Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Тема № 2 Полупроводниковые диоды.
2.1. Общие сведения.
Полупроводниковым диодом называют прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами. Большинство полупроводниковых диодов имеет несимметричный р-п-переход, используют также переходы металл—полупроводник переходы Шоттки), p-i, n-i и другие виды переходов.
Вывод, к которому течет ток из внешней электрической цепи при прямом включении диода, называют анодным; вывод, от которого прямой ток направлен во внешнюю цепь, именуют катодым.
Область диода, имеющую большую концентрацию примесей, называют эмиттером, а область с меньшей концентрацией — базой.
2.2. Структура диода.
У диодов малой мощности (рис.1) полупроводниковый кристалл или помещают в герметичный корпус из металла, стекла, керамики (корпусное исполнение), или покрывают изолирующей смолой (бескорпусные диоды).
Пластина кристалла 1 с р-п-переходом плоскостного диода (рис. 1, а) расположена на металлическом основании 3, к которому приварен катодный вывод 2. Анодный вывод 5 соединен с пластиной 1 проводником 6. Металлическая крышка 7, сваренная с основанием 3, служит корпусом. Втулка 8 изолирована от крышки стеклянным проходным изолятором 4. Наружную поверхность изолятора покрывают светонепроницаемым лаком, чтобы свет не проникал к кристаллу.
В точечном диоде (рис. 1, б) полупроводниковый кристалл п-типа 1 припаивают к металлическому кристаллодержателю 9. В кристалл упирается острие контактной пружины 6. Острый конец ее покрывают слоем индия или алюминия, который обеспечивает формирование р-области в кристалле. На концах стеклянного корпуса 10 установлены трубки с выводами 5 и 2. Стеклянный корпус часто окрашивают для светозащиты р-п-перехода, так как действие света может увеличить обратный ток и привести к появлению фона переменного тока при освещении лампами дневного света.
У бескорпусного диода кремниевый кристалл 1 (рис. 1, в), покрытый изолирующей пленкой 11 из SiО2, залит эпитаксиальной смолой 12.
Выводы маркируют, изображая обозначение диода на корпусе прибора или на одном из ленточных выводов. При малых габаритных размерах диодов для маркировки часто используют цветовые коды — окраску концов корпуса у анодного и катодного выводов, цветные точки у выводов или метки в средней части корпуса.
Анодный вывод обычно отмечают красным цветом.
Рис. 1. Структура маломощного плоскостного (а), точечного (б) и бескорпусного (в) диодов.
2.3. Классификация.
В зависимости от используемых свойств перехода и назначения полупроводниковые диоды подраздеяют на выпрямительные, импульсные, варикапы и др.
По размерам перехода различают плоскостные диоды и точечные, в зависимости: от технологического типа перехода — сплавные, эпитаксиальные и др. (рис. 2).
Рис. 2. Виды р-п-переходов:
а – сплавной; б – диффузионный и распределение в нем примесей (в); г – плаинарные; д – эпитаксиальный; е – переход, формируемый методом ионного легирования; ж – точечный.
В зависимости от значения прямого тока различают диоды малой (Iпр< 0,3 А), средней (Iпр= 0,3÷10 А) и большой (Iпр >10 А) мощности.
Структуры, характеристики и обозначения основных видов полупроводниковых диодов в электрических схемах рассматриваются ниже. Направления изменения характеристик при увеличении температуры диодов рассматриваются ниже грелками с индексом Т°.
2.4. Выпрямительные диоды.
Общие сведения. Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Диапазон токов этих широко используемых на железнодорожном транспорте приборов весьма велик: от десятков миллиампер в устройствах железнодорожной автоматики и связи до десяти ампер в аппаратуре подвижного состава и тягового электроснабжения. Для получения большого прямого тока увеличивают площадь p-n-перехода. Поэтому многие выпрямительные диоды имеют плоскостные р-п-переходы. Однако с ростом площади перехода возрастает и его обратный ток, снижая соответственно допустимое обратное напряжение. Кроме того, увеличивается барьерная емкость, что уменьшает fmax до единицы килогерц.
Это противоречие разрешают разными методами. Уменьшают концентрацию примесей в базе диода; соответственно возрастает толщина р-n-перехода, снижается его барьерная емкость и увеличивается пробивное напряжение. Однако при этом растет и сопротивление базы, вследствие чего снижается прямой ток.
Искусственно увеличивают толщину перехода, располагая между р- и n-областями полупроводник, близкий по своим свойствам к собственному i-полупроводнику (рис 3).
Применение p-i-n-переходов позволяет снизить напряженность электрического поля перевода и повысить значение пробивного напряжения. Однако реализация p-i-n -структур усложняет технологию изготовления диодов.
Успешно разрешить противоречивые требования удалось в эпитаксиальных выпрямительных диодах со структурами п+-п-р или р+-р-п. У этих диодов p-n-переход сформирован в областях с высоким удельным сопротивлением, а область базы п+- или р+-типа содержит большую концентрацию примесей. Эпитаксиальные диоды имеют высокое пробивное напряжение, малое падение напряжения при прямом включении и сравнительно низкие значения барьерных емкостей.
Рис 3. Структура выпрямительного диода и её включение
Основные параметры. Номинальные значения токов и напряжений определяются ветвями вольт-амперной характеристики диода (рис 4): Uпр — постоянное прямое напряжение диода при заданном постоянном прямом токе Iпр; Iобр — постоянный обратный ток диода, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении Uобр.
Предельный режим работы прибора характеризуют максимально допустимые параметры, значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации. К ним относятся:
максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода Uобр мах, завышение его ведет к пробою р-п-перехода и выходу диода из строя;
максимально допустимый постоянный прямой ток диода Iпр.тах определяется условиями нагрева прибора. При кратковременном (импульсном) воздействии тока значение его может быть увеличено. Соответственно различают максимально допустимый импульсный прямой ток диода Iпр.и.mаx — ток при заданной максимальной длительности импульса; максимально допустимая средняя рассеиваемая мощность диода Pcp.д.max— средняя за период мощность, рассеивавшая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях.
Максимально допустимые параметры диода снижаются при повышении температуры (рис 4).
Тепловые свойства диода характеризуют параметры: температура перехода Тпер, определяемая критической температурой; температура корпуса Ткор, значение ее должно быть ниже Тпер для обеспечения теплоотвода; температура окружающей среды Токр — температура воздуха, измеренная вблизи диода при условии естественной конвекции и при отсутствии влияния поверхностей, излучающих тепло. Максимальная температура окружающей среды Токр мах определяется условиями необходимого теплоотвода, минимальная температура окружающей среды Токр min обусловлена ухудшением электрических и механических свойств полупроводниковых кристаллов и элементов конструкции диодов при снижении температуры; внутреннее тепловое сопротивление диода Rпер-кор — отношение разности температур между переходом и корпусом диода к мощности, рассеиваемой на диоде в установившемся режиме; общее тепловое сопротивление диода Rпер-окр— отношение разности температур между переходом и окружающей средой к мощности, рассеиваемой на диоде в установившемся режиме.
Указывают также предельную частоту fmax и показатели, характеризующие устойчивость приборов к механическим и другим внешним воздействиям.
Рис. 4. Основная характеристика выпрямительного диода, её рабочий участок, параметры
Последовательное и параллельное соединение диодов. Амплитуда обратного напряжения Uвхm, подаваемого на диод, не должна превышать его максимально допустимое обратное напряжение Uобр мах; максимально допустимый прямой ток диода должен быть больше амплитуды тока нагрузки.
Если амплитуда Uвхm превышает Uобр мах, то несколько диодов соединяют последовательно (рис. 5, а). Число последовательно соединяемых диодов
n=Uвхm кз/ Uобр, (1)
где к3—коэффициент запаса; к3=1,2÷1,4.
Многие типы полупроводниковых диодов имеют большой разброс значений обратного сопротивления rобр. Поэтому обратное напряжение распределяется неравномерно между последовательно включенными диодами. Наибольшее напряжение приходится на диод, имеющий максимальное значение rобр. что может привести к его пробою, и затем и к пробою всех диодов цепи. Для устранения этого каждый диод шунтируют высокоомным резистором Rш. Сопротивление Rш выбирают так, чтобы ток, протекающий через цепь шунтирующих резисторов, был в 5—10 раз больше обратного тока в цепи диодов. Параллельно резисторам Rш подключают резисторы Rc и конденсаторы Сш, емкость которых в несколько раз больше барьерной емкости диодов (рис.5, а). Шунтирующая R — С-цепь обеспечивает равномерное распределение обратного напряжения между диодами, но увеличивает обратный ток нагрузки, ухудшая выпрямительные свойства схемы, и повышает потери мощности.
Равномерное распределение обратного напряжения между диодами нарушается и в процессе их переключения с прямого направления на обратное. На диоде с наименьшим временем переключения первым восстанавливается высокое обратное сопротивление. Напряжение на нем быстро возрастает и может превысить максимально допустимое. Для защиты от этого применяют специальные ограничители напряжения — полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя.
Если ток нагрузки превышает максимально допустимый прямой ток диода, диоды соединяют параллельно (рис. 5, б).
Чтобы избежать неравномерного распределения тока между диодами из-за неравенства их сопротивлений, при прямом включении подбирают диоды с одинаковыми прямыми ветвями вольт-амперной характеристики или включают последовательно с каждым диодом балластные резисторы Rб.
По мере снижения разброса параметров современных диодов необходимость в балластных резисторах и шунтирующих R — С-цепях при параллельном и последовательном соединениях диодов постепенно отпадает.
Рис. 5. Последовательное (а) и параллельное (б) соединение диодов
Виды выпрямительных диодов. В выпрямителях источников питания аппаратуры железнодорожного транспорта находят применение кремниевые, германиевые и селеновые диоды малой и средней мощности. Силовые полупроводниковые вентили с токами более 10А в основном применяют на подвижном составе и в устройствах тягового энергоснабжения железных дорог.
Основой селенового диода служит алюминиевая или стальная пластина, на которую нанесен кристаллический селен р-типа. Поверхность его покрывают сплавом олова и кадмия. Кадмий, реагируя с селеном, образует слой селенида кремния. На границе этого слоя и селена возникает выпрямляющий гетеропереход. Так как селеновые диоды имеют низкие обратные напряжения и малую плотность тока, их обычно соединяют последовательно и параллельно. Достоинство селеновых диодов — способность восстанавливаться после пробоя. Он возникает не по всей площади перехода, а в отдельных местах, где из-за роста плотности тока селен плавится и переходит в аморфное соединение. Удельное сопротивление аморфного селена значительно выше, чем кристаллического, и он изолирует пробитое место перехода. Селеновые диоды устойчивы к кратковременным перегрузкам, дешевы.
Один из основных недостатков селеновых диодов — изменение параметров при хранении и эксплуатации (старение). С течением времени у них возрастают обратные токи и увеличиваются сопротивления при прямом включении. Это приводит к существенным изменениям параметров выпрямительного оборудования. Селеновые диоды в транспортной аппаратуре заменяют кремниевыми, которые
превосходят их по основным параметрам сохраняют эти параметры неизменными в течение ряда лет. В выпрямителях высокого напряжения используют выпрямительные столбы.
Они состоят из специально подобранных диодов, соединенных последовательно и
объединенных в единый корпус с двумя выводами.
2.5. Стабилитроны.
Стабилитроном называют полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне.
Стабилитроны имеют на своих вольт-амперных характеристиках участки, где напряжение почти постоянно при значительном изменении тока. Их широко применяют в стабилизаторах напряжения, а также в качестве опорных элементов в схемах, где необходимы фиксированные значения напряжения. Поэтому этот прибор иногда именуют опорными диодами.
Стабилитроны изготавливают из кремния. Германиевые диоды для стабилизации напряжения при обратном включении непригодны, так как обратимый электрический пробой у них легко переходит в тепловой. При прямом включении германиевый р-п-переход имеет малое значение Uпр, что затрудняет его применение в качестве стабистора.
Рис 6. Структура стабилитрона и её включение
Их характеризуют следующие основные параметры;
Uст — номинальное напряжение стабилизации, измеряемое при некотором среднем (номинальном) токе Iст ном (рис 7). Значение Uст определяется напряжением электрического пробоя Uп, которое зависит от степени легирования исходного кремния примесями. В случае высокой концентрации примесей имеет место туннельный пробой с напряжением Uп от 3 до 8 В, при напряжениях от 8 до 400 В и более — лавинный пробой;
Iст max, Iст min — максимально и минимально допустимые токи стабилизации. Они определяют рабочую область вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис 7). Минимальный ток определяется устойчивым началом электрического пробоя перехода
Ток Iст max ограничен началом теплового пробоя и определяется максимально рассеиваемой мощностью Iст max=Pmax/Uст. Значения Iст max составляют от десятка миллиампер до единиц ампер.
rдиф— дифференциальное сопротивление, от которого зависит изменение напряжения Uст при малом приращение тока. Чем меньше значение rдиф. тем выше качество стабилизации;
αст — температурный коэффициент стабилизации, %/°С, характеризующий влияние температуры на Uст:
αст=[Δ Uст/(UстΔT)] 100. (2)
В зависимости от вида электрического пробоя αст может быть положителен или отрицателен. Напряжение туннельного пробоя с ростом температуры уменьшается, поэтому коэффициент αст при Uст<8 В отрицателен. При лавинном пробое с увеличением температуры напряжение Uст возрастает и αст положителен. В современных стабилитронах αст имеет значения от —0, до 0,2 %/°С. Для компенсации температурного дрейфа напряжения Uст применяют последовательное соединение двух p-n-переходов с противоположными по знаку температурными коэффициентами напряжения. Один из вариантов температурной компенсации — включение последовательно со стабилитроном, работающим в лавинном пробое диода в прямом направлении. Стабилитрон, состоящий из двух соединенных навстречу друг другу р-п-переходов, называют симметричным, или двусторонним;
С — емкость стабилитрона, измеряемая между его выводами при заданном обратном напряжении. Величина С может достигать нескольких сотен пикофарад.
Рис. 7. Основная характеристика стабилитрона, её рабочий участок, параметры
2.6. Стабисторы.
Стабистором называют полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне.
Стабисторы имеют на своих вольт-амперных характеристиках участки, где напряжение почти постоянно при значительном изменении тока. Их широко применяют в стабилизаторах напряжения, а также в качестве опорных элементов в схемах, где необходимы фиксированные значения напряжения. Поэтому этот прибор иногда именуют опорными диодами.
В качестве элементов, имеющих стабильное напряжение менее 3 В, в каналообразующей аппаратуре железнодорожного транспорта используют кремниевые и селеновые стабисторы.
Рис 8. Структура стабистора и её включение
Кремниевые стабисторы характеризуются следующими основными параметрами: напряжением стабилизации, равным
контактной разности потенциалов Uк; прямыми токами стабилизации — максимальным Iст max, минимальным Iст min, а также коэффициентом αст=(0,4÷0,5) %/oС.
Недостаток селеновых стабисторов по сравнению с кремниевыми — более узкий диапазон рабочих температур (от 25 до + 55° С), достоинство — возможность выдерживать кратковременные (в течение 2—3 с) 30-кратные перегрузки прямого тока. Селеновые стабисторы имеют Uст= 0,7÷1,6 В.
Рис. 9. Основная характеристика стабистора, её рабочий участок, параметры
Применение стабилитронов и стабисторов. Наиболее часто стабилитроны отменяются в схемах стабилизации напряжения. Простейшая схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения представляет собой делитель напряжения из резистора Rорг, стабилитрона VD, параллельно которому включена нагрузка Rн (рис. 10, а).
Напряжение источника питания
Е=(Iст +Iн) Rорг+Uст, (3)
в режиме стабилизации
Iн= Uст/Rн. (4)
Тогда можно записать:
Е=Iст Rорг+Uст(1+Rорг/Rн). (5)
Уравнение (5) определяет нагрузочную прямую стабилитрона: при Iст=0 Uст=E/(1+Rорг/Rн); при Uст=0 I= E/ Rорг.
Координаты рабочей точки 0 пересечения нагрузочной прямой с вольт-амперной
характеристикой стабилитрона (рис. 10, б) определяют ток и напряжение прибора при заданных значениях напряжения источника питания Е и сопротивлений Rорг и Rн.
При изменении Е нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе. Пока рабочая точка 0 располагается в пределах рабочего участка характеристики ab, напряжение на нагрузке стабилизировано.
Перспективной областью применения, опорных диодов являются также ограничители и формирователи импульсов. Так, два стабилитрона, включенные встречно, оказывают стабилизирующее действие в течение каждого полупериода переменного входного сигнала, если амплитуда входного напряжения превышает сумму Uст+Uпр стабилитронов. На выходе этой схемы двухстороннего ограничения могут быть получены симметричные импульсы. Эффективно здесь использование двусторонних стабилитронов (рис. 10, в).
При переходе из режима пробоя в область запирания и наоборот в стабилитроне отсутствуют явления, обусловленные накоплением и рассасыванием зарядов носителей. Это повышает быстродействие стабилитронов.
Опорные диоды находят применение в качестве индикаторов напряжения, источников постоянного напряжения в цепях транзисторных усилителей и стабилизаторов железнодорожной автоматики и связи.
Рис. 10. Стабилитроны в схемах стабилизации постоянного напряжения (а) и двустороннего ограничения напряжения (в); построения, поясняющие действие схемы стабилизации (б)
2.7. Варикапы.
Варикап — это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости р-п-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Варикапы, предназначенные для использования в диапазоне сверхвысоких частот в параметрических усилителях, называют параметрическими диодами.
Рис 11. Структура варикапа и её включение
Рис. 12. Основная характеристика варикапа, её рабочий участок, параметры
Варикапы включают в обратном направлении (рис. 13, а), так как при прямом смещении емкость р-п-перехода шунтируется его малым сопротивлением. Последовательно с варикапом включают высокоомный резистор R. Он уменьшает шунтирование емкости варикапа внутренним сопротивлением источника питания.
К варикапам предъявляется ряд требований: обеспечение высокой добротности прибора; максимальный диапазон изменения емкости при изменении обратного напряжения; повышение максимальной емкости.
Эти требования определяют следующие основные параметры варикапов:
Смах — максимальная емкость варикапа, зависящая от барьерной емкости Сбо при U= 0. Значение емкости Смах составляет от десятков пикофарад (у высокочастотных варикапов) до десятков тысяч пикофарад (у низкочастотных). Для повышение Смах увеличивают площадь р-п-перехода и степень легирования его примесями; Кс — коэффициент перекрытия по емкости — отношение емкостей варикапа при двух заданных значения обратных напряжений. Обычно определяют максимальное значение Кс-Cmax/Cmin. Здесь Cmin— минимальная емкость варикапа, ограничиваемая обратным допустимым напряжением перехода Uo6p max. Значение Кс составляем от 4 до 30. Высокие значения Кс получают, применяя переходы с неравномерно распределенными примесями, концентрации которых в р- и п-областях снижаются по мере удаления от перехода;
Q — добротность, определяемая отношением реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при за данном значении емкости или обратного напряжения. Значение Q составляет от нескольких десятков до нескольких сотен. Определяют Q из эквивалентной схемы р-п-перехода при обратном включении, принимая Ск=Lк=Сд - 0:
Q=1/(ωСб rб+1/ωСб rдиф.обр), (6)
где Сб— барьерная емкость перехода
rдиф.обр — дифференциальное сопротивление перехода при обратном включении;
rб — сопротивление р- и п-областе (базы) структуры.
Добротность варикапа зависит от частоты. (рис. 13, б). На низких частотах хсб>>rб поэтому величиной rб в выражении (6) можно пренебречь и тогда
Qн≈ωСб rдиф.обр (7)
На высоких частотах хс<<rб и в этом случае
Qв≈1/ωСб rб. (8)
Максимальная добротность Qmax (см. рис. 4.7, б) соответствует частоте ωопт, при которой dQ/dω= 0:
Qmax=0,5 (rдиф.обр/rб)1/2. (9)
Таким образом, для обеспечения высокой добротности варикап должен иметь максимальное значение отношения rдиф.обр/rб. повышения rдиф.обр используют полупроводники с широкой запрещенной зоной — кремний, арсенид галлия. Для уменьшения rб повышают концентрации примесей в р- и п-областях, но при этом снижается напряжение пробоя и ограничиваются пределы изменения емкости. Чтобы разрешить это противоречие, т. е. получить высокую добротность при достаточно большом коэффициенте перекрытия, используют структуры р+-п-п+-типа с двухслойной базой (см. рис 11). Высокоомный п-слой малой толщины обеспечивает увеличение напряжения пробоя.
Из выражений (7) и (8) следует, что для повышения Q низкочастотные варикапы должны иметь большие значения Сб, а высокочастотные варикапы — малые;
ωmin÷ ωmax—рабочий диапазон частот варикапа, определяемый минимально допустимой добротностью Qmin (рис. 13, б); αсб =ΔСб/(Сб ΔТ)— температурный коэффициент емкости, характеризующий относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды ΔT.
Варикапы широко используют в качестве электрически управляемых конденсаторов переменной емкости для настройки резонансных систем радиоприемных устройств, генераторов, в различных устройствах автоматической подстройки частоты, параметрических усилителях, для умножения несущей частоты и в других устройствах систем железнодорожной радиорелейной связи.
Рис. 13. Варикап: а — схема включения; б — зависимость добротности от частоты
2.8. Обращенные диоды.
Общие сведения. Туннельные и обращенные диоды содержат более высокие концентрации примесей (1018—1018 см-3) го сравнению с другими типами полупроводниковых приборов. Увеличение степени легирования ведет к снижению прямого тока и уменьшению напряжения пробоя. При концентрации примесей 1018 см-3 вольт-амперная характеристика р-п-перехода представляет собой как бы перевернутую (обращенную) характеристику обычного перехода (рис 14). Соответвующий ей диод, проводимость которого при обратном напряжении значительно меньше, чем при прямом, называют обращенным.
Рис 14. Структура обращённого диода и её включение
Принцип действия туннельного и обращенного диодов базируется на туннельном эффекте — явлении перехода электрона через потенциальный барьер, высота которого превышает кинетическую энергию электрона. В твердом теле у потенциального барьера (например, у p-n-перехода) при Т>0 К имеет место тепловое движение электронов и соответственно существует очень малая, но конечная вероятность туннелирования электронов через барьер.
Эта вероятность резко возрастает и туннельный эффект проявляется при реализации трех условий, а именно: малой толщине потенциального барьера порядка 0,01—0,02 мкм; высокой напряженности электрического поля 106 — 107 В/см; наличии в той области, куда переходит электрон, вакантного места на энергетическом уровне, соответствующем энергии электрона.
Рассмотрим, как реализуются эти условия в туннельном диоде. Во-первых, вследствие большой концентрации примесей р-п-переход туннельного диода весьма узок. При Na=Nд=1019 см-3 его толщина составляет около 0,01 мкм.
Во-вторых, увеличение концентрации примесей ведет к росту потенциального барьера, поэтому напряженность поля р-п-перехода туннельного диода при U=0 составляет 107 — 108 В/см.
Чтобы выяснить, как реализуется в туннельном диоде третье условие проявления туннельного эффекта, рассмотрим зонную модель его р-п-перехода (рис. 15, а). Увеличение концентрации примеси приводит к усилению взаимодействий между ее атомами, их энергетические уровни расщепляются, занимая определенную зону, ширина которой увеличивается с ростом концентрации примеси.
При высокой концентрации примесей возрастает вероятность появления электронов в зоне проводимости п-полупроводника и дырок в валентной зоне р-полупроводника. Уровни Ферми, расположенные у обычных п-и р-примесных полупроводников в запрещенной зоне, смещаются в зону проводимости и валенную зону. Полупроводник становится вырожденным. Над зонной модели р-п-перехода при U=0 зона проводимости n-полупроводника перекрывается с валентной зоной р-полупроводника (см. рис. 15, а). Ширина зоны прекрытия составляет ΔWпер. В ней возможно проявление туннельного эффекта.
Основные параметры. Различают три группы параметров. Первая группа — параметры, определяющие основные точки вольт-амперной характеристики (см. рис 16 и рис. 15, б) Iп— пиковый ток в точке максимума вольт-амперной характеристики (значение его составляет от единиц до десятков миллиампер); Iв — ток впадины в точке минимума вольт-амперной характеристики: Uп — напряжение пика, соответствующее току Iп; Uв — напряжение впадины при токе Iв; Iп/Iв — отношение пикового тока к току впадины, значение его составляет от 3 до 30 и характеризует, насколько выражен участок с отрицательным сопротивлением; Uпп — напряжение на второй восходящей части вольт-амперной характеристики,, соответствующее току Iп.
Вторая группа параметров связана с эквивалентной схемой диода и его частотными свойствами: rдиф— дифференциальное отрицательное сопротивление; С — емкость диода, равная 10—100 пф; L — индуктивность диода, обусловленная выводами прибора; fmах — максимальная частота, до которой активная составляющая полного сопротивления эквивалентной схемы диода остается отрицательной.
Третья группа — предельные параметры: Iпр мах, Uпр мах, Iобр мах, Uобр мах, соответствующие максимально допустимым значениям токов и напряжений на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики; Рмах— максимально допустимая рассеиваемая мощность диода.
В качестве параметров обращенного диода используют данные прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики (рис 16).
Туннельные и обращенные диоды имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными диодами:
малую инерционность, обусловленную отсутствием при туннельном эффекте накопления и рассасывания неосновных носителей. Время переключения туннельных диодов составляет 10-11 с; их предельная частота может достигать десятков гигагерц;
высокую термостойкость, обусловленную ростом при увеличении степени легирования критической температуры до 200° С у германиевых диодов, до 400° С у кремниевых;
низкий уровень шумов, что обеспечивает высокую чувствительность приемных устройств;
малые габаритные размеры и массу;
простоту и универсальность электронных схем на туннельных диодах.
Области применения. Туннельный диод — активный двухполюсник. Благодаря отрицательному сопротивлению вольт-амперной характеристики он способен выполнять разнообразные функции активного элемента электронной схемы. Так, принципиальная схема включения туннельного диода в режиме нагрузки (рис. 15, в)в зависимости от напряжения питания Е и сопротивления R может работать как усилитель, генератор и переключатель переменного входного сигнала Uвх.
Нагрузочные характеристики, поясняющие принцип работы туннельного диода в схеме линейного усилителя с ограниченной амплитудой входа, показаны на рис. 15, г. При R < | rдиф|и Е<Uв, небольшое переменное напряжение Uвх вызывает появление большего переменного напряжения Uвых на нагрузке R. Если сопротивление R>| rдиф|и Е>Uв, рассматриваемая схема становится переключателем; точки его устойчивого равновесия определяются пересечением нагрузочной прямой с восходящими ветвями вольт-амурной характеристики.
Рис. 16. Основная характеристика обращённого диода, её рабочий участок, параметры
Обращенные диоды используют в качестве детекторов, ограничителей и переключателей сигналов малой амплитуды СВЧ диапазона.
Рис. 15. Туннельный диод:
а – зонная модель при U=0; б – составляющие тока вольт – амперной характеристики; в – схема включения в режиме нагрузки; г – построения, поясняющие применение туннельного диода как усилителя
2.9. Туннельные диоды.
Общие сведения. Туннельные и обращенные диоды содержат более высокие концентрации примесей (1018—1018 см-3) го сравнению с другими типами полупроводниковых приборов. Увеличение степени легирования ведет к снижению прямого тока и уменьшению напряжения пробоя. При концентрации примесей 1018 см-3 вольт-амперная характеристика р-п-перехода представляет собой как бы перевернутую (обращенную) характеристику обычного перехода (рис 17). При концентрации примесей 1019 см-3 происходит качественный скачок – в прямой ветви вольт – амперной характеристики появляется участок отрицательной дифференциальной проводимости – увеличение напряжения сопровождается уменьшение тока. Такие диоды именуют туннельными.
Рис 17. Структура туннельного диода и её включение
Принцип действия туннельного и обращенного диодов базируется на туннельном эффекте — явлении перехода электрона через потенциальный барьер, высота которого превышает кинетическую энергию электрона. В твердом теле у потенциального барьера (например, у p-n-перехода) при Т>0 К имеет место тепловое движение электронов и соответственно существует очень малая, но конечная вероятность туннелирования электронов через барьер.
Эта вероятность резко возрастает и туннельный эффект проявляется при реализации трех условий, а именно: малой толщине потенциального барьера порядка 0,01—0,02 мкм; высокой напряженности электрического поля 106 — 107 В/см; наличии в той области, куда переходит электрон, вакантного места на энергетическом уровне, соответствующем энергии электрона.
Рассмотрим, как реализуются эти условия в туннельном диоде. Во-первых, вследствие большой концентрации примесей р-п-переход туннельного диода весьма узок. При Na=Nд=1019 см-3 его толщина составляет около 0,01 мкм.
Во-вторых, увеличение концентрации примесей ведет к росту потенциального барьера, поэтому напряженность поля р-п-перехода туннельного диода при U=0 составляет 107 — 108 В/см.
Чтобы выяснить, как реализуется в туннельном диоде третье условие проявления туннельного эффекта, рассмотрим зонную модель его р-п-перехода (рис. 15, а). Увеличение концентрации примеси приводит к усилению взаимодействий между ее атомами, их энергетические уровни расщепляются, занимая определенную зону, ширина которой увеличивается с ростом концентрации примеси.
При высокой концентрации примесей возрастает вероятность появления электронов в зоне проводимости п-полупроводника и дырок в валентной зоне р-полупроводника. Уровни Ферми, расположенные у обычных п-и р-примесных полупроводников в запрещенной зоне, смещаются в зону проводимости и валенную зону. Полупроводник становится вырожденным. Над зонной модели р-п-перехода при U=0 зона проводимости n-полупроводника перекрывается с валентной зоной р-полупроводника (см. рис. 15, а). Ширина зоны прекрытия составляет ΔWпер. В ней возможно проявление туннельного эффекта.
Основные параметры. Различают три группы параметров. Первая группа — параметры, определяющие основные точки вольт-амперной характеристики (см. рис 18 и рис. 15, б) Iп— пиковый ток в точке максимума вольт-амперной характеристики (значение его составляет от единиц до десятков миллиампер); Iв — ток впадины в точке минимума вольт-амперной характеристики: Uп — напряжение пика, соответствующее току Iп; Uв — напряжение впадины при токе Iв; Iп/Iв — отношение пикового тока к току впадины, значение его составляет от 3 до 30 и характеризует, насколько выражен участок с отрицательным сопротивлением; Uпп — напряжение на второй восходящей части вольт-амперной характеристики,, соответствующее току Iп.
Вторая группа параметров связана с эквивалентной схемой диода и его частотными свойствами: rдиф— дифференциальное отрицательное сопротивление; С — емкость диода, равная 10—100 пф; L — индуктивность диода, обусловленная выводами прибора; fmах — максимальная частота, до которой активная составляющая полного сопротивления эквивалентной схемы диода остается отрицательной.
Третья группа — предельные параметры: Iпр мах, Uпр мах, Iобр мах, Uобр мах, соответствующие максимально допустимым значениям токов и напряжений на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики; Рмах— максимально допустимая рассеиваемая мощность диода.
В качестве параметров обращенного диода используют данные прямой и обратной ветвей вольт-амперной характеристики (рис 18).
Туннельные и обращенные диоды имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными диодами:
малую инерционность, обусловленную отсутствием при туннельном эффекте накопления и рассасывания неосновных носителей. Время переключения туннельных диодов составляет 10-11 с; их предельная частота может достигать десятков гигагерц;
высокую термостойкость, обусловленную ростом при увеличении степени легирования критической температуры до 200° С у германиевых диодов, до 400° С у кремниевых;
низкий уровень шумов, что обеспечивает высокую чувствительность приемных устройств;
малые габаритные размеры и массу;
простоту и универсальность электронных схем на туннельных диодах.
Области применения. Туннельный диод — активный двухполюсник. Благодаря отрицательному сопротивлению вольт-амперной характеристики он способен выполнять разнообразные функции активного элемента электронной схемы. Так, принципиальная схема включения туннельного диода в режиме нагрузки (рис. 15, в)в зависимости от напряжения питания Е и сопротивления R может работать как усилитель, генератор и переключатель переменного входного сигнала Uвх.
Нагрузочные характеристики, поясняющие принцип работы туннельного диода в схеме линейного усилителя с ограниченной амплитудой входа, показаны на рис. 15, г. При R < | rдиф|и Е<Uв, небольшое переменное напряжение Uвх вызывает появление большего переменного напряжения Uвых на нагрузке R. Если сопротивление R>| rдиф|и Е>Uв, рассматриваемая схема становится переключателем; точки его устойчивого равновесия определяются пересечением нагрузочной прямой с восходящими ветвями вольт-амурной характеристики.
Рис. 18. Основная характеристика туннельного диода, её рабочий участок, параметры
Однако практическое использование туннельных диодов встречает трудности — сложность разделения цепей входного и выходного сигналов, необходимость применения стабильных источников питания и др. Взаимозаменяемость туннельных диодов затруднена из-за большого разброса их параметров. Поэтому туннельные диоды в основном используют в схемах генераторов, усилителей и преобразователей в диапазоне сверхвысоких частот.
2.10. Импульсные диоды.
Импульсным диодом называют полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы.
Рис 19. Структура импульсного диода и её включение
Импульсная схема простейшего диодного ключа имеет два состояния (рис. 20, а). Они соответствуют режимам замкнутого (при U > 0) и разомкнутого (при U < 0) ключа. Для импульсных схем характерен быстрый переход из одного состояния в другое. Длительность управляющих импульсов tи составляет 10-3-10-10 c. При уменьшении tи выходные сигналы искажаются (рис. 20, б). Причина этого — инерционность полупроводниковых диодов, обусловленная процессами накопления и рассасывания в них носителей при изменении величины внешнего напряжения.
Различают два вида переходных процессов: при включении диода в прямом направлении из равновесного состояния— установление прямого напряжения; при переключении диода из прямого направления в обратное — восстановление обратного сопротивления. Каждый из этих процессов характеризуют соответствующие параметры импульсных диодов.
Рассмотрим вначале процесс установления прямого напряжения. Пусть в момент времени t0 напряжение на диоде скачком изменяется от 0 до значения Uпр (см. рис. 20, а). Область р-типа постепенно заполняется инжектированными электронами, а п-типа — дырками. Изменение избыточных концентраций электронов и дырок представлено на рис.20, в для следующих друг за другом моментов времени tl,t2, t3. Этот процесс соответствует формированию (заряду) диффузионной емкости. Сопротивление диода снижается, а ток возрастает до значения Iпр, определяемого рабочей точкой вольт-амперной характеристики диода для данного прямого напряжения Uпр (см. рис. 20, б).
При подаче на диод импульсов прямого тока в первый момент после включения наблюдается выброс напряжения (рис. 20, г). Он обусловлен повышенным падением напряжения на диоде до тех пор, пока инжектированные носители не понизят его сопротивление.
Этот процесс характеризуют временем установления прямого напряжения tycт, равным интервалу времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на диоде, равного 1,2 Uпр (см. рис. 20, г). Значение tycт составляет для импульсных диодов 10-11—10-8 с.
Далее рассмотрим переключение диода с прямого направления на обратное. Пусть в момент tи подаваемое на диод напряжение скачком изменяется от значения Uпр до Uобр. Начинается рассасывание объемных зарядов инжектированных неосновных носителей, что соответствует разряду диффузионной емкости перехода (рис. 20, д). Пока концентрации избыточных неосновных носителей вблизи р-п-перехода не снизятся до равновесных значений пр и рп, градиенты их концентраций у р-п-перехода велики. Соответственно велик и обратный ток Iобр.и. Его значение ограничиваете лишь сопротивлением нагрузки Iобр.и=Uобр/Rн. Этот период времени соответствует первой стадии переходного процесса восстановления обратного сопротивления.
Когда концентрации электронов и дырок вблизи перехода становятся близки к нулю, наступает вторая стадия переходного процесса. По мере рассасывания зарядов неосновных носителей обратный ток постепенно уменьшается до своего установившегося значения I0, определяемого вольт-амперной характеристикой (см. рис. 20, б).
Напряжение на р-n-переходе после переключения не может измениться скачком из-за накопленного заряда носителей. В течение некоторого времени на переходе сохраняется напряжение, соответствующее прямому смещению. По мере ухода электронов из р-области и дырок из п-области их концентрации на границе р-n-перехода падают, достигая равновесных значений пр и рп (см рис. 20, д). В этот момент напряжение на переходе снижается до нуля, а затем начинает возрастать обратное напряжение до значения Uобр.
Переходные процессы при переключении диода с прямого направления на обратное характеризуют временем восстановления обратного сопротивления диода tвос. Время восстановления определяют как интервал времени, прошедший с момента изменения полярности напряжения источника питания до момента, когда обратный ток достигнет заданного низкого значения Iвос. Для диодов высокого быстродействия Iвос=0,1 Iпр (здесь Iпр — ток при прямом включении).
При увеличении прямого тока большие заряды неосновных носителей накапливаются вр-и n-областях, и tвос возрастает. С увеличением Uобр и Iобр растет скорость рассасывания неосновных носителей, и tвос снижается. При малой длительности импульса (tи <τр) накопление носителей не успевает завершиться и поэтому tвос уменьшается. Большая длительность фронта запирающего импульса снижает броски обратного тока и уменьшает величину tвос.
Рис 20. Импульсные диоды:
а— изменение тока при воздействии на диод напряжений Unp,Uобр;в — распределение носителей при включении диода в прямом направлении; г— изменение напряжения при воздействии импульса прямого тока; д — распределение носителей при процессе переключения диода с прямого направления на обратное
Параметры импульсных диодов. Кроме общих параметров, приведенных, свойства импульсных диодов характеризуют рассмотренные выше времена tвос и tуст, а также заряд переключения диода Qпр, определяемый как часть накопленного заряда, вытекающая во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратное. Указывают также максимальные импульсные прямой и обратный токи и барьерною емкость при заданном напряжении обратного смещения.
2.11. Фотодиоды.
Двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним р-п-переходом, вольт-амперная характеристика которого зависит от воздействующего на него светового потока, называют фотодиодом (ФД). Он представляет собой пластину полупроводникового материала (германия или кремния) с областями электронной и дырочной проводимости, разделенными р-п-переходом. Пластина помещена в герметичный корпус, имеющий окно из прозрачного материала для проникновения к ней света. Иногда в этом окне располагают собирательную стеклянную линзу.
В зависимости от конструкции ФД световой поток направлен параллельно и перпендикулярно плоскости р-п-перехода. Фотодиоды включают в обратном направлении (рис 21). Если нет освещения (Ф= 0), ФД аналогичен обычному диоду, включенному в обратном направлении. При освещении прибора (Ф > 0) в его р- и п-областях начинается разрыв ковалентных связей и образование пар носителей заряда —электронов и дырок. Наиболее интенсивен процесс генерации носителей у внешней поверхности кристалла. В областях ФД возрастает число как основных, так и неосновных носителей. Относительное увеличение концентрации основных носителей невелико, и ее можно считать практически неизменной. Относительный прирост концентрации неосновных носителей оказывается значительно больше. Это ведет к существенному увеличению обратного тока. Чем сильнее световой поток, тем выше концентрации неосновных носителей вблизи перехода и тем больше ток.
Рис 21. Структура фотодиода и её включение
Ток фотодиода при Ф = const
IΣ=I0[exp(eU/кТ)-1]-кфФ. (10)
Выражение (10) отличается от известного уравнения вольт-амперной характеристики р-п-перехода дополнительным членом кфФ, учитывающим увеличение обратного тока при воздействии светового потока. Это приводит к смещению вольт-амперной характеристики p-n-перехода по оси тока на значение Iф (рис 22). Вид семейства вольт-амперных характеристик фотодиода при Ф > 0 похож на выходные характеристики биполярного транзистора в схеме ОБ. Обычно за положительное направление тока ФД принимают направление обратного тока перехода.
Если включить в цепь ФД резистор нагрузки Rн (рис 22,а), то на семействе вольт-амперных характеристик можно построить нагрузочную прямую АВ. При увеличении светового потока Ф напряжение на нагрузке растет пропорционально току. Если световой поток модулирован, падение напряжения на резисторе Rн изменяется пропорционально модулирующему сигналу. Большая чувствительность по напряжению — одно из преимуществ ФД.
Световая характеристика I (Ф) при U= const линейна в достаточно широком интервале светового потока (рис 22,б). Это выгодно отличает ФД от фоторезистора. В случае увеличения обратного напряжения расширяется р-n-переход и уменьшаются объемы р- и n-областей, меньшая часть неосновных носителей успевает в них рекомбинировать, в результате этого фототок ФД возрастает.
Спектральная характеристика кремниевого ФД (рис 22,в) имеет максимум в видимой части спектра, характеристика германиевых ФД расположена в области более длинных волн. Это обусловлено меньшей шириной запрещенной зоны германия. Фотодиод быстродействующий прибор, его инерционность в отличие от фоторезистор, практически не зависит от светового потока. Она обусловлена влиянием емкости р-п-перехода и временем диффузии к переходу генерируемых светом носителей. Большее быстродействие имеют ФД с базой на основе п-полупроводника. Граничная частота быстродействующих ФД составляет 107 Гц.
Рис. 22. Характеристики фотодиода:
а – вольт – амперная: б – световая; в – спектральная и управления
В качестве основных параметров ФД используют те же показатели, что и для других фотоприемников, — чувствительность, граничную частоту и другие.
Параметры ФД, как и других полупроводниковых приборов, зависят от температуры окружающей среды, изменение которой особенно сказывается на темновом токе германиевых ФД.
Фотодиоды имеют ряд преимуществ по сравнению с фоторезисторами: большая интегральная чувствительность, близость спектральной характеристики к чувствительности глаза, меньшая инерционность. К недостаткам ФД следует отнести нестабильность фототока.
Для улучшения основных параметров разработан ряд новых типов ФД.
Расширения частотного диапазона ФД без снижения его чувствительности достигают в р-i-n-структурах, где р- и n-области разделены слоем собственного полупроводника. Фотодиоды p-i-n имеют полосу пропускания до 1010 Гц и большие обратные напряжения до сотен вольт. Применение фотодиода Шоттки позволяет повысить быстродействие и чувствительность фотоприемника, но оставляет открытой проблему усиления фототока.
Лавинный фотодиод имеет внутреннее усиление тока, вызванное ударной ионизацией атомов полупроводника свободными электронами, ускоряемыми полем р-n-перехода. Это приводит к быстрому лавинообразному нарастанию тока. Достоинство лавинных ФД: низкий порог чувствительности, обусловленный низким уровнем шумов прибора. Лавинный ФД — быстродействующий фотоприемник, полоса его рабочих частот составляет до сотен мегагерц. Но при эксплуатации лавинные ФД требуют высокой стабильности питающего напряжения и постоянства температуры.
Дифференциальный фотодиод имеет п-р-п или р-п-р-структуру и симметричные ветви вольт-амперной характеристики. Его можно представить парой одинаковых фотодиодов, включенных навстречу друг другу (см. п 2.14.).
Фотодиоды можно применять в двух режимах: фотодиодном при подключении к ФД источника питания в обратном направлении (этот режим был рассмотрен выше) и вентильном при U= 0, тогда при освещении ФД сам преобразует часть светового потока в электрическую энергию. Э. д. с. разомкнутого кремниевого фотоэлемента составляет около 0,6 В. В основном ФД используют в фотодиодном режиме.
2.12. Светодиоды.
Излучающий полупроводниковый прибор, имеющий один p-n-переход и предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения, называется светодиодом (СД).
В светодиодах используется инжекционная электролюминесценция р-п-перехода, включенного в прямом направлении. Излучение света p-n-переходом при прохождении через него прямого тока было впервые обнаружено О. В. Лосевым в 1923 г. При прямом включении перехода происходит инжекция носителей через пониженный потенциальный барьер и их рекомбинация. В процессе рекомбинации электроны переходят с высоких энергетических уровней в зоне проводимости на более низкие в валентной зоне. Разность энергий, соответствующая ширине запрещенной зоны, выделяется электроном в виде кванта тепловой энергии — фонона или кванта лучистой энергии — фотона. В первом случае происходит излучение тепловой энергии, во втором — лучистой. Электронно-дырочные переходы и полупроводниковые приборы, в которых имеет место излучение световой энергии, называют излучательными (рис. 23, а).
Рассмотрим, при каких условиях p-n-переход может быть излучательным. Длина волны видимой части светового спектра . составляет 0,4—0,7 мкм, что соответствует энергиям 1,3—1,8 эВ. Следовательно, ширина запрещенной зоны ΔW исходного полупроводникового материала в излучательном приборе должна быть более 1,3—1,8 эВ. Наиболее распространенные полупроводниковые материалы (германий и кремний) имеют ΔW <1,3 эВ, поэтому в них не наблюдается световое излучение перехода. У полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны — арсенида галлия (1,4 эВ), фосфида галлия (2,2 эВ) и карбида кремния (2,8 эВ) — вероятность излучательной рекомбинации достаточно велика, поэтому изготовляют на их основе светодиоды.
От используемого полупроводникового материала зависит и цвет свечения, определяемый длиной волны
=hc/ΔW (11)
где h — постоянная Планка;
с — скорость света;
ΔW — ширина запрещенной зоны полупроводника.
В светодиоде должен быть беспрепятственный вывод светового пучка из источника излучения (базовой области) в окружающее пространство. Базовая область часто имеет форму полусферы (рис. 23, б). Кристалл располагают в металлическом, керамическом или пластмассовом корпусе. Верхняя часть корпуса имеет стеклянную линзу — выходное окно для концентрации излучения в узкий конус.
Исходными материалами СД служат арсенид галлия (для источников инфракрасного излучения), фосфид галлия с примесями цинка и кислорода (красное свечение), фосфид галлия, легированный азотом (зеленое свечение) и карбид кремния (желтое свечение).
На основе фосфида галлия с разными примесями разработан цветосигнальный индикатор с плавно изменяющимся цветом свечения. Он имеет две дырочные области, легированные различными акцепторными примесями — цинком и азотом (рис. 23, в). Каждый из р-п-переходов имеет отдельный вывод, что позволяет получать или красное или зеленое свечение. При одновременном включении обоих переходов, регулируя ток, можно получать изменяющийся цвет свечения от зелено-желтого до желто-красного (рис. 23, д).
Вольт-амперная характеристика СД аналогична характеристике диода (рис. 23, г). Постоянное прямое напряжение 1—2 В, максимальный постоянный прямой ток составляет в зависимости от типа диода 10—100 мА. Допустимое обратное напряжение СД невелико (3—7 В). Он не рассчитан на включение в обратном направлении и подача на СД обратного напряжения с амплитудой более 2—4 В не рекомендуется.
Электромагнитное излучение СД характеризуют мощностью излучения — полной энергией, излучаемой источником во всех направлениях в единицу времени, в ваттах, и яркостью — световым потоком, испускаемым с единицы поверхности при заданном прямом токе. Единица яркости — кандела на квадратный метр, кд/м2. Яркость зависит от конструкции СД и составляет 10—50 кд/м2. Чем больше допустимый ток, тем выше яркость и мощность излучения. Светоизлучающие диоды СД мало инерционны, время их переключения составляет 10-8 — 10-9 с.
Характеристики СД имеют значительный разброс параметров и зависят от температуры. С ростом температуры яркость уменьшается, сокращается и срок службы СД. Так, при 25о С он составляет 105 ч, а при 100° С сокращается до 1000 ч. Так же сокращается срок службы СД при увеличении его тока.
Светоизлучающие диоды широко применяют в качестве световых индикаторов миникалькуляторов и электронных часов, они служат основными элементами современных оптронов. Двухцветные светодиоды перспективны для использования в устройствах железнодорожного транспорта в качестве четырехпозиционных сигнализаторов (красный — желтый — зеленый — выключено), а также в качестве оптических индикаторов скорости.
Рис. 23. Светодиоды:
схема включения; б — устройство; в — вольт-амперная характеристика; г — структура двухцветного светодиода и его эквивалентная схема (б)
2.13. Оптрон.
Оптрон (ОП) — это прибор, в котором светоизлучатель и фотоприемник оптически и конструктивно связаны друг с другом и представляют собой единое конструктивное целое.
В оптроне поступающий электрический сигнал преобразуется источником излучения в световой, передается по оптическому каналу от светоизлучателя к фотоприемнику, где он вновь преобразуется в электрический. При этом цепи входа и выхода полностью отделяются друг от друга, что необходимо для многих схем железнодорожной автоматики и телемеханики.
Источником излучения в ОП служит светодиод; в качестве фотоприемников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры (рис. 24). Если оптрон имеет один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой или элементарным оптроном.
Наиболее распространенные элементы ОП — арсенидогаллиевые светодиоды и фотоприемники из кремния. Их спектральные характеристики хорошо согласуются между собой. Согласование спектральных характеристик — одно из основных условий, обеспечивающих оптимальную передачу сигнала с входа ОП на его выход.
Оптическая среда, по которой распространяется сигнал от светодиода к фотоприемнику, должна не вносить заметные потери при передаче излучения и обеспечивать высокое сопротивление изоляции. Используют три основных варианта передающей среды: воздушный или газовый промежуток, различные согласующие среды (полимерные оптические лаки, стекло и др.) и волоконные световоды.
Волоконный световод представляет собой нить из специального прозрачного диэлектрика. Световой луч поступает в торец световода, после многократного полного отражения от боковых стенок нити он выходит с другого конца световода при малом затухании. С помощью волоконного световода можно разместить приемник на значительном расстоянии от излучателя, обеспечив их высокую электрическую изоляцию друг от друга.
Наименьшее напряжение изоляции между входом и выходом имеют ОП с тонким слоем стекла или лака (100— 1000 В). В оптронах с воздушным промежутком оно составляет 1—5 кВ и ограничено электрической прочностью корпуса. В оптронах с волоконными световодами напряжение изоляции может достигать 50—150 кВ.
Оптронную пару — излучатель и фотоприемник — или несколько оптронных пар помещают в корпус и герметизируют, обычно используют корпуса интегральных микросхем. Масса ОП в таком корпусе составляет 0,8—1,5 г.
Оптрон представляет собой четырехполюсник, свойства которого определяются входной, передаточной и выходной характеристиками. Характеристику обратной связи ОП не рассматривают из-за чрезвычайно высокой изоляции входа от выхода. Входной характеристикой ОП служит вольт-амперная характеристика его светодиода, выходной — соответствующая характеристика его фотоприемника при заданном токе на входе оптрона.
Оптроны характеризуют следующие основные параметры: коэффициент передачи тока Ki = I2/I1, представляющий собой отношение фототока приемника I2 к току излучателя I1; быстродействие, определяемое граничной частотой fгр и временами нарастания и спада выходного сигнала до уровня 50 % его амплитуды; сопротивление изоляции Rиз; проходная емкость.
Наибольшее быстродействие, но наименьший коэффициент передачи тока имеют диодные ОП, коммутацию больших токов при сравнительно низком быстродействии могут реализовать тиристорные ОП и транзисторные ОП на базе составного фототранзистора.
Влияние изменения температуры на ОП определяется температурными параметрами светодиода и фотоприемника. Для GaAs-светодиода и Si-фототранзистора эти зависимости противоположны по знаку. Уменьшение мощности излучения светодиода с ростом температуры компенсируется увеличением коэффициента усиления фототранзистора и коэффициент передачи Кi оптрона в интервале рабочих температур изменяется незначительно. Однако при увеличении температуры возрастают времена нарастания и спада импульса, это следует учитывать при эксплуатации ОП.
Современным ОП присущи некоторые недостатки: значительная потребляемая мощность из-за двойного преобразования энергии, высокий уровень собственных шумов, сложность технологии.
Рис. 24.
2.14. Условные обозначения диодов.
Рис. Условные графические обозначения диодов:
а – выпрямительные, б – стабилитрон (двухсторонние), в – стабистор (односторонние), г – варикап, д – обращённый, е – туннельный, ж – импульсный, з – фотодиод. Оптроны см. п.2.13.
2.15. Маркировка диодов
Для современных полупроводниковых диодов система обозначения установлена ОСТ 11 336.038—77. В основу данной системы положен буквенно-цифровой код, состоящий из семи элементов. Первый элемент (буква — для приборов широкого применения, цифра — для приборов, используемых в устройствах специального назначения) означает исходный полупроводниковый материал диода: Г или 1 — германий или его соединения, К или 2 — кремний или его соединения, А или 3 —соединения галлия (в частности арсенид галлия), И или 4 — соединения индия. Второй элемент обозначения — буква, определяющая подкласс прибора, третий элемент — цифра — определяет один из основных, характеризующих диод признаков. Четвертый, пятый и шестой элементы — трехзначное число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа прибора, седьмой элемент — буква — условно определяет классификацию по параметрам диодов, изготовленных по единой технологии. В стандарте предусмотрено введение дополнительных элементов обозначений. Так, дополнительный элемент — буква С, вводимая после второго элемента обозначения, используется для наборов однотипных диодов (диодных сборок), размещенных в общем корпусе и не соединенных электрически между собой или соединенных однотипными выводами.
Маркировка диодов:
Выпрямительный – первый элемент: Г, К или А; 1,2 или 3. Второй элемент: Д. Третий элемент: 1 для I≤0,3 A, 2 для 0,3 А<I≤10 A.
Стабилитроны и стабисторы - первый элемент: К или 1. Второй элемент: С. Третий элемент: 1 для Uст<10 В, 2 для 10 В≤Uст≤100 В, 3 для Uст>100 В (1,2,3 при Р≤0,3 Вт); 4 для Uст>10 В, 5 для 10 В≤Uст≤100 В, 6 для Uст>100 В (4,5,6 при 0,3 Вт< Р≤5 Вт); 7 для Uст<10 В, 8 для 10 В≤ Uст≤100 В, 9 для Uст>100 В (7,8,9 при 5 Вт<Р≤10 Вт).
Варикап- первый элемент: К или 2. Второй элемент: В. Третий элемент: 1 подстрочные; 2 умножительные.
Обращённый- первый элемент: Г или А;1 или 3.Второй элемент: И. Третий элемент: 4.
Туннельный - первый элемент: Г или А; 1 или 3. Второй элемент: И. Третий элемент: 1 - усилительные; 2 - генераторные; 3 - переключательные.
Импульсный - первый элемент: Г, К или А; 1,2 или 3. Второй элемент: Д. Третий элемент: 4 для tвос>500 нс; 5 для 150 нс< tвос≤500 нс; 6 для 30 нс< tвос≤150 нс; 7 для 5 нс< tвос≤30 нс; 8 для 1 нс< tвос≤5 нс; 9 для tвос≤1 нс.