ЎЗБЕКИСТОН АЛОҚА АХБОРАТЛАШТИРИШ АГЕНТЛИГИ

 

ТОШКЕНТ АХБОРОТ ТЕХНОЛОГИЯЛАРИ УНИВЕРСИТЕТИ

 

 

 

 

“Электроника ва радиотехника”

кафедраси

 

 

 

 

 

“ЭЛЕКТРОНИКА”

ФАНИДАН

МАЪРУЗАЛАР МАТНИ

 

 

 

 

 

 

 

Тузувчилар:   проф. Арипов Х.К.

        проф. Абдуллаев А.М.

    проф. Ёдгорова Д.М.

              Тошматов Ш.Т.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тошкент  - 2016

МУНДАРИЖА

 

 

1.	Маъруза 1.	Яримўтказгичларни электрофизик хусусиятлари...........	3
2.	Маъруза 2.	Яримўтказгичларда контакт ходисалар...........................	11
3.	Маъруза 3.	Яримўтказгичларда контакт ходисалар...........................	15
4.	Маъруза 4.	Яримўтказгич диодлар.......................................................	24
5.	Маъруза 5.	Яримўтказгич диодлар.......................................................	25
6.	Маъруза 6.	Биполяр транзисторлар (БТ) ............................................	37
7.	Маъруза 7.	Биполяр транзисторлар (БТ) ............................................	39
8.	Маъруза 8.	Биполяр транзисторлар (БТ) ............................................	42
9.	Маъруза 9.	Биполяр транзисторлар (БТ) ............................................	49
10.	Маъруза 10.	Кўп қатламли яримўтказгич асбоблар.............................	55
11.	Маъруза 11.	Майдоний (униполяр) транзисторлар..............................	57
12.	Маъруза 12.	Майдоний (униполяр) транзисторлар..............................	60
13.	Маъруза 13.	Майдоний (униполяр) транзисторлар..............................	63
14.	Маъруза 14.	Майдоний (униполяр) транзисторлар..............................	65
15.	Маъруза 15.	Интеграл микросхемалар..................................................	72
16.	Маъруза 16.	Интеграл микросхемалар..................................................	79
17.	Маъруза 17.	Электрониканинг истиқболли йўналишлари..................	86
18.	Маъруза 18.	Электрониканинг истиқболли йўналишлари..................	89
		Фойдаланилган адабиётлар...............................................	94

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – маъруза

 

ЯРИМЎТКАЗГИЧЛАРНИ ЭЛЕКТРОФИЗИК  ХУСУСИЯТЛАРИ

 

Режа:   Ярим ўтказичлар ҳақида тушунча

               Қаттиқ жисм зона назарияси ҳақида тушунча

               Хусусий яримўтказувчанлик

               Киритмали ярим ўтказувчанлик

               ЭЗТларнинг мувозанат ҳолатдаги концентрацияси

        

Замонавий электроника қурилмалари ярим ўтказгичли материаллардан тайёрланади. Ярим ўтказичлар кристалл, аморф ва суюқ бўлади. Ярим ўтказгичли техникада асосан кристалл ярим ўтказгичлар (10¹⁰ асосий модда таркибида бир атомдан ортиқ бўлмаган киритма монокристаллари) қўлланилади. Одатда ярим ўтказгичларга солиштирма электр ўтказувчанлиги металлар ва диэлектриклар оралиғида бўлган ярим ўтказгичлар киради (уларнинг номи ҳам шундан келиб чиқади). Хона температурасида уларнинг солиштирма электр ўтказувчанлиги 10^-8дан 10⁵гача См/м (метрга Сименс)ни ташкил этади. Металларда =10⁶-10⁸ См/м,  диэлектрикларда эса =10^-8-10^-13 См/м. Ярим ўтказгичларнинг асосий хусусияти шундаки, температура ортган сари уларнинг солиштирма электр ўтказучанлиги ҳам ортиб боради, металларда эса камаяди. Ярим ўтказгичларнинг электр ўтказувчанлиги ёруғлик билан нурлантириш ва ҳатто жуда кичик киритма миқдорига боғлиқ. Ярим ўтказгичларнинг хоссалари қаттиқ жисм зона назарияси билан тушунтирилади.

Ҳар бир қаттиқ жисм кўп сонли бир-бири билан кучли ўзаро таъсирлашаётган атомлардан таркиб топган. Шу сабабли бир бўлак қаттиқ жисм таркибидаги атомлар мажмуаси ягона тузилма деб қаралади. Қаттиқ жисмда атомлар боғлиқлиги атомнинг ташқи қобиғидаги электронларни жуфт бўлиб бирлашишлари (валент электронлар) натижасида юзага келади. Бундай боғланиш ковалент боғланиш деб аталади.

Атомдаги бирор электрон каби валент электрон энергияси W  ҳам дискрет ёки квантланган бўлади, яъни электрон энергетик сатҳ деб аталувчи бирор рухсат этилган энергия қийматига эга бўлади. Энергетик сатҳлар электронлар учун таъқиқланган энергиялар билан ажратилган. Улар таъқиқланган зоналар деб аталади. Қаттиқ жисмларда қўшни электронлар бир-бирига жуда яқин жойлашганлиги учун, энергетик сатҳларни силжиши ва ажралишига олиб келади ва натижада рухсат этилган энергетик зоналар юзага келади. Энергетик зонада рухсат этилган сатҳлар сони кристалдаги атомлар сонига тенг бўлади. Рухсат этилган зоналар кенглиги одатда бир неча электрон – вольтга тенг (электрон – вольт – бу 1В га тенг бўлган потенциаллар фарқини енгиб ўтган электроннинг олган энергияси). Рухсат этилган зонадаги минимал энергия сатҳи туби (Wc), максимал энергия эса шипи (Wv) деб аталади.

1.1-расмда ярим ўтказгичнинг зона диаграммаси келтирилган. Таъқиқланган зона кенглиги DWт ярим ўтказгичнинг асосий параметри бўлиб ҳисобланади.

1.1 – расм.

 

Яримўтказгичларда тақиқланган зона кенглиги деб аталувчи Wg параметр энг муҳим параметр ҳисобланади. Температура ортиши билан тақиқланган зона кенглиги камайиб боради.

Электроникада кенг қўлланиладиган ярим ўтказгичларнинг таъқиқланган зона кенгликлари DWт (эВ) қуйидагига тенг: германий учун – 0,67, кремний учун – 1,12 ва галлий арсениди учун -1,38.

Диэлектрикларда таъқиқланган зона кенглиги DWт2 эВ, металларда эса рухсат этилган зоналар бир – бирига кириб кетган  бўлади, яъни мавжуд эмас.

Юқоридаги рухсат этилган зона ўтказувчанлик зонаси деб аталади, яъни мос энергияга эга бўлган электронлар, ташқи электр майдони таъсирида ярим ўтказгич ҳажмида ҳаракатланишлари мумкин. Бунда улар электр ўтказувчанлик юзага келтирадилар. Ўтказувчанлик зонасидаги бирор энергияга мос келадиган электронлар ўтказувчанлик электронлари ёки эркин заряд ташувчилар деб аталадилар. Қуйидаги рухсат этилган зона валент зона деб аталади.

Абсолют ноль температурада (0 К) ярим ўтказгичнинг валент зонасидаги барча сатҳлар электронлар билан тўлган, ўтказувчанлик зонасидаги сатҳлар эса электронлардан холи бўлади. Абсолют нолдан фарқли температураларда яримўтказгичда электрон – ковак жуфтликларининг генерация ва рекомбинацияси ҳамда киритмалар атомларининг ионлашуви ва нейтраллашуви содир бўлади. Бунда электронлар W энергияли у ёки бу энергетик сатҳларни эгаллайдилар. Мувозанат ҳолатда (T=const) ўтказувчанлик электронлари ва ковакларининг ўзгармас концентрациялари юзага келади.

1.2-расмда металл, яримўтказгич ва диэлектрикнинг Т= 0 Кдаги зона диаграммалари келтирилган.

Металларда ўтказувчанлик зонаси валент зонасига киришиб кетган бўлади. Диэлектрикларда эса таъқиқланган зона кенглиги бир неча электрон- вольтни (электрон – вольт, бу электрон 1 В потенциаллар фарқидан олган энергияси) ташкил этади.  Энг кенг қўлланиладиган ярим ўтказгичларнинг тақиқланган зона кенглиги 0,5¸2,5 эВ ни ташкил этади.

1.2 - расм.

 

Энергетик сатҳларнинг эгалланганлик холати кристалларнинг электр ўтказувчанлигида намоён бўлади. Ташқи манъба ҳисобига кристаллда электр токни юзага келтириш учун электр майдон ҳосил қилинади. Бу майдон электронларни тезлатади ва уларни энергиясини оширади. Зона диаграммаси тилида бу жараён электронларни қўзғатилиши дейилади. Бунда электронлар дастлабки эгаллаб турган энергетик сатҳидан зонанинг бошқа юқорироқ сатҳига кўчади. Электронлар билан буткул тўлган зонадаги электронлар ўз энергияларини ўзгартира олмайдилар ва шу сабабли электр токи ҳосил қилишда иштирок эта олмайдилар. Демак, Т=0 К да ярим ўтказгичнинг электр ўтказувчанлиги нольга тенг

Хусусий электр ўтказувчанлик. Ярим ўтказгичли электроника махсулотларининг деярли 97 % кремний асосида ясалади. 2.1 – расмда киритмасиз кремний панжарасининг соддалаштирилган модели (а) ва унинг зона энергетик диаграммаси (б) келтирилган. Агар ярим ўтказгич кристалли таркибида  киритма умуман бўлмаса ва кристалл панжаранинг тузулмасида нуқсонлар (бўш тугунлар, панжара силжиши ва бошқалар) мавжуд бўлмаса, бундай ярим ўтказгич хусусий деб аталади ва i ҳарфи билан белгиланади.

1.3 – расмдан кўриниб турибдики, кремний хусусий кристаллида унинг атомининг тўртта валент электрони кремнийнинг қўшни атомининг тўртта электрони билан боғланиб, мустаҳкам саккиз электронли қобиқ (тўғри чизиқ) ҳосил қилади. 0 К температурада бундай ярим ўтказгичда эркин заряд ташувчилар мавжуд бўлмайди. Лекин температура ортиши билан ёки ёруғлик нури туширилганда ковалент боғланишларнинг бир қисми узилади ва валент электронлар ўтказувчанлик зонасига ўтиш учун етарлича энергия оладилар (1.3, б-расм).

 1.3 - расм

 

Натижада валент электрон эркин заряд ташувчига айланади ва кучланиш таъсир эттирилса у ток ҳосил қилишда иштирок этади. Электрон йўқотилиши натижасида атом мусбат ионга айланади.

Бир вақтнинг ўзида валент зонада бўш сатҳ ҳосил бўлади ва валент электронлар ўз энергияларини ўзгартиришларига, яъни валент зонасининг бирор рухсат этилган сатҳидан  бошқасига ўтишига имкон яратилади. Шундай қилиб у ток ҳосил бўлиш жараёнида қатнашиши мумкин. Температура ортган сари  кўпроқ валент электронлар ўтказувчанлик зонасига ўтадилар ва электр ўтказувчанлик ортиб боради.

Валент зонадаги эркин энергетик сатҳ ёки эркин валент боғланиш қовакли деб аталади ва у электрон зарядининг абсолют қийматига тенг бўлган эркин мусбат заряд ташувчи ҳисобланади. Қовакнинг ҳаракатланиши валент электрони ҳаракатига қарама – қарши бўлади.

Шундай қилиб, атомлар орасидаги ковалент боғланишнинг узилиши бир вақтнинг ўзида эркин электрон ва электрон ажралиб чиққан атом яқинида ковак ҳосил бўлишига олиб келади. Электрон – ковак жуфтлигининг ҳосил бўлиш жараёнига заряд ташувчилар генерацияси деб аталади. Агар бу жараён иссиқлик таъсирида амалга ошса, у иссиқлик генерацияси деб аталади. Ўтказувчанлик зонасида электроннинг ҳосил бўлиши ва валент зонасида ковакнинг юзага келиши 1.3, б-расмда мос ишоралар ёрдамида  айланалар кўринишида тасвирланган. Стрелка ёрдамида электроннинг валент зонасидан ўтказувчанлик зонасига ўтиши кўрсатилган.

Генерация натижасида юзага келган электронлар ва коваклар ярим ўтказич кристаллида яшаш вақти деб аталадиган бирор вақт мобайнида тартибсиз ҳаракатланадилар, сўнгра эркин электрон тўлиқ бўлмаган боғланишни тўлдиради ва боғланиш  ҳосил бўлади. Бу жараён рекомбинация деб аталади.

Ўзгармас температурада (бошқа ташқи таъсирлар мавжуд бўлмаганда) кристалл мувозанат ҳолатда бўлади. Яъни, генерацияланган заряд ташувчилар жуфтлиги сони рекомбинацияланган жуфтликлар сонига тенг бўлади. Бирлик ҳажмдаги заряд ташувчилар сони, яъни уларнинг концентрацияси, солиштирма электр ўтказучанлик  қийматини беради. Хусусий ярим ўтказгичларда электронлар концентрацияси коваклар концентрациясига тенг бўлади (n_i= p_i). n (negative сўзидан)  ва p ҳарфлари (positive сўзидан) мос равишда электрон ва ковакка мос келади. Киритмасиз ярим ўткзгичда ҳосил бўлган электрон ва коваклар хусусий эркин заряд ташувчилар ва уларга асосланган электр ўтказувчанлик эса – хусусий электр ўтказувчанлик деб аталади.

Киритмали электр ўтказувчанлик. Ярим ўтказгичли асбобларнинг кўп қисми киритмали ярим ўтказичлар асосида яратилади. Электр ўтказувчанлиги киритма атомлари ионизацияси натижасида ҳосил бўладиган заряд ташувчилар билан асосланган ярим ўтказгичлар – киритмали ярим ўтказгичлар дейилади.

Кремний атомига Д.И. Менделеев  даврий элементлар тизимидаги V гуруҳ элементлари (масалан, маргумуш As) киритилса унинг 5та валент электронидан тўрттаси қўшни кремний атомининг тўртта валент электронлари билан боғланиб- саккиз электрондан  ташкил топган мустаҳкам қобиқ ҳосил қиладилар. Бешинчи электрон ортиқча бўлиб, ўзининг атоми билан кучсиз боғланган бўлади. Шунинг учун кичик иссиқлик энергияси таъсирида у узилади ва эркин электронга айланади (1.4, а - расм), бу вақтда ковак ҳосил бўлмайди. Энергетик диаграммада бу жараён электроннинг донор сатҳи Wd дан ўтказувчанлик зонасига ўтишига мос келади (1.4, б -расм). Киритмали атом мусбат зарядланган қўзғалмас ионга айланади. Бундай киритма донор деб аталади.

Ярим ўтказгичли асбоблар ясашда кўп киритма атомлари киритилади (1 см³ ҳажмга 10¹⁴-10¹⁸ даражадаги атомлар). Хона температурасида киритманинг ҳар бир атоми биттадан эркин электрон ҳосил қилади. Коваклар эса  хусусий ярим ўтказичлардаги каби кремний атоми электронларининг ўтказувчанлик зонасига ўтишидаги термогенерация ҳисобига ҳосил бўлади.

Ярим ўтказгич таркибига катта даражадаги донор киритманинг киритилиши эркин электронлар концентрациясини оширади, коваклар концентрацияси эса хусусий ярим ўтказгичдагига нисбатан сезиларли камаяди. Эркин заряд ташувчилар концентрациясининг кўпайтмаси n×p ўзгармас температурада ўзгармас қолади ва фақат ярим ўтказгич таъқиқланган зона кенглиги билан аниқланади. Шуни ёдда тутиш керакки, Т=300 К (хона температурасида) кремнийда np0,64∙10²⁰ см^-3, германийда  эса np4∙10²⁶ см^ғ-3. Шундай қилиб, агар кремний кристаллига концентрацияси  10¹⁶ см^-3 бўлган донор киритма киритилса, Т=300 К да электронлар зтказувчанлиги n=10¹⁶ см^-3, ковакларники эса – атиги 10⁴ см^{-3 га тенг бўлади, демак бундай киритмали ярим ўтказгичда электр ўтказувчанлик асосан электронлар ҳисобига амалга оширилади, ярим ўтказгич эса – электрон ёки} n- турдаги электр ўтказувчанлик деб аталади. n  –турдаги ярим ўтказгичда электронлар  - асосий заряд ташувчилар, коваклар эса асосий бўлмаган заряд ташувчилар деб аталади.

 

а)                                                           в)

            б)                                                                     г)

1.4 – расм.

 

Кремний атомига Д.И. Менделеев даврий элементлар тизимидаги III гуруҳ элементлари (масалан, бор В) киритилса унинг валент электронлари қўшни кремний атомлари валент электронлари билан учта тўлиқ боғлиқлик ҳосил қиладилар. Тўртинчи боғланиш эса тўлмай қолади. Унча катта бўлмаган иссиқлик энергияси таъсирида ҳам қўшни кремний атомининг валент электронлари бу боғланишни тўлдиради. Натижада борнинг ташқи қобиғида ортиқча электрон ҳосил бўлади., яъни у манфий зарядга эга бўлган қўзғалмас ионга айланади. Кремний атомининг тўлмаган боғланиши – бу ковакдир (1.4, в - расм). Энергетик диаграммада бу жараён электроннинг валент зонадан акцептор сатҳи Wa га ўтишига ва валент зонада ковак ҳосил бўлишига мос келади (1.4, г - расм). Бу вақтда эркин электрон ҳосил бўлмайди. Бундай киритма – акцепторли деб аталади, акцептор атомлари киритилган ярим ўтказгич эса – ковак ёки р – турдаги электр ўтказувчанлик деб аталади. Р-турдаги ярим ўтказгич учун коваклар – асосий заряд ташувчилар, - электронлар эса  - асосий бўлмаган заряд ташувчилар ҳисобланади.

Ферми сатҳи. Берилган температурада ҳаракатчан ва қўзғалмас заряд ташувчилар концентрацияси Ферми сатҳи W_F ҳолати билан аниқланади. Бу сатҳ бир электронга мос келувчи жисмнинг ўртача иссиқлик энергиясига мос келади. Абсолют ноль температурадан фарқли температурада бу сатҳнинг тўлиш эҳтимоли 0,5 га тенг.

Электронлар ва ковакларнинг ўртача иссиқлик энергияси ярим ўтказгич температураси билан аниқланади ва kТ га тенг, бу ерда k – Больцман доимийси, Т – абсолют температура. Қаттиқ жисмда заррачалар ҳаракатини ифодалайдиган  Больцман қонунига асосан, n – ярим ўтказгичдаги энергияси Wi кичик бўлмаган  электронлар  қуйидагига тенг:

 

                                     (1.1)

бу ерда  n_n – эркин электронларнинг тўлиқ концентрацияси. Худди шундай ифодалар ковакларни энергия бўйлаб тақсимотини ифодалайди. (1.1) дан кўриниб турибдики, заррача энергиясининг ортиши билан, заррачалар сони кескин камаяди.

Иккала ишорадаги эркин заряд ташувчилар концентрацияси тенг бўлган хусусий ярим ўтказгичлар учун Ферми сатҳи таъқиқланган зонанинг ўртасидан ўтади. Электрон ярим ўтказгичда электронларнинг (бутун ярим ўтказгичнинг) ўртача энергияси юқори бўлади, демак Ферми сатҳи ўртадан ўтказувчанлик зонаси туби томонга силжийди ва донор киритма концентрацияси қанча юқори бўлса шунча ўтказувчанлик зонаси туби томонга  яқинлашади. Р- турдари ярим ўтказгичда Ферми сатҳи таъқиқланган зона ўртасидан валент зона шипи томонга силжийди ва акцептор киритма концентрацияси қанча юқори бўлса шунча валент зонаси шипи томонга  яқинлашади.

Баъзи ярим ўтказгичли асбоблар (туннель диодлари, туннель тешилишли стабилитронлар) да ажралмаган ярим ўтказгичлар қўлланилади. Бундай ярим ўтказгичларда Ферми сатҳи рухсат этилган зоналарда:  электрон ярим ўтказгич учун – ўтказувчанлик зонасида, ковакли ярим ўтказгич учун – валент зонада жойлашади.  Ажралмаган ярим ўтказгичлар жуда ката киритма концентрацияси (10¹⁹ – 10²¹ см^-3) ҳисобига ҳосил қилинадилар.

Заряд ташувчилар ҳаракатчанлиги. Заряд ташувчиларнинг ҳаракат-чанлиги - бу электр майдон кучланганлиги =1 В/см бўлгандаги ярим ўтказгичдаги заряд ташувчиларнинг ўртача йўналтирилган тезлиги. Электронлар ҳракатчанлиги доим коваклар ҳаракатчалиги дан юқори бўлади. Бундан ташқари зарядлар ҳаракатчанлиги ярим ўтказгич турига ҳам боғлиқ бўлади. Шундай қилиб, кремнийдаги электронлар ҳаракатчанлиги=1500 см²/(В×с), германийда  = см²/(В×с), галлий арсенидида = см²/(В×с).

Агар ярим ўтказгичда электр майдони ҳосил қилинса, у ҳолда эркин заряд ташувчилар силжиши юзага келади. Бундай силжиш дрейф ҳаракати деб аталади. Дрейф тезлиги  электр майдон кучланганлиги га пропорционал бўлади

 

                                             (1.2)

 

Электрон ва коваклар дрейф токининг натижавий зичлиги

 

                          (1.3)

 

Диффузия коэффициенти. Ярим ўтказгичда электр токи ҳосил бўлишига фақат электр майдони эмас, балки ҳаракатчан заряд ташувчилар градиенти ҳам сабаб бўлади. Ярим ўтказгич ҳажмида тенг тақсимланмаган эркин заряд ташувчилар ҳаракатининг йўналиши диффузия ҳаракати деб аталади.

Электрон ва ковак диффузия токларининг зичлиги қуйидагига тенг

 

                                        (1.4)

 

бу ерда q – электрон (ковак) заряди, D_n  и  D_p – мос равишда электрон ва ковак диффузия коэффициентлари, dn/dx и  dp/dx – мос равишда электрон ва ковак концентрация грандиентлари.

Дрейф ва диффузия ҳаракати параметрлари ўзаро Эйнштейн нисбати билан боғланган

 

                   (1.5)

(1.5) ифодадаги пропорционаллик коэффициентлари потенциал ўлчам бирлигига тенг (вольт) ва иссиқлик понетциали деб аталади. Хона температурасида (Т=300 К) = 0,026 В = 26мВ.

 

 

Назорат саволлари:

 

1. Яримўтказгичларнинг ўзига хос хусусиятларини айтиб беринг.

2. Яримўтказгич энергетик зоналар диаграммасини тушунтиринг.

3. Эркин заряд ташувчи (ЭЗТ) деб нимага айтилади ?

4. Диэлектрикларниннг хусусиятларини айтиб беринг.

5. Диэлектрик энергетик зоналар диаграммасини тушунтиринг.

6. Ўтказгичларнинг хусусиятларини айтиб беринг.

7. Ўтказгичлар энергетик зоналар диаграммасини тушунтиринг.

8. Хусусий ўтказувчанлик деганда нима тушунилади ?

Хусусий яримўтказгичда ЭЗТлар концентрацияси.

9. Яримўтказгич хусусиятларига қандай киритмалар таъсир этади ?

10. Акцептор ва донор киритмаларни тушунтиринг.

11. Электрон ва ковакли ўтказучанликка эга яримўтказгичларга таъриф беринг.

12. Қандай заряд ташувчилар асосий ва ноасосий заряд ташувчилар деб аталади ? Уларнинг мувозанат концентрациялари ўзаро қандай боғланган ?

13. Электр нейтраллик шартини ёзинг.

14. Хусусий ва киритмали яримўтказгичлар температурага қандай боғланган ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 – маъруза

 

ЯРИМЎТКАЗГИЧЛАРДА КОНТАКТ ҲОДИСАЛАР

 

Режа:   р-n ўтиш ҳақида тушунча

               р-n ўтишнинг мувозант шарти

     р-n ўтиш токлари

               р-n ўтиш сиғими

             

Ярим ўтказгичли асбобларнинг кўпчилиги бир жинсли бўлмаган ярим ўтказгичлардан тайёрланади. Хусусий холатда бир жинсли бўлмаган ярим ўтказгич бир соҳаси р–турдаги, иккинчиси эса – n турдаги монокристалдан ташкил топади.

Бундай бир жинсли бўлмаган ярим ўтказгичнинг р ва n – соҳаларнинг ажралиш чегарасида ҳажмий заряд қатлами ҳосил бўлади ва бу соҳалар чегарасидаги ички электр майдони юзага келади ва бу қатлам электрон – ковак ўтиш ёки р-n ўтиш деб аталади. Кўп сонли ярим ўтказгичли асбоблар ва интеграл микросхемалар ишлаш принципининг р-n ўтиш хоссаларига асосланган.

Р-n ўтиш ўтиш ҳосил бўлиш механизмини кўриб чиқамиз. Соддалик  учун, n – соҳадаги электронлар ва р – соҳадаги коваклар сонини тенг оламиз. Бундан ташқари, ҳар бир соҳада унча катта бўлмаган асосий бўлмаган заряд ташувчилар миқдори мавжуд. Хона температурасида р – турдаги ярим ўтказгичда акцептор манфий ионларининг концентрацияси Nа коваклар концентрацияси р_рга, n – турдаги ярим ўтказгичда донор мусбат ионларининг концентрацияси Nd электронлар концентрацияси n_n га тенг бўлади. Демак,  р- ва n – соҳалар ўртасида электронлар ва коваклар концентрациясида сезиларли фарқ мавжудлиги туфайли, бу соҳалар бирлаштирилганда электронларнинг р – соҳага, ковакларнинг эса n – соҳага диффузияси бошланади.

Диффузия натижасида n– соҳа чегарасида электронлар концентрацияси мусбат донор ионлари концентрациясидан кам бўлади ва бу соҳа мусбат зарядлана бошлайди. Бир вақтнинг ўзида р- соҳа чегарасидаги коваклар концентрацияси камайиб боради ва у акцептор киритмаси билан компенсацияланган ион зарядлари ҳисобига манфий зарядлана бошлайдилар (2.1 –расм). Плюс ва минусли айланалар мос равишда донор ва акцептор ионларини тасвирлайди.

Ҳосил бўлган икки ҳажмий заряд қатлами р-n ўтиш деб аталади. Бу қатлам ҳаракатчан заряд ташувчилар билан камбағаллаштирилган. Шунинг учун унинг солиштирма қаршилиги р- ва  n – соҳа қаршиликларига нисбатан жуда катта. Баъзи ҳолларда адабиётларда бу қатлам камбағаллашган ёки i – соҳа деб аталади.

Ҳажмий зарядлар турли ишораларга эга бўладилар ва р-n ўтишда кучланганлиги га тенг бўлган  электр майдон ҳосил қиладилар. Асосий заряд ташувчилар учун бу майдон тормозловчи бўлиб таъсир кўрсатади ва уларни р-n ўтиш бўйлаб эркин ҳаракат қилишларига қаршилик кўрсатади. 2.1 б-расмда ўтиш юзасига перпендикуляр бўлган, Х ўқи бўйлаб потенциал ўзгариши кўрсатилган. Бу вақтда ноль потенциал сифатида чегаравий соҳа потенциали қабул қилинган.

 

а)	Расмдан кўриниб ту-рибдики, р-n ўтишда вольт-ларда ифодаланадиган кон-такт потенциаллар фар-қига  тенг бўлган потенциал тўсиқ юзага келади. UK  катталиги дастлабки ярим ўтказгич материал таъқиқланган зона кенглиги ва киритма кон-центрациясига боғлиқ бўла-ди. Кўпгина р-n ўтишлар контакт потенциаллар фар-қи: Ge учун 0,35 В, кремний учун эса = 0,7 В. Р-n ўтиш кенглиги l0 га пропорционал бў-лади ва мкмнинг ўнлик ёки бирлик қисмларини ташкил этади. Тор р-n ўтиш ҳосил қилиш учун катта киритма концентарцияси киритила-ди, l0 ни катталаштириш учун эса кичик киритмалар концентрацияси қўлланилади.
б)
в) 2.1 – расм.

 

Р-n ўтиш токлари. энергияга эга бўлган кўпгина заряд ташувчилар (2.1- расмга қаранг) р-n ўтиш орқали қўшни соҳаларга диффузия ҳисобига р-n ўтиш майдонига қарама – қарши равишда силжийдилар. Улар диффузия токини юзага келтирадилар. Асосий заряд ташувчиларнинг р-n ўтиш орқали ҳаракати билан бир вақтда, р-n ўтиш улар учун тезлатувчи бўлиб таъсир кўрсатаёган майдон таъсирида асосий бўлмаган заряд ташувчилар ҳам ҳаракатланадилар. Асосий бўлмаган заряд ташучилар оқими дрейф токини юзага келтиради. Ташқи майдон таъсир эттирилмаганда динамик мувозанат ўрнатилади, яъни диффузия ва дрейф токларининг абсолют қийматлари тенг бўлади. Лекин диффузия ва дрейф токлари ўзаро қарама – қарши йўналишда йўналганлиги учун, р-n ўтишдаги натижавий ток нольга тенг бўлади.

Р-n ўтиш сиғими. Паст частоталарда р-n ўтиш токи фақат электрон – ковак ўтишнинг актив қаршиликлари ҳамда  ярим ўтказгичнинг р ва n –соҳаларининг қаршилиги (r_Б) билан аниқланади. Юқори частоталарда р-n ўтишнинг инерцияси унинг сиғими билан аниқланади. Одатда р-n ўтишнинг иккита асосий сиғими ҳисобга олинади: диффузия ва тўсиқ.

Тўғри уланган р-n ўтишда қўшни соҳаларга асосий бўлмаган заряд ташувчилар инжекцияланади. Натижада р-n ўтишнинг юпқа чегараларида қиймати жиҳатидан тенг лекин қарама-қарши ишорага эга бўлган қўшимча асосий бўлмаган заряд ташувчилар Q_ДИФ юзага келадилар. Кучланиш ўзгарса инжекцияланаётган заряд ташувчилар сони, демак заряд ҳам ўзгаради.  Берилаётган кучланиш таъсиридаги бундай ўзгариш, конденсатор қопламаларидаги заряд ўзгаришига айнан ўхшайди. Базага асосий бўлмаган заряд ташувчилар диффузия ҳисобига тушганликлар сабабли, бу сиғим диффузия сиғими деб аталади ва қуйидаги ифодадан аниқланади

.                                                (2.1)

 

(2.1) ифодадан кўриниб турибдики, р-n ўтишдан оқиб ўтаётган ток ва базадаги заряд ташувчиларнинг яшаш вақти қанча катта бўлса, диффузия сиғими ҳам шунча катта бўлади

Икки электр қатламга эга бўлган электрон – ковак ўтиш зарядланган коденсаторга ўхшайди. Ўтиш сиғими ўтиш юзаси S, унинг кенглиги ва диэлектрик доимийси билан аниқланади. Ўтиш сиғими тўсиқ сиғими деб аталади ва қуйидаги ифодадан аниқланади

 

.                       (2.2)

 

Ўтишга кучланиш берилса, бу вақтда ўтиш кенглиги ўзгарганлиги сабабли, сиғим ҳам ўзгаради. Сиғимнинг берилаётган кучланиш U қийматига боғлиқлиги қуйидагича

 

.                            (2.3)

 

Тўғри уланган ўтишда мусбат ишораси, тескари уланганда эса манфий ишора олинади. С_Б берилаётган кучланишга боғлиқлиги сабабли р-n ўтишни ўзгарувчан сиғимли конденсатор сифатида қўллаш мумкин.

Тўғри кучланиш берилганда диффузия сиғими тўсиқ сиғимидан анча катта бўлади, тескари кучланишда эса тескари. Шунинг учун тўғри кучланиш берилганда р-n ўтиш инерцияси диффузия сиғими билан, тескари уланганда эса – тўсиқ сиғими билан аниқланади.

 

Назорат саволлари:

1. p-n ўтиш деб нимага айтилади ва у қандай аниқланади ?

2. p-n ўтиш тўғри ва тескари силжитилганда унинг ичида қандай ҳодисалар рўй беради ?

3. Инжекция ва экстракция ҳодисаларини тушунтиринг.

4.  Ўтишдаги кучланиш ўзгарганда инжекция ва экстракция токлари қандай ўзгаради ?

5. Нима сабабдан p-n ўтиш барьер сиғими деб аталувчи сиғимга эга ?

6. Тескари кучланиш ортганда p-n ўтишнинг барьер сиғими қандай ўзгаради?

7. p-n ўтишнинг диффузия сиғими нима ҳисобига ҳосил бўлади ?

8. Реал p-n ўтиш тузилмаси идеаллаштирилган p-n ўтишдан нимаси билан фарқ қилади ?

9. p-n ўтиш токи температурага қандай боғлиқ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 – маъруза

 

ЯРИМЎТКАЗГИЧЛАРДА КОНТАКТ ҲОДИСАЛАР

 

Режа:   p-n ўтишнинг тешилиш турлари

              p-n ўтишнинг электр параметрлари

                        Металл-яримўтказгич ўтишлар

                        Гетероўтишлар

 

Тескари уланган p-n ўтиш токининг кескин ортишига мос келувчи кучланиш тешилиш кучланиши U_ТЕШ деб аталади. Тешилишни икки хил механизми мавжуд: электр ва иссиқлик. Иккала ҳолда хам токнинг кескин ўсиши p-n ўтиш соҳасида ЭЗТларнинг қўшимча генерацияси билан боғлиқ. Электр тешилишда заряд ташувчилар сони кучли электр майдон таъсирида, иссиқлик тешилишда эса – атомларда бўладиган термик генерация ҳисобига ортади.

Электр тешилиш механизми икки хил табиатга эга: кўчкили ва туннель.

Кўчкили тешилиш. Электрон ёки ковак яримўтказгич атоми билан тўқнашиб уни ионлаштиради. Бунинг  учун у электр майдон таъсирида эркин югуриш узунлигида яримўтказгичнинг тақиқланган зонаси энергиясидан катта энергия олиб улгурган бўлиши лозим.

Заряд ташувчи электр майдон таъсирида етарли кинетик энергия тўплагандан сўнг, атом билан тўқнашади ва ундан валент электронни уриб чиқариб ўтказувчанлик зонасига ўтказади. Зарба натижасида генерацияланган электрон – ковак жуфтлик ҳам майдон таъсирида тўқнашганда ионлаштириш жараёнида иштирок этади. Жараён кўчкисимон ортади ва тескари токнинг кескин ортишига олиб келади. p-n ўтишдан кетаётган n₂ заряд ташувчиларни ўтишга кираётган n₁ заряд ташувчилар сонига нисбати кўчкили кўпайиш коэффициенти  деб аталади. Уни баҳолаш учун қуйидаги аппроксимациядан фойдаланилади

 

           .                                  (3.1)

 

Бу ерда  m – яримўтказгич материалига ва база соҳа турига боғлиқ параметр, n – кремний ва  p – германий учун  m =5,   p  –  кремний ва  n – германий учун  m =3.

p-n ўтишдаги электр майдон кучланганлигининг ўртача қиймати . Кўчкили тешилиш кучланиши U_ТЕШ қиймати яримўтказгич тақиқланган зона кенглиги ортиши ва киритмалар концентрацияси камайиши билан ортиб боради. Амалда тешилиш режимида  p-n ўтиш тескари токининг  тескари кучланиш билан қуйидаги эмпирик боғлиқлигидан фойдаланилади:

 

.                                            (3.2)

 

Турли яримўтказгич материаллар учун в=2÷6.

Кўчкили тешилишда М ва I_ТЕСК ларнинг U_ТЕСК га боғлиқлиги 3.1  - расмда келтирилган.

3.1 – расм. Кўчкили тешилишда М ва IТЕСК ларнинг UТЕСК га боғлиқлиги

 

 

Туннель тешилиш. Тескари ток ҳосил бўлишида термогенерация натижасида ҳосил бўлган ЭЗТлардан ташқари р – соҳанинг валент зонасидан n – соҳанинг ўтказувчанлик зонасига туннель ўтувчи электронлар ҳам қатнашиши мумкин. Электронларнинг ўз энергиясини ўзгартирмасдан  (изоэнергетик) потенциал тўсиқ орқали сизиб ўтиши туннель ўтиш деб аталади. Туннель ўтиш бўлиши учун иккита шарт бажарилиши зарур:

а) потенциал тўсиқ кенглиги d ≤ 10 нм бўлиши, яъни  p⁺-n⁺ - соҳаларда киритмалар концентрацияси 5∙10¹⁸ см^-3 дан юқори бўлмоғи лозим;

б) тескари кучланиш таъсирида энергетик зоналар шундай сурилсинки, p – соҳанинг тўлдирилган валент зонаси қаршисида n – соҳанинг ўтказувчанлик зонаси тўлдирилмаган сатҳлари ётсин.

Тескари кучланиш бўсағавий кучланишдан катта бўлган (U_ТЕС > U_БЎС) ҳолда  p⁺-n⁺ - ўтишнинг энергетик диаграммаси 3.2 – расмда келтирилган. Бунда электроннинг 1 нуқтадан 2 нуқтага туннель ўтиши стрелка билан кўрсатилган.  р – яримўтказгичнинг валент зонасидаги электрон ЭЗТ эмас эканлигини таъкидлаб ўтамиз. У n – яримўтказгичнинг ўтказувчанлик зонасига ўтгандан кейингина ўзини ЭЗТдек тутади. Шундай қилиб, валент электроннинг р – соҳадан n –соҳага туннель ўтиши натижасида тескари ток қийматига улуш қўшувчи электрон – ковак жуфтлиги генерацияланади.

Ўтказувчанлик электронларининг n – яримўтказгичдан р – яримўтказгич валент зонаси вакант (бўш) сатҳларига туннель ўтиши элек-

 

трон – ковак жуфтликларнинг рекомбинацияланишига ва ўз навбатида, тескари токнинг камайишига олиб келади. Электрон – ковак жуфтликларининг генерацияланиш жадаллиги рекомбинацияланиш жадаллигига нисбатан анча юқори. Тескари кучланиш ортиши билан тунеллашув интервали (оралиғи) ва ундаги электронлар сони ортиши ҳисобига туннель ток кескин ортади.

Туннель тешилиш тескари токининг тескари кучланиш U_ТЕСК га боғлиқлиги кўчкили тешилишдагига  ўхшаш бўлиб (3.2 - расм), тиклиги кичикроқдир.

p-n ўтишнинг иссиқлик тешилиши ундан тескари ток оққанида иссиқлик етарлича сочилмаслиги натижасида p-n ўтиш қизиб кетиши ҳисобига юз беради. Қизиш тескари ток қийматини оширади, натижада p-n ўтиш янада кўпроқ қизийди, оқибатда p-n ўтиш ишдан чиқади.

р-n ўтишнинг электр параметрлари.

p-n ўтишнинг дифференциал қаршилиги ва сиғими унинг муҳим электр параметрлари ҳисобланади.

Дифференциал қаршилик. У p-n ўтишнинг кичик амплитудали ўзгарувчан токка кўрсатган актив қаршилигига эквивалент бўлиб,  ифода билан аниқланади. Дифференциал қаршилик ВАХнинг белгиланган нуқтасидаги тикликка тескари пропорционал. Идеаллашти-рилган p-n ўтиш учун R_ДИФ нинг аналитик ифодасини топиш мумкин

 

   .                                         (3.3)

Тўғри силжитилганда I>>I₀, шунинг учун

 

.                                              (3.3 а)

 

p-n ўтишга тўғри кучланиш берилганда R_ДИФ қиймати кичик ва кучланиш ортиши билан камаяди, тескари силжитилганда эса жуда юқори бўлади.

р-n ўтиш сиғими. p-n ўтишдаги қўш электр қатлам – барьер сиғимини,    p- ва n- соҳалардаги номувозанат ноасосий заряд ташувчилар  – диффузия сиғимини вужудга келтиради.

Паст частоталарда p-n ўтиш токи электрон – ковак ўтишнинг ҳамда яримўтказгич p- ва n- соҳаларининг актив қаршилиги (r_Б) билан аниқланади. Юқори частоталарда p-n ўтишнинг инерциядорлиги унинг сиғими билан белгиланади.

p-n ўтиш тўғри уланганда чегарадош соҳаларга ноасосий заряд ташувчилар инжекцияланади. Бунинг натижасида p-n ўтиш чегаралари яқинидаги юпқа қатламларда қийматлари бир – бирига тенг қарама – қарши ишорали номувозанат ноасосий заряд ташувчилар Q_ДИФ тўпланадилар. Кучланиш қиймати ўзгарганда инжекцияланган заряд ташувчилар сони, заряд миқдори ўзгаради. Зарядларнинг кучланиш таъсирида бундай ўзгариши конденсатор қопламаларида заряднинг ўзгаришига ўхшайди. Ноасосий заряд ташувчилар базага диффузия ҳисобига келгани сабабли бу сиғимни диффузия сиғим деб аталади ва қуйидаги формулага биноан ҳисобланади

 

.                                            (3.4)

 

Тўғри ток қиймати ва заряд ташувчиларнинг базада яшаш вақти ортиши билан диффузия сиғим ортади. p-n ўтиш тескари силжитилиши билан C_ДИФ=0 бўлади. Диффузия сиғимнинг кучланиш билан ўзгариши p-n ўтиш ВАХ тўғри шахобчаси билан ўхшашлиги (3.4)дан кўриниб турибди. Частота ортиши билан диффузия сиғим камаяди.

Электрон – ковак ўтиш қўш электр қатламни ташкил этади ва зарядланган конденсаторга ўхшайди. p-n ўтиш сиғими ўтиш юзаси S, унинг кенглиги ва яримўтказгичнинг диэлектрик доимийси ε билан аниқланади. У барьер сиғим деб аталади ва қуйидаги ифода билан аниқланади

 

.                                    (3.5)

 

p-n ўтишга кучланиш берилганда унинг қалинлиги ўзгаргани сабабли сиғими ҳам ўзгаради. Сиғимнинг кучланиш қийматига боғлиқлиги куйидагича бўлади

 

.                                          (3.6)

 

Бу ифодада p-n ўтиш тўғри уланганда ишора манфий, тескари уланганда эса – мусбат олинади. Барьер сиғим С_Б p-n ўтишга берилган кучланиш қийматига боғлиқ бўлгани сабабли, ундан ўзгарувчан сиғимли конденсатор сифатида фойдаланиш мумкин.

Тўғри силжитилганда диффузия сиғим барьер сиғимдан анча катта қийматга эга, тескари силжитилганда эса – аксинча бўлади. Шу сабабли тўғри силжитилганда p-n ўтишнинг инерциядорлиги диффузия сиғими билан, тескари силжитилганда эса – барьер сиғими билан аниқланади.

Барьер сиғим частотага боғлиқ эмас. p-n ўтишнинг вольт – фарад характеристикаси 3.3 – расмда келтирилган.

Динамик режимда p-n ўтишнинг  хусусиятларини ифодалаш учун ҳам қатор модделардан, хусусан, динамик ВАХ лардан фойдаланилади. Сиғимлар таъсирини эътиборга олган ҳолда ушбу модель чегарасида p-n ўтиш токини қуйидаги ифодадан топиш мумкин

,                                           (3.7)

 

бу ерда I(U) –статик ВАХдан аниқланадиган ток, - кўринишга эга бўлиб, у  p-n ўтиш сиғимини ифодалайди.

(3.7)дан фойдаланиб, C_Д(U) сиғим қийматларини билган ҳолда кучланишнинг турли ўзгариш тезликлари  учун, яъни турли частоталар учун характеристикалар оиласини қуриш мумкин.

         Металл – яримўтказгич ўтишлар.

Яримўтказгич асбобларнинг p- ва n-  соҳаларидан электродлар чиқариш учун металл – яримўтказгич контактлардан фойдаланилади. Бундай контактлар тўғриловчи ёки омик (Ом қонунига бўйсунувчи) хусусиятга эга бўлиши мумкин. Улар яримўтказгичнинг ўтказувчанлик турига, киритмалар концентрациясига, электронларнинг яримўтказгич ва металлдан чиқишишлари нисбатига боғлиқ ҳолда ҳосил қилинадилар.

Тўғри йўналишдаги қаршилиги тескари йўналишдагисидан кичик бўлган ва ночизиқли ВАХга эга контакт тўғриловчи контакт деб аталади. Қаршилиги контактдан ўтаётган ток қиймати ва йўналишига боғлиқ бўлмаган контактлар омик контакт дейилади. Металлдан ёки яримўтказгичдан электронни тортиб олиш учун сарфланадиган иш миқдори чиқиш иши деб юритилади ва у электрон – вольт (эВ) бирликларда ўлчанади, 1 эВ=1,60∙10^-19 Дж.

Тўғриловчи контактлар. Металл билан n – турли яримўтказгич орасида тўғриловчи контакт ҳосил қилиш учун электронларнинг яримўтказгичдан чиқиш иши А_ЯЎ металларники А_МЕТ дан кичик бўлмоғи лозим. Бунда А_МЕТ > А_ЯЎ бўлгани учун контакт соҳасидаги яримўтказгичдан электронлар металлга кўпроқ диффузияланади, натижада металлнинг контакт соҳалари манфий зарядланади. Яримўтказгичнинг чегарадош соҳасида эса асосий заряд ташувчилар сони камайиб, қўзғалмас донор ионлар ҳисобига мусбат зарядланган қатлам ҳосил бўлади. Манфий ва мусбат қатламлар ҳисобига электр майдон ва потенциал тўсиқ ҳосил бўлади. Яримўтказгичнинг солиштирма қаршилиги металлникига қараганда юқори бўлгани учун ҳосил бўлган электр ўтиш (металл - яримўтказгич) асосан яримўтказгич соҳасида жойлашади.

Мувозант ҳолатда  n – яримўтказгичннг электронлари учун потенциал тўсиқ баландлигини белгиловчи контакт потенциаллар фарқи, чиқиш ишлар фарқига тенг бўлади

 

.

 

Барьер баландлигини назарий аниқлаш анча мураккаб бўлгани сабабли амалиётда тажриба натижаларидан фойдаланилади. Масалан, n – турдаги кремнийнинг олтин билан ҳосил қилган контакт потенциаллар фарқи   U_ШК=0,78эВ ни, алюминий билан эса U_ШК=0,72эВ ни ташкил этади.

Металл - n – яримўтказгич асосидаги контактнинг мувозанат ҳолатдаги кенглиги, кескин p-n ўтишники каби, U_К  ни U_ШК га ўзгартириб топилиши мумкин.

Агар ташқи кучланиш манбаининг мусбат электроди металлга, манфий электроди эса  n – яримўтказгичга уланса (тўғри силжитиш), электронларни яримўтказгичдан металлга ўтишига тўсқинлик қилувчи потенциал тўсиқ qU₀ га пропорционал камаяди. Бунда яримўтказгичнинг электронлари пасайган тўсиқдан ўтиб, тўғри ток I ни ҳосил қиладилар.

Ташқи кучланиш тескари (манфий электроди металлга) уланганда потенциал тўсиқ q га пропорционал равишда ортади. Бунда металлдан яримўтказгичга ўтаётган электронлар ва яримўтказгичнинг коваклари I₀ тескари ток ҳосил қиладилар.

Металл – яримўтказгич ўтишнинг статик ВАХси ҳам, p-n ўтишникига ўхшайди

  ,

 

лекин тўйиниш токи I₀ нинг қиймати фарқ қилади. Масалан, n –яримўтказгич учун N_d=10¹⁵ см^-3, юзаси S=10^-4 см^-2, температура Т=300 Кни ташкил этганда p-n ўтиш учун тескари ток I₀= 10^-14А ни, алюминий – кремний контакт учун эса I₀= 2∙10^-9 А ни ташкил этади.

Металл – яримўтказгич асосидаги потенциал тўсиқ Шоттки барьери (тўсиғи), диодлар эса – Шоттки диоди деб юритилади. Айтилганлардан Шоттки диодларида ноасосий заряд ташувчиларнинг тўпланиши ва чиқариб юборилиши билан боғлиқ диффузия сиғими нолга тенглиги келиб чиқади. Натижада Шоттки диодларининг тезкорлиги ток ва кучланишлар ўзгарганда, жумладан ток ва кучланишлар тўғридан тескарига ва аксинча ўзгарганда фақат барьер сиғимнинг металл қаршилиги орқали қайта зарядланиш вақти билан белгиланади. Кичик юзага эга бўлган бундай диодларнинг қайта уланиш вақти наносекунднинг ўнларча ва юзларча улушларини ташкил этади. Шунга мос ишчи частоталар 3÷15 ГГц ни ташкил этади.

Электрон асбобларнинг р – ва n – соҳаларига металл электродлар уланган жойларда омик контактлар ҳосил қилинади. Демак, p-n тузилмада p-n ўтишдан ташқари яна иккита электр ўтиш мавжуд: улардан бири р – соҳадан, иккинчиси эса n – соҳадан электродлар чиқариладиган жойларда бўлади. Агар бу ўтишлар инжекцияловчи бўлса, уларга тескари силжитиш берилганда электронларнинг р – соҳага ва ковакларнинг n – соҳага инжекцияси бошланади. Инжекцияланган ноасосий заряд ташувчилар p-n ўтишга етиб бориб, тескари ток ҳосил бўлишида қатнашади. Шунинг билан p-n ўтишнинг носимметрик ўтказувчанлиги йўқолади. Омик контакт қуйидаги: чизиқли ВАХ; кичик контакт қаршиликка; инжекцияламайдиган электр хусусиятларга эга бўлмоғи зарур.

Контакт ушбу хусусиятларга эга бўлиши учун n – яримўтказгич сиртига яримўтказгич чиқиш ишига нисбатан кичикроқ чиқиш ишига эга бўлган металл, р – соҳа сиртига эса яримўтказгичга нисбатан каттароқ чиқиш ишига эга бўлган металл пуркалади. Яримўтказгичнинг контакт олди соҳалари юқорироқ концентрацияли асосий заряд ташувчиларга ва шунинг учун, кичикроқ қаршиликка эга бўладилар. Бундан ташқари, контактлардаги электр ўтишлар кенглиги жуда кичик бўлиб, туннель ток ўтиши кузатилади. Бунда контакт токни иккала йўналишда ҳам яхши ўтказади, яъни омик бўлади.

Гетероўтишлар. Тақиқланган зона кенгликлари турлича бўлган яримўтказгичлар туташтирилганда ҳосил бўлувчи электр ўтишлар гетероўтишлар деб аталади. Гетероўтиш ҳосил қилувчи яримўтказгичлар кристалл тузилиши бир хил бўлиб, кристалл панжара доимийси бир – бириникига яқин бўлмоғи зарур. Бундай шартга қуйидаги яримўтказич жуфтликлар жавоб беради: германий – кремний, германий – арсенид галлий, арсенид галлий – фосфид галлий ва бошқалар. Гетероўтишлар оптоэлектрон асбобларда (нурланувчи диодлар, яримўтказгич инжекцион лазерлар, фотодиодлар ва бошқалар) кенг қўлланилади.

Гетероўтишлар асосида гетеротузилмалар яратганлиги, улар хусусиятларини ўрганган ҳамда яримўтказгич асбобларнинг янги  турларини ҳосил қилгани учун академик Ж.И. Алферов 2000 йилда Нобель мукофотига сазовор бўлди.Гетероўтишли тузилмалар комбинациясининг тўрт хилини амалга ошириш мумкин: p₁ – n₂, n₁ – n₂, n₁ – p₂  ва   p₁ – p₂. Гетероўтишлар хусусиятларининг фарқи, уларнинг энергетик диаграммаларидан келиб чиқади. p₁ – n₂ гетероўтиш зоналар энергетик диаграммасини кўриб чиқамиз. Яримўтказгичларнинг р – турлиси тор тақиқланган зонали, n –  турлиси эса кенг зонали бўлсин. Зоналар энергетик диаграммаси қурилишига ортиқча эътибор қаратмасдан, унинг энг муҳим хусусиятини – электрон ва коваклар учун потенциал  тўсиқлар қиймати турлича эканлигини айтиб ўтамиз. Ушбу тузилма ўтказувчанлик зонадаги электронларга бўлган потенциал барьер (ЭПБ) валент зонадаги коваклар учун потенциал барьер (КПБ) га нисбатан кичик.

Тўғри кучланиш берилганда ЭПБ камаяди ва электронлар n – яримўтказгичдан р – яримўтказгичга инжекцияланади. Бунда қўшни соҳадаги КПБ камайса ҳам, ковакларнинг р – соҳадан n – соҳага инжекцияланишига йўл бермайдиган даражада камаяди. Шунинг учун коваклар р – соҳадан n – соҳага деярли инжекцияланмайди. Ушбу хусусият гетероўтишларнинг гомоўтишларда амалга ошириб бўлмайдиган қатор хусусиятларини белгилайди. Масалан, транзисторнинг база соҳаси эмиттерга нисбатан юқорироқ легирланган бўлса ҳам, эмиттернинг инжекция коэффициентини бирга яқин бўлишига эришиш мумкин. Бундан ташқари, контактлашувчи яримўтказгичлар ўтказувчанлик тури бир хил (n₁ – n₂ ва   p₁ – p₂ тузилмалар) бўлганда ҳам гетероўтишларда тўғрилаш хусусияти сақланади.

 

 

Масалан, n₁ – n₂ тузилма зоналар энергетик диаграмасидан, n₁ – яримўтказгич n₂ – га қараганда тор тақиқланган зонали бўлганида (3.4- расм), тўғри уланиш амалга оширилса инжекцияланувчи заряд ташувчилар n₁ ва n₂ соҳаларнинг асосий заряд ташувчилари билан бир хил ишорага эга бўлади. Шундай қилиб, гетероўтишларда бир томонлама инжекция бўлганлиги (ноасосий заряд ташувчилар инжекцияси бўлмагани) сабабли, электрон асбоблар тезкорлигини ошириш имкони яратилади.

 

Назорат саволлари

1. p-n ўтишнинг қандай тешилиш турлари мавжуд ва улар бир - биридан қандай фарқланади ?

2. Металл билан n – турдаги яримўтказгич тўғриловчи контакт ҳосил қилганда  зоналар энергетик диаграммасини чизинг.

3. Шоттки барьери деганда нимани тушунасиз ?

4. Шоттки диоднинг асосий сифатларини келтиринг.

5. Шоттки диодининг оддий p-n ўтишдан афзаллиги нимада ?

6. Гетероўтиш ҳосил қилишда яримўтказгич материалларга қандай  талаб қўйилади ?

7. Гетероўтишлар қаерларда қўлланилади ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 – маъруза

ЯРИМЎТКАЗГИЧ ДИОДЛАР

 

Режа:   Яримўтказгич диод ҳақида тушунча

             Яримўтказгич диод ВАХи

              Яримўтказгич диод асосий параметрлари

              Яримўтказгич диод  турлари

 

Яримўтказгич диод деб бир (ёки бир неча) электр ўтишларга эга икки электродли электрон асбобга айтилади. Диодлар радиоэлектрон қурилмаларда ишлатилиши ва бажарадиган вазифасига мувофиқ таснифланадилар.

Барча яримўтказгич диодларни икки гуруҳга ажратиш мумкин: тўғриловчи ва махсус вазифаларни бажарувчи. Тўғриловчи диодлар ўзгарувчан токни ўзгармас токка ўзгартириш учун қўлланади. Тўғриланувчи ток шакли ва частотасига боғлиқ ҳолда улар паст частотали, юқори частотали ва импульс диодларга ажратилади. Махсус вазифаларни бажарувчи диодларда р-n ўтишларнинг турли  электрофизик хусусиятларидан, масалан, тешилиш ҳодисаларидан, фотоэлектрик ҳодисалардан, манфий қаршиликка эга соҳалари мавжудлигидан ва бошқалардан фойдаланилади. Махсус вазифаларни бажарувчи диодлар, хусусан, ўзгармас кучланишни барқарорлаш, оптик нурланишни қайд этиш, электр схемаларда сигналларни шакллантириш ва бошқа вазифаларни амалга ошириш учун қўлланилади.

 

 

Яримўтказгич диодларнинг электр схемаларда шартли белгиланиши 4.1 а - расмда, унинг тузилмаси кўриниши б – расмда келтирилган. Расмларда диоднинг чиқишлари А ва К кўрсатилган бўлиб, улар диоднинг электродлари деб аталади. Диоднинг р – томонига уланган электрод анод деб, n – томонига улангани эса – катод деб аталади. Диоднинг статик ВАХи в – расмда келтирилган.

Яримўтказгич диоднинг тўғри ва тескари йўналишларидаги қаршиликлари бир – биридан кескин фарқ қилади: тўғри йўналишда силжитилган диоднинг қаршилиги қиймати кичик, тескари силжитилган диодники эса – катта бўлади. Шу сабабдан диод бир томонга электр токини яхши ўтказади, иккинчи томонга эса – ёмон ўтказади.

Диодни асосий параметрлари:

1. Статик қаршилик      [Ом] ;

2. Дифференциал қаршилик       [Ом]  ;

 

3. Характеристика тиклиги    [А/В]  .

Тўғриловчи диодлар кучланиш манбаи  ўзгарувчан кучланишини ўзгармасга ўгиришда қўлланилади. Тўғриловчи диодларнинг асосий хоссаси – бир томонлама ўтказувчанлик бўлиб, унинг мавжудлиги тўғрилаш эффекти билан аниқланади.

Тўғриловчи диодларнинг ишлатилиш частота диапазони жуда кенг. Шу сабабли улар ишчи частота диапазони бўйича синфланадилар.

Паст частотали тўғриловчи диодлар (ПЧ диодлар) саноат частотасидаги (50 Гц) ўзгарувчан токни ўзгармасга ўгиришда қўлланилади. ПЧ диодларига қўйиладиган асосий талаб – бу катта қийматга эга бўлган тўғриланган токлар олиш. Тўғриловчи диодлар одатда 0,3 А гача, 0,3 А дан 10 А гача ва 10 А дан юқори бўлган тўғриланган токларга мўлжалланган  кичик, ўрта ва катта қувватли диодларга бўлинади. ПЧ диодлари катта  р-n ўтиш билан характерланадилар.

Юқори частотали тўғриловчи диодлар (ЮЧ диодлар) ўн ва юз мегагерц частотагача бўлган сигналларни ночизиқли электр ўзгартиришга мўлжалланган. ЮЧ диодлари юқори частота сигналлари детекторлари, аралаштиргичлар, частота ўзгартиргич схемалар ва бошқаларда қўлланилади. Юқори частота диодлари кичик инерцияга эга, чунки кичик юзага эга бўлган нуқтавий р-n ўтишга эга ва шу сабабли уларнинг тўсиқ сиғими пикофараднинг бир қисмини ташкил этади.

Шоттки тўсиғили (барьерили)  диодлар кучланиш манбаи қайта улагичларида кенг тарқалган, чунки улар  қайта уланиш ишчи частотасини 100 кГц ва ундан юқорига орттиришга, радиоэлектрон аппаратура оғирлиги, ўлчамларини кичрайтиришга ва кучланиш манбаи ФИК оширишга имкон яратадилар. Шоттки тўсиғи металлни ярим ўтказгич билан контакти натижасида ҳосил қилинади. Ярим ўтказгич материал сифатида кўп ҳолларда n – турдаги кремний, металл сифатида эса Al, Au, Mo ва бошқалар қўлланилади. Бу вақтда металл чиқиш иши кремний чиқиш ишидан катта бўлиши талаб қилинади. Бундай диодларда диффузия сиғими нольга тенг, тўсиқ сиғими эса 1 пФ дан ошмайди.

Стабилитрон  - ярим ўтказгичли диод бўлиб, унинг ишлаш принципи р-n ўтишга тескари кучланиш берилганда электр тешилиш соҳасида токнинг кескин ортиши кучланишнинг унча катта бўлмаган ўзгаришига олиб келишига асосланган. Стабилитрон схемаларда кучланишни барқарорлаш учун ишлатилади.

Стабилитроннинг асосий параметри бўлиб, токнинг I_СТ.min дан I_СТ.max гача кенг ўзгариш оралиғида барқарорлаш кучланиши U_СТ ҳисобланади (4.2 - расм).

Стабилитрон ВАХ сидаги ишчи соҳа электр тешилиш соҳасида жойлашади. Барқарорлаш кучланиши диод базасидаги киритма концентрацияси билан  аниқланадиган р-n ўтишга боғлиқ. Агар юқори концентрацияга эга бўлган ярим ўтказгич қўлланилса, у ҳолда р-n ўтиш тор бўлади ва туннель тешилиш кузатилади. U_СТ ишчи кучланиши 3-4 В дан ошмайди.

Юқори вольтли стабилитронлар кенг р-n ўтишга эга бўлиши кеоак, шунинг учун улар кучсиз легирланган кремний асосида ясаладилар. Уларда кўчкисимон тешилиш содир бўлади, барқарорлаш кучланиши эса 7 В дан ортмайди. U_СТ 3 дан 7 В гача бўлган оралиқда тешилишнинг иккала механизми ишлайди. Саноатда барқарорлаш кучланиши 3 дан 400 В гача бўлган стабилитронлар ишлаб чиқарилади.

Стабилитроннинг электр тешилиш соҳасидаги дифференциал қаршилиги r_Д барқарорлаш даражасини характерлайди. Бу қаршилик қиймати диоддаги кичик кучланиш ўзгариши қийматининг диод токи ўзгаришига нисбати билан аниқланади (4.2 - расм). r_Д қиймати қанча кичик бўлса, барқарорлаш шунча яхши бўлади.

 

4.2 – расм

Стабилитроннинг асосий параметри бўлиб барқарорлаш кучлани-шининг температура коэффициенти (КТК) ҳисобланади. КТК – бу температура  бир градусга ўзгарганда барқарорлаш кучланишининг нисбий ўзгариши. Кўчкисимон тешилиш кузатиладиган кичик вольтли стабили-тронлар одатда мусбат КТКга эга. КТК қиймати одатда 0,2 - 0,4 % /град дан ошмайди.

Варикап электр ёрдамида бошқариладиган сиғим сифатида қўлланишга мўлжалланган. Варикапнинг ишлаш принципи электр ўтиш тўсиқ сиғимининг тескари кучланишга боғлиқлигига асосланган.

Варикаплар асосан тебранма контурларни частотасини электрон қайта созлашда қўлланилади. Варикапларнинг бир неча тури мавжуд. Масалан, параметрик диодлар ўта юқори частота сигналларини кучайтириш ва генерациялашда, кўпайтирувчи диодлар эса кенг частота диапазонига эга бўлган кўпайтиргичларда қўлланилади.

Туннель диоди деб қўзғотилган ярим ўтказгич асосида лойиҳаланган ярим ўтказгичли асбобга айтилади. Унда тескари ва унча катта бўлмаган тўғри кучланишда туннель эффекти юзага келади ва вольт – ампер характеристика манфий дифференциал қаршиликка эга бўлган соҳа мавжуд бўлади. Туннель диодлар бошқа турдаги диодлардан сезиларли фарқ қилмайди, лекин уларни ясаш учун 10²⁰ см^-3 киритмага эга бўлган ярим ўтказгичли материаллар қўлланилади.

ВАХ ночизиқли бўлса, унинг ҳар бир кичик соҳаси тўғри чизиқ деб қаралади ва характеристиканинг бу нуқтасида  дифференциал қаршилик киритилади. Агар характеристика камаювчи бўлса, бу соҳада қаршилик R_i манфий қийматга эга бўлади.

 

Назорат саволлари:

1.     Яримўтказгич диод деганда нимани тушунасиз ?

2.     Яримўтказгич диодларни қандай гуруҳларга ажратиш мумкин ?

3.     Яримўтказгич диод ВАХини чизинг ва тушунтиринг.

4.     Диодни асосий параметрларини айтиб беринг.

5.     Диодларнми қўлланиш соҳаларини айтиб беринг.

6. p-n ўтишнинг қандай тешилиш турлари мавжуд ва улар бир - биридан қандай фарқланади ?

7. Стабилитронларда электр тешилишнинг қайси тури ишлатилади ?

8. Диодларнинг қандай турларини биласиз ? Уларнинг шартли белгиланишини чизинг.

9. Диод ёрдамида тўғрилаш эффекти нимадан иборат ?

10. Варикап деганда нима тушунилади ва у қаерда қўлланилади ?

11. Электр занжирда стабилитрон қандай қилиб чиқиш кучланишини стабиллаштиради ?

12. Тўғриловчи ва туннель диодлар ишлаш механизмидаги фарқ қилувчи хусусиятлар нимадан иборат ?

 

5 – маъруза

 

 ЯРИМЎТКАЗГИЧ ДИОДЛАР

 

Режа:   ЎЮЧда ишловчи диодлар

               Фотодиодлар

               Нурланувчи диодлар

               Оптронлар    

 

Кўчкили учма диод (КУД) генерацияловчи диодларнинг бир кўринишини ташкил этади. Юқори частоталарда унинг ВАХида, p-n ўтишда кўчкили тешилиш содир бўлганда, манфий қаршиликка эга соҳа ҳосил бўлади. Агар КУД резонаторга жойлаштирилса унда частотаси 100 Гц гача бўлган сўнмас электр тебранишлар ҳосил бўлади. Ўта юқори частота (ЎЮЧ)ларга 300 МГц дан 300 ГГц гача диапазондаги тебранишлар киради ва дециметрли, сантиметрли, миллиметрли тўлқин узунликдаги тебранишларни ўз ичига олади.

Кучайтириш ёки генерациялаш режимига мос шартларни электрон асбобларнинг манфий динамик (дифференциал) қаршилиги (МДҚ) билан характерлаш қабул қилинган. Электрон асбобда МДҚ нинг мавжудлиги уни энергия ютувчи сифатида эмас, балки ўзгарувчан ток энергияси манбаи сифатида қараш кераклигини англатади. КУД – яримўтказгич асбоб бўлиб, унинг ишлаш принципи ЎЮЧ диапазонда заряд ташувчиларнинг кўчкисимон кўпайиши ва уларнинг электр майдон таъсирида учиб ўтиши натижасида МДҚ ҳосил бўлишига асосланади. Ҳозирги вақтда КУДлар миллиметрли тўлқин узунлигида энг катта қувватли ЎЮЧ тебранишлар ҳосил қилувчи қаттиқ жисмли манбаларнинг биридир. 10 ГГц частотада узлуксиз тебранишларнинг максимал қуввати, ФИК 40 % бўлганда, 10 Вт ларни ташкил этади.Кўчки токи шовқинлари юқори бўлгани сабабли, КУД асосидаги кучайтиргичлар шовқин коэффициенти 30-40 дБ ни ташкил этади ва КУДларнинг кучайтиргич сифатида ишлатилишини чеклайди. КУД асосидаги қувват кучайтиргичлар радиорелели ва сунъий йўлдошли алоқа тузилмаларида қўлланилади.КУД тузилмаси ва КУД асосидаги генераторнинг электр схемаси  5.1 – расмда кўрсатилган. RLC микротўл-қинли резонаторни ташкил этади. КУДда хусусий автотебранишларни ташқи резонанс контурсиз ҳам уйғотиш мумкин.

5.1 – расм. КУД асосидаги генератор электр схемаси.

КУД параметрлари ва тескари кучланиш U қиймати шундай танланадики, p⁺ - n ўтишдаги электр майдон кучланганлиги Е_Л  ≈ 10⁵ В/см,      i – соҳада эса Е_ТЎЙ ≈ 5-10 кВ/см бўлсин.

Электр майдон кучланганлиги Е_Л га етганда яримўтказгич кристалл панжараси атомларининг зарбдан ионлашуви бошланади. Зарбдан ионлашув натижасида заряд ташувчиларнинг кўчкисимон кўпайиши кузатилади. Электр майдон кучланганлиги  i – соҳада Е_ТЎЙ дан катта бўлгани сабабли заряд ташувчилар дрейф тезлиги майдон кучланганлигига боғлиқ бўлмайди ва υ_ТЎЙ ≈ 10⁷ см/с ни ҳосил қилади.

Электр занжирларда доим мавжуд бўладиган электр токи ёки кучланиши флуктуациялари ҳисобига схемада ҳосил бўлган бирламчи тебранишлар қурилмани генерациялаш режимига ўтказади. Тебраниш контурида электр майдоннинг ўзгарувчан ташкил этувчисини белгиловчи   ўзгарувчан кучланиш ҳосил қилинади

 

    .                                          (5.1)

 

Мусбат ∆Е ярим даврларда p⁺-n ўтишда электрон – ковак жуфтликлар генерацияланади. ∆Е ортиб бориши билан вақт бирлиги ичида ҳосил бўлаётган заррачалар сони шундай ортадики, ∆Е мусбат ярим даври охирида энг кўп заряд ташувчилар ҳосил бўлади. Коваклар p⁺-n ўтишдан p⁺- соҳага силжийди, электронларнинг асосан кўп қисми Q зарядли тўплам сифатида p⁺-n ўтиш майдони ҳисобига L қалинликка эга бўлган ва дрейф қатлами деб аталувчи i – соҳага ўтади. Дрейф қатламида электронлар ўртача υ_ТЎЙ тезлик билан n⁺ - соҳага силжийди.

Электр майдон тезлатувчи майдондан секинлатувчи майдонга ўтиш вақтида электронлар тўплами дрейф соҳасида харакатланишга бошлайди.

Агар дрейф қатлами узунлиги L да электронларнинг учиб ўтиш вақти τ_ДР  тебранишлар даври ярмига яқин () қилиб олинган бўлса, электронлар тўплами L нинг бутун узунлигида юқори частотали майдон билан тормозланади ва унга ўз энергиясини бериб боради. Кинетик энергия узатилиши электронлар тўпламининг кристалл панжара билан тўқнашувлари орасида содир бўлади.

Электронлар ўзининг бир қисм энергиясини юқори частотали майдонга узатиши КУД МДҚка эга эканини ангалатади.

ЎЮЧ майдонга энергия узатишнинг мақбул шартидан  келиб чиққан ҳолда, УД ли генераторнинг ишчи частотаси f ни баҳолаймиз

 

       .                                     (5.2)

 

L =10 мкм ни ташкил этганда f =5 ГГц бўлади. Ҳисоблаб топилган частота учиб ўтиш частотаси, кўрилган режим эса учиб ўтиш режими деб аталади.

Генерацияловчи диодларнинг бошқа турини Ганн диодлари ташкил этади.

Ганн диодлари (ГД) – бир жинсли яримўтказгичда Ганн эффекти ҳисобига МДҚка эга  яримўтказгич асбоб. Ҳажмий резонаторга уланган ГД ЎЮЧли гармоник тебранилар генерациялашга қодир.

 Диод узунлиги 10^-2÷10^-3 смли бир жинсли яримўтказгич пластинадан иборат. Пластинаниг қарма –қарши томонларида катод К ва анод А деб аталувчи металл контактлар ҳосил қилинади. Ганн диодларини ҳосил қилиш учун n – турли GaAs, InSb, InAs ва  InP каби бирикмалардан фойдаланилади. Диод тебраниш контурига уланади. Ганн диоди контактларига кучланганлиги 3∙10³ В/смга яқин электр майдон ҳосил қилувчи доимий кучланиш берилганда унинг ҳажмида частотаси 60 ГГц гача бўлган электр тебранишлар ҳосил бўлади. Электр тебранишлар қуввати 10 ÷ 15 Вт гача бўлади, диоднинг ФИКи эса 10÷12 % ни ташкил этади.

ГД асосидаги генераторнинг 10 ГГц частотадаги максимал қуввати 2 Втга яқин (ФИК 9÷15%). Частота ортиши билан у  қонун бўйича камайиб боради. Бундай натижалар нобарқарор ҳажмий заряд соҳаси режимида олинган.

ГДлари кўчма радиолокаторларда, алоқа тизимларида, шунингдек мантиқий элементлар сифатида ва бошқа қурилмаларда кенг қўлланилади.

Бир жинсли,  n – турли GaAs  ва  InP кристалларида Ганн эффекти асосини воҳалараро ўтиш деб аталувчи даврий ток импульслари ҳосил бўлишига олиб келувчи ўтиш ташкил этади. Қутбли яримўтказгичларда ўтказувчанлик зонаси энергиялар оралиғи билан бир – биридан ажратилган бир нечта минимумга ёки “воҳага” эга. Соддалаштириш учун, ўтказувчанлик зонаси бош воҳа 1 ва эквивалент воҳа 2 дан иборат деб ҳисобланади  (5.2 - расм). GaAs  учун ∆W₁=0,36 эВ, ∆W_g=1,43 эВ.

 

 

5.2 - расм. Ганн эффектини тушунтирувчи

 энергетик диаграмма.

 

Электронлар (коваклар) эффектив массаси материал турига, кристалл тузилишига ҳамда заряд ташувчилар энергиясига боғлиқ, чунки кристалл панжара хусусий электр майдони тезланишига ушбу заррачалар таъсир этади. GaAs кристалида электронларнинг юқори – 2 воҳадаги эффектив массаси m_ЭФ2=1,2m, пастки воҳа 1 дагиси эса m_ЭФ1=0,07m ни ташкил этади, бу ерда m – вакуумдаги эркин электроннинг массаси. Иккинчи томондан, электронлар эффектив массаси ортгани сайин уларнинг ҳаракатчанлиги  қонунга биноан камаяди, бу ерда Т – кристаллнинг абсолют температураси. Шунинг учун юқори воҳа “оғир” электроларининг ҳаракатчанлиги 100 см²/[В∙с], пастки воҳа “енгил” электронларининг ҳаракатчанлиги эса 5000 см²/[В∙с] ни ташкил этади. Шундай қилиб, берилган температурада ўтказувчанлик зонасида бир вақтнинг ўзида “енгил” ва “оғир” электронлар мавжуд. Больцман тақсимотига (1.5^/ - формулага қаранг) мувофиқ хона температурасида электронларнинг кўп қисми пастки воҳада тўпланади. Агар диодга катта бўлмаган потенциаллар фарқи берилса, унда электронларни тезлатувчи майдон ҳосил бўлади (5.3 – расмда 1-2 соҳа).

Электронлар  тезликка эришадилар ва диодда  ток ҳосил бўлади. Ток ҳосил бўлишида юқори воҳа электронларининг улуши, улар концентрацияси кичик бўлгани сабабли, ҳозирча жуда кичик.          

 

 

5.3- расм.  Дрейф тезликнинг электр майдон

кучланганлигига боғлиқлиги.

 

Яримўтказгичга берилган электр майдон Е ортиши билан кристалл температураси ортади, шу билан бир қаторда электронларнинг ўртача энергияси ҳам ортади.  Е_БЎС ≈ 3,2 кВ/см га етганда GaAs кристали электронлари ∆W₁ потенциал тўсиқни енгиб ўтиш учун етарли энергия оладилар. Натижада пастки воҳа электронлардан бўшаб, юқоридагиси эса – тўлади. Бу жараён воҳалараро ўтиш деб аталади. Е ≥Е_БЎС бўлган майдон таъсирида (5.3 – расм, 2-3 соҳа) электронларнинг асосий қисми пастки воҳадан юқори воҳага ўтади. Ушбу ўтиш натижасида электронларнинг дрейф тезлиги га тенг бўлиб қолади ва илгаригига қараганда камаяди, ҳосил бўлаётган ток зичлиги ҳам камаяди. Электр майдон диодга берилган кучланишга пропорционал, диоддаги ток эса электронларнинг дрейф тезлигига пропорционал бўлгани сабабли 5.3 – расмда келтирилган эгри чизиқни диод ВАХи сифатида қараш мумкин. Эгри чизиқнинг пастга қараб кетган соҳасида, диод МДҚка эга. МДҚ мавжудлиги, диодга пассив занжир, масалан, резонатор улаб, тебранишлар генерацияловчи ёки кучайтирувчи сифатида фойдаланиш имконини очади. Майдон кучланганлиги яна ҳам орттириб бориши билан дрейф тезлик тўйинади (10⁷ см/с) (5.3 - расмда 3-4 соҳа). Статик режимда бундай характеристика кузатилмайди. Диоднинг воҳалараро ўтишлар содир бўлаётган маълум тор соҳасидагина электр майдон  кучланганлигининг бўсағавий қийматига Е_БЎС эришилади. Ушбу соҳа ҳажмий электр нобарқарорлик соҳаси деб аталади.

Яримўтказгич материал ҳажмида ҳар доим киритмалар концентрацияси кичик бўлган соҳа мавжуд бўлади. Ушбу соҳанинг қаршилиги атрофидаги бошқа соҳалар қаршилигига нисбатан юқорироқ бўлгани сабабли ундаги электр майдон кучланганлиги Е_БЎС га етади (5.4, а - расм).

 

Шунинг учун стабил домен ҳосил бўлиши учун домен ҳосил бўлиш вақти  доменнинг катоддан анодга учиб ўтиш вақти  дан кичик бўлмоғи зарур. Анодга етган домен сўрилиб кетади. Шундан кейин - қатламда янги домен ҳосил бўлади ва жараён такрорланади. Доменларнинг йўқолиши ва янгисининг ҳосил бўлиши диод қаршилигининг ўзгариши билан давом этади, натижада диод токи тебранишлари кузатилади. бўлганда диод токи тебранишлари частотаси га тенг, бу ерда  =10⁷ см/с, L – яримўтказгич узунлиги. Диоднинг доменлар ҳосил қилиб ишлаш режими учиб ўтиш режими деб аталади.

ГД асосидаги генераторнинг содда схемаси 5.5 – расмда келтирилган. Резонатор С_Э сиғимли, L_Э индуктивликли ва R_Э қаршиликли эквивалент контур билан алмаштирилган.  Генератор R_Э нинг кичик қийматларида ўз – ўзини уйғотади ва учиб ўтиш режими амалга ошади. Ушбу режимда юкламадаги қувват домен ҳосил қилади, диоднинг қолган қисми пассивдир. Шунинг учун диоднинг ФИК бир неча фоиздан ошмайди.

 

 

5.5- расм. Ганн диоди асосидаги содда генератор схемаси.

 

ГД асосидаги генераторнинг кўриб чиқилган режими бир неча ГГц чамасидаги частоталар учун ўринли бўлиб, транзисторлар асосидаги анчагина юқори ФИК га эга бўлган генераторлар билан рақобатлаша олмайди. 10 ГГц дан юқори частоталарда ГДлари ҳажмий заряд тўпланишини чегаралаш (ХЗТЧ) режимида ишлатилади. Диод R_Э қаршилиги катта резонаторга жойлаштирилади. Бунда стационар домен ҳосил бўлмайди ва у диод анодига етгунча сўниб кетади. Генерацияланаётган тебраншлар частотаси резонатор частотаси билан аниқланади. ХЗТЧ режимида 160 ГГц ни ташкил этувчи ишчи частоталарга эришилади. ГД асосидаги сантиметрли диапазонда қайта генерацияловчи кучайтир-гичларнинг кучайтириш коэффицинти 6 - 10 дБ, чиқиш қуввати 1 Вт гача ва ФИК 5 % гача бўлади. Уларнинг шовқин коэффициенти майдонли транзисторлар асосидаги кучайтиргичларнинг шовқин коэффициентидан юқори. Шунинг учун улар оралиқ кучайтиргич каскадларда ишлатиладилар.

Фотодиод деб битта р-n ўтишга эга бўлган фото-электр асбобга айтилади. Фотодиод ташқи кучланиш манбаили (фотодиодли режим), ҳамда ташқи кучланиш манбаисиз схемаларга уланиши мумкин. Ташқи кучланиш манбаи шундай уланадики, р-n ўтиш тескари силжиган бўлсин. Ёруғлик тушурилмаганда диод орқали жуда кичик “қоронғулик” экстракция токи I₀ оқиб ўтади ва у берилаётган кучланишга боғлиқ бўлмайди. N- база соҳасига таъқиқланган зона кенглигидан анча катта бўлган  энергияли фотонлардан ташкил топган ёруғлик тушурилганда, электрон – ковак жуфтликлар генерацияланади. Агар жуфтликлар ўтишдан диффузия узунлигидан ошмайдиган оралиқда ҳосил бўлсалар, ёруғлик таъсирида генерацияланган коваклар ўтишнинг электр майдони таъсирида экстракцияланадилар ва тескари ток унинг “қоронғулик” қийматига нисбатан ортади. Ёруғлик оқими Ф қанча интенсив бўлса, диод тескари токи I_Ф қиймати шунча катта бўлади.

5.6 – расмда турли ёруғлик оқими қийматларидаги фотодиод ВАХси келтирилган. Ёруғликнинг кенг нурланиш чегараларида фототок ёруғлик оқимига деярли чизиқли боғлиқ бўлади.

 

5.6– расм. Ттурли ёруғлик оқими қийматларидаги

фотодиод ВАХси

 

Пропорционаллик коэффициенти  бир неча мА/мм ни ташкил этади ва фотодиод сезгирлиги деб аталади. Фотодиод турли ўлчаш қурилмаларида ёруғлик оқимини қабул қилгич, ҳамда оптик – толали алоқа линияларида қўлланилади.

Фотодиод режимидан ташқари фотодиоднинг вентиль (фотовольтаик) режими кенг қўлланилади. Бу режимда фотодиод ташқи кучланиш манбаига уланмасдан ишлайди ва қуёш энергиясини бевосита электр сигналга айлантиришга хизмат қилади. Диод вентиль режимида нурлатилганда унинг чиқишларида вентиль кучланиш юзага келади. Фотодиод бу ҳолатда қуёшли айлантиргич деб аталади. Бир бири билан электр жиҳатдан боғланган айлантиргич ва батареялар космик аппаратлар ва ер усти қурилмаларидаги РЭАларни таъминлаш учун  электр энергия манбаи сифатида қўлланилиши мумкин.

Ёруғлик диоди – бу электр энергиясини нокогерент ёруғлик нурига айлантирадиган, битта р-n ўтишга эга бўлган ярим ўтказгичли асбоб. Ёруғлик нури электрон – ковак жуфтларининг рекомбинацияси натижасида юзага келади. Рекомбинация, р-n ўтиш тўғри уланганда кузатилади. Рекомбинация доим ҳам нурлатувчи бўлавермайди ва тўғри зонали ярим ўтказгичларда, жумладан галлий арсенидида содир бўлади. Бундай ярим ўтказгичлар специфик хона диаграммасига эга бўладилар.

Нурланаётган ёруғлик тўлқин узунлиги квант энергияси билан аниқланади. У эса нурланувчи рекомбинацияда ярим ўтказгичнинг таъқиқланган зона кенглигига деярли тенг бўлади. Галлий арсенидидан тайёрланган ёруғлик диодлари учун = 0,9-1,4 мкм. Қизил, сариқ ва яшил ранг нурлатувчи диодлар галлий фосфати, сиёхранг нурлатувчи диодлар эса – кремний карбиди асосида ясаладилар ва х.з.

Ёруғлик диодининг энергетик характеристикаси бўлиб квант чиқиши (эффективлиги) ҳисобланади. У  занжир бўйлаб ўтаётган ҳар бир электронга ёруғлик диоди чиқишида қанча ёруғлик кванти мос келишини кўрсатади. Замонавий ёруғлик диодлари учун квант чиқиши 0,01-0,04 ни, икки ва уч ярим ўтказгичли бирикмалардан ясалган гетероўтишли ёруғлик диодларида эса анча катта (0,3 гача) бўлади. Лекин доим бирдан кичик бўлади. Вольт – ампер характеристикаси оддий диодники каби экспоненциал боғлиқлик билан ифодаланади. Ёруғлик диоди 10^-7-10^-9 с. да қайта уланади, яъни юқори тезликда ишловчи ёруғлик манбаи ҳисобланади.

Ёруғлик диодлари оптик алоқа линиялари, индикатор қурилмалар, оптопаралар ва х.з.ларда қўлланилади.

Оптоэлектрон жуфтлик, ёки оптопара, конструктив жиҳатдан оптик муҳитда боғланган ёруғлик нурлатувчи ва фото қабул қилгичдан ташкил топган. Ёруғлик нурлатувчи ва фото қабул қилгич орасидаги тўғри оптик алоқа барча турдаги электр алоқаларни бартараф этади.

Оптронлар. Кириш электр сигнали таъсирида ёруғлик диоди ёруғлик нурлатади, фото қабул қилгич  (фотодиод, фоторезистор ва х.з.) эса ёруғлик таъсирида ток генерациялайди, 5.7-расм.

 

 

5.7-расмда ёруғлик диоди ва фотодиод (а), фототранзистор (б), фототиристор (в), фоторезистор (г) дан ташкил топган оптопаралар келтирилган. Оптопаралар рақамли ва импульс қурилмалар, аналог сигналларни узатиш қурилмалари, юқори вольтли манбаларни контактсиз бошқариш автоматик тизимлари ва бошқаларда ажратувчи элемент сифатида қўлланилади.

 

Назорат саволлари:

 

1. ЎЮЧ яримўтказгич асбобларнинг асосий турларини айтиб беринг.

2. Туннель диоди ВАХининг маълум соҳаларида ток ҳосил бўлиш механизмини тушунтириб беринг.

3. Ўгирилган диод деганда нимани тушунасиз ? Унинг  номини қандай тушунтириш мумкин ?

4. КУД манфий дифференциал қаршиликка эга  асбоблардан нима билан фарқ қилади ?

5. Ганн диоди учун ишлатиладиган яримўтказгич материал қандай хусусиятларга эга бўлиши керак ?

6. Оптоэлектрон асбоб қандай асбоблигини тушунтиринг ва у қаерларда қўлланилади.

7. Фотодиодларнинг ишлаш принципи ва асосий характеристикаларини тушунтиринг.

8. Нурланувчи диодлар ишлаш принципи ва асосий характеристикаларини тушунтиринг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 – маъруза

 

БИПОЛЯР ТРАНЗИСТОРЛАР (БТ)

 

Режа:  Биполяр транзистор ҳақида тушунча

              Биполяр транзистор турлари

             Биполяр транзистор иш режимлари

              Биполяр транзисторнинг асосий параметрлари

 

Биполяр транзистор деб ўзаро таъсирлашувчи иккита р-n ўтиш ва  учта электрод (ташқи чиқишлар)га эга бўлган ярим ўтказгич асбобга айтилади. Транзистордан ток оқиб ўтиши икки турдаги заряд ташувчилар  - электрон – ковакларнинг ҳаракатига асосланган.

Биполяр транзистор р-n-р ва n-р-n ўтказувчанликка эга бўлган учта ярим ўтказгичдан ташкил топган (6.1 а ва б - расм). Эндиликда  кенг тарқалган n-р-n тузилмали биполяр транзисторни кўриб чиқамиз.

Транзисторнинг кучли легирланган чекка соҳаси (n⁺ - соҳа) эмиттер деб аталади ва у заряд ташувчиларни база деб аталувчи ўрта соҳага (р - соҳа) инжекциялайди. Кейинги чекка соҳа (n - соҳа) коллектор деб аталади.  У эмииттерга нисбатан кучсизроқ легирланган бўлиб, заряд ташувчиларни база соҳасидан экстракциялаш учун хизмат қилади. Эмиттер ва база оралиғидаги ўтиш эмиттер ўтиш, коллектор ва база оралиғидаги ўтиш эса коллектор ўтиш деб аталади.

Ташқи кучланиш манбалари  (Uэб,   Uкб) ёрдамида эмиттер ўтиш тўғри йўналишда, коллектор ўтиш эса – тескари йўналишда силжийди. Бу ҳолда, транзистор актив ёки нормал режимда ишлайди ва унинг кучайтириш хоссалари намоён бўлади.

Агар эмиттер ўтиш тескари йўналишда, коллектор ўтиш эса тўғри йўналишда силжиган бўлса, у ҳолда бу транзистор инверс ёки тескари уланган деб аталади. Транзистор рақамли схемаларда қўлланилганда у тўйиниш режимида (иккала ўтиш ҳам тўғри йўналишда силжиган), ёки берк режимда (иккала ўтиш тескари силжиган) ишлаши мумкин.

 

6.1 – расм.

 

БТни асосий параметрлари:

Кириш қаршилиги:  [Ом]   _;

Чиқиш қаршилиги:  [Ом]   _;

_{Ток бўйича кучайтириш коэффициенти:}    ;

 _{Кучланиш бўйича кучайтириш коэффициенти:}     ;

Қувват бўйича кучайтириш коэффициенти:     .

 

Назорат саволлари

 

1. Биполяр транзистор (БТ) нима ?

2. БТнинг ишлаш принципини тушунтиринг.

3. БТ эмиттери, базаси ва коллекторининг вазифалари нималардан иборат ?

4. n-p-n  ва   p-n-p турли БТлар ишлаш принципида фарқ борми ?

5. БТнинг қандай уланиш схемаларини биласиз ?

6. БТ асосий иш режимларини айтинг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 – маъруза

 

 БИПОЛЯР ТРАНЗИСТОРЛАР (БТ)

 

Режа:  Биполяр транзисторнинг уланиш схемалари

            БТнинг статик характеристикалари

 

БТда электродлар  учта бўлгани сабабли, уч хил уланиш схемалари мавжуд: умумий база (УБ); умумий эмиттер (УЭ); умумий коллектор (УК). Бунда БТ электродларидан бири схеманинг кириш ва чиқиш занжирлари учун умумий, унинг ўзгарувчан ток (сигнал) бўйича потенциали эса нолга тенг қилиб олинади. БТнинг расмда келтирилган уланиш схемалари актив режимга мос.

 

а)                                              б)                                         в)

 

7.1 – расм.

 

УБ схемаси учун кириш статик характеристикаси бўлиб U_КБ = const бўлгандаги I_Э= f (U_ЭБ)  боғлиқлик, УЭ схемаси учун эса U_КЭ = const бўлгандаги I_Б=f(U_БЭ) боғлиқлик ҳисобланади. Кириш характеристика-ларининг умумий характери одатда тўғри йўналишда уланган p-n билан аниқланади. Шу сабабли ташқи кўринишига кўра кириш характеристиклари экспоненциал характерга эга (7.2- расм). Коллектор ўтишдаги тескари куланишнинг ортиши билан УБ схемадаги кириш характеристика чапга, УЭ схемада эса ўнгга силжийди.

 

                         а)                                                          б)

7.2– расм.

УБ схемадаги транзисторнинг чиқиш характеристикалари оиласи бўлиб I_Э =const бўлгандаги I_К= f (U_КБ) боғлиқлик, УЭ схемада эса I_Б =const бўлгандаги I_К= f (U_КЭ) боғлиқлик ҳисобланади (7.2 а-расм).

Чиқиш характеристикалари кўринишига кўра тескари уланган диод ВАХ сига ўхшайди, чунки коллектор ўтиш тескари уланган. Характеристикаларни қуришда коллектор ўтишнинг тескари кучланишини ўнгда ўрнатиш қабул қилинган (7.3 а – расм).

УЭ схемасида уланган  транзисторнинг чиқиш характеристикаси УБ схемада уланган транзисторнинг чиқиш характеристикасига нисбатан катта қияликка эга (7.3 б - расм).

 

                                      а)                                                     б)

7.3 – расм.

 

БТнинг ишлаши уч ҳодиса ҳисобига амалга ошади:

-         эмиттердан асосий заряд ташувчиларнинг базага инжекцияланиши;

-         базага инжекцияланган ЭЗТларнинг диффузия ва дрейф ҳисобига КЎгача етиб келиши;

-         базага инжекцияланган ва КЎгача етиб келган ноасосий заряд ташувчиларнинг экстракцияланиши.

ЭЎ тўғри силжитилганда (U_ЭБ таъминот манбаси ҳисобига амалга оширилади) унинг потенциал барьери пасаяди ва электронлар эмиттердан базага инжекцияланади. Электронларнинг эмиттердан базага ҳамда ковакларнинг базадан эмиттерга инжекцияланиши ҳисобига эмиттер токи  I_Э ҳосил бўлади:

 

  ,                                                (7.1)

 

бу ерда I_Эn,  I_Эр – мос равишда электронлар ва коваклар инжекция токлари.

Эмиттер токининг I_Эр ташкил этувчиси коллектор орқали оқмайди ва шунинг учун фойдасиз ток ҳисобланади. I_Эр қийматини камайтириш учун базадаги акцептор киритмалар концентрацияси қиймати эмиттердаги донор киритмалар концентрациясига нисбатан икки тартиб кичик қилиб олинади.

Эмиттер токида электронларнинг инжекция токи I_Эn улушини  инжекция коэффициенти деб аталувчи катталик ифодалайди. У эмиттер ишлаш самарадорлигини белгилаб, эмиттер токидаги фойдали ток улушини кўрсатади

   .                                                  (7.2)

 

Одатда =0,990-0,995 ни ташкил этади. Базага инжекцияланган электронлар, базада коллектор томонга диффузияланиб КЎгача етиб боради. Сўнгра  коллекторга экстракцияланади (КЎнинг электр майдони таъсирида коллекторга тортиб олинади) ва коллектор токи I_Кn ни ҳосил қилади.

Коллекторга ўтиш давомида инжекцияланган электронларнинг бир қисми база соҳадаги коваклар билан учрашиб рекомбинацияланади ва уларнинг концентрацияси камаяди. Етишмовчи коваклар ташқи занжир орқали кириб (электр нейтраллик шарти бажарилиши учун), база токининг рекомбинацион такшил этувчиси I_БРЕК ни ҳосил қилади. I_БРЕК қиймати катта бўлгани учун уни камайтиришга ҳаракат қилинади. Бунга база кенглигини камайтириш билан эришилади.

Эмиттердан инжекцияланган электронлар токининг база соҳасида рекомбинация ҳисобига камайиши электронларни ташиш коэффициенти деб аталувчи катталик билан ифодаланади

 

 .                                           (7.3).

Реал транзисторларда =0,980 ÷ 0,995.

Актив режимда транзисторнинг КЎ тескари йўналишда силжитилган (U_КБ билан амалга оширилади) лиги сабабли, коллектор занжирида хусусий ток I_К0 оқади. У икки хил ноасосий заряд ташувчиларнинг дрейф токларидан ташкил топган. Натижада р-n ўтишнинг  тескари токи  амалда тескари кучланишга боғлиқ бўлмайди ва хона температурасида кремнийли ўтишларда I_К0=10^-15 А ни ташкил эатди. Шундай қилиб, эмиттер токи бошқарувчи, коллектор токи эса бошқарилувчидир. Шунинг учун БТ ток билан боршқарилувчи асбоб дейилади.

 

Назорат саволлари

1. БТнинг уланиш схемалари.

2. УБ уланиш схемасидаги биполяр транзисторнинг статик  электрод характеристикалари.

3. УЭ уланиш схемасидаги биполяр транзисторнинг статик  электрод характеристикалари.

4. БТнинг турли уланиш схемаларида статик ВАХларида актив ва тўйиниш режимларини аниқланг.

 

 

8 – маъруза

 

БИПОЛЯР ТРАНЗИСТОРЛАР (БТ)

 

Режа:  БТнинг электр моделлари

              БТ тўртқутблик сифатида

              БТнинг ночизиқли модели

 

Коллектор токи икки ташкил этувчидан иборат

 

       .

 

Агар I_Кn эмиттернинг тўлиқ токи билан боғлиқлиги эътиборга олинса, у ҳолда

 

,                                            (8.1)

 

бу ерда   - эмиттер токини узатиш коэффициенти. < 1 бўлгани учун УБ уланган БТ  ток ни кучайтирмайди ().

         База электродидаги ток рекомбинация ташкил этувчи I_БРЕК дан ташқари, ЭЎинг инжекцияланган коваклар токи I_Эр ва КЎнинг хусусий токи I_К0 дан ташкил топади. Кўриниб турибдики,

.                                                    (8.2)

База токининг рекомбинация I_БРЕК ва инжекция I_Эр ташкил этувчилари йўналишлари бир хил. Агар КЎга қўйилган кучланиш тескари йўналишда бўлса, унинг хусусий токи I_К0 тескари йўналган бўлади. Шунинг учун

 

 .                    (8.3)

 

Ток бўйича катта кучайтириш коэффициентини таъминловчи схема   БТ УЭ схемада уланган. Ушбу схемада умумий электрод бўлиб эмиттер, кириш токи бўлиб – база токи, чиқиш токи бўлиб эса – коллектор токи хизмат қилади.

Кирхгофнинг биринчи қонунига мувофиқ эмиттер токи транзисторнинг бошқа электродлари токлари билан қуйидаги муносабат орқали боғланган

 

               .                                   (8.1^/)

 

(8.1^/) ва (8.2) муносабатларни эътиборга олган ҳолда УЭ уланган схемада коллектор токи учун тенглама қуйидаги кўринишга эга бўлади:

 

.

Бундан

.                                    (8.4)

Агар  деб белгиланса, (4.7) ифодани қуйидаги кўринишда ёзиш мумкин

.                                    (8.5)

 

коэффициент база токини узатиш коэффициенти деб аталади. нинг қиймати 10 ÷ 1000 бўлиб, УЭ схемада уланган БТ яхши ток кучайтиргич ҳисобланади.

Транзисторнинг чизиқли динамик модели уни чизиқли актив тўрт қутблик билан тенглаштиришга асосланади. Киришда кучланиш U₁  ва ток  I_{1  ,} чиқишда кучланиш U₂  ва ток  I₂ таъсир этаётган қурилма тўрт қутбликни ташкил этади (8.1 – расм).

 

8.1 – расм. Транзисторни чизиқли тўрт

қутблик сифатида кўрсатилиши. 

 

Унинг U₁, U₂, I₁,  I₂ параметрларга нисбатан иккита ички боғланишлар тенгламасини ёзиш мумкин.

Агар транзистор ток билан бошқарилса, ихтиёрий ўзгарувчи сифатида кириш токи I₁ ва чиқиш  кучланиши U₂ танланади. Унда тўрт қутблилик тенгламаси, яъни транзисторнинг чизиқли математик модели қуйидаги кўринишга эга бўлади

                  .             (8.1)                         

 

Ихтиёрий ўзгарувчилар олдидаги ҳусусий ҳосилалар, гармоник тебранишлар таъсир этган ҳолда h₁₁ , h_{12 ,} h_{21 ,} h₂₂  белгилар билан белгиланади ва h – параметрлар деб аталади. Параметрлар турли ўлчамларга эга ва шунинг учун улар гибрид параметрлар тизими деб аталади.

- транзисторнинг кириш дифференциал қаршилиги бўлиб, БТ чиқишидаги кучланишнинг ўзгарувчан ташкил этувчиси қисқа туташтирилганда (dU₂=0, “қисқа туташув” режимида) аниқланади;

-  транзисторнинг кучланиш бўйича тескари алоқа коэффициенти бўлиб, токнинг ўзгарувчан ташкил этувчиси учун кириш узилганда (dI₁=0, “салт юриш” режимида) аниқланади;

- транзисторнинг ток бўйича дифференциал узатиш коэффициенти бўлиб, чиқиш ўзгарувчан ток бўйича қисқа туташтирилганда (dU₂=0, “қисқа туташув” режимида) аниқланади;

- транзисторнинг дифференциал ўтказувчанлиги бўлиб, токнинг ўзгарувчан ташкил этувчиси учун кириш узилганда (dI₁=0, “салт юриш” режимида) аниқланади.

Параметрларнинг белгиланишларида индексдаги биринчи сон 1 бўлса, иккала орттирма кириш занжирига, биринчи сон 2 бўлса – чиқиш занжирига тегишли эканини англатади. Учинчи индекс б, э, к лар орқали транзисторнинг уланиш схемаси кўрсатилади.

h₁₁ ва h₁₂ параметрлар кириш характеристикалар орқали,  h₂₁ ва h₂₂  эса чиқиш характеристикалар ёрдамида топилади. (8.1) ифодалардаги дифференциаллар, катта хатоликка йўл қўймаган ҳолда, транзистордаги ўзгармас кучланиш ва токлар орттирмаларининг абсолют қийматлари билан алмаштирилиши мумкин. h – параметрларнинг афзаллиги паст частоталарда уларни ўлчаш осонлигидадир.

Агар транзистор кучланиш билан бошқарилса, ихтиёрий ўзгарувчи сифатида кириш U₁ ва чиқиш  U₂ кучланишлари танланади. Унда тўрт қутблик тенгламалари қуйидаги кўринишда бўлади:

 

              .                             (8.2)

 

Ихтиёрий ўзгарувчилар олдидаги ҳусусий орттирмалар гармоник тебранишлар таъсир этганда y₁₁ , y_{12 ,} y_{21 ,} y₂₂ деб белгиланади ва моделнинг     y – параметрлари деб аталади.

- транзисторнинг кириш дифференциал  ўтказув-чанлиги;

- транзисторнинг тескари дифференциал узатиш ўтказувчанлиги;

- транзисторнинг тўғри дифференциал узатиш ўтказувчанлиги;

 - транзисторнинг чиқиш дифференциал ўтказув-чанлиги.

Барча y – параметрлар токнинг ўзгарувчан ташкил этувчилари учун қисқа туташув режимида тўрт қутблиликнинг қарши томонида аниқланади:     y₂₂ ва y₁₂  лар учун киришда “қисқа туташув” режимида dU₁=0, y₁₁  ва y₂₁ лар учун чиқишда  “қисқа туташув” режимида  dU₂=0.  

h, y – параметрлар берилган частотада бевосита ўлчанадилар. Юқори частоталарда h₁₁ ва h₁₂ параметрларни ўлчаш қийинлашади, чунки ЭЎнинг етарлича катта сиғим ўтказувчанлиги ҳисобига “салт юриш” режимини амалга ошириб бўлмайди. y – параметрларни ўлчаш кириш ва чиқишларда қисқа туташув режими амалга оширилган ҳолда бажарилади. Юқори частоталарда қисқа туташув режими мос электродларга етарлича катта сиғимга эга конденсатор улаш билан амалга оширилади. Шунинг учун БТ лар асосидаги юқори частотали ўзгартгичларни ҳисоблашда фақат  y – параметрлардан фойдаланилади. Паст частотали ўзгартгичларни ҳисоблашда h – параметрлардан фойдаланиш қулайроқ, чунки уларнинг қийматлари транзисторнинг стандарт статик характеристикаларидан топилади ва маълумотномаларда келтирилади.

y – параметрлар қиймати  маълум h – параметрлардан қуйидаги муносабатлар асосида топилиши мумкин:

 

 ,     ,  ,     ().

 

8.1 – жадвалда турли транзисторлар учун h – параметрларнинг чамаланган қийматлари келтирилган, бунда транзисторнинг чиқиш қаршилиги ўрнига 1/ h₂₂  келтирилган.

8.1 – жадвал

 

Одатда маълумотномаларда h -  параметрларнинг УЭ уланган схема учун қийматлари келтирилади. h -  параметрлар орасидаги муносабатлар     4.2 – жадвалда келтирилган.

8.2 - жадвал

 

БТ дифференциал параметрлари орасидаги муносабатлар                      8.3 – жадвалда келтирилган.

8.3 - жадвал

 

Бу ерда  ,  .

Эберс – Молл бўйича БТнинг чизиқли динамик модели. УБ уланган БТ нинг кичик сигнал режими учун модели 8.2 – расмда келтирилган. Унда ночизиқли Эберс – Молл моделидаги VD1 ва VD2  диодларни қаршилиги эмиттер ва коллектор ўтишларнинг дифференциал қаршиликларига тенг бўлган r_Э ва r_К резисторлар билан алмаштирилган. 

 

 

8.2 – расм. УБ уланган БТ нинг кичик сигнал модели.

 

Аналог схемалар тўйиниш режимида ишламаганлиги сабабли схемадан  ток манбаи олиб ташланган. БТ вақт давомида ўзгарувчи сигналлар билан ишлагандаги инерция хусусиятлари конденсатор  С_ЭБ, С_КБ, С_КДФ лар ёрдамида акс эттирилган. Ҳар бир конденсатор сиғими р-n ўтишларнинг диффузия ва барьер сиғими йиғиндисидан ташкил топади:

 

 ;      .

 

Аммо, С_КДФ актив режимда С_КБ га нисбатан кичик, шу сабабдан ушбу сиғим моделга киритилмаган. Маълумотномаларда келтирилишига мувофиқ турли транзисторлар учун ҳажмий қаршиликлар R_Б=50÷200 Ом, R_К=5÷20 Ом,   R_Э≈0 ларни ташкил этади. R_К  ва R_Э амалда эмиттер ва коллектор ўтишларнинг қаршилигини акс эттиради. R_Э нинг қиймати жуда кичик бўлгани сабабли у схемага киритилмаган.

Моделда аниқланиши зарур бўлган параметрлар сони бештани ташкил этади: r_Э , r_К , С_Э , С_{К  ,} . Эмиттер ва коллектор ўтишларнинг r_Э ва r_К қаршиликларининг қийматлари R_Э ва R_К қийматларига тенг бўлмаслиги мумкин, сиғимлар С_ЭС_К=1÷10 пФни ташкил этади,  маълумотномаларда кўрсатилади. Маълумотномаларда, одатда, r_Э ва r_К қийматлари келтирилмайди, шунинг учун улар транзисторнинг h – параметрлари ёрдамида ҳисоблаб топилади

 

;        .

        

 ифодани дифференциаллаб r_Э ни ҳисоблаш мумкин:

 

,                                                 (8.3)

бу ерда I_Э – эмиттер токининг ўзгармас ташкил этувчиси. Хона температурасида =0,026 В бўлгани учун, I_Э=1 мА бўлганда  r_Э=26 Ом ни ташкил этади. КЎнинг дифференциал қаршилиги

                                                                          (8.4)

ифода орқали топилади.

Кичик сигнал моделида узатиш коэффициенти дифференциал бўлмоғи керак, яъни U_КБ=0 бўлганда  орттирмалар орқали аниқланиши керак. Интеграл узатиш коэффициенти  нинг қиймати  нинг қийматидан кам фарқлангани учун бундан буён ёзилганда қўшимча индекс тушириб қолдирилади. Берилган кириш катталиги сифатида база токи хизмат қилганда (УЭ уланганда), бошқа эквивалент схемадан фойдаланилади. Бунда коллектор занжиридаги ток манбаи база токи билан бошқарилади.

 

 

8.3 – расм. УЭ уланган БТнинг кичик сигнал модели.

 

αI_Э билан белгиланган ток манбаини βI_Б  га алмаштирилганда КЎ қаршилиги r_К  ни кичик қиймат

га, С_КБ сиғимни эса

 

катта қийматга алмаштириш зарур.

Бунда база токини узатиш коэффициенти β = h_21Э ҳам дифференциал бўлиб, унинг қиймати интеграл β коэффициент қийматига яқин бўлади. Шунинг учун у алоҳида белгиланмайди.

         Эслатма: кўриб чиқилган моделлар юқори частоталар диапазони учун Т – симон моделлар деб аталади.

Демак, барча кўриб чиқилган моделларда параметрлар сифатида бир хил катталиклар: дифференциал кириш ва чиқиш қаршиликлар ҳамда турли уланиш схемалари учун дифференциал ток узатиш коэффициентлари хизмат қилади. Бунда h₁₁ параметр r_Э  катталик билан h₂₁ УЭ уланган схемада дифференциал  параметр билан, УБ уланганда эса  параметр билан бир хил, h₂₂=1/ r_К бўлади.

 

Назорат саволлари

1. БТнинг ток узатиш коэффициенти нимани англатади ? УБ ва УЭ уланган схемаларда ток узатиш коэффициентлари қийматларини солиштиринг.

2. Транзисторни тўрт қутблик сифатида тасаввур этиб, унинг кичик сигнал параметрлари қандай аниқланишини ва уларнинг бирликларини тушунтиринг.

3. УЭ ва УБ уланганда транзистор чиқиш характеристикалари тиклигини солиштиринг.

4. УЭ ва УБ уланган схемаларда коллектордаги кучланиш ортганда, кириш характеристикалари қандай силжийди ?

5. БТнинг барқарор ишлаш соҳасини кенгайтириш усуллари.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9-маъруза

 

 БИПОЛЯР ТРАНЗИСТОРЛАР (БТ)

 

Режа:  УЭ ва УБ уланган схемалар ток узатиш коэффициентларининг

              частотага боғлиқлиги

              Миллер эффекти

              Эрли эффекти

              БТ асосидаги  содда электрон калит схемаси

              Қолдиқ ток ва кучланиш

              Тўйиниш токи ва кучланиши

 

Аналог схемаларда кучайтирувчи элемент сифатида ишловчи БТнинг асосий параметрлари бўлиб ЭЎнинг r_Э  ва КЎнинг  r_К  дифференциал қаршиликлари ва мос равишда УБ ҳамда УЭ уланган схемаларда эса  h_21Б   ва  h_21Э   дифференциал ток узатиш коэффициентлари хизмат қилади.

Транзистор частота хусусиятлари параметрларининг частотага боғлиқлиги билан ифодаланади. Ток узатиш дифференциал коэффициентининг чегаравий частотаси f_ЧЕГ транзистор сифатини белгиловчи энг муҳим кўрсаткич ҳисобланади. У УЭ уланган схемада, ток узатиш дифференциал коэффициенти  h_21Э  қиймати бирга тенг бўладиган частота сифатида аниқланади. УЭ ва УБ уланган схемалар ток узатиш коэффициентларининг частотага боғлиқлиги 9.1 – расмда логарифмик масштабда келтирилган, шу ерда чегаравий частоталар ҳам белгиланган бўлиб, f = f_ЧЕГ   бўлганда бирга экстрополяцияланувчи тўғри чизиқли кесма мос келади. Бундан  эканлиги келиб чиқади.

 

 

9.1 – расм. УЭ ва УБ уланган схемаларда ток узатиш

коэффициетларининг частотага боғлиқлиги.

 

Тўғри чизиқли кесмада  кўпайтма ўзгармас қолгани учун, чегаравий частотани  ни тўғри чизиқли кесмага мос ихтиёрий частотада ўлчаб топиш мумкин.

 ва  параметрлар орасидаги боғлиқлик асосида  чегаравий частота  частотага нисбатан  марта катта. Бу УЭ уланган схеманинг частота хусусиятлари УБ уланган схема частота хусусиятларига нисбатан ёмон эканлигини билдиради.

Динамик режимда h_21Б  ва  h_21Э   катталиклар частотага боғлиқ бўлади. Шу сабабдан ушбу узатиш коэффициентлари комплекс қийматлари билан алмаштирилади.

9.2 – расм. Транзистор ўтишлари сиғимларининг

таъсирини кўрсатувчи схема.

 

Транзистор ўтишлари сиғимларининг частота хусусиятларига таъсири 9.2 – расмда кўрсатилган. Схемада чиқиш сиғими чиқиш қаршилиги R_Ю билан RC – занжирни ташкил этади (R_Ю коллектор билан юклама қаршилигини, С_Ю эса ўтиш билан юклама сиғимини ўз ичига олади). Шу сабабли частотада сигнал пасая бошлайди. Манба қаршилиги R_М ва кириш сиғими  С_БЭ  ҳақида ҳам юқоридагиларни айтиш мумкин.

С_КБ сиғим бошқача хусусиятга эга. Кучайтиргич кучланиш бўйича маълум кучайтириш коэффициенти К_U га эга. Киришдаги кичик сигнал кучланиши коллекторда киришдагига нисбатан К_U марта кучаяди. Бундан сигнал манбаи учун С_КБ  уни база ва умумий нуқтага улангандагига қараганда (К_U+1) марта катталиги келиб чиқади, яъни кириш сигнали кесилиш частотасини ҳисоблашда тескари алоқа сиғими ўзини кириш ва умумий нуқта орасига уланган С_КБ (К_U+1) сиғимли конденсатордек тутади. С_КБ сиғимнинг эффектив ортиши Миллер эффекти деб аталади. Бу эффект кучайтириш пасайишида асосий сабаб ҳисобланади, чунки тескари алоқани ҳосил қилувчи  сиғим С_КБ ≈ 4 пФ ни ташкил этади ва умумий нуқтага уланган бир неча юз пикофарадалик эффектив сиғимга мос келади.

Импульсли ва рақамли (мантиқий) қурилмаларда электрон калит асосий элемент ҳисобланади. Электрон калит юклама занжирига уланиб ташқи бошқарув сигнали таъсирида даврий равишда улаш ва узишни амалга оширади. Бу вақтда калитнинг чиқишидаги сигнал бир – биридан етарлича фарқланадиган иккита дискрет қийматга эга бўлади. Бу хосса уни Буль алгебраси функцияларини амалга оширувчи асосий МЭ сифатида қўллашга имконини беради.

Калит икки элементдан ташкил топган: қайта уланувчи (ҚУЭ) ва юклама (ЮЭ) элементлари. ҚУЭ  икки турғун ҳолатга эга: уланган ва узилган. Бу шартларга биполяр ва майдоний транзисторларнинг баъзи турлари мос келади. ЮЭ манбадан истеъмол қилинаётган токни чеклаш учун хизмат қилади.

БТли содда калит схемаси 9.3 – расмда келтирилган. У УЭ схемада уланган БТда ясалган кучайтиргич каскаддан иборат. Кучланиш манбаи Е_М  ва R_К кўринишдаги юклама қаршилигидан ташкил топган занжир бошқарилувчи занжир ҳисобланади. Бошқарувчи (база) занжир  бошқарув сигнали манбаи U_КИР  ва унга кетма – кет уланган қаршилик R_Б  дан таркиб топган.

БТ электрон калит шартига кўра ёки берк режимда, ёки тўйиниш режимида  ишлаши керак.

Киришга манфий қутбли сигнал берилсагина транзистор берк режимга ўтади. Маълумки, берк режимда транзистор токлари

 

   ,   , 

 

га тенг бўлади. Бу ерда “-” белгиси, база токи актив режимдаги база токи йўналишига тескари йўналишда оқиб ўтишини билдиради. Калит режимида I_К0 токи колдиқ ток деб аталади. У жуда кичик бўлганлиги сабабли чиқиш кучланиши U_ЧИҚ манба кучланиши Е_М  қийматига яқин бўлади

,

 

яъни манба занжиридан юклама узилишига мос келади (калит узилган).

Агар U_КИР мусбат қутбга ва етарлича катта қийматга эга бўлса, у ҳолда транзистор  актив ёки тўйиниш режимига ўтади, яъни очилади (калит уланган). Юклама занжирида

 

   

 

ток оқиб ўтади, калит чиқишидаги кучланиш эса  га тенг бўлиб, қолдиқ кучланиш деб аталади. Тўйиниш режимидаги қолдиқ кучланиш U_ЭБ ва U_КБ лар айирмасига тенг ва доим актив режимдаги қолдиқ кучланиш қийматдан кичик бўлади. Шу сабабли калит сифатида транзисторнинг актив режимда ишлаши маъқул эмас, чунки унда қўшимча  қувват сочилади ва схема ФИК пасаяди. Кремнийли транзистор-лар учун тўйиниш режимида U_ҚОЛ ≈ 0,25В тенг, яъни нолга яқин.

 9.3 – расм.

 

Кўрилаётган калит инвертор эканлиги яққол кўриниб турибди, яъни кириш сигналининг манфий қийматлардан мусбат қийматларга ортиши, чиқиш кучланиши U_КЭ ни Е_М  дан қолдиқ кучланишгача камайишига олиб келади.

Умуман айтганда, бу калит – инвертор  тўғри мантиқдаги мусбат сигналлар билан ишлашга мўлжалланган. Шунинг учун бу ерда U_КИР < 0 шарт бажарилмайди. Лекин, кремнийли р – n – ўтиш мусбат кучланишда ҳам, агар  U_КИР  < 0,6 В бўлса деярли берк қолади. Бу вақтда транзисторнинг уччала электрод токлари одатда микроампер улушларидан ортмайди.

Калитнинг асосий статик параметрлари бўлиб – қолдиқ ток ва қолдиқ кучланиш ҳисобланади. БТнинг калит режими катта диапазондаги ток ва кучланиш импульсларини ўзгариши билан таъминланади (катта сигнал режими). Шу сабабли калитнинг статик параметрлари графо – аналитик усулни қўллаш ёрдамида аниқланади. Бунинг учун калитда қўлланилаётган транзисторнинг чиқиш (9.4, а – расм) ва кириш (9.4, б – расм) характеристикалари керак бўлади.

Чиқиш характеристикалар оиласида В нуқта (бу ерда   U_КЭ = Е_М ) ва А нуқта (бу ерда ) ларни туташтириб АВ юклама чизиғини ўтказамиз.  Унда Д нуқта тўйиниш чегарасини беради,  С нуқта эса U_КБ = 0 бўлганда бошланадиган берк режим чегарасини беради.

Айтилганлардан келиб чиққан ҳолда,  калит режимда ишлаш учун транзисторли каскад ишчи нуқтаси ёки Д нуқтадан чапроқда, ёки С нуқтадан ўнгроқда жойлашиши керак. Бу нуқталар оралиғида каскад транзисторнинг тўйиниш режимидан берк режимга ўтиш ҳолатида, ёки аксинча бўлади. Транзистор бу ҳолатда қанчалик кам вақт турса, калитнинг тезкорлиги шунча юқори бўлади. Ўтиш ҳолатлари ноасосий заряд ташувчилар базадан чиқариб юбориш вақти ва барьер сиғимнинг қайта зарядланиш жараёнлари билан аниқланади.

а)                                                         б)

9.4 – расм.

 

Статик режимда  R_Б  қаршиликнинг берилган қийматларида база токининг U_КИР кучланишига боғлиқлигини кириш характеристикаси (4.9, б– расм) ёрдамида аниқлаш мумкин. Бунинг учун  EF юклама чизиғини ўтказиш керак. Е нуқта U_БЭ = U_КИР, F нуқта эса – U_КИР / R_Б қиймати билан аниқланади. Кириш характеристикаси билан юклама чизиғи кесишган К нуқта база токи ва U_БЭ кучланишининг ишчи қийматларини аниқлайди. U_КИР нинг вақт бўйича ўзгариши EF тўғри чизиқни параллель силжишига ва мос равишда К нуқтанинг силжишига олиб келади (штрих чизиқлар).

Д нуқта билан аниқланадиган тўйиниш режимига ўтиш учун, кириш токи I_Б ни базанинг тўйиниш токи деб аталувчи I_Б.ТЎЙ  қийматгача ошириш керак. Бу вақтда унга мос келувчи коллектор токи коллекторнинг тўйиниш токи I_К.ТЎЙ, кучланиш эса – тўйиниш кучланиши U_КЭ.ТЎЙ  ёки қолдиқ кучланиш  деб аталади. Малумки,

 

,

 

бу ерда   - база токининг интеграл узатиш коэффициенти . Тахминан  деб олиш мумкин. У ҳолда

 

.

 

База токи I_Б.ТЎЙ  қийматидан ортиши мумкин. База токининг бундай ортишини тўйиниш коэффициенти деб аташ қабул қилинган.

 

  .

 

S_ТЎЙ   нинг ортиши U_ЧИҚ  ни камайишига олиб келади, яъни БТ чиқиш занжирида сочилаётган қувват камаяди. Аммо  S_ТЎЙ  нинг керагидан ортиқ ортиши БТ кириш занжирида сочилаётган қувватни сезиларли ортишига олиб келади. Ҳисоблар S_ТЎЙ = 1,5…2,0 қийматлар оптимал бўлишини кўрсатди.

Кўриб ўтилган содда калит схемасида БТ иш режими билан боғлиқ бўлган катта инерцияликка эга. Транзистор тўйиниш режимига ўтаётганда базада кўп сонли ноасосий заряд ташувчиларнинг тўпланиши учун вақт талаб қилинади. Транзистор тўйиниш режимидан берк режимга ўтаётганда эса бу заряд ташувчиларнинг тўпланиши ва, айниқса, уларнинг базадан чиқариб юборилиши табиатан жуда секин кечадиган жараён.

 

Назорат саволлари

 

 

1. УЭ ва УБ уланган схемалар ток узатиш коэффициентларининг частотага боғлиқлиги.

2. Миллер эфеекти.

3. Эрли эффекти

4.     БТ асосидаги  содда электрон калит схемаси.

5.     Қолдиқ ток ва кучланиш.

6.     Тўйиниш токи ва кучланиши.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 – маъруза

 

КЎПҚАТЛАМЛИ ЯРИМЎТКАЗГИЧ АСБОБЛАР

 

Режа:  Динистор ва тиристорлар ҳақида тушунча

             Динистор ва тиристорларнинг қўлланиш соҳалари

 

ВАХида манфий дифференциал қаршилик мавжуд бўлган, уч ва ундан ортиқ  p-n ўтишларга эга кўп қатламли яримўтказгич асбоб тиристор деб аталади.

Тиристор ишлаганда иккита мувозанат ҳолатда бўлиши мумкин. Берк ҳолатда тиристор катта қаршиликка эга ва ундан кичик ток оқади. Очиқ ҳолатда тиристор қаршилиги кичик ва ундан катта ток оқади. Шундан яримўтказгич асбобнинг номи (тира - эшик) қўйилган. Тиристорлар радиолокацияда, радиоалоқа қурилмаларида, автоматикада манфий ўтказувчанликка эга яримўтказгич асбоб сифатида ҳамда ток бошқарувчи калитлар, энергия ўзгартгичларнинг бўсағавий элементлари сифатида ёки бошланғич ҳолатда энергия истеъмол қилмайдиган асбоб - триггерлар сифатида кенг ишлатилади.

Тиристорлар чиқишлари сонига қараб диодли (динистор), триодли (тринистор) ва тетродли тиристорларга бўлинади ва тўрт қатламли p-n-p-n тузилмадан мос равишда чиқарилган икки, уч ва тўрт чиқишга эга бўлади. Тузилма чеккасидаги р – қатлам анод (А), n – қатлам эса катод (К) деб номланади. Анод ва катод орасидаги n – ва р – соҳалар база деб аталади, уларга ўрнатилган электродлар эса бошқарувчи электродлар деб аталади. Диодли ва триодли тиристорлар токни фақат бир томонлама ўтказади. Бу ўз навбатида, тиристорларнинг ўзгарувчан токни бошқариш имкониятини чеклайди. Ўзгарувчан ток занжирларида икки томонлама калит сифатида симистор (симметрик тиристор) ишлатилади. Симистор триак деб ҳам аталади. Симистор p-n-p-n-p тузилмага ва бир ёки икки бошқарувчи электродга эга.

 

 

Бу уланишда Т1 транзисторнинг коллектор токи Т2 транзисторнинг база токини, Т2 транзисторнинг коллектор токи эса Т1 транзисторнинг база токини ташкил этади. Транзисторларнинг бундай уланиши ҳисобига асбоб ичида мусбат ТА ҳосил бўлади.

Тиристор динисторга ўхшаш тузилмага эга бўлиб, база соҳаларидан бири бошқарувчи бўлади. Агар базалардан бирига бошқарувчи ток берилса, мос транзисторнинг узатиш коэффициенти ортади ва тиристор уланади.

Бошқарувчи электрод (БЭ) жойлашган соҳасига мос равишда тиристорлар катод билан ва анод билан бошқарувчиларга ажратилади. БЭ ларнинг жойлашиши ва тиристорларнинг шартли белгиланиши 10.2 – расмда келтирлган.

БЭ га сигнал берилганда  ёпилувчи тиристорлар ҳам мавжуд. Бундай тиристорларнинг БЭ токи тиристор узилаётганда асосий коммутация-ланаётган токка қиймат жиҳатдан яқинлашгани учун чегараланган ҳолларда қўлланилади.

 

Назорат саволлари

 

1. Тиристорнинг ишлаш принципини иккита n-p-n ва  p-n-p (ёки аксинча) транзисторлар уланиш моделида тушунтиринг.

2. n – соҳага тушган электродлар қандай қилиб ковакларнинг қарши инжекциясини ҳосил қилишини тушунтиринг.

3. Туннель диод ВАХи билан тиристор ВАХи орасидаги фарқ нимада?

4. Тиристорнинг асосий параметрлари номини ва уларнинг қийматларини келтиринг.

5. Динистор асосидаги ток калитининг ишлаш принциини тушунтиринг.

6. Тиристор асосидаги ток калитининг ишлаш принциини тушунтиринг.

 

11 – маъруза

 

МАЙДОНИЙ (УНИПОЛЯР) ТРАНЗИСТОРЛАР

 

Режа:  Майдоний транзистор ҳақида тушунча

              Майдоний транзистор турлари

             Майдоний транзистор иш режимлари

              Майдоний транзисторнинг асосий параметрлари

 

Электрод токлари асосий заряд ташувчиларнинг кристалл ҳажмидаги электр майдон таъсирида дрейф ҳаракатланишига асосланган уч электродли, кучланиш билан бошқариладиган яримўтказгич асбоб майдоний транзистор (МТ) дейилади. МТларда ток ҳосил бўлишида фақат бир турли– асосий заряд ташувчилар (электронлар ёки коваклар) қатнашгани сабабли улар баъзан униполяр транзисторлар деб аталади. МТларда, БТлардаги каби тезкорликка таъсир этувчи инжекция ва экстракция натижасида ноасосий заряд ташувчиларнинг тўпланиш  жараёнлари мавжуд эмас.

р–n ўтиш билан бошқарилувчи n – каналли МТ тузилмасининг кўндаланг кесими ва унинг шартли белгиланиши 11.1 - расмда келтирилган.

n–турдаги соҳа канал деб аталади. Каналга заряд ташувчилар киритиладиган контакт исток (И); заряд ташувчилар чиқиб кетадиган контакт сток (С) деб аталади. Затвор (З) бошқарувчи электрод ҳисобланади. Затвор ва исток оралиғига кучланиш берилганда юзага келадиган электр майдони канал ўтказувчанлигини, натижада каналдан оқиб ўтаётган токни ўзгартиради. Затвор сифатида каналга нисбатан ўтказувчанлиги тескари турдаги соҳа қўлланилади. Ишчи режимда у тескари уланган бўлиб канал билан р – n ўтиш ҳосил қилади.

 

 

Каналнинг кўндаланг кесими нольга тенг бўладиган вақтдаги затвор кучланиши беркилиш кучланиши U_{ЗИ.БЕРК.} деб аталади ва бу вақтда транзистор истоки стокдан узилиб қолади, яъни берк режимда ишлайди.

кучланиш беркилиш кучланишига U_{ЗИ.БЕРК} га тенг бўладиган вақтдаги сток кучланиши тўйиниш кучланиши U_СИ.ТЎЙ.  деб аталади.

Бу ердан

    .

 вақтдаги транзисторнинг ишчи режими текис ўзгариш режими,  вақтдаги транзисторнинг ишчи режими эса тўйиниш режими деб аталади. Тўйиниш режимида U_СИ кучланиш қийматининг ортишига қарамай I_C токининг ортиши деярли тўхтайди. Бу ҳолат бир вақтнинг ўзида затвордаги U_ЗИ кучланишининг ҳам ортиши билан тушунтирилади. Бу вақтда канал тораяди ва I_C токини камайишига олиб келади. Натижада I_C   дрейфрли ўзгармайди.

МТнинг асосий параметрлари:

Характеристика тигклиги

       U_СИ = const   бўлгандаги               ;                                    

Ички (дифференциал) қаршилик

 

       U_ЗИ = const бўлгандаги                   ;                                  

Кучланиш бўйича кучайтириш коэффициенти

 

        I_С = const бўлгандаги                             .                              

Кичик сигнал параметрлари ўзаро  ифода билан боғланган.

МТда электродлар учта бўлгани сабабли, уч хил уланиш схемалари мавжуд: умумий исток (УИ), умумий сток (УС) ва умумий затвор (УЗ), 11.2 – расм.

 

а)                                         б)                                   в)

11.2 – расм.

 

Бунда МТ электродларидан бири схеманинг кириш ва чиқиш занжирлари учун умумий, унинг ўзгарувчан ток (сигнал) бўйича потенциали эса нолга тенг қилиб олинади. Асосий уланиш схемаси бўлиб УИ уланиш хизмат қилади.

 

Назорат саволлари

 

1. МТ деб нимага айтилади ва нима учун уни униполяр транзистор деб ҳам аташади ?

2. МТларнинг турларини келтиринг.

3. МТларнинг канали, затвори, истоки, стоки ва асосини қандай тушунасиз ?

4. p-n ўтиш билан бошқарилувчи МТ ишлаш принципини тушунтиринг.

5. Асосга нисбатан затвордаги ва истокдаги кучланишлар ўзгарганда канал  геометрияси қандай ўзгаради ?

6. МТ токига затвордаги ва истокдаги кучланишлар қандай таъсир

кўрсатади ?

7. МТларнинг уланиш схемаларини айтиб беринг.

8. МТ қандай иш режимларда ишлаши мумкин ?

9. МТларнинг ВАХларини келтиринг.

10. МТлар асосий параметрларини айтинг ва улар қандай топилади ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12 – маъруза

 

МАЙДОНИЙ (УНИПОЛЯР) ТРАНЗИСТОРЛАР

 

Режа:  Канали индукцияланган МДЯ транзистор ҳақида тушунча

              Канали қурилган МДЯ транзистор ҳақида тушунча

              МДЯ транзистор иш режимлари

              МДЯ транзистор асосий параметрлари

 

р – n ўтиш билан бошқариладиган майдоний транзисторлардан фарқли равишда МДЯ – транзисторларда металл затвор канал ҳосил қилувчи доим ўтказгичли соҳадан диэлектрик қатлами ёрдамида изоляцияланган. Шу сабабли МДЯ – транзисторлар затвори изоляцияланган майдоний тран-зисторлар турига киради. Диэлектрик қатлами SiO₂ диэлектрик оксиди бўлганлиги сабабли, бу транзисторлар  МОЯ – транзисторлар (металл – оксид - ярим ўтказгичли тузилма) деб ҳам аталадилар.

МДЯ – транзисторларнинг ишлаш принципи кўндаланг электр майдони таъсирида диэлектрик билан чегараланган ярим ўтказгичнинг юқори қатламида ўтказувчанликни ўзгартириш эффектига асосланган. Ярим ўтказгичнинг юқори қатлами транзисторнинг ток ўтказувчи канали вазифасини бажаради.

Р – канали индукцияланган МДЯ - транзистор тузилмаси 12.1. а –расмда ва унинг шартли белгиси 12.1. б- расмда келтирилган.

 

а)                                                 б)

12.1 – расм.

 

Транзистор қуйидаги чиқишларга эга: истокдан чиқиш – И, стокдан чиқиш – С, затвордан чиқиш – З ва асос деб аталувчи – А кристаллдан чиқиш.

Сток ва истокларнинг р⁺ - соҳалари n – турдаги ярим ўтказгич билан иккита р – n ўтиш ҳосил қилганлиги сабабли, U_СИ кучланишининг бирор қутбланишида бу ўтишлардан бири тескари йўналишда уланади ва сток токи I_С деярли нольга тенг бўлади.

Транзисторда ток ўтказувчи канал ҳосил қилиш учун затворга тескари қутбликдаги кучланиш берилади. Затвор электр майдони SiO₂ диэлектрик қатлами орқали ярим ўтказгичнинг юқори қатламига киради, ундаги асосий

заряд ташувчилар (электронлар) ни итариб чиқаради ва асосий бўлмаган заряд ташувчилар (коваклар) ни ўзига тортади. Натижада юқори қатлам электронлари камбағаллашиб, коваклар билан эса бойиб боради. Затвор кучланиши бўсағавий деб аталувчи маълум қиймати U₀ га етганда, юқори қатламда электр ўтказувчанлик ковак ўтказувчанлик билан алмашади ва исток ва стокни бир – бири билан боғловчи р- турдаги канал шаклланади.

           

 

12.2 – расм.

 

 бўлганда юқори қатлам коваклар билан бойиб боради, бу эса канал қаршилигини камайишига олиб келади. Бу вақтда сток токи I_С ортади. 12.2 – расмда n – канали индукцияланган МДЯ - транзисторнинг сток – затвор ва чиқиш (сток) характеристиклар оиласи келтирилган. Затворга маълум кучланиш берилганда нинг ортиб боришига кўра сток токи ноль қийматдан аввалига чизиқли кўринишда ортиб боради (ВАХ нинг тикка қисми), кейинчалик эса ортиш тезлиги камаяди ва етарлича катта  қийматларида ток ўзгармас қийматга интилади. Ток ортишининг тўхташи сток яқинидаги каналнинг беркилиши билан боғлиқ.

 

n – канали қурилган МДЯ – транзистор тузилмаси 12.3 а – расмда ва шартли график тасвирланиши 12.3 б – расмда келтирилган.

Бундай транзисторларда исток ва сток орасида жойлашган ток ўтказувчи канал транзисторни тайёрлаш жараёнида ҳосил қилинади. Шунинг учун бундай транзистор канали “қурилган” МТ деб аталади. Канал ион легирлаш усули билан яримўтказгич сиртига яқин соҳаларда юпқа қатлам ҳосил қилиш билан амалга оширилади. Канали қурилган МДЯ – транзисторлар истокка нисбатан затворга икки хил ишорали кучланишлар берилганда ҳам ишлай олади.

Агар U_ЗИ = 0 бўлганда транзисторга U_СИ кучланиш берилса, канал орқали электронлар токи оқади. Бу ток стокнинг бошланғич токи I_С.БОШЛ деб аталади. Затворга истокка нисбатан манфий кучланиш берилганда каналда ток йўналишига кўндаланг электр майдон ҳосил бўлади.

 

                  а)                                                                  б)

 

12.3 – расм.

 

Бу майдон таъсирида электронлар каналдан суриб чиқарилади. Каналда электронлар сони камаяди (канал камбағаллашади), унинг қаршилиги ортади ва сток токи қиймати камаяди. Затвордаги манфий кучланиш қиймати ортган сари, ток қиймати камаяверади. Транзисторнинг бу режими камбағаллашган режим деб аталади. Затворга берилган манфий кучланишнинг маълум қийматида сток токи нолгача камаяди (берк режим), ушбу кучланиш беркитиш кучланиши U_{ЗИ.БЕРК} деб аталади.

 

   

12.4 – расм.

 

Агар затворга мусбат кучланиш берилса, ушбу кучланиш ҳосил қилган майдон таъсирида исток, сток ҳамда  кристалл асосдан электронлар каналга кела бошлайди, канал ўтказувчанлиги ва сток токи қиймати ортади. Ушбу режим канали бойитилган режим деб аталади.

         МДЯ транзисторларнинг асосий параметрлари:

Характеристика тиклиги

       U_СИ = const   бўлгандаги               ;                                    

Ички (дифференциал) қаршилик

 

       U_ЗИ = const бўлгандаги                   ;                                 

Кучланиш бўйича кучайтириш коэффициенти

 

        I_С = const бўлгандаги                             

 

Назорат саволлари

 

1. Канали индукцияланган МДЯ – транзисторнинг ишлаш принципи нимадан иборат ?

2. Канали индукцияланган МДЯ – транзисторлар статик ВАХлари хусусиятларини айтинг.

3. Канали қурилган МДЯ – транзисторнинг ишлаш принципи нимадан иборат ?

4. Канали қурилган  МДЯ – транзисторлар статик ВАХлари хусусиятларини айтинг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13 – маъруза

 

МАЙДОНИЙ (УНИПОЛЯР) ТРАНЗИСТОРЛАР

 

Режа:  МТниг математик моделлари

              Сток токининг температурага боғлиқлиги

 

p-n  ўтиш билан бошқарладиган МТларнинг асосий тенгламаси даражаси 3/2 бўлган ташкил этувчиларга эга. Шунинг учун амалда барча МТЛар учун ВАХларининг аппроксимациясидан фойдаланилади.

Канали индукцияланган МДЯ – транзистор учун сток токи канал текис ўзгарувчи режимда қуйидаги ифодадан топилиши мумкин.

.                             (13.1)

Бу ерда  В -  МДЯ – транзисторнинг солиштирма тиклиги

.                                               (13.2)

Шундай қилиб, канал узунлиги L қанчалик кичик, заряд ташувчилар ҳаракатчанлиги μ, затвор остидаги диэлектрик сиғими  С₀ ва канал кенглиги Z катта бўлса, сток токи шунчалик катта бўлади.

Сток токи затвор кучланишининг маълум U_ЗИ=const қийматида (13.1)га мувофиқ U_СИ.ТЎЙ=(U_ЗИ-U₀ ) шартни қаноатлантирувчи қийматда ўзининг максимал I_С.ТЎЙ  қийматига эришади. Бундай тўйиниш режимида сток токи 

 

.                                        (13.3)

 

U_СИ >U_СИ.ТЎЙ бўлганда канал узунлиги камаяди (канал узунлигини модуляциялаш эффекти), тиклик В (13.2) га мувофиқ ортади. Бу ҳолда

 

.                   (13.4)

 

Тажриба натижаларига асосан транзисторлар учун g=10^-2÷0,5∙10^{-3 га тенг, яъни сток токи U}_СИ кучланиш ортиши билан бироз ортади.

         Узун каналли транзисторлар учун ўринли бўлган (13.2), (13.4) ва (13.5) ифодалар U_ЗИ, U_СИ, U₀ кучланишларнинг ихтиёрий муносабатларида сток токи қийматини аниқлаш ва транзисторнинг статик характеристикаларини топиш имконини беради.

Узун канал деб узунлиги  L>3 мкм бўлган каналга айтилади. Калта каналли МДЯ – транзисторлардаги жараёнларни ҳисоблаш жуда мураккаб. Ҳисоблашлар ва тажрибанинг асосий натижалари қуйидагилардан иборат. U_СИ кучланиш қиймати ортганда ток ортиши секинлашади, тўйиниш кучланиши U_СИ.ТЎЙ  камаяди, бўсағавий кучланиш сток – исток кучланиши U_СИ га боғлиқ бўлиб қолади.

(13.1), (13.2) ва (13.3) ифодалар  p-n ўтиш билан бошқариладиган МТлар учун ҳам, агар (U_ЗИ-U₀) ўрнига (U_{ЗИ.БЕРК}-U_ЗИ) қўйилса, канали қурилган МДЯ – транзисторлар учун ҳам ўринли. Бунда параметр В канали индукцияланган МДЯ - транзистор солиштирма тиклигига ўхшаш бўлиб,унинг геометрик ўлчамлари билан аниқланади

 

.                                             (13.5)

 

МДЯ – транзисторнинг сток токи I_C  ўзгармас бўсағавий кучланиш U₀ қийматида (13.1) ифодага мувофиқ солиштирма тиклик В га, у эса (13.2) ифодага мувофиқ каналдаги заряд ташувчилар ҳаракатчанлиги μ га пропорционал. Заряд ташувчилар ҳаракатчанлиги температура ортиши билан камаяди ва ўз навбатида сток токининг камайишига олиб келади. Иккинчи томондан, температура ортиши билан бўсағавий кучланиш U₀  камаяди. Шундай қилиб, иккала омил сток токига қарама – қарши таъсир кўрсатади ва бир – бирини компенсациялаши мумкин. Натижада, МДЯ – транзисторнинг сток – затвор характеристикасида сток токи температурага боғлиқ бўлмаган ишчи нуқта мавжуд бўлиши керак. Бундай нуқта термобарқарор нуқта дейилади. Термобарқарор нуқтанинг мавжудлиги канали р-n ўтиш билан бошқарилувчи МТлар учун ҳам тегишлидир.

МТ одатда катта сток токларда ишлагани муносабати билан транзистор кучайтиргич каскадида ишлаганда бундай ишчи нуқтани ҳамма вақт ҳам топиб бўлмайди. Умуман, МТларнинг температура коэффициенти БТларнинг температура коэффициентига нисбатан анча яхши ва одатда температура бир градусга ўзгарганда 0,2 % дан ошмайди. Температура ортиши билан сток токи камаяди. Бунинг сабаби тушунарли. БТларда ноасосий заряд ташув-чилар концентрацияси температура ортиши билан экспоненциал қонуният бўйича ортувчи ток билан аниқланади. МТларда  температура таъсирида асосий заряд ташувчиларнинг концентрацияси деярли ўзгармайдиган ҳаракати токни белгилайди.

МДЯ – транзисторларда температура ортиши билан сток токи камаяди. Бу заряд ташувчилар ҳаракатчанлиги камайганда яримўтказгич қаршили-гининг ортиши билан тушунтирилади. Температуранинг ортиши заряд ташувчилар концентрациясининг ортишига, у эса, сток токининг ортишига олиб келади. Сток токининг абсолют қиймати буларнинг биргаликдаги таъсири билан аниқланади. Катта сток токлар режимида температуранинг ортиши сток токининг камайишига олиб келади.

 

Назорат саволлари

1.     p-n  ўтиш билан бошқарладиган МТларнинг асосий тенгламаси қандай қонуниятга бўйсунади?

2.     Асосга нисбатан затвордаги ва истокдаги кучланишлар ўзгарганда канал геометрияси қандай ўзгаради ?

3.     МТ токига затвордаги ва истокдаги кучланишлар қандай таъсир кўрсатади?

4.     Узун каналли транзисторлага таъриф беринг.

5.     МТларнинг температура коэффициенти БТларникига нисбатан қандай?

14  – маъруза

 

МАЙДОНИЙ (УНИПОЛЯР) ТРАНЗИСТОРЛАР

 

Режа:  МТнинг частота хусусиятлари

             ЎЮЧ МТлар

             

МДЯ – транзисторларнинг частота хусусиятлари. УИ схемада уланган МДЯ – транзисторнинг соддалаштирилган кичик сигнал физик эквивалент схемаси 14.1 – расмда келтирилган. Унда МТнинг асоси исток билан уланган бўлиб, юқори частотада ишловчи схемаларни ҳисоблашда  кенг қўлланилади.

 

 

 14.1 – расм. Умумий исток схемада уланган МДЯ – транзисторнинг

 кичик сигнал эквивалент схемаси.

 

Эквивлаент схемадаги ток манбаи SU_ЗИ транзисторнинг кучайтириш хусусиятини, R_i резистор эса исток – сток занжирининг дифференциал қаршилигини эътиборга олади. Транзисторнинг частота хусусиятлари асосан сиғимлари билан аниқланади.

Эквивалент схемадаги конденсаторлар МДЯ – тузилманинг қуйидаги сиғимларини ифодалайди: С_ЗИ – исток қатламига нисбатан затвор металл электродининг сиғими; С_ЗС  –  сток қатламига нисбатан металл затвор сиғими; С_СА  – сток ўтиш барьер сиғими, яъни сток – асос сиғими. Схемага сиғим киритилмаган, чунки исток билан асос уланган, унинг қаршилиги нолга тенг деб С_ИА =0 ҳисобланади.

Учта конденсатордан фақат С_ЗИ  ва С_ЗС  бевосита МДЯ – тузилма билан боғланган. Ушбу конденсаторларнинг қайта зарядланиши канал орқали истокдан стокка оқаётган электронлар оқими ёрдамида амалга ошади. Канал токи кўрсатилган кучланишларга боғлиқлиги сабабли тўйиниш режимида С_ЗС=0.

Электронларнинг истокдан стокка учиб ўтиш вақти маълум қийматга эга бўлгани сабабли, транзистор тиклиги комплекс катталикдир.

 

 ,                                           (14.1)

 

бу ерда   f_S  - тикликнинг рухсат этилган частотаси, бу частотада   статик S тикликка нисбатан  марта камаяди. f_S частота заряд ташувчиларнинг учиб ўтиш вақти  билан қуйидагича боғланган:

 

       .                                      (14.2)

 

Электронларнинг истокдан стокка учиб ўтиш вақти (14.1) ифода билан аниқланади. f<<f_S частоталарда тикликни ўзгармас = S деб ҳисоблаш мумкин.

Агар L=10 мкм,  =1500 см/В∙с, U_СИ= 4 В бўлса,  =0,5 нс ни ташкил этади. Бунда f_S ≈ 300 МГц. Замонавий МДЯ – транзисторларда канал узунлиги 4 мкм дан кичик. Бунда < 0,01 нс ва  f_S >15 ГГц. Натижада, тикликнинг инерциялилигини эътиборга олмаса ҳам бўлади.

Кучайтиргичларда рухсат этилган частота f_S дан ташқари чегаравий частот f_ЧЕГ деб аталувчи частота киритилган. МТ асосидаги кучайтиргичнинг чегаравий частотаси кучланиш бўйича кучайтириш коэффициенти модули бирга тенг частота сифатида аниқланади.

 

,                                               (14.3)

 

бу ерда   С_ЧИҚ=С_СА+С_Ю.

МТлар асосидаги кучайтиргичлар чиқишига сиғими С_ЗИ  га яқин С_Ю конденсаторни улаш f_ЧЕГ частотани бир неча марта камайтиришини алоҳида таъкидлаш керак. С_Ю  сиғимнинг чегаравий частотага катта таъсир кўрсатишининг сабаби, МТларда БТларга нисбатан тиклик қийматининг кичиклигидадир.

          р-n ўтиш билан бошқариладиган майдоний транзисторнинг  частота хусусиятлари.  n  –канали р-n ўтиш билан бошқариладиган МТнинг соддалаштирилган кичик сигнал эквивалент схемаси 14.1 – расмда келтирилган.

Ушбу схема элементлари МДЯ – транзисторникидек: R_i – тўйиниш режимида каналнинг дифференциал қаршилиги;  U_ЗИ – транзисторнинг кучайтириш хоссаларини акс эттирувчи ток манбаи;  С_ЗИ  ва С_ЗС  - р – n  ўтиш ён томонларининг барьер сиғимлари.

Ток ўзгаришларининг инерциялилиги МДЯ – транзисторларники каби учиб ўтиш вақти билан ифодаланади. Ушбу параметр ҳам канал қаршилигини затвор – канал қаршилигига кўпайтирилганига тенг ва қуйидаги ифода билан аниқланади:

.                                              (14.4)

 

Шундай қилиб, МТ ва МДЯ – транзисторларнинг частота хусусиятлари принципда бир хил бўлиши мумкин. Аммо амалда МТлар канали узунлиги L ни замонавий МДЯ – транзисторларникидек кичик қилиб бўлмайди. Шу сабабли МТларнинг тезкорлиги анчагина паст.

МТларнинг муҳим афзаллиги   характеристикаларининг вақт давомида бақарорлигидан ва ички шовқинлари сатҳининг пастлигидан иборат.

 

 

14.1 – расм. n – канали р-n ўтиш билан бошқариладиган МТнинг соддалаштирилган кичик сигнал эквивалент схемаси.

 

ЎЮЧ майдоний транзисторлар. Ҳозирги кунда металл – яримўтказгич (МЯ) турли юқори частотали майдоний транзистор ёки арсенид галлий асосидаги Шоттки барьерли МТларнинг ЎЮЧ диапазонда қўлланилиши БТларга нисбатан ортиб бормоқда.

МЯ – транзисторнинг ишлаш принципи р-п ўтиш билан бошқарила-диган МТнинг ишлаш принципига ўхшайди. Шоттки барьери яримўт-казгичнинг кимёвий тоза сиртига ўта тоза металл пуркаш билан ҳосил қилинади. Барьер баландлиги n - Gа Аs - Аg тузилмада 0,88эВ, n-GаАs-Аl тузилмада  0,80эВ,  n-GаАs-Рt тузилмада 0,84эВ ни ташкил этади.

МЯ – транзисторлар тузилмаси. ЎЮЧ диапазон учун яратиладиган барча МЯ - транзисторлар легирланмаган галлий арсенид асосида яратилади (14.2- расм).

 

14.2 – расм. Металл – яримўтказгич турли

МТ тузилмаси кўриниши.

 

Тақиқланган зонаси катта бўлгани учун асоснинг солиштирма қаршилиги юқори (10⁷ ÷ 10⁸ Ом·см) бўлиб, амалда диэлектрикдир.

Асос сирти яқинида ион легирлаш усули билан n⁺ - турли исток 2 ва сток 8 соҳалари ҳамда юпқа (0,1 ¸ 0,2 мкм) канал қатлами 6 ҳосил қилинади. Сиртда затворнинг металл электроди 4 (масалан, Тi/W, ёки Аu композиция) ҳосил қилинади. Металл электрод қатлам 6 билан тўғриловчи контакт (Шоттки барьери) ҳосил қилади. L узунликдаги ўтказувчи канал асос 1  ва затвор – канал контактнинг камбағаллашган қатлами 5 орасида ҳосил қилинади. 3 ва 7 металл электродлар (масалан АuGе/Аu композиция) исток 2 ва сток 8 соҳаларга омик контакт беради. Исток ва сток соҳалари орасидаги масофа 2¸3 мкмни, затвор 4 узунлиги 0,5¸2 мкмни ташкил этади. Исток ва сток омик контактлар асбобнинг ишончлилиги ва характеристикаларига катта таъсир кўрсатгани сабабли амалда сток тешилиш кучланишини оширишга ва контактлар қаршилигини камайтиришга йўналтирилган, исток ва сток ҳосил қилишда бошқа усуллар ҳам қўлланилади.

Кичик сигнал режими учун эквивалент схема. GаАs асосидаги МТлар юқори частотали схемаларда кам шовқинли кучайтиргичлар, генераторлар ва тезкор мантиқ элементлар сифатида ишлатилади.

Кучайтиргичларда қўлланиладиган транзисторларнинг частота хусу-сиятлари асосан уларнинг физик тузилмасига хос сиғимлар билан аниқланади. Транзисторнинг умумий исток уланиш схемаси ва соддалаш-тирилган кичик сигнал эквивалент схемаси 14.3 – расмда асос исток билан уланган ҳолда келтирилган.

Эквивалент схемада конденсаторлар тузилманинг қуйидаги сиғим-ларини ифодалайдилар: С_ЗИ - затвор - исток сиғими; С_ЗС - затвор-сток сиғими; С_СА - сток - асос сиғими. R_i резистор транзистор чиқиш қаршилиги, SU_ЗИ - генератор токи, R_И  - истокнинг  омик қаршилиги.

МТларнинг юқори частоталардаги характеристикалари иккита асосий омилга: учиб ўтиш вақти ва RС затворнинг характерли зарядланиш вақтига боғлиқ. Учиб ўтиш вақти t_min  деб заряд ташувчилар истокдан стокгача бўлган L масофани босиб ўтиши учун зарур минимал вақтга айтилади. Учиб ўтиш вақтининг минимал қиймати t_min  заряд ташувчиларнинг максимал тезлиги J_ТЎЙ га мос келади, унга электр майдон кучланганлиги Е = 5-10 кВ/см  бўлганда эришилади. Кремний ва арсенид галлий учун J_ТЎЙ = 10⁷см/с. Заряд ташувчилар ҳаракатчанлигини ўзгармас ва майдон кучланганлиги катта деб ҳисоблаб

t_min  = L/J_ТЎЙ                                                   (14.5)

 

деб ёзиш мумкин.

Масалан, затвор узунлиги 1 мкмни ташкил этувчи GаАs асосидаги МТда учиб ўтиш вақти 10^-11 с ни ташкил этади, бу RС вақт доимийсига нисбатан катта эмас.

Эквивалент схемага мос равишда (14.3, б – расм) чегаравий частота f_ЧЕГ шундай частотаки, бу частотада C_ЗИ сиғим орқали оқаётган ток миқдори SU_ЗИ генератор токига тенг бўлади:

        .                          (14.6)

 

Бу ерда  U_CИ = const бўлганда сток – затвор характеристика тиклиги.

 

 а)

 б)

 

14.3 – расм. МТнинг умумий исток уланиши (а) ва

кичик сигнал режимидаги эквивалент схемаси (б).

 

Тебранишларнинг максимал частотаси

                                      (14.7)

ифода билан аниқланади. Бу ерда  r₁ = (R_КИР+R_И)/R_i    -  кириш ва чиқиш қаршиликлари нисбати,  t₃=2p R_ИC_ЗС  - вақт доимийси.                                                                

Кириш қаршилиги

         .                    (14.8)

 

Ушбу формулага мувофиқ затвор токи I₃ ® 0 ва ярим изоляцияловчи асоснинг сизилиш токи I_СИЗ = 10^-10А бўлганда хона температурасида кириш қаршилиги ~ 250 МОм ни ташкил этади.

  Кучланиш бўйича кучайтириш коэффициентининг модули бирга тенг бўлганда, ташқи юклама сиғим С_Ю бўлмаса, чегаравий частота

 

,

 

қийматга етиши мумкин, бу ерда  - статик кучайтириш  коэффициенти.

Агар, m_У >10 бўлса, чагаравий частота 300 ГГцдан катта бўлади.

Частота ва қувват бўйича чекланишлар. МЯ – транзисторларнинг чегаравий частотаси унинг геометрик ўлчамлари ва материал параметрлари билан аниқланади. Кремний ва арсенид галлийда электронлар ковакларга нисбатан каттароқ ҳаракатчанликка эга бўлгани учун, ЎЮЧ – схемаларда фақат n-каналли МТлардан фойданилади. Бундан ташқари, электронларнинг GаАs даги ҳаракатчанлиги кремний Si даги электронлар ҳаракатчанлигига нисбатан катта бўлгани сабабли, GаАs асосидаги транзисторларда, чегаравий частота кремнийли шундай электрон асбобларникига қараганда, беш марта юқори бўлади.

          МТнинг энг муҳим геометрик параметри бўлиб, затвор узунлиги L ҳисобланади. Затвор узунлиги L камайтирилганда затвор сиғими С_ЗИ  ҳам камаяди, натижада, чегаравий частота f_ЧЕГ ортади. Лекин, каналдан электронлар самарали ўтиши учун унинг узунлиги чуқурлигидан катта       (L/а > 1) бўлиши керак. Шунинг учун, L қисқартирилганда, бир вақтнинг ўзида канал чуқурлиги ҳам камайтирилиши керак. Бунинг учун канал соҳаси концентрацияси орттирилади, лекин тешилишнинг олдини олиш мақсадида N_Д~5·10¹⁷см^-3 дан юқори қилинмайди. Концентрация бундай  бўлганда, каналнинг минимал узунлиги 0,1 мкмга яқин бўлади, f_ЧЕГ » 100ГГц ни ташкил этади.

Синусоидал сигнал таъсир этганда чиқишдаги максимал қувват токнинг максимал қийматларига I_max ва тешилиш кучланиш U_ТЕШ  га қуйидагича боғлиқ:

.                                      (14.9)

 

Бу ерда I_mах = qN_ДJ_ТУЙaZ -  тўлиқ очилган каналнинг тўйиниш токи,

q - электрон заряди, Z – канал кенглиги; U_ТЕШ = 5ּ10¹³/Q_C - тешилиш кучланиши.

Саёз каналлар учун бирлик юзадаги тўлиқ заряд Q_C  = N_Д a » 2ּ10¹²  cм^-2 ни ташкил этади.

         

Назорат саволлари

1. Чегаравий частота деб нимага айтилади?

2. МТларнинг юқори частоталардаги характеристикалари қандай омилларга боғлиқ?

3. МЯ – транзисторнинг ишлаш принципини тушунтиринг.

4. МТнинг энг муҳим геометрик параметри нима деб аталади?

 

 

15 –  маъруза

 

ИНТЕГРАЛ МИКРОСХЕМАЛАР

 

Режа:  Умумий маълумотлар

              Яримўтказгичли ИМСлар яратилиш технологик жараён ва майдон эффекти

 

Интеграл микросхема (ИМС) кўп сонли транзистор, диод, конденсатор, резистор ва уларни бир – бирига уловчи ўтказгичларни ягона конструкцияга бирлаштиришни (конструктив интеграция); схемада мураккаб ахборот ўзгартиришлар бажарилишини (схемотехник интеграция); ягона технологик циклда, бир вақтнинг ўзида схеманинг электрорадио элементлари (ЭРЭ) ҳосил қилинишини, уланишлар амалга оширилишини ва  бир вақтда гуруҳ усули билан кўп сонли бир хил интеграл микросхемалар ҳосил қилиш (технологик интеграция) ни акс эттиради. ИМС, ягона технологик  циклда, ягона асосда тайёрланган ва ахборот ўзгартиришда маълум функцияни бажарувчи ўзаро электр жиҳатдан уланган ЭРЭлар мажмуасидир.

ИМС электрон асбоблар қаторига киради. Унинг электрон асбоб сифатидаги асосий хусусияти шундаки, у мустақил равишда, масалан, ахборотни эслаб қолиши ёки сигнални кучайтириши мумкин. Дискрет элементлар асосида шу функцияларни бажариш учун транзисторлар, резисторлар ва бошқа элементлардан иборат схемани қўлда йиғиш зарур. Электрон асбобнинг ускуна таркибида ишлаш ишончлилиги аввалам бор кавшарланган уланишлар сони билан аниқланади. ИМСларда элементлар бир – бири билан металлаш йўли билан уланади, яъни кавшарланмайди ҳам, пайванд ҳам қилинмайди. Бунинг натижасида йиғиш, монтаж қилиш ишларининг сифатини ошириш масаласи ечилди, катта миқдордаги ЭРЭларга эга радиоэлектрон қурилмалар ишлаб чиқаришда ишончлилик таъминланди.

Ҳозирги кунларда тайёрлаш усули ва бунда ҳосил бўладиган тузилмасига кўра ИМСларни бир – биридан принципиал фарқланувчи уч турга ажратилади: яримўтказгич, пардали ва гибрид. ИМСларнинг ҳар тури, микросхема таркибига кирувчи элементлар ва компонентлар сонини ифодаловчи, интеграция даражаси ва конструкцияси билан фарқ қилади.

Элемент деб, конструкцияси бўйича кристалл ёки асосдан ажралмайдиган, ЭРЭ функциясини бажарувчи ИМСнинг қисмига айтилади.

ИМС компоненти деб, дискрет элемент функциясини бажарувчи, лекин монтаждан аввал мустақил маҳсулот бўлган ИМСнинг бўлагига айтилади.

Йиғиш, монтаж қилиш операцияларини бажаришда компонентлар микросхема асосига ўрнатилади. Қобиқсиз диод ва транзисторлар, конденсаторларнинг махсус турлари, кичик ўлчамли индуктивлик ғалтаклари ва бошқалар содда компонентларга, мураккаб компонентларга эса – бир нечта элементдан ташкил топган, масалан, диод ёки транзисторлар йиғмалари киради.

Элементлари яримўтказгич асоснинг сиртига яқин қатламда ҳосил қилинган микросхемалар яримўтказгич ИМС деб аталади.

Элементлари диэлектрик асос сиртида парда кўринишида ҳосил қилинган микросхемалар пардали ИМС деб аталади. Пардалар турли материалларни паст босимда юпқа қатлам сифатида ўтказиш йўли билан ҳосил қилинади. Парда ҳосил қилиш усули ва у билан боғлиқ парда қалинлигига мувофиқ ИМСларни юпқа пардали (қалинлиги 1-2 мкм) ва қалин пардали (қалинлиги 10 мкмдан юқори) ларга ажратилади. Адабиётларда кўп ҳолларда ИМС ёзув ўрнига ИС деб ёзилади.

Ҳозирги кунда пардали диод ва транзисторларнинг параметрлари барқарор бўлмагани сабабли, пардали ИМСлар фақат пассив элементларга (резисторлар, конденсаторлар ва бошқалар) эга.

Пардали технологияда элемент параметрларининг рухсат этилган тарқоқлиги 1÷2 % дан ошмайди. Пассив элементлар параметрлари ва уларнинг барқарорлиги ҳал қилувчи аҳамият касб этганда бу жуда муҳим бўлади. Шу сабабдан пардали ИСлар баъзи фильтрлар, фаза ўзгаришига сезгир ва танловчи схемалар, генераторлар ва бошқалар тайёрлашда ишлатилади.

Гибрид ИМС (ёки ГИС) деб умумий диэлектрик асосда жойлашган пардали пассив ва дискрет актив элементлар комбинациясидан иборат микросхемага айтилади. Дискрет компонентлар осма дейилади. Гибрид ИМСлар учун актив элементлар қобиқсиз ёки жажжи металл қобиқларда тайёрланади.

ГИСларнинг асосий афзалликлари: ишлаб чиқишнинг нисбатан кичик даврида аналог ва рақамли микросхемаларнинг кенг синфини яратиш имкониятидан, кенг номенклатурали пассив элементлар ҳосил қилиш имкониятидан (МДЯ – асбоблар, диодли ва транзисторли матрицалар) ва ишлаб чиқарилаётган микросхемаларда яроқлилар фоизининг кўплигидан иборат. ГИСлар алоқа аппаратларининг қабул қилиш – узатиш тизимларида, юқори частотали кучайтиргичларда, ЎЮЧ қурилмаларда ва бошқаларда қўлланилади.

Ишлатилган транзистор турига мувофиқ яримўтказгич интеграл микросхемалар биполяр ва МДЯ ИМСларга ажратилади. Ҳозирги кунда р – n ўтиш билан бошқариладиган МТлар асосида яратилган ИМСлар катта аҳамият касб этмоқда. Ушбу синфга арсенид галлий асосида, затвори Шоттки диоди кўринишида бўлган МТлар киради. Сўнгги пайтда таркибида ҳам биполяр, ҳам майдоний транзисторлар ишлатилган ИМСлар ҳам тайёрланмоқда.

ИМСнинг функционал мураккаблиги унинг таркибидаги элемент ва компонентлар сонини кўрсатувчи интеграция даражаси билан ифодаланади. Интеграция коэффициенти сон жиҳатдан

К=lgN

тенглик билан аниқланади,

бу ерда N – схема элементлари ва компоненталари сони 15.1 –жадвалда келтирилган.

15.1 – жадвал

 

Интеграция коэффициенти	К қиймати	Элементлар сони	ИМС номи
1	< 1	10 тагача	оддий
2	1 < К ≤ 2	11÷100	ўртача (ЎИС)
3	2 < К ≤ 4	101÷10 000	катта (КИС)
4-5	≥ 4	> 10 000	ўта катта (ЎКИС)

 

Оддий ИМСларга мисол сифатида мантиқ элементларни кўрсатиш мумкин. ЎИСларга жамлаш қурилмаси, счетчиклар, оператив хотира қурилмалари (ОХҚ), сиғими 256-1024 бит бўлган доимий хотира қурилмалари (ДХҚ) мисол бўла олади. КИСларга мантиқий – арифметик ва бошқарувчи қурилмалар киради. ЎКИС ларга 1,9 миллиард МДЯ – транзисторлардан ташкил топган, сиғими 294 МБ бўлган хотира микросхемалари мисол бўла олади.

Кристаллдаги элементлар жойлашувининг зичлиги – бирлик юзага тўғри келувчи элементлар сони ИС конструкцияси ва технологияси сифатининг муҳим кўрсаткичи ҳисобланади. Технология даражаси минимал технологик ўлчам, яъни эришиш мумкин бўлган энг кичик ўлчам билан ифодаланади, масалан, эмиттер кенглиги, ўтказгичлар кенглиги, улар орасидаги масофа билан характерланади.

ИМСлар ишлаб чиқариш технологиясини мукаммаллаштириш жараёнида минимал технологик ўлчам Δ нинг йиллар бўйича ўзгариши 15.2 – жадвалда келтирилган.

15.2 – жадвал

 

 

Хотира қурилмаларида элементлар жойлашув зичлиги ҳар икки йилда икки марта ортиб бораётганини 1965 йилда Гордон Мур башорат қилган эди. 15.2 – жадвал ушбуни тасдиқлайди.

Функционал вазифасига кўра ИСлар аналог ва рақамлиларга бўлинади. Аналог ИСларда сигнал узлуксиз функция сифатида ўзгаради. Энг кенг тарқалган аналог ИС – операцион кучайтиргичдир. Рақамли ИСлар дискрет кўринишда берилган сигналларни ўзгартиришга ва қайта ишлашга хизмат қилади.

Яримўтказгич ИМСлар яратишда технологик жараён ва операциялар.

Тайёрлов операциялари. Яримўтказгич ИМСлар тайёрлаш учун асосий материал бўлган  - кремний монокристал қуймалари олишдан бошланади. Монокристал қуймалар ҳосил қилишнинг бир қанча усуллари мавжуд.

Чохральский усулида таркибига донор ёки акцептор киритмалар қўшилган ўта тоза кремний эритмаси юзига кремний монокристали туширилади. Эритма эритган монокристал ўз ўқи атрофида аста – секин айлантирилиб кўтарилади. Монокристал кўтарилиши билан эритма кристалланади ва кремний монокристали ҳосил бўлади. Ҳосил бўлган кремний қуймаси n– ёки р–турли электр ўтказувчанликка эга бўлади. Қуйма узунлиги 150 см, диаметри эса 150 мм ва ундан катта бўлиши мумкин.

Зонали эритиш усулида монокристал ифлослантирувчи киритма-лардан қўшимча тозаланади. Бунда кристаллнинг тор зонаси эритилиб, эритилган зона кристаллнинг бир учидан иккинчи учига аста силжитиб борилади. Киритмаларнинг эриган фазада эрувчанлиги қаттиқ ҳолатдаги эрувчанлигига қараганда катта бўлса, ўша киритмалар суюқ фазага ўтиб кристаллнинг иккинчи учига силжиб боради, ва ўша ерда тўпланади. Киритмалар тўпланган соҳа тозалаш жараёнлари тугагандан сўнг кесиб ташланади.

Эпитаксия. Эпитаксия жараёни асос сиртида унинг кристалл тузилишини такрорловчи юпқа монокристал ишчи қатламлар ҳосил қилиш учун ишлатилади. Асос бунда мустаҳкамликни таъминлаш ва кристал-ланаётган қатлам такрорлаши зарур бўлган кристалл панжара сифатида хизмат қилади. Кейинги технологик жараёнларда эпитаксиал қатламда ИМСнинг актив ва пассив элементлари ҳосил қилинади.

Газ фазали ва суюқ фазали эпитаксия усуллари кенг тарқалган бўлиб, улар монокристал асос сиртида n– ёки р–турли ўтказувчанликка эга бўлган эпитаксиал қатламлар ҳосил  қилиш имконини беради.

Термик оксидлаш. Термик оксидлаш – кремний сиртида оксид (SiO₂) қатлам (парда) ҳосил қилиш мақсадида сунъий йўл билан оксидлашдан иборат жараён. У юқори (1000÷1200) ⁰С  температураларда кечади.

ИМСлар тайёрлашда SiO₂ қатлам бир неча муҳим функцияларни бажаради: сиртни ҳимояловчи қатлам; ниқоб вазифасини бажариб, ундаги тирқишдан зарур киритмалар киритилади; МДЯ – транзисторларда затвор остидаги юпқа диэлектрик қатлам сифатида ишлайди.

Легирлаш. Яримўтказгич ҳажмига киритмаларни киритиш жараёни легирлаш деб аталади. ИМСлар тайёрлашда легирлаш схеманинг актив ва пассив элементларини ҳосил қилиш учун, зарур ўтказувчанликни таъминлаш учун керак. Легирлашнинг асосий усуллари юқори темератураларда киритмалар атомларини диффузиялаш ва юқори энергияли ионлар билан бомбардимон қилиш (ионларни кристалл панжарага киритиш) дан иборат.

Диффузия ёрдамида легирлаш бутун кристалл юзаси бўйлаб ёки ниқобдаги тирқишлар орқали маълум соҳаларда (локал) амалга оширилади.

Ион легирлаш етарли энергиягача тезлатилган киритма ионларини ниқобдаги тирқишлар орқали кристалга киритиш билан амалга оширилади. Ион легирлаш универсаллиги ва осон амалга оширилиши билан характерланади. Ионлар токини ўзгартириб легирловчи киритмалар концентрациясини, энергиясини ўзгартириб эса – легирлаш чуқурлигини бошқариш мумкин.

Емириш. Яримўтказгич, унинг сиртидаги оксидлар ва бошқа бирикмаларни кимёвий моддалар ҳамда уларнинг аралашмалари ёрдамида эритиб тозалаш жараёнига емириш дейилади. Емириш яримўтказгич сиртини тозалаш, оксид қатламда “дарча”лар очиш ва турли кўринишга эга бўлган “чуқурчалар” ҳосил қилиш учун қўлланилади. Яримўтказгич сиртини тозалаш ва “дарча”лар ҳосил қилиш учун изотроп емиришдан фойда-ланилади, бунда яримўтказгич барча кристаллографик йўналишлар бўйлаб бир хил тезликда эритилади. Баъзан яримўтказгични турли кристаллографик йўналишлар бўйлаб турли тезликда эритиш ва натижада турли кўринишга эга бўлган “чуқурча”лар ҳосил қилиш зарур бўлади.

Анизотроп емириш билан, масалан, микросхемалар тайёрлашда (элементларни бир – биридан диэлектрик билан изоляциялашда) диэлектрик қатлам ўстирилувчи “чуқурча”лар ҳосил қилинади.

Фотолитография. Яримўтказгич пластинадаги металл ёки диэлектрик пардалар сиртида маълум шаклдаги локал соҳаларни ҳосил қилиш жараёни фотолитография деб аталади. Ушбу соҳалар кимёвий емиришдан ҳимояланган бўлиши шарт. Фотолитография жараёнида ультрабинафша нур  таъсирида ўз хусусиятларини ўзгартирувчи, фоторезист деб аталувчи, махсус моддалар ишлатилади.

Фоторезист оксидланган кремний пластинаси сиртига суртилади ва кварц шиша ниқоб орқали ёритилади. Ниқоблар шаффоф ва шаффоф эмас соҳаларга эга бўлгани учун фоторезистнинг маълум соҳаларига ёруғлик (ультрабинафша нур) таъсир этиб, унинг хусусияти ўзгартирилади. Бундай ниқоблар фотошаблонлар деб аталади. Фоторезист турига  боғлиқ ҳолда унинг эрувчанлиги ортиши (позитив фоторезист) ёки камайиши (негатив фоторезист) мумкин. Позитив фоторезист қатлам ёруғлик нури таъсирида нобарқарор ҳолатга ўтади ва эритувчи таъсирида эрийдиган, негатив фоторезист эса – аксинча, ёруғлик таъсирида эримайдиган бўлиб қолади, унинг ёруғлик таъсиридан ҳимояланган соҳалари эрийди. Шундай қилиб, фоторезист қатламдан фотошаблондаги шаклни такрорловчи ҳимояловчи ниқоб ҳосил қилинади. Фоторезист қатламда ҳосил қилинган “дарча”лар орқали оксидланган яримўтказгичнинг ҳимояланмаган соҳаларига кимёвий ишлов берилади (емирилади).

ИМС тайёрлашда фотолитография жараёнидан бир неча марта          (5÷7 марта) фойдаланилади (негиз қатламлар, эмиттерлар, омик контактлар ҳосил қилишда ва х.з.). Бунда ҳар гал ўзига хос “расм”ли фотошаблонлар ишлатилади.

Олтита ЭРЭга эга ИМС ҳосил қилишда фотолитография жараёнининг кетма – кетлиги 15.1 – расмда кўрсатилган.

Пардалар ҳосил қилиш. Пардалар ИС элементларини электр жиҳатдан улаш ҳамда резисторлар, конденсаторлар ва гибрид ИСларда элементлар орасидаги изоляцияни амалга ошириш учун қўлланилади.

Пардалар вакуумда термик буғлатиш, материални ионлар билан бомбардимон қилиб учириш ёки газ фазадан, сувли эритмадан кимёвий ўтказиш усуллари билан ҳосил қилинади. Ҳар бир усулнинг афзаллиги ва камчилиги мавжуд.

Мисол тариқасида металлашни – кристалл ёки асос сиртида металл пардалар (схемада элементларнинг ўзаро уланиши, контакт юзачалар, пасив

 

 15.1 – расм. Фотолитография жараёнининг кетма -кетлиги.

 

ва актив элементлар электродлари) ҳосил қилиш жараёнини кўриб чиқамиз. Металлаш учун олтин, никель, кумуш, алюминий ва Cr-Au, Ti-Au ва бошқалар ишлатилади.

Кремний асосидаги ИМСларда металлашни амалга ошириш учун асосан алюминийдан фойдаланилади. Нарҳи қиммат бўлмаган ҳолда, кўрсатиб ўтилган металлар каби, у  р – кремний билан омик (тўғриламайдиган) контакт ҳосил қилади, кичик солиштирма қаршиликка эга ва катта токка чидайди. Алюминий вакуумда термик буғлатиш усули билан сиртга ўтказилади. n–турли соҳа билан омик  контакт ҳосил қилиш учун ундаги донорлар концентрацияси 10²⁰ см^-3 атрофида бўлиши керак. Бундан юқори концентрацияга эга бўлган соҳа n⁺ деб белгиланади. Металлаш жараёни яримўтказгич пластина ҳажмида схема элементлари ҳосил қилингандан сўнг амалга оширилади. Биринчи навбатда пластина сиртида SiО₂ қатлам ҳосил қилинади. Шундан кейин кремний билан контактлар ҳосил қилиниши керак бўлган жойларда, фотолитография усули билан, SiО₂ парда қатламида “дарча”лар очилади. Сўнг вакуумда термик буғлатиш усули билан пластина сиртида қалинлиги 1 мкм атрофида бўлган алюминий қатлам ҳосил қилинади. Контакт юзачалари ва электр жиҳатдан бирлаштирувчи ўтказгичларнинг зарурий шакли фотолитография усули билан ҳосил қилинади. Алюминий қатламининг ишлатилмайдиган соҳалари емириш усули билан олиб ташланади, сўнгра алюминий билан кремний орасида контакт ҳосил қилиш учун пластинага термик ишлов берилади. Ҳозирги вақтда металлашда электр ўтказувчанлиги алюминийга нисбатан катта бўлган мис ҳам қўлланилмоқда.

Пластиналарни кристалларга ажратиш ва йиғиш операциялари. Барча асосий технологик операциялар бажариб бўлингандан сўнг, юзларча ва ундан кўп ИСларга эга пластина алоҳида кристалларга бўлинади.

Пластиналар лазер скрайбер ёрдамида, яъни тайёрланган ИСлар орасидан лазер нурини юргизиб кристалларга ажратилади. Ишлатишга яроқли кристаллар қобиқларга ўрнатилади, бунда кристал аввал қобиққа елимланади ёки кавшарланади. Сўнг кристал сиртидаги контакт юзачалар қобиқ электродларига ингичка (ø 20÷30 мкм) симлар ёрдамида уланади. Симлар уланаётганда термокомпрессиядан фойдаланилади, яъни уланаётган сим билан контакт юзачаси ёки микросхема электроди 200÷300 ⁰С температурада ва юқори босимда бир – бирига босиб бириктирилади. Монтаж операциялари тугагандан сўнг кристалл юзаси атроф муҳит атмосфераси таъсиридан ҳимоялаш учун қобиқланади. Одиий интеграл схемаларда чиқиш электродлари сони 8-14 та, КИСларда эса 64 тагача ва ундан кўпроқ бўлиши мумкин. ИСлар қобиқлари металл ёки пластмассадан тайёрланади. ИСларнинг қобиқсиз турлари ҳам мавжуд.

 

Назорат саволлари

 

1. Интеграл микросхема (ИМС) нима ?

2. ИМСларнинг асосий хусусиятлари нимада ?

3. ИМС элементи ва компоненти деб нимага айтилади ?

4. Пардали, гибрид ва яримўтказгич ИМСлар фарқини тушунтиринг.

5. Нима сабабдан транзистор тузилмаси ИМС турли элементларини тайёрлаш асоси бўлиб хизмат қилади ?

6. ИМС элементлари қандай қилиб бир – биридан изоляцияланади ?

7. Планар ва планар – эпитаксиал усуллари билан тайёрланган транзисторлар нимаси билан бир – биридан фарқланади ?

8. Рақамли ва аналог ИМСлар мураккаблик даражаси қандай аниқланади ?

9. Аналог ва рақамли ИМСларда қандай сигналлар ўзгартирилади ?

10. ИМСлар синфланишини айтиб беринг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16 –  маъруза

 

ИНТЕГРАЛ МИКРОСХЕМАЛАР

 

Режа:  БТлар асосидаги ИМСларни тайёрлаш

             МДЯ-транзисторлар асосидаги ИМСларни тайёрлаш

 

БТлар асосидаги ИМСларни тайёрлаш. БТли ИМСлар элементлари (транзисторлар, диодлар, резисторлар, конденсаторлар) асосини n⁺ – p – n тузилма ташкил этади.

ИМС тайёрлаш учун планар, планар – эпитаксиал технологиялардан фойдаланилади. Планар технологияда элементлар р – ёки n – турли яримўтказгич асосда ҳосил қилинади. Планар – эпитаксиал технологиясида элементлар асос сиртига ўстирилган эпитаксиал қатламда ҳосил қилинади.

Технология асосни (эпитаксиал қатламни) навбатма – навбат донор ва акцептор киритмалар билан легирлашга асосланади, натижада сирт тагида турли ўтказувчанликка эга юпқа қатламлар ва қатламлар чегарасида              р–n ўтишлар ҳосил бўлади. Алоҳида қатламлар резисторлар сифатида,          р–n ўтишлар эса диод ва транзистор тузилмалари сифатида ишлатилади. Конденсаторлар сифатида тескари силжитилган р–n ўтишлар хизмат қилади.

Интеграл резисторлар. Интеграл резисторлар транзисторларнинг база ёки эмиттер соҳасини ҳосил қилиш операцияси билан бир вақтда тайёрланади. Резистор қаршилиги берк ҳолатдаги р–n ўтиш чегараси билан чекланган қатламнинг ҳажмий қаршилигидан иборат бўлади.

Эмиттер соҳа асосида қаршилиги 3÷100 Ом бўлган кичик қаршиликли резисторлар ҳосил қилинади, чунки эмиттер қатламнинг солиштирма қаршилиги кичик бўлади.

Катта қаршиликли резисторлар нисбатан катта солиштирма қаршиликка эга  база қатламда тайёрланади. Бундай резисторларнинг максимал қаршилиги 200÷300 кОм бўлади.

Интеграл конденсаторлар. Интеграл конденсторлар ҳосил қилиш учун ихтиёрий р–n ўтиш: коллектор – асос, база – коллектор, эмиттер – база, яширин n⁺ - қатлам – изоляцияловчи р – соҳа ишлатилиши мумкин. Тескари силжитилган р–n ўтишнинг барьер сиғими берилаётган кучланишга боғлиқ бўлади. Кўп ҳолларда коллектор ўтиш сиғими ишлатилади.

Интергал диодлар. Интеграл диодлар интеграл транзистор асосида ҳосил қилинади. Транзисторнинг исталган р–n ўтиши диод ҳосил қилиш учун ишлатилиши мумкин. Кўп ҳолларда база – эмиттер ўтиши, коллектор база билан туташтирилган ҳолда (U_КБ=0) ёки коллектор занжири узилган ҳолда (I_K=0) база – эмиттер ўтиш ишлатилади. Бундай диодларнинг очиқ ҳолатдан берк ҳолатга ўтиш вақти энг кичик бўлади.

ИМС тайёрлашда яримўтказгич асоснинг бир томонига ишлов берилади, ҳосил қилинган элементларнинг чиқиш электродлари пластина сиртида битта текисликда жойлашади. Шунинг учун “планар технология” деб ном берилган.

Яримўтказгич ИМСларни тайёрлашда операциялар кетма – кетлиги микросхемада элементларни электр жиҳатдан изоляциялаш усуллари билан белгиланади: элементларни тескари силжитилган р–n ўтишлар билан изоялциялаш; диэлектрик (SiO₂ қатлам) ёрдамида изоляциялаш. Шу муносабат билан яримўтказгич ИМСлар тайёрлашни иккита асосий жараёни:

а) элементларни р–n ўтиш билан изоляцияловчи планар – эпитаксиал технология;

б) диэлектрик қатлам SiO₂ ёрдамида изоляцияловчи планар – эпитаксиал технология (EPIC - технология) мавжуд.

Планар  - эпитаксиал технология. Планар  - эпитаксиал технология асосида тўртта элемент (конденсатор С, диод Д, транзистор Т ва резистор R) дан  ташкил топган (16.1 – расм) содда ИМСни тайёрлашда технологик операциялар кетма –кетлигини кўриб чиқамиз.

 

16.1 – расм. Ишлаб чиқилаётган ИМСнинг

принципиал схемаси.

 

ИМС тайёрлаш учун р – ўтказувчанликка эга, қалинлиги 0,2÷0,4 мм, бўлган кремний асосдан фойдаланилади (16.2 – расм).

Бундай асосда элементлари сони мингтагача ёки юзларча бўлган ўрта ва юқори интеграция даражали микросхемалар бир вақтда ҳосил қилинади (ҳар бир квадратда бир хил ИМСлар жойлашади).

 

 

16.2 – расм. Асос ва унинг сиртида  бир вақтда тайёрланадиган

ИМСлар тизими.

Асос сиртида термик оксидлаш йўли билан қалинлиги 0,5÷1 мкм бўлган SiO₂ қатлам ҳосил қилинади. Шундан сўнг биринчи фотолитография оксид қатламда “дарча”лар очиш учун ўтказилади. Дарчалар орқали 1÷2 мкм қалинликка донор киритмалар (сурьма ёки маргумуш) диффузия қилинади. Натижада бўлғуси транзисторлар коллекторлари остида электр токини яхши ўтказувчи n⁺ - соҳа ҳосил бўлади. Ушбу қатлам яширин n⁺ - қатлам (чўнтак) деб аталади. У коллектор қаршилигини камайтиради, натижада транзистор тезкорлиги ортади, коллектор эса икки қатламли n⁺- n бўлиб қолади.

Шундан кейин кремний оксиди емирилади, асос сиртига қалинлиги     8÷10 мкмни ташкил этувчи n – турли эпитаксиал қатлам ўстирилади ва эпитаксиал қатлам сиртида оксид қатлам ҳосил қилинади. Иккинчи фотолитография ёрдамида оксид қатламда ажратувчи дифузияни ўтказиш учун “дарча”лар очилади. Акцептор киритмаларни (бор) “дарча”лар орқали қатлам охиригача диффузия қилиб тўртта n – соҳа (схемадаги элементлар сонига мос) ҳосил қилинади. Бу n – соҳалар бир – биридан р–n ўтишлар ёрдамида изоляцияланган бўлади. Ушбу соҳаларнинг бири транзисторнинг коллектори бўлиб хизмат қилади. Транзисторнинг базаси, конденсатор, диод ва резистор ҳосил қилиш учун бир – биридан изоляцияланган n – соҳаларга акцептор киритмалар диффузияси амалга оширилади. Бунинг учун аввал ҳосил қилинган оксид қатламда учинчи фотолитография ёрдамида шундай ўлчамли “дарча”лар ҳосил қилинадики, бунда ҳосил қилинган элементлар параметрлари талаб этилган номиналларни қаноатлантирсин.

Кейин транзистор эмиттери, диод катоди, конденсатор қопламаси, коллектор соҳанинг омик контактини ҳосил қилувчи n⁺ -  турли эмиттер соҳалар ҳосил қилинади. Бунинг учун янгидан ҳосил қилинган оксид қатламида тўртинчи фотолитография ёрдамида зарур кўринишдаги “дарча”лар очиб, улар орқали n⁺ -  турли киритма ҳосил қилувчи атомлар диффузияси амалга оширилади. ИМС тузилмаси ҳосил қилинувчи технологик жараён элементларга омик контактлар олиш ва элементларни ўзаро улаш билан якунланади. Бу SiO₂ қатламда бешинчи фотолитографияни амалга ошириш, алюминийни вакуумда пуркаш, алюминийни ишлатилмайдиган соҳалардан олиб ташлаш ва термик ишлов бериш билан амалга оширилади.

16.1 – расмда келтирилган схемага мос ИМС тузилмаси 16.3 – расмда кўрсатилган.

 16.3 – расм. ИМС тузилиши схемаси.

Диэлектрик билан изоляциялаш усули (EPIC – технология). Бу технология  р–n ўтиш билан изоляцияланиб тайёрланган ИМСларга нисбатан яхшироқ характеристикаларга эга микросхемалар яратиш имконини беради. Хусусан, изоляциялаш даражаси  тахминан 6 тартибга ортади, тешилиш кучланиши катталашади, паразит сиғимлар тахминан 2 тартибга камаяди,

радиацияга чидамлилик ортади, ИМС тезкорлиги ошади. Ушбу технология асосида кичик қувватли ва юқори тезликда ишлайдиган  рақамли ИМСлар яратиш мақсадга мувофиқ, чунки бундай технологик жараён нарҳи планар – эпитаксиал технологияга нисбатан юқори.

Содда ИМС яратиш кетма – кетлиги 16.4 – расмда кўрсатилган.

 

 

Ўтказувчанлиги n – турли асосга сурьма ёки маргумуш 1÷2 мкмга диффузия қилиш йўли билан пластинанинг бутун юзаси бўйлаб n⁺ – ўтказувчанликка эга яширин қатлам ҳосил қилинади. Асосни n⁺ – қатлам томондан термик оксидлаб, унинг бутун юзасида оксид қатлам ҳосил қилинади. Биринчи фотолитография ёрдамида ушбу қатламда изоляцияловчи соҳалар учун “дарча”лар очилади (16.4, а – расм), оксид билан ҳимояланган соҳалар емирилгани учун 8÷15 мкм бўлган “чуқурча”лар ҳосил қилинади (16.4, б – расм). Сўнг “чуқурча”лар юзалари оксидланади   (16.4, в – расм). Бундан кейин оксидланган “чуқурча”лар томондан асос сиртига 0,2-0,25 мм қалинликдаги поликристалл кремний ўстирилади. Поликристалл кремний кейинчалик бўлғуси ИМС асоси бўлиб хизмат қилади (16.4, г  –  расм).

Шундан сўнг асоснинг қарши томони оксид қатламгача шлифовка қилинади ёки емирилади (16.4, д – расм). Шундай қилиб, бир – биридан SiO₂ қатлам билан изоляцияланган, n⁺ – ўтказувчанликли яширин қатламга эга n – соҳалар (чўнтакчалар) ҳосил қилинади. Бу соҳаларда оксидлаш, фотолитография ва диффузия усуллари билан микросхема элементлари яратилади. База соҳаларини ҳосил қилишдан бошлаб кейинги жараёнлар планар – эпитаксиал технология жараёнларига ўхшаш давом этади.

БТ асосидаги рақамли ИМСларнинг баъзи мантиқ элементларида кўп эмиттерли ва кўп коллекторли транзисторлар қўлланлади.

Кўп эмиттерли транзистор (КЭТ)нинг шартли белгиланиши ва тузилмаси 16.5 – расмда кўрсатилган.

 

    

а)                                                                                         б)

 

16.5 – расм. КЭТ тузилмаси (а) ва шартли белгиланиши (б).

 

КЭТ базалари ва коллекторлари уланган транзисторлар мажмуи бўлиб, ундаги эмиттерлар сони 5÷8 та бўлиши мумкин. Кўп коллекторли транзисторлар (ККТ) – инверс режимда ишлаётган КЭТдир. Бунда умумий эмиттер бўлиб КЭТнинг коллектори, коллекторлари бўлиб эса эмиттерларнинг n⁺– соҳалари хизмат қилади.

 МДЯ – транзисторлар асосидаги ИМСларни тайёрлаш

Дискрет МДЯ – транзисторларнинг VI бобда келтирилган тузилиш схемалари ва параметрлари интеграл технология учун ҳам қўлланилиши мумкин. Бунда МДЯ – транзисторлар асосида ИМСлар тайёрлаш технологияси БТлар асосида ИМСлар тайёрлаш технологиясига қараганда анча содда бўлиб, у иккита омил билан боғлиқ:

1) Каналлари бир хил ўтказувчанликка эга интеграл МДЯ – транзисторлар учун тузилмаларни изоляциялаш операцияси талаб этилмайди. Асос ҳамма вақт исток ва стокга нисбатан тескари ўтказувчанликка эга бўлади. Шунинг учун исток – асос ва сток – асос р–n ўтишларнинг  бири кучланишнинг ихтиёрий қутбида сток орасида тескари уланади ва изоляцияни таъминлайди;

2) Барча тайёрлаш жараёни фақат МДЯ – тузилмани ҳосил қилишга олиб келинади, чунки у нафақат транзисторлар сифатида, балки резисторлар ва конденсаторлар сифатида ҳам ишлатилади.

Шундай бўлишига қарамасдан, кристалда ёнма – ён жойлашган ва турли ўтказувчанликли каналларга эга комплементар МДЯ – транзисторларда (КМДЯ) изоляция талаб этилади. Изоляциялаш учун транзисторлардан бирини изоляцияловчи чўнтакчага жойлаштириш керак бўлади. Масалан, агар асос сифатида р – кремний ишлатилса, р – каналли транзистор учун аввал  n – турли чўнтакча  тайёрланиши керак.

МДЯ – транзисторлар асосидаги ИМСлар  планар технология асосида яратилади. Бу технологияда кремний сиртида оксидлаш, фотолитография ва очилган “дарча”ларга киритмалар диффузиясини амалга ошириш илгаридек бажарилади.

МДЯ – транзисторли ИМСлар яратишда  затвор остидаги диэлектрик қатламни ҳосил қилиш энг мураккаб жараён бўлгани учун унга алоҳида талаблар қўйилади. Характеристика тиклигини оширш учун затвор ости диэлектрикнинг қалинлиги камайтирилиши керак. Охирги 40 йил ичида диэлектрик материал сифатида асосан кремний икки оксиди (SiO₂) қўлланилиб келди, затвор эса кремнийдан тайёрланди.  Микросхемаларнинг ҳар бир янги авлодига ўтиш билан изоляцияловчи қатлам қалинлиги кичрайиб борди. Лекин, SiO₂ қатлам юпқаланиши билан сизилиш токлари ошади, ортиқча иссиқлик ажралишлар пайдо бўлади ва транзистор ҳолатини бошқариш оғирлашади.

Бугунги кунда Intel корпорацияси томонидан ишлаб чиқарилаётган транзисторларда затвор ости диэлектригининг қалинлиги (SiO₂) 1,2 нм ни, ёки беш атом қатламни ташкил этмоқда. 2007 йилдан буён 45 нмли ишлаб чиқариш технологиясига ўтилди. Бу технологияда кичик сизилиш токли транзисторлар затворларини ҳосил қилишда диэлектрик сифатида юқори диэлектрик сингдирувчанликка эга бўлган гафний тузлари асосидаги high – к материал ишлатилмоқда. Натижада, қалинроқ диэлектрик ишлатиш ва сизилиш токини ўн мартадан кўпроқ камайтириш имкони туғилди. Лекин, янги материал кремнийли затвор билан “чиқишмади”. Шунда затвор сифатида материалларнинг янги турини ишлатиш таклиф этилди, натижада улар асосидаги транзисторлар уланиши ва узилиши учун 30% кам энергия сарфланишига эришилди. Янги технология бир хил юзада жойлашадиган транзисторлар сонини икки марта ошириш имконини берди.

МДЯ – транзисторлар ичида металл – нитрид кремний – диэлектрик - яримўтказгич (МНДЯ)  транзисторлар (16.6, а – расм) алоҳида ўрин тутади Бундай транзисторлар хотира элементи ролини бажаради ва қайта дастурланувчи хотира қурилмалар асосини ташкил этади.

Ушбу транзистор диэлектриги икки қатламдан: қалинлиги 2÷5 нмни ташкил этувчи SiO₂ ва кремний оксиди устига пуркалган 0,05÷0,1 мкм қалинликдаги Si₃N₄ кремний нитридидан ташкил топади.

Мантиқий 1 ни ҳосил қилиш учун затворга қиcқа (100 мкс)  мусбат импульс берилади, бунда электронлар асосдан юпқа SiO₂  орқали туннель ўтиб икки қатлам чегарасида тўпланади, чунки қалин Si₃N₄ қатлам электронларни ўтказмайди. Тўпланган заряд мантиқий 1 ни ёзишда берилган импульс ўчирилгандан сўнг ҳам сақланиб қолади. Бўсағавий кучланиш U₀₁ қиймати U₀₂ гача қийматли импульс берилгандан сўнг камаяди (16.6, б – расм).

Ахборотни ўқиш учун транзистор затворига U_cr кучланиш берилади. Унинг абсолют қиймати U₀₁ ва U₀₂ орасида бўлиш керак. Агар мантиқий 1 ёзилган бўлса, транзистор очиқ, агар мантиқий 0 бўлса – берклигича қолади.

 

                   а)                                                      б)

 

16.6 – расм. МНДЯ – транзистор тузилмаси (а) ва сток – затвор ВАХи (б).

 

 

Назорат саволлари

 

1.Яримўтказгич ИМСлар ишлатилганда қандай ноқулайликлар юзага

келади ?

2. МДЯ ИМСларга таъриф беринг.

3. Гибрид ИМСларга таъриф беринг.

4. Микроэлектроника ривожининг учта асосий йўналишини айтиб беринг ва улар орасидаги боғланишни кўрсатинг.

5. Гуруҳлаб ИМСлар ишлаб чиқариш маъноси нимада  ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 – маъруза

 

ЭЛЕКТРОНИКАНИНГ ИСТИҚБОЛЛИ ЙЎНАЛИШЛАРИ

 

Режа:  Наноэлектроника ҳақида тушунча

              Нантотехнология

 

Наноэлектроника нанотехнологияларнинг илмий ва технологик усулларидан фойдаланишга асосланади.

Нанотехнология – алоҳида атом ва молекулаларни бошқаришни (манипуляция), шунингдек бунинг учун зарур назарий ва амалий текширишларни қўллаш асосида нанообъектларни ишлаб чиқиш ва ишлаб чиқариш билан шуғулланувчи фан ва техника соҳасидир.

ISO/ТК 229 техник комитетда натотехнология деганда:

– бир ёки ундан ортиқ координаталарда 100 нм дан кичик ўлчамларда ўлчамли ҳодисаларни эътиборга олиш одатда янги қўлланишларга олиб келувчи нмли диапазонда материалларни тушуниш ва материалдаги жараён ва хусусиятларни бошқариш;

– алоҳида атом ва молекула, шунингдек ҳажмий материаллар хусусиятларидан фарқ қилувчи нмли материаллардан янги хусусиятларни намоён қилувчи мукаммаллашган материаллар, асбоблар ва тизимлар ҳосил қилиш учун фойдаланиш назарда тутилади.

Нанотехнологиялар объекти – аввалам бор ўлчамлари 12÷100 нм бўлган “нанозаррача” деб аталувчи зарралардан иборат. Нанозаррачалар катализатор ва адсорбцияловчи моддалар сифатида қизиқ. Оқсиллар, нуклин кислоталар билан таъсирлашувида нанозаррачалар қизиқ хусусиятларга эга. Нанозаррачалар ўз – ўзидан янги хусусиятларни намоён этувчи маълум тизимни ҳосил қилиши мумкин.

Нанозаррачаларнинг қуйидаги турлари маълум:

– ўтказгичларни портлатиш, плазма синтези, юпқа пардаларни тиклаш ва бошқа йўллар билан олинувчи уч ўлчамли объектлар;

– молекуляр ва атом нурли эпитаксия, газ фазали эпитаксия, ион ўстириш ва бошқа усуллар билан ҳосил қилинувчи наноқатламлар – икки ўлчамли объектлар;

– бир ўлчамли объектлар – вискерлар;

– ноль – ўлчамли объектлар – квант нуқталар.

Нанотехнологиялар олдидаги энг муҳим масалалардан бири табиатда мавжуд биополимерларнинг ўз – ўзини ташкил этишига ўхшаш нанозарраларни ўз – ўзидан ташкилланишидан иборат.

Қўлланилиши нуқтаи – назаридан,  жумладан, наноэлектроникада энг қизиқ ва истиқболли нанообъектлар:

– Углеродли нанотрубкалар – одатда яримсферик бошча билан тугалланувчи ва диаметри бир нм дан бир неча нм гача узунлиги бир неча см ни ташкил этувчи, бир ёки бир неча (кўп қатламли нанотрубка) трубка шаклида ўралган гексагонал графит текисликлар (графен).

– Фуллеренлар – жуфт сонли уч координатали углерод атомларидан тузилган қавариқ туташ кўпёқликлар.

– Графен – углерод атомларининг моноқатлами. Графен хона температурасида электронларнинг юқори ҳаракатчанлигига, тузилиши бўйича ноёб тақиқланган зонага эга ва шунинг учун нисбатан арзон кремнийни алмаштириш истиқболи мавжуд.

– Нанокристаллар – турли кристал нанозаррачалар – наностерженлар, наносимлар, нанотрубкалар, наноленталар, нанохалқалар, нанопружиналар ва бошқалар, микро – ва оптоэлектроникада, микросенсорларда, фотокатализда, пъезоўзгартгичларда ва шунга ўхшашларда истиқболли. Барча нанозаррачалар кристал тузилишга эга бўлгани сабабли нанокристал ва нанозарра синонимлардир. Нанокристалл атамаси билан нанообъектнинг кристаллигига қўшимча урғу берилади. Шу билан биргаликда, охирги вақтда нанокристалл деб кристалга ўхшаш икки ўлчамли ва уч ўлчамли нанозаррачалардан иборат тузилмалар  атала бошланди, яъни ушбу атама янги маънога эга бўлди.

– Наноқурилма, хусусан, наноэлектроникада асосий объект – электрон наноқурилма.

Наноўлчамларга ўтганда модда хусусияти (нанообъект хусусияти) ўзгаради. Биринчидан, моддалар ҳажмидаги атомларга нисбатан нанозаррачалар сиртидаги кимёвий  боғланишлари тўйинмаган атомлар бошқача хусусиятга эга бўлади. Микрозаррачаларда сиртқи атомларнинг нисбий зичлиги улуши эътиборга олмаса бўладиган даражада кичик, нанозаррачаларда эса – сезиларли ва хатто кўп бўлади. Иккинчидан, 12 мкм дан кичик ўлчамларда, электр ўтказишнинг классик назарияси нотўғри бўлади ва нанозарралар ўлчами электроннинг эркин юриш йўли узунлигидан кичик бўлгани учун Ом қонуни бузилади. Электронлар харакати баллистик бўлиб қолади. Учинчидан, нанотузилмаларда электронлар харакатининг квант табиати ва нанотузилмаларнинг де – Бройль тўлқин узунлигига яқин λ=h/(mν) кичик ўлчамлари ҳамда электронлар ҳаракатининг квант табиати билан боғлиқ турли квант – ўлчамли эффектлар кузатилади.

Микроэлектроника ўзининг ярим асрлик тарихи давомида ИМСлар элементлари ўлчамларини камайтириш йўлида Мур қонунига мувофиқ ривожланмоқда. 1999 йилда микроэлектроника технологик ажратишнинг 100 нмли довонини енгиб наноэлектроникага айланди. Ҳозирги вақтда 45 нмли технологик жараён кенг  тарқалган. Бу жараён оптик литографияга асосланишини айтиб ўтамиз.

Микроэлектрон қурилмалар (ИМСлар) яратишнинг ананавий, планар жараён каби, усуллари яқин 10 йиллик ичида иқтисодий, технологик ва интеллектуал чегарага келиб қолиши мумкин, бунда қурилмалар ўлчамларини камайтириш ва уларни тузилиш мураккаблигининг ошиши билан ҳаражатларнинг экспоненциал ошиши кузатилади. Муаммони нанотехнологиялар усулларини қўллаган ҳолда янги сифат даражасида ечишга тўғри келади.

МДЯ транзисторларда затворости диэлектриги ананавий равишда SiO₂ ишлатилади, 45 нм ўлчамли технологияга ўтилганда диэлектрик қалинлиги 1 нмдан кичик бўлади. Бунда затвор ости орқали сизилиш токи ортади. Кристалнинг 1 см² юзасида энергия ажралиш 1 кВтга етади. Юпқа диэлектрик орқали ток оқиш муаммоси SiO₂ ни диэлектрик сингдирувчанлик коэффициенти ε  катта бошқа диэлектрикларга, масалан ε ~20÷25 бўлган гафний ёки цирконий оксидларига алмаштириш йўли билан хал этилади.

Келгусида, транзистор канали узунлиги 5 нмгача камайтирилганда, транзистордаги квант ҳодисалар унинг характеристикаларига катта таъсир кўрсата бошлайди ва хусусан, сток – исток орасидаги туннеллашув  токи       1 см² юзада ажраладиган энергияни 1 кВт га етказади.

Планар технологиянинг замонавий процессорлар, хотира қурилмалари ва бошқа рақамли ИМСлар ҳосил қилишдаги ютуқлари ўлчамлари 90 нм, 45 нм  ва ҳатто 28 нмни ташкил этувчи ИМСлар ишчи элементларини ҳосил қилиш имконини яратганлиги бугунги кунда кўпчилик тадқиқотчилар томонидан нанотехнологияларнинг қўлланилиш натижасидек  қаралмоқдалигини айтиб ўтамиз. Бу мавжуд ISO /ТК 229 нуқтаи  – назаридан тўғри. Лекин, планар жараён биринчи ИМСлар пайдо бўлиши билан, ўтган асрнинг 60 – йилларида ҳеч қандай нанотехнологиялар мавжуд бўлмаган вақтда пайдо бўлди ва шундан бери принципиал ўзгаргани йўқ.

 

Назорат саволлари

1.   Наноэлектроника соҳасига таъриф беринг.

2.   Нанотехнологияларга таъриф беринг.

3.   Нанотехнология объектига таъриф беринг.

4.   Нанообъект хусусияти.

5.   Нанозаррачаларнинг қандай турларини биласиз ?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18 – маъруза

 

ЭЛЕКТРОНИКАНИНГ ИСТИҚБОЛЛИ ЙЎНАЛИШЛАРИ

 

Режа:  Функционал электроника ҳақида тушунча

              Заряд алоқали асбоблар

              Акустоэлектроника асбоблари

              Магнитоэлектроника асбоблари

 

ИМСларда компонентли тузилишдан четлашиш ва динамик бир жинсликмаслилардан фойдаланишга асосланган йўналиш “функционал электроника” номини олди. Функционал электроника (ФЭ) ривожланиши-нинг бошланғич босқичида турибди. ФЭнинг кўп қурилмалари микроэлек-трониканинг рақамли қурилмалари билан ишлашга мослашган. Улар биринчи навбатда юқори тезкорлик ва 10⁵ ÷ 10⁷ бит сиғимга эга хотира қурилмаларидир.

Функционал электрониканинг энг истиқболли баъзи асбоблари ишлаш принципларини кўриб чиқамиз.

Заряд алоқали асбоб (ЗАА) (18.1 – расм) юпқа диэлектрик қатлам Д билан қопланган ва юзасига 12 та бошқарувчи метал электродлар тизими жойлаштирилган яримўтказгич кристалдан (масалан  р – турли) иборат. Шундай қилиб 12 та МДЯ – тизим ҳосил қилинади. Тизимлар сони N элементлар орасидаги масофага, ёзувчи импульс давомийлигига боғлиқ бўлади ва N = 200 га етиши мумкин. Ҳар бир электрод кенглиги 10 ÷ 12 мкм ни, улар орасидаги масофа эса 2 ÷ 4 мкм ни ташкил этиши мумкин.

 

18.1 – расм.

 

Барча электродларга бўсағавий кучланиш U₀ берилганда диэлектрик билан яримўтказгич орасида камбағаллашган соҳа ҳосил бўлади, бу соҳа потенциал чуқур деб аталади. Алоҳида электроддаги кучланиш қиймати ахборотни сақлаш кучланиши U_САҚ  > U₀ гача ўзгартирилганда, ушбу электрод остидаги камбағаллашган соҳа яримўтказгичнинг бошқа юзаларига қараганда “чуқурроқ” бўлади. Потенциал чуқурда электронларни (пакетини) тўплаш мумкин. Демак, МДЯ – тузилма маълум вақтгача потенциал чуқурдаги зарядга мос ахборотни эслаб қолувчи элемент сифатида хизмат қилиши мумкин. Электрон пакет динамик бир жинсликмасликни ташкил этади. Электрон пакетни сақлаш жараёнида маълум электрод (затвор) остида термогенерация ҳисобига қўшимча электронлар ҳосил бўлиши мумкин. Агар заряд ўзгаришининг рухсат этилган қиймати 1 % ни ташкил этса, ахборотни сақлаш вақти эса бир неча секунддан ошмайди. Шунинг учун ЗАА динамик турдаги асбобдир. Бирламчи тўпланган ва маълум аниқ потенциал чуқур билан боғлиқ зарядлар, яримўтказгич сирти бўйлаб потенциал чуқур силжитилган ҳолда кўчирилиши мумкин. Бунинг учун затворлардаги кучланишлар аниқ кетма – кетликда ўзгартирилиши мумкин.

Зарядни маълум йўналишда кўчириш учун ҳар бир электрод уч фазали бошқариш тизимининг Ф₁, Ф₂, Ф₃ такт шиналаридан бирига уланади. Демак, ЗААнинг бир элементи учта МДЯ – тузилмали ячейкадан иборат бўлади. Агар ЗАА қўшни электродларига берилган кучланишлар қиймат жиҳатдан бир–биридан фарқ қилса, қўшни потенциал чуқурлар орасида электр майдон ҳосил бўлади. Ушбу майдон йўналиши шундай-ки, электронлар каттароқ потенциалга эга соҳага дрейф ҳаракат қилади, яъни “саёзроқ” потенциал чуқурдан нисбатан “чуқурроқ”қа кўчади.

Агар заряд биринчи электрод остида тўпланган бўлса–ю, уни иккинчи электрод остига силжитиш зарур бўлса, унга каттароқ кучланиш берилади, бунда заряд юқорироқ кучланишли электрод остига кўчади. Кейинги тактда юқорироқ кучланиш навбатдаги электродга берилади ва заряд унга кўчади. Заряд кўчиришнинг уч тактли тизимида 1,4,7,10 ва шунга ўхшаш электродлар Ф₁ шинага, 2,5,8,11 электродлар Ф₂ шинага, 3,6,9,12 ва шунга ўхшаш электродлар эса Ф₃ шинага уланади.

Зарядларнинг электродлараро циркуляцияси барча ЗААлар қўлла-нишларнинг асоси ҳисобланади. Зарядларни кўчириш имконияти ЗААлар асосида силжитувчи регистрлар ва хотира қурилмалар яратиш имконини беради. Регистр деб иккилик код асосида берилган кўп разрядли ахборотни ёзиш, сақлаш ёки силжитиш учун қўлланиладиган қурилмага айтилади.

Сигналнинг заряд пакетларини бир неча усуллар билан, масалан, р – n ўтишдан заряд ташувчиларни метал электродлар остига инжекциялаш,     МДЯ – турдаги тузилмада юза бўйлаб кўчкисимон тешилиш ёки метал электродлар орасидаги аниқ жойлар орқали ёруғлик киритиб электрон – ковак жуфтликларни генерациялаш билан ҳосил қилиш мумкин.

Акустоэлектроника асбоблари. Акустоэлектрон асбобларнинг ишлаши электр сигнални ультратовуш тўлқинларга, уни товуш ўтказувчи орқали тарқалишига ва кейинчалик чиқиш электр сигналга ўзгартирилишига асосланади.

Шундай қилиб, бундай асбобларда кириш билан чиқиш орасида ахборот ташувчи бўлиб ультратовуш (акустик) сигнал деб аталувчи динамик бир жинслимаслик хизмат қилади. У 10¹³ Гц частотали тебранишлардан иборат бўлиб, қаттиқ жисмда 1,5 ÷ 5,5 км/с товуш тезлигида тарқалади. Акустик тўлқин тезлиги электромагнит тебранишлар тарқалиш тезлигига нисбатан 5 тартибга кичиклиги кўриниб турибди. Шунинг учун ушбу хусусиятдан биринчи навбатда кичик ўлчамли кечиктириш линияларини ишлаб чиқишда фойдаланилди. Акустоэлектрон асбоблар микроэлек-троникада қўлланиладиган усуллар билан ҳосил қилиниши ва ИМСларга ўхшашлиги билан эътиборга лойиқ.

Ультратовуш тўлқинлар пьезоактив материалларда (пьезоэлек-трикларда) ҳосил қилиниши мумкин. Шунинг учун ушбу синф асбоблар учун ишчи муҳит сифатида пьезоэффект жуда яққол наомён бўладиган диэлектрик ва яримўтказгич кристаллар хизмат қилади. Тўғри пьезоэффект деб механик кучланиш натижасида пьезоэлектрикнинг қутбланиш ҳодисасига айтилади (18.2 а – расм). Қутбланиш натижасида пьезоэлектрикнинг қарама – қарши томонларида пьезо – ЭЮК деб аталувчи потенциаллар фарқи ҳосил бўлади. Тескари пьезоэффект деб берилган ташқи кучланиш таъсирида жисмнинг геометрик ўлчамлари ўзгаришига айтилади (18.2 б – расм). Расмда жисмнинг деформациядан кейинги ўлчамлари пунктир чизиқ билан кўрсатилган.

 

                   а)                                                   б)

 

18.2 – расм.

 

Кучланиш берилган жойда электр майдон кучланганлиги йўналишига боғлиқ холда пьезоэлектрик сиқилади ёки кенгаяди. Натижада, товуш ўтказувчи деб аталадиган, кристал пластинада кўндаланг ёки бўйлама акустик ультратовуш частотаси берилган кучланиш частотасига тенг бўлади. Пьезоэлектрик маълум хусусий механик тебранишлар частотасига эга бўлгани сабабли, ташқи ЭЮК частотаси билан пластина хусусий тебранишлар частотаси бир – бирига тенг бўлганда (резонанс ҳодисаси) пластинанинг тебранишлари амплитудаси энг катта қийматга эга бўлади.

         Акустоэлектроника асбобларида частотаси 1 ÷ 10 ГГЦ бўлган, кварц, литий ниобити ва танталати ҳамда CdS, ZnS, ZnO, GaAs, InSb ва бошқа юпқа яримўтказгич қатламларда генерацияланадиган ультратовуш тўлқинлар ишлатилади. Ушбу диапазондаги ҳажмий ва сирт акустик тўлқинлар (САТ) ишлатилади. САТларда ишлайдиган акустоэлектрон асбоблар кенг тарқалган. Уларга кечиктириш линиялари, полосали фильтрлар, резонаторлар, турли датчиклар ва шунга ўхшашлар киради. Бу асбобларда электр сигналларни акустик сигналга ва аксинча ўзгартириш махсус ўзгартиргичлар ёрдамида амалга ошади. САТлар ўзгартгичларининг етти тури мавжуд бўлиб, амалда икки метал электродлари синфаз ва қозиқсимон жойлашган турлари кенг тарқалган.

САТли фильтрлар кўп каналли электр алоқа ва космик алоқа тизимлари фильтрлари сифатида кенг ишлатилади. Улар телевизион қабулқил-гичларнинг тасвир орқали частота кучайтиргич блокларида LC – фильтрларни алмаштирмоқда. Ҳозирги вақтда тасвирни ташиш частотаси 38 ва 38,9 МГц ни ташкил этувчи САТли телевизион фильтрлар серияли равишда ишлаб чиқарилмоқда.

Замонавий САТли фильтрлар Δ f =0,05-50 % ўтказиш полосасига эга, ўтказиш полосасидаги сўниш 2 ÷ 6 дБ, селективлиги 100 дБ гача. Бундай фильтрлар 900 МГц гача частоталарда ишлайди.

Магнитоэлектроника асбоблари. Магнитоэлектрон асбобларда ферромагнит материаллар ишлатилади. Улар домен тузилишга эга, яъни бутун ҳажми кўп сонли локал соҳалар – доменлардан ташкил топади. Доменлар тўйингунча спонтан магнитланган. Улар полосали, лабиринт-симон ва цилиндрик шаклга эга бўлиши мумкин. Доменнинг чизиқли ўлчамлари миллиметрнинг мингларча улушидан ўнларча улушига тенг. Доменлар ўзаро чегарадош деворлар (Блох деворлари) билан ажралиб туради. Бу деворларда битта домен магнитланганлик векторига нисбатан аста ўзгаришлари содир бўлади.

Магнитоэлектроника асбобларида ахборот сигналини ташувчи сифатида қуйидаги динамик биржинслимасликларнинг биридан фойдаланилади:

1) цилиндрик шаклдаги доменлар;

2) чизиқли доменларда вертикал Блох чизиқлар (ВБЧ). Қўшни ВБЧлар орасидаги масофа етарли кичик, ўлчами 0,5 мкм бўлган чизиқли домен деворида 100 битгача ахборот сақлаш мумкин;

3) ферромагнит материални частотаси квант ўтишлар частотасига тенг ёруғлик билан ёритилганда ҳосил бўлувчи резонанслар ва тўлқинлар;

4) спин тўлқинлари ва бошқаларнинг квант тебранишларини акс эттирувчи квазизаррачалар – магнонлар.

 

Назорат саволлари

 

1.   Функционал электроника асбобларига таъриф беринг.

2.    Заряд алоқали асбобларнинг ишлаш принципини тушунтиринг.

3.    Акустоэлектрон асбобларга таъриф беринг.

4.    Сирт акустик тўлқинли асбобларнинг тузилиши ва ишлашини тушунтиринг.

5.    Магнитоэлектрон асбобларга таъриф беринг.

6.    Цилиндрик магнит доменлар асосидаги магнитоэлектрон асбоблар-нинг ишлаш принципини тушунтиринг.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АДАБИЁТЛАР

════════════════════════════════════════════

 

 

1. Х.К. Арипов, А.М. Абдуллаев, Н.Б. Алимова, Х.Х. Бустанов, Е.В. Объедков, Ш.Т. Тошматов. Электроника. Дарслик. Т. Фан ва технологиялар. 2011й, 432 б.

         2. Aripov X.K., Аbdullaev А.М., Alimova N.B, Bustanov X.X., Ob’edkov E.V., Toshmatov Sh.T. Elektronika. Darslik. Т. Фан ва технологиялар. 2011й, 426 б.

3. Х.К. Арипов, А.М. Абдуллаев, Н.Б. Алимова. Электроника. Ўқув қўлланма. Т. ТАТУ: «Aloqachi», 2009й, 136 б.

4. Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003.

5. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001.

6. Ю.Л. Бобровский, С.А. Корнилов, И.А. Кратиров и др.; Под ред. проф. Н.Ф. Федорова. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 2002.

7.     www.tuit.uz.

8.     www.ziyoNET.uz.

9.     www.edu.uz.