Всего на сайте:
282 тыс. 988 статей

Главная | Электроника

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ  Просмотрен 31

 

В современных электронных устройствах, в основном, применяют полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры и интегральные микросхемы. В отличие от пассивных элементов: резисторов, конденсаторов, дросселей (прил. 1) – их называют активными элементами. В последнее время все чаще резисторы и конденсаторы выполняют как полупроводниковые элементы в составе интегральных микросхем или в виде отдельных сборок.

Диоды

 

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор (ППП) с одним p–n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, магнито-, тензо-, фото-, светодиоды и др.

Выпрямительные диоды.Работа диода объясняется свойствами электрического p–n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4…0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

На рис. 1.1 показаны условное графическое обозначение (УГО) диода, его идеальная и реальная вольт-амперная характеристики (ВАХ). Видимый излом ВАХ в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика. Два вывода диода: анод А и катод К в УГО не обозначаются и на рисунке показаны для пояснения.

На ВАХ реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

 

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды. Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150…200 °С против 80…100 °С), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60…80 А/см2 против 20…40 А/см2). Кроме того, кремний – широко распространенный элемент (в отличие от Ge, который относится к редкоземельным элементам).

К преимуществам Ge-диодов можно отнести малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3…0,6 В против

0,8…1,2 В).

Кроме названных ПП материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.

Полупроводниковые (ПП) диоды по технологии изготовления делятся на два класса: точечные и плоскостные.

Точечный диод образуют Si- или Ge-пластина n-типа площадью 0,5…1,5 мм2 и стальная игла, образующая p–n-переход в месте контакта. В результате малой площади переход имеет малую емкость, следовательно, такой диод способен работать в высокочастотных цепях. Но ток через переход не может быть большим (обычно не более 100 мА).

Плоскостной диод состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А).

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток Iпр.max;

– максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max;

– максимально допустимая частота fmax.

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА;

– средней мощности, прямой ток 300 мА…10 А;

– большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40, …1600 А.

Импульсные диоды применяются в маломощных схемах с импульсным характером подводимого напряжения. Отличительное требование к ним – малое время перехода из закрытого состояния в открытое и обратно (типичное время 0,1…100 мкс).

УГО импульсных диодов такое же, как у выпрямительных диодов.

К специфическим параметрам импульсных диодов относятся:

– время восстановления Tвосст – это интервал времени между моментом переключения напряжения на диоде с прямого на обратное и моментом, когда обратный ток уменьшится до заданного значения (рис 1.2,а);

– время установления Tуст – это интервал времени между началом протекания через диод прямого тока заданной величины и моментом, когда напряжение на диоде достигнет 1,2 установившегося значения (рис 1.2,б);

– максимальный ток восстановления Iобр.имп.макс., равный наибольшему значению обратного тока через диод после переключения напряжения с прямого на обратное (рис 1.2,а).

Туннельные диодыприменяют в качестве переключателей, усилителей или генераторов колебаний, поскольку ВАХ этих диодов (рис.

1.3) имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При этом частота переключений может достигать 40 ГГц. Для получения туннельных диодов используют полупроводниковые материалы с очень большим содержанием примесей и добиваются очень малой ширины p–n-перехода (на два порядка меньше, чем у обычных плоскостных выпрямительных диодов).

Обращенные диодыполучают при концентрации примесей в p- и n-областях меньшей, чем у туннельных диодов, но большей, чем у обычных выпрямительных диодов. Такой диод оказывает малое сопротивление проходящему току при обратном включении (рис.1.4) и сравнительно большое сопротивление при прямом включении. Поэтому их применяют при выпрямлении малых сигналов с амплитудой напряжения в несколько десятых вольта.

Диоды Шоттки) получают, используя переход металл-полупроводник. При этом применяют подложки из низкоомного n-кремния (или карбида кремния) с высокоомным тонким эпитаксиальным слоем того же полупроводника (рис.1.5). На поверхность эпитаксиального слоя наносят металлический электрод, обеспечивающий выпрямление, но не инжектирующий неосновные носители в базовую область (чаще всего золото). Благодаря этому в этих диодах нет таких медленных процессов, как накопление и рассасывание неосновных носителей в базе. Поэтому инерционность диодов Шоттки не высока. Она определяется величиной барьерной емкости выпрямляющего контакта (1…20 пФ). Кроме этого, у диодов Шоттки оказывается значительно меньшее, чем у выпрямительных диодов последовательное сопротивление, так как металлический слой имеет малое сопротивление по сравнению с любым даже сильно легированным полупроводником. Это позволяет использовать диоды Шоттки для выпрямления значительных токов (десятки ампер). Обычно их применяют в импульсных вторичных источниках питания для выпрямления высокочастотных напряжений (частотой до нескольких МГц

Стабилитроны –

полупроводниковые диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Их используют для стабилизации напряжения.

Рабочим участком на ВАХ стабилитрона является зона электрического пробоя (рис. 1.6).

Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний.

Основные параметры стабилитрона[1…4]:

1) напряжение стабилизации Uст;

2) дифференциальное сопротивление на участке стабилизации Rд= dUст/dIст;

3) минимальный и максимальный токи стабилизации Iст.мин и Iст.макс. Минимальный ток стабилизации обусловлен нелинейностью обратной ветви ВАХ, максимальный – допустимой температурой кристалла;

4) температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации, показывающий на сколько (в процентах) изменится Uст при изменении температуры кристалла на 1 °С (прил.2):

TKU=dUст/UdT∙100 %

Промышленностью выпускается стабилитроны с Uст=1…1000 В,

Iст.мин= 0,2…10 мА. На участке стабилизации Rд » const и составляет

0,5…200 Ом.

Варикапы. Это полупроводниковые диоды, используемые в качестве емкостного элемента, управляемого электрическим напряжением. Емкость диода зависит от величины обратного напряжения (рис.1.7). Основными параметрами варикапа являются общая емкость С, фиксируемая обычно при небольшом обратном напряжении 2…5 В, и коэффициент перекрытия по емкости

Кс = Смакс /Смин при двух заданных значениях обратных напряжений. В большинстве случаев С=10…500 пФ и Кс=5…20. Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.

Светодиоды.На осно-

веявлений, происходящих в p–n-переходе при протекании через него прямого тока, можно получать полупроводниковые приборы, способные генерировать оптическое излучение. Такими приборами являются полупроводниковые светодиоды.

Работа светодиодов основана на инжекционной электролюминесценции, т.е. генерации оптического излучения в p–n-переходе, находящемся под прямым внешним напряжением. Под воздействием внешней энергии электроны в атомах переходят в возбужденное состояние с более высоким уровнем энергии W2, называемым метастабильным уровнем возбуждения. При возвращении этих электронов с метастабильного уровня W2 на исходный W1 происходит испускание фотонов с длиной волны, определяемой соотношением λ= 1,23(W2W1).

К преимуществам полупроводниковых светодиодов относятся высокий по сравнению с лампами накаливания КПД, относительно узкий спектр излучения и хорошая диаграмма направленности, высокое быстродействие и малое напряжение питания. Все это обеспечивает удобство согласования с интегральными микросхемами, высокую надежность, долговечность и технологичность. Спектр излучения, а, следовательно, и его цвет зависит от используемого полупроводникового материала. Светодиоды изготовляют не на основе кремния или германия как большинство полупроводниковых приборов, а на основе арсенида-фосфида галлия. Яркость свечения пропорциональна прямому току светодиода. Тока в несколько миллиампер достаточно для отчетливой индикации. Светодиоды изготовляют в виде отдельных индикаторов и в виде семисегментных или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок – сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать не только изображение цифры, но и любого индицируемого знака (буквы, специального символа и т.д.).

Фотодиоды.Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод (см. рис. 1.8, а), в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–п-переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях. КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 , соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1.8, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1.8, б). Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10…30 мкА, у кремниевых 1…3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а, следовательно, и чувствительность значительно возрастут. Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 –300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз). Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 1.9), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр £ 10…16 кГц), что ограничивает их применение.


Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

Оптроны.Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются оптронами (рис. 1.10). Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах является одним из основных методов повышения помехоустойчивости аппаратуры.

В качестве приемников в оптронах применяются также фоторезисторы, фототранзисторы и фототиристоры.

В настоящее время широко используются оптоэлектронные ИМС – одна или несколько оптопар с дополнительными схемами согласования и усиления.

Оптроны успешно используются вместо импульсных трансформаторов, реле, переключателей, переменных резисторов и др. компонентов, имеющих механические перемещающиеся контакты и плохую совместимость с ПП и микроэлектронными приборами.

Предыдущая статья:Основы электроники Следующая статья:Биполярный транзистор
page speed (0.0148 sec, direct)