«Kompyuterning fizik asoslari» fanidan yakuniy nazorat -variant

2. _{of yarim o’tkazgichga boshqa element atomlari kiritilishi yoki sof yarim o’tkazgich kristali ustirilayetganda shu elementni ortiqcha atomi yoki kam atomi hosil bo’lishi yoki mexaniq ta’sirlar natijasida darzlar yoki disloqatsiyalarni yuzaga kelishi aralashmali yarimo’tkazgichni yuzaga keltiradi. Aralashmalar sabab bo’lgan yarim o’tkazgichlar utkazuvchanligiga aralashmali utkazuvchanlik deyiladi.Aralashmali yarim o’tkazgichning Elektr utkazvchanligi keskin uzgaradi. Masalan: kremniyga 0.001 atom foiz fosfor kiritilsa, xona tempiraturasidagi karshiligi sof kremniynikidan 100.000 marta kam bo’ladi. Shunga uxshash agar, kremniyga 0,001 atom % bor kiritilsa uning utkazuvchanligi sof kremniynikiga nisbatan 1000 marta oshadi.Yarim o’tkazgichlarning aralashmali utkazuvchanligini ular atomlarining kovalent boglanishi va zonalar nazariyasi asosida qarab chikamiz.Sof yarim o’tkazgichga boshqa element atomlari kiritilib hosil kilingan aralashmali yarim o’tkazgichlarnigina urganamiz. Aytaylik 4 valentli Ge atomi 5 valentli As atomi bilan almashtirilgan bo’lsin. (Sof Ge kristaliga juda oz miqdorda As atomlari kiritilgan bo’lsin) (b-rasm).Bunda mishyak atomi (As) 4 ta kushni Ge} atomi bilan kovalent boglanishda ishtiroq etib 1 ta Elektroni kovalent bogda ishtiroq kila olmay, ortiqcha bo’lib koladi va kristall panjarani Issiqlik tebranishlarida juda oson ajraladi va kristall ichida xaotik harakatlanuvchi erkin Elektronga aylanadi. (a-rasm). Bunda atomlar orasidagi kovalent boglanish buzilmaydi, demak teshik hosil bo’lmaydi.

Aralashmali atom - _{As atomi yakinidagi hosil bo’lgan musbat zaryad mыshyak atomiga boglangan bo’ladi va panjara buylab kucha olmaydi..Endi bu jarayenni zonalar nazariyasi nuqtai nazaridan qarab chikamiz. Sof yarim o’tkazgichga kiritilgan begona atom panjara maydonini sezilarli uzgartiradi, ya’ni ta’kiklangan zonada mыshyakni valet Elektronlari D energetik satx paydo bo’ladi (a-rasm). U satxga aralashmali satx deyiladi. Bizning misolda aralashmali satx utkazuvchanlik zonasi tubidan E=0.015 eV pastda joylashadi. Aralashmali satx kengligi ta’kiklangan zona kengligidan juda (100 marta) kichik  YeD<< Ye ekanligidan odatdagi haroratlarda panjarani Issiqlik harakat energiyasi aralashmali satxdagi Elektronlarni osonlikcha utkazuvchanlik zonasida irgitadi. Хosil bo’lgan teshiklar tugunda joylashgan mыshyak atomi yakinida maxalliylashadi va utkazuvchanlikda ishtiroq kilmaydi.Shunday qilib 4 valentli atomdan tashqil topgan kristalga 5 valentli atom kiritilib hosil kilingan aralashmali yarim o’tkazgichda toq tashuvchilar Elektronlar bo’lib, unga Elektronli aralashmali utkazuvchanlik yoki n - tip utkazuvchanlik deyiladi. Elektronlar manbai bo’lgan aralashma (bizni misolda As) ga donor deyiladi. Aralashma hosil kilgan energetik satxga donor satx deyiladi. Elektronli utkazuvchanlikka ega aralashmali yarim o’tkazgichga Elektronli yoki n - tip yarim o’tkazgich deyiladi.Endi 4 valentli Ge atomi 3 valentli V (bor) atomi bilan almashtirilgan holni ko’rib chikamiz. (Sof Ge kristaliga juda oz miqdorda V atomlari kiritilgan bo’lsin) (5-rasm).Bor atomi yakinidagi 4 ta kushni Ge atomi bilan kavolent boglanishi uchun bitta Elektroni yetishmaydi, Bir bog bush koladi va asosiy element atomini bir Elektronini tortib oladi. Bu Elektronni urnida teshik teshik hosil bo’ladi. Bu teshik urnini boshqa Elektron egallashi mumkin.5 – rasm.}

Yarim o’tkazgichdagi Elektronni harakati kristall buylab, teshikni harakatiga teng kuchli (ekvivalent) bo’ladi. Demak, bunda teshik maxalliylashmaydi, balki germaniy panjarasi buylab erkin musbat zaryadli zar-rachalar kabi kuchib yuradi. Bor atomi (aralashma atomi) yakinida paydo bo’lgan manfiy zaryad aralashma (bor) atomi bilan boglangan bo’ladi. U panjaradan kucha olmaydi, demak, toq tashishda ishtiroq kilmaydi.Endi bu jarayenni zonalar nazariyasi nuqtai nazaridan qarab chikamiz. Germaniy panjarasiga 3 valentli aralashma kiritilganda ta’kiklangan zonada Elektronlar bilan egallangan <sub>A - aralashmali energetik satx hosil bo’ladi b-rasm. Germaniyga bor kiritilgan holda bu satx valent zona ustida, aniqrogi valent zonaning ustki chegarasidan taxminan 0.1 eV yuqorida joylashadi.Bu A aralashmali satx valent zonaga juda yakin joylashganidan kristalni nisbatan past haroratlarida xam valent zonadagi Elektronlar aralashmali satxga oson utadilar va bor atomi bilan boglanib germaniyni panjarasi buylab kuchishda ishtiroq kilmaydilar, toq tashishda xam ishtiroq kilmaydilar. Demak, toq tashishda valent zonada hosil bo’lgan teshiklargina ishtiroq qiladilar.Shunday qilib 4 valentli atomdan tashqil topgan kristalga 3 valentli atom kiritilib hosil kilingan aralashmali yarim o’tkazgichda toq tashuvchilar teshiklar bo’lib, unga teshikli aralashmali utkazuvchanlik yoki r - tip utkazuvchanlik deyiladi. Bunday utkazuvchanlikka ega yarim o’tkazgichga teshikli yoki r - tip yarim o’tkazgich deyiladi. Yarim o’tkazgichni Valent zonasidan Elektronlar tortib oluvchi aralashmaga akseptorlar, ularni energetik satxiga akseptor satxlar deyiladi. (A)Shunday qilib, xususiy yarim o’tkazgichlarda Elektr toqini Elektron va teshiklar tashisalar, aralashmali yarim o’tkazgichlarda Elektronlar (n - tip yarim o’tkazgichlarda) yoki teshiklar (r - tip yarim o’tkazgichlarda) tashiydilar. Bu toq tashuvchilar asosiy toq tashuvchilar deyiladi. Aralashmali yarim o’tkazgichlarda asosiy toq tashuvchilardan tashkari asosiy bo’lmagan toq tashuvchilar xam bo’ladi.
3.
Hozirgi vaqtda bipolyar tranzistorlar (BPT) va ularning yangi turi izolyatsiyalangan maydon effektli tranzistorlar (MOSFET) 50 A gacha bo'lgan toklarni va 500 V gacha kuchlanishni almashtirish sohasida asosiy to'liq boshqariladigan quvvat elektronikasi qurilmalaridir. Yuqori darajadagi tok va kuchlanish darajalari bir necha kilovoltgacha bo'lgan yuqori voltli quvvat moslamalarining joyini izolyatsiya qilingan eshikli bipolyar tranzistorlar (IGBT) egallagan.1980-yillarda paydo bo'lgan MOSFET-lar ideal kalitga o'xshash xususiyatlarga ega edi va eng mashhur asosiy elementlar edi. Biroq, ularning qo'llanilish doirasini cheklaydigan asosiy parametr drenajdagi ruxsat etilgan kuchlanish ekanligi ma'lum bo'ldi. Ochiq tranzistorning kanal qarshiligi buzilish voltajining kvadratiga mutanosib ravishda o'sib borganligi sababli, etarli darajada yaxshi xususiyatlarga ega yuqori voltli MOSFET tranzistorlarini yaratish hali ham mumkin emas. Bu ularni yuqori samaradorlikka ega qurilmalarda ishlatishni qiyinlashtiradi.80-yillarning o'rtalarida maydon tomonidan boshqariladigan bipolyar tranzistorni yaratish g'oyasi paydo bo'ldi va 90-yillarning o'rtalarida IGBT tranzistorlari bir qator kompaniyalar kataloglarida paydo bo'ldi (ular orasida birinchilardan biri Xalqaro rektifikator) . Hozirgi vaqtda ushbu tranzistorlar yarimo'tkazgichli qurilmalarning barcha etakchi ishlab chiqaruvchilarining kataloglarida joylashgan.KVt quvvatli yuqori voltli quvvat konvertorlari maydonidan tashqari, IGBT tranzistorlari maishiy texnika vositalarida keng tezlikni boshqarish diapazoniga ega bo'lgan nisbatan kam quvvatli drayverlarni boshqarish uchun ishlatiladi. Shunday qilib, IGBTlar kir yuvish mashinalarida va inverterli konditsionerlarda qo'llanilishini topdi. Ular, shuningdek, avtomashinalarni elektron yoqish uchun yuqori voltli kalit sifatida muvaffaqiyatli ishlatilmoqda. Ushbu zamonaviy kommutatsion tranzistorlar telekommunikatsiya va server tizimlarida quvvat manbalarini almashtirishda keng qo'llaniladi.IGBT - bu induktsiya qilingan kanal bilan nisbatan past kuchlanishli MOSFETdan boshqariladigan bipolyar pnp tranzistor (1a-rasm).
1. IGBT tranzistorining ekvivalent davrlari IGBT moslamalari - bu ikkala bipolyar (past darajadagi voltajning pasayishi, yuqori kuchlanish kuchlanishlari) va MOSFETlarning (past boshqaruv quvvati, yuqori o'tish tezligi) ijobiy fazilatlarini birlashtirishga imkon beruvchi murosali texnik echim. Shu bilan birga, ularning yo'qotishlari maydon effektli tranzistorlar singari oqim kvadratiga emas, balki oqimga mutanosib ravishda o'sadi. IGBT tranzistorlarining maksimal kuchlanishi faqat texnologik buzilish bilan cheklanadi va bugungi kunda ish kuchlanishi 4000 V gacha bo'lgan qurilmalar ishlab chiqarilmoqda, tranzistorda qoldiq kuchlanish yoqilgan holatda 2 ... 3 V dan oshmaydi Tezlik jihatidan IGBT quvvatli qurilmalar hali ham MOSFET tranzistorlaridan kam, ammo ular bipolyarlardan ustundir.Asosiy IGBT katakchasining tuzilishi shakl. 2a. U drenaj maydonida qo'shimcha p + qatlamini o'z ichiga oladi , buning natijasida juda katta maydonga ega bo'lgan pnp bipolyar tranzistor hosil bo'ladi, bu muhim oqimlarni almashtirishga qodir. Tuzilishning yopiq holatida epitaksial n - qatlamning tükenme hududiga tashqi kuchlanish qo'llaniladi . Izolyatsiya qilingan eshikka ijobiy tanqislik qo'llanilganda , p-mintaqasida o'tkazuvchi kanal paydo bo'ladi (rasmda u nuqta chiziq bilan ko'rsatilgan) va mos keladigan MOS tranzistor yoqilgan bo'lib, bipolyar pnp tranzistor ochilishini ta'minlaydi. Hujayraning tashqi pinlari orasida? oqim kollektor va emitent orqali oqishni boshlaydi. Bunday holda, MIS tranzistorining drenaj oqimi ( B) da kuchaytirilgan bo'lib chiqadi+1) marta. Bipolyar tranzistorlar ochilganda haqida, qarama-qarshi tashuvchilar (elektronlar va teshik) GO oqadi N - mintaqaning bu mintaqaning qarshilik kamayishiga va qurilmada qoldiq kuchlanish qo'shimcha kamayishi sabab bo'ladi.
Shakl.2. IGBT tranzistorlarining birlik hujayralarining tuzilmalariOchiq qurilmadagi kuchlanish pnp tranzistorining (diod komponenti) oldinga yo'naltirilgan emitent birikmasidagi kuchlanish yig'indisi va modulyatsiya qilingan n - mintaqaning (ohmik komponent) qarshiligidagi kuchlanish pasayishi :
bu erda R MDS - IGBT strukturasidagi MOSFET tranzistorining qarshiligi (epitaksial n - qatlamning qarshiligi ); b - bipolyar pnp tranzistorining tayanch oqimining uzatish koeffitsienti.Hozirgi vaqtda IGBT tranzistorlaridagi kuchlanish pasayishini ochiq holatda kamaytirish, ruxsat etilgan oqimlar, kuchlanish va xavfsiz ishlash sohalarini kengaytirish uchun ular vertikal eshik texnologiyasi - xandaq-shlyuz texnologiyasi yordamida ishlab chiqarilmoqda (2-rasm). 2b). Bunda birlik katakchasining kattaligi 2 ... 5 marta kamayadi.Qoida tariqasida, IGBT tuzilishi ishlab chiqilgan ishlaydigan oqimlar oralig'ida qurilmadagi qoldiq kuchlanish haroratga zaif bog'liq 3. Ochiq qurilmadagi kuchlanish pasayishining yuqori voltli MOSFET tranzistorli IRF840 va IGBT tranzistorlari uchun 10 A oqimdagi haroratga bog'liqligi.IGBT qurilmasining kuchaytiruvchi xususiyatlari S moyilligi bilan tavsiflanadi, bu IGBT strukturasidagi MIS va bipolyar tranzistorlarning kuchaytiruvchi xususiyatlari bilan belgilanadi. Shunga ko'ra, IGBTlar uchun nishab qiymati bipolyar va MOS tranzistorlariga nisbatan yuqori. IGBT strukturasining dinamik xarakteristikalari ichki parazitik sig'imlari bilan aniqlanadi, ular MIS tranzistorining interelektrodlar sig'imlari va pnp tranzistorining qo'shimcha quvvatlaridan iborat.IGBT o'chirilganida yig'ilgan zaryadning tarqalish vaqti va oqimning pasayishi odatiy qiymatlari mos ravishda 0,2 ... 0,4 va 0,2 ... 1,5 ms oralig'ida. Zamonaviy IGBT tranzistorlarining xavfsiz ishlash maydoni 10 dan 20 kHz gacha chastotalarda kommutatsiya yo'lini shakllantirish uchun qo'shimcha sxemalarni ishlatmasdan ularning ishonchli ishlashini muvaffaqiyatli ta'minlashga imkon beradi.IGBT tranzistorlarining odatiy xususiyatlari shakl. 4-6. IGBT tranzistorining chiqish volt-amper xususiyatlarining oilas i5. Kollektor-emitent to'yinganlik kuchlanishining eshik-emitent kuchlanishiga bog'liqligi 6. IGBT tranzistorlarining dinamik xususiyatlari (induktiv yuklangan yarim ko'prikli elektron uchun): t d (yoqilgan) va t d (o'chirilgan) - kechikish vaqtlarini almashtirish; t r - kollektor oqimining ko'tarilish vaqti; t f - kollektorning hozirgi parchalanish vaqti Umuman olganda, IGBT tranzistorlarining ishdan chiqishi xavfsiz ishlash zonasi chegaralarining buzilishi bilan bog'liq. Favqulodda vaziyatlarning asosiy qismi ruxsat etilgan maksimal kollektor-emitent kuchlanishidan oshib ketishi bilan bog'liq. Induktiv yuklash va kollektor ta'minotidagi kuchlanishning vaqtinchalik o'tishlari IGBT qurilmalarini ham yo'q qilishi mumkin. Hozirgi vaqtda IGBT tranzistorlarini sotib olishda muammo yo'q. Dalincom Internet-do'koni zamonaviy IGBT tranzistorlarining katta tanlovini arzon narxlarda taqdim etadi. Ba'zi ishlab chiqaruvchilarning IGBT tranzistorlarining yoqimsiz xususiyati - bu "qulflash" effekti, bu IGBT strukturasining bipolyar qismi va parazit npn tranzistorida hosil bo'lgan tirgak zi mavjudligi bilan bog'liq (1b-rasm). Ba'zi bir ish sharoitida, parazitik qarshilik R s ustidagi kuchlanish ma'lum bir chegara qiymatidan oshib ketganda, npn tranzistor ochiladi, flip-flop ag'darilib, qulflash sodir bo'ladi. Buning natijasi, qoida tariqasida, qurilmaning ko'chkiga o'xshash ishdan chiqishi. Bunday holat yuzaga kelishi mumkin bo'lgan IGBT tranzistorlaridan foymaydonngan holda elektron sxemalarni loyihalashda maksimal oqimlarni cheklash va dV / dt ni cheklashga alohida e'tibor qaratish lozim. Favqulodda holatdagi qisqa tutashuv tokini cheklash uchun eshik va emitent o'rtasida himoya zini kiritish tavsiya etiladi, bu esa kollektor oqimining keskin oshishi bilan eshik-emitent kuchlanishining oshishiga yo'l qo'ymaydi. Eng yaxshi variant - ketma-ket ulangan Schottky diodasi va + 15 ... + 16 V kuchlanishgacha zaryadlangan kondensatorning eshik-emitrli ziga parallel ravishda ulanish. 15 ... 16 V zenerdan foymaydonnishga ruxsat beriladi himoya elementi sifatida diyot. IGBT tranzistorlarini kollektor-emitr zidagi haddan tashqari kuchlanishni almashtirishdan himoya qilish uchun to'g'ridan-to'g'ri quvvat terminallariga o'rnatilgan snubber RC va RCD zlaridan foymaydonning [1]. IGBT-larning eshigi juda yupqa dielektrik qatlami bilan kanaldan elektr izolyatsiyalangan va noto'g'ri ishlatilsa osonlikcha shikastlanishi mumkin. IGBT-tranzistorni normal ravishda yoqish va bu holatdagi minimal yo'qotishlarni ta'minlash bilan to'yinganlik holatiga o'tkazish uchun qurilmaning kirish quvvatini (1000 ... 5000 pF) +15 V ± 10 gacha zaryad qilish kerak. %. Qurilmani yopiq holatga nol kuchlanish va manfiy - -20 V dan yuqori bo'lmagan (odatda –5… ​​-6 V gacha) etkazib berish orqali o'tkazish mumkin. Eshik-emitrning ruxsat etilgan maksimal kuchlanishi +20 V dan oshmasligi kerak. Ushbu kuchlanishdan oshib ketish eshikning izolyatsiyasini buzishi va qurilmaga zarar etkazishi mumkin. IGBT-tranzistorni "to'xtatib qo'yilgan" eshik bilan ham ishlatish tavsiya etilmaydi, aks holda qurilma yolg'on yoqilishi mumkin. Dinamik yo'qotishlarni kamaytirish va kommutatsiya chastotasini ko'paytirish uchun qurilmaning qisqa tutashuv vaqtini ta'minlash kerak. IGBT tranzistorlariga asoslangan ko'pgina kalitlarning o'tish vaqti 100 ... 1000 ns oralig'ida yotadi, bu esa 5 A gacha va undan yuqori oqim tepaliklaridan foymaydonngan holda qisqa vaqt davomida kirish quvvatini zaryadlashni talab qiladi. Bundan tashqari, qurilmaning emitentiga juda uzoq tutashgan qo'rg'oshin induktivligidan kelib chiqadigan salbiy teskari aloqani kamaytirish kerak.Tekshirish pallasida shovqinlarni oldini olish uchun boshqaruv pallasi va quvvat maydon effekti tranzistorlari orasidagi bog'lovchi simlarning uzunligi minimal bo'lishi kerak. Ulanish uchun minimal uzunlikdagi o'ralgan juftlikdan foymaydonnish yoki boshqaruv platasining tranzistorning boshqarish terminallariga to'g'ridan-to'g'ri o'rnatilishi maqsadga muvofiqdir. Agar uzoq eshik o'tkazgichlaridan qochib qutulishning iloji bo'lmasa, ehtiyotkorlik uchun past qarshilik qarshiligini eshik bilan ketma-ket ulash lozim. Odatda bu rezistorning qarshiligi 100 ... 200 Ohm oralig'ida bo'lishi etarli.Shuni ta'kidlash kerakki, IGBT tranzistorlari elektrostatik nosozlikka nisbatan sezgir emas, masalan, CMOS qurilmalari, chunki IGBT tranzistorlarining quvvat sig'imi ancha kattaroq va zaryadsizlanishni qaytarib bo'lmaydigan buzilishga olib kelguncha ko'p energiya to'plashi mumkin. panjur. Shu bilan birga, ushbu qurilmalarni tashish va saqlash vaqtida eshik va emitent terminali o'tkazgichli o'tish moslamalari bilan qisqa tutashgan bo'lishi kerak, bu tranzistorni elektronga ulanmaguncha olib tashlanmasligi kerak. IGBT tranzistorlari bilan montaj ishlarini faqat antistatik bilaguzuk bilan bajarish kerak. Modul aloqa qilishi mumkin bo'lgan barcha vositalar va aksessuarlar topraklanmış bo'lishi kerak. Darvozani to'g'ridan-to'g'ri sxemada statik buzilishdan himoya qilish uchun 10 ... 20 kOhm qarshilikni eshik-emitr davriga parallel ravishda ulas</sub>