თანამედროვე ელექტრონულ ტექნიკაში თანამედროვე ნახევარგამტარული ხელსაწყოები გადამწყვეტ როლს ასრულებენ. ბოლო სამი ათწლეულის განმავლობაში მათ თითქმის სრულად გამოდევნეს ელექტროვაკუუმური ხელასაწყოები.
ნებისმიერ ნახევარგამტარულ ხელსაწყოს აქვს ერთი ან ორ ელექტრონულ-ხვრელური გადასასვლეი. ელექტრონულ-ხვრელურ გადასასვლელი (ან n–p-გადასასვლელი) ორი სხვადასხვა გამტარობის ნახევარგამტარის კონტაქტის არეა.
n-ტიპის ნახევარგანტარში თავისუფალი მუხტის ძირითად მატარებელს ელექტრონი წარმოადგენს; მათი კონცენტრაცია ხვრელების კონცენტრაციას მნიშვნელოვნად აჭარბებს (nn >> np). p-ტიპის ნახევარგანტარში თავისუფალი მუხტის ძირითად მატარებელს ხვრელები წარმოადგენენ (np >> nn). ორი n- და p-ტიპის ნახევარგამტარის კონტაქტისას დიფუზიის პროცესი იწყება: ხვრელები p-არეებიდან გადადიან n-არეებში, ელექტრონები კი პირიქით, n-არეებიდან გადადიან p-არეებში. ამის შედეგად n-არეები კონტაქტის ზონის მახლობლად ელექტრონების კონცენტრაცია კლებულობს და წარმოიქმნება დადებითად დამუხტული ფენა. p-არეში კლებულობს ხვრელების კონცენტრაცია და წარმოიქნმება ორმადი ელექტრონული ფენა, რომელიც ეწინააღმდეგება ელექტრონებისა და ხვრელების ერთმანეთისკენ დიფუზიის პროცესს (ნახ. 1). სხვდასხვა გამტარობის ნახევარგამტარების გამყოფი სასაზღვრო არე (ე.წ. ჩამკეტი ფენა) ჩვეულებრივ აღწევს ათეულობით და ასეულობით ატომებს შორისი მანძილის რიგის სისქეს. ამ ფენის მოცულობის მუხტები n- და p-არეებს შორის ქმნიან ჩამკეტ ძაბვას Uჩ, რომელიც გერმანიუმის n–p-გადასასვლელისათვის 0,35 ვ ტოლია, ხოლო სილიციუმისათვის 0,6 ვ.
n–p-გადასასვლელის გასაოცარი თვისებაა ცალმხრივი გამტარობა.
ნახ. 1.
p- და n-ტიპის ნახევარგამტარების კონტაქტის დროს ჩამკეტი ფენის წარმოქმნა
თუ n–p-გადასასვლელის ნახევარგამტარს დენის წყაროს ისე მივუერთებთ, რომ წყაროს დადებითი პოლუსი მიერთებულია n-არეს, ხოლო უარყოფითი p-არეს, მაშინ ჩამკეტ ფენაში ველის დაძაბულობა გაიზრგება. p-არეში ხვრელები და n-არეში ელექტრონები n–p-გადასასვლელის საწინააღმდეგოდ გადაინაცვლებენ, რითაც ჩამკეტ ფენაში არაძირითადი მატარებლების კონცენტრაციას გაზრდიან. n–p-გადასასვლელში დენი პრაქტიკულად არ გადის. ასეთ შემთხვევაში n–p-გადასასვლელზე მიწოდებულ ძაბვას შებრუნებულს უწოდებენ. ძალიან უმნიშვნელო შებრუნებული დენი გამოწვეულია ნახევარგამტარული მასალის საკუთარი გამტარობით, ე.ი. თავისუფალი ელექტრონების უმნიშვნელო რაოდენობით p-არეში და ხვრელების n-არეში.
თუ n–p-გადასასვლელს წყაროსთან ისე ჩავრათავთ, რომ წყაროს დადებითი პოლუსი მიეთებულია p- არეს, ხოლო უარყოფითი n-არეს, მაშინ ჩამკეტ ფენაში ველის დაძაბულობა შემცირდება, რაც ძირითადი მატარებლების კონტაქტის ფენაში გავლას აადვილებს. ხვრელები p-არეში და ელექტრონები n-არეში, იმოძრავებენ რა ერთმანეთის შემხვედრი მიმართულებით, გადაკვეთენ n–p-გადასასვლელს და შექმნიან პირდაპირი მიმართულების დენს.
n–p-გადასასვლის თვისებას, დენი პრაქტიკულად მხოლოდ ერთი მიმართულებით გაატაროს იყენებენ ხელსაწყოებში, რომლებსაც ნახევარგამტარულ დიოდებს უწოდებენ. ნახევარგამტარულ დიოდებს სილიციუმის ამ გერმანიუმის კრისტალებისაგან ამზადებენ. მათი დამზადებისას რაიმე გამტარობის ტიპის კრისტალში შეაქვთ სხვა ტიპის გამტარობის მინარევი.
ნახევარგამტარული დიოდები გამოიყენება ცვლადი დენის მუდმივად გარდასქმნელ ხელსაწყოებში. სილიციუმის დიოდის ტიპური ვოლტ-ამპერული მახასიათებელი ნახ. 2-ზეა მოყვანილი.
ნახ. 2.
სილიციუმის დიოდის ვოლტ-ამპერული მახასიათებელი. გრაფიკაზე დადებითი და უარყოფითი ძაბვებისთვის სხვადასხვა შკალებია გამოყევებული
ნახევარგამტარულ დიოდებს მრავალი უპირატესობა აქვთ ვაკუუმურთან შედარებით: მცირე ზომები, მოხმარების ხანგრძლივობა, მექანიკური სიმტკიცე. ნახევარგამტარული დიოდების არსებითი ნაკლია მათი მახასიათებლების ტემპერატურაზე დამოკიდებულება. სილიციუმის დიოდებს, მაგალითად, დამაკმაყოფილებლად მუშაობა შეუძლეათ, მხოლოდ –70 °C-დან 80 °C-მდე ტემპერატურულ დიაპაზონში. გერმანიუმის დიოდებისათვის ტემპერატურის მუშა დიაპაზონი უფრო მეტია.
ნახევარგამტარულ ხელსაწყოებს არა ერთი, არამედ ორი n–p-გადასვლით ტრანზისტორებს უწოდებენ. სახელწოდება ორი ინგლისური სიტყვისაგან transfer – გადატან და resistor – წინაარმდეგობა წარმოდგება. ტრანზისტორის შესაქმნელად, ჩვეულებრივ, გერმანიუმი და სილიციუმი გამოიყენაბა. ტრანზისტორები ორი ტიპის არიან: p–n–p-ტრანზისტორები და n–p–n-ტრანზისტორები. მაგალითად, p–n–p-ტიპის გერმანიუმის ტრანზისტორი დონორული მინარევის შემცველ გერმანიუმის მცირე ზომის ფირფიტას წარმოადგენს, ე.ი. n-ტიპის ნახევარგამტარს. ამ შირფიტაში იქმნება აქცეპტურული მინარევის ორი არე, ე.ი. ხვრელური გამტარობის არეები. (ნახ. 3). n–p–n-ტიპის ტრანზისტორში გერმანიუმის ძირითად ფირფიტას p-ტიპის გამტარობა ახასიატებს, ხოლო მასზე შექმნილ ორ არეს - n-ტიპის გამტარობა (Nახ. 4).
ტრანზისტორის ფირფიტას ბაზას უწოდებენ (ბ), საწინაარმდეგი ტიპის ერთ-ერთ არეს - კოლექტორს (კ), მეორეს კი - ემიტერომს (ე). ჩვეულებრივ კოლექტორის მოცულობა ემიტერის მოცულობას აჭარბებს. სქემაზე პირობით აღნიშვნებში ემიტერის ისარი ტრანზისტორში დენის მიმართულებას მიუთითებს.
ნახ. 3.
p–n–p სტრუქტურის ტრანზისტორი
ნახ. 4.
n–p–n სტრუქტურის ტრანზისტორი
ტრანზისტორის ორივე n–p-გადასვლა დენის ორი წყაროთია დაკავშირებული. ნახ. 5-ზე p–n–p სტრუქტურის ტრანზისტორის წრედში ჩართვაა ნაჩვენები. „ემიტერ-ბაზა“ გადასვლა პიდაპირი (გამტარებელი) მიმარლებით (ემიტერის წრედი) ირთვება, ხოლო „კოლექტორ-ბაზა“ გადასვლა ჩამკეტი მიმართულებით (კოლექტორის წრედი).
სანამ ემიტერის წრედი ჩაკეტილია, კოლექტრორის წრედში დენი ძალიან მცირეა, რადგანაც თავისუფალი მუხტის მატარებლების -ელექტრონებისათვის ბაზაში და ხვრელებისათვის კოლექტორში - გასასვლელი დაკეტილია.
ნახ. 5.
p–n–p ტრანზისტორის ჩართული წრედი
ემიტერის ჩაკეტილი წრედისთვის ხვრელები - ემიტერში მუხტის ძირითადი მატარებლები - ემიტერიდან ბაზაში გადადიან და ქმნიან ამ წრედში Iე დენს. მაგრამ ემიტერიდან ბაზაში მოხვედრილი ხვრელებისთვის კოლექტრორში n–p-გადასვლა ღიაა. ხვრელების დიდ რიცხვი ამ გადასვლების ველის მიერ მიიტაცება და კოლექტორში აღწევს, ქმნის რა მასში Iკ დენს. იმისთვის, რომ კოლექტორის დენი პრაქტიკულად ემიტერის დენის ტოლი იყოს, ტრანზისტორის ბაზას ძალიან თხელი ფირფიტის სახეს აძლევენ. ემიტერში წრედში დენის ცვლილებისას იცველება დენის ძალა კოლექტორშიც.
თუ ემიტერის წრედში ცვლადი ძაბვის წყაროა ჩართული (ნახ. 5), კოლექტორის წრედში ჩართულ R რეზისტორზე, აგრეთვე ცვლადი ძაბვა აღიძვრება, რომლის ამპლიტუდა შეიძლება ბევრჯერ აჭარბებდეს შემავალი სიგნალის ამპლიტუდას. ე.ი. ტრანზისტორი ცვლადი დენის გამაძლიერებლის როლს ასრულებს.
მაგრამ გამაძლიერებლის ასეთი ტარნზისტორული სქემა არ არის ეფექტური, რადგან მასში არ ხდება სიგნალის გაძლიერება დენის მხრივ, და შემავალი სიგნალის წყაროში ემიტერის მთელი Iე დენი გადის. ტრანზისტორული გამაძლიერებლების რეალურ სქემებში ცვლადი ძაბვის წყარო ისე ირთვება, რომ მასში გადის დენის მხოლოდ მცირე ნაწილი გადის Iბ = Iე – Iკ. ბაზის დენის მცირე ცვლილება კოლექტორის დენის მნიშვნელოვან ცვლილებას იწვევს. დენის ასეთ სქემებში შეიძლება რამოდენიმე ასეულჯერ გაძლიერდეს.
დღეისთვის ნახევარგამტარულ ხელსაწყოებს ძალიან ფართო გამოყენება აქვთ რადიოტექნიკაში. თანამედროვე ტექნოლოგიები ისეთი ნახევარგამტარული ხელსაწყოების წარმოების საშუალებას იძლევიან, როგორებიცაა - დიოდები, ტრანზისტორები, ნახევარგამტარული ფოტომიმღებები და ა.შ. - რომელთა ზომები მხოლოდ რამოდენიმე მიკრონია. თვისობრივად ახალი ეტაპი ელექტრონული ტექნიკის განვითარებაში მიკროელექტრონიკის განვითარებით დაიწყო, რომელიც ინტეგრალური მიკროსქემებისა და მათი გამოყენების პრინციპებს ამუშავებს.
ინტეგრალური მიკროსქემებს უწოდებენ ურთიერთდაკავშირებული ელემენტების დიდ ერთობლიობას - ზეპატარა დიოდებს, ტრანზისტორებს, კონდენსატორებს, დამაკავშირებელ სადენებს, რომლებიც ერთიან ტაქნოლოგიურ პროცესში ერთ კრისტალზეა განთავსეული. 1 სმ2 ფართობის მიკროსქმა შეიძლება რამოდენიმე ასეულ ათას მიკროელემენტს შეიცავდეს.
მიკროსქემების გამოყენებამ თანაბედროვე ელექტრულ ტექნიკაში რევოლუციური ცვლილება გამოიწვია. ეს განსაკუთრებით ნათლად ელექტრულ გამომთვლელ მანქანებში გამოვლინდა. უზარმაზარი ელექტრულ გამომთვლელ მანქანები, როლებიც ათეულობით ათას ელექტრულ ნათურას შეიცავდა, პერსონალირმა კომპიუტერებმა შეცვალა.