Жартылай өткізгіштерді талқылау сұрақтарының мысалы
Пендахулуан
Жартылай өткізгіш – өткізгіштік (мысалы, мыс) мен оқшаулағыштың (мысалы, шыны) электр өткізгіштігінің арасындағы материал. Қазіргі әлемде жартылай өткізгіштер маңызды рөл атқарады, себебі олар диодтар, транзисторлар және интегралдық микросхемалар (МС) сияқты әртүрлі электрондық құрылғыларды өндіру үшін қолданылатын негізгі материалдар болып табылады. Бұл мақалада оқырмандарға осы тақырыпты тереңірек түсінуге көмектесу үшін жартылай өткізгіштермен байланысты мәселелердің бірнеше мысалы келтірілген.
1. Жартылай өткізгіш кристалдық құрылым
Сұрақ: Кремний жартылай өткізгіштерінің кристалдық құрылымын және бұл құрылымның олардың электрлік қасиеттеріне әсерін түсіндіріңіз.
Талқылау: Кремний жартылай өткізгіштерінің кристалдық құрылымы алмаз текше кристалы деп аталады. Бұл құрылымда әрбір кремний атомы төрт көршілес кремний атомымен ковалентті түрде байланысып, өте тұрақты байланыс түзеді. Бұл таза кремнийдің бөлме температурасында электр өткізгіштігінің төмен болуын түсіндіреді.
Кремнийдің электр өткізгіштігін қоспаларды қосу (легирлеу) арқылы арттыруға болады. Мысалы, фосфорды қосу (n-типті легирлеу) бос электрондарды қосады, ал борды қосу (p-типті легирлеу) оң заряд тасымалдаушылар ретінде әрекет ететін кемтіктерді жасайды.
2. Жартылай өткізгіштерді легирлеу
Сұрақ: n-типті легирлеу мен p-типті легирлеу арасындағы айырмашылықты және олардың жартылай өткізгіштікке әсерін түсіндіріңіз.
Талқылау: Легирлеу – жартылай өткізгіштің электрлік қасиеттерін өзгерту үшін оған қоспаларды қосу процесі. n-типті легирлеу кезінде қосылған қоспа атомдарында әдетте кремний атомдарына қарағанда валенттілік электрондары көп болады (мысалы, 5 валенттілік электроны бар фосфор). Бұл қосымша электрондар электр өткізгіштігіне ықпал ететін бос электрондарға айналады, осылайша материалдың өткізгіштігін арттырады.
Керісінше, p-типті қоспалау кезінде қоспа атомдарында кремнийге қарағанда валенттілік электрондары аз (мысалы, борда 3 валенттілік электрон бар). Валенттілік электрондарының жетіспеушілігі оң заряд тасымалдаушылар ретінде әрекет ететін тесіктерді тудырады. Бұл тесіктер зарядтың кристалл арқылы өтуіне мүмкіндік беру арқылы өткізгіштікті арттырады.
3. Жолақ аралығы және өткізгіштік
Сұрақ: Тиісті тыйым салынған аймақ ұғымын және оның жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігіне қалай әсер ететінін сипаттап, түсіндіріңіз.
Талқылау: Зоналық саңылау – электрондарды валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа жылжыту үшін қажетті энергия. Жартылай өткізгіштердің тыйым салынған аймақ саңылауы изоляторларға қарағанда кішірек, бірақ өткізгіштерге қарағанда үлкенірек.
Жартылай өткізгіштерде электрондар жеткілікті энергия алған кезде (мысалы, жылудан немесе фотондардан), олар тыйым салынған аймақтан өткізгіштік аймағына өтіп, электр тогын өткізе алатын бос электрондарға айнала алады. Тиісті тыйым салынған аймақтың өлшемі электрондардың өткізгіштік аймағына қаншалықты оңай қоза алатынын анықтайды:
– Аз тыйым салынған аймақтық саңылауы бар жартылай өткізгіштер (мысалы, ~1.1 эВ тыйым салынған аймақтық саңылауы бар кремний) төмен температурада ток өткізуді жеңілдетеді.
– Үлкен тыйым салынған аймақтық саңылауы бар жартылай өткізгіштер (мысалы, галлий арсениді, тыйым салынған аймақтық саңылауы ~1.4 эВ) өткізгіштікке айналу үшін көбірек энергияны қажет етеді, бірақ жарық шығаратын диодтар (ЖД) сияқты белгілі бір қолданбаларда тиімдірек болуы мүмкін.
4. Транзистор
Сұрақ: Транзистор дегеніміз не және ол электроникада қалай жұмыс істейді?
Талқылау: Транзистор - электрондық сигналдарды күшейту немесе ауыстыру үшін қолданылатын жартылай өткізгіш компонент. Транзисторлардың екі кең таралған түрі бар: биполярлық өтпелі транзисторлар (BJT) және өрістік транзисторлар (FET).
BJT-де p-типті және n-типті үш қабат (npn немесе pnp) орналасқан. Базаға (B) кіретін электр тогы коллектор (C) мен эмиттер (E) арасындағы ток ағынын басқарады. Сонымен қатар, FET-те қақпаға (G) қолданылатын кернеу ағызу (D) мен көз (S) арасындағы ток ағынын басқарады.
Транзисторлар сигналды күшейтуге мүмкіндік береді, себебі кірістегі (негізгі немесе қақпақшадағы) шағын өзгерістер шығыстағы (коллектор-эмиттер немесе дренаж-көз) үлкен өзгерістерге әкелуі мүмкін. Бұл транзисторларды күшейткіштер мен логикалық тізбектерді қоса алғанда, электрондық тізбектердегі маңызды компоненттерге айналдырады.
5. Диод
Сұрақ: Диодтың қызметі қандай және ол қалай жұмыс істейді?
Талқылау: Диод - электр тогының тек бір бағытта ағуына мүмкіндік беретін жартылай өткізгіш компонент. Диод p-типті және n-типті материалдар арасындағы түйіспе болып табылатын p-n өткелінен тұрады. Кернеу тура бағытта (анодтан катодқа) қолданылғанда, ток оңай ағуы мүмкін. Дегенмен, кері бағытта (катодтан анодқа) кернеу қолданылса, жоғары кедергі ток ағынына кедергі келтіреді.
Бұл диодтарды түзету (айнымалы токты тұрақты токқа түрлендіреді), тізбекті қорғау және сигналды ауыстыру сияқты қолданбаларда өте пайдалы етеді.
6. Жартылай өткізгіштердің электроникада қолданылуы
Сұрақ: Заманауи технологиядағы жартылай өткізгіштердің кейбір қолданылуын атаңыз және олардың функцияларын түсіндіріңіз.
Талқылау: Жартылай өткізгіштер қазіргі заманғы технологиялық қолданбалардың әртүрлі салаларында қолданылады, соның ішінде:
– Микропроцессорлар және жад: Интегралдық микросхемаларда (ИМС) транзисторларды пайдалану өте күрделі және тиімді микропроцессорлар мен жад микросхемаларын жасауға мүмкіндік береді.
– Сенсорлар: Жартылай өткізгіш сенсорлар жарық (фотодиодтар), температура (термисторлар) және қысым (пьезоэлектрлік сенсорлар) сияқты әртүрлі физикалық параметрлерді анықтай алады.
– Жарық шығаратын диод (ЖШД): Кейбір жартылай өткізгіштер электр тогы өткен кезде жарық шығара алады, олар дисплейлерде, шамдарда және индикаторларда қолданылады.
– Күн батареялары: Кремний сияқты жартылай өткізгіштер күн сәулесінің әсеріне ұшыраған кезде электр тогын тудырады, ол күн батареяларында электр энергиясын өндіру үшін қолданылады.
Жабу
Жартылай өткізгіштердің негізгі ұғымдарын және талқыланған әртүрлі мысал есептерін түсіну оқырмандарға жартылай өткізгіштердің тақырыбын және қазіргі заманғы технологиялардағы қолданылуын игеруге көмектеседі. Бұл мақала электроника әлеміндегі жартылай өткізгіштердің функциялары, жұмыс принциптері және маңыздылығы туралы терең түсінік береді деп күтілуде.
