42. Вольт-амперная характеристика (вах) полупроводникового диода Что такое идеальный диод?

Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс - к аноду, минус - к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

Вот так это выглядит на графике:

Такая модель диода используется в случаях, когда важна только логическая функция прибора. Например, в цифровой электронике.

Вах реального полупроводникового диода

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

Vϒ(гамма) - напряжение порога проводимости

При прямом включении напряжение на диоде должно достигнуть определенного порогового значения - V_ϒ. Это напряжение, при котором PN-переход в полупроводнике открывается достаточно, чтобы диод начал хорошо проводить ток. До того как напряжение между анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. V_ϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

Id_max - максимальный ток через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый диод способен выдержать ограниченную силу токаI_{D_MAX}. Когда ток через прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

I_OP – обратный ток утечки

При обратном включении диод не является абсолютным изолятором и имеет конечное сопротивление, хоть и очень высокое. Это служит причиной образования тока утечки или обратного тока I_OP. Ток утечки у германиевых приборов достигает до 200 µА, у кремниевых до нескольких десятков nА. Самые последние высококачественные кремниевые диоды с предельно низким обратным током имеют этот показатель около 0.5 nA.

Piv(Peak Inverse Voltage) - Напряжение пробоя

При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость pn-перехода

Даже если на диод подать напряжение значительно выше V_ϒ, он не начнет мгновенно проводить ток. Причиной этому является паразитическая емкость PN перехода, на наполнение которой требуется определенное время. Это сказывается на частотных характеристиках прибора.

Приближенные модели диодов

В большинстве случаев, для расчетов в электронных схемах, не используют точную модель диода со всеми его характеристиками. Нелинейность этой функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V_ϒ»

Самой простой и часто используемой является приближенная модель первого уровня. Она состоит из идеального диода и, добавленного к нему, напряжения порога проводимости V_ϒ.

Приближенная модель диода «идеальный диод + V_ϒ + r_D»

Иногда используют чуть более сложную и точную приближенную модель второго уровня. В этом случае добавляют к модели первого уровня внутреннее сопротивление диода, преобразовав его функцию из экспоненты в линейную.

43. Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход.

В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре.

При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями.

При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называетсяфототоком.

Ф отоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях.

КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2, соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 1, а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 1,б). 

Рис. 1. Схема включения фотодиода в фотопреобразовательном режиме: а - схема включения, б - ВАХ фотодиода

Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 - 30 мкА, у кремниевых 1 - 3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут.

Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами. 

Рис. 2. Схема включения фоторезистора (а), УГО (б), энергетическая (в) и вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 2), фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность (граничная рабочая частота fгр < 10 - 16 кГц), что ограничивает их применение.

Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база. УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре. При этом они помещаются в один корпус таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода. Полупроводниковые приборы, использующие пары «светодиод – фотодиод», называются оптронами (рис. 3). 

Рис. 3. Оптрон: 1 – светодиод, 2 – фотодиод

Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

44. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора. Характеристики фоторезисторов Основными характеристиками фоторезисторов являются: Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 4 приложения). Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе. Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фотрезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис. 5 приложения). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения. Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые – в красной, а сернисто-свинцовые – в инфракрасной (рис. 6 приложения). Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока – с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 7 приложения). Инерционность оганичивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты. Параметры фоторезисторов Основные параметры фоторезисторов: Рабочее напряжение Uр – постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях (как правило, от 1 до 1000 в). Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях. Темновое сопротивление Rт – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности (варьирует в обычных приборах от 1000 до 100000000 ом). Световое сопротивление Rс – сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

Содержание Введение 2 1. Литературный обзор 2 1.1. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках 2 1.2. Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект 2 2. Основная часть 4 2.1. Фоторезисторы 4 2.1.1. Конструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и 4 световой ток Характеристики фоторезисторов 5 2.1.2. Параметры фоторезисторов 5 Изготовление фоторезисторов 7 2.1.3. Применение фоторезисторов 7 Регистрация оптического излучения 7 2.2. Полупроводниковый фотодетектор 7 2.3. 2.3.1. Заключение 8 Литература 9 2.3.2. Приложения 10 Введение Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках В современной электронной технике широко используются полупроводниковые приборы, основанные на принципах фотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. Первый из этих принципов обусловлен изменением электрофизических свойств вещества в результате поглощения в нем световой энергии (квантов света). При этом изменяется проводимость вещества или возникает э. д. с., что приводит к изменениям тока в цепи, в которую включен фоточувствительный элемент. Второй принцип связан с генерацией излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением и протекающим через светоизлучающий элемент током. Указанные принципы составляют научную основу оптоэлектроники – нового научно-технического направления, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются как электрические, так и оптические средства и методы. Все многообразие оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к следующим основным: – поглощение света и фотопроводимость; – фотоэффект в p- переходе; – электролюминесценция; – стимулированное когерентное излучение. Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно- дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого проводимость полупроводника возрастает на величину (( = e (( ( i (p (pi), (1) где e – заряд электрона; ( – подвижность электронов; (p – подвижность дырок; ( i – концентрация генерируемых электронов; (pi – концентрация генерируемых дырок. Поскольку основным следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. междузонный переход, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию h(кр ( (W, (2) где h – постоянная Планка; (W – ширина запрещенной зоны полупроводника; (кр – критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости). Излучение с частотой ( < (кр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения h( < (W недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же h( > (W, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии. Критической частоте (кр соответствует граничная длина волны (гр = с / (кр, (3) где с - скорость света (3(108 м/с).

45. Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик

Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие:

• возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом; для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

• возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

• однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;

• широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи, как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

• возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;

• возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону;

• невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае "длинных" оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а также исключает взаимные наводки ;

• физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

46  Терморезистор - это полупроводниковый прибор (его изготавливают из полупроводниковых материалов с большим отрицательным температурным коэффициентом), в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры.

Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электро­магнит­ного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условийтеплообмена терморезистора со средой

Различают терморезисторы с отрицательным (термисторы) и положительным (позисторы) ТКС. Их ещё называют NTC-термисторы и PTC-термисторы соответственно. У позисторов с ростом температуры растет и сопротивление, а у термисторов —- наоборот: при увеличении температуры сопротивление падает.

Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?, NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа A^III B^V, стеклообразных полупроводников и других материалов.

Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), среднетемпературные (170–510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900–1300 К. Наиболее широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от −2,4 до −8,4 %/К и номинальным сопротивлением 1–10⁶ Ом.

47 Полупроводниковая электроника. Электрическая объемная неустойчивость в многодолинных полупроводниках. Образование доменов сильного поля; условия их существования и продвижения. Перенос носителей заряда в аморфных полупроводниках, шнурование тока. Квантовые размерные эффекты в полупроводниках.

Влияние электрического поля на объемную и поверхностную электропроводимость полупроводников. Особенности эффекта поля в МДП-структурах с плавающим затвором с многослойными или активными диэлектриками.

Эффекты, связанные с изменением кристаллической структуры вещества. Влияние фазовых переходов в твердых телах на их электрические свойства. Бистабильность стационарных состояний в полупроводниках, оптическая бистабильность.

Колебания в полупроводниках, обусловленные генерационно-рекомбинационными неустойчивостями. Автоколебания и хаос. Электрически управляемые резисторы. Варисторы, трехэлектродные резисторы различного назначения на основе МДП-структур. Элементы с S- и N-образной вольт-амперной характеристикой. Функциональные интегриальные схемы на основе аморфных полупроводников и оксидов переходных металлов. Генераторы, усилители, логические схемы и запоминающие устройства на элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Физические основы работы приборов с зарядовой связью (ПЗС). Накопление и перенос заряда, шумовые процессы. Способы реализации и физические ограничения ПЗС. Цифровые устройства на ПЗС: логические элементы, накопители информации, запоминающие устройства. Аналоговые устройства на ПЗС: линии задержки, фильтры, мультиплексоры, корреляторы, спектральные преобразователи. Формирователи сигналов изображения. Матричные фоточувствительные схемы с зарядовой связью.

Криоэлектроника. Сверхпроводники первого и второго рода. Высокотемпературые сверхпроводники. Эффект Джозефсона: стационарный и нестационарный. Квантование магнитного потока, квантовое обобщение уравнения Лондонов. Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДЫ). Устройства на основе сверхпроводников: криотронные переключатели и элементы памяти, элементы и устройства на вихрях Абрикосова и Джозефсоновских переходах. Линии задержки, цифровые логические схемы, устройства обработки сигналов. Сверхпроводящие компоненты для приемников излучения, приборы с переносом квантов потока. Схемы на базе комбинаций сверхпроводников и полупроводников, процессоры.

Акустоэлектроника. Элементы теории упругости: тензоры деформаций, напряжений, моделей упругости, упругих постоянных. Уравнение движения изотропной упругой среды. Волны Рэлея. Распределение энергии в рэлеевской волне. Рэлеевские волны в кристаллах, особенности, обусловленные анизотропией. Волны Лява. Типы и свойства поверхностных акустических волн: волны Стоунли, Лэмба, Гуляева-Блюстейна; вытекающие волны. Методы возбуждения и приема акустических волн.

Встречно-штыревой преобразователь: эквивалентная схема, параметры. Управление распространением акустических волн: многополосковые ответвители, отражатели. Резонаторы акустическихэ волн.

Взаимодействие электронов с поверхностными акустическими волнами. Усиление акустических волн. Нелинейные эффекты в упругой среде.

Основные устройства функуциональной акустоэлектроники. Линии задержки и фазовращатели. Полосовые, трансверсальные и дисперсионные фильтры. Акустоэлектронные корреляторы, конволоверы и элементы памяти. Акустоэлектронные усилители и генераторы.

Магнитоэлектроника. Магнитоупорядоченные вещества и их магнитные характеристики. Обменное взаимодействие и магнитная анизотропия.

Цилиндрические магнитные домены. Доменные границы. Генерация, деление, перемещение и детектирование цилиндрических магнитных доменов. Запоминающие устройства и процессоры сигналов на цилиндрических магнитных доменах.

Магнитоупругое взаимодействие, магнитоупругие волны. Магнитоакустические запоминающие устройства, фильтры СВЧ-сигналов.

Спиновые и магнитостатические волны. Функциональные устройства на магнитостатических волнах: управляемые и дисперсионные линии задержки, фазовращатели, модуляторы, генераторы сдвига частоты и шумоподобного сигнала. Взаимодействие магнитостатических волн с носителями заряда, усиление магнитостатических волн.

Оптоэлектроника. Динамические неоднородности, континуальные среды, генераторы и детекторы. Физические основы приборов функциональной оптоэлектроники.

Функциональная акустооптика. Фотоупругий эффект. Акустооптическое взаимодействие. Брэгговская дифракция. Интенсивность и поляризация дифрагированного пучка. Корпускулярное представление акустооптического взаимодействия. Дифракция Рамана-Ната. Поверхностная акустооптика.

Устройства функциональной акустооптики: акустооптические модуляторы и дефлекторы, процессоры, спектр-анализаторы сигналов. Акустооптические корреляторы сигналов, перестраиваемые фильтры. Интегрально-оптические приборы на поверхностной дифракции.

Функциональная магнитооптика. Эффект Фарадея в магнитоупорядоченных оптически прозрачных материалах. Основные механизмы взаимодействия света на магнитных неоднородностях различного типа: дифракция на доменной структуре, рассеяние света в магнитооптических волноводных структурах, дифракция света на спиновых волах.

Устройства функциональной магнитооптики: модуляторы и дефлекторы, процессоры и фильтры, приборы оптической обработки сигналов.

Диэлектрическая электроника. Диэлектрические среды: пьезоэлектрики, пироэлектрики, сегнетоэлектрики, сегнетомагнетики. Электрические домены, фазоны, флуктоны. Явления в слоистых структурах на основе диэлектрических, металлических и полупроводниковых сред. Механизмы переноса носителей заряда в пленочных системах. Токи через тонкие диэлектрические пленки, надбарьерная эмиссия, туннелирование; токи, ограниченные пространственным зарядом.

Устройства диэлектрической электроники: элементы памяти, процессоры, диэлектрические диоды и транзисторы.

Хемотроника. Электрический ток ионов в жидких растворах. Процессы, протекающие на границе раздела фаз электрод - раствор. Электрохимические реакции в электролитах. Фазовые переходы на электродах, электрокапиллярные явления. Хемотронные устройства: электрохимические диоды, усилители, интеграторы.

Твердофазные хемотронные приборы: запоминающие элементы, элементы памяти, ионистр.

Заключение. Основные тенденции и направления дальнейшего развития функциональной электроники. Использование новых физических явлений и материалов для создания устройств функциональной электроники.

48. Вакуумно-люминесцентный индикатор (ВЛИ), или катодолюминесцентный индикатор (КЛИ) (vacuum fluorescent display (VFD),нем. Digitron либо Fluoreszenzanzeige) — электровакуумный прибор, элемент индикации, работающий по принципу электронной лампы.