Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Дипломный проект 128 страниц, 29 рисунков, 34 таблиц, 33 источников, 11 листов графического материала.

СВЕТОДИОДЫ, ДЕГРАДАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ, УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ, КОНСТРУКЦИЯ, ПЕЧАТНЫЙ УЗЕЛ, НАДЁЖНОСТЬ, ТЕХНОЛОГИЯ.

Объектом разработки является специализированная установка для изучения степени деградации гетероструктур СИД. Представлены: конструкция установки, удовлетворяющие требованиям технического задания.

Цель проекта - разработать конструкцию лабораторной установки в рамках эскизного проекта и блока УФ подсветки, произвести расчёты надёжности, теплообмена, собственной частоты печатного узла, технико-экономического обоснования проекта и БЖД.

В ходе работы над дипломным проектом было проанализировано техническое задание. Выполнен аналитический обзор по деградационным явлениям в гетероструктурах СИД и методам их изучения, с целью выявления конструктивных требований на установку, разработана схема электрическая принципиальная блока УФ подсветки, подобрана элементная база, спроектированы конструкция устройства и печатная плата, проведены необходимые конструкторские расчёты, технико-экономическое обоснование и разработаны меры по охране труда при производстве установки.

Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2003. Графические материалы - в системах автоматизированного проектирования Компас-3D V12, Altium Designer, Solid Works 2010.

THE ABSTRACT

The degree project pages 128, 29 drawings, tables 34, 33 source, 11 sheets of graphic material.

LEDs, DEGRADATION PHENOMENA, DEVICE CONTROL, CONSTRUCTION, PRINTING UNIT, SECURITY, TECHNOLOGY.

The object is to develop a specialized unit for studying the degree of degradation of the LED heterostructure. We present the construction of the installation that meet the requirements of the specification.

The aim of the project to develop a design laboratory setting within the framework of conceptual design and block UV light, to produce estimates of reliability, heat transfer, the natural frequency of the printhead, the feasibility of the project and BC.

While working on the degree project was evaluated on the technical task. Performed an analytical review of the degradation phenomena in heterostructures and LED methods their study, to identify construction-setting requirements for the installation, a scheme for electric fundamentally block UV light, selected element base, construction designed devices and printed circuit board designer, conducted the necessary engineering calculations, feasibility study and develop measures designed to protect labor in the production plant.

An explanatory note is made in a text editor, Microsoft Office Word 2003. Graphics - in computer-aided design Compass-3D V12, Altium Designer, Solid Works 2010.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

РАДИОКОНСТРУКТОРСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на дипломный проект «Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов»

Этап работы: эскизный проект

2012

1 Наименование и область применения

Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов, применяется в области научных исследований.

2 Основание для разработки

Задание на дипломный проект. Приказ № 4012, ТУСУР, кафедра КУДР.

3 Цель и назначение разработки

3.1 Разработка имеет целью создание конструкции специализированной установки для контроля качества и степени деградации гетероструктур и определения оптимальных режимов работы СИД.

3.2 Разработка выполняется с применением САПР.

3.3 Изделие предназначено для научно-исследовательских работ.

4 Источники разработки

4.1 Проект ГПО КУДР-1003 Изучение деградации светодиодных гетероструктур методом измерения ВАХ в области микротоков

4.2 Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спектроскопии. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука». 1976 г.

4.3 Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. М.: Горячая линия - Телком, 2005. - 768 с.: ил.

5 Технические требования

5.1 Состав изделия и требований к конструкции устройства

5.2 Установка собирается из стандартной аппаратуры с разработкой необходимой оснастки. Блок питания ультрафиолетовой лампы должен быть выполнен в покупном корпусе.

5.2.1 В корпусе должны быть предусмотрены разъёмы для проводов питания.

5.2.2 Печатный узел (ПУ) должен быть выполнен на жёсткой односторонней печатной плате (ОПП).

5.2.3 Площадь ПП выбирается на усмотрение разработчика. Класс точности проводящего рисунка - 1 по ГОСТ 23751-86.

5.3 Технические показатели

Параметры оптического канала установки:

Апертура 0,17 для МИМ-7;

Фокусное расстояние 23,2 мм для МБС-10;

Оптическое увеличение общее до 5000 раз;

Площадь исследуемого образца от 0,1х0,1 мм до 10х10 мм

Параметры блока УФ подсветки:

Напряжение питания 220 В

Частота питающей сети 50 Гц

Максимальный ток нагрузки 5 А

Напряжение на лампе 16-25 В

Параметры канала измерения ВАХ светодиода:

Допустимое напряжение питания: 10 - 30 В;

Максимальный ток, подаваемый на светодиод: 200 мА;

Минимальный шаг приращения тока: ~1 мА;

Длительность импульса тока в импульсном режиме измерения: 0.4 мс;

Диапазон измеряемых температур: 0-100 оС;

5.4 Требования к надёжности

5.4.1 Срок службы изделия - 20 000 ч.

5.4.2 Время непрерывной работы - 8 ч.

5.4.3 Значения вероятности безотказной работы прибора в течение срока службы и времени непрерывной работы по 5.4.1, 5.4.2 должны быть определены в процессе разработки и подлежат согласованию с Заказчиком. Средняя наработка на отказ уточняется в процессе разработки на стадии эскизного проекта.

5.5 Условия эксплуатации

Условия эксплуатации должны отвечать следующим требованиям по ГОСТ 16962-71.

По вибрационным нагрузкам степень жёсткости I диапазон частот 1-35 Гц, максимальное ускорение 0,5 g;

По ударным многократным нагрузкам степень жёстокости I ускорение не более 15 g длительность удара 2-15 мс;

По одиночным ударным нагрузкам степень жёсткости I ускорение более 4 g, длительность удара 40-60 мс;

По линейным (центробежным) нагрузкам степень жёсткости I ускорение равно 10 g;

По температуре воздуха при эксплуатации степень жёсткости I - нижнее значение плюс 1оС;

По температуре воздуха при эксплуатации степень жёсткости I - верхнее значение плюс 40оС;

По температуре воздуха при транспортировке и хранении степень жёсткости I нижнее значение минус 50оС;

По температуре воздуха при транспортировке и хранении степень жёсткости I верхнее значение плюс 50оС.

5.6 Требования к технологичности

Общая трудоёмкость изделия должна быть минимальной: уточняется в процессе разработки изготовления макетов на стадии разработки рабочей документации опытного образца.

5.7 Требования к уровню унификации и стандартизации

В изделии должны быть максимально использованы конструктивные решения, используемые промышленностью. Разработка и применение оригинальных деталей подлежит согласованию с заказчиком.

5.8 Эстетические и эргономические требования

5.8.1 Конструкция должна соответствовать общим требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.007.0 - 75 - «Эстетические и эргономические требования».

5.8.2 Компоновка органов управления, контроля и настройки; конструкция передней должна соответствовать современным требованиям эргономики и технической эстетики.

6 Экономические показатели

Себестоимость изделия должна быть минимально возможной.

7 Стадии и этапы разработки

Стадия разработки - эскизный проект.

8 Материалы, предъявляемые по окончании работы

8.1 Пояснительная записка с подробной проработкой следующих вопросов:

1) аналитический обзор;

2) анализ ТЗ;

3) определение состава установки;

4) определение последовательности измерений и испытаний;

5) описание работы установки;

6) конструкторские расчёты;

7) технологическое обоснование;

8) технико-экономическое обоснование проекта;

9) разработка вопросов охраны труда при производстве;

10) список использованных источников;

8.2 Прочие документы (схемы, чертежи и т. п.):

1) структурная схема установки;

2) демонстрационный лист (внешний вид и состав установки);

3) демонстрационный лист (автоматизированного построителя ВАХ);

4) схема электрическая принципиальная блока питания УФ лампы;

5) схема сборочного состава блока питания УФ лампы;

6) печатный узел блока питания УФ лампы - сборочный чертёж;

7) сборочный чертёж блока питания УФ лампы;

8) чертежи отдельных деталей;

9) технологическая схема сборки;

10) экономическая часть.

8.3 Требования к предъявляемым материалам

Все предъявленные материалы должны соответствовать требованиям действующих стандартов, методических указаний по дипломному проектированию и образовательным стандартам ОС ТУСУР 6.1 - 97.

8.4 Макеты

Оптический блок, блок УФ подсветки, автоматический построитель ВАХ.

Содержание

Обозначения и сокращения

1. Введение

2. Аналитический обзор

3. Анализ технического задания

3.1 Определение состава установки

3.2 Определение последовательности измерений и испытаний

3.3 Описание работы установки

3.3.1 Описание конструкции и работы оптического канала

3.3.2 Тепловизионный блок

3.3.3 Описание блока электрических измерений

3.3.4 Схема измерения в области микротоков

3.3.5 Автоматизированный построитель ВАХ

3.3.6 Описание работы блока УФ подсветки

3.4 Проектирование ПУ

3.4.1 Схемотехнические требования к ПУ

3.4.2 Конструктивные ограничения на ПУ

3.4.3 Эксплуатационные ограничения на ПУ

3.4.4 Выбор типа ПП

3.4.5 Технологические ограничения на ПУ

4. Конструкторская часть

4.1 Описание электрической принципиальной схемы ПУ

4.2 Выбор принципа проектирования ПУ

4.3 Определение вариантов установки ЭРЭ.

4.4 Определение габаритных размеров ПП.

4.5 Расчет собственной частоты печатного узла

4.6 Расчет надежности печатного узла

4.7 Описание конструкции блока питания

4.8 Оценка теплового режима

5. Технологическая часть

5.1 Выбор класса точности проектирования ПП.

5.2 Выбор шага координатной сетки.

5.3 Выбор группы жесткости

5.4 Выбор способов защиты устройства от внешних воздействий

5.5 Выбор материала основания.

5.6 Расчет элементов печатного рисунка

5.6.1 Определение размеров отверстий

5.6.2 Определение размеров металлизированных отверстий

5.6.3 Определение размеров неметаллизированных отверстий

5.6.4 Выбор формы контактных площадок

5.6.5 Определение размеров контактных площадок

5.6.6 Определение ширины печатных проводников

5.6.7 Расчет расстояния между элементами печатного рисунка

5.7 Анализ возможности автоматизированной сборки печатного узла.

5.8 Выбор технологического процесса сборки ПУ

5.9 Расчёт технологической трудоёмкости сборки и монтажа ПУ

6. Технико-экономическое обоснование НИР

6.1 Оценка ЭТУ

6.2 Расчёт трудоёмкости проекта по работам и исполнителям

6.3 Расчёт сметной стоимости проекта

6.3.1 Затраты на приобретение материалов

6.3.2 Расходы на амортизацию оборудования

6.3.3 Расчет затрат на аренду помещения

6.3.4 Затраты на электроэнергию

6.3.5 Основная и дополнительные заработные платы

6.3.6 Отчисления в фонд оплаты труда на социальные выплаты

6.3.7 Затраты, выполняемые сторонними организациями

6.3.8 Прочие непредвиденные расходы

6.3.9 Накладные расходы

6.3.10 Смета затрат на проектирование

6.4 Калькуляция себестоимости опытного образца

6.4.1 Затраты на комплектующие материалы

6.5 Маркетинговое сопровождение разработанного продукта

6.6 Оценка эффективности разработанного проекта

7. Вопросы безопасности жизнедеятельности

7.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

7.2 Требования и защитные мероприятия в области БЖД

7.2.1 Требования к освещенности рабочего места

7.2.2 Требования к естественному освещению

7.2.3 Требования к искусственному освещению

7.2.4 Расчет естественного освещения

7.2.5 Расчет искусственного освещения

7.2.6 Микроклимат

7.2.7 Требования по шуму

7.2.8 Защита от ионизирующего излучения

7.2.9 Электробезопасность

7.2.10 Требования к разрабатываемому устройству

7.3 Инструкция по охране труда

7.3.1 Рабочее место

7.3.2 Организация труда и отдыха при работе с ПЭВМ

7.4 Техника безопасности

7.4.1 Основные правила безопасной работы

7.4.2 Оказание помощи, при поражении электрическим током

8. Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Приложение Б

РКФ ДП.411733.100 ЭП Установка для комплексного исследования СИД

РКФ ДП.436111.100 Блок питания (спецификация)

РКФ ДП.687281.100 Печатный узел (спецификация)

РКФ ДП.687281.100 ПЭ3 Печатный узел. Перечень элементов

Уменьшенные копии документов:

РКФ ДП.436111.100 ВО Вид общий

РКФ ДП.436111.100 СБ Сборочный чертеж

РКФ ДП.436111.100 Э3 Схема электрическая принципиальная

РКФ ДП.687281.100 СБ Печатный узел. Сборочный чертеж

РКФ ДП.758736.100 Плата печатная

РКФ ДП.411733.100 Д1 Технико-экономическое обоснование

РКФ ДП.687281.100 Д2 Схема сборочного состава

РКФ ДП.687281.100 Д3 Технологическая схема сборки

РКФ ДП.411733.100 Д4 Внешний вид и состав установки

РКФ ДП.411733.100 Д5 Автоматизированный построитель ВАХ

РКФ ДП.411733.100 Э1 Электрическая схема установки

Графический материал: На СD-диске в конверте на обороте обложки

РКФ ДП.436111.100 ВО Вид общий

РКФ ДП.436111.100 СБ Сборочный чертеж

РКФ ДП.436111.100 Э3 Схема электрическая принципиальная

РКФ ДП.687281.100 СБ Печатный узел. Сборочный чертеж

РКФ ДП.758736.100 Плата печатная

РКФ ДП.411733.100 Д1 Технико-экономическое обоснование

РКФ ДП.687281.100 Д2 Схема сборочного состава

РКФ ДП.687281.100 Д3 Технологическая схема сборки

РКФ ДП.411733.100 Д4 Внешний вид и состав установки

РКФ ДП.411733.100 Д5 Автоматизированный построитель ВАХ

РКФ ДП.411733.100 Э1 Электрическая схема установки

Обозначения и сокращения

СИД - светоизлучающий диод

СДУ - светодиодное устройство

ЭЛ - электролюминесценция

ВАХ - вольтамперная характеристика

SEM - растровая электронная микроскопия

FIB - фокусированный ионный пучок

AFM - атомно-силовая микроскопия

GaN - нитрид галлия

AlN - нитрид алюминия СИД - светоизлучающий диод

МОГФЭ - металлорганическая газофазная эпитаксия

ППИ - полупроводниковые изделия

КПД - коэффициент полезного действия

ЭМП - электромагнитные помехи

УФ - ультрафиолет

КД - конструкторская документация

УИР - учебно-исследовательская работа

ОКР - опытно-конструкторские работы

НИР - научно-исследовательская работа

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

УИТ - управляемый источник тока

ОУ - операционный усилитель

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

БП - блок питания

ЭРИ - электрорадиоизделие

РЭС - радиоэлектронное средство

ОПП - односторонняя плата

ИМС - интегральная микросхема

ФУ - функциональный узел

ПК - персональный компьютер

БИС - большая интегральная микросхема

СБИС - сверхбольшая интегральная микросхема

КП - контактная площадка

ДПП - двухсторонняя печатная плата

МПП - многослойная печатная плата

ПП - печатная плата

ЭРЭ - электрорадиоэлемент

СМИ - средства массовой информации

ДРШ - дуговая ртутная шаровая лампа

ТЗ - техническое задание

ПУ - печатный узел

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина

БЖД - безопасность жизнедеятельности

САПР - система автоматизированного проектирования

ЛАТР - лабораторный автотрансформатор

ТКН - температурный коэффициент напряжения

ЭТУ - эксплуатационно-технический уровень

UART - универсальный асинхронный приёмопередатчик

МИМ-7 - микроскоп металлографический

МБС-10 - микроскоп бинокулярный стереоскопический

ДЗП - дополнительная заработная плата

ОЗП - основная заработная плата

ОВПФ - опасные и вредные производственные факторы

КЕО - коэффициент естественной освещённости

1. Введение

Стремительное развитие технологии производства светоизлучающих структур в последние годы привело к значительным успехам в области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов, серийно производимых кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов, позволяющих создавать источники излучения с любыми необходимыми характеристиками для различных сфер применения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его пространственного распределения и с возможностью получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов на основе этих структур в качестве источников света для различных устройств. Однако, имеют место некоторые проблемы при изготовлении как самих гетероструктур, так и светодиодов на их основе, которые до сих пор недостаточно исследованы. Отсутствие методов комплексного решения этих проблем на стадии производства излучающих кристаллов и технологии их сборки в светодиодах существенно ограничивает применение готовых приборов в большинстве устройств специальной сигнализации (светофоры, световая сигнализация [1]), в устройствах ответственного применения с повышенной степенью надёжности (судовое, шахтное и аварийное освещение) и в устройствах стратегического назначения (военная и космическая техника). Наиболее значимой из всего спектра существующих проблем является проблема изменения (деградации) всего комплекса первоначальных параметров излучающих структур и светодиодов в целом. На практике это проявляется в виде изменения значений некоторых характеристик устройств с исполнительной частью на светодиодах, приводящее к искажению визуального восприятия информации человеком.

Важной особенностью полупроводниковых источников света является то, что они, в отличие от традиционных ламп, через 50-100 тысяч часов не выходят из строя. Наблюдается лишь постепенное снижение их светового потока [1-3].

В настоящее время производители светодиодов имеют цель - повысить эффективность светодиодов и снизить их стоимость.

Увеличение эффективности выхода света может быть реализовано различными способами: усовершенствованием качества материалов, улучшением структуры чипа и технологии его формирования, текстурированием поверхности, улучшением свойств подложки и т.д. Однако это требует больших дополнительных капиталовложений и времени.

Снижение стоимости света может быть достигнуто увеличением плотности тока, проходящего через светодиодный чип. Если зависимость квантового выхода от прямого тока падает линейно до определенного значения тока без насыщения, то поток света, исходящий от одного эмиттера с тем же самым размером чипа, может быть повышен в несколько раз при более высоких значениях токов.

Приборы на основе нитрида галлия являются, в настоящее время, наиболее перспективными для создания осветительных ламп благодаря большой ширине запрещенной зоны и высокой теплопроводности. Эти свойства обеспечивают возможность повышения рабочих токов, допустимой рабочей температуры и получение большой яркости света.

Вместе с тем, стремление к дальнейшему повышению выхода светового потока неизбежно приводит к увеличению прямого тока через кристалл полупроводника, и как следствие, увеличению тепловыделения.

Вследствие этого, использование мощных светодиодов связано с потенциальной возможностью чрезмерного увеличения температуры перехода, от которой напрямую зависят надежность и световые характеристики СИД. При условии соблюдения рекомендованных производителем тепловых режимов, срок службы СИД может достигать 10 лет. Нарушение же теплового режима (обычно это работа с температурой перехода более 120...125°С) может привести к снижению срока службы до 10 раз [2]. Кроме того, повышение температуры перехода приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны СИД, что негативно влияет на качество цветного изображения светодиодных дисплеев [1,2].

Улучшение качества основных параметров СИД идет в основном по пути применения современных технологических процессов, совершенствования материалов и структур, а также по пути разработки оптимальных конструктивно-технологических решений. В тоже время проблема деградации СИД остается актуальной и, несмотря на непрекращающиеся исследования этого явления, многие вопросы остаются открытыми и требуют своего решения [6]. Сложность проблемы состоит в том, что параметры и характеристики СИД на основе многокомпонентных растворов в сильной степени зависят от метода и технологии изготовления, типа и концентрации легирующей примеси, структурных дефектов и целого ряда других факторов. СИД деградируют и во время работы.

Известно [1-4], что деградация интенсивности электролюминесценции СИД, полученная при более высокой плотности тока, превосходит значения, наблюдаемые при низкой плотности тока даже при более высокой температуре окружающей среды. Это свидетельствует о том, что основной причиной деградации интенсивности электролюминесценции гетероструктур является повышенная плотность тока, а не окружающая температура. Эти факты следует иметь в виду при эксплуатации СИД на повышенных плотностях тока.

Сделанные оценки деградации при наработке в 10000 часов при повышенных значениях плотности тока и температуры показывают [2], что именно увеличение плотности тока более существенно влияет на деградацию кристаллов на основе InGaN/GaN-гетероструктур, так как приводит к неравномерному распределению температуры в гетероструктуре и, как следствие, локальному перегреву её активной области.

Кроме того, для СИД, работающих при высоких уровнях возбуждения, особую остроту приобретает проблема отвода выделяемого тепла и прецизионного контроля температуры активной области. При этом существенно знать не усредненную температуру, рассчитанную на основе тепловых сопротивлений, а детальную картину распределения температурных полей, так называемый температурный «mapping» [7].

Эти факты необходимо учитывать для определения оптимального режима работы, как при разработке светодиодов, так и при проектировании светодиодных устройств.

Как мы видим, процессы деградации СИД весьма непросты. Изучение же этих процессов даёт ключ к увеличению надёжности СИД, к созданию таких диодов, в которых процессы деградации будут значительно слабее. Уменьшив процессы деградации СИД мы сможем повысить их КПД. Сможем увеличить максимальный ток, при котором светодиоды ещё не будут деградировать. Установление связи между скоростью деградации важнейших параметров светодиодов в процессе наработки с величинами этих параметров до наработки, в перспективе, даёт возможность количественно предсказывать срок службы светодиодов ещё на стадии производства.

Анализ известных результатов исследований деградации светодиодов и методов её изучения, а также особенности современного производства привели к идее проведения комплексного эксперимента, в котором проводятся измерения максимально возможного количества параметров и характеристик светодиодов с целью установления их взаимосвязи и взаимозависимости в процессе наработки.

Этому и посвящена данная работа - созданию комплексной установки для исследования деградации СИД.

2. Аналитический обзор

В мощных светодиодах поверхность кристалла имеет большую площадь, что неизбежно приведет к неравномерному распределению плотности светового потока по диаграмме излучения, что еще больше проявляется при деградации [1- 4, 6].

Нельзя не коснуться цветовых характеристик. Совершенно очевидно, что чем больше площадь кристалла, тем труднее нанести слой люминофора, пропорциональный плотности излучения в каждой точке [2].

Известно, что наиболее резкие и большие по амплитуде изменения свойственны светодиодам с наибольшими показателями эффективности. Очевидно, что это обусловлено именно перераспределением плотности потока.

Как уже говорилось выше, выделение электрической мощности в активной области структуры приводит к ее разогреву. Особенностью СИД, усложняющей их тепловое моделирование, является действие различных механизмов тепловой обратной связи в структурах прибора, которые приводят к изменению исходного распределения источников тепла в структуре [5]. В результате распределения температуры, плотности тока и мощности становятся неоднородными.

Кроме этого, производство и эксплуатация СИД всегда сопровождается появлением макродефектов, то есть отклонений электрофизических или теплофизических параметров локальной области структуры от номинальных значений больше допустимого уровня. Наличие дефектов приводит к появлению локальных перегревов и перераспределению плотности тока и мощности в структуре.

Известно, что для температур плавления GaN (~2800°С) характерны высокие равновесные давления азота, что препятствует выращиванию совершенных кристаллов GaN из расплава. Обычная плотность дислокаций в кристаллах нитридов достигает 107ч1010 см-2. Вследствие этого базовые структуры для создания приборов на основе GaN получают при помощи гетероэпитаксиального осаждения из газовой фазы или молекулярно-лучевой эпитаксией на подложках таких материалов, как: сапфир, карбид кремния или буферные слои нитрида алюминия (AlN), а в последнее время и на кремнии. Однако даже наиболее совершенные плёнки GaN имеют плотность ростовых дефектов 105 см-2 [7, 8].

Далее приведены характерные изменения в топологии зарядопереноса (теплопереноса), свечения, его яркости и инерционности в процессе работы и после испытаний светодиодов [1-4, 6, 9-11]:

Изменение картины свечения: потемнение вблизи области металлизации p- контакта, областей скопления дефектов.

Временная задержка установления картины свечения.

Планарная неоднородность инжекции тока и локальный перегрев.

Изменения спектра и квантового выхода свечения (в том числе локальные).

Как указывается в работах [4, 9-12] причины вышеперечисленных изменений связываются со следующими явлениями:

Увеличением плотности состояний на гетерогранице InGaN/GaN, образование электрического диполя, снижение потенциального барьера на границах гетерослоев.

Неоднородностью инжекции, которая в свою очередь, обусловлена диффузией и электромиграцией водорода (атомы газа носителя), индуцированной механическими напряжениями (от металлизации).

Внутренними микронапряжениями и структурными неоднородностями в гетерослоях. Наибольшие напряжения и плотность дислокаций (108 см-2) наблюдаются на гетерогранице AlGaN/GaN (МОГФЭ на сапфире).

Прорастанием дислокаций по толщине структуры.

Стеканием примесных центров (атомов индия) на дислокации, образованием проводящих шунтов в активной области прибора.

Кроме перечисленных причин возникновения неоднородностей можно выделить технологические причины [7,8,12]:

1) Несоответствие постоянных решеток подложки и нитридных слоев.

2) Наличие ростовых дефектов.

3) Несоответствие коэффициентов термического расширения подложки и нитридных слоев.

4) Флуктуации (во время роста) температуры, скорости осаждения, отношения потоков элементов.

5) Поверхностная сегрегация индия.

6) Компонентное смешивание.

Достигнутый уровень современных экспериментальных исследований позволяет, на основе комплексного применения сканирующей электронной и ионной микроскопии высокого разрешения, атомно-силовой микроскопии (FIB, SEM, AFM) и ионно-лучевого распыления, поставить задачу проведения детального анализа распределения дефектов в эпитаксиальных слоях GaN по толщине, классифицировать дефекты по размерам, определить области их повышенной концентрации и особенности формирования в отдельных зонах роста, а также предложить методы нейтрализации ростовых дефектов при постростовой обработке как в активных областях приборов (например, областях i-типа), так и в слое р-типа проводимости, к которому формируется омический контакт [13,14].

В работе [13] показано, что сочетание ионно-лучевого распыления с методами электронной микроскопии высокого разрешения (FIB, SEM, AFM), а также фотолюминесценции и контроля электрофизических параметров двух и четырёхзондовыми позволяет получить информацию о типе дефектов, их размерах, местах локализации как по толщине, так и по поверхности пленки (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1 - Классификация ростовых дефектов [13]

Тип дефекта	Характеристика дефекта	Плотность дефектов
I	Мелкие дефекты (не более 10 нм) в приповерхностных эпитаксиальных слоях p-GaN	108ч109 см-2
II	Протяжённые дефекты (до 200 нм) на всю глубину эпитаксиального слоя p-GaN	107ч108 см-2
III	Сквозные дефекты, распространяющиеся на всю глубину многослойной эпитаксиальной структуры GaN (3,5 мкм)	106ч107 см-2

Таким образом, качество гетероструктур определяется в первую очередь минимальной упругой и отсутствием пластической деформации в активной зоне, а эффективность и надежность работы приборов на основе гетероструктур зависит от локализации и концентрации примесных и структурных дефектов на гетерогранице и в рабочей области. Наличие дефектов приводит к появлению локальных перегревов и перераспределению плотности тока и мощности в структуре. Перегрев (в том числе и локальный) СИД уменьшает квантовый выход света, изменяет цветность и ограничивает максимальную оптическую мощность и срок службы.

Следует отметить, что начальные стадии деградации СИД начинаются уже в первые 100 часов работы СИД под нагрузкой [5]. Это заметно по существенным изменениям ВАХ в области микротоков. Как показано в [6], дополнительные токи утечки связаны с протяженными микродефектами, пронизывающими активную область СИД. При эксплуатации СИД под действием тока большой плотности происходит электродиффузионное перераспределение примесей в области скопления таких дефектов, что приводит к локальным изменениям, в частности, к сильному локальному нагреву, механическим напряжениям и образованию дополнительных точечных дефектов, являющихся центрами безызлучательной рекомбинации [1-3,6]. Увеличение степени безызлучательной рекомбинации, в свою очередь приведет к дополнительному локальному перегреву структуры и т.д. Такие процессы интенсивнее всего проходят под электродами и могут индуцироваться при металлизации p-контакта, так как при этой технологической операции возникают сильные механические напряжения.

Нами проведён патентный поиск по России, США и Европейским странам. Результаты представлены в приложении А.

По результатам патентного поиска можно сказать следующее: Существует много различных установок и методик для исследования деградации и тепловых процессов в СИД, но нет ни одной установки для комплексного исследования СИД. Таким образом, разработка данной установки весьма перспективна.

3. Анализ технического задания

3.1 Определение состава установки

Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов состоит из следующих частей:

1) оптический блок (МИМ-7, МБС-10);

2) персональный компьютер (ПК);

3) блок ультрафиолетовой подсветки;

4) блок измерения ВАХ;

5) тепловизионный блок;

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - УФ лампа; 2 - БП УФ лампы; 3 - МБС-10; 4 - печь; 5 - СИД;

6 - МИМ-7; 7 - Web-микроскоп; 8 - тепловизор;

9 - автоматизированный построитель ВАХ; 10 - универсальный измеритель ВАХ в области микротоков; 11 - персональный компьютер;

Рисунок 3.1 - Функциональная схема установки

3.2 Определение последовательности измерений и испытаний

1) Фотографирование поверхности кристалла СИД.

2) Фотографирование поверхности СИД в УФ свете. Определение начальной дефектности кристалла.

3) Измерение ВАХ в области микротоков. Определение степени влияния сквозных дефектов, распространяющихся на всю глубину многослойной эпитаксиальной структуры «закоротки».

4) Картина свечения поверхности СИД до испытания.

5) Измерение калибровочных ВАХ при разных температурах в режимах негреющего тока для дальнейшего определения температуры активной зоны в рабочем режиме.

6) Испытания. Совместно с НИИПП.

7) Повторение процедуры исследования СИД после испытаний.

3.3 Описание работы установки

3.3.1 Описание конструкции и работы оптического канала

Оптический канал состоит из:

1) микроскопа МИМ - 7, МБС - 10;

2) Web-микроскопа;

3) блока ультрафиолетовой подсветки;

4) тепловизора совмещённого с микроскопом;

Исследуемый образец помещается под микроскоп МИМ - 7 или МБС - 10, через Web-микроскоп изображение поверхности передаётся на персональный компьютер, где происходит дальнейшая его обработка. Перед проведением испытаний фотографируется поверхность неработающего светодиода и в рабочем состоянии, после чего включается ультрафиолетовая лампа, снимаются картины свечения во время фотолюминесценции поверхности кристалла без подачи внешнего питания. После этого происходит подсчёт количества дефектов в образце. Тепловизор используется, во время работы СИД в номинальном режиме или при повышенных токах, для определения картины локального перегрева и уточнения тепловых расчётов. С тепловизора изображение передаётся на компьютер, где происходит его обработка оператором [18, 19, 20].

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - УФ подсветка; 2 - МИМ-7; 3 - МБС-10; 4 - микроскоп; 5, 6 - Web-микроскоп; 7 - тепловизор; 8 - персональный компьютер;

Рисунок 3.2 - Структурная схема оптического блока



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.3 - Внешний вид оптического блока

3.3.2 Тепловизионный блок

Позволяет видеть картину распределения нагрева кристалла и выявлять места перегрева, которые возникают за счёт выходов дислокаций на поверхность кристалла и образования «закороток». Тепловизионный блок позволяет уточнить расчёты тепловых процессов в кристалле, которые производятся на основании данных полученных при измерениях ВАХ и обработки изображения картин свечения. На сегодняшний день данное устройство мы не изготовили. В планах собрать его с применением тепловизионной матрицы или готового блока S5IR.



Рисунок 3.4 - Тепловизионная матрица

Рисунок 3.5 - Сборка тепловизионная S5IR

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - микроскоп; 2 - тепловизионная матрица; 3 - драйвер для тепловизионной матрицы; 4 - ПК;

Рисунок 3.6 - Структурная схема тепловизионного блока

3.3.3 Описание блока электрических измерений

В электрический блок входят автоматизированный построитель ВАХ и схема измерения ВАХ в области микротоков.

Измерения в области микротоков необходимы для определения степени деградации гетероструктур СИД, так как в этой области изменения проявляются быстрей, чем при других значениях токов. Причиной такого изменения становятся сквозные дефекты, проходящие через весь кристалл, «закоротки».

Сфотографировав поверхность кристалла, проводить измерения ВАХ в области микротоков, после чего производят подсчёт выходов дислокаций на поверхности кристалла оптическим методом. Ставят диод на испытание и через некоторое время повторяют измерения. В результате получают семейство ВАХ в области микротоков при разных плотностях дефектов в кристалле, что позволяет более точно оценить степень деградации кристалла.

Автоматизированный построитель ВАХ позволяет построить семейство ВАХ во всём диапазоне рабочих токов. При этом есть возможность строить характеристики, когда кристалл нагрет до определенной температуры. Появляется возможность построить семейство калибровочных ВАХ при разных температурах и потом, во время работы СИД в номинальном режиме или при повышенных токах, определить температуру активной зоны кристалла [19].

Рассмотрим более подробно установки позволяющие реализовать данные методы.

3.3.4 Схема измерения в области микротоков

Используется схема, в цепь которой входит исследуемый образец, резистор, два вольтметра и блок питания. Схема представлена на рисунке 3.7.



Рисунок 3.7 - Схема измерения ВАХ в области микротоков

Чувствительность данной схемы можно менять с помощью резистора. Это позволяет настроить схему на необходимый интервал токов для более точных измерений [19].

3.3.5 Автоматизированный построитель ВАХ

Для исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) светоизлучающего диода (СИД) при изменении температуры окружающей среды был создан прибор для снятия ВАХ и оперативного измерения температуры, см. рисунок 3.9 [21].

Рисунок 3.8 - Структурная схема построителя ВАХ



Рисунок 3.9 - Внешний вид построителя ВАХ

Рисунок 3.10 - Главное окно программы «Построитель ВАХ»

Прибор выполнен на относительно дешевом, но в тоже время обладающем обширной периферией, микроконтроллере Atmega 16 семейства AVR, выпускаемым фирмой Atmel.

Принцип работы автоматического построителя ВАХ основан на ступенчатом увеличении тока текущего через светодиод, и измерении этого тока и напряжения падающего на светодиоде.

Ступенчатое увеличение тока, контролируемое программно, реализовано на сигнале с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), который генерируется микроконтроллером. ШИМ-сигнал интегрируется RC-цепочками, на выходе которых получаем постоянное напряжение, величина которого обратно пропорциональна скважности импульсов ШИМ-сигнала. В данном случае RC-цепочки выступают в роли простейшего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). На выходе ЦАП стоит транзистор, который основную часть времени работы устройства находится в открытом состоянии. Замыкание выходного сигнала ЦАП на землю происходит кратковременно по сигналу с микроконтроллера с периодом 700 мс. Закрывается же транзистор на 600 мкс, пропуская выходное напряжение ЦАП на управляемый источник тока (УИТ). Такой режим работы, при котором длительность горения исследуемого светодиода не превышает 600 мкс в совокупности с большой скважностью импульсов, позволяет исключить из расчетов нагрев кристалла светодиода за счет протекания через него тока.

УИТ выполнен на операционном усилителе (ОУ) и полевом транзисторе, в цепь истока которого последовательно включены измеряемый светодиод и постоянный резистор, выполняющий функцию датчика тока. Инвертирующий вход ОУ подключен к резистору и отслеживает величину тока текущего через светодиод. На неинвертирующий вход подается напряжение с выхода ЦАП. При такой схеме включения ток, текущий через светодиод прямо пропорционален напряжению на неинвертирующем входе ОУ, то есть параметры ШИМ-сигнала микроконтроллера определяют величину тока текущего через светодиод.

Напряжения с резистора и светодиода подаются на повторители напряжения, выполненные на ОУ с замкнутой цепью отрицательной обратной связи. Повторители напряжения, обладающие высоким входным сопротивлением и малым выходным, выступают в роли буферов, которые не вносят изменений во входной сигнал и согласуют его с относительно низкоомными входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллера. В микроконтроллере эти напряжения программно обрабатываются.

Для вывода информации и управления параметрами снятия ВАХ применяется персональный компьютер. Микроконтроллер имеет встроенный канал UART который позволяет микроконтроллеру обмениваться данными с компьютером посредством интерфейса RS-232, который применяется для обмена данными по COM-порту. Для согласования логических уровней микроконтроллера с логическими уровнями COM-порта применяется специализированная микросхема MAX232. С выхода этой микросхемы можно передавать данные непосредственно в COM-порт.

Однако интерфейс RS-232 все реже применяется в периферийной технике и почти полностью вытеснен более современным интерфейсом USB 2.0. Чтобы дать оператору возможность использовать построитель ВАХ на современных компьютерах, которые не имеют COM-порта, в комплект устройства введен еще один интерфейс - USB 2.0, который создается из стандартного интерфейса UART с помощью специализированной микросхемы PL-2303.

В качестве датчика температуры применяется кремниевый выпрямительный диод, обладающий постоянным температурным коэффициентом напряжения (ТКН) в диапазоне температур 0 - 100 градусов. Для того чтобы ТКН диода был постоянен необходимо, чтобы ток, текущий через диод, также был неизменным. В качестве источника тока для датчика применена схема источника стабильного тока на биполярных транзисторах. Дифференциальный усилитель, выполненный на ОУ, усиливает сигнал с датчика и передает его в АЦП микроконтроллера для обработки.

Для удобного восприятия информации оператором и управления параметрами измерения ВАХ написана программа с интуитивно понятным интерфейсом, простыми операциями управления микроконтроллером и удобными форматами вывода данных. Данные выводятся как в числовом, так и в графическом виде. [21]

Для питания узлов схемы применяются интегральные стабилизаторы постоянного напряжения. На плате имеется разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера, который позволяет в случае необходимости изменить программу устройства без демонтажа микросхемы. Технические характеристик и инструкция по эксплуатации приведены в приложении Б.

3.3.6 Описание работы блока УФ подсветки

Блок УФ подсветки состоит из лампы ультрафиолетовой ДРШ-100-2, держателя для лампы, столика с фокусировочным зеркалом для микроскопа и стабилизированного источника питания. Свет от лампы фокусируется с помощью вогнутого металлического зеркала и подаётся на исследуемый образец. Благодаря этому появляется возможность равномерно осветить гетероструктуру СИД сфокусированным пучком света, что позволяет получить яркое изображение фотолюминесценции кристалла.



Рисунок 3.11 - Лампа для ультрафиолетовой подсветки

Рисунок 3.12 - Приставка с фокусировочным зеркалом для микроскопа

3.4 Проектирование ПУ

Анализ ТЗ проводится в целях выявления схемотехнических, конструктивных, эксплуатационных и технологических требований и ограничений на ПУ.

В результате подробного анализа ТЗ должны быть найдены основополагающие конструктивно-технологические решения и сформирована схема электрическая принципиальная ПУ, состоящая только из тех ЭРЭ, которые следует разместить на печатной плате.

3.4.1 Схемотехнические требования на ПУ

Схемотехнические требования вырабатываются на основе анализа электрической схемы и электрических режимов работы ЭРЭ. Такой анализ позволяет обнаружить компоненты, ФУ и электрические цепи, определяющие особенности компоновки ЭРЭ на ПП и размещения топологического рисунка.

Анализ электрической принципиальной схемы РКФ ДП. 411733.100 Э3 показал, что наиболее нагруженной частью схемы является транзистор VT1. Так как он выступает основным элементом стабилизатора и на нём выделяется значительная мощность.

С целью улучшения теплоотведения необходимо предусмотреть установку радиатора на корпус транзистора VT1;

При этом следует увеличить ширину проводников проводящего рисунка ПП потенциальных цепей (питание и общий).

В проектируемом устройстве отсутствуют элементы, усложняющие процесс проектирования и понижающие надежность устройства:

- ЭРЭ, сопрягаемые с конструкцией корпуса устройства;

- ЭРЭ, подбираемые при настройке;

- органы оперативного управления;

- устройства индикации;

Точки, необходимые для проведения внутрисхемного контроля не предусмотрены ТЗ, поэтому введение в топологию проводящего рисунка ПП контрольных контактных площадок не требуется.

3.4.2 Конструктивные ограничения на ПУ

Габариты и конфигурация ПП по условию ТЗ выбираются разработчиком. Предварительный расчет монтажной зоны с учетом зоны краевого поля, предусматриваемого для вспомогательных целей (размещения разъемов, крепежных отверстий, зон для направляющих элементов и т.п.) показал возможность размещения ЭРЭ, определенных перечнем элементов, на площади ПП 95х95 мм.

На ПП необходимо предусмотреть четыре крепежных отверстия диаметром 3,2 мм.

3.4.3 Эксплуатационные ограничения на ПУ

Предельно допустимые условия эксплуатации для элементов ПУ, согласно перечню элементов, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Предельно допустимые условия эксплуатации элементов

№	Наименование	Вибрации	Удары	Линейные (центробежные) нагрузки, g	Температура среды, С	Повыш. атм. давл. ммртст	Пониж. атм. давл. ммртст	Отн. влаж. при 25С	Заключение
			Многократные	Однократные
		Диап. частот, Гц	Макс. ускор., g	Макс. ускор., g	Длит. удара, мс	Макс. ускор., g	Длит. удара, мс		Верх. знач.	Нижн. знач.
1	Транзистор ГТ806А	1-500	10	75	1-6	150	0,1-2	200	85	-60	200	3	98	+
2	Транзистор ГТ905А	1-2000	10	150	1-3	150	0,1-2	200	85	-60	200	3	98	+
3	Резистор Yageo	1-5000	20	150	1-3	1000	0,2-1	200	125	-60	200	3	98	+
4	Резистор R2	1-5000	20	150	1-3	1000	0,2-1	200	125	-60	200	3	98	+
5	Резистор R3	1-5000	20	150	1-3	1000	0,2-1	200	125	-60	200	3	98	+
6	Диодный мост VD1	1-3000	10	150	1-3	150	0,1-2	200	85	-60	200	3	98	+
7	Диоды VD3-VD4	1-3000	10	150	1-3	150	0,1-2	200	85	-60	200	3	98	+
8	Стабилитрон VD2	1-2000	10	75	1-3	150	0,1-2	200	85	-60	200	3	98	+
9	Конденсатор Yageo C1-C4	1-2000	20	75	1-3	1000	0,2-1	200	125	-60	200	3	98	+
10	Конденсатор Yageo C5-C6	1-5000	20	150	1-3	1000	0,2-1	200	125	-60	200	3	98	+

Предварительный анализ соответствия элементов ПУ требованиям условий эксплуатации изделия показал, что обеспечение дополнительных мер по повышению стойкости и прочности ПУ к внешним механическим и климатическим воздействиям не требуется.

Особенности схемотехнической настройки печатного узла (необходимость покаскадной, последовательной настройки, организации технологических разрывов в электрических цепях и т.д.) не предусмотрены.

3.4.4 Выбор типа ПП

Тип ПП определяется сложностью исходной электрической схемы, частотным диапазоном, назначением РЭС, необходимостью экранирования конкретных цепей. Разработчик должен стремиться к минимизации стоимости ПП, а это напрямую зависит от числа слоев.

В соответствии с ТЗ ПУ должен быть выполнен на жесткой ОПП.

Преимуществами ОПП являются простота и низкая стоимость изготовления, а недостатками - низкая трассировочная способность вследствие низкой разрешающей способности рисунка схемы, одностороннего расположения широких проводников и большого расстояния между ними. Поэтому установка ЭРИ высокой функциональной сложности крайне ограничена.

Конструкция ОПП представлена на рисунке 3.13.



Рисунок 3.13 - Конструкция ОПП:

1 - диэлектрическое основание; 2 - контактная площадка;

3 - печатный проводник; 4 - отверстие; 5 - ЭРИ;

3.4.5 Технологические ограничения на ПУ

На ПУ установлены требования в виде класса точности проводящего рисунка, он должен быть выполнен по первому классу точности. В ТЗ указано, что общая трудоёмкость изготовления должна быть минимальной. В изделие должны быть максимально применены унифицированные составные части.

4. Конструкторская часть

4.1 Описание электрической принципиальной схемы ПУ

Схема электрическая принципиальная блока питания лампы ртутной дуговой ДРШ-100-2 представлена на РКФ ДП. 411733.100 Э3.

Рассмотрим стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне, который имеет простое устройство, малое количество деталей и с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между IСТ.МИН и IСТ.МАКС. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 или их аналогов 1075Z4… 1094Z4, ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При больших токах нагрузки необходимы более мощные стабилитроны.

Рисунок 4.1 - Стабилизатор на кремниевом стабилитроне

Недостатком простейшего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют транзисторный фильтр со своеобразной следящей системой, которая в зависимости от изменения напряжения на входе фильтра или на его выходе за счет изменения тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение на выходе этого фильтра -- стабилизатора остается неизменным.

Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на рисунке 4.2 а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого включена основная нагрузка Rн.

Рисунок 4.2 - Схемы транзисторных стабилизаторов напряжения

Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем IэIк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).

Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рисунка 4.2 а видно, что напряжение на нагрузке (UH) отличается от напряжения на стабилитроне (UСТ) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе UЭБ транзистора VT, т. е. UH=UCT-UЭБ. Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку IH, и напряжения UH. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения UЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор--эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор--эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, напряжение UЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор--эмиттер и повышение напряжения на этом переходе.

Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки RH образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлением коллекторного перехода -- регулирующим.

Выходное сопротивление этого стабилизатора составляет несколько Ом, а коэффициент стабилизации примерно такой же, как у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор -- эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рисунок 4.2 б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.

При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы VT2.

Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является следующее. Напряжение на нагрузке UH отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона UCT на напряжение, падающее на переходе эмиттер--база UЭБ транзистора VT (рисунок 4.2 а), т. е. UH=UCT-UЭБ. Для германиевых транзисторов напряжение UЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых -- не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рисунке 4.2 в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор RУСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке UH вместе с напряжением на переходе эмиттер--база UЭБ транзистора VT равно напряжению UУСТ, снимаемому с переменного резистора RУСТ, т. е. UH+UЭБ=UУСT, откуда следует: UH=UУСТ-UЭБ.

...