Физические основы электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диоды Шоттки. Общие сведения. Вольтамперная характеристика

Диод Шоттки - полупроводниковый диод, выпрямляющие свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником. Диоды Шоттки, в сравнении с кремниевыми диодами, имеют меньше на 0,3ч0,5В прямое падение напряжения и на 2ч3 порядка больше обратные токи. Они обладают высоким быстродействием, т.е. малым временем перехода из проводящего состояния в непроводящее, и обратно. Преимущественное применение диодов Шоттки - низковольтные выпрямители. ВАХ диода Шоттки изображена на рис. 1.17.

Рис 1. ВАХ диода Шоттки

Стабилитрон. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Параметры стабилитрона. Стабилитрон - это полупроводниковый прибор, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Стабилитрон - это кремниевый диод с большим содержанием примесей.

Стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения. В стабилитронах при относительно небольших обратных напряжениях развивается электрический пробой (лавинный или туннельный). В этом случае изменение тока через стабилитрон происходит при почти неизменном напряжении. Если ограничить обратный ток через стабилитрон на уровне , где - максимально допустимый обратный ток через стабилитрон, то тепловой пробой не наступает и стабилитрон может работать в режиме электрического пробоя неограниченное время. На рис 2 приведено условное графическое обозначение стабилитрона на схемах электрических принципиальных. Геометрические размеры элементов изображения соответствуют геометрическим размерам элементов изображения диода. Размер d из таблицы 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 2. Обозначение стабилитрона

Основные параметры стабилитрона:

1. - напряжение стабилизации - напряжение на стабилитроне при некотором постоянном обратном токе. = 3ч100 В;

2. - минимальный ток через стабилитрон. При минимальном токе начинается устойчивый электрический пробой;

- максимальный ток через стабилитрон. При максимальном токе гарантировано не наступает тепловой пробой;

3. Дифференциальное сопротивление стабилитрона:

.

Дифференциальное сопротивление определяется для рабочего участка ВАХ стабилитрона (участка между и ) и составляет 0,5ч200 Ом;

Рис. 3. ВАХ стабилитрона

Дифференциальное сопротивление - это параметр, характеризующий

наклон рабочего участка его ВАХ. Для выбранного участка ВАХ можно определить динамическое сопротивление:

Rдин. = .

Дифференциальное сопротивление стабилитрона зависит от тока, проходящего через стабилитрон. Примерный вид зависимости приведен на рис. 4. полупроводниковый диод стабилитрон фоторезистор

Рис. 4. Дифференциальное сопротивление стабилитрона

4. Температурный коэффициент напряжения стабилизации:

%;

- относительное приращение напряжения стабилизации. ТКН численно равен относительному приращению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 градус (Кельвина или Цельсия). ТКН может быть как положительным, так и отрицательным и зависит от напряжения стабилизации. Примерный вид зависимости ТКН от напряжения стабилизации приведен на рис. 5.

Рис 5.

Уменьшить температурную зависимость напряжения стабилизации можно за счет последовательного включения стабилитрона и диода или двух стабилитронов, имеющих близкие по абсолютному значению, но противоположные по знаку ТКН. Также выполняют прецизионные стабилитроны, где температурная компенсация (уменьшение ТКН) достигается за счет выполнения на одном кристалле полупроводника двух (и более) p-n-переходов с равными, но противоположными по знаку ТКН.

Двустороннюю стабилизацию напряжения можно выполнить за счет встречного включения двух стабилитронов.

Параметрический стабилизатор напряжения на основе стабилитрона

Рис. 6

Схема параметрического стабилизатора напряжения на основе стабилитрона приведена на рис. Параметрический стабилизатор напряжения состоит из балластного резистора и стабилитрона . На схеме также показаны источник ЭДС Е, питающий схему и сопротивление нагрузки . Параметрический стабилизатор напряжения предназначен для обеспечения стабильного напряжения на нагрузке при воздействии дестабилизирующих факторов, к которым относят изменение величины ЭДС источника и величины сопротивления нагрузки.

Для левого контура схемы (рис. 6) можно записать:

;

Если ток через стабилитрон увеличивается;

Если ток через стабилитрон увеличивается;

Стабисторы. Общие сведения и основные параметры

Стабистор - полупроводниковый диод, прямое напряжение на котором мало зависит от тока, протекающего через него. При изготовлении стабисторов используется низкоомный кремний.



Рис 7.

У стабисторов напряжение стабилизации .

Температурный коэффициент , т.е. по мере роста температуры напряжение на стабисторе уменьшается.

При необходимости получения большего напряжения стабилизации, осуществляют последовательное соединение стабисторов.

Варикап

Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n перехода от приложенного обратного напряжения. Варикап используется в качестве электрически управляемой емкости. На схеме электронной принципиальной варикап обозначается следующим образом (рис. 8):

Рис. 8. Обозначение варикапа

Параметры варикапа:

1. - емкость варикапа, измеренная при фиксированном обратном напряжении на варикапе (В; Ф);

2. Коэффициент перекрытия емкости:

();

, - максимальные и минимальные емкости варикапа.

обычно равна , а - емкость варикапа при максимально

допустимом обратном напряжении.

3. Добротность варикапа:

- реактивное сопротивление варикапа на некоторой заданной частоте;

- активное сопротивление варикапа при некотором обратном напряжении В. Добротность варикапа лежит в диапазоне от 10 до 100.

Рис 9. Добротность варикапа

Рис. 10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 11

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы

Оптоэлектронные полупроводниковые приборы (ОПП) - полупроводниковые приборы, излучающие или преобразующие электромагнитное излучение в видимой инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра, а также использующие подобное излучение для внутреннего взаимодействия.

Оптическим диапазоном работы ОПП условно считают диапазон от 1мм до 1 нм. (ИК диапазон - 1мм0,78 мкм, УФ диапазон - 0,38 мкм1нм);

ОПП подразделяют:

· полупроводниковые излучатели;

· приемники излучения;

· оптопары;

· оптоэлектронные интегральные микросхемы;

Светодиоды

Светодиод - полупроводниковый диод, преобразующий электрическую энергию в энергию электромагнитного излучения в видимой инфракрасной или ультрафиолетовой областях спектра.

В качестве исходного материала при изготовлении светодиодов используют арсенид галлия (GaAs), фосфит галлия (GaP), карбит кремния (SiC).

Рис. 12. Планарная

Рис. 13. Сферическая конструкция светодиода; светодиода

Сферическая конструкция используется для получения большей поверхности светоотдачи при наименьшей потере энергии за счет ее поглощения в толще полупроводника.

Рис. 14. ВАХ светодиода

Светодиоды характеризуются ВАХ с большим прямым падением напряжения, чем на кремниевом диоде.

Светодиоды содержат p-n-переход, который смещается внешним напряжением в проводящем направлении. При прохождении через диод прямого тока в прилежащих к переходу областях полупроводника происходит рекомбинация носителей зарядов - электронов и дырок. Рекомбинация электрона и дырки (рис.) соответствует переходу электрона с электрического уровня Е_С на энергетический уровень E с меньшим запасом энергии. Так как у германия и кремния ширина запрещенной зоны сравнительно невелика (соответственно 0,72 и 1,12 эВ), то выделяемая при протекании рекомбинационных процессов энергия поглощается в основном кристаллической решеткой полупроводника. Полупроводниковые материалы светодиодов имеют большую ширину запретной зоны (например, для GaAs E=1,38 эВ). Поэтому в светодиодах часть освобождающейся энергии (при протекании рекомбинационных процессов) поглощается объемом полупроводника, а избыток излучается в виде квантов света в окружающее пространство и фиксируется зрительно.

Цвет свечения зависит от длины волны светового потока, которая в свою очередь определяется разностью энергий E_P энергетических уровней, между которыми осуществляется обмен.

Схема включения светодиода в цепь приведена на рис. 15:

Рис. 15

Сопротивление резистора определяется:

,

где - номинальный ток через светодиод, - напряжение на светодиоде при номинальном токе,- напряжение питания.

Светодиод характеризуется:

1) номинальным током (десятки миллиампер);

2) прямым напряжением (измеряется при номинальном токе и составляет 1-3,5 В);

3) максимальным рассеиванием мощности ;

4) длинной волны (на нее приходится максимум излучаемой энергии);

5) спектральной характеристикой:

6) Силой света.

Светодиоды применяют для вывода информации в микроэлектронных устройствах, в качестве различного рода индикаторов, а также в качестве источников излучения в оптронах. В последние годы разработаны так называемые сверхяркие светодиоды, применяемые в качестве источников света.

Фоторезистор

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электропроводности полупроводника под воздействием света.

Рис. 16. Обозначение фоторезистора

Рис. 17. Структурная схема фоторезистора: 1 - полупроводник, материал; 2 - подложка (керамическая пластина); 3 - металлическая пластина

Рис. 18

Если к неосвещенному фоторезистору подключить Е, то в цепи появиться небольшой ток , который называют тепловым. Этот ток обусловлен небольшим количеством носителей заряда, которые есть в полупроводнике. Ток в цепи освещенного фоторезистора существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность этих токов называется фототоком:

Фоторезистор характеризуется:

1. ВАХ:

Рис. 19

ВАХ это зависимость фототока от напряжения на резисторе при различной освещенности.

2. Энергетической (световой) характеристикой:

Энергетическая характеристика - зависимость фототока от освещенности при различных напряжениях на фоторезисторе:

Рис. 20

3. Спектральной характеристикой:

Спектральная характеристика - зависимость фототока I_Ф от длины волны света, падающего на фоторезистор.

Рис. 21

4. Постоянная времени ;

Это время, в течение которого ток фоторезистора изменяется в е раз относительно установившегося режима после освещения (затемнения).

5. Темновое сопротивление RT;

Это сопротивление затемненного фоторезистора.

6. Максимальное допустимое рабочее напряжение на фоторезисторе.

Фотодиод

Полупроводниковый фотодиод - диод, обратный ток которого зависит от освещенности. При поглощении квантов света в области р-n перехода и прилегающих областей идет генерация носителей заряда. На схеме электронной принципиальной фотодиод обозначают (рис 1.22):

Рис. 22. Обозначение фотодиода

Неосновные носители заряда образуют дрейфовый (обратный) ток, величина которого зависит от освещенности. Таким образом, фотодиоды используют при обратном напряжении.

Рис. 23

Характеристики фотодиода:

1. ВАХ

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. Интегральная чувствительность

;

Остальные характеристики аналогичные характеристикам фоторезистора. Существенным преимуществом является меньшая постоянная времени.

Оптопары

Оптопары - оптоэлектронный полупроводниковый прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, которые оптически и конструктивно связаны между собой и между которыми обеспечена электрическая изоляция.

Источник света ИС и фотоприемник ФП являются элементами оптрона. Управляющим (входным) сигналом для источника света являются входное напряжение U_вх или входной ток I_вх, а выходным - яркость свечения B_вых. В свою очередь входным сигналом для фотоприемника является падающий световой поток B_вх, а выходным - напряжение U_вых или ток I_вых, значения которых находят в соответствии с изменением интенсивности светового потока B_вх. Источник света и фотоприемник связаны между собой активной или пассивной оптической средой ОС. Следовательно, главная особенность оптрона - гальваническая развязка входной и выходной цепей и однонаправленность сигналов, что характерно для оптических линий связи.

Развязка у оптронов с чисто оптической связью практически идеальная (сопротивление изоляции может достигать 10¹²-10¹⁴ Ом, а емкость связи - 10^-2 пФ).

В качестве источников света используют фотодиоды. Наибольшее распространение в качестве фотоприемников получили в настоящее время фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры, параметры которых изменяются с освещенностью. Открытые оптические каналы, т.е. просто воздушные зазоры между источником света и фотоприемником, применяются редко. Чаще всего в качестве оптической среды используются твердые иммерсионные среды: полимерные органические соединения, халкогенидные стекла, стекловолоконные световоды. Последние обладают наиболее высокими изоляционными свойствами. Оптроны с гибкими стекловолоконными световодами по своему назначению аналогичны коротким линиям фотонной связи.

Общие параметры, характеризующие оптопары, являются:

1. Максимально допустимое напряжение, между гальванически развязанными частями.

2. Сопротивление между гальванически развязанными частями.

3. Ёмкость между гальванически развязанными частями.

Фоторезистивные оптопары характеризуются:

1) ,

где и - сопротивление фоторезистора в затемненном и освещенном состоянии.

2) ,

где и , соответственно токи источника света и выходного фотодиода.

Оптроны характеризуются входными, выходными и проходными параметрами, которые определяются структурой оптронной пары. Основными входными параметрами являются наибольшее входное напряжение U_{вх max} и наибольший входной ток I_вх.

К проходным параметрам относятся проходная емкость C_пр и сопротивление изоляции R_из, представляющие собой емкость и сопротивление между входными и выходными выводами оптрона; время включения t_вкл - отрезок времени с момента подачи импульса входного тока до момента достижения выходным током 90 % своего установившегося значения; время выключения t_выкл - время с момента прекращения прямого тока и до момента, при котором выходной ток уменьшится до 50 % от начального значения (для резисторных оптронов).

Выходные параметры определяются в основном параметрами фотоприемников, как это делается в фоторезисторах, фототранзисторах и фототиристорах.

Размещено на Allbest.ru

...