Отличие фотодиода, светодиода и варикапа от выпрямительного диода
Задание 1(11). Отличие фотодиода, светодиода и варикапа от выпрямительного диода.
Основой 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.
Рис. 1 Условные
графические обозначения: а – выпрямительные
и универсальные;
б – стабилитроны; в – двухсторонний стабилитрон;
г – туннельный диод;
д – обращенные диоды; е – варикап; ж –
фотодиодов; з – светодиод
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.
Рис. 1.1 Конструкция (а) и вольтамперная характеристика (б) точечного диода
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. 1.1, а,а его вольтамперная характеристика – на рис. 1.1, 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, 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 используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное. 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. Помимо Iст. ном указываются также минимальное Iст. мин и 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.
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, прямосмещенный р-n-переход характеризуется, в частности, диффузионной емкостью, а обратносмещенный – барьерной. В варикапах используется барьерная емкость, 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 Смин емкости 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, возрастают, а следовательно, дрейфовый ток получает некоторое приращение, называемое фототоком Iф. При этом полный дрейфовый ток представляет собой 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 (
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 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. 1.2 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).
Рис. 1.2 ВАХ туннельного диода
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.
Задание 2(20). Приведите семейства входных и выходных характеристик полевого транзистора, включенного по схеме с общим истоком (ОИ).
Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.
Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).
Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).
На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение.
Полевые транзисторы представляют собой класс полупроводниковых приборов,
в которых величина выходного тока изменяется
под действием электрического поля, создаваемого
входным напряжением, благодаря чему полевые
транзисторы имеют очень высокое (1...
10 МОм) входное сопротивление. Указанное
обстоятельство является главным достоинством
этих приборов, что подчеркивается в их
названии. Различают два подкласса полевых
транзисторов: с управляющим
p—n-переходом и изолированным затвором
со структурой металл—диэлектрик—
Транзисторы с управляющим p-n переходом
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.
Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Полярность напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.
Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с незначительностью обратных токов p-n перехода мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой.
От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.
Рис. 2. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом
В полевых транзисторах первого типа управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к входному электроду. Полевой транзистор с управляющим р—n «-переходом состоит из тонкой пластинки полупроводникового материала с одним р—n-переходом в центральной части и с невыпрямляющими контактами по краям (рис. 2).
Работа этих транзисторов основана на модуляции эффективного сечения канала, которую осуществляют изменением толщины запирающего слоя, обратносмещенного р—n-перехода.
Рис. 2.1
а)
Рис. 2.3. Физические модели МДП-полевых транзисторов: а — с встроенным p-каналом; б — с индуцированным p-каналом
Область, от которой начинают движение основные носители, называют истоком, а область, к которой движутся основные носители, — стоком.
Область, используемая для управления током, протекающим через канал, называют затвором. Источник Е3.к создает отрицательное напряжение на затворе (Uз-и1, Uз-и2_, ...). Ток, протекающий через канал Iс, можно модулировать переменным входным напряжением. Постоянное отрицательное напряжение, при котором токопроводящий канал окажется перекрытым, называют пороговым, или напряжением отсечки Uотс К параметрам, характеризующим максимально допустимые режимы, относятся максимально допустимое напряжение между стоком и истоком, между затвором и истоком и максимально допустимая мощность рассеяния в транзисторе.
В качестве основного параметра полевого транзистора используется крутизна характеристики Iс =f(Uз-и) (Рис. 13 а)-с встроенным р- каналом; б)- с индуцированным р- каналом) в пологой области семейства выходных характеристик:
Полевые транзисторы с изолированным затвором (ПТИЗ) бывают двух типов: с встроенным каналом и индуцируемым каналом. На рис. 2.3 представлены их физические модели, а на рис. 2.4 — семейства выходных характеристик.
Из характеристик транзистора с встроенным каналом следует, что он может работать с обеднением канала носителями тока, когда входное напряжение положительно и дырки оттесняются вглубь кристалла, поскольку заряды пластин конденсатора, образованного металлом затвора, диэлектрическим «зазором» и полупроводником, должны быть одинаковы и противоположны по знаку. Кроме того, указанный транзистор может работать и с обогащением канала при отрицательном значении входного напряжения по тем же причинам. Транзистор с индуцируемым каналом, как это следует из модели и характеристик, может работать только в режиме обогащения канала. Основным параметром МДП-транзисторов также является приведенный выше коэффициент S.
Условные графические обозначения полевых транзисторов разных типов представлены на рис. 2.5 ( а- с каналом n–типа; б – с каналом р–типа; в- с изолированным затвором обогащенного типа с р- каналом; г- с изолированным затвором обогащенного типа с n- каналом)
В транзисторах с изолированным затвором, как правило, делается вывод от подложки, который может быть использован в некоторых случаях как второй затвор, чаще всего он накоротко соединяется с истоком.
Задание 3 (50). Дайте определение обратной связи в усилителе. Как она влияет на величину коэффициента усиления усилителя ?
Обратной связью (ОС) называют передачу части энергии усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную.
На рис. 3 показана структурная схема усилителя с обратной связью. Цепь обратной связи характеризуется коэффициентом передачи, или коэффициентом обратной связи β, показывающим, какая часть выходного сигнала передается на вход усилителя. Обычно |β|< 1.
Рис. 3. Структурная схема усилителя с обратной связью
Обратная связь может быть внутренней (она проявляется в усилителе из-за физических свойств усилительных элементов), паразитной (из-за образования паразитных емкостных и индуктивных связей между выходной и входной цепями) и искусственной (ее создают специально). Внутренняя и паразитная ОС являются нежелательными, и их пытаются устранить. Искусственную ОС применяют с целью уменьшения нелинейных искажений и стабилизации положения начальной рабочей точки. Для этого с помощью обратной связи на вход подают напряжение точно в противофазе с ЭДС источника сигнала. Такую ОС называют отрицательной. Если напряжение обратной связи подать точно совпадающим по фазе с ЭДС источника сигнала, то сигнал на входе увеличится. Такую ОС называют положительной. Ее используют, например, в автогенераторах для поддержания автоколебаний. В зависимости от того, каким образом цепь ОС присоединена к выходу и входу усилителя, различают: обратную связь по напряжению – цепь ОС соединенная с выходом схемы параллельно нагрузке так, что напряжение ОС пропорциональ-но напряжению на нагрузке усилителя (рис. 3.1, а); обратную связь по току – цепь ОС соединенная с выходом схемы последовательно с нагрузкой так, что напряжение ОС пропор-ционально току в нагрузке (рис. 3.1, б); обратную связь последовательную – цепь ОС со стороны входа соединена последовательно с источником сигнала (рис. 3.1, в); обратную связь парал-лельную – цепь ОС со стороны входа соединена параллельно с источником сигнала (рис. 3.1, г). Бывают также комбинированные (смешанные) обратные связи: ОС одновременно по току и напряжению, ОС одновременно последовательная и параллельная.
Рис. 3.1. Обратная связь в усилителе по напряжению, по току, последовательная и параллельная
Обратную связь называют частотно-независимой, если отношение напряжений на выходе и входе цепи ОС не зависит от частоты (цепь ОС не содержит индуктивностей и емкостей). В противном случае ОС называют частотно-зависимой. Если между напряжением ОС и ЭДС источника сигнала сдвиг фаз отличается от 0 и от 180°, то ОС называют комплексной. Замкнутый контур, образуемый цепью обратной связи и частью схемы усилителя, к которой эта цепь присоединена, называется цепью обратной связи.
Рассмотрим, как влияет отрицательная ОС на основные показатели усилителя и в первую очередь на коэффициент усиления. Пусть имеется последовательная ОС по напряжению (рис. 3.1, а, в). Для простоты все величины считаем действительными. Напряжение ОС, подаваемое во входную цепь усилителя,
(3.1)
Это напряжение вычитается из входного напряжения, поэтому
, (3.2)
или
.
Если ОС отсутствует, то и коэффициент усиления усилителя
(3.3)
При наличии отрицательной ОС с учетом (3.2)
(3.4)
Из (3.3) и (3.4) следует, что при наличии ОС коэффициент усиления усилителя
(3.5)
Следовательно, отрицательная ОС снижает коэффициент усиления в 1+βK раз. Величина βK характеризует усиление цепи обратной связи. Сумму 1+βK называют глубиной отрицательной ОС. Если при отрицательной ОС |β|>>1, то такую связь называют глубокой отрицательной ОС. При глубокой отрицательной ОС в знаменателе выражения (3.5) единицей по сравнению с βK можно пренебречь, тогда
, (3.6)
т.е. KOC определяется только коэффициентом передачи обратной связи β и не зависит от коэффициента усиления усилителя без обратной связи K.
Все сказанное справедливо не только для последовательной ОС по напряжению, но и для всех других видов отрицательной ОС.
Введение отрицательной ОС повышает стабильность коэффициента усиления усилителя при изменении режима усилительного элемента, частоты, амплитуды сигнала и др. При этом изменение К вызывает изменение KOC, в 1+βK раз меньшее, а при глубокой отрицательной ОС почти совсем не зависит от K, что следует из уравнения, которое можно получить, если продифференцировать (3.5) по K:
(3.7)
Отрицательная ОС позволяет расширить полосу пропускания, снижает уровень нелинейных искажений, фон и шумы, возникающие внутри усилителя. В зависимости от типа отрицательной ОС можно уменьшать или увеличивать входное и выходное сопротивления. Так, введение отрицательной последовательной ОС по напряжению увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление усилителя, что в ряде случаев значительно улучшает его показатели. Поэтому, несмотря на снижение коэффициента усиления при введении отрицательной обратной связи, ее широко используют в усилителях различного назначения.
Отметим, что при положительной ОС коэффициент усиления увеличивается. Проведя рассуждения, подобные проделанным для отрицательной ОС, получаем
, (3.8)
откуда следует, что положительная ОС увеличивает коэффициент усиления усилителя в 1-βK раз. Разность 1-βKназывают глубиной положительной ОС. Если , то , т.е. усилитель самовозбуждается и начинает работать как генератор.
Задание 4(71). Описать работу выпрямителя с умножением напряжения.
Выпрямитель с умножением напряжения – устройство, служащее для выпрямления и повышения напряжения. Особенность работы схем этих выпрямителей является использование свойств конденсатора накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию. При работе выпрямителя от обычной сети 50-периодного переменного тока время, в течение которого конденсатор должен сохранять заряд, не превышает 0,02 сек. Чем больше емкость входящих в схему конденсаторов, тем выше запас электрической энергии и выпрямленное напряжение при одной и той же нагрузке. Поэтому в таких выпрямителях удобнее всего применять электролитические конденсаторы, которые, имея небольшие размеры, обладают значительной ёмкостью.
Выпрямитель по схеме
