Расчет измерительных преобразователей. Полупроводниковый диод (стр. 3 из 5)

Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра используется барьерная ёмкость, величина которой варьируется при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной ёмкости, управляемый напряжением.

Рисунок 19

Принцип действия.

Если к p-n переходу приложить обратное напряжение, то ширина потенциального барьера увеличивается.

При подключении обратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно, барьерная ёмкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольт-фарадная характеристика С=f(Uобр).

Рисунок 20

Основные параметры варикапов:

- Максимальное, минимальное и номинальное значение ёмкости варикапа.

- Коэффициент перекрытия

- отношение максимальной ёмкости к минимальной.

- Максимальное рабочее напряжение варикапа.

Фотодиоды.

Фотодиодом называется фотогальванический приёмник излучения, светочувствительный элемент которого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления.

Принцип действия.

При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотогенерация собственных носителей зарядов (рис. 21), что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных носителей зарядов.

Рисунок 21

Однако фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток, так как не основных носителей зарядов значительно меньше, чем основных.

Рисунок 22

Для фотодиодов Iобр – это фототок. Зависимость фототока Iф от величины светового потока Iф=f(Ф) (рис. 22).

Рисунок 23

Спектральная характеристика – это зависимость фототока от длины волны светового излучения Iф=f(λ).

Рисунок 24

Темновой ток – ток через фотодиод при отсутствии светового потока и при заданном рабочем напряжении.

Интегральная чувствительность – это отношение фототока к световому потоку

Рабочее напряжение – это обратное напряжение, подаваемое на фотодиод, при котором все параметры фотодиода будут оптимальными.

Рисунок 25

Светодиоды.

Светодиодом называется полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.

Принцип действия.

При прямом включении основные носители заряда переходят через p-n переход и там рекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. Только для некоторых типов на основе арсенида галлия ширина запрещённой зоны ΔW достаточно велика, и длина волны лежит в видимой части спектра.

При обратном включении через p-n переход переходят неосновные носители заряда в область, где они становятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют.

Основные характеристики:

а) Яркостная характеристика – это мощностная зависимость излучения от прямого тока Pu=f(Iпр).

Рисунок 26

б) Спектральная характеристика – это зависимость мощности излучения от длины волны Pu=f(λ).

Рисунок 27

Основные параметры: яркость свечения при максимальном прямом токе; полная мощность излучения Pu.max.

8. Импульсные, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды

Импульсные диоды.

Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного p-n перехода при подаче на него импульсного напряжения.

Рисунок 28

Рисунок 29

В промежуток времени от 0 до t1 p-n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент t1 p-n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего максимального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время tуст., которое необходимо для заряда барьерной ёмкости p-n перехода.

В момент времени t2 p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости оказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n перехода возвращаются в n-область, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время tвосст. p-n переход восстанавливает свои «закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник легируют золотом для увеличения подвижности электронов.

Диоды ВЧ.

Это универсальные диоды, которые могут быть детекторными, модуляторными, импульсными при достаточных длительностях импульса, и даже выпрямительными при малых токах нагрузки. Основное отличие ВЧ диодов – обратная ветвь вольтамперной характеристики плавно понижается (увеличивается обратный ток, постепенно переходя в область электрического пробоя) (рис. 30).

Рисунок 30

Такое понижение обратной ветви ВАХ объясняется усиленной термогенерацией собственных носителей зарядов на малой площади p-n перехода.

Микросплавные ВЧ диоды имеют бoльшую барьерную ёмкость, чем точечные, и для того, чтобы их можно было использовать на высоких частотах, вблизи p-n перехода понижают концентрацию акцепторной и донорной примеси.

Рисунок 31

Понижение концентрации примеси приводит к увеличению ширины p-n перехода, следовательно, к уменьшению барьерной ёмкости:

СВЧ диоды.

На СВЧ используются диоды Шоттки и диоды с p-n переходом, площадь которого значительно меньше, чем у точечных.

Рисунок 32

Заострённая вольфрамовая проволока в виде пружины прижимается к базе с определённым усилием, за счёт чего образуется очень малой площади p-n переход.

9. Диод Есаки (туннельный диод) и его модификации

Японский физик Лео Есаки в 1958 г создал случайно диод с необычными свойствами, заключающимися в наличии участка с отрицательным сопротивлением и способностью усиливать сигнал. В процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n переходе он обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции «квантовомеханического туннелирования» и при этом получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами. Не беда, что туннелирование нарушает законы физики: туннелировать, -значит, проникать сквозь барьер, как значительно позже стал проникать Дэвид Коперфильд через Великую Китайскую стену. Если б такое было возможным, электроны в атомах могли бы перескакивать с одной орбиты на другую, наступил бы процесс спонтанной мутации химических элементов и полный хаос. Появление же указанного эффекта исключительно в теории полупроводников лишь подчеркивает ее блефовую основу и полную несостоятельность квантовомеханической теории.

Туннельный диод представляет собой простой p-n переход, обе стороны которого сильно легированы. Это означает, что в диоде Есаки (ДЕ) образуются дополнительные переходы (рис. 33)

Рисунок 33 - Дополнительные переходы диода Есаки.

Малая ширина основного перехода рождает принципиально новое свойство, связанное с неидеальностью линии границы перехода. Ширина d оказывается распределенной неравномерно по сечению канала (рис.34), отчего диод оказывается состоящим из многих параллельно включенных диодов с различающимися значениями d, причем некоторые участки сечения образуют встречное включение переходов. Сумма этих участков может рассматриваться как один паразитный диод.

Рисунок 34 - Вероятностное представление границ перехода ДЕ.

а- нормальное соотношение между шириной перехода и нестабильностью его границ; б- потенциалы границ при нормальном соотношении; в- взаимное перекрытие границ перехода.

Дополнительные переходы также должны выполняться с резкой границей, что позволит им также переходить в режим паразитной проводимости.