3.4.2.8. Фотодиоды

Принцип действия фотодиода основан на использовании внутреннего фотоэффекта, заключающегося в генерации в полупроводнике свободных носителей заряда при воздействии квантов света. С помощью фотодиодов световое излучение преобразуют в электрический ток. Условное графическое обозначение фотодиода приведено на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Условное графическое обозначение фотодиода на принципиальных электрических схемах.

Вопросы для самопроверки

1. Опишите область исследований электроники.

2. Что называется схемой?

3. Какие схемы относятся к классу функциональных?

4. Какие схемы относятся к классу принципиальных?

5. Какие схемы относят к классу структурных?

6. Какие понятия в электронике и радиотехнике относят к основным, первичным?

7. Что представляет собой электрический ток?

8. Перечислите элементную базу электронной аппаратуры.

9. Что служит теоретической основой схемотехники?

10. Какие устройства принято называть аналоговыми?

11. Какие устройства принято называть цифровыми?

12. Что понимают под термином характеристика?

13. Что понимают под термином параметр?

14. Что является параметром резистора и какова его вольтамперная характеристика?

15. Запишите выражение для тока, текущего через конденсатор.

16. Запишите выражение для ЭДС самоиндукции катушки.

17. Какой компонент электрической цепи называется диодом. Нарисуйте его условное графической обозначение. В каком направлении течёт ток через диод?

18. Нарисуйте объёмное распределение зарядов для p-n перехода.

19. Нарисуйте вольтамперную характеристику полупроводникового диода.

20. Статическое и динамическое сопротивления полупроводникового диода. С поясняющим рисунком.

21. Устройство и особенности свойств диода Шоттки.

22. Перечислите типы диодов.

23. Особенности работы импульсных диодов.

24. Свойства и характеристика стабилитронов и стабисторов. Их применение.

25. Варикапы. Особенности и свойства. Вольтфарадная характеристика.

26. Туннельные диоды. Свойства и характеристика.

27. Излучающие диоды. Свойства и параметры.

28. Фотодиоды. Свойства. Условное графическое обозначение.

4. Транзисторы

Транзистором¹¹ называется электронный прибор, выполненный на основе полупроводникового кристалла и имеющий три или более выводов. Транзисторы применяются для генерирования и преобразования колебаний. Транзисторы были изобретены и разработаны в 1948 году У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардиным.

Транзисторы образуют два основных крупных класса: биполярные транзисторы и униполярные транзисторы.

4.1. Биполярные транзисторы

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими p-n – переходами и тремя (и более) выводами. Транзисторы обладают свойством усиления сигнала, обусловленными явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда [9]. В биполярных транзисторах используются одновременно два типа носителей заряда: электроны и дырки. Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух p-n – переходов. Это взаимодействие осуществляется потому, что толщина b средней области транзистора (базы) меньше длины свободного пробега L (диффузионной длины) носителей заряда в этой области. Обычно b << L.

Для транзисторов n-p-n – типа n_n>>p_p, иначе говоря, концентрация основных носителей в n области много выше, чем в p области. Одна из n областей инжектирует¹² электроны в p область. Она называется эмиттером. Вторая n область, которая экстрагирует¹³ заряды, находящиеся в соседней p области (электроны), называется коллектором. Средняя область, в случае n-p-n транзисторов – это p область, называется базой.

В случае прямого напряжения на базе относительно эмиттера и обратного напряжения на переходе коллектор – база электроны из области эмиттера будут инжектироваться в базу. Эти заряды образуют ток, называемый эмиттерным. Часть инжектированных электронов в области базы рекомбинирует с основными для этой области зарядами – дырками, образуя ток базы . Та часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторный переход, под действием напряжения, приложенного между коллектором и базой, экстрагируется в область коллектора. Так образуется коллекторный ток – I_К.

Уменьшение потока электронов (коллекторного тока) в сравнении с потоком дырок через эмиттерный переход учитывается выражением (4.1 ):

, (4.1 )

где α – коэффициент передачи тока эмиттера, равный 0,95…0,99.

Этот коэффициент равен отношению приращений коллекторного и эмиттерного токов, то есть является динамическим. На практике часто обозначение приращения - ∆ и название динамический опускают, относя коэффициент α к линейным участкам изменения токов.

Наряду с потоком электронов через запертый коллекторный переход создаётся обратный ток дырок p_n из n области в p область. Эти носители являются неосновными для коллекторной области. Этот ток обозначается I_КБ0. Совместно с током ток I_КБ0 образует выходной ток транзистора,

I_К = + I_КБ0 , ( 4.2 )

а совместно с током – ток в базовом выводе,

I_Б = + I_{КБ0 .}

Преобразуем (4.2 ) с учётом (4.1 )

I_К = I_КБ0 + αI_Э .

Так как I_Э >> I_КБ0, принимаем

I_К ≈ αI_Э . (4.3)

Последнее соотношение вполне применимо на практике.

Разность между коллекторным и эмиттерным токами равна величине базового тока.

I_Б = I_Э - I_К . (4.4)

Заменив I_Э в ( 4.4 ) его значением (4.3 ), получаем

I_Б = I_К /α - I_К = I_К[(1-α)/α].

Отношение I_К/ I_Б = α/(1 – α) = β является динамическим коэффициент передачи тока базы. Выражая зависимость I_К от I_Б получаем

I_К = β I_Б. (4.5)

Величина β, учитывая значение α, лежит в пределах от 19 до 99, что много больше единицы. Соотношение (4.5) для кремниевых транзисторов хорошо выполняется, поскольку для них тепловой ток коллектора I_ko практически равен нулю.

Процессы в базе определяют свойства транзистора. По виду распределения примесей в области базы различают два типа транзисторов: диффузионные и дрейфовые. Если концентрация примесей по всему объёму базы постоянна, то есть в отношении примесей база однородна, то движение зарядов при отсутствии внешних напряжений является полностью диффузионным. Транзисторы с однородной базой называются диффузионными.

В случае неоднородной базы в ней образуется внутреннее электрическое поле. При этом получается смешанное движение носителей заряда, при котором диффузия сочетается с дрейфом носителей во внутреннем поле. Транзисторы с неоднородной базой называются дрейфовыми. Дрейфовые транзисторы обладают более хорошими частотными свойствами в сравнении с диффузионными.

Обратно смещённый коллекторный p-n переход имеет высокое сопротивление r_К. Поэтому в цепь коллектора можно включать резисторы с большим сопротивлением. Значение коллекторного тока при этом практически не изменяется.¹⁴ В цепи коллекторной нагрузки при большом сопротивлении будет выделяться значительная мощность (рассеиваться на нагрузочном сопротивлении R_К в коллекторной цепи).

Сопротивление r_Э прямо смещённого эмиттерного перехода мало. Поэтому, поскольку эмиттерный и коллекторный токи практически одинаковы, мощность, выделяемая в цепи эмиттера, во много раз меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Таким образом, биполярный транзистор является усилителем мощности.

Малые значения входного напряжения (приложенного между базой и эмиттером), составляющие, при работе в линейной области характеристик, десятые доли вольта, и большие значения выходного напряжения¹⁵ говорят о том, что биполярный транзистор может применяться для усиления напряжения.

Условное изображение биполярного транзистора на принципиальных электрических схемах приведено на рис. 4.1. Слева приведено обозначение транзистора типа n–p–n, а справа обозначение транзистора типа p-n-p.

Рис. 4.1. Условные обозначения биполярных транзисторов n–p–n и p-n-p типов.