22. Специфика работы полупроводниковых диодов и транзисторов при больших токах. Работа полупроводниковых диодов и транзисторов в составе интегральных схем, эффект близости.

Диодами называют двухэлектродные элементы электричес­кой цепи, обладающие односторонней проводимостью тока.

В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обусловливает­ся применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (р), а другой — электронной (n) электропроводностью. Принцип дейст­вия полупроводникового диода основывается на специфике процес­сов, протекающих на границе раздела р- и n-слоев, в так называе­мом, электронно-дырочном переходе (р-n-переходе).

Типы диодов

Промышленностью выпускаются германиевые и кремниевые диоды. Преимущества кремниевых диодов: малые обратные токи, возмож­ность использования при более высоких температурах окружающей среды и больших обратных напряжениях, большие допустимые плот­ности прямого тока; преимущества германиевых диодов: малое падение напряжения при пропускании прямого тока.

По назначению полупроводниковые диоды подразделяют на выпря­мительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны.

Мощные (силовые) диоды. К данному типу относятся диоды на токи от 10 А и выше. Отечественная промышленность выпускает силовые диоды на токи 10, 16, 25, 40 и т. д. до 1000 А и обратные напряжения

рис. 1.14. Конструкция кремниевых выпрямительных диодов сред­ней мощности Д202 — Д205 (а):

1 — внешний вывод (анод); 2 — трубка (штенгель); 3 — стеклянный изолятор; 4 — корпус; 5 —внутренний вывод анода; 6 — алюминий; 7 — кристалл крем­ния; 8— теплоотводящее основание; 9 — кристаллодержатель; 10 — внешний вывод (катод);

до 3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте и охватывают частотный диапазон применения до десятков килогерц.

Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Пример возможной конструкции мощного диода показан на рис. 1.15.

Рассмотрим некоторые специфические особенности мощных диодов.

Работа при больших токах и высоких обратных напряжениях связана с выделением значительной мощности в p-n-переходе. В связи с этим здесь должны предусматриваться эффективные методы отвода теплоты. В установках с мощными диодами применяют воздушное и жидкостное охлаждение. При воздушном охлаждении отвод теплоты производится с помощью радиатора и проходящего вдоль его теплоотводящих ребер потока воздуха. При этом охлаж­дение может быть естественным, если отвод теплоты в окружающую среду определяется естественной конвекцией воздуха, или принудительным, если используется принудительный обдув корпуса прибора и его радиатора с помощью вентилятора.

Биполярные транзисторы

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь уп­равляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность — таковы его преимущества.

Б иполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два р-n-перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов р-n-р и n-р-n

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на при­мере структуры типа р-n-р (рис. 1.21, а). Сначала покажем распре­деление концентрации носителей заряда в слоях транзисторной струк­туры и разнести потенциалов, создаваемой объемными зарядами p-n-переходов, в отсутствие внешних напряжений (рис. 1.21,6, в).

В отсутствие внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле и между слоями действует внутренняя разность потенциалов. Потенциальный барьер в каждом из переходов устанавливается такой величины, чтобы обеспечивалось равновесие диффузионного и дрейфового потоков носителей заряда, движущихся через переходы в противоположных направлениях, т. е. равенство нулю протекаю­щего через них тока.

Процессы в базовом слое определяются в основном поведением дырок, перешедших в базу через эмиттерный переход. Инжектируемые дырки, попадая в базовый слой, повышают концентрацию дырок в базе вбли­зи эмиттера. На границе с эмиттерным переходом создается концен­трация дырок.

биполярный транзистор управляется током.

Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллекто­ром (ОК)- О способе включения с общей базой говорилось при рассмотрении принципа действия транзистора. Различие в спо­собах включения зависит оттого, какой из выводов транзистора явля­ется общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ — эмиттер, в схеме ОК — коллектор.

23. Оптоэлектронные приборы, фотоэлектронные и излучающие приборы, светодиоды, полупроводниковые мазеры и лазеры, оптроны и оптические системы передачи информации. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Принцип действия. Специфика работы, область применения. Способы гальванической развязки сигналов и устройств с их помощью.

Оптоэлектронные приборы - приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой

областях (оптический диапазон спектра), а также приборы, производящие или использующие такое излучение.

Оптический диапазон - электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм, что соответствует частотам 0.5· - 5· Гц. Видимому диапазону соответствуют длины волн от 3.88 до 0.78 мкм. На практике используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары). Оптрон – прибор, в котором имеется и источник и

приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Источники излучения: светодиоды и лазеры. Приемники излучения: фоторезисторы, фотодиоды,

фототранзисторы и фототиристоры. Оптроны: светодиод-фотодиод, светодиод-ототранзистор, светодиод-фототиристор.

Фотоэлектронные приборы - электровакуумные или полупроводниковые приборы ,преобразующие электромагнитные сигналы оптического диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Ф. п. предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К Ф. п. относятся разл. фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптич. преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.

 Как правило, все фотоэлектрические приборы - полупроводниковые. К полупроводниковым относятся вещества, занимающие по величине удельного электронного сопротивления (или проводимости) промежуточное положения между проводниками (метал) и диэлектриками. характерным признаком полупроводников, выделяющим их электропроводности от концентрации примесей и электрических воздействий (температуры, света и др.). Например, даже при небольшом повышении температуры проводимость полупроводников резко возрастает (около5% на 1°С). 

Излучающие полупроводниковые приборы. Классификация фотоэлектрических приборов и основные определения Фотоэлектрическими называют приборы, в которых энергия оптического излучения преобразуется в электрическую. Оптическим является электромагнитное излучение с длинами волн от 5 до 106 нм. В зависимости от длины волн оптическое излучение подразделяется на ультрафиолетовое (5… 400нм), видимое (400… 760нм),и инфракрасное (760… 106 нм). Действие фотоэлектрических приборов основано на явлении фотоэлектрического эффекта, которым называется процесс полного или частичного освобождения заряженных частиц в веществе в результате поглощения фотонов. Различают внутренний и внешний фотоэффект. 

Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов (в том числе и других твердотельных), используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляется:

• непосредственно электрическим током (прямая накачка);

• электронным пучком;

• электромагнитным излучением.

Волоконно-оптическая связь — вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования — незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно. В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях — от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа — Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

• высокоскоростной доступ в Интернет;

• услуги телефонной связи;

• услуги телевизионного приёма.

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами.