Р-n o’tishli diod (tunnyel diod) effektini o’rganish

Р-N o’tishli diod (tunnyel diod) effektini o’rganish.
I sh n i n g m a k s a d i – Р-N o’tishli diod (tunnyel diod) effektini o’rganish tanishish, uning xususiyatlarini tekshirish, volt-amper tavsifini olish va uni tahlil qilish.
NAZARIY MA’LUMOTLAR
Tunnel diodi.
Biz yuqorida p-n o’tishni, yarim o’tkazgich diodlarni qaraganimizda aralashmalar konsentratsiyasi N_A , N_D < 10²⁴ m^-3 edi, ya’ni kirishmalar konsentratsiyasi kam bo’lgan yarim o’tkazgichlardan yasalgan diodlarni ko’rib chiqdik. Kirishmalar konsentrasiyasi N_A , N_D ≥ 10²⁴ m^-3 bo’lgan, ya’ni aynigan yarim o’tkazgichlardan hosil qilingan p-n o’tishni ko’rib chiqamiz. Bunday yarim o’tkazgichlarda Fermi energetik sathi donorli yarim o’tkazgichlarda o’tkazuvchanlik zonasida, aksiptorli yarim o’tkazgichda esa Fermi energetik sathida joylashgan bo’ladi. Tunnel diodida p-n o’tishning p- sohasi ham n-sohasi ham aynigan yarim o’tkazgichlardan yasalgan bo’ladi. Aynigan yarim o’tkazgichlarning energitik zonalarini qo’yidagi 3.3. rasimda keltirilgan.

3.3. Rasm.
Agar manashunday aynigan yarim o’tkazgichlardan biron bir usul bilan p-n-o’tish hosil qilingan bo’lsa, muvozanat holatda Fermi energetik sathi p-n o’tishning har ikkala tamonida ham bir xil energetik satihda joylashadi. Ya’ni p-n- o’tishning har ikkala tamonida ham Fermi energetik sathi bir xil qiymatga ega bo’ladi.

3.4. Rasm. P-n – o’tishning energetik diagrammasi. E_g – taqqiqlangan zona kengligi, U₀- to’liq kontakt potensiallar farqi, (- - - ) – Fermi energetik sathi.
Bunday yarim o’tkazgich Fermi sathi o’tkazuvchanlik zonalarining ichida yotadi. Bu energitik diagrommadan ko’rinadiki potensiali to’siq balandligi eU₀ > E_g taqiqlangan zona kengligidan katta. Ammo p-n o’tish kenglini qaraganimizda p va n sohasi aynigan holatda bo’lgan p-n o’tish kengligi –L juda kichik bo’lar edi. X=x_n+x_p=1÷15nm. Shuning uchun elektronlar faqat tepaga harakat qilib qolmasdan, potensial to’siq bo’ylab ham harakat qiladi. Mikrozarrachalarning (elektronlarning) to’liq energiyasi potensial to’siq balandligidan kichik bo’lsa ham, shu to’siq bo’ylab o’z energiyasini o’zgartirmasdan o’tib ketishiga Tunnel effekti deb ataladi.
Muvozanat holatda elektronlarning o’ngdan – chapga va chapdan - o’nga o’tish ehtimoliyati bir xil bo’ladi (3.5. a. arsm). Chunki elektronlar joylashgan va joylashmagan bir xil energetik sathlarni bilish ehtimoliatlari teng umumiy tokning qiymati esa nolga teng. Ikkala tomonga yo’nalgan elektronlar soni bir birlariga teng bo’lganligi uchun elektr toki hosil bo’maydi. Demak, issiqlik muvozanatida qarama- qarshi yo’nalishda bir xil Tunnel toklari oqib o’tadi.
Agar diodga to’g’ri yunalishda kuchlanish ko’ya boshlasak potensial to’siq balandligi eU₁ miqdorga kamayadi ungdan chapga tunnel effekti hisobiga oqib o’tayotgan elektronlarning soni oshadi binobari tunnel toki ham oshadi (3.5. c. rasm). Agar kuchlanishning kiymatini yana ham oshira boshlasak tunnel toki o’zining maksimum kiymatiga erishadi (3.5. d. rasm). Ya’ni bu holatta n- sohadagi elektronlar p- sohadagi vakant holarlarning hammasini to’ldiradi. Tunnel tokining bo’nday maksimal qiymatiga do’nglikdagi qiymati ham deb ataladi (3.6. a. rasm).

3.5. Rasm. Tunnel diodining energetik diagrommasi. a-issiqlik muvozanatida, b-teskari kuchlanish qo’yilganda, c, d, e-to’g’ri kuchlanish ko’yilganda.


3.6. Rasm. Tunnel diodining volt-amper xarakteristikasi. a- tunnel effekti hisobiga hosil bo’lgan tunnel toki, b- to’g’rilovchi tik, c- to’liq tok .
Tunnel toki o’zining maksimum qiymatiga erishadiki qachonki Fermi energetik sathi p- sohaning valent zonasining patalogi bilan mas kelsa (3.5. d. rasm). To’g’ri yunalaishda ko’yilgan kuchlanishni qiymatini yanada oshiraversak, potensial to’siq bo’ylab o’tayotgan elektronlar soni ham oshaveradi. Chunki potensial to’siq balandligi yana ham kamayaveradi. Ammo tunnel effekti hisobiga o’tayotgan elektronlar soni ya’ni tunnel toki kamayib boradi (3.6. a. rasm).. Bu elektrtonlar Tunnel effekti hisobiga o’tmaydi, chunki buning uchun zarur bo’lgan energitik sathlar mavjud emas. Natijada tunnel toki kamayib, uning qiymati nolga aylanadi. Bunda p- sohaning valent zona shifti n-sohadagi o’tkazuvchanlik zona tagi bilan mos keladi. (3.5. e. rasm). tunnel diodining to’liq toki tunnel va to’g’rilovchi toklarning algebraek yig’indisiga teng bo’ladi (3.6. c. rasm)
Teskari yo’nalishda kuchlanish qo’yilganda (3.5. b. rasm) potensial to’siq balandligi eU₁ ga ortadi. Binobarin ungdan chapga oqayotgan elektronlar soni ortadi, ya’ni teskari tokning qiymati ortadi. Bu esa tunnel diodining teskari toklarini to’g’rilashda ko’llanilish imkonini oshiradi.
Tunnel VAX idan ko’rinadiki manfiy differinsial rashilikka gega bo’lgan sosasi mavjut, bu esa uning qo’llanilish chegaralarini oshirishga olib keladi.
Tebranish konturi misolida tushuntiramiz. Agar tebranish konturida tebranishlarni hosil qilsak, sestema o’z-o’zidan ekspotensial ravishda so’nuvchi tebranadi, ampilatuda vaqt buyicha quyida qonuniyat asosida o’zgarib boradi;
exp(- )
R rezistor tebranishlar energiyasini yutadi, shuning uchun biroz qiziydi. Agar R ga parallel ravishda manfiy qarshilik ulansa, qiziq hodisa kuzatiladi. Manfiy qarshilik (-R₁) miqdor jihatidan R qarshilikka teng bo’ladi, umumiy qarshilik R-R₁=0 bo’ladi va eksponensial ko’paytuvchi nulga teng bo’lib qoladi. Demak, bunday konturda bir marta hosil bo’lgan ixtiyoriy tebranishlar so’nmay, mavjud bo’laveradi, chunki manfiy qarshilikli element R rezistor sochadigan issiqlik energiyasini kompensatsiyalaydi.
Manfiy qarshilikli rezistor zanjirning aktiv elementi hisoblanadi, bunda signal manbaidan tashqari biror quvvat manbai bo’lib hisoblanadi.
Agar manfiy qarshilikning absolyut qiymati yuqotilayotgan qarshilik R dan oshsa, dastlab quzg’atilgan signal mavjud bo’lib, vaqt o’tishi bilan oshib boradi. Bu signal ampulitudasi chekli bo’ladi, chunki Tunnel diodi kuchlanishning kichik sohasida (~0.2V) manfiy qarshilikli rezistor kabi ishlaydi. Manfiy qarshilikli zanjir elementi asosida avtogeneratorlar va kuchaytirgichkar yasash mumkin. Tunnel diodlarda kichik o’tish sohasi bo’lgani uchun , zaryad tashuvchilarning o’tish vaqti kichikroq bo’ladi. Natijada Tunnel diodlari o’ta yuqori chastotalarda (100GHz) ishlaydi. Tunnel diodlarida kichik ishchi kuchlanishlar bo’lgani uchun, o’ta kichik quvvatli asboblar yaratish mumkun. Tunnel diodi qo’llanilish sohalarida bir qator kamchiliklar ham mavjud u ham bo’lsa, uning kichik ishchi kuchlanishidadir shuning uchun ham ulardan kam quvvatli qurilmalar yasashda ko’llaniladi



I_m
I,A

I₂

U₁ U₂ U_m

I₁

-I,A

U,В

-U,В

p-n orkali okayotgan tok I unga berilgan kuchlanish U ga bogliklik p-n utish (yarim utkazgichli diod)ning volt-amper tavsifnomasi deyiladi va u 1-rasmda kursatilgan.

YArim utkazgich parametrlariga kuyidagidar kiradi:

1. 
   Differensial karshilik:
   

2. 
   Statik karshilik (uzgarmastokka karshilik):
   

Ushbu parametrlar diodning volt-amper tavsifnomasi grafigidan kuyidagicha aniklanadi: