ეს დიდად არის დამოკიდებული მინარევების კონცენტრაციაზე. ნახევარგამტარებს, რომელთა ელექტროფიზიკური თვისებები დამოკიდებულია სხვა ქიმიური ელემენტების მინარევებისაგან, ეწოდება მინარევების ნახევარგამტარები. არსებობს ორი სახის მინარევები, დონორი და მიმღები.

დონორიმინარევები ეწოდება, რომლის ატომები აძლევს ნახევარგამტარს თავისუფალ ელექტრონებს და ამ შემთხვევაში მიღებული ელექტრული გამტარობა, რომელიც დაკავშირებულია თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობასთან, არის ელექტრონული. ელექტრონული გამტარობის მქონე ნახევარგამტარს ეწოდება ელექტრონული ნახევარგამტარი და პირობითად აღინიშნება ლათინური ასო n - სიტყვის "უარყოფითი" პირველი ასო.

განვიხილოთ ნახევარგამტარში ელექტრონული გამტარობის ფორმირების პროცესი. ჩვენ ვიღებთ სილიციუმს, როგორც ძირითად ნახევარგამტარ მასალას (ყველაზე გავრცელებულია სილიციუმის ნახევარგამტარები). სილიკონს (Si) აქვს ატომის გარე ორბიტაზე ოთხი ელექტრონი, რომლებიც განსაზღვრავენ მის ელექტროფიზიკურ თვისებებს (ანუ ისინი მოძრაობენ ძაბვის გავლენის ქვეშ ელექტრული დენის შესაქმნელად). როდესაც დარიშხანის (As) მინარევების ატომები შეჰყავთ სილიკონში, რომელსაც აქვს ხუთი ელექტრონი გარე ორბიტაზე, ოთხი ელექტრონი ურთიერთქმედებს სილიციუმის ოთხ ელექტრონთან, ქმნის კოვალენტურ კავშირს, ხოლო დარიშხანის მეხუთე ელექტრონი რჩება თავისუფალი. ამ პირობებში ის ადვილად შორდება ატომს და ღებულობს ნივთიერებაში გადაადგილების შესაძლებლობას.

მიმღებიმინარევებს ეწოდება მინარევები, რომლის ატომები იღებენ ელექტრონებს მთავარი ნახევარგამტარის ატომებიდან. მიღებულ ელექტროგამტარობას, რომელიც დაკავშირებულია დადებითი მუხტების მოძრაობასთან - ხვრელებთან, ეწოდება ხვრელი. ხვრელების ელექტრული გამტარობის მქონე ნახევარგამტარს ეწოდება ხვრელი ნახევარგამტარი და პირობითად აღინიშნება ლათინური ასო p - სიტყვის პირველი ასო "დადებითი".

განვიხილოთ ხვრელების გამტარობის ფორმირების პროცესი. როდესაც ინდიუმის (In) მინარევების ატომები შეჰყავთ სილიკონში, რომელსაც აქვს სამი ელექტრონი გარე ორბიტაზე, ისინი უკავშირდებიან სილიციუმის სამ ელექტრონს, მაგრამ ეს ბმა არასრული აღმოჩნდება: კიდევ ერთი ელექტრონი აკლია მეოთხე ელექტრონთან დასაკავშირებლად. სილიკონი. მინარევების ატომი აკავშირებს დაკარგული ელექტრონს მთავარი ნახევარგამტარის ერთ-ერთი ახლო ატომიდან, რის შემდეგაც იგი უკავშირდება ოთხივე მეზობელ ატომს. ელექტრონის დამატების გამო იგი ჭარბ უარყოფით მუხტს იძენს, ანუ გადაიქცევა უარყოფით იონად. ამავდროულად, ნახევარგამტარული ატომი, საიდანაც მეოთხე ელექტრონი დარჩა მინარევის ატომისთვის, მეზობელ ატომებთან მხოლოდ სამი ელექტრონით არის დაკავშირებული. ამრიგად, ჭარბობს დადებითი მუხტი და ჩნდება შეუვსებელი ბმა, ანუ ხვრელი.

ნახევარგამტარის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი თვისება ის არის, რომ ხვრელების არსებობისას მასში დენი შეიძლება გაიაროს, თუნდაც მასში თავისუფალი ელექტრონები არ იყოს. ეს განპირობებულია ხვრელების უნარით გადაადგილდნენ ერთი ნახევარგამტარის ატომიდან მეორეზე.

მოძრავი "ხვრელების" ნახევარგამტარში

ნახევარგამტარის ნაწილში დონორის მინარევის და მეორე ნაწილში მიმღები მინარევების შეყვანით შესაძლებელია მასში ელექტრონისა და ხვრელების გამტარობის მქონე რეგიონების მიღება. ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა წარმოიქმნება ელექტრონული და ხვრელის გამტარობის ზონებს შორის საზღვარზე.

P-N შეერთება

განვიხილოთ პროცესები, რომლებიც ხდება დენის გავლისას ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა. მარცხენა ფენა, სახელწოდებით n, არის ელექტრონულად გამტარი. მასში არსებული დენი დაკავშირებულია თავისუფალი ელექტრონების მოძრაობასთან, რომლებიც პირობითად მითითებულია წრეებით მინუს ნიშნით. მარჯვენა ფენას, რომელიც აღინიშნება ასო p-ით, აქვს ხვრელის გამტარობა. ამ ფენაში დენი დაკავშირებულია ხვრელების მოძრაობასთან, რომლებიც მითითებულია ფიგურაში "პლუს" მქონე წრეებით.

ელექტრონებისა და ხვრელების მოძრაობა პირდაპირი გამტარობის რეჟიმში

ელექტრონებისა და ხვრელების მოძრაობა საპირისპირო გამტარობის რეჟიმში.

როდესაც სხვადასხვა ტიპის გამტარობის მქონე ნახევარგამტარები შედიან კონტაქტში, ელექტრონები გამო დიფუზიადაიწყებს გადაადგილებას p-რეგიონში, ხოლო ხვრელები - n-რეგიონში, რის შედეგადაც n-რეგიონის სასაზღვრო ფენა დამუხტულია დადებითად, ხოლო p-რეგიონის სასაზღვრო ფენა უარყოფითად. რეგიონებს შორის წარმოიქმნება ელექტრული ველი, რომელიც, როგორც იქნა, არის ბარიერები ძირითადი დენის მატარებლებისთვის, რის გამოც p-n შეერთებაში წარმოიქმნება რეგიონი შემცირებული მუხტის კონცენტრაციით. ელექტრულ ველს p-n შეერთებაში ეწოდება პოტენციური ბარიერი, ხოლო p-n შეერთებას ეწოდება ბლოკირების ფენა. თუ გარე ელექტრული ველის მიმართულება ეწინააღმდეგება p-n შეერთების ველის მიმართულებას ("+" p-რეგიონში, "-" n-რეგიონში), მაშინ პოტენციური ბარიერი მცირდება, მუხტების კონცენტრაცია. p-n შეერთებისას იზრდება, სიგანე და, შესაბამისად, გარდამავალი წინააღმდეგობა მცირდება. როდესაც იცვლება წყაროს პოლარობა, გარე ელექტრული ველი ემთხვევა p-n შეერთების ველის მიმართულებას, იზრდება შეერთების სიგანე და წინააღმდეგობა. ამიტომ, p-n შეერთებას აქვს სარქვლის თვისებები.

ნახევარგამტარული დიოდი

დიოდიეწოდება ელექტრული კონვერტაციის ნახევარგამტარულ მოწყობილობას ერთი ან მეტი p-n შეერთებით და ორი მილით. ძირითადი მიზნიდან და p-n კვანძში გამოყენებული ფენომენიდან გამომდინარე, არსებობს ნახევარგამტარული დიოდების რამდენიმე ძირითადი ფუნქციური ტიპი: გამსწორებელი, მაღალი სიხშირე, პულსი, გვირაბი, ზენერის დიოდები, ვარიკაპები.

ძირითადი ნახევარგამტარული დიოდების მახასიათებლებიარის დენი-ძაბვის მახასიათებელი (VAC). ნახევარგამტარული დიოდის თითოეული ტიპისთვის, I–V მახასიათებელს აქვს განსხვავებული ფორმა, მაგრამ ისინი ყველა ეფუძნება შეერთების გამსწორებელი დიოდის I–V მახასიათებელს, რომელსაც აქვს ფორმა:

დიოდის მიმდინარე-ძაბვის მახასიათებელი (CVC): 1 - პირდაპირი დენი-ძაბვის მახასიათებელი; 2 - უკუ დენი-ძაბვის მახასიათებელი; 3 - ავარიის არეალი; 4 - პირდაპირი დენი-ძაბვის მახასიათებლის სწორხაზოვანი მიახლოება; Upor არის ზღვრული ძაბვა; rdyn არის დინამიური წინააღმდეგობა; Uprob - ავარიის ძაბვა

შკალა y-ღერძის გასწვრივ დენების უარყოფითი მნიშვნელობებისთვის არჩეულია ბევრჯერ უფრო დიდი ვიდრე დადებითი.

დიოდების დენის ძაბვის მახასიათებლები გადის ნულზე, მაგრამ საკმარისად შესამჩნევი დენი ჩნდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ზღვრული ძაბვა(U შემდეგ), რომელიც გერმანიუმის დიოდებისთვის არის 0.1 - 0.2 V, ხოლო სილიკონის დიოდებისთვის არის 0.5 - 0.6 V. უარყოფითი ძაბვის მნიშვნელობების რეგიონში, უკვე შედარებით დაბალ ძაბვაზე (U arr. ) ხდება საპირისპირო დენი(მე ვაღიარებ). ამ დენს ქმნიან უმცირესობის მატარებლები: p-რეგიონის ელექტრონები და n-რეგიონის ხვრელები, რომელთა გადასვლას ერთი რეგიონიდან მეორეზე ხელს უწყობს პოტენციური ბარიერი ინტერფეისის მახლობლად. საპირისპირო ძაბვის ზრდით, დენის ზრდა არ ხდება, რადგან უმცირესობის მატარებლების რაოდენობა, რომლებიც ჩნდება გარდამავალ საზღვარზე დროის ერთეულზე, არ არის დამოკიდებული გარედან გამოყენებულ ძაბვაზე, თუ ის არ არის ძალიან დიდი. სილიკონის დიოდებისთვის საპირისპირო დენი რამდენიმე რიგით ნაკლებია ვიდრე გერმანიუმის. საპირისპირო ძაბვის შემდგომი ზრდა ავარიის ძაბვა(U ნიმუშები) მივყავართ იმ ფაქტს, რომ ელექტრონები ვალენტობის ზოლიდან გადადიან გამტარ ზოლში, არსებობს ზენერის ეფექტი. ამ შემთხვევაში, საპირისპირო დენი მკვეთრად იზრდება, რაც იწვევს დიოდის გათბობას და დენის შემდგომი მატება იწვევს თერმული ავარიას და p-n შეერთების განადგურებას.

დიოდების ძირითადი ელექტრული პარამეტრების აღნიშვნა და განსაზღვრა

ნახევარგამტარული დიოდის აღნიშვნა

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, დიოდი ატარებს დენს ერთი მიმართულებით (ანუ, იდეალურ შემთხვევაში, ეს არის მხოლოდ დაბალი წინაღობის გამტარი), მეორე მიმართულებით - არა (ანუ გადაიქცევა ძალიან მაღალი წინააღმდეგობის გამტარად), ერთი სიტყვით. , მას აქვს ცალმხრივი გამტარობა. შესაბამისად, მას მხოლოდ ორი დასკვნა აქვს. მათ, როგორც ჩვეული იყო ნათურის ტექნოლოგიის დროიდან, ე.წ ანოდი(დადებითი დასკვნა) და კათოდი(უარყოფითი).

ყველა ნახევარგამტარული დიოდი შეიძლება დაიყოს ორ ჯგუფად: რექტიფიკატორი და სპეციალური. გამსწორებელი დიოდებიროგორც სახელი გულისხმობს, შექმნილია ალტერნატიული დენის გამოსასწორებლად. ალტერნატიული ძაბვის სიხშირისა და ფორმის მიხედვით, ისინი იყოფა მაღალი სიხშირე, დაბალი სიხშირე და პულსი. განსაკუთრებულინახევარგამტარული დიოდების ტიპები იყენებენ p-n შეერთების სხვადასხვა თვისებებს; ავარიის ფენომენი, ბარიერის ტევადობა, უარყოფითი წინააღმდეგობის მქონე უბნების არსებობა და ა.შ.

გამსწორებელი დიოდები

სტრუქტურულად, გამსწორებელი დიოდები იყოფა პლანტურ და წერტილოვან, ხოლო წარმოების ტექნოლოგიის მიხედვით, შენადნობებად, დიფუზიურ და ეპიტაქსიურებად. პლასტიკური დიოდები, p-n შეერთების დიდი ფართობის გამო, გამოიყენება გასასწორებლად მაღალი დინებები. წერტილოვან დიოდებს აქვთ მცირე შეერთების ფართობი და, შესაბამისად, განკუთვნილია გასწორებისთვის მცირე დინებები. ზვავის ავარიული ძაბვის გასაზრდელად გამოიყენება გამომსწორებელი ბოძები, რომლებიც შედგება დიოდების სერიისგან, რომლებიც დაკავშირებულია სერიაში.

მაღალი სიმძლავრის გამომსწორებელი დიოდები ე.წ ძალა. ასეთი დიოდების მასალა ჩვეულებრივ არის სილიციუმი ან გალიუმის არსენიდი. სილიკონის შენადნობის დიოდები გამოიყენება ალტერნატიული დენის გასასწორებლად 5 kHz-მდე სიხშირით. სილიკონის დიფუზიური დიოდები შეიძლება მუშაობდნენ მაღალ სიხშირეებზე, 100 kHz-მდე. სილიკონის ეპიტაქსიალური დიოდები ლითონის სუბსტრატით (შოტკის ბარიერით) შეიძლება გამოყენებულ იქნას 500 kHz-მდე სიხშირეზე. გალიუმის დარიშხანის დიოდებს შეუძლიათ იმუშაონ სიხშირის დიაპაზონში რამდენიმე MHz-მდე.

დენის დიოდებს ჩვეულებრივ ახასიათებთ სტატიკური და დინამიური პარამეტრების ნაკრები. რომ სტატიკური პარამეტრებიდიოდები მოიცავს:

• ძაბვის ვარდნა U CR დიოდზე წინა დენის გარკვეული მნიშვნელობით;
• საპირისპირო დენიმე მივმართავ საპირისპირო ძაბვის გარკვეულ მნიშვნელობას;
• ნიშნავს პირდაპირი დენი I pr.cf. ;
• იმპულსური საპირისპირო ძაბვათქვენ არრ. ;

რომ დინამიური პარამეტრებიდიოდი არის მისი დროისა და სიხშირის მახასიათებლები. ეს პარამეტრები მოიცავს:

• აღდგენის დრო t უკუ ძაბვა;
• აწევის დროპირდაპირი დენი I გამომავალი. ;
• შეზღუდოს სიხშირედიოდის რეჟიმების შემცირების გარეშე f max .

სტატიკური პარამეტრების დაყენება შესაძლებელია დიოდის მიმდინარე-ძაბვის მახასიათებლის მიხედვით.

დიოდის tvos-ის საპირისპირო აღდგენის დრო გამასწორებელი დიოდების მთავარი პარამეტრია, რომელიც ახასიათებს მათ ინერციულ თვისებებს. იგი განისაზღვრება დიოდის გადართვით მოცემული წინა დენიდან I CR მოცემულ უკუ ძაბვაზე U arr. გადართვის დროს დიოდზე ძაბვა საპირისპირო მნიშვნელობას იძენს. დიფუზიის პროცესის ინერციის გამო დიოდში დენი არ ჩერდება მყისიერად, მაგრამ დროთა განმავლობაში თ ნარ. არსებითად, ადგილი აქვს მუხტების რეზორბციას p-n შეერთების საზღვარზე (ანუ ექვივალენტური სიმძლავრის გამონადენი). აქედან გამომდინარეობს, რომ დიოდში დენის დანაკარგები მკვეთრად იზრდება მისი ჩართვისას, განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც ის გამორთულია. შესაბამისად, დანაკარგები დიოდშიიზრდება გამოსწორებული ძაბვის სიხშირის გაზრდით.

როდესაც დიოდის ტემპერატურა იცვლება, მისი პარამეტრები იცვლება. დიოდზე წინა ძაბვა და მისი საპირისპირო დენი ყველაზე მეტად დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. დაახლოებით, შეგვიძლია ვივარაუდოთ, რომ TKN (ძაბვის ტემპერატურის კოეფიციენტი) Upr \u003d -2 mV / K, ხოლო დიოდის საპირისპირო დენს აქვს დადებითი კოეფიციენტი. ასე რომ, ყოველ 10 ° C-ზე ტემპერატურის მატებასთან ერთად, გერმანიუმის დიოდების საპირისპირო დენი იზრდება 2-ჯერ, ხოლო სილიციუმი - 2,5-ჯერ.

დიოდები შოთკის ბარიერით

მაღალი სიხშირის მცირე ძაბვის გასასწორებლად ფართოდ გამოიყენება შოთკის ბარიერის დიოდები. ამ დიოდებში, p-n შეერთების ნაცვლად, გამოიყენება ლითონის ზედაპირის კონტაქტი. შეხების წერტილში ჩნდება მუხტის მატარებლებში ამოწურული ნახევარგამტარული ფენები, რომლებსაც გამორთვის ფენებს უწოდებენ. დიოდები Schottky ბარიერით განსხვავდება დიოდებისგან p-n შეერთებით შემდეგი გზებით:

• მეტი დაბალი სწორიძაბვის ვარდნა;
• მეტის ქონა დაბალი საპირისპიროვოლტაჟი;
• მეტი მაღალი დენიჟონავს;
• თითქმის გადასახადის გარეშესაპირისპირო აღდგენა.

ორი ძირითადი მახასიათებელი ხდის ამ დიოდებს შეუცვლელს: დაბალი ძაბვის ვარდნა და ძაბვის სწრაფი აღდგენა. გარდა ამისა, მცირე მედიის არარსებობა, რომელიც მოითხოვს აღდგენის დროს, ნიშნავს ფიზიკურს არანაირი დანაკარგითავად დიოდის გადართვა.

თანამედროვე Schottky დიოდების მაქსიმალური ძაბვა არის დაახლოებით 1200 V. ამ ძაბვის დროს, Schottky დიოდის წინა ძაბვა ნაკლებია p-n შეერთების მქონე დიოდების წინა ძაბვაზე 0,2 ... 0,3 ვ.

შოთკის დიოდის უპირატესობები განსაკუთრებით შესამჩნევი ხდება დაბალი ძაბვის გასწორებისას. მაგალითად, 45 ვოლტიანი შოთკის დიოდს აქვს წინა ძაბვა 0,4 ... 0,6 ვ, ხოლო იმავე დენზე, p-n-შეერთების დიოდს აქვს ძაბვის ვარდნა 0,5 ... 1,0 ვ. როდესაც საპირისპირო ძაბვა ეცემა 15 V, წინა ძაბვა მცირდება 0.3 ... 0.4 V. საშუალოდ, Schottky დიოდების გამოყენება გამოსასწორებელში შესაძლებელს ხდის დანაკარგების შემცირებას დაახლოებით 10 ... 15% -ით. Schottky დიოდების მაქსიმალური მუშაობის სიხშირე აღემატება 200 kHz-ს.

თეორია კარგია, მაგრამ პრაქტიკული გამოყენების გარეშე ეს მხოლოდ სიტყვებია.

ამჟამად, მეთოდების სამი ძირითადი ჯგუფი გამოიყენება გალიუმის არსენიდში შეერთების დასამზადებლად: დიფუზია, ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია და თხევადი ფაზის ეპიტაქსია. შერწყმის მეთოდი, რომელიც ადრე გამოიყენებოდა ნახევარგამტარულ ტექნოლოგიაში, აღარ გამოიყენება PCD ტექნოლოგიაში, რადგან ის არ წარმოქმნის მოჩუქურთმებულ და ბრტყელ ელექტრონულ ხვრელ გადასვლას და, შესაბამისად, უვარგისია ლაზერული დიოდების წარმოებისთვის. ამიტომ, ახლა PCG დიოდების წარმოების ძირითადი მეთოდებია დიფუზია და ეპიტაქსია.

8.3.1. დიფუზიის მეთოდი

დიფუზიის თეორია ეფუძნება დაშვებას, რომ მინარევების ატომები არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან დიფუზიის დროს და დიფუზიის სიჩქარე არ არის დამოკიდებული მათ კონცენტრაციაზე. ამ დაშვების საფუძველზე გამოდის დიფუზიის ფუნდამენტური განტოლებები - ფიკის კანონები. ფიკის პირველი კანონი განსაზღვრავს დიფუზიის ნაკადს, როგორც კონცენტრაციის გრადიენტის პროპორციულ რაოდენობას (იზოთერმული პირობებში ერთგანზომილებიანი დიფუზიით)

სად არის დიფუზური ატომების კონცენტრაცია; x - მანძილის კოორდინატი; დიფუზიის კოეფიციენტი.

ფიკის მეორე კანონი განსაზღვრავს დიფუზიის სიჩქარეს

ამ კანონებიდან გამომდინარე, შეგიძლიათ იპოვოთ მინარევების კონცენტრაციის განაწილება ნახევრად შეზღუდულ ნიმუშში. იმ შემთხვევისთვის, როდესაც საწყისი კონცენტრაცია კრისტალის დიდ ნაწილში ახლოს არის ნულთან, ხოლო ზედაპირის კონცენტრაცია არის და რჩება მუდმივი, მინარევების კონცენტრაცია დროის შემდეგ x სიღრმეზე არის

თუ დიფუზია ხდება თხელი ფენიდან ერთეულზე მინარევის კონცენტრაციის სისქით

ზედაპირზე, მაშინ მინარევების განაწილება გამოიხატება განტოლებით

ნიმუშში მინარევების განაწილების კონცენტრაციის პროფილების დადგენა ხდება ან რადიოაქტიური ტრასერის მეთოდით, ან ნიმუშის ირიბი ჭრილის გასწვრივ „წინააღმდეგობის გავრცელების“ გაზომვის მეთოდით.

დიფუზიის კოეფიციენტის ტემპერატურულ დამოკიდებულებას აქვს ფორმა

თუმცა, ეს დამოკიდებულება ყოველთვის არ არის შენარჩუნებული ორობით ნახევარგამტარებში ფიკის კანონის გადახრის გამო, რადგან მინარევები ურთიერთქმედებს ნაერთის ერთ-ერთ კომპონენტთან ან ნაერთის დისოციაციის დროს აქროლადი კომპონენტის აორთქლების გამო წარმოქმნილ ცარიელ ადგილებთან. ზოგჯერ, ნაერთის კომპონენტებთან მინარევის ურთიერთქმედების შედეგად, წარმოიქმნება ახალი ნაერთები, რომლებიც უფრო სტაბილურია, ვიდრე ორიგინალური ორობითი ნახევარგამტარი. დიფუზიური ტიპის ნაერთებში დიფუზია ხდება ატომების გადაადგილების გზით III და V ჯგუფების ელემენტების ქველატის ადგილების გასწვრივ. დიფუზიის აქტივაციის ენერგია ამ შემთხვევაში დამოკიდებულია ქველატის ტიპზე, რომლის კვანძების მეშვეობითაც ხდება დიფუზია. თუმცა ეს მექანიზმი ერთადერთი არ არის; შესაძლებელია, მაგალითად, არის მინარევების დიფუზია შუალედებში. სხვადასხვა მინარევების დიფუზია ბინარულ ნახევარგამტარებში განიხილება მიმოხილვაში. მონაცემები გალიუმის არსენიდში მინარევების დიფუზიის შესახებ მოცემულია ცხრილში. 8.3.

შეერთების დამზადება დიფუზიით შეიძლება განხორციელდეს ორივე დონორის გალიუმის არსენიდში და მიმღებების - ტიპის მასალაში დიფუზიით. ვინაიდან დონორების დიფუზია ძალიან ნელია, ჩვეულებრივ ხდება აქცეპტორების დიფუზია. ყველაზე გავრცელებული დოპანტები, რომლებიც გამოიყენება ინექციების წარმოებისთვის არის აქცეპტორი - თუთია და დონორი - ტელურუმი. ინდუსტრია აწარმოებს გალიუმის არსენიდის ერთკრისტალებს, რომლებიც განკუთვნილია PKG-ს წარმოებისთვის, დოპირებული ტელურით კონცენტრაციამდე.

(დააწკაპუნეთ სკანირების სანახავად)

კონცენტრაციები, როგორც ზემოთ არის ნაჩვენები, და ოპტიმალურია. ამ ერთკრისტალებიდან ამოჭრილ ფირფიტებში ელექტრონულ ხვრელში გადასვლა წარმოიქმნება თუთიის დიფუზიით, რაც საშუალებას იძლევა, არც თუ ისე მაღალ ტემპერატურაზე, სწრაფად წარმოქმნას გადასვლა ნებისმიერ სასურველ სიღრმეზე.

დიფუზიისთვის მიწოდებული გალიუმის დარიშხანის ფირფიტები უნდა იყოს სპეციალურად მომზადებული. უპირველეს ყოვლისა, რენტგენის მეთოდით კრისტალში ვლინდება თვითმფრინავი ინდექსით (100). შემდეგ ბროლი იჭრება ფირფიტებად ამ კრისტალოგრაფიული სიბრტყის პარალელურად. თვითმფრინავის არჩევანი განისაზღვრება შემდეგი მოსაზრებებით. ნაერთების კრისტალები ადვილად იშლება (110) სიბრტყის გასწვრივ. სფალერიტის კუბურ სტრუქტურაში, რომელიც დამახასიათებელია ამ ნაერთებისთვის, არის სამი (110) სიბრტყე (111) სიბრტყის პერპენდიკულარული და ორი პერპენდიკულარული (100) სიბრტყე. თუ არჩეულია (111) თვითმფრინავი, შესაძლებელია სამკუთხა PKG დიოდების დამზადება.

დიოდები ტიპიური Fabry-Pero-ს რეზონატორებით ადვილად კეთდება (100) სიბრტყის პარალელურად მოჭრილი ფირფიტებიდან (110) გასწვრივ მარტივი ორმაგი გაყოფით. ეს რეზონატორის თვითმფრინავები უნდა იყოს მკაცრად პერპენდიკულარული მომავალი გადასვლისთვის, რადგან დიოდის აქტიური ფენის სისქე მხოლოდ 1-2 მიკრონია. შესაბამისად, რეზონატორის სიბრტყის უმნიშვნელო გადახრებმა შეიძლება გამოიწვიოს რადიაციის გამოსხივება აქტიური რეგიონიდან. ამ მოთხოვნის შესასრულებლად, ვაფლის ერთ მხარეს დაფქვავენ 5 მკმ ფხვნილით, რომელიც პერპენდიკულარულია გაჭრილ სიბრტყეზე დიფუზიამდე. ფირფიტის მიწის ზედაპირი ხელით პრიალდება მინაზე გასაპრიალებელი ფხვნილით (მარცვლის ზომა ჯერ 1 მკმ და შემდეგ 0.3 მკმ). ზოგჯერ გამოიყენება ქიმიური გაპრიალებაც.

თუთიის დიფუზიის პროცესი გაპრიალებულ გალიუმის არსენიდის ფირფიტაში ხორციელდება ან დახურულ მოცულობაში (დალუქულ ამპულაში) ან ნაკადის სისტემაში. თუმცა, უფრო ხშირად გამოიყენება დახურული სისტემა. ამისათვის ამპულა წინასწარ ამოტუმბულია ნარჩენი წნევამდე დაახლოებით მმ Hg. Ხელოვნება. თუთიის წყაროდ მიიღება ელემენტარული თუთია ან მისი ნაერთები.ეს უკანასკნელი ნაერთი არის მყარი ფაზების ნარევი, თანაფარდობა.

რომლებიც არჩეულია დიფუზიის ტემპერატურული პირობების მიხედვით. თუ ელემენტარული თუთია გამოიყენება მინარევების წყაროდ, მაშინ ელემენტარული დარიშხანიც მოთავსებულია ამპულაში თანაფარდობით ან როგორც ქვემოთ იქნება ნაჩვენები, ამ პროცესში დიდი მნიშვნელობა აქვს დარიშხანის წნევას ამპულაში.

არსებობს დიფუზიური პროცესების სამი ვარიანტი, რომლებიც გამოიყენება ტექნოლოგიაში კვანძების ფორმირებისთვის.

1. ერთსაფეხურიანი თუთიის დიფუზიადარიშხანის ატმოსფეროში თეფშში (100) ან (111) ტარდება თუთიის ტემპერატურაზე და დარიშხანი იტვირთება ამპულაში მათი მთლიანი კონცენტრაციის თანაფარდობით გაზის ფაზაში უნდა იყოს პროცესის დასრულების შემდეგ, ამპულა სწრაფად გაცივდება წყლით. პროცესის ხანგრძლივობა არჩეულია გადასვლის სასურველი სიღრმის მიხედვით.

ამ პირობებში სამსაათიანი დიფუზიის შედეგად, გარდამავალი ყალიბდება დაახლოებით 20 მკმ სიღრმეზე.

2. თუთიის დიფუზია, რასაც მოჰყვება ანეილირება დარიშხანის ატმოსფეროში.დიფუზიის პროცესი მსგავსია ზემოთ აღწერილის, მაგრამ დიფუზიის პროცესის დასასრულს, ფირფიტა მოთავსებულია სხვა ამპულაში, სადაც ასევე მოთავსებულია დარიშხანი, დატვირთვის მქონე ამპულა ამოტუმბავს მმ Hg-მდე. Ხელოვნება. და შენახვა ღუმელში 900 °C ტემპერატურაზე ანეილირებისთვის ხელს უწყობს კომპენსირებული ტერიტორიის გაფართოებას, აქტიური გარდამავალი ფენის გასწორებას და გლუვი, არამკვეთრი გადასვლის შექმნას. ოპტიმალური პირობებია შემდეგი: ეტაპი I (დიფუზია) - ტემპერატურა თუთიის კონცენტრაციის თანაფარდობა ხანგრძლივობის I ეტაპი II (ანილირება) - ტემპერატურა 900 ან - დარიშხანის კონცენტრაციის ხანგრძლივობა II ეტაპი. დიფუზიის სიღრმე ამ პირობებში არის დაახლოებით 8 მიკრონი.

3. სამსაფეხურიანი დიფუზია.ზემოთ აღწერილი ორეტაპიანი დიფუზიის პროცესს ემატება მესამე ეტაპი - თუთიის ზედაპირული დიფუზია ფენის შესაქმნელად.

დიფუზიის პროცესის და ამპულის გაგრილების დასასრულს, გალიუმის არსენიდის ფირფიტა ამოღებულია და მისი კიდე იჭრება გადასვლის დასადგენად, მისი წარმოქმნის სიღრმის დასადგენად და ვიზუალურად დაკვირვების მახასიათებლებზე: თანასწორობა, სიგანე და ა.შ. რომ

იმისთვის, რომ გარდამავალი მკაფიოდ ხილული იყოს, ჩიპი იჭრება ხსნარში ან ხსნარის წვეთი წაისვით დაქუცმაცებულ ზედაპირზე და ჩერდება 15–30 წამის განმავლობაში, რის შემდეგაც ფირფიტა ირეცხება გამოხდილი წყლით. ამოჭრილ ზედაპირზე ჩანს ორი ხაზი: ქვედა ხაზი განსაზღვრავს გარდამავალ საზღვარს, ხოლო ზედა არის ადგილი, სადაც იწყება β-ტიპის მასალის გადაგვარება.

თუთიის გალიუმის არსენიდში დიფუზიის მექანიზმი.თუთიის კონცენტრაციის განაწილება გალიუმის არსენიდში დიფუზიის შედეგად ანომალიურია. თუთიის დიფუზიისთვის დაბალ ტემპერატურაზე, ის შეიძლება აღწერილი იყოს გაუსის ცდომილების ფუნქციით, ანუ განტოლებები (8.4) და (8.5); ამ შემთხვევაში, დიფუზიის კოეფიციენტების მნიშვნელობები შეიძლება გამოითვალოს ცხრილში მოცემული პარამეტრების გათვალისწინებით. 8.3. 800°C-ზე მაღალი დიფუზიური ტემპერატურის შემთხვევაში, თუთიის განაწილება გალიუმის არსენიდში არ მიჰყვება ამ კლასიკურ სტანდარტს. თუთიის ანომალიური განაწილების ტიპიური მაგალითები ნაჩვენებია ნახ.

8.13 ტემპერატურაზე დიფუზიისთვის დროს

ანომალიური მოვლენები თუთიის გალიუმის არსენიდში დიფუზიის დროს მრავალი კვლევის საგანია. დაფიქსირდა შემდეგი ფაქტები.

ბრინჯი. 8.13. თუთიის კონცენტრაციის განაწილების პროფილები გალიუმის არსეიდის ფირფიტაში ზედაპირის სხვადასხვა კონცენტრაციისთვის დიფუზიის ტემპერატურაზე და დაახლოებით ხანგრძლივობაზე

დიფუზიის ზემოთ ტემპერატურაზე, თუთიის დიფუზიის კოეფიციენტი ძლიერ არის დამოკიდებული დარიშხანის კონცენტრაციაზე, ხოლო თუთიის ხსნადობა გალიუმის არსენიდში იზრდება სამი რიგითაც კი (1017-დან, ე.ი. თუთიის კონცენტრაციის გრადიენტის არარსებობის შემთხვევაში). ნიმუში.

თუთიის ატომები შეიძლება განთავსდეს გალიუმის არსენიდში გალიუმის ადგილებზე ან შუალედებში, ამიტომ თუთიის დიფუზია შეიძლება მოხდეს გალიუმის ვაკანსიების გასწვრივ და შუალედებში. ფიკის კანონი ასეთი ორმაგი დიფუზიის მექანიზმისთვის შეიძლება გამოისახოს განტოლებით

სადაც და არის თუთიის დიფუზიის კოეფიციენტები შუალედებზე და გალიუმის ჩანაცვლების მექანიზმზე.

ეს განტოლება შეიძლება გამარტივდეს ეფექტური დიფუზიის კოეფიციენტის შემოღებით:

იზოკონცენტრაციის დიფუზიის შედეგები აჩვენებს, რომ თუთიის მაღალ კონცენტრაციებში ჭარბობს დიფუზია შუალედებში, ე.ი.

შესაბამისად, იზოკონცენტრაციის დიფუზია ასევე შეიძლება აღწერილი იყოს განტოლებით (8.4). იზოკონცენტრაციის დიფუზიის კოეფიციენტი შეიძლება გამოითვალოს ინტერსტიციული თუთიის ატომებისა და გალიუმის ვაკანსიების კონცენტრაციის ანალიზის საფუძველზე. მისი ძლიერი დამოკიდებულება თუთიის კონცენტრაციაზე ნაჩვენებია ნახ. 8.14.

ბრინჯი. 8.14, გალიუმის არსენიდში თუთიის დიფუზიის კოეფიციენტის დამოკიდებულება თუთიის კონცენტრაციაზე.

თუმცა, რეალურ ტექნოლოგიურ პირობებში მაღალ ტემპერატურაზე, თუთიის ზედაპირული კონცენტრაცია გალიუმის არსენიდზე ოდნავ აღემატებოდა თუთიის ორთქლის სიმკვრივეს ამპულაში. ამპულაში დარიშხანის წნევის არარსებობის შემთხვევაში, თუთიის განაწილება ნიმუშში იყო განუმეორებლად დამახინჯებული და

გადასვლა არათანაბარი იყო, განსაკუთრებით თუთიის დაბალ კონცენტრაციებში. ამპულაში დარიშხანის შეყვანამ არსებითად გამოასწორა სიტუაცია. დიფუზიის კოეფიციენტის დამოკიდებულება თუთიის კონცენტრაციაზე მნიშვნელოვნად შემცირდა, დიფუზია უფრო რეგულარულად მიმდინარეობდა და გარდამავალი აღმოჩნდა გლუვი.

ყურადღება უნდა მიექცეს იმ ფაქტს, რომ თუთიის დიფუზიის ანომალიური მოვლენები ხდება გალიუმის არსენიდის დაშლის დაწყების დაწყების ტემპერატურაზე მაღალ ტემპერატურაზე, ამიტომ ამპულაში უნდა შეიქმნას დარიშხანის წნევა, მინიმუმ დისოციაციის წნევის ტოლი. გალიუმის არსენიდი მოცემულ ტემპერატურაზე. გარდა ამისა, ვინაიდან თუთია დარიშხანთან ერთად დნობის ორ ნაერთს ქმნის, შეიძლება ველოდოთ მათ წარმოქმნას როგორც თუთიის წყაროზე, ასევე გალიუმის არსენიდის ზედაპირზე. ამ პროცესებმა, ისევე როგორც გალიუმის არსენიდის დისოციაციამ, შეიძლება გამოიწვიოს თხევადი გალიუმის განთავისუფლება და თუთიისა და გალიუმის არსენიდის გალიუმის ხსნარების წარმოქმნა, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ადგილობრივი ზედაპირის დარღვევები, რაც კიდევ უფრო ამახინჯებს დიფუზიის პროფილს და გადასვლას. ამ ზედაპირული დარღვევების აღმოსაფხვრელად და დიფუზიის იზოკონცენტრაციის რეჟიმთან მიახლოების მიზნით, თუთია ზოგჯერ დიფუზირდება გალიუმის არსენიდზე დეპონირებული ფენით, ან თუთიით დოპირებული ფილიდან.

თუთიის რეპროდუქციული დიფუზიის მიღწევის პირობები გალიუმის არსენიდში შეიძლება განისაზღვროს n? გალიუმ-დარიშხან-თუთიის ფაზური წონასწორობის დიაგრამების განხილვის საფუძველზე (სურ. 8.15).

თუ მხოლოდ ელემენტარული თუთია გამოიყენება როგორც დიფუზანტი, მაშინ დარიშხანი გადაიცემა გალიუმის არსენიდიდან თუთიის წყარომდე, სანამ ორივე ზედაპირზე არ ჩამოყალიბდება თუთიის დარიშხანის წონასწორული ფაზები. ბუნებრივია, ეს გამოიწვევს თხევადი გალიუმის გამოყოფას, ვაფლის ზედაპირის დაზიანებას და დიფუზიის ფრონტის დამახინჯებას.

თუ წყარო არის თუთია და დარიშხანი ან თუთიის არსენიდები, მაშინ ყველაფერი დამოკიდებულია დიფუზანტის რაოდენობაზე, მის შემადგენლობასა და ტემპერატურაზე. მცირე რაოდენობით დიფუზანტით (რამდენიმე ამპულა) არ წარმოიქმნება შედედებული ფაზა - მთელი თუთია და დარიშხანი ორთქლის ფაზაშია. დიფუზიის ხანგრძლივობიდან და ტემპერატურიდან გადასვლის ზედაპირული დარღვევები გამოიხატება

n- და p-ტიპების ორი ნახევარგამტარის კონტაქტს ეწოდება p-n-შეერთება ან n-p-შეერთება. დიფუზია იწყება ნახევარგამტარებს შორის კონტაქტის შედეგად. ელექტრონების ნაწილი მიდის ხვრელებისკენ, ზოგიერთი ხვრელი კი ელექტრონების მხარეს.

შედეგად, ნახევარგამტარები დამუხტულია: n დადებითია, p კი უარყოფითი. მას შემდეგ, რაც გარდამავალ ზონაში წარმოქმნილი ელექტრული ველი დაიწყებს ელექტრონებისა და ხვრელების მოძრაობის შეფერხებას, დიფუზია შეჩერდება.

pn შეერთების შეერთებისას წინა მიმართულებით, ის თავისთავად გაივლის დენს. თუ თქვენ დააკავშირებთ pn-შეერთებას საპირისპირო მიმართულებით, მაშინ ის პრაქტიკულად არ გაივლის დენს.

შემდეგი გრაფიკი გვიჩვენებს pn შეერთების წინა და უკანა შეერთების მიმდინარე-ძაბვის მახასიათებლებს.

ნახევარგამტარული დიოდის დამზადება

მყარი ხაზი გვიჩვენებს pn-შეერთების პირდაპირი შეერთების დენის ძაბვის მახასიათებელს, ხოლო წერტილოვანი ხაზი გვიჩვენებს საპირისპირო კავშირს.
გრაფიკიდან ჩანს, რომ pn-შეერთება ასიმეტრიულია დენის მიმართ, რადგან წინა მიმართულებით შეერთების წინააღმდეგობა გაცილებით ნაკლებია, ვიდრე საპირისპირო მიმართულებით.

pn შეერთების თვისებები ფართოდ გამოიყენება ელექტრული დენის გასასწორებლად. ამისათვის ნახევარგამტარული დიოდი მზადდება pn შეერთების საფუძველზე.

როგორც წესი, გერმანიუმი, სილიციუმი, სელენი და რიგი სხვა ნივთიერებები გამოიყენება ნახევარგამტარული დიოდების დასამზადებლად. მოდით უფრო დეტალურად განვიხილოთ pn შეერთების შექმნის პროცესი გერმანიუმის გამოყენებით n ტიპის ნახევარგამტართან.

ასეთი გადასვლის მიღება შეუძლებელია ორი ნახევარგამტარის მექანიკური შეერთებით სხვადასხვა ტიპის გამტარობით. ეს შეუძლებელია, რადგან უფსკრული ნახევარგამტარებს შორის ძალიან დიდია.

ჩვენ გვჭირდება pn-შეერთების სისქე არაუმეტეს ატომთაშორის დისტანციებზე. ამის თავიდან ასაცილებლად, ინდიუმი დნება ნიმუშის ერთ-ერთ ზედაპირზე.

ნახევარგამტარული დიოდის შესაქმნელად, p-ტიპის დოპირებული ნახევარგამტარი, რომელიც შეიცავს ინდიუმის ატომებს, თბება მაღალ ტემპერატურაზე. n-ტიპის მინარევების წყვილი დეპონირებულია ბროლის ზედაპირზე. გარდა ამისა, დიფუზიის გამო, ისინი შეჰყავთ თავად კრისტალში.

ბროლის ზედაპირზე, რომელსაც აქვს p-ტიპის გამტარობა, იქმნება n-ტიპის გამტარობის რეგიონი. შემდეგი სურათი სქემატურად გვიჩვენებს, როგორ გამოიყურება ეს.

ბროლზე ჰაერისა და სინათლის ზემოქმედების გამორიცხვის მიზნით, იგი მოთავსებულია დალუქულ ლითონის ყუთში. მიკროსქემის დიაგრამებზე დიოდი აღინიშნება შემდეგი სპეციალური ხატით.

მყარი მდგომარეობის გამსწორებლებს აქვთ ძალიან მაღალი საიმედოობა და ხანგრძლივი მომსახურების ვადა. მათი მთავარი მინუსი ის არის, რომ მათ შეუძლიათ მუშაობა მხოლოდ მცირე ტემპერატურის დიაპაზონში: -70-დან 125 გრადუსამდე.

ნახევარგამტარული დიოდები

ნახევარგამტარული დიოდი არის ელექტრული წრედის ელემენტი, რომელსაც აქვს ორი ტერმინალი და აქვს ცალმხრივი ელექტრული გამტარობა. ყველა ნახევარგამტარული დიოდი შეიძლება დაიყოს ორ ჯგუფად: რექტიფიკატორი და სპეციალური. Rectifier დიოდები, როგორც სახელიდან ჩანს, შექმნილია ალტერნატიული დენის გასასწორებლად. ალტერნატიული ძაბვის სიხშირისა და ფორმის მიხედვით, ისინი იყოფა მაღალი სიხშირე, დაბალი სიხშირე და პულსი. სპეციალური ტიპის ნახევარგამტარული დიოდები იყენებენ სხვადასხვა თვისებებს pnგადასვლები: ავარიის ფენომენი, ბარიერის ტევადობა, უარყოფითი წინააღმდეგობის მქონე მონაკვეთების არსებობა და ა.შ.

სტრუქტურულად, გამსწორებელი დიოდები იყოფა პლანტურ და წერტილოვან, ხოლო წარმოების ტექნოლოგიის მიხედვით, შენადნობებად, დიფუზიურ და ეპიტაქსიურებად. გეგმური დიოდები დიდი ფართობის გამო pn- შეერთებები გამოიყენება მაღალი დენების გასასწორებლად. წერტილოვან დიოდებს აქვთ მცირე შეერთების არეალი და, შესაბამისად, შექმნილია მცირე დენების გასასწორებლად. ზვავის ავარიული ძაბვის გასაზრდელად გამოიყენება გამსწორებელი ბოძები, რომლებიც შედგება რიგით დაკავშირებული დიოდებისგან.

მაღალი სიმძლავრის გამომსწორებელ დიოდებს უწოდებენ დენის დიოდებს. ასეთი დიოდების მასალა ჩვეულებრივ არის სილიციუმი ან გალიუმის არსენიდი. გერმანიუმი პრაქტიკულად არ გამოიყენება საპირისპირო დენის ძლიერი ტემპერატურული დამოკიდებულების გამო. სილიკონის შენადნობის დიოდები გამოიყენება ალტერნატიული დენის გასასწორებლად 5 kHz-მდე. სილიკონის დიფუზიური დიოდები შეიძლება მუშაობდნენ ამაღლებულ სიხშირეებზე 100 kHz-მდე. სილიკონის ეპიტაქსიალური დიოდები ლითონის სუბსტრატით (შოტკის ბარიერით) შეიძლება გამოყენებულ იქნას 500 kHz-მდე სიხშირეზე. გალიუმის დარიშხანის დიოდებს შეუძლიათ იმუშაონ სიხშირის დიაპაზონში რამდენიმე MHz-მდე.

დიოდების მოქმედება ემყარება ელექტრონულ ხვრელში გადასვლის გამოყენებას - მასალის თხელი ფენა სხვადასხვა ტიპის ელექტროგამტარობის ორ უბანს შორის - ნდა გვ. ამ გადასვლის მთავარი თვისებაა ასიმეტრიული ელექტრული გამტარობა, რომლის დროსაც კრისტალი გადის დენს ერთი მიმართულებით და არ გადის მეორეში. ელექტრონულ ხვრელში გადასვლის მოწყობილობა ნაჩვენებია ნახ. 1.1, ა. მისი ერთი ნაწილი დოპირებულია დონორის მინარევებით და აქვს ელექტრონული გამტარობა ( ნ-რეგიონი); მეორეს, დოპირებული მიმღები მინარევებისაგან, აქვს ხვრელების გამტარობა ( გვ- რეგიონი). მატარებლის კონცენტრაცია რეგიონებში მკვეთრად განსხვავდება. გარდა ამისა, ორივე ნაწილი შეიცავს უმცირესობის მატარებლების მცირე კონცენტრაციას.

ნახ.1.1. pnგარდამავალი:

a - მოწყობილობა, b - სივრცის მუხტები

ელექტრონები შევიდა ნ- ტერიტორიების შეღწევის ტენდენცია გვ- რეგიონი, სადაც ელექტრონის კონცენტრაცია გაცილებით დაბალია. ანალოგიურად, ხვრელები გვ- ტერიტორიები გადატანილია ნ- რეგიონი. საპირისპირო მუხტების მოახლოებული მოძრაობის შედეგად წარმოიქმნება ე.წ. დიფუზიური დენი. ელექტრონები და ხვრელები, რომლებმაც გაიარეს ინტერფეისი, ტოვებენ საპირისპირო მუხტს, რაც ხელს უშლის დიფუზიური დენის შემდგომ გავლას. შედეგად, დინამიური წონასწორობა მყარდება საზღვარზე და დახურვისას გვ- და ნ- წრეში დენი არ მიედინება. სივრცის მუხტის სიმკვრივის განაწილება გადასვლაში ნაჩვენებია ნახ.1.1, ბ. ამ შემთხვევაში, კრისტალის შიგნით ინტერფეისზე არის საკუთარი ელექტრული ველი E ოქტ. , რომლის მიმართულება ნაჩვენებია ნახ.1.1, ა. მისი ინტენსივობა მაქსიმალურია ინტერფეისზე, სადაც ადგილი აქვს კოსმოსური დამუხტვის ნიშნის მკვეთრ ცვლილებას. შემდეგ კი ნახევარგამტარი ნეიტრალურია.

ბარიერის პოტენციური სიმაღლე ზე pnგადასვლა განისაზღვრება კონტაქტის პოტენციალის სხვაობით ნ- და გვ- უბნები, რომლებიც, თავის მხრივ, დამოკიდებულია მათში მინარევების კონცენტრაციაზე:

, (1.1)

სად არის თერმული პოტენციალი, N nდა გვარის ელექტრონებისა და ხვრელების კონცენტრაცია ნ- და გვ- ტერიტორიები, n iარის მუხტის მატარებლების კონცენტრაცია დაუმუშავებელ ნახევარგამტარში.

საკონტაქტო პოტენციალის სხვაობა გერმანიუმისთვის არის 0,6 ... 0,7 ვ, ხოლო სილიკონისთვის - 0,9 ... 1,2 ვ. პოტენციური ბარიერის სიმაღლე შეიძლება შეიცვალოს გარე ძაბვის გამოყენებით pnგარდამავალი. თუ გარე ძაბვის ველი ემთხვევა შიდას, მაშინ იზრდება პოტენციური ბარიერის სიმაღლე; როდესაც გამოყენებული ძაბვა შებრუნებულია, ბარიერის სიმაღლე მცირდება. თუ გამოყენებული ძაბვა უდრის კონტაქტის პოტენციალის განსხვავებას, მაშინ პოტენციური ბარიერი მთლიანად ქრება.

აქედან გამომდინარე, თუ გარე ძაბვა ამცირებს პოტენციურ ბარიერს, მას უწოდებენ პირდაპირ, ხოლო თუ გაზრდის მას - უკუქცევას.

იდეალური დიოდის სიმბოლო და დენის ძაბვის მახასიათებელი (CVC) ნაჩვენებია ნახ. 1.2.

გამოსავალს, რომელზეც დადებითი პოტენციალი უნდა იყოს გამოყენებული, ეწოდება ანოდი, უარყოფითი პოტენციალის მქონე გამოსავალს - კათოდი (ნახ. 1.2, ა). გამტარ მიმართულებით იდეალურ დიოდს აქვს ნულოვანი წინააღმდეგობა. არაგამტარ მიმართულებით - უსასრულოდ დიდი წინააღმდეგობა (ნახ. 1.2, ბ).

ნახ.1.2 სიმბოლო (a) და CVC

იდეალური დიოდის მახასიათებელი (ბ)

ნახევარგამტარებში რ-ტიპი, ხვრელები მთავარი მატარებელია. ხვრელის ელექტრული გამტარობა შეიქმნა მიმღები მინარევის ატომების შეყვანით. მათი ვალენტობა ერთით ნაკლებია, ვიდრე ნახევარგამტარული ატომები. ამ შემთხვევაში, მინარევების ატომები იჭერენ ნახევარგამტარ ელექტრონებს და ქმნიან ხვრელებს - მობილური მუხტის მატარებლებს.

ნახევარგამტარებში ნ- ძირითადი მატარებლები ელექტრონებია. ელექტრონული ელექტროგამტარობა იქმნება დონორის მინარევების ატომების შეყვანით. მათი ვალენტობა ერთით მეტია, ვიდრე ნახევარგამტარული ატომები. ნახევარგამტარის ატომებთან კოვალენტური ბმის ფორმირებით, მინარევების ატომები არ იყენებენ 1 ელექტრონს, რომელიც ხდება თავისუფალი. თავად ატომები იქცევა უმოძრაო პოზიტიურ იონებად.

თუ ძაბვის წყარო დაკავშირებულია დიოდის გარე ტერმინალებთან წინა მიმართულებით, მაშინ ეს ძაბვის წყარო შეიქმნება რაიონიშიდასკენ მიმართული გარდამავალი ელექტრული ველი. შედეგად ველი შემცირდება. ეს დაიწყებს დიფუზიის პროცესს. დიოდის წრეში პირდაპირი დენი შემოვა. რაც უფრო დიდია გარე ძაბვის მნიშვნელობა, მით უფრო მცირეა შიდა ველის მნიშვნელობა, რაც უფრო ვიწროა დამბლოკავი ფენა, მით მეტია პირდაპირი დენის მნიშვნელობა. გარე ძაბვის მატებასთან ერთად პირდაპირი დენი იზრდება ექსპონენტურად (ნახ. 1.3). როდესაც გარე სტრესის გარკვეული მნიშვნელობა მიიღწევა, ბარიერის ფენის სიგანე ნულამდე შემცირდება. წინა დენი შემოიფარგლება მხოლოდ მოცულობის წინააღმდეგობით და გაიზრდება ხაზოვანი ძაბვის მატებასთან ერთად.

სურ.1.3. რეალური დიოდის IV მახასიათებელი

ამ შემთხვევაში, ძაბვის ვარდნა დიოდზე არის წინა ძაბვის ვარდნა. მისი ღირებულება მცირეა და დამოკიდებულია მასალაზე:

გერმანიუმი გე: U pr= (0.3 - 0.4) V;

სილიკონი სი: U pr\u003d (0.6 - 1) ვ.

თუ შეცვლით გარე ძაბვის პოლარობას, მაშინ ამ წყაროს ელექტრული ველი ემთხვევა შიდას. შედეგად ველი გაიზრდება, ბარიერის ფენის სიგანე გაიზრდება და დენი იდეალურად არ მიედინება საპირისპირო მიმართულებით; მაგრამ იმის გამო, რომ ნახევარგამტარები არ არის იდეალური და ძირითადი მობილური მატარებლების გარდა არის მცირე რაოდენობის მცირე რაოდენობა, შედეგად წარმოიქმნება საპირისპირო დენი. მისი ღირებულება დამოკიდებულია უმცირესობის მატარებლების კონცენტრაციაზე და ჩვეულებრივ არის რამდენიმე ათეულ მიკროამპერზე.

უმცირესობის მატარებლების კონცენტრაცია ნაკლებია, ვიდრე ძირითადი, ამიტომ საპირისპირო დენი მცირეა. ამ დენის სიდიდე არ არის დამოკიდებული საპირისპირო ძაბვის სიდიდეზე. სილიკონის საპირისპირო დენი რამდენიმე რიგით ნაკლებია ვიდრე გერმანიუმი, მაგრამ სილიკონის დიოდებს აქვთ უფრო მაღალი ძაბვის ვარდნა. უმცირესობის მატარებლების კონცენტრაცია დამოკიდებულია ტემპერატურაზე და მისი მატებასთან ერთად იზრდება საპირისპირო დენი, ამიტომ მას უწოდებენ თერმული დენი I o:

I o (T) \u003d I o (T o)e a D T,

DT=T-T o ; და Ge =0.09k -1; და Si \u003d 0.13k -1; მე oGe >>I oSi . .

არსებობს სავარაუდო ფორმულა

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

სადაც T *- ტემპერატურის მატება, რომელიც შეესაბამება თერმული დენის გაორმაგებას,

T*Ge=8...10 o C; T*Si=6°C.

ანალიტიკური გამოხატულება VAC-ისთვის r-pგადასვლა ასე გამოიყურება:

, (1.2)

სადაც Uარის გამოყენებული გარე ძაბვა.

20 ° C ტემპერატურისთვის φ t = 0,025 ვ.

ტემპერატურის მატებასთან ერთად თერმული დენის გაზრდის გამო და პოტენციური ბარიერის შემცირებით, ნახევარგამტარული ფენების წინააღმდეგობის დაქვეითებით, I–V მახასიათებლის პირდაპირი განშტოების ცვლა ხდება მაღალი დენების რეგიონში. . ნახევარგამტარების მოცულობის წინააღმდეგობა მცირდება ნდა რ. შედეგად, წინა ძაბვის ვარდნა ნაკლები იქნება. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ძირითადი და მცირე მატარებლების კონცენტრაციებს შორის სხვაობის შემცირების გამო, ბარიერის ფენის პოტენციური ბარიერი მცირდება, რაც ასევე გამოიწვევს შემცირებას. U pr, ვინაიდან ბარიერის ფენა გაქრება დაბალ ძაბვაზე.

იგივე დენი შეესატყვისება სხვადასხვა წინა ძაბვას (ნახ. 1.4), რაც ქმნის განსხვავებას DU,

სადაც ე- ძაბვის ტემპერატურის კოეფიციენტი.

თუ დიოდის დენი მუდმივია, მაშინ დიოდზე ძაბვის ვარდნა შემცირდება. ტემპერატურის ერთი გრადუსით მატებასთან ერთად, წინა ძაბვის ვარდნა მცირდება 2 მვ-ით.

ბრინჯი. 1.4. VAC r-pგადასვლა ნახ. 1.5. გერმანიუმის CVC და

სილიკონის დიოდების სხვადასხვა ტემპერატურა

ტემპერატურის მატებასთან ერთად, დენის ძაბვის მახასიათებლის საპირისპირო განშტოება ქვევით იწევს (ნახ. 1.4). გერმანიუმის დიოდებისთვის სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონი არის 80 ° C, სილიკონის დიოდებისთვის 150 ° C.

გერმანიუმის და სილიკონის დიოდების IV მახასიათებლები ნაჩვენებია ნახ. 1.5.

დიფერენციალური წინააღმდეგობა r-pგადასვლა (ნახ. 1.6):

(1.3)

მზარდი დენით რ დ- მცირდება.

ნახ.1.6 დიფერენციალური განმარტება

დიოდის წინააღმდეგობა

DC წინააღმდეგობა r-pგარდამავალი: .

DC წინააღმდეგობა ხასიათდება საწყისიდან მოცემულ წერტილამდე გაყვანილი სწორი ხაზის დახრილობის კუთხის კოეფიციენტით. ეს წინააღმდეგობა ასევე დამოკიდებულია დენის სიდიდეზე: I გაზრდით წინააღმდეგობა მცირდება . R Ge< R Si .

ნახევარგამტარული დიოდის IV მახასიათებელი გარკვეულწილად განსხვავდება იდეალური დიოდის IV მახასიათებლისგან. ამრიგად, ბროლის ზედაპირზე დენის გაჟონვის გამო, რეალური საპირისპირო დენი უფრო დიდი იქნება ვიდრე თერმული დენი. შესაბამისად, რეალური დიოდის საპირისპირო წინააღმდეგობა იდეალურისაზე ნაკლებია. r-pგარდამავალი.

წინა ძაბვის ვარდნა იდეალურზე მეტია r-pგარდამავალი. ეს გამოწვეულია ძაბვის ვარდნით ნახევარგამტარულ ფენებზე. რდა პტიპი. უფრო მეტიც, რეალურ დიოდებში ერთ-ერთი ფენა რან პაქვს ძირითადი მატარებლების უფრო მაღალი კონცენტრაცია, ვიდრე სხვა. უმრავლესობის მატარებლების მაღალი კონცენტრაციის მქონე ფენას ემიტერი ეწოდება; მას აქვს უმნიშვნელო წინააღმდეგობა. უმრავლესობის მატარებლების უფრო დაბალი კონცენტრაციის მქონე ფენას ბაზა ეწოდება. მას საკმაოდ დიდი წინააღმდეგობა აქვს.

წინა ძაბვის ვარდნის ზრდა ხდება ბაზის წინააღმდეგობის მასშტაბით ძაბვის ვარდნის გამო.

ნახევარგამტარული დიოდების შემცველი ელექტრონული სქემების გამოსათვლელად საჭირო ხდება მათი ექვივალენტური სქემების სახით წარმოდგენა. ნახევარგამტარული დიოდის ეკვივალენტური წრე მისი CVC-ის ცალმხრივი წრფივი მიახლოებით ნაჩვენებია ნახ. 1.7-ზე. სურათი 1.8 გვიჩვენებს ეკვივალენტურ სქემებს იდეალური დიოდის I–V მახასიათებლების და იდეალურის I–V მახასიათებლების გამოყენებით. pnგარდამავალი ( რ დარის დიოდის წინააღმდეგობა, რარის დიოდის გაჟონვის წინააღმდეგობა).

სურ.1.7. დიოდის დენის ძაბვის მახასიათებლის მიახლოება

ხაზოვანი სეგმენტები

სურ.1.8. დიოდების შეცვლა I-V მახასიათებლების გამოყენებით

იდეალური დიოდი (a) და CVC იდეალური pnგადასვლა (ბ)

დიოდის მუშაობა წრეში დატვირთვით.განვიხილოთ უმარტივესი წრედი დიოდით და რეზისტორით და ბიპოლარული ძაბვის მოქმედება მის შეყვანაზე (ნახ. 1.9). მიკროსქემის ელემენტებზე ძაბვის განაწილების სქემა განისაზღვრება დატვირთვის ხაზების პოზიციით (ნახ. 1.10) - დიოდის CVC-ის გრაფიკზე ძაბვის ღერძის გასწვრივ გამოსახულია ორი წერტილი ორივე მიმართულებით, განსაზღვრული +უ მდა -უ მმიწოდების ძაბვა, რომელიც შეესაბამება ძაბვას დიოდზე მოკლე დატვირთვით R n, და დენები დეპონირებულია მიმდინარე ღერძზე ორივე მიმართულებით U m / R nდა - U m / R n, რომელიც შეესაბამება მოკლე დიოდს. ეს ორი წერტილი წყვილად არის დაკავშირებული სწორი ხაზებით, რომლებსაც დატვირთვა ეწოდება. ჩატვირთეთ ხაზების კვეთა R nპირველ და მესამე კვადრატში ტოტებით

დიოდის I–V მახასიათებლებს მიწოდების ძაბვის თითოეული ფაზა შეესაბამება

ბრინჯი. 1.9. წრედი დიოდით და ნახ. 1.10. CVC დიოდი დატვირთვით

პირდაპირი დატვირთვა

მათი იდენტური დენები (რაც აუცილებელია სერიით მიერთებისას) და განსაზღვრავს მოქმედი წერტილების პოზიციას.

დადებითი ნახევარი ტალღა U>0, U=მმ.

ეს პოლარობა პირდაპირია დიოდისთვის. დენი და ძაბვა ყოველთვის დააკმაყოფილებს დენის ძაბვის მახასიათებლებს:

,

უფრო მეტიც:

U d \u003d U m - I d R H;

ზე მე d \u003d 0, U d \u003d U m;

ზე U d \u003d 0, I d \u003d U m / R H;

პირდაპირი კავშირით U m >> U pr(ნახ. 1.10).

პრაქტიკულ გამოყენებაში U pr>0 (U pr- წინა ძაბვა) როდესაც დიოდი ღიაა. როდესაც დიოდი მუშაობს წინა მიმართულებით, მასზე ძაბვა მინიმალურია - ( გე-0.4V; სი-0,7 V), და შეიძლება ჩაითვალოს დაახლოებით ნულის ტოლი. მაშინ დენი იქნება მაქსიმალური.

სურ.1.11. ძაბვის და დენის სიგნალები დიოდურ წრეში დატვირთვით

.

უარყოფითი ნახევარი ტალღა U<0, U= -U m .

დიოდის მახასიათებელი იგივეა, მაგრამ

U d \u003d -U m -I d R H,;

მე d \u003d 0, U d \u003d U m;

U d =0, I d =U m /R H; U H<

შესაძლებლობები r-pგარდამავალი.როცა ჩართულია r-pგადასვლა საპირისპირო მიმართულებით, ისევე როგორც მცირე წინა ძაბვის დროს რეგიონში r-pგარდამავალი არსებობს ორმაგი ელექტრული ფენა: in რსფეროები - უარყოფითი, შემოსული პსფეროები - დადებითი.

ამ ფენაში არაკომპენსირებული მუხტის დაგროვება იწვევს ტევადობის გაჩენას r-pგარდამავალი, რომელსაც ეწოდება ბარიერის ტევადობა. იგი ახასიათებს დაგროვილი მუხტის ცვლილებას გარე ძაბვის ცვლილებით ნახ.1.12-ის მიხედვით. C b \u003d dQ / dU .

ბრინჯი. 1.12. ბარიერის ტევადობაზე დამოკიდებულება

უკუ ძაბვისგან.

ბარიერის ტევადობა დამოკიდებულია გეომეტრიულ ზომებზე r-pგარდამავალი. მატებასთან ერთად თქვენ არრსიგანე r-pგარდამავალი იზრდება და ტევადობა მცირდება.

როდესაც დიოდი ჩართულია წინა მიმართულებით, ბარიერის ტევადობა პრაქტიკულად ქრება და ემიტერიდან გადატანილი უმცირესობის მატარებლები გროვდება დიოდის საბაზისო ფენაში. მუხტის ეს დაგროვება ასევე ქმნის ტევადობის ეფექტს, რომელსაც დიფუზიური ტევადობა ეწოდება. გ დჩვეულებრივ აღემატება C ბ.

განისაზღვრება დიფუზიის სიმძლავრე C d \u003d dQ d / dU.

ეს ტევადობა გავლენას ახდენს დიოდების მუშაობაზე მაღალ სიხშირეებზე. შესაძლებლობები r-pგარდამავალი ჩართულია ეკვივალენტურ წრედში (ნახ. 1.13).

ბრინჯი. 1.13. დიოდის ეკვივალენტური სქემები ტევადობის გათვალისწინებით:

ა – ბარიერის ტევადობა; ბ - დიფუზიის სიმძლავრე

გარდამავალი პროცესები დიოდებში.როდესაც დიოდები მუშაობენ მაღალი სიხშირის სიგნალებით (1-10 MHz), გადასვლის პროცესი არაგამტარ მდგომარეობიდან გამტარ მდგომარეობაში და პირიქით, მყისიერად არ ხდება გარდამავალში ტევადობის არსებობის გამო, დაგროვების გამო. მუხტები დიოდის ბაზაზე.

ნახაზი 1.14 გვიჩვენებს დიოდისა და მიწოდების ძაბვის მართკუთხა იმპულსებით დატვირთვის დენის ცვლილებების დროის სქემებს. დიოდის წრეში ტევადობა ამახინჯებს პულსის წინა და უკანა კიდეებს, რაც იწვევს შთანთქმის დროის გამოჩენას. tp.

კონკრეტული სქემისთვის დიოდის არჩევისას მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული მისი სიხშირის თვისებები და სიჩქარე.

ბრინჯი. 1.14. გარდამავალი პროცესები ზე

გადართვის დიოდი:

t f1- გადასვლის წინა კიდეების ხანგრძლივობა;

t f2- ბოლო კიდის ხანგრძლივობა;

tp- დაშლის დრო.

ავარია r-pგარდამავალი.დიოდის საპირისპირო ძაბვა არ შეიძლება გაიზარდოს თვითნებურად დიდ მნიშვნელობამდე. ზოგიერთი საპირისპირო ძაბვის დროს, რომელიც დამახასიათებელია თითოეული ტიპის დიოდისთვის, ხდება საპირისპირო დენის მკვეთრი ზრდა. ამ ეფექტს ეწოდება გარდამავალი ავარია. არსებობს რამდენიმე სახის ავარია (ნახ. 1.15):

1 - ზვავის ავარია, როდესაც საპირისპირო დენის ზრდა ხდება არამთავარი მატარებლების ზვავის გამრავლების გამო;

ბრინჯი. 1.15. CVC სხვადასხვა ტიპის ავარიისთვის

2-გვირაბის ავარია, როდესაც პოტენციური ბარიერისა და დამბლოკავი ფენის გადალახვა ხდება გვირაბის ეფექტის გამო.

ზვავის და გვირაბის ავარიის დროს, საპირისპირო დენი იზრდება მუდმივი უკუ ძაბვის დროს.

ეს არის ელექტრო ავარია. ისინი შექცევადია. მოხსნის შემდეგ თქვენ არრდიოდი აღადგენს თავის თვისებებს.

3- თერმული ავარია, ეს ხდება მაშინ, როდესაც გამოიყოფა სითბოს რაოდენობა r-pშეერთებისას, დიოდის ზედაპირით მეტ სითბოს აწვდის გარემოს. თუმცა ტემპერატურის მატებასთან ერთად r-pგარდამავალი პერიოდის განმავლობაში, უმცირესობის მატარებლების კონცენტრაცია იზრდება, რაც იწვევს საპირისპირო დენის კიდევ უფრო დიდ ზრდას, რაც, თავის მხრივ, იწვევს ტემპერატურის ზრდას და ა.შ. ვინაიდან გერმანიუმის საფუძველზე დამზადებული დიოდებისთვის, მე ვარუფრო მეტი, ვიდრე სილიკონზე დაფუძნებული დიოდებისთვის, მაშინ პირველისთვის, თერმული ავარიის ალბათობა უფრო მაღალია, ვიდრე ამ უკანასკნელისთვის. ამრიგად, სილიკონის დიოდების მაქსიმალური სამუშაო ტემპერატურა უფრო მაღალია (150 o ... 200 o C), ვიდრე გერმანიუმის (75 o ... 90 o C).

ამ რღვევით r-pგარდამავალი განადგურებულია.

ტესტის კითხვები.

1. რა არის ნახევარგამტარული დიოდი? იდეალური და რეალური დიოდის მიმდინარე-ძაბვის მახასიათებელი?

2. რა მასალები გამოიყენება ნახევარგამტარული დიოდების დასამზადებლად? როგორ შევქმნათ ამა თუ იმ ტიპის გამტარობის რეგიონები ნახევარგამტარულ სუბსტრატში?

3. რა არის კრისტალში არსებული ელექტრული ველი საზღვარზე p-n-გარდამავალი? როგორ იცვლება ის გარე ძაბვის გამოყენებისას?

4. რა ხსნის ცალმხრივი გამტარობის ეფექტს p-n-შეერთება ნახევარგამტარში?

5. დენის ძაბვის მახასიათებლები pn- გადასვლები გერმანიუმის და სილიციუმის დიოდებისთვის, როდესაც იცვლება გარე ტემპერატურა?

6. როგორ განისაზღვრება დიოდის დიფერენციალური წინააღმდეგობა?

7. როგორ აგებულია დიოდის დენის ძაბვის მახასიათებლები დატვირთვის სწორი ხაზით?

8. ახსენით დიოდის ბარიერისა და დიფუზიური ტევადობის წარმოქმნის მექანიზმი? როგორ მოქმედებს ისინი დიოდის მუშაობაზე AC სქემებში?

ლექცია 2 სპეციალური ტიპები