Электрические заряды. Строение атома. Энергетические уровни и энергетические зоны. Положительные и отрицательные ионы

Электрические заряды. Строение атома. Энергетические уровни и энергетические зоны. Положительные и отрицательные ионы.

Познания об электричестве накапливались очень медленно. Лишь в конце 15-го века Гильбертом было обнаружено, что кроме янтаря такой способностью… В 18-м веке было обнаружено, что одни наэлектризованные тела притягиваются… В начале предполагалось, что электрические заряды в телах образованы двумя родами невесомых электрических жидкостей.…

Электрическое поле. Взаимодействие электрических зарядов с электрическим полем. Закон Кулона.

Электрическое поле существует вокруг каждого наэлектризованного тела. Вблизи этого тела электрическое поле действует сильнее, чем при удалении от… На рис. 1 показано условное изображение картин электрических полей между… Сила F, с которой взаимодействуют два точечных заряда, прямо пропорциональна значениям этих зарядов q1 и q2 , обратно…

Электрический потенциал и разность потенциалов.

=А/q. (1.2) Разность потенциалов двух точек поля измеряется работой, совершаемой силами… А=qEd

Электрическая емкость. Конденсатор. Способы изменения электрической емкости конденсаторов. Параллельное и последовательное соединения конденсаторов.

Емкость тел зависит от близости окружающих предметов и их физических свойств. При приближении к проводнику другого проводника его емкость… В международной системе единиц за единицу емкости принята емкость такого… 1фарад=1кулон/1вольт.

Постоянный электрический ток. Условия существования электрического тока. Направление, сила и плотность постоянного электрического тока.

Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление, по которому двигались бы положительные заряды, т.е. от + источника э.д.с к… Электрическое поле в проводнике распространяется со скоростью света в вакууме… За единицу силы тока принят 1 Ампер. При этом через сечение проводника за 1 секунду проходит заряд равный 1 кулону,…

Электрическое сопротивление. Единицы измерения сопротивления. Зависимость сопротивления от температуры.

За единицу сопротивления принято сопротивление ртутного столбика сечением 1 мм^2, высотой 106,3 см. Эта единица называется Ом. Производными единицами сопротивления являются: 1 килоом (кОм) = 1000 Ом

Резисторы. Виды резисторов. Параллельные и последовательные соединения резисторов.

При последовательном соединении резисторов сопротивление увеличивается : Rпосл=R1+R2+R3 (рис 1 д), А при параллельном соединении общее сопротивление Rпар будет меньше наименьшего сопротивления и может быть определено…

Закон Ома для участка и полной электрической цепи.

I=U/R (1.7) Зависимость (1.7) называется "законом Ома для участка цепи" Из формулы (1.7) следует другое определение единицы сопротивления. За единицу сопротивления 1 Ом принимают…

Законы Кирхгофа.

I1+I2-I3=0 (1.10) В этом уравнении токи I1 и I2, втекающие в узел, приняты положительными, а ток… Первый закон Кирхгофа можно сформулировать иначе: сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов вытекающих из…

Работа и мощность электрического тока.

Работу, совершаемую в единицу времени называют мощностью: P=A/t=U*I (1.12) Если напряжение U измеряется в вольтах, сила тока I - в амперах, то мощность будет измеряться в ваттах.

Основные сведения о полупроводниках. Разрешенные и запрещенные зоны. Валентная зона и зона проводимости.

Отличительной особенностью п/п является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, светового и ионизирующего… Используемые в настоящее время п/п имеют кристалическую структуру. Наибольшее распространение получили Ge, Si, расположенные в N группе таблицы Менделеева.

Полупроводники с электронной электропроводностью. Энергетическая диаграмма. Формулы для концентраций основных и неосновных носителей. Положение уровня Фермы.

При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.) четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются как бы лишними, они слабо связаны со своими атомами и достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они смогли оторваться от атомов и стать свободными, при этом атомы примесей превращаются в положительные ионы (рис. 1).

Появление свободных электронов не сопровождается разрушением ковалентных связей, а наоборот, увеличении их концентрации в ПП увеличивает и интенсивность процесса рекомбинации. Следовательно, в таком ПП свободных электронов оказывается значительно больше, чем дырок, и протекание тока через ПП будет определятся в основном движением электронов и в очень малой степени движением дырок. Такие ПП наз. ПП с электронной электропроводностью или ПП n-типа (negative-отрицательный), а включаемые в него примеси - донорными или донорами.

Подвижные носители заряда, преобладающие в ПП наз. основными. Т.о., в ПП n-типа основными подвижными носителями заряда явл. электроны, а дырки - неосновными. Положительные ионы примесных атомов тесно связаны с кристаллической решёткой основного ПП, т.е. явл. неподвижными зарядами и не могут принимать непосредственное участие в создании тока в ПП. Вследствие малой концентрации взаимодействие между атомами доноров в ПП отсутствует, и энергетические уровни валентных электронов W_д не расщепляются в зоны. Малая энергия активации доноров (0,01…0,13 эВ для Ge и 0,16 эВ для Si), при которой происходит их ионизация, свидетельствует о том, что энергетический уровень валентных электронов доноров располагается в запрещённой зоне чистого ПП, в непосредственной близости от "дна" ЗП (рис. 2).

В состоянии термодинамического равновесия (стдр) концентрации основных (электронов) n_n0 и неосновных (дырок) p_n0 подвижных носителей заряда в соответствии с (2.1) определяются формулами:

n_n0=A_n·e^(Wфn-Wдн)/kT p_n0=A_p·e^(Wв-Wфn)/kT (2.3)

Учитывая (2.1), уравнения (2.3) можно привести к виду

n_n0=A_n·e^(Wфn-Wдн+Wi-Wi)/kT=n_i·e^(Wфn-Wi)/kT (2.4)

p_n0=A_p·e^(Wв-Wфn+Wi-Wi)/kT=^ n_i·e^(Wi-Wфn)/kT (2.5)

Если учесть, что при комнатной температуре все атомы примесей ионизированы (n_n0=Nд - концентрация донорных атомов в ПП), из (2.4) получим: W_фn=W_i+kTln(N_д/n_i) (2.6)

Уравнение (2.6) показывает, что уровень Ферми в ПП n-типа смещается в сторону "дна" ЗП. С ростом температуры за счёт генерации пар электрон-дырка увеличивается концентрация неосновных носителей (дырок), нарушается условие n_n0=Nд и уравнение (2.6) оказывается несправедливым. Более строгий анализ показывает, что смещение температуры свыше комнатной смещает уровень W_фn в сторону уровня W_i. При слишком высоких температурах концентрация свободных электронов и дырок в результате интенсивного процесса генерации пар электрон-дырка может существенно превысить концентрацию доноров, и уровень Ферми такого ПП практически совпадает с уровнем W_i, т.е. свойства этого проводника аналогичны свойствам собственного.

Рис. 1

Рис. 2

Полупроводники с дырочной электропроводностью. Энергетическая диаграмма. Формулы для концентраций основных и неосновных носителей. Положение уровня Фермы.

При введении в чистый германий или кремний атомов трёхвалентных элементов (бора В, индия In, алюминия Al, галлия Ga и др.) атомы примесей связываются с атомами основного ПП тремя ковалентными связями. Для образования 4-ой ковалентной связи примесному атому не хватает одного валентного электрона. Этот электрон может быть получен за счёт разрыва ковалентной связи между 2-мя атомами основного ПП. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а разрушенная ковалентная связь образует дырку, которой соответствует свободный энергетический уровень в ВЗ(рис. 1). Такие примеси наз. акцепторными или акцепторами. Энергия активации акцепторов составляет 0,01...0,012 эВ для германия и 0,04...0,16 эВ для кремния, что значительно меньше ширины запрещённой зоны основного ПП. Следовательно энергетический уровень акцепторов Wa располагается в непосредственной близости от потолка ВЗ(рис. 2). Образование дырок в ПП обусловлено ионизацией акцепторных примесей, не сопровождается появлением свободных электронов в ЗП. Свободные электроны в небольшом количестве образуются лишь в результате генерации пар электрон-дырка. Поэтому в ПП с акцепторными примесями дырок значительно больше, чем электронов. По этой причине такие Пп называются ПП с дырочной электропроводностью, или ПП р-типа (positive-положительный). В таком ПП основными подвижными носителями заряда явл. дырки, а неосн. -электроны. В состоянии термодинамического равновесия концентрация осн. p_p0 и неосн. n_p0 носителей заряда опр. выражениями: p_p0=n_i·e^(Wi -Wфр)/kT (2.7)

n_p0= n_i·e^-(Wi -Wфр)/kT (2.8)

Если считать, что при комнатной температуре все атомы акцепторов ионизированы, т.е. p_p0=N_A, n_p0=0, то из уравн.(2.7) следует Wфр=Wi-kt*ln(N_A/n_i),(2.9) где N_A-концентрация акцепторов в ПП. Уравн.(2.9) показ. что в ПП р-типа уровень ФермиWфр смещается относительно середины запрещённой зоныWi в сторону потолка ВЗ. Смещение тем больше, чем выше температура и концентрация акцепторных примесей. Из уравнений (2.4), (2.5), (2.7), (2.8) следует: n_n0*p_n0=n_p0*p_p0=n_i^2 (2.10);

Поскольку для чистого ПП Ni= сonst, то 2.10 показ., что в примесных ПП увеличение концентрации одних подвижных носителей заряда сопровождается пропорциональным уменьшением концентрации других подвижных носителей заряда. 2.5. Неравновесная и избыточная концентрации и время жизни носителей заряда. В стдр в ПП устанавливается равновесная концентрация основных и неосн. носителей заряда(n_n0,p_n0-в ПП n-типа, n_p0,p_n0-в ПП p- типа).Однако кроме теплового возбуждения кристаллическая решётка ПП может подвергаться и другим энергетическим воздействиям: световому, облучению потоком заряженных частиц, внесению в ПП носителей заряда через контакт (инжекция) и др. В этом случае энергия возбудителя непосредственно передаётся носителям заряда и тепловая энергия кристаллической решётки остаётся практически неизменной. В ПП образуется концентрация подвижных носителей заряда, отличающаяся от равновесной. Такая концентрация наз. неравновесной. Разность между равн. и неравн. Концентрациями определяет избыточную конц. После прекращения действия внешнего возбудителя избыт. конц. электронов и дырок вследствие рекомбинации будет убывать до 0 и в ПП через некоторое время снова установится равновесная конц. При возникновении избыт. концентрации носителей заряда в ПП измен. конц. как осн., так и неосн. носителей заряда. Измерить изменение конц. осн носителей заряда трудно, т. к. возникшая избыт. конц. осн. носителей составляет малую долю их высокой равновесной конц-ии. Гораздо проще осущ. контроль избыт. конц-ии неосн. носителей, которая соизмерима с их равновесной концентрацией. Установлено, что если избыт. конц. неосн. носителей мала по сравнению с их равновесной конц., то скорость изменения избыт. конц-ии неосн. носителей заряда в объёме ПП пропорциональна их избыт. конц. На основании этого для ПП n-типа можно записать: d(p_n-p_n0)/dt=-a(p_n-p_n0), (2.11) где p_n и p_n0 соответственно неравновесная и равн. конц. дырок; а-коэффициент конц. Знак "-" указывает на уменьшение избыт. конц. дырок во времени за счёт рекомбинации. Разделяя в (2.11) переменные и интегрируя, получим ln(p_n-p_n0)=-at+c. Постоянная С определяется из след. условия. Пусть в момент прекращения действия на ПП внешнего возбудителя(t=0) неравновесная конц. дырок достигла значения p_n=p_n1, тогда С=ln(p_n1-p_n0). Обозначив T_р=1/a, получим след. значение для избыт. конц. дырок, зависящее от времени t: p_n-p_n0=(p_n1-p_n0)e^-t/Tр (2.12), где T_p-время жизни неравновесных дырок в ПП n-типа. Из (2.12) следует, что за время жизни t=T_p конц. дырок (неосн. носителей в ПП n-типа) уменьш. в e=2,7 раза. Аналогично можно получить уравнение, определяющее изменение во времени изб. конц. электронов в ПП p-типа: n_p-n_p0=(n_p1-n_p0)e^-t/Tn (2.13), где T_n-время жизни электронов (неосн. носит. в ПП p-типа). (2.12) и (2.13) позволяют определить скорости измен. неравн. конц. неосн. носителей в ПП:

dp_n/dt=-(p_n-p_n0)/T_p (2.14) dn_p/dt=-(n_p-n_p0)/T_n (2.15)

Рис. 1 Рис. 2

Неравновесная и избыточная концентрации основных и неосновных носителей зарядов в полупроводнике.

После прекращения действия внешнего возбудителя избыт. конц. электронов и дырок вследствие рекомбинации будет убывать до 0 и в ПП через некоторое… Установлено, что если избыт. конц. неосн. носителей мала по сравнению с их… Аналогично можно получить уравнение, определяющее изменение во времени изб. конц. электронов в ПП p-типа:…

Диффузионный и дрейфовый токи в полупроводнике. Причины, вызывающие их появление. Формулы для плотностей токов.

Движение электронов и дырок под действием эл. поля характер-ся подвижностью µ, определяемой как отношение средней скорости v подвижных носителей… Подвижность измеряется в м^2/(В*с) и имеет различные численные значения для… Дрейфовый ток содержит две составляющие: электронную и дырочную. Так как электроны и дырки под дейсвием эл. поля…

Прямое включение ЭДП. Явление инжекции неосновных носителей. Влияние прямого напряжения на контактную разность потенциалов и ширину запирающего слоя. Энергетическая диаграмма.

Прямым включением наз. такое включение ЭДП, при котором к нему подключается источник внешнего напряжения U_пp плюсом к p-обл. и минусом к n-обл.(рис. 1а). Напряжённость электрич. поля Е_пр, образованная в ПП источником внешнего напряжения имеет противоположное направление с напряжённостью диффузионного поля Е_диф. Это приводит к уменьшению потенциального барьера(контактной разности потенциалов U_K), до значения U_K-U_пp(рис. 1б). Ток диффузии осн. носителей увеличится, а дрейфовый ток практически не изменится, т.к. он обусловлен сравнительно малой концентрацией неосн. носителей. Соотношение (2.21) становится несправедливым, и через ПП протекает результирующий ток, определяемый током диффузии и направленный из р-обл. в n-обл.

Уменьшение потенц. барьера вызывает смещение вверх энергетических уровней n-обл. и снижение энерг. уровней р-обл. (рис. 1в). Вследствие этого часть энерг. уровней зоны проводимости n-обл., занятые электронами, располагается напротив свободных энерг. уровней зоны проводимости р-обл., а некоторой части дырок валентной зоны р-обл. соответствуют такие же энерг. уровни валентной зоны n-обл., занятые электронами. Из-за разности концентраций осн. носителей в p- и n-обл. происходит их направленное диффузионное перемещение.

Уменьшение потенц. барьера вызывает уменьшение ширины области объёмного заряда, определяемой уравнением (2.26) при подстановке в него вместо U_K значения U_K-U_пp:=_n+_p=(₀(N_A+N_.Д)(U_K-U_пp)/qN_AN_Д),(2.27).

При U_K=U_пр потенц. барьер и обл. объёмного заряда исчезают(max диф. ток).

 

Рис. 1

Обратное включение ЭДП. Обратный ток. Включение обратного напряжения на ширину запирающего слоя. Энергетическая диаграмма.

За счёт внешнего напряжения Uобр произойдёт смещение энергетических диаграмм p- и n-областей на q(UK+Uобр) и увеличение ширины области объёмного… Малый обратный ток свидетельствует о большом сопротивлении ЭДП при обратном… Рис. 1

Вольтамперная характеристика ЭДП (ВАХ). Уравнение теоретической ВАХ и ее график.

Теоретическая ВАХ ЭДП, построенная на основании (2.29), показана на рис. 1а. При комнатной температуре YТ=0,026 В, поэтому при увеличении прямого… Уравнение (2.29) получено без учёта ряда явлений, происходящих в области… Прямая ветвь реальной ВАХ проходит ниже теоретической. Это вызвано уменьшением прямого напряжения на ЭДП вследствие…

Емкость ЭДП. Зарядная и диффузионная емкости, их физическая интерпретация. Графическая зависимость зарядной емкости от обратного напряжения.

Зарядная ёмкость ЭДП обусловлена изменением зарядов положительных и отрицательных ионов примесных атомов в p-n-переходе при изменении обратного… При прямом включении ЭДП его толщина и заряд, образованный положительными и… На рис. 2 показана эквивалентная схема ЭДП по переменному току при прямом (а) и обратном (б) смещении. Элемент r1…

Эквивалентные схемы ЭДП при прямом и обратном включениях.

Прямое включение ЭДП

подключается источник внешнего напряжения Uпр плюсом к p-области и минусом к n-области (рис. 2.7,а). Напряжённость электрического поля Eпр,… противоположное направление с напряжённостью диффузионного поля Eдиф. Это…

Разновидности электрических переходов. Электрический переход между полупроводником и металлом (переход или барьер Шотки). Выпрямляющие и невыпрямляющие электрические переходы.

В рассмотренном ЭДП при подключении прямого напряжения вследствие уменьшения потенц. барьера увеличивается диффузионный переход основных носителей заряда: дырок в n-обл. и электронов в p-обл. Этот процесс получил название инжекции неосн. носителей. При этом сопротивление ЭДП протекающему через него току оказывается минимальным(от долей до десятков Ом), и на границах контакта образуются избыт. концертрации неосн. носителей заряда.

При изменении полярности внешнего напряжения ЭДП включается в обратном направлении, характеризующимся большим напряжением запирающего слоя(сотни кОм - единицы МОм). Однако это состояние ЭДП устанавливается не мгновенно. Связано это с тем, что под действием эл. поля, созданного источником обр. напряжения, избыточные дырки, ижектированные в n-обл., начинают переходить (дрейфовать) в р-обл., а избыточные электроны, инжект. в р-обл., переходят в n-обл. Этот процесс наз. рассасыванием избыточных неосн. носителей заряда. Процесс рассасывания сопровождается протеканием через ЭДП значительного обратного тока, т. е. ЭДП хотя и смещён в обратном направлении, но обладает малым сопротивлением. Время, в течение которого избыт. конц. неосн. носителей в р- и n- обл. уменьшается до 0, наз. временем рассасывания t_рас. Чем больше t_рас, тем "медленнее" ЭДП переключается из состояния малого сопротивления в состояние большого сопротивления (рис. 1).

Значительно меньшим временем переключения обладают электрические переходы, образованные при контакте металла с ПП. Принцип действия таких переходов основан на различной работе выхода электронов из металла (W_М) и ПП(W_n или W_p):электроны переходят из вещества с меньшей работой выхода в вещ-во с большей работой выхода. При контакте металла с электронным ПП при выполнении условия W_n<W_М электроны переходят из ПП в металл, а в приконтактной области ПП остаются нескомпенсированные отрицательные ионы доноров(рис. 2).Под воздействием возникшего эл. поля оставшиеся в приконтактной области ПП электроны дрейфуют в нижние слои ПП. Т.о. приконтактная обл. ПП обедняется основными подвижными носителями заряда(электронами), а между ПП и металлом образуется потенц. барьер, препятствующий поступлению электронов в приконтактную обл. из ПП. Этот барьер получил название барьера Шотки - по имени нем. учёного, исследовавшего это явление.Значение барьера Шотки может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, как и ЭДП, контакт металла с ПП обладает выпрямляющими свойствами: пропускает эл. ток в одном направлении и практически его не пропускает в противоположном направлении. Поскольку эл. ток в таком переходе создаётся только осн. носителями(электронами),то в нём отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Поэтому выпрямляющие контакты металл-ПП малоинерционны и служат основой создания диодов с барьером Шотки, обладающим высоким быстродействием и малым временем переключения.

При контакте металла с ПП р-типа выпрямляющий контакт получается при условии W_P>W_М. В этом случае будет происходить переход свободных электронов из металла в ПП и в приконтактной обл. ПП будет создан отриц. заряд, обусловленный отрицательными ионами акцепторов(рис. 2б)

Если при контакте металла с ПП выполняется условие W_M<W_n или W_M>W_P,то приконтактный слой ПП обогащается осн. носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой полярности внешнего напряжения, приложенного между металлом и ПП. Т.е. такие эл. переходы являются невыпрямляющими и используются для получения омическмх контактов металла с ПП.

Рис. 1

Рис. 2

Полупроводниковые диоды. Классификация, основные параметры и система обозначений.

ППД наз. электропреобразовательный электронный прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и имеющий 2 выхода. ППД используются для выпрямления переменного тока, детектирования модулированных колебаний, преобразования СВЧ-колебаний в колебания промежуточной частоты, стабилизации напряжения в цепях постоянного тока. Если в ППД используется ЭДП, то его выводы через омические(невыпрямляющие) контакты к p- и n- областям. В диодах Шотки один вывод подсоединяется к ПП,а второй - к металлической плёнке, нанесённой на поверхность ПП.

В зависимости от области применения ППД подраздел. на следующ. основные группы: выпрямительные, импульсные, универсальные, сверхвысокочастотные, варикапы, туннельные и др.

По типу ЭДП ППД делятся на плоскостные и точечные. Плоскостными наз.диоды, у которых линейные размеры ЭДП значительно больше его толщины. В противном случае диоды наз. точечными.

Ситема обозначений ППД состоит из буквенных и цифровых элементов. Первый элемент обозначения - буква или цифра, определяющая исходный материал ПП: Г или 1-германий, К или 2-кремний, А или 3- соединение галлия. Цифровое обозначение первого элемента используется для диодов спец. применения.

Второй элемент обозначения - буква, определяющая подкласс диода: Д-выпрямительные, импульсные и универсальные; А-диоды СВЧ; С-стабилитроны; В-варикапы; Н-туннельные.

После второго элемента идёт число, характеризующее назначение диода и номер разработки. Обозначение заканчивается буквами русского алф. от А до Я, характеризующими специальные параметры диода.

К общим основным параметрам диодов относятся допустимые температуры ЭДП, допустимая мощность, рассеиваемая диодом, допустимые прямой и обратный токи, прямое и обратное сопротивления диода постоянному и переменному токам.

 

 

Выпрямительные полупроводниковые диоды. Назначение, основные параметры, классификация. Простейший выпрямитель на полупроводниковом диоде.

Выпрямительными наз. диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока.

На рис.3.1,а приведена схема простейшего однополупериодного выпрямителя, а на рис.3.1,б -графики,поясняющие его работу.

При U_ВХ>0 диод включается в прямом направлении и напряжение на выходе(U_ВЫХ) практически=входному: U_ВЫХ=U_ВХ-U_ДО, где U_ДО - падение напряжения на открытом (прямосмещённом) диоде. При U_ВХ<0 диод включается в обратном направлении, его сопротивление R_Д.ОБР.>>R_Н, а всё входное напряжение практически падает на диоде, а U_ВЫХ0. Т.о., ППД можно рассматривать как электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением.

На рис.3.1,в приведена схема улучшенного выпрямителя, а на рис.3.1,г -графики,поясняющие его работу.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

I_{ПР.СР.MAX}- максимальное(за период входного напряжения) значение среднего тока;

U_ОБР.MAX- максимальное допустимое значение постоянного обратного напряжения;

f_MAX- максимально допустимая частота входного напряжения;

U_ПР- прямое падение напряжения на диоде при заданном прямом токе.

Выпрямительные диоды классифицируются также по мощности и частоте. По мощности: маломощные (I_{ПР.СР.MAX}0,3А); средней мощности(0,3А< I_{ПР.СР.MAX}10A); большой мощности(I_{ПР.СР.MAX}>10А). По частоте: низкочастотные(f_MAX<10^3Гц); высокочастотные(f_MAX>10^3Гц).

В качестве выпрямительных применяются также диоды, выполненные на выпрямляющем контакте металл-ПП(диоды Шотки). В отличие от диодов с ЭДП диоды Шотки имеют меньшее значение U_ПР(0,4В) и способны работать на высоких частотах.

Рис. 1 Рис. 2

Рис. 3 Рис. 4

 

Полупроводниковые стабилитроны. Назначение, ВАХ и основные параметры. Схема простейшего стабилизатора напряжения на стабилитроне и принцип его работы.

ППС наз. ПП прибор, напряжение которого в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения. Рабочим участком электрического пробоя на обратной ветви ВАХ (рис.3.2,а).

Схема простейшего стабилизатора напряжения на стабилитрон приведена на рис.3.2,б. При изменении входного напряжения U_ВХ изменяется ток I_СТ, протекающий через стабилитрон, и напряжение на ограничительном резисторе R_ОГР, а напряжение стабилитроне и на нагрузке при этом остаётся постоянным.

Основными параметрами стабилитронов являются:

I_CT.MIN-минимально допустимый ток стабилизации, при котором электрический пробой становится устойчивым и обеспечивается заданная надёжность работы;

I_CT.MAX-максимально допустимый ток стабилизации, при котором достигается максимально допустимая рассеиваемая мощность P_MAX.

r_ст=dU_CT/dI_CT-дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке стабилизации. Чем меньше r_ст, тем выше стабилизирующие свойства стабилитрона.

Рис. 1

Рис. 2

Варикапы. Назначение вольт-фаратная характеристика. Схема включения варикапа в колебательный контур для изменения его резонансной частоты.

Варикапом наз. ППД, в котором использ. зарядной(барьерной) ёмкости от значения обратного напряжения. Варикапы исп. в электронных устройствах в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью.

Основной характеристикой варикапа явл. вольт-фарадная характеристика, показанная на рис.3.3,a

На рис.3.3,б. приведена схема включения варикапа в колебательный LC-контур. При изменении напряжения U, являющегося обратным для варикапа, изменяется его ёмкость. В результате изменяется ёмкость контура C_K=CC_В/(С+С_В),что приводит к изменению резонансной частоты.f₀=1/(2vLC_K).Если выбрать С>>С_В,то C_KC_В и f₀=1/(2vLC_В).

Основными специальными параметрами варикапов являются:

С_В-номинальная ёмкость, измеренная при заданном обратном напряжении;

K_С-коэффициент перекрытия ёмкости, определяемый отношением емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения.

 

Рис. 1

Рис. 2

 

Туннельные диоды. Энергетическая диаграмма при прямом и обратном включениях. ВАХ. Пояснить появление на ВАХ участка с отрицательным сопротивлением.

Туннельный эффект наблюдается при контакте двух ПП p- и n- типов с высокими концентрациями примесей, вследствие чего уровень Ферми ПП р-типа WФР… Энергетическая диаграмма туннельного диода в состоянии равновесия показана на… При дальнейшем увеличении UПР перекрытие указанных энерг. уровней уменьшается, что приводит к уменьшению туннельного…

Общие сведения о биполярных транзисторах (БТ). Структурные схемы БТ типов р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения.

БТ наз. ПП электропреобразовательный прибор с двумя взаимодействующими между собой электрич. переходами и тремя выводами и пригодный для усиления мощности. В БТ эл. ток создаётся как основными, так и неосн. носителями заряда. Электрич. переходы БТ образованы тремя областями с чередующимся типом проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов. В микроэлектронике в основном используются тр. n-p-n типа.

Структура БТ n-p-n типа показана на рис. 4.1,а. Средняя обл. p-типа наз. базой. Одна из крайних областей наз. эмиттером(э.), другая-коллектором(к.). Обычно концентрация примесей в э. и к. делается значительно больше, чем в базе,т.е. n_n0>>p_p0. ЭДП, образованный между э. и базой наз. эмиттерным, а между базой и к.-коллекторным. Условное обозначение транзисторов n-p-n и p-n-p показано соответственно на рис.4.1,б и 4.1,в. Работа БТ p-n-p и n-p-n аналогичны, различие заключ. лишь в полярности подключения источников питания и направления протекания токов через электроды.

Структура БТ n-p-n типа показана на рис.4.2. Вследствие выполнения условия n_n0>>p_p0 эмиттерный и коллекторный ЭДП располагаются в основном в области базы. Часть базовой области, расположенная непосредственно между эмиттерным и коллекторным ЭДП наз. активной, а вне этих переходов-пассивной. Площадь коллекторного ЭДП делается значительно больше площади эмиттерного ЭДП.

Кристалл ПП с такой структурой в БТ дискретного исполнения помещается в герметизированный корпус, изолирующий его от воздействия внешней среды.

Рис. 1 Рис. 2

 

Статические гибридные характеристики БТ, включенного по схеме ОЭ. Функциональные зависимости. Схема для их экспериментального снятия. График семейств входных и выходных характеристик.

Статическими характеристиками транзистора наз. графические зависимости между его токами и напряжениями. Существует 6 типов систем статических характеристик, из которых практическое использование получили 3 типа: Y,Z и H.Из-за более простой реализации схемы, применяемой для экспериментального снятия характеристик, наибольшее распространение получила Н-система, в которой в качестве независимых переменных (аргументов) приняты входной ток и выходное напряжение: U_ВХ=f(I_ВХ,U_ВЫХ), (4.9) I_ВЫХ=f(I_ВХ,U_ВЫХ). (4.10) В статическом режиме эти зависимости выражаются четырьмя семействами характеристик:

Входными U_вх=f(I_вх) при U_вых=const,

Выходными I_вых= f(U_вых) при I_вх=const,

Обратной связи U_вх= f(U_вых) при I_вх=const,

Прямой передачи I_вых= f(I_вх) при U_вых=const,

Наибольшее практическое применение получили входные и выходные характеристики, выд которых зависит от способа включения БТ.

Для снятия статических характеристик БТ оэ n-p-n-типа транзистор, измерительные приборы и регулируемые источники питания включаются по схеме, показанной на рис. 4.8 Вид полученных при этом входных U_бэ=f(I_б) при U_кэ=const и выходных I_к=f(U_кэ) при I_э=const характеристик показан на рис 4.9. Характеристики имеют ярко выраженный нелинейный характер.

При U_кэ=0 (коллектор и эмиттер замкнуты) эмиттерный и коллекторный ЭДП оказываются выключенными в прямом направлении и входная характеристика представляет собой прямую ветвь ВАХ двух параллельно включенных ЭДП. При U_бэ=0 и U_кэ>0 эмиттерный ток равен нулю, вследствие чего I_Брек=0. Так как I_Б=I_Брек-I_КБО, то в цепи базы протекает ток -I_КБО , имеющий противоположное направление по отношению к направлению тока базы в рабочем режиме транзистора. При U_бэ= U'_бэ в эмиттерной цепи появляется ток I_э , создающий рекомбинационную составляющую тока базы I_Брек= I_КБО. Поскольку при U_кэ>0 коллекторный переход закрыт, то при дальнейшем увеличении напряжения U_бэ входная характеристика представляет собой прямую ветвь одного эмиттерного ЭДП. I_к=h_21БI_Б+(1+h_21Э)I_КБО

На выходных характеристиках можно выделить три области: область насыщения (заштрихованная область левее линии ОА), область отсечки (заштрихованная область ниже линии ОВ) и область активного нормального режима (не заштрихованная область между линиями ОА и ОВ).

Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзисторы.

Рис. 1

Рис. 2

Влияние температуры на статические характеристики БТ.

   

Малосигнальные h-параметры БТ, включенного по схеме ОЭ. Формулы и методика определения по статическим гибридным характеристикам.

В результате будет изменятся вх. ток, что повлечет изменение выходного тока. При малых изменениях входного сигнала изменение выходного тока будет… Связь между U и I выражается через их приращение: , где h11=UВХ/IВХ при UВЫХ=const - входное сопротивление

Определение H-параметров по характеристикам.

h11Э=UБЭ/IБ =(UБЭ''-UБЭ')/( IБ''-IБ') h12Э= UБЭ/UКЭ =(UБЭ(А)-UБЭ(D))/( 5-0) Параметры h21Э и h21Э определяются по входным характеристикам (рис. 4.11, б):

Нагрузочные характеристики транзисторных усилителей. Уравнение, методика построения.

UКЭ=ЕК-IК*RК (4,22) или IК=(EК-UКЭ)/RК (4,23). В этих уравнениях IК и UКЭ связаны между собой линейными зависимостями и… Выходная нагрузочная характеристика построенная по уравнениям (4,22) и (4,23) на семействе статических выходных…

Параметры режима усиления. Формулы, методика определения по статическим гибридным характеристикам в схеме ОЭ,OБ

1. Коэффициент усиления по напряжению: Kn=Vmвых/Umвх; (4.24) 2. Коэффициент усиления по току:

Факторы, ограничивающие полезную выходную мощность БТ. Определение рабочей области на выходных статических гибридных характеристиках.

Рис. 1

Особенности работы БТ в ключевом режиме. Схема, графики напряжений и токов.

Ключевым называют такой режим работы БТ, в котором он под действием входного сигнала переходит из режима отсечки (ключ разомкнут) в режим насыщения (ключ замкнут) и наоборот. Ключевой режим работы БТ широко используется в цифровых ИМС, выполненных по технологии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и ИИЛ (интегральная инжекционная логика).

При работе в ключевом режиме БТ обычно включается по схеме ОЭ. Схема простейшего ключа на БТ показана на рис. 4.27, а. Управление состоянием такого ключа осуществляется входным сигналом И_вх, задающим ток базы транзистора и напряжение на его эммитерном переходе.

Зависимость между током I_K и напряжением U_KЭ при заданных значения R_K и E_П отображена выходной нагрузочной характеристикой (рис. 4.27,б). При U_ВХ=0 и I_Б=0 и состояние транзистора определяется точкой А на рис. 4.27, б. Транзистор при этом находится в режиме отсечки и выходное напряжение и U_ВЫХE_П (ключ разомкнут).

В момент t₁, в цепь базы БТ поступает положительный импульс напряжения, смещающий эмиттерный переход в прямом направлении возникает инжекция электронов из эммитера в базу, сопровождающаяся появлением эммитерного тока и отрицательного заряда базы Q_Б. Сила эммитерного тока зависит от значения входного напряжения и создаваемого им тока базы. Эммитерный ток БТ вызывает появление коллекторного тока I_K=h_21БI_Б. С ростом тока I_Э растет и коллекторный ток. Насыщение базы подвижными носителями сопровождается уменьшением ее сопротивления. В предельном случае это сопротивление должно уменьшится до нуля, тогда I_K=E_П/P_K. Следовательно, транзистор переходит в режим насыщения. В реальных транзисторах сопротивление между коллектором и эммитером не равно 0, и режим насыщения наступает при котором токе базы I_{Б нас}, при котором в базе возникает отрицательный заряд Q_{Б нас}. Этому режиму соответствует положение точки В на выходной нагрузочной характеристике. При этом U_КЭнас=0,05...0,4 В. Если ток базы I_Б превышает ток базы I_{Б нас}, при котором наступает режим насыщения транзистора, то напряжение U_КЭнас практически не изменяется, а изменяется лишь значение заряда, накопленного в базе вследствие инжекции в нее электронов из эмиттера, являющихся в р-базе неосновными носителями. Этот заряд Q_Б тем больше, чем больше ток I_Б по сравнению с током I_{Б нас}, при котором наступает режим насыщения (рис. 4.27, в). Отношение S= I_Б/I_{Б нас} называется степенью насыщения. Чем больше S, тем быстрее устанавливается значение коллекторного тока при подаче на вход усилителя отрицательного (транзистор) импульса.

В момент t₂ U_вх=0, и инжекция электронов из эмиттера в базу прекращается. Ток базы должна бы стать равным 0, но из-за того, что в базе был накоплен избыточный заряд Q_Б, начнется "рассасывание" этого заряда, т.е. неосновные избыточные электроны из базы начнут "уходить" во внешнюю цепь. Уход электронов из базы во внешнюю цепь сопровождается протеканием тока в цепи базы, поддерживающим транзистор в открытом состоянии. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока избыточный заряд в базе Q_Б-Q_{Б нас} не уменьшается до 0. В течение этого времени токи базы i_Б и i_K будут сохранять свои значения (рис. 4.27, в). Время, в течение которого после прекращения входного сигнала, токи i_Б и i_K остаются неизменными в связи с рассасыванием накопленного в базе избыточного заряда, называется временем рассасывания t_рас. Это время тем больше, чем больше степень насыщения S. Поскольку наличие времени t_рас замедляет процесс переключения транзистора и тем самым уменьшает быстро действие всей схемы, то в ключевых устройствах стараются обеспечить амплитуду входного тока такой, чтобы создаваемая им степень насыщения БТ не превышала 1,5…2.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Схема ключа с транзистором Шотки. Пояснить причину уменьшения времени рассасывания в таком ключе.

Наибольшим быстродействием будут обладать ключевые схемы, у которых S=1, т.е. ток база которых имеет минимальное значение, при котором наступает режим насыщения. С этой целью коллекторный ЭДП транзистора шунтируют диодом Шотки, как показано на рис. 4.28, а. падение напряжения на открытом диоде Шотки не превышает 0,4 В, в то время как напряжение на эмиттерном переходе БТ составляет U_БЭ00,8 В. Так как U_БЭ= U_Б-U_Э= U_Б, поскольку U_Э =0, то при уменьшении потенциала коллектора до 0,4 В напряжение на диоде Шотки оказывается равным U_д= U_Б-U_К= 0,8-0,4=0,4 В, он оказывается в открытом состоянии и через него протекает часть входного тока, что приводит к уменьшению тока базы, т.к. I_Б=I_ВХ-I_д. БТ, у которого коллекторный переход зашунтирован диодом Шотки, называется транзистором Шотки и обозначается так, как показано на рис. 4.28, б.

Рис. 1 Рис. 2

Устройство, принцип действия, статические характеристики и параметры МДП-транзисторов с индуцированным каналом п- и р- типов.

Эти характеристики отражают зависимость тока стока от напряжения UЗИ и UСИ. Практическое применение получили статические сток-затворные и стоковые,… IC=K[(UЗИ-UЗИПОР)UСИ-0.5U^2СИ] (5.1) где К-удельная крутизна, измеряемая в… Рис. 1 Рис. 2

Устройство, принципы действия статические характеристики и параметры МДП-транзистора с управляющим р-п-переходом.

Уравнение для крутой области: IС=2IСИАЧ/IСОТС²[(UЗИОТС-UЗИ)UСИ-0,5UСИ²] Уравнение для пологой области:

Устройство, принцип действия, статические характеристики и параметры МЕП-транзисторов.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Дифференциальные параметры полевых транзисторов и методика их определения по статическим характеристикам.

или (5.4). Поскольку Iз0, то в большинстве случаев ограничиваются лишь второй функциональной зависимостью уравнений (5.4), полный дифференциал… (5.7) IC/UСИ= dIC/pUСИ=1/Ri при UЗИ=const - выходная проводимость. Чаще… Рис. 1

Работа ПТ в режиме усиления. Схема простейшего усилителя. Параметры режима усиления и методика их определения по характеристикам.

В этом режиме в выходную цепь (цепь стока) ПТ включается нагрузка, а усиливается сигнал подается во входную цепь (в цепь затвора), как показано на рис 5.12, а. На семействе стоковых характеристик строится нагрузочная прямая в соответствии с уравнением U_СИ=E_C-I_CR_K (5.9) и определяется положение исходной рабочей точки А. Как видно из рис.5.12, б, в исходном режиме (режиме покоя) для смещения р-n-перехода затвор-канал в обратном направлении необходим внешний источник Е_З=U_ЗИ0. Входное переменное напряжение практически полностью выделяется на резисторе R_З, т.к. I_З 0 и внутреннее сопротивление источника E_З также 0. Поэтому во время U_ВХ>0 результирующее обратное напряжение U_ЗИ= -Е_З+U_ВХ уменьшается по абсолютному значению, толщина канала ПТ увеличивается и увеличивается протекающий через него тока стока I_С, а напряжение U_СИ согласно формуле (5.9) уменьшается. Во время U_ВХ<0 результирующее обратное напряжение U_ЗИ= -Е_З-U_ВХ увеличивается по абсолютному значению, что приводит к уменьшению тока стока и увеличению в соответствии с (5.9) напряжения U_СИ. Таким образом, переменное входное напряжение вызывает появление переменных составляющих тока стока и напряжения U_СИ соответственно с амплитудными значениями I_mc и U_mСИ По этим значениям можно определить коэффициент усиления по напряжению K_u= U_mСИ/U_mЗИ (5.10) и полезную выходную мощность P_CP=I_СИcpU_СИcp=Imc/*U_mСИ/=0,5I_mCU_mСИ (5.11).

Рис. 1 Рис. 2

Усилители на ПТ с одним источником питания. Расчет элементов схем для обеспечения заданного режима работы усилителей на МДП-транзисторах и ПТ с управляющим р-n-переходом.

Как видно из рис.5.12, а и принципа работы ПТ с управляющим p-n-переходом (см. п. 43) полярность напряжений Е_З и Е_С противоположны, поэтому требуется два источника. Но можно обойтись и одним, включив в цепь истока дополнительный резистор (рис.5.13, а) R_H.

Протекающий через него ток стока в режиме покоя создает на этом резисторе напряжение U_Rн, которое через резистор R_З прикладывается между затвором и истоком, смещая р-n-переход затвор-исток в обратном направлении. При этом возникает отрицательная обратная связь (ООС) по току, уменьшающая коэффициент усиления каскада. Чтобы этого не происходило, резистор R_Н шунтируют конденсатором С_Н такой емкости, чтобы его сопротивление переменному току для заданной частоты

Х_Сн=1/nС_И=1/(2fC_И)

было значительно меньше сопротивления резистора R_Н. В усилителе на МДП-резисторах полярности напряжении на стоке и затворе в режиме покоя совпадают, поэтому необходимое напряжение U_ЗИ0 в режиме покоя обеспечивается с помощью делителя напряжения, подключенного к источнику Е_С (5.13, б). Задавшись некоторым током делителя I_Д, сопротивление резистора R₂ для обеспечения необходимого напряжения U_ЗИ0 рассчитывают по формуле

R₂=U_ЗИ0/I_Д (5.12)

, а сопротивление резистора R₁ - по формуле

R₁=(Е_С-U_ЗИ0)/I_Д

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Инвертoр на МДП-транзисторах с индуцированным каналом. Схема, графики входного и выходного напряжения. Уровни выходного напряжения U0 и U1.

В цифровых устройствах широко используются инвертируемые усилители (рис. 5.14) управляемые сигналами высокого U^1 и низкого U^0 уровней (рис. 5.15)

U_ВХ= U_ЗИ< U_{ЗИ ПОР}

VT-закрытый U_СП=Е_П=U1

U_ВХ= U_ЗИ= U1 прибл = Е_П

VT-октрыт

R_{КОН ОТКР} << R_С

U_СП=U0<< Е_П

Рис. 1 Рис. 2

Этапы изготовления полупроводниковых ИМС, обеспечивающие формирование в кристалле полупроводника транзисторной структуры.

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Интегральные транзисторы n-p-n и p-n-p. Способ увеличения коэффициента передачи тока h21Э транзистора типа p-n-p. Многоколлекторный транзистор.

Рис. 1

Интегральные многоэмиттерые транзисторы. Структура. Схема включения МЭТ в цифровых устройствах.

В цифровых ИМС широко применяются многоэмиттерные транзисторы (МЭТ), не имеющие аналогов в дискретном исполнении. Они имеют несколько эмиттеров, объединенных базовой областью (рис.6.5, a). Эти эмиттеры располагаются так, что прямое их взаимодействие через базу практически исключено. Условное обозначение 3-х эммитерного транзистора показано на рис.6.5, б. Включение МЭТ в цифровых схемах осуществляется по схеме, показанной на рис.6.6. На эмиттерных входах МЭТ могут действовать напряжения только 2-х уровней: высокого U^1E_П либо низкого U^00,2В.

Если на всех эмиттерных входах действуют напряжения высокого уровня U^1 (рис.6.6, а), то эмиттерный ЭДП закрыты, а коллекторный - открыт. МЭТ работает в активном инверсном режиме и через него протекает коллекторный ток I_K, являющийся током базы транзистора VT₂. Под действием этого тока транзистор VT₂ открывается и переходит в режим насыщения.

Если хотя бы на одном из эмиттерных входов действует напряжение низкого уровня U^0(рис.6.6, б), этот эмиттерный переход откроется и через него потечет весь ток базы I_K МЭТ. МЭТ окажется в режиме насыщения, при котором U_КЭ10,2 В. Следовательно, к базе транзистора VT₂ будет приложено напряжение U_Б2=U_КЭ1+U^00,2+0,2=0,4 В. Этого напряжения недостаточно для отпирания эмиттерного перехода транзистора VT₂ и он будет находиться в закрытом состоянии, при котором его эмиттерный I_Э2 и коллекторный I_К2 токи близки к нулю.

Рис. 1

Рис. 2

Интегральные транзисторы с инжекционным питанием. Структурная и эквивалентная схемы. Принципа работы.

Рис. 1

Диоды, резисторы и конденсаторы полупроводниковых ИМС.

В качестве резисторов в полупроводниковых ИМС применяются базовые слои транзисторной структуры (рис.6.8, а), канала МДП-транзисторов при… В качестве конденсаторов полупроводниковых ИМС используют зарядные (барьерные)… Рис. 1

Пленочные и гибридные ИМС, их отличительные особенности от полупроводниковых ИМС.

Рис. 1 Рис. 2

Полупроводниковые приемники излучения. Фоторезистор, устройство, принцип действия, схема включения, основные характеристики и параметры.

Фотоприемники - это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии- оптического излучения в электрическую энергию Функции фотоприемников могут выполнять фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т. д. Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо согласовывать спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприемников

Работа фотоприемников основана на одном из трех видов фотоэлектрических явлений:

• внутреннем фотоэффекте изменении электропроводности вещества при его освещении,
• внешнем фотоэффекте - испускании веществом электронов под действием света (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах),
• фотоэффекте в запирающем слое- возникновении ЭДС на границе двух материалов под действием света

Фоторезисторы

Фоторезистор обладает начальной проводимостью 0, которую называют темновой,. Под действием света в полупроводнике генерируется избыточные подвижные… Характеристики и параметры фоторезистора: ВАХ представляет собой … Параметрами фоторезистора являются: Темновое сопротивление - сопротивление фоторезистора при отсутствии…

Полупроводниковые приемники излучения. Фотодиод, устройство, принцип действия, схема включения.

Фотоприемники - это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии- оптического излучения в электрическую энергию Функции фотоприемников могут выполнять фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т. Д. Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо согласовывать спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприемников. Работа фотоприемников основана на одном из трех видов фотоэлектрических явлений:

• внутреннем фотоэффекте изменении электропроводности вещества при его освещении,
• внешнем фотоэффекте - испускании веществом электронов под действием света (используется в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах),
• фотоэффекте в запирающем слое- возникновении ЭДС на границе двух материалов под действием света

Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода Отличие состоит в том, что его p-n-переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны (рис. 7.4) Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов

• без внешнего источника электрической энергии - вентильный, фотогенераторный или фотогальванический режим,
• с внешним источником электрической энергии - фотодиодный или фотопреобразовательный режим

Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис 7.5. При отсутствии светового потока на границе p-n-перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока I_ДИФ и I_ДР, которые уравновешивают друг друга. При освещении p-n-перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т е за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p-n-перехода неосновные носители заряда n-области -дырки - переходят в p-область, а неосновные носители заряда p-области электроны - в n-область Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком I_Ф Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в p-области, а электронов - в n-области Это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото ЭДС

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении. При отсутствии светового потока под действием обратного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратной ток , который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока При освещении фотодиода кванты света выбивают электроны из валентных связей полупроводника Увеличивается поток неосновных носителей заряда через p-n-переход Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи обедненного слоя и тем больший фототок, определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод. Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n-перехода уменьшается) Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n-перехода) от температуры. Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом ВАХ будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода. При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь ВАХ, прямые же ветви практически совпадают. В квадранте III фотодиод работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV- в фотовентильном режиме, т. е. фотодиод становится источником электрической энергии Квадрант I - это нерабочая область для фотодиода, в этом квадранте p-n-переход смещен в прямом направлении. Параметрами фотодиодов являются:

• Темновой ток I_T- начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10 20 мкА дли германиевых и 1 2 мкА для кремниевых диодов)
• Рабочее напряжение U_P- номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме U_P=10 30 В
• Интегральная чувствительность S_ИНТ, показывающая, как изменяется фототок при единичном изменении светового потока
• Граничная частота f_ГР - частота, при которой интегральная чувствительность уменьшается в раз (f_ГР =10^6 10^12 Гц)

 

Рис. 1 Рис. 2

Полупроводниковые приемники излучения. Фототранзистор, устройство, принцип действия, схема включения, выходные характеристики.

Фотоприемники

Работа фотоприемников основана на одном из трех видов фотоэлектрических явлений: внутреннем фотоэффекте изменении электропроводности вещества…

Фототранзисторы

Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут иметь p-n-p- и n-p-n-структуру Конструктивно фототранзистор выполнен так, что световой поток… Напряжение питания на фототранзистор подают, как и на обычный биполярный… Энергетические и спектральные характеристики такие же, как у фотодиода

Полупроводниковые источники излучения. Светоизлучающие диоды. Оптопары.

Светодиод

При приложении прямого напряжения UВН к p-n-переходу происходит диффузионный перенос носителей через переход Увеличивается инжекция дырок в… Внешний квантовый выход является интегральным показателем излучательной… Основными характеристиками светодиодов являются: ВАХ Различие прямых ветвей ВАХ из разных полупроводниковых…

Оптопары

В качестве оптоканала (ОК) может использоваться воздух, стекло, пластмасса, волоконнооптические материалы. Средой ОК (ее прозрачностью можно управлять с помощью внешнего УУ (устройства… Важным свойством оптопар является их способность усиливать эл. сигналы по напряжению, току и мощности, а так же полная…