Lazer fizikasi

II BOB. LAZERLAR VA TRANZISTORLAR

2.1 Biqutbiy tranzistorlardagi asosiy fizikaviy jarayonlar.

Biqutbiy tranzistor har tur elektr o’tkazuvchanlikli monokristall yarim o’tkazgichlarda hosil qilingan uchta sohalar: emitter, baza va kollektorlardan iborat bo’ladi (2.1.1- rasm).

2.1.1-rasm. tur tranzistorning sxematik tasviri: -emitter, -baza, -kollektor, -bazaning qalinligi, -emitterli o’tish, -kollektorli o’tish.
Emitter-baza chegarasidagi o’tish emitterli, baza-kollektor chegarasidagi esa kollektorli o’tish deb ataladi. Soha yarimo’tkazgich elektr o’tkazuvchanliklarining turiga nisbatan tranzistorlar va kabi tranzistorlarga tabaqalanadi. Har ikkala tur tranzistorlar, kuchlanish qo’yilishi va toklarning yo’nalishlariga nisbatan, tranzistorlarning qutblanishiga nisbatan farq qiluvchi hollari 2.1.2-rasmda ko’rsatilgan. Texnologik tayyorlanishlariga ko’ra tranzistorlar quyma, planar, shuningdek diffuziyaviy-quyma, mezaplanar va epitaksial-planar turlarga ajratiladi (2.1.2-rasm).
Konstruksiyasiga nisbatan biqutbiy tranzistorlar metall, plastmassa yoki keramikadan tayyorlangan korpusli qilib tayyorlanadi (2.1.3-rasm). Tranzistorning o’tishlari to’g’ri yoki teskari yo’nalishli bo’lishi mumkin. Bunga nisbatan tranzistor uch xil ishlashi mumkin. Xususan:
1. Uzilgan rejim. Bunda har ikkala o’tish berk bo’ladi, ya’ni teskari ulangan bo’ladi va bunday holda tranzistordan odatda juda kichik miqdorli tok o’tadi.
2. To’yingan rejim. Bunda har ikkala o’tish ochiq, ya’ni to’g’ri ulangan bo’ladi.
3. Faol rejim. Bu rejimda bitta o’tish ochiq (to’g’ri ulangan) ikkinchisi esa berk (teskari ulangan) bo’ladi.

2.1.2-rasm. Tranzistorlarning shartli belgilanishlari: a) tur tranzistor, b) tur tranzistor.

2.1.3-rasm. Tranzistorlarning tayyorlanish texnologiyasiga ko’ra har xil ko’rinishlari.
Uzilgan va to’yingan rejimda ishlayotgan tranzistorni boshqarish qiyinlashadi, faol rejimda ishlayotgan tranzistorni effektiv nazorat qilish mumkin va oxirgi holda tranzistor elektr sxemasining faol elementi vazifasini bajarishi mumkin.
Tranzistorning o’tishlar orasidagi sohasi baza deb yuritiladi. Tranzistor baza sohasining har ikki qo’shni sohalari fizikaviy xossalariga nisbatan bir xil tayyorlanmaydi, chunki biri bazaga tok tashuvchilarning effektiv injeksiyasini, ikkinchisi esa injeksiyalangan tok tashuvchilarning bazadan effektiv ekstraksiyasini ta’minlashi talab etiladi.
Tranzistor bazasiga tok tashuvchilarning injeksiyasini ta’minlovchi sohasi emitter va unga mos keluvchi o’tish emitterli o’tish deb nomlanadi.


2.1.4-rasm. Biqutbiy tranzistorning konstruktiv ko’rinishi.
Tok tashuvchilarning baza-kollektor sohasidan ekstraksiyasini ta’minlovchi o’tish kollektorli o’tish deb ataladi. Agar emitterli o’tishga kuchlanish to’g’ri, kollektorli o’tishda teskari qo’yilgan bo’lsa, u holda tranzistor norma ulangan hisoblanadi, aksincha esa inversli ulanish hisoblanadi.
Tok tashuvchilarning bazadagi harakati tabiatiga, ya’ni diffuziyaviy va dreyfli harakatiga qarab diffuziyaviy va dreyfli biqutbiy tranzistorlar bo’ladi.
Tranzistorning asosiy xarakteristikasi birinchi navbatda uning bazasida ketayotgan jarayonlarning fizikaviy tabiati bilan tavsiflanadi. Xususan bazadagi kirishmalarning tabiatiga qarab, masalan, konsentratsiyasiga qarab, unda elektr maydon bo’lishi ham, bo’lmasligi ham mumkin. Agar tranzistordan tok o’tmaganida uning bazasida elektr maydon mavjud bo’lsa, u holda tranzistor dreyfli, agar bazada elektr maydoni bo’lsa, u holda dreyfsiz (diffuziyaviy) deb nomlanadi. Biqutbiy tranzistor ishchi rejimda ishlayotganida: injeksiya, diffuziya, rekombinatsiya va ekstraksiya (fizikaviy) jarayonlari kechadi.
Tranzistor bazasi uzun bo’lmagan emitter-baza o’tishini qaraylik. Bu holda o’tishning to’g’ri ulanishi (siljishi)da emitterdan bazaga asosiy bo’lmagan tok tashuvchilar injeksiyalanadi. Xususan, injeksiyalangan kavaklarning konsentratsiyasi baza bo’ylab quyidagi qonuniyatga ko’ra taqsimlanadi (2.1.5-rasm):

Baza orqali injeksiyalangan tok tashuvchilarning oqimi diffuziyaviy bo’ladi. Bunday holda nomuvozanatdagi tok tashuvchilar diffuziya(viy) uzunligi kattaligi bilan tavsiflanadi. Shuning uchun injeksiyalangan tok tashuvchilarning kollektorli o’tishgacha yetib borishini ta’minlash maqsadida bazaning uzunligi tok tashuvchilar diffuziya uzunligi( )dan kichik etib, ya’ni shartni qanoatlantiradigan qilib tanlanadi. Bu shart tranzistorda tokka nisbatan boshqarish effektining sodir bo’lishini ta’minlash sharti hisoblanadi.

2.1.5-rasm. Injeksiyalangan kavaklarning bazadagi taqsimoti.
Diffuziya jarayonida tranzistor bazasi orqali injeksiyalangan asosiy bo’lmagan tok tashuvchilar bazadagi asosiy tok tashuvchilar bilan rekombinatsiyalanadi. Shunday qilib, bazadagi tok bu rekombinatsiya tokidir.
Baza orqali rekombinatsiyasiz diffuziyalangan tok tashuvchilar teskari ulangan kollektorli o’tish elektr maydon ta’siriga uchrab bazadan kollektorga ekstratsiyalanadi. Shunday qilib, biqutbiy tranzistorda to’rt xil tabiatli fizikaviy jarayonlar kechadi:

• 
  tok tashuvchilarning emitterdan bazaga injeksiyasi;
  
• 
  tok tashuvchilarning baza orqali diffuziyasi;
  
• 
  tok tashuvchilarning bazada rekombinatsiyasi;
  
• 
  tok tashuvchilarning bazadan kollektorga ekstratsiyasi.
  

Bu tur tok tashuvchilar uchun bu jarayonning kechishi sxematik tarzda 2.1.6-a,b-rasmlarda tasvirlangan.
2.1.6a-rasmda umumiy bazali sxemada ishlayotgan biqutbiy tranzistorning muvozanat holatdagi zonaviy diagrammasi ko’rsatilgan. Bu diagrammada va belgilar orqali asosiy va asosiy bo’lmagan tok tashuvchilar ko’rsatilgan. Umumiy bazali sxemada biqutbiy tranzistor uchun aktiv rejim (emitterli o’tishda to’g’ri, kollektorli o’tishda teskari ulanish) asosiy hisoblanadi. Shuning uchun kelgusida tranzistorning faol rejimda ishlashini qaraymiz, ya’ni biqutbiy tranzistor uchun shartlar o’rinli bo’ladi.
tur biqutbiy tranzistorning faol rejimda ishlashida emitterli o’tish to’g’ri yo’nalishda ulanadi va u orqali bazaga kavaklar, asosiy bo’lmagan tok tashuvchilar sifatida injeksiyalanadi. Bu holda baza uzunligi yetarlicha kichik miqdorli bo’lishi kerak, ya’ni bu yerda - asosiy bo’lmagan tok tashuvchilarning diffuziyaviy uzunligi), chunki bazaga injeksiyalangan asosiy bo’lmagan tok tashuvchilar baza orqali o’tish vaqti ichida rekombinitsiyalanishga ulgurmasliklari zarur. Bu holda teskari yo’nalishda ulangan kollektorli o’tish baza qatlami bo’ylab injeksiyalangan tok tashuvchilarni “to’playdi”.

2.1.6-rasm. Biqutbiy tranzistorning zonaviy diagrammasi: a) muvozanat holati; b) faol rejim holati.
Emitterli va kollektorli o’tishlardagi toklarning tashkil etuvchilarini qaraylik (2.17-rasm). Ixtiyoriy o’tish uchun natijaviy tok elektronli va kavakli toklar, ya’ni komponentalarning yig’indisi orqali aniqlanadi va ularning har biri dreyfli va diffuziyaviy tashkil etuvchilardan iborat bo’ladi, ya’ni

Emitterli o’tishga to’g’ri kuchlanish qo’yilgan biqutbiy tranzistorda kavaklarning emitterdan bazaga injeksiyasi ( toki) va elektronlarning bazadan emitterga ( toki) injeksiyalanadi. Emitter bazaga nisbatan kuchli legirlangan bo’lsa, u holda injeksiyalangan kavaklarning toki elektronlarning tokidan miqdoran katta bo’ladi. Bazaga injektirlangan kavaklar diffuziya natijasida kollektorli o’tish tomon harakatlanadi, agar bazaning kengligi kovaklarning diffuzion uzunligidan katta bo’lsa, u holda deyarli barcha kavaklar kollektorgacha yetib boradi va tranzistor kollektorli o’tishdagi elektr maydon kollektorning -sohasiga o’z ta’sirini ko’rsatadi. Buning natijasida kollektorli tok emitterdan injeksiyalangan kavaklar tokidan kichik bo’ladi.
Faol rejimda ishlayotgan biqutbiy tranzistor uchun

- emitter zanjiridagi tok, - kollektor zanjiridagi tok, -baza chiqishadagi tok.
Faol rejimda emitterga to’g’ri kuchlanish qo’yiladi va strukturadan emitter toki oqadi va u ikkita komponentadan iborat bo’ladi, ya’ni

bu yerda - emitterdan bazaga injeksiyalangan kavaklar toki, - bazadan emitterga injeksiyalangan elektr toki. Tokning kavakli komponentasining “foydali” tashkil etuvchisi kabi aniqlanadi, bu yerda - emitterning effektivligi. Kollektorgacha rekombinatsiyasiz yetib borgan kavaklarning emitterdagi oqimi kattalikka teng bo’ladi.
Tranzistorning baza toki uchta tashkil etuvchidan iborat bo’lib, u emitterli o’tishdagi elektronli tok, bazadagi rekombinatsiyaviy tok va kollektorning issiqlik toklarini o’z ichiga oladi.
Kollektorning issiqlik toklari ikki tashkil etuvchidan iborat bo’ladi:

bu yerda -issiqlik toki, - generatsiya toki.
2.1.7-rasmda keltirilgan sxema faol rejimda, umumiy sxemada ishlayotgan biqutbiy tranzistordan oqayotgan tok komponentalarini tasvirlaydi. Moll-Ebers munosabatlari universal-umumlashgan tabiatli munosabatlar bo’lib, ular biqutbiy ixtiyoriy rejimda ishlayotgan tranzistorlarning xarakteristikalarini ifodalaydi. Bu holni tavsiflash maqsadida biqutbiy tranzistorni 4.8-rasmda tavsirlangan ekvivalent sxema ko’rinishida tasvirlaymiz.
Normal ulanishda o’tishning emitteri orqali tok oqadi, kollektor o’tishi orqali esa tok oqadi va u miqdoran tokdan kichik bo’ladi va bu hol bazada injeksiyalangan tok tashuvchilarning rekombinatsiyasi bilan tushuntiriladi. 2.8-rasmda bu jarayon tasvirlangan. tok generatori tarzida tasvirlangan, bu yerda -emitterning tokni uzatish koeffitsienti. Invers ulanishda tranzistorning to’g’ri ulangan kollektorining toki miqdoran emitter tokiga mos tushadi, bu yerda - inversiya koeffitsienti.
Shunday qilib, emitter va kollektorning toklari umuman olganda, ekstragirlangan ( yoki ) toklarning yig’indisidan iboratdir, ya’ni
(4)
o’tishlar uchun va kattaliklar quyidagicha ifodalanadi:
(5)
Emitter toki yo’q deb hisoblansin va kollektorli o’tishga katta miqdorli to’suvchi kuchlanish qo’yilsin. Bunday holda kollektor zanjirida oqayotgan tokni kollektorning issiqlik toki deb hisoblaymiz. e’tiborga olinsa, u holda (4) (5) ifodadan kelib chiqadi, chunki
deb hisoblansa, u holda
(6)
Katta miqdorli manfiy kuchlanish qo’yilgan emitterdan o’tayotgan tokni -emitterning issiqlik toki deb belgilasak:
(7)


2.1.7-rasm. Umumiy bazali sxemada ishlaydigan biqutbiy tranzistorda tokning tashkil etuvchilarini tavsiflovchi sxema.

2.1.8-rasm. Biqutbiy tranzistorlarning barcha tur ish rejimlarining ekvivalent sxemasi.
bu yerda va - o’tishlarning issiqlikli (teskari) toklari. Ta’kidlaymizki, bu va toklar biqutbiy tranzistor emitterining va kollektorining teskari toklaridan farq qiladi. Emitter va kollektor toki miqdoran diodning ularga mos keluvchi issiqlik toklaridan kichik bo’ladi. (4) ifoda (5) munosabatda e’tiborga olinsa, u holda
(8)
bu yerda emitter va kollektor toklarining farqi bilan aniqlanuvchi baza toki.
(7) ifoda Moll-Ebers munosabati deb yuritiladi va u tok va kuchlanishlarning ixtiyoriy ishoralarida biqutbiy tranzistorning statik xarakteristikasining tahlillarida foydalidir.
Kollektorning issiqlik tokini hisoblashda kavaklar, xuddi asosiy bo’lmagan tok tashuvchilar kabi bazadan kollektor tomon oqadi: Bunday holda kavaklarning bazadan emitterga oqimi muvozanatlashmagan bo’ladi va ular emitterdan bazaga ko’proq oqadi. Bu ortiqcha musbat zaryadlarning bazada to’planishiga imkon yaratadi va potensial to’siqning ortishiga sabab bo’ladi va nihoyat, kavaklar toki bilan kompensatsiyalanishi mumkin.
Shunday qilib, ta’kidlash joizki, kollektorning issiqlik tokini o’lchashda bazaga nisbatan emitter manfiy zaryadlangan deb hisoblanadi. Biqutbiy tranzistorning emitterli o’tishiga to’g’ri, kollektor o’tishiga teskari kuchlanish tushga holni qaraylik. biqutbiy tranzistor uchun bu holda shart qanoatlantiriladi. VAXni hisoblash uchun kirish parametrlari sifatida chiqish parametrlari sifatida esa kattaliklar tanlanadi. (8) ifodadagi munoabatda e’tiborga olinsa, u holda

Demak,
(9)
(9) munosabat parametrli kollektorning xarakteristikalari-tavsifiy munosabatalarining oilasi aniqlanadi.
parametrli emitterning xarakteristikalari-tavsifiy munosabatalarining oilasi (9) ifoda yordamida aniqlanadi. Bu holda e’tiborga olsak, u holda


(10)
(9) va (10) ifodalar 2.1.9-rasmda tasvirlangan tranzistorning xarakteristikasini beradi. Natijada shartda (8) va (10) ifodalar quyidagi ko’rinishga keladi:
(11)
Biqutbiy tranzistorning parametrlarini xarakterlovchi asosiy kattaliklaridan emitter tokini uzatish koeffitsienti, emitter o’tishining qarshiligi va kollektor o’tishining qarshiligi , shuningdek emitter-kollektor teskari bog’lanishi koeffitsienti hisoblanadi.

2.1.9-rasm. Faol rejimda ishlaydigan biqutbiy tranzistorning volt-amper xarakteristikalari: kollektorga tegishli egriliklarning turkumi.
Emitter tokini uzatish differensial koeffitsienti kollektor orqali o’tayotgan o’zgarmas miqdorli bo’lgan holda kollektorga tushgan kuchlanish orttirmasining emitterga tushgan kuchlanish orttirmasiga nisbati bilan aniqlanadi, ya’ni

Emitterli o’tish uchun qarshiligi quyidagicha aniqlanadi:

Kollektorli o’tish uchun qarshiligi esa

teskari bog’lanishli koeffitsienti emitter orqali o’tayotgan o’zgarmas miqdorli bo’lgan holda emitterga tushgan kuchlanish orttirmasining kollektorga tushgan kuchlanish orttirmasiga nisbati bilan aniqlanadi, ya’ni

uzatish koeffitsienti uchun ifoda

bu yerda – injeksiya koeffitsienti yoki emitternng effektivligi, – o’tish koeffitsienti.
Shunday qilib, –kavakli tok foydali qiymatining emitter to’la tokiga nisbatan aniqlanuvchi parametr, -to’la tokning foydali tashkil etuvchisi, –emitter tokining kollektorli o’tishgacha rekombinatsiyasiz yetib borgan kavaklar toki hosil qilgan ulushini anglatuvchi koeffitsient.
Tashish koeffitsienti uchun ifodani batafsilroq tahlil qilaylik, buning uchun diagrammada ko’rsatilgan emitter toki komponentalarini qayd qilamiz (2.10-rasm).
injeksiya koeffitsientini tahlil qilish maqsadida toklarning orttirmalarini ularning qiymatlari bilan almashtiramiz. emitter tokini oqim tokining elektronli va kavakli komponentalarining yig’indisidan iborat deb hisoblaymiz: Yuqorida qayd qilingan ifodalar e’tiborga olinsa, u holda tokning va komponentalari uchun


2.1.10-rasm. Emitter o’tishli biqutbiy tranzistorning to’g’ri siljishdagi zonaviy diagrammasi.
Injeksiya koeffitsienti uchun esa

Olingan munosabatdan kelib chiqadiki, turdagi biqutbiy tranzistorning effektiv ishlashi uchun emitter toki, asosan, kavaklar oqimidan iborat bo’lishi talab etiladi. Shu sababli biqutbiy tranzistorning emitteri bazaga nisbatan kuchliroq legirlangan bo’lishi shart.