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
Лекция 1
Электронно-дырочный переход. Полупроводниковые диоды
1.1 Электронно-дырочный переход и его вольт-амперная характеристика
Работа практически всех полупроводниковых приборов основана на использовании свойств - перехода, который образуется на месте контакта двух полупроводников различного типа проводимости. В полупроводнике типа основными носителями являются дырки, их высокая концентрация получена за счет введения акцепторной примеси. В полупроводнике типа основными носителями являются электроны, их высокая концентрация получена за счет введения донорной примеси. Если обеспечить надежный электрический контакт между полупроводниками – и – типа (например, путем контактной сварки), то из-за градиента концентрации носителей в области контакта возникает диффузионный поток дырок из – области в – область и встречный поток электронов из – области в – область. Эти потоки, обусловленные инжекцией электронов и дырок через область контакта, называют диффузионными. Общий диффузионный ток направлен из области в (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 -. Электронно-дырочный переход
при отсутствии внешнего электрического поля
Преодолев границу контакта, электроны и дырки попадают в области, в которых они являются неосновными носителями, и под действием сил притяжения диффундируют внутрь полупроводника, где встречаются с основными носителями и образуют нейтральную частицу – рекомбинируют. После ухода дырок из – области вблизи границы раздела остается объемный отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторной примеси, и, точно так же появляется объемный положительный заряд донорных атомов в – области. Очень важно понять, что эти заряды неподвижны!
Таким образом, формируется двойной слой электрических зарядов (аналог конденсатора), электрическое поле которого создает потенциальный барьер , препятствующий дальнейшей диффузии электронов и дырок
Внутреннее электрическое поле вызывает движение (дрейф) неосновных носителей заряда, которые возникают в результате термогенерации. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному току и уравновешивает его. Суммарный ток через переход равен нулю.
Электронно-дырочный переход лишен подвижных носителей заряда и обладает очень большим сопротивлением. Ширина этого слоя , составляющая доли микрон, зависит от концентраций акцепторной и донорной примесей. Объемные заряды по обе стороны границы раздела равны
, (1.1)
где - заряд электрона.
- ширина - перехода в - области;
- ширина - перехода в - области.
Если , то такой переход имеет одинаковой длины участки , . Такой переход называют симметричным. Часто , тогда , т.е. переход несимметричный, он смещен в - область.
Для изучения свойств - перехода к нему подключают внешний источник напряжения, при этом возможны два варианта: прямое включение и обратное.
Прямое включение электронно-дырочного перехода (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 - Прямое включение - перехода
Положительный полюс источника подключается к – области, а отрицательный к – области. Из-за встречного направления внешнего и внутреннего электрических полей потенциальный барьер снижается на величину . В результате этого увеличивается диффузионная составляющая тока через переход , т.к. возрастает количество носителей, обладающих энергией достаточной для преодоления уменьшенного потенциального барьера. Дрейфовая составляющая тока, определяемая только количеством неосновных носителей, остается постоянной. Таким образом, возникает прямой ток через переход . По мере роста прямого напряжения потенциальный барьер снижается, ширина - перехода уменьшается, а при потенциальный барьер и переход исчезают. Прямой ток стремится к бесконечности.
Обратное включение (рисунок 1.3).. Положительный полюс источника
подключается к , а отрицательный полюс к - области. Это приводит к увеличению результирующего электрического поля и к росту потенциального барьера
.
Диффузионная составляющая тока уменьшается, т.к. меньшее число основных носителей заряда способно преодолеть возросший потенциальный барьер, а дрейфовый ток остается неизменным, его величина зависит только от концентрации неосновных носителей заряда. При диффузионный ток практически равен нулю, а обратный ток стремится к току дрейфа.
Рисунок 1.3 - Обратное включение - перехода
При обратном включении - перехода заряд двойного электрического слоя увеличивается из-за роста суммарного электрического поля, а, следовательно, ширина - перехода увеличится.
Вольт-амперная характеристика - перехода (рисунок 1.4). имеет две ветви прямую I и обратную II. Сопоставляя прямой ток (ветвь I), который создается диффузией основных носителей и обратный ток (ветвь II), создаваемый за счет дрейфа неосновных носителей; а также учитывая, что концентрация основных носителей много больше, чем концентрация неосновных, можно сделать вывод об односторонней проводимости электронно-дырочного перехода.
Рисунок 1.4 -. Вольт-амперная характеристика - перехода:
прямая ветвь ВАХ – I; обратная ветвь ВАХ - II
Аналитическое выражение, описывающее вольт-амперную характеристику - перехода, имеет вид
, (1.2)
где - ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда,
- тепловой потенциал (при ).
Из этого выражения видно, что при ток через переход равен нулю; в случае прямого напряжения единицей можно пренебречь и зависимость будет носить экспоненциальный характер, а при обратном напряжении величину можно не учитывать и тогда .
Пробой - перехода. При некотором критическом значении обратного напряжения на - переходе малый обратный ток начинает резко возрастать (рисунок 1.5). Это явление называют пробоем - перехода.
Рисунок 1.5 -. Вольт-амперная характеристика - перехода с участком пробоя
Существуют три основных механизма пробоя: тепловой, лавинный и полевой (туннельный). Два последних механизма пробоя – электрические.
Резкий рост обратного тока в - переходе возможен при увеличении числа неосновных носителей в самом - переходе. При тепловом пробое это происходит за счет выделения тепла на сопротивлении перехода при прохождении через него обратного тока, что приводит к повышению температуры кристалла и необратимым структурным изменениям.
Лавинный пробой - перехода – это пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Неосновные носители, проходя через область - перехода при обратном напряжении, приобретают в сильном электрическом поле на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар, путем ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь образованные носители тоже попадают в сильное электрическое поле и на длине свободного пробега приобретают достаточную энергию для ионизации следующего атома. Процесс развивается лавинообразно, что и отражает название пробоя.
Туннельным пробоем - перехода называют пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда через запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование возможно, если толщина - перехода, который должны преодолеть электроны, достаточно мала, при этом проявляются волновые свойства электрона.
1.2 Емкость электронно-дырочного перехода
Емкость - перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей. Наличие барьерной емкости объясняется сосредоточением по обе стороны и слоев объемных зарядов, создаваемых ионами примеси разделенных изолятором толщиной, равной ширине - перехода. Это полная аналогия с плоским конденсатором, для которого можно записать
, (1.3)
где - относительная диэлектрическая проницаемость;
- площадь - перехода;
- ширина - перехода.
Барьерная емкость зависит от ширины, а, следовательно, от приложенного напряжения. При подключении обратного напряжения ширина- перехода увеличивается, что равносильно увеличению расстояния между обкладками плоского конденсатора, и это приводит, как видно из последующего выражения, к уменьшению емкости
. (1.4)
При прямом смещении ширина - перехода уменьшается, а емкость растет. При значение емкости стремится к бесконечности, однако, она оказывается шунтированной малым сопротивлением открытого перехода.
Диффузионная емкость проявляется при прямом включении, которое сопровождается значительным прямым током. Носители заряда, перешедшие через переход в результате диффузии, не успевают рекомбинировать, т.к. они продолжают «жить» в среднем некоторое время (среднее время жизни дырки в - области) и (среднее время жизни электрона в области). Эти заряды накапливаются вблизи границ - перехода, таким образом, мы имеем модель конденсатора, который заряжается током. Диффузионная емкость зависит от прямого тока и среднего времени жизни носителей заряда
, (1.5)
ее величина может составлять сотни и тысячи пикофарад.
Таким образом, при прямом включении учитывают превалирующую диффузионную, а при обратном - барьерную емкость.
1.3 Полупроводниковые диоды и их характеристики
Диодом называют полупроводниковый прибор, который состоит из одного - перехода и имеет два вывода: анод и катод. Полупроводниковые диоды весьма многочисленны, и одним из основных классификационных признаков служит их назначение, которое связано с использованием определенного явления в - переходе.
1.3.1 Выпрямительные диоды
Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называют выпрямительными. Для них основным является вентильный эффект (большая величина отношения прямого тока к обратному), но не предъявляется жестких требований к временным и частотным характеристикам. Они рассчитываются на значительные токи и имеют большую площадь - перехода. В реальных диодах, как правило, используются несимметричные - переходы. В таких переходах одна из областей кристалла (область с большей концентрацией основных носителей), обычно , бывает достаточно низкоомной, а другая - высокоомной. Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении перехода практически полностью определяется потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла диода называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении - перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в низкоомной области (как отмечено выше) ширина - перехода в ней оказывается меньше, чем в высокоомной. Если различие в концентрации основных носителей велико, то - переход почти целиком расположится в высокоомной области, которая получила название базы.
Вольт-амперные характеристики реальных диодов и - переходов близки друг к другу, но не одинаковы (рисунок 1.6 ). Отличия наблюдаются как на прямой, так и на обратной ветви. Это объясняется тем, что при анализе процессов в - переходе не учитывают ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением , приводит к дополнительному падению напряжения , в результате прямая ветвь диода проходит положе, чем в переходе. Обратная ветвь ВАХ диода проходит ниже, чем у идеального перехода, т.к. к току насыщения добавляется ток утечки по поверхности кристалла .
Рисунок 1.6 - Условное обозначение диода (а);
вольт-амперные характеристики (в):
1 - идеального - перехода, 2 – реального диода
Диоды могут производиться на основе германия или кремния; их ВАХ имеют существенные различия (рисунок 1.7)
Рисунок 1.7 - Вольт-амперные характеристики германиевого (1),
кремниевого (2) диодов
Сдвиг прямой ветви характеристики влево обусловлен различием в величине потенциального барьера , а положение обратной ветви определяется различием концентраций неосновных носителей, которые зависят от ширины запрещенной зоны полупроводника.
Вид вольт-амперной характеристики зависит от температуры полупроводникового кристалла (рисунок 1.8).
Рисунок 1.8 - Зависимость вида ВАХ диода от температуры
С ростом температуры уменьшается прямое падение напряжения на диоде при постоянном значении прямого тока . Прямое напряжение изменяется на 2.1 мВ при изменении температуры на 1ºС.
. (1.6)
Обратный ток увеличивается с ростом температуры в два раза при изменении температуры на 10ºС для германиевых и в три раза для кремневых диодов, однако, следует учитывать, что обратный ток кремневых диодов на три порядка меньше, чем германиевых.
В настоящее время наибольшее распространение получили кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие преимущества:
- во много раз меньшие (по сравнению с германиевыми) обратные токи при одинаковом напряжении; высокое значение допустимого обратного напряжения, которое достигает 1000...1500 В, в то время как у германиевых диодов оно находится в пределах 100...400 Вт;
- работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +150 °С, германиевых - лишь от -60 до +85 °С (при температуре выше 85 °С в германии резко возрастает термогенерация, что увеличивает обратный ток, и может привести к потере диодом вентильных свойств).
Однако в выпрямительных устройствах низких напряжений и больших токов выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивление в прямом направлении в 1,5...2 раза меньше, чем у кремниевых при одинаковом токе нагрузки, что уменьшает мощность, рассеиваемую внутри диода.
Основные параметры выпрямительных диодов:
максимально допустимое обратное напряжение диода - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;
средний выпрямленный ток диода - среднее за период значение выпрямленного тока, протекающего через диод;
импульсный прямой ток диода - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и форме импульса;
средний обратный ток диода - среднее за период значение обратного тока;
среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока ;
средняя рассеиваемая мощность диода - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;
дифференциальное сопротивление диода - отношение приращения прямого напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока.
1.3.2 Полупроводниковые стабилитроны
Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжений. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя - перехода при включении диода в обратном направлении.
Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным. У низковольтных стабилитронов (с низким сопротивлением базы) более вероятен туннельный пробой. У стабилитронов с высокоомной базой пробой носит лавинный характер. Материалы, используемые для - перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в - переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в - переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме электрический пробой не переходит в тепловой.
Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как пробой у них легко приобретает форму теплового, и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рисунке 1.9.
Рисунок 1.9- Условное обозначение (а);
вольт-амперная характеристика стабилитрона (b)
В точке, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50-100 мкА. После этой точки ток резко возрастает, и допустимая величина его ограничивается лишь мощностью рассеяния:
. (1.7)
В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу стабилитрона из строя.
Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя - перехода, зависит от концентрации примесей в - структуре и лежит в пределах 4 - 200 В.
Напряжение стабилитрона в рабочем режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики
(от до ) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона:
. (1.8)
Оно составляет несколько десятков и даже единиц Ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим рабочее напряжение 7 - 15 В и большой рабочий ток.
Кроме перечисленных выше, к параметрам стабилитрона относится температурный коэффициент напряжения ТКН, показывающий относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус:
. (1.9)
Стабилитроны широкого применения обладают сравнительно высоким температурным коэффициентом напряжения (≈ 10-3 К-1). Более высокой температурной стабильностью обладают прецизионные стабилитроны (рисунок 1.10,а), в которых последовательно соединены несколько - переходов. Один из них - стабилизирующий - включен в обратном направлении, другие - термокомпенсирующие - включены в прямом направлении.
Рисунок 1.10 - Структура прецизионного стабилитрона с термокомпенсирующими переходами (а); условное обозначение двуханодного диода (b)
При повышении температуры напряжение на стабилизирующем переходе растет, а на термокомпенсирующих переходах – уменьшается; их количество можно подобрать так, что, результирующее напряжение на стабилитроне изменяется незначительно и температурный коэффициент получается около
10-5 К-1.
Для стабилизации двухполярных напряжений и для защиты электрических цепей от перенапряжений обеих полярностей применяют двуханодные стабилитроны (рисунок 1.10, b), которые имеют симметричную вольт-амперную характеристику. Такие стабилитроны изготовляют путем введения примесей в пластину кремния одновременно с двух сторон. При этом образуются два -перехода, включенных встречно. Для ограничения амплитуды импульсов напряжения разработаны импульсные, «быстрые» стабилитроны. При мгновенном изменении напряжения нарастание лавины в них происходит за очень короткий промежуток времени (порядка 10-11 с). Это обстоятельство позволяет использовать импульсный стабилитрон в качестве искробезопасного барьера, который предотвращает попадание высокого напряжения в зону повышенной взрывоопасности.
Разновидностью стабилитрона является стабистор — полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Отличительной особенностью стабисторов, по сравнению со стабилитронами, является меньшее напряжение стабилизации, которое составляет примерно 0,7 В. Для увеличения напряжения стабилизации используют последовательное соединение нескольких стабисторов, смонтированных в одном корпусе или сформированных в одном кристалле. Для увеличения крутизны прямой ветви вольт-амперной характеристики базу стабистора делают низкоомной. Из-за малого сопротивления базы толщина - перехода оказывается очень небольшой, поэтому напряжение пробоя стабисторов не превышает нескольких вольт.
1.3.3 Импульсные диоды
Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей.
При быстрых изменениях напряжения на диоде в - переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени , где - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а - барьерная емкость - перехода.
Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе.
Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт) (рисунок 1.11 )При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n - область).
При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через - переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления – интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов, и по его значению они делятся на шесть групп: >500 нс; =150…500 нс; =30…150 нс, =5…30 нс; =1…5 нс и <1 нс.
Рисунок 1.11 - Процесс переключения диода из открытого состояния в закрытое
При пропускании импульса тока в прямом направлении наблюдается выброс напряжения в первый момент после включения (рисунок 1.12 ), что связано с повышением напряжением до тех пор, пока не закончится накопление неосновных носителей в базе диода. После этого сопротивление базы понижается и напряжение уменьшается.
Рисунок 1.12 -. Процесс переключения диода из закрытого состояния в открытое
Этот процесс характеризуется вторым параметром импульсного диода – временем установления прямого напряжения , равным интервалу времени от начала импульса тока до достижения заданного значения прямого напряжения.
Значения этих параметров зависят от структуры диода и от времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Для уменьшения времени жизни неосновных носителей в базу вводится небольшое количество примеси золота. Атомы золота служат дополнительными центрами рекомбинации, в результате их введения уменьшается время жизни носителей заряда, а следовательно, и диффузионная емкость - перехода. Уменьшение барьерной емкости достигается технологическим и конструктивным методами. Импульсные диоды изготавливаются на основе планарной технологии, эпитаксиального наращивания, ионно-лучевой технологии. Основным полупроводниковым материалом при этом служит кремний.
В быстродействующих импульсных цепях широко используют диоды Шоттки (рисунок 1.13) в которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Условное обозначение показано на рис.16.
Рисунок 1.13- Условное обозначение диода Шоттки
У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, их быстродействие зависит только от скорости процесса перезарядки барьерной емкости. Вольт-амперная характеристика диодов Шоттки напоминает характеристику диодов на основе - переходов. Отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8 - 10 декад приложенного напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи - малы (доли-десятки наноампер).
Конструктивно диоды Шоттки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.
Диоды Шоттки применяют также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах.
1.3.4 Высокочастотные диоды
Высокочастотные диоды предназначены для нелинейных электрических преобразований сигналов на частотах до сотен мегагерц. Их применяют в детекторах высокочастотных сигналов, преобразователях частоты, модуляторах и т. д. Отличительной особенностью этих диодов является незначительная величина барьерной емкости, что достигается путем уменьшения площади - перехода. Поэтому высокочастотные диоды являются точечными или микросплавными. Для уменьшения времени жизни носителей в базу диода вводят примесь золота. Параметры у высокочастотных диодов те же, что и у низкочастотных выпрямительных диодов. В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Эти диоды изготовляют из низкоомного материала с малым временем жизни носителей заряда. Они имеют небольшой радиус точечного контакта (2 - 3 мкм), что обеспечивает получение незначительной барьерной емкости. Напряжение пробоя СВЧ-диодов очень низкое (3 - 5 В), а прямое напряжение относительно высокое. Конструкция СВЧ-диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта.
1.3.5 Туннельные диоды
В туннельных диодах используют контакт вырожденных полупроводников, на вольт-амперной характеристике которых при прямом напряжении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рисунок 1.14, a).
Рисунок 1.14. Вольт-амперные характеристики туннельного (а)
и обращенного диодов (b);
условные обозначения туннельного (c) и обращенного диодов (d)
Ниже перечислены специфические параметры туннельных диодов.
Пиковый ток - прямой ток в точке максимума вольт-амперной характеристики. Его значение может находиться в интервале от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.
Ток впадины Iв - прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики.
Отношение токов Iп / Iв - отношение пикового тока к току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия Iп / Iв > 10, для германиевых туннельных диодов Iп / Iв = 3...6.
Напряжение пика Uп - прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия Uп = 100...150 мВ, для германиевых диодов Uп = 40...60 мВ.
Напряжение впадины Uв - прямое напряжение, соответствующее току впадины. У туннельных диодов из арсенида галлия Uв = 400...500 мВ, у германиевых диодов Uв = 250...350 мВ.
Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет применять туннельные диоды для усиления, генерирования, переключения и преобразования электрических колебаний.
Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенностью является то, что вместо участка с отрицательным сопротивлением на вольт-амперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (см. рисунок 1.14, б). В этих диодах обратная ветвь соответствует проводящему состоянию, а прямая ветвь - закрытому состоянию. Поэтому обращенный диод обладает выпрямительным эффектом. В обращенных диодах отсутствует накопление неравновесного заряда, то есть они могут применяться на СВЧ. Обращенные диоды из арсенида галлия имеют максимальный ток в проводящем состоянии около 3 мА при напряжении около 0,15 В . В закрытом состоянии ток составляет от 0,05 до 0,15 мА при напряжении менее 0,9 В.
1.3.6 Варикапы
Полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в качестве управляемой (нелинейной) емкости, т.е. зависящей от приложенного напряжения, называют варикапами. В качестве управляемой емкости используется барьерная емкость - перехода и ее зависимость от приложенного обратного напряжения (рисунок 1.15,а). Номинальная емкость большинства варикапов (емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения - обратном напряжении, которое чаще всего составляет 4 В) лежит в пределах от 2 до 600 пФ, в зависимости от типа варикапа. Заметим, что в качестве варикапов можно использовать плоскостные кремниевые диоды.
К основным параметрам варикапов (помимо номинальной емкости) относятся: максимальная емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения; минимальная емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения; коэффициент перекрытия - отношение максимальной емкости к минимальной (для большинства приборов эта величина лежит в пределах от 1,5 до 4,4); добротность варикапа - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного тока к сопротивлению потерь, при заданном значении емкости или обратного напряжения.
Рисунок 1.15 -. Зависимость барьерной емкости диода
от величины обратного напряжения (а); условное обозначение варикапа (b)
1.3.7 Светодиоды
Светодиоды - полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через -переход. Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами - СИД. В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности. Приборы, излучающие в ближней инфракрасной области спектра, принято называть ИК-светодиодами. Они, как правило, предназначены для работы в качестве источников излучения в различного рода оптоэлектронных устройствах, в системах автоматического контроля, в датчиках, в системах накачки, ИК-подсветки.
В основе принципа действия лежит явление излучения, связанное с самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при протекании прямого тока через - переход. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, рекомбинируют с дырками в валентной зоне и отдают энергию равную ширине запрещенной зоны , которая обычно выделяется в виде фононов (квантов тепла) и частично в виде фотонов (квантов света).
Отношение числа излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей называют внутренним квантовым выходом, он обычно составляет несколько процентов. Частота генерируемых электромагнитных колебаний зависит от ширины запрещенной зоны и постоянной Планка
. (1.10)
Поскольку в реальных полупроводниках рекомбинация происходит между электронами и дырками, находящимися в самых различных энергетических состояниях, возникающее излучение оказывается некогерентным, а спектр излучения - размытым. Спектральная характеристика и условное обозначение светодиода приведено на рисунке 1.16.
Рисунок 1.16 -. Спектральные характеристики светодиодов (а); зеленый (1), красный (2). Условное обозначение светодиода (b)
1.3.8 Фотодиоды
Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к - переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении существует небольшой обратный ток, называемый темновым током. При воздействии света в области p-n-перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, и обратный ток возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то возникшие в результате генерации носители заряда накапливаются в - и - областях структуры, вследствие чего уменьшается ширина - перехода и снижается высота потенциального барьера. В результате на зажимах фотодиода появляется фото-ЭДС, зависящая от величины светового потока. Устройство фотодиода и схема его включения показаны на рисунке 1.17, а, а на рисунке 1.17, б приведено его условное обозначение.
Рисунок 1.17 -. Устройство фотодиода и схема его включения (a); условное обозначение фотодиода (b)
Фототок, возникающий в диоде под действием света, пропорционален величине светового потока:
, (1.11)
где - интегральная чувствительность, характеризующая величину фототока, возникающего при облучении фотодиода потоком белого света яркостью в 1 лм.
Направление фототока совпадает с направлением теплового тока, то есть отрицательное.
Рисунок 1.18 - Вольт-амперные характеристики диода
В общем случае уравнение вольт-амперной характеристики фотодиода (рисунок 1.18 ) с учетом принятых положительных направлений тока имеет вид
. (1.12)
Здесь - напряжение на диоде.
Если , то , то есть в цепи имеется обратный ток, зависящий от светового потока.
Если в цепи отсутствует источник постоянного напряжения (), то обратный ток создает на резисторе падение напряжения . Ток в этом случае будет равен
. (1.13)
Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: фотодиодном или фотогальваническом. В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение. В этом режиме ток и напряжение определяются по пересечению нагрузочной линии с одной из вольт-амперных характеристик. При изменении светового потока изменяются ток в цепи и напряжение на диоде.
В фотогальваническом режиме внешний источник напряжения в цепи отсутствует. Режим работы определяется также по пересечению нагрузочной линии с соответствующей вольт-амперной характеристикой. В данном случае она проходит через начало координат. При R = 0 (короткое замыкание) нагрузочная линия совпадает с осью ординат, а при R = ∞ (обрыв цепи) она совпадает с осью абсцисс. По точкам пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при разных световых потоках. У кремниевых фотодиодов она составляет около 0,5 - 0,55 В.
Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, обычно называют полупроводниковыми фотоэлементами.
1.3.9 Оптопары
Оптопарами называют приборы, в которых конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В оптопаре светоизлучающий диод преобразует электрический сигнал в световой, который через оптическую среду передается на фотоприемник, где снова преобразуется в электрический сигнал. Такое двойное преобразование сигнала позволяет устранить электрическую связь между источником сигнала и нагрузкой. В качестве фотоприемника помимо фотодиодов используют фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы.
1.3.10 Магнитодиоды
Магнитодиодный эффект заключается в относительно резком возрастании сопротивления полупроводникового диода в прямом направлении под воздействием поперечного магнитного поля. Наиболее отчетливо этот эффект проявляется при несимметричном - переходе и удлиненной базе, т. е. когда концентрация равновесных носителей заряда, например, в - области, много больше, чем в n-области, и расстояние между - переходом и вторым контактом значительно превышает диффузионную длину. Возрастание сопротивления такого диода после появления поперечного магнитного поля обусловлено уменьшением подвижности носителей заряда, что приводит к росту сопротивления базы.
Полупроводниковые приборы, в которых используется магнитодиодный эффект, предназначенные для применения в качестве датчиков магнитного поля, называют магнитодиодами. Они обладают чувствительностью к магнитному полю, в сотни и тысячи раз большей чувствительности датчиков Холла и магниторезисторов. Это существенно упрощает схемное решение многих задач, так как исключает необходимость в промежуточных усилителях: сигнал можно подавать непосредственно на регистрирующий или исполнительный орган того или иного устройства.
Магнитодиоды получили распространение в качестве преобразователей малых механических перемещений в электрические сигналы достаточно большой амплитуды - бесконтактных механических переключателей (коммутаторов) электрических сигналов. Одно из применений коммутаторов - бесколлекторные двигатели постоянного тока. Кроме того, их используют для измерения магнитных полей, магнитодефектоскопии изделий из ферромагнитных материалов (стальные трубы, рельсы, канаты, прокат и т. д.), снятия информации в магнитных устройствах памяти, измерения СВЧ-мощности и ее пространственного распределения, ввода информации в ЭВМ.