Yarımkeçirici cihazlar

Yarımkeçirici cihazlar elektriki komponent olub yarımkeçirici materiallardan xüsusi ilə silisium, germanium və qalium-arsenid kimi təbii yarımkeçiricilərdən hazırlanan cihazlardır. Elektron elektrik keçiricilikli maddələrin böyük qrupu, hansıların ki, xüsusi müqaviməti normal temperaturda keçiricilərin və dielektriklərin xüsusi müqavimətləri arasında yerləşir, yarımkeçiricilərə aid edilə bilərlər. Yarımkeçiricilərin elektrik keçirməsi yüksək dərəcədə xarici energetik təsirlərdən, həmçinin yarımkeçiricinin öz tərkibində olan hədsiz dərəcədə az miqdarda olan müxtəlif qarışıqlardan asılıdır. Yarımkeçiricilərin elektrik keçiriciliyinin temperaturanın, işığın, elektrik sahəsinin, mexaniki qüvvələrin, təsiri altında idarə olunması uyğun olaraq, termorezistorların (termistorların), fotorezistorların, qeyri-xətti rezistorların (varistorların), tenzorezistorların və s. iş prinsiplərinin əsasına qoyulmuşdur. Yarımkeçiricilərdə iki tip elektrik keçiriciliyinin – elektron (n) və elektron-deşik (p) olması p – n keçidli yarımkeçirici məmulatın əldə edilməsinə imkan verir. Bura müxtəlif tipli həm güclü, həm də kiçik güclü düzləndiricilər, gücləndiricilər və generatorlar aiddirlər. Yarımkeçirici sistemlər müvəffəqiiyyətlə müxtəlif enerji növlərini elektrik cərəyanı enerjisinə çevirmək üçün istifadə oluna bilərlər. Yarımkeçirici çeviricilərə misal kimi günəş batareyaların və termoelektrik generatorlarını göstərmək olar. Yarımkeçiricilərin köməyi ilə bir neçə on dərəcəlik soyutma da əldə etmək mümkündür. Son illər sabit cərəyanın alçaq gərginliyində elektron-deşik keçidlərinin rekombinasion işıqlanması siqnal işıq mənbələrinin və hesablayıcı maşınlarda informasiyanı xaric etmə qurğularının yaradılması üçün xüsusi əhəmiyyət kəsb etmişdir. Yarımkeçiricilər həmçinin qızdırıcı elementlər (silit çubuq) kimi xidmət edə bilərlər, onların köməyi ilə iqnitron düzləndiricilərdə katod ləkəsini həyacanlandırmaq olar, maqnit sahəsinin gərginliyini ölçmək (Xoll çeviricisi) olar, onlar radioaktiv süalanma indiqatorları və s. ola bilər.

Diod

Kvadrat formalı yarımkeçirici kristal diodun yaxından görünüşü (soldakı qara obyekt)

Diodun ən ümumi funksiyası əks istiqamətdə cərəyan maneəyə rast gələrkən, bir istiqamətdə elektrik cərəyanın keçməsini təmin etməkdir. Başqa funksiyasıda dəyişən cərəyanı sabit cərəyana çevirməkdir. Həmçinin radioda radio siqnalların amplitud modulyasiya hasilatını o cümlədən qəbul edilən siqnalların düzləndirməsidir. Vakuum boru diodları və yarımkeçirici diodlar təxminən eyni vaxtda radio qəbuledici detektorları kimi 1900-cü ilin əvvəllərində ayrı-ayrılıqda inkişaf edib. Diodların inkişafı iki istiqamətdə dərhal XIX əsrin üçüncü rübündə başlayıb: 1873-cü ildə britaniyalı alim Frederik Qutri termion (vakuum lampa) diodları fəaliyyət prinsipini həmçinin 1874-cü ildə alman alimi Karl Ferdinand Braun kristallik (bərk cisimli) diodun fəaliyyət prinsipini açıb. Termion diodların iş prinsipi 13 fevral 1880-ci ildə Tomas Edison tərəfindən yenidən açılıb və 1883-cü ildə patentləşdirilib (patent ABŞ № 307031). 1899-cu ildə alman alimi Karl Ferdinand Braun kristalı üçün düzləndirici patentini aldı. Təxminən 1900 illərdə Qrinlif Pikard kristal diodda ilk radio qəbul edici düzəltdi. Birinci termion diodu Britaniyada Con Ambroz Fleminqom 16 noyabr 1904-cü ildə (ABŞ patenti noyabr1905-ci il tarixli № 803684 saylı) patentini alıb. 20 noyabr 1906-cı ildə Pikard silisium kristal detektor (ABŞ patenti № 836531) patentini aldı Bu cür qurğun XIX əsrin sonlarında düzləndiriciləri adı ilə məlum idi və yalnız 1919-cu ildə, Vilyam Henri "diod" adlandırmağa başladı, yunan sözlərindən əmələ gəlib və "di" — iki, "odos" — yol deməkdir.

Diodların tipləri

İndiki zamanda ən çox yarımkeçirici diodlardan istifadə olunur.
Diodların növləri:

Diod

Yarımkeçirici

Qeyri Yarımkeçirici

Germaniumlu

Silisiumlu

Qallium Arsenidi ilə

Qaz doldurulmuş

Vakuumlu

Bir p-n keçidinə malik olan və iki elektrik çıxışı olan cihaza yarımkeçirici diod deyilir. Tətinatına görə diodlar aşağıdakı növlərə bölünür:düzləndiric diodlar, stablitronlar, varikaplar , tubel diodlar, Şottiki diodları və s. Konstruktiv texnoloji xüsusiyyətlərinə görə müstəvi nöqtəvari diodlar olurlar. Əksər diodlar iş prinsipi keçiddə baş verən hadislərə əsaslanır. Elektron -deşik keçidi, metal-yarımkeçirici təması və heterokeçidlər ən çox istifadə olunur. Yarımkeçirici dioda elektrik dövrəsində qeyri-xətti volt-amper xarakteristikasına malik ikiqütblü kimi baxmaq olar.

Düzləndirici Diodlar

Adi düzləndirici diodlar məhdud tezlik diapazonunda (50–100khs) dəyişən cərəyanı sabit cərəyana çevirmək üçün istifadə olunurlar. Diodlar düzünə cərəyanın orta qymətinə görə alçaq güclü, orta və böyük güclü diodlara bölünürlər. Hal-hazırda silisiumdan və germaniumdan hazırlanan müstəvi diodlar geniş istifadə olunur.Silisium diodları qadağan olunmuş zonanın eni böyük olduğuna görə kiçik əks cərəyana malik olurlar və germanium diodlarına nisbətən daha böyük əks gərginliyə dözürlər. Silisium doidlarında baza qatının müqaviməti böyük olduğundan yük cərəyanın eyni qiymətində germanium dioduna nisbətən düz oşulma rejimində gərginlik düşgüsü daha böyük olur.

Stabilitron

Zener diodun sxemlərdə işarəsi

Zener diod

Stabilitronlar elektrik sxemlərində gərginliyi sabit saxlamaq üçün istifadə olunur. Onların volt-amper xarakteristikasının deşilmə hissəsində gərginliyin qiyməti cərəyandan zəif asılı olur. Bu cihazların xarakteristikalarının işçi hissəsi əks qoldur. Burada xarakteristika demək olar ki, cərəyan oxuna paralel olur və işçi gərginlik isə deşilmə gərginliyi hesab olunur. Bu cihazlar əvvəllər həm də dayaq diodlar adlanmışdır. Stablitronlar iş prinsipi p-n keçidində elektrik deşilmə hadisəsinə əsaslanır. Baza qatında aşqarlar yüksək konsentrasiyasında keçiddə selvari deşilmə, aşqarların yüksək konsentrasiyasında isə tunel deşilməsi baş verir. Birinci hal yüksək gərginlikli , ikinci isə alçaq gərginlikli stablitronlarda istifadə olunur. Silisium diodlarının xarakteristikasının düz qolunda da gərginlik sabit qaldığından (qırıq xətt) bu effekt stablitronların işində istifadə olunur.

Elektron simvolları

Dövr diaqramında yarımkeçirici diod üçün istifadə edilmiş simvol diodun tipini müəyyən edir. Diodların bəzi tipi üçün əlavə simvollar var, ancaq onlar arasındakı fərqlər kiçikdir.

• 
  Diod
• 
  İşıq diodu (LED)
• 
  Fotodiod
• 
  Şottki diodu
• 
  Keçid gərginlikli sıxma diodu (TVS)
• 
  Tunel və ya Esaki diodu
• 
  Varikap
• 
  Zener diodu
• 
  Diod simvolu kimi eyni düzləndiricili tipik diod paketləri. Nazik zolaq katodu təsvir edir.

Tranzistorlar

Sahə tranzistorları

Sahə tranzistorlarında baş verən proses Gərginlik artıqca rəzənin açılmasının nümunəsi.

Yarımkeçirici təbəqədən axan cərəyanı ona perpendikulyar istiqamətdə yönəlmiş elektrik sahəsi ilə idarə etməyə imkan verən yarımkeçirici cihazlar sahə tranzistorları adlanır. Belə tranzistorların işində yalnız bir işarəli yükdaşıyıcılar (elektronlar, yaxud deşiklər) iştirak etdiyindən , bəzən sahə tranzistorlarına unipolyar tranzistorlar da deyilir. Aralarından cərəyan axan elektrodlar giriş (istok) və çıxış (stok) elektrodları, üçüncü elektrod isə idarəedici elektrod (zatvor) adlanır. Sahə tranzistorunda girişlə çıxış arasındakı keçirici kanalın müqavimətini dəyişməklə kanaldan axan cərəyan idarə olunur.

	PNP		P-channel
	NPN		N-channel
BJT		JFET

BJT and JFET symbols

				P-channel
				N-channel
JFET	MOSFET enh		MOSFET dep

JFET and MOSFET symbols

Strukturundan asılı olaraq sahə tranzistorları iki qrupa bölünürlər: idarəolunan p-n keçidli və izoləedilmiş zatvorlu tranzistorlar. İzolə edilmiş zatvorlu sahə tranzistorları iki cür olur: induksiya olunmuş kanallı və mövcud kanallı tranzistorlar. Hər iki halda nisbətən yüksək müqavimətli yarımkeçirici altlıq üzərində əks keçiricilik tipinə malik olan və güclü aşqarlanmış oblastlar yaradılır. Bu oblastların üzərinə metallik elektrodlar çökdürülür: stok və istok. Onlar arasındakı məsafə bir neçə mikrometr olur. Zatvor keçirici kanaldan kanal üzərində yetişdirilən izolə qatı (oksid qatı) ilə ayrılır və istok — stok cərəyanına ancaq özünün elektrik sahəsi ilə təsir edir. Zatvor keçirici kanaldan SiO2, SiO2-Al2O3, SiO2-Si3N4 və s. kimi nazik (0,05–0,2 mkm) dielektrik təbəqələri ilə izolə edilir. Dielektrik təbəqə kimi altlıq materialın oksidindən istifadə olunduqda bu cür sahə tranzistorları metal — oksid — yarımkeçirici (MOY) tranzistorlar adlanır. Belə tranzistorlar həmçinin MDY (Metal- Dielektrik-Yarımkeçirici) də adlanır. Zatvor, dielektrik təbəqəsi və yarımkeçiricidəki cərəyan kanalı kondensator təşkil edir. Kanaldan axan cərəyan bu kondensatora tətbiq olunmuş gərginliklə idarə edilir. Bu kanal bütovlüklə əks tipli yarımkeçiricinin daxilində yerləşdiridir.

Müxtəlif ölçülərdəki tranzistorlar

İnduksiya olunmuş kanallı sahə tranzistoru əvvəlkindən onunla fərqlənir ki, burada stok və istok arasında kanal mövcud deyil. Zatvorda gərginlik olmadıqda stok və istok arasında gərginliyin polyralığından asılı olmayaraq cərəyan axmır, çünki p-n- keçidlərdən biri həmişə əksinə qoşulur. Əgər zatvora istoka nəzərən müsbət gərginlik verilərsə, yaranmış eninə lektrik sahəsinin təsiri altında elktronlar stok və istko oblastlarından zatvor oblastının səthində toplaşacaq. Zatvora verilmiş gərginliyin müəyyən bir qiymətindən sonra zatvor oblastında toplaşan elektronların konsentrasiyası buradakı deşiklərin konsentrasiyasından çox olacaq və burada elektrik keçiriciliyin inversiyası baş verəcək, yəni nazik n-tip kanal formalaşacaq. Beləliklə istok-stok dövrəsində cərəyan yaranacaq. Zatvordakı gərginliyn artması ilə kanalın müqaviməti azalır və istok-stok dövrəsindəki cərəyan artır.

Bipolyar tranzistorlar

Bipolyar tranzistorların quruluşu və iş prinsipi.

Tranzistorlar, elektrik siqnalların generasiyası, çevrilməsi və gücləndirilməsi üçün nəzərdə tutulmuş yarımkeçirici cihaz olub iki növə bölünürlər: bipolyar tranzistorlar və unipolyar tranzistorlar. Bipolyar tranzistorlarda cərəyan keçirilməsində hər iki növ daşıyıcı: elektronlar və deşiklər iştirak edir. Unipolyar tranzistorlarda isə yalnız bir növ daşıyıcı ya elektronlar, ya da deşiklər iştirak edir. Bipolyar tranzistorlarda çıxış keçiriciliyi onun girişindəki cərəyanla idarə olunur. Bipoolyar tranzistor 1948-ci ildə amerika fizikləri Con Bardin və Volter Bratteyn tərəfindən icad olunmuşdur. Onlar amerikalı fizik Uilyam Şokli ilə birlikdə yarımkeçiricilərin tədqiqinə və tranzistor effektinin kəşfinə görə Nobel mükafatına layiq görülmüşlər.

Bipolyar tranzistorun iş prinsipi elektron-deşik keçidinin xassələrinə əsaslanmışdır. Strukturuna görə iki qrupa bölünürlər: p-n-p və n-p-n . p-n-p – tip tranzistorlarda iki kənar oblast p keçiriciliyinə, orta oblast isə n keçiriciliyinə malikdir, n-p-n – tip tranzistorda isə əksinə. Kənar oblastları uyğun olaraq E – emitter və K –kollektor, orta oblastı isə B — baza adlandırırlar. Normal halda tranzistorun keçidlərindən biri düz, o biri isə əks istiqamətdə qoşulur. Düz istiqamətdə qoşulan keçid emitter keçidi, uyğun kənar hissə və oradan götürülən çıxış (elektrod) emitter adlanır. Əks istiqamətə qoşulan keçid kollektor keçidi, uyğun kənar hissə və onun çıxışı kollektor adlanır. n-p-n- tipli tranzistorda emitter və kollektor cərəyanları (Ie və Ik) elektronlar, baza cərəyanı (Ib) isə deşiklər hesabına yaranır; p-n-p- tipli tranzistorda əksinədir.

Tiristorlar

Əsasını bir p − n keçid təşkil edən yarımkeçirici diodlar və iki p − n keçidli tranzistorlarla yanaşı, bir neçə p − n keçidli yarımkeçirici cihazlar da mövcuddur. Belə cihazlar üçün ümumi cəhət onların VAX–da mənfi müqavimətli hissənin olmasıdır. Bu isə onlardan açar rejimində işləyən çevirici cihazlar kimi istifadə etməyə imkan verir. Belə açar rejimində işləyən çoxkeçidli cihazlardan praktikada ən çox istifadə olunanı tiristorlardır. Bunlar p − n − p − n sturukturlu dörd təbəqədən, başqa sözlə üş p – n keçidindən təşkil olunmuşdur. Tiristorlar, əsasən, silisiumdan hazırlanır. Tiristorlar quruluş və iş prinsiplərinə görə müxtəlifdir: dinistorlar, trinistorlar və simistorlar. İdarə olunmayan tiristor dinistorlar adlanır Adi diodlardakı kimi, iki elektroda malik olduğundan, çox vaxt, bu cihaza diod tiristoru da deyilir.

Trinistorlar idarə olunan tiristorlara deyilir. Bu cihaz, triod lampasında olduğu kimi, idarəedici elektroda malikolduğundan, buna triod tiristoru da deyilir. VAX-nın həm düz, həm də əks qollarında mənfi müqavimətli hissələrə malik olan tiristorlar simistorlaradlanır.

Yarımkeçirici fotoelekron cihazlar

Yarımkeçirici işıq diodları

Yarımkeçirici işıq diodları elektrik enerjisini işıq enerjisinə çevirən p-n keçidli dioddur. İşıq diodları dövrəyə düz istiqamətdə qoşulur. Dioddan düz cərəyan axdıqda elektron və deşiklərin p-n keçid və onun yaxınlığında intensiv rekombinasiyası nəticəsində şüalanma yaranır. Yaranan şüaların böyük əksəriyyətinin xaricə çıxması üçün işıq diodları yarımkürə şəklində həzırlanır. İşıq diodları, şüalanma rekombinasiyası üstün olan yarımkeçirici materiallardan hazırlanır. Bu məqsədlə GaAs, GaP, SiC bərk məhlullarından istifadə olunur. GaAs diodlarının şüalanması yaxın infraqırmızı oblasta düşür (max=0,920,96 mkm), qalan diodlar görünən oblastda şüalanır. Həm də eyni bir yarımkeçiriciyə müxtəlif aşqarlar vurmaqla və bərk məhlullarda tərkibi dəyişməklə şüalanmanın rəngini dəyişmək olar. Görünən diapazonda işləyən işıq diodlarının əsas xarakteristikaları şüalanma parlaqlığının (B) və ya işıq şiddətinin (Iy) dioddan axan cərəyandan asılılıq əyrisi və spektral xarakteristikadır. İnfraqırmızı oblastda işləyən işıq diodları üçün parlaqlıq xarakteristikası əvəzinə şüalanma gücünün cərəyandan asılılıq əyrisindən istifadə olunur. İşıq diodları üçün həm parlaqlıq, həm də güc xarakteristikaları əsasən xətti xarakterlidir. İşıq diodlarının spektral xarakteristikası şüalanmanın parlaqlığının şüalanan işığın dalğa uzunluğundan asılılığını göstərir. Başqa sözlə, bu xarakteristika yaradılan şüaların spektrin hansı hissəsinə uyğun gəldiyini göstərir. İşıq diodlarının əsas parametrləri işıqlanmanın zaman sabiti (10–9san.) və f.i.ə.-dir (bir neçə faiz).

Fotoqəbuledicilər

Fotoqəbuledici – işıq selinin təsiri ilə hər hansı parametri dəyişən, yəni işığa reaksiya verən cihazdır. Hazırda iş prinsipi xarici və daxili fotoeffektə, eləcə də işığın istilik təsirinə əsaslanan müxtəlif fotoqəbuledicilər mövcuddur, lakin onlardan ən geniş tətbiq sahələri tapanlar daxili fotoeffektə əsaslanan cihazlardır.

Fotorezistor. İşığın yarımkeçirici materialda məxsusi və aşqar udulması zamanı əlavə tarazsız yükdaşıyıcıları yaranır və yarımkeçiricinin keçiriciliyi artır (müqaviməti azalır). Bu hadisədən istifadə olunan yarımkeçirici rezistorlar fotorezistor adlanır Fotorezistorlar əsasən CdS, CdSe, PbS və PbSe materiallarından hazırlanır. İşıq kvantlarının təsirilə yarımkeçirici materialda əlavə elektron-deşik cütlərinin yaranması üçün fotonun enerjisi yarımkeçiricinin qadağan zolağının enerjisindən (Eg) böyük olmamalıdır

Fototranzistor

Fototranzistor öz quruluşu ilə adi bipolyar tranzistordan onunla fərqlənir ki, burada baza təbəqəsi işıqlandırıla bilər. Fototranzistor dövrəyə ÜE sxemi üzrə qoşulur Bazanı işıqlandırdıqda, orada elektron-deşik cütləri yaranır. Qeyri-əsas daşıyıcılar kollektor və emitter keçidlərinin elektrik sahəsi vasitəsilə kollektor və emitter təbəqələrinə keçir və kollektor dövrəsindən, fotodiodda olduğu kimi, If fotocərəyanı axır. Əsas daşıyıcılar (deşiklər) bazada qalaraq emitter keçidinin potensial çəpərinin hündürlüyünü azaldır. Bu isə emitterdən bazaya injeksiya cərəyanını artırır. Nəticədə, kollektor cərəyanı əlavə artır. Beləliklə, fototranzistor fotocərəyanı həm də, gücləndirir. Fototranzistorun çıxış xarakteristikaları ÜE sxemli tranzistorun xarakteristikaları ilə eynidir

Optronlar. Daxilində şualandırıcı və fotoqəbuledicisi olan və bir-birilə optiki və konstruktiv əlaqəli yarımkeçirici optoelektron cihazı optron adlanır. Optronu təşkil edən elementlərə optocütlər deyilir. Optronun iş prinsipi enerjinin ikiqat çevirilməsinə əsaslanır. Giriş elektrik siqnalı ilə idarə olunan şüalandırıcıda elektrik enerjisi optiki şüalanmaya çevirilir. Çıxışda yerləşən fotoqəbuledicidə əksinə işıq şüası (enerjisi) elektrik cərəyanı və ya gərginliyi yaradır. Beləliklə, optronlarda giriş və çıxış siqnalları elektrik siqnallarıdır, yəni xarici dövrə ilə əlaqə elektrikidir, daxildə elementlər arası əlaqə optiki siqnallar vasitəsilə olur, yəni optronda giriş və çıxış dövrələri arasında qalvanik (elektriki) əlaqə yoxdur. Başqa sözlə, optronda çıxış və giriş dövrələri arasında əks əlaqə yoxdur. Elektron sxemlərində giriş və çıxış dövrələrinin bir–birindən qalvanik təcrid olunması, idarəolunmanın optik yolla olması və yüksək cəldliyi optronların ənböyük üstünlüyüdür. Optronun quruluş sxemi üç hissədən ibarətdir: şüalandırıcı (Ş), optik kanal (mühit) və fotoqəbuledici (FQ). Müasir optronlarda şüalandırıcı kimi işıq diodlarından istifadə olunur. Optronlarda işıq diodları əsasən GaAs, GaP və s. kimi materiallarından hazırlanır. Optronun keyfiyyəti enerjinin şüalandırıcıdan qəbulediciyə verilməsindən asılıdır. Şüanın itkisini azaltmaq üçün optronlarda immersion optik sistemdən istifadə olunur. Belə sistemdə şüalandırıcı, optik kanal və qəbuledici materiallarının sındırma əmsalları çox yaxın olmalıdır. Optronlarda optik mühit kimi xüsusi növ şəffaf yapışqandan istifadə edilir. Optronlarda fotoqəbuledici kimi fotorezistior, fotodiod, fototranzistor və fototiristorlardan istifadə olunur. Bu qəbuledicilər əsasən Si-dən hazırlanır. Si-dən hazırlanmış fotoqəbuledicilərin spektral həssaslığı görünən və yaxın infraqırmızı oblastı əhatə edir. Optronlarda çıxış siqnalını gücləndirmək üçün fotoqəbuledici kimi fototranzistor, fototiristor ilə bərabər tərkib tranzistoru və bəzən əlavə gücləndiricidən də istifadə olunur.