Электротехника. Основное свойство полупроводникового диода7.3. Классификация и основные параметры полупроводниковых диодовПолупроводниковые диоды (выпрямительные, стабилитроны, туннельные, обращенные и т.д.) относятся к обширному классу полупроводниковых приборов, применяющихся при построении электронных устройств, систем управления, радиотехнических и вычислительных комплексов. Полупроводниковые диоды являются простейшими полупроводниковыми приборами. Их работа основана на процессах протекания тока в p-n-переходе. Полупроводниковый диод имеет два вывода (один от p- области, другой от n-области). Они соответственно называются анодом и катодом. Диод представляет собой пассивный нелинейный элемент (двухполюсник). На условном графическом обозначении направление стрелки диода совпадает с направлением прямого тока. Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис. 7.8.
Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, в котором используется свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. Выпрямительные диоды применяются для выпрямления переменного тока. Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя на обратной ветви ВАХ p-n-перехода слабо зависит от тока. Он служит для стабилизации напряжения. Помимо выпрямительных диодов широко применяются импульсные диоды, у которых площадь p-n-перехода значительно меньше, чем у выпрямительных диодов, в связи с чем они имеют малую длительность переходных процессов. Они используются в качестве ключевых элементов в схемах импульсной техники. Еще одной разновидностью диодов являются диоды Шоттки. Диод Шоттки – это полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником. На основе выпрямляющего перехода Шоттки создаются выпрямительные, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды, отличающиеся от диодов с p-n-переходом лучшими частотными свойствами. Сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды предназначены для преобразования и обработки сверхвысокочастотного сигнала (более 300 МГц). Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через p-n-переход. Характеристика туннельного диода имеет область отрицательного сопротивления, т.е. область, в которой положительному приращению напряжения соответствует отрицательное приращение тока. Это свойство может быть использовано для генерации и усиления электромагнитных колебаний. Туннельные диоды способны работать на частотах до сотен ГГц. Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Из принципа действия обращенных диодов ясно, что они, во-первых, способны работать при очень малых сигналах. Во-вторых, они обладают очень хорошими частотными свойствами, так как в них имеет место туннельный эффект. Варикап – это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Светодиод – полупроводниковый диод с относительно большой шириной запрещенной зоны. Излучение квантов видимого света вызвано самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при прохождении прямого тока через выпрямляющий электрический переход. Фотодиод – полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Обычно в качестве фотодиодов используют полупроводниковые диоды с p-n-переходом, смещенным в обратном направлении внешним источником питания. При поглощении квантов света в p-n-переходе образуются новые носители заряда. Неосновные носители, возникшие в прилегающих к p-n-переходу областях, диффундируют к p-n-переходу и проходят через него под действием электрического поля. В результате при освещении фотодиода обратный ток через него возрастает на величину, называемую фототоком. Очень важным с точки зрения предоставляемых им возможностей полупроводниковым прибором является оптопара. Оптопара – это полупроводниковый прибор, состоящий из в общем случае из излучающего и фотоприемного элементов, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция.
Эти элементы помещаются в общий корпус оптопары. Основным достоинством применения оптопар является почти идеальная гальваническая развязка управляющих цепей от исполнительных при сохранении сильной функциональной оптической связи. Можно отметить также однонаправленность оптической связи и отсутствие обратной реакции приемника излучения на излучатель. После краткого рассмотрения предложенной классификации полупроводниковых диодов остановимся более подробно на параметрах и характеристиках двух типов, которые нашли наиболее массовое применение: выпрямительного диода и стабилитрона.
Обратный ток для диодов широкого применения измеряется в микроамперах (обратите внимание на разный масштаб измерений по оси ординат для прямого и обратного тока), и его, как правило, можно не принимать во внимание до тех пор, пока обратное напряжение на диоде не достигнет значения напряжения пробоя. Прямое падение напряжения, обусловленное прямым током через диод, составляет от 0.2 до 0.8 В. Таким падением напряжения можно пренебречь, и тогда диод можно рассматривать как проводник, пропускающий ток только в одном направлении. Параметры выпрямительного диода: - постоянный прямой ток, протекающий через диод в прямом направлении; - постоянный обратный ток; - максимально допустимый средний выпрямленный ток, который может длительно проходить через диод, не вызывая изменения его параметров; - максимальный выпрямленный прямой ток; - постоянное прямое напряжение; - максимально допустимое обратное постоянное напряжение; - общая емкость диода; - рассеиваемая мощность при прямом включении диода; - статическое сопротивление открытого диода в заданной точке ВАХ с координатами и; - статическое сопротивление закрытого диода в заданной точке ВАХ с координатами и; - коэффициент выпрямления. Значения параметров зависят от типа диода. Для сравнения в табл. 7.1 приведены значения указанных параметров для маломощных германиевого и кремниевого диодов. Приведенные в табл. 7.1 параметры определены при значениях прямого тока до 1 мА.
Кроме того, следует учесть, что величина зависит от температуры: , где =293 Ко, - температура удвоения теплового тока насыщения, которая для германия принимается равной7 Ко, а для кремния - 4.5 Ко. ВАХ идеализированного p-n- перехода описывается выражением (7.7) где I – ток через p-n-переход; U – напряжение на p-n–переходе; - тепловой (обратный) токp-n-перехода; – коэффициент, учитывающий неоднородность полупроводника в области перехода (для идеального диодаm=1, для германиевых диодов , для кремниевых диодов;- тепловой потенциал,T – абсолютная температура, Ко; Дж/К – постоянная Больцмана; Кл – заряд электрона. При нормальной температуре T=300 Kо тепловой потенциал . ВАХ реального диода, показанная на рис. 7.11 сплошной линией, отличается от идеализированной характеристики, показанной на рис. 7.11 штрих пунктирной линией и описываемой уравнением (7.7).
При моделировании диода его реальная характеристика аппроксимируется нелинейной и линейной моделями. При использовании нелинейной модели ВАХ диода заменяют ВАХ p-n-перехода, а для уточнения модели последовательно с p-n-переходом включают сопротивление базы Rб30 Ом.
диода и учитывает зависимость обратного тока через диод от напряжения, так как в реальных диодах обратный ток превосходит тепловойиз-за наличия тока термогенерациии тока утечки по поверхности перехода () и определяется как. Инженерные методы расчета базируются на кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода, поэтому для каждого участка ВАХ используется своя линейная модель и своя эквивалентная схема (табл. 7.2). До сих пор рассматривались параметры, характеризующие работу диода в статическом режиме. Работа диодов в динамическом режиме характеризуется конечным временем переключения из проводящего состояния в непроводящее и обратно. Это связано с накоплением и рассасыванием неравновесного заряда в диоде. Наличие заряда позволяет говорить о емкости диода , обусловленной наличием барьерную емкости и диффузионную емкости перехода. На схемах замещения, например на рис.7.13в, емкость диода представляют в виде суммы емкостей . В силу наличиядинамические свойства диодов и их быстродействие оцениваются временем установления прямого сопротивленияи временем восстановления обратного сопротивления(рис. 7.13б), превышающимиз-за наличия времени рассасывания заряда, накопленного в базе диода.
ВАХ стабилитрона изображена на рис. 7.14.
Стабилитроны обеспечивают диапазон напряжений стабилизации от 3 до 200 В; их прямое напряжение составляет . Как видно из рис.7.14, обратное сопротивление диода при малых обратных напряженияхвелико. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение обратного тока вызывает малое изменение напряжения. Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и соответственно чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивлениеи меньше коэффициент качества, где. Параметры стабилитрона: - номинальное напряжение стабилизации; - изменение напряжения стабилизации; - номинальный ток стабилизации; определяемый в соответствии с выражением , где- минимальный ток стабилизации;- максимальный ток стабилизации;- температурный коэффициент. Другие из ранее перечисленных типов диодов могут характеризоваться дополнительными параметрами в соответствии с их функциональным назначением. Так, например, кроме общих для всех диодов параметров, работу импульсных диодов характеризуют также: -импульсным прямым напряжением; -импульсным прямым током; -временем восстановления, определяющим инерционность процессов выключения, восстановления ; -временем установления, определяющим инерционность процессов включения, установления . studfiles.net Персональный сайт - 3) Диод. Его структура. ВАХ диода. Основные свойства диодов.3) Диод. Его структура. ВАХ диода. Основные свойства диодов. Диод — двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода. Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии. Диодные выпрямители  Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (То есть 4 диода для однофазной схемы, 6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы, соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность. В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию — пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов. Диодные детекторы Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т.п. Используется квадратичный участок вольтамперной характеристики диода. Диодная защита Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п. Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам. Диодные переключатели Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей. Диодная искрозащита Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.
 а — вариант конструкции, б — условное обозначение, в — вольтамперная характеристика - допустимое обратное напряжение Uобр - средний прямой ток Iпр ср - максимально допустимый импульсный прямой ток Iпр - средний обратный ток Iобр ср - среднее прямое напряжение Uпр ср - средняя рассеиваемая мощность Рср - дифференциальное сопротивление rдиф = ∆Uпр ср/∆Iпр ср
Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).   Параметры стабилитрона напряжение стабилизации Uст минимальный ток стабилизации Iст min максимальный ток стабилизации Iст max дифференциальное сопротивление rдиф максимальная мощность рассеяния Рmax температурный коэффициент стабилизации αст = ∆Uст /(Uст·∆T) (%/град)
Диод Шоттки (также правильно Шотки) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.   Свойства диодов Шоттки Достоинства В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6—0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2—0,4 вольт. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, выше же падение напряжения становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки. Например, для силового диода Шоттки 30Q150 с максимально возможным обратным напряжением (150 В) при прямом токе 15 А падение напряжения нормируется на уровне от 0,75 В (T = 125 °C) до 1,07 В (T = −55 °C). Барьер Шоттки (открыл нем. физик Вальтер Шоттки — Walter Schottky) также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малая ёмкость перехода (то есть малое время восстановления) позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 10 кВ/мкс. Благодаря лучшим временны́м характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры. Недостатки при кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя (КЗ — короткое замыкание), в отличие от кремниевых диодов, которые переходят в режим обратного пробоя, и, при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности после падения напряжения, диод полностью восстанавливает свои свойства. диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для вышеупомянутого 30Q150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву. ВАРИКАП - полупроводниковые диоды, работа которых основана на явлении барьерной емкости запертого p-n-перехода  Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.
Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.
Оптрон (оптопара) — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.  cop320.narod.ru Полупроводниковые диоды | ЭлектротехникаОсновой полупроводникового диода является р-n-переход, определяющий его свойства, характеристики и параметры. В зависимости от конструктивных особенностей р-n-перехода и диода в целом полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении. По своему назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (как разновидность выпрямительных – силовые), импульсные, высокочастотные и сверхвысокочастотные, стабилитроны, трехслойные переключающие, туннельные, варикапы, фото- и светодиоды. Условные графические обозначения диодов показаны на рис. 1.10.
В зависимости от исходного полупроводникового материала диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С. По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные. Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). В настоящее время широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р-n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми. Основным элементом выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в которой методом сплавления или диффузии сформован р-n-переход. Кремниевый р-n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р-n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус Выпрямительные диоды подразделяются на диоды малой (Iпр. ср< 0,3 А), средней (0,3 А < Iпр. ср< 10 А) и большой (Iпp.ср> 10 А) мощности. Для повышения допустимого обратного напряжения выпускаются высоковольтные столбы, в которых несколько диодов включены последовательно. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.
Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р-n-переход и поэтому называются точечными. Конструкция типичного представителя точечных диодов (Д106А) показана на рис. 1.11, а, а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.11, б. Прямая ветвь вольтамперной характеристики не отличается от соответствующей ветви характеристики плоскостного диода, чего нельзя сказать при сравнении обратных ветвей. Поскольку площадь р-n-перехода мала, то обратный ток невелик, однако участок насыщения практически не выражен и за счет токов утечки и термогенерации обратный ток равномерно возрастает. Значения постоянных прямых токов точечных диодов не превышают десятков миллиампер, а значения допустимых обратных напряжений 100 В. Малая величина статической емкости Сд между выводами точечных диодов (малая площадь перехода) позволяет использовать их в широком диапазоне частот. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (fмакс ? 300 МГц) и СВЧ (fмакс ? 300 МГц). Помимо статической емкости Сд точечные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные. Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных. Как и выпрямительные, импульсные диоды характеризуются статическими параметрами, а также параметрами предельного режима. Основными же являются импульсные параметры: Сд и tвосст – время восстановления запирающих свойств диода после снятия прямого напряжения. Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Как отмечалось в разд. 1.2, если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр, то происходит лавинный пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном напряжении. Такой участок характеристики (участок аб, см. рис. 1.8, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное (см. рис. 1.8, б). Если обратный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилитронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики, а следовательно, нет условий для саморазогрева полупроводника и теплового пробоя р-n-перехода. К основным параметрам стабилитронов относится напряжение стабилизации Uст – напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации Iст. ном (см. рис. 1.8, а). Помимо Iст. ном указываются также минимальное Iст. мини максимальное Iст. максзначения токов на участке стабилизации. Уровень напряжения стабилизации определяется величиной пробивного напряжения Uобр. пр, зависящего, в свою очередь, от ширины р-n-перехода, а следовательно, степени легирования кремния примесью. Для получения низковольтных стабилитронов используется сильнолегированный кремний. Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок стабилизации определяется обратным током туннельного характера. У низковольтных стабилитронов с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается, а у высоковольтных увеличивается. Схема на рис. 1.8, б объясняет принцип работы простейшего стабилизатора постоянного напряжения. Увеличение входного напряжения uвх приводит к увеличению тока через стабилитрон и сопротивление R. Избыток входного напряжения выделяется на R, а напряжение uвых остается практически неизменным. Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р-n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения. Как было сказано выше (см. гл. 1.2), прямосмещенный р-n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость (выражение 1.12), отличающаяся малым температурным коэффициентом, низким уровнем собственных шумов и слабой зависимостью от частоты. Следовательно, в рабочем режиме к варикапу прикладывается запирающее внешнее напряжение. Поскольку толщина p-n-перехода зависит от величины приложенного внешнего напряжения U, то, изменяя последнее, можно регулировать значение ёмкости. Это используется, в частности, для настройки на нужный канал в телевизорах и радиоприёмниках. Основными параметрами варикапов являются: номинальная емкость Сном, определяемая при номинальном напряжений смещения (Uном= 4 В), максимальная Смакс и минимальная Сминемкости соответственно при максимальном и минимальном напряжениях смещения (или коэффициент перекрытия по емкости Кс= Смакс/Смин), добротность Q, а также Uобр.макс. Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р-n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок). Фотодиоды могут работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения). При контакте двух полупроводников n- и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р-n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю. При освещении полупроводника в области р-n-перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р-n-перехода «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны – в n-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей. В результате плотности дрейфовых составляющих токов, определяемые равенствами (1.8), (1.9), возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком Iф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой, в соответствии с выражением (1.10), тепловой ток Io, обусловленный неосновными носителями при отсутствии освещения. Поскольку в области полупроводника p-типа накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в области полупроводника n-типа – с отрицательным зарядом, то между внешними электродами появляется разность потенциалов представляющая собой фотоЭДС Еф. Эта ЭДС уменьшает высоту потенциального барьера, вызывая тем самым увеличение диффузионной составляющей тока. ФотоЭДС не превышает значения, численно равного ширине запрещенной зоны полупроводника. Такой режим используется, в частности, в солнечных батареях. Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р-n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Ее в энергетическое состояние уровня Еу с меньшим запасом энергии. В германии и кремнии ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при рекомбинации энергия передается в основном кристаллической решетке в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A? = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего. Основными характеристиками светодиодов являются вольтамперная характеристика, а также зависимости мощности и яркости излучения от величины прямого тока. Мощность и яркость излучения во многом определяются конструкцией светодиода. Чем больший ток можно пропускать через диод при допустимом его нагреве, тем больше мощность и яркость излучения К основным параметрам светодиода относятся мощность излучения Р, длина волны излучаемого света l и КПД. Длина световой волны, определяющая цвет свечения, зависит от разности энергий, между которыми осуществляется переход электронов. Светодиоды применяются для индикации и вывода информации в микроэлектронных устройствах. Управляемые светодиоды (с подвижной границей светящегося поля) используются для замены стрелочных приборов как аналоги оптических индикаторов настройки радиоаппаратуры. Светодиоды с несколькими светящимися полями позволяют воспроизводить цифры от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются как источники излучения в оптронах – приборах бурно развивающейся оптоэлектроники. Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Для примера на рис. 1.12 показана прямая ветвь вольтамперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс = 1 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс = 20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).
Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольтамперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот. electrono.ru | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Рис. 1.10 Условные графические обозначения: а – выпрямительные и универсальные;б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон; г – туннельный диод;д – обращенные диоды; е – варикап; ж – фотодиодов; з – светодиод
Рис. 1.11 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода
Рис. 1.12 ВАХ туннельного диода
