, электрондар  бастаудан құймаға қарай көптен  қозғалады да, құйма тоғы өседі.