Успешно применяются оптроны в высоковольтных стабилизаторах напряжения (рис. 8.41), где они создают оптические каналы отрицательных

обратных связей.

VT1 R1

Рис. 8.41

Приведенный стабилизатор относится к устройству последовательного типа, причем регулирующим элементом является биполярный транзистор, а приемный стабилитрон действует как источник опорного (эталонного) напряжения. Сравнивающим элементом является светодиод. Если выходное напряжение в схеме возрастает, то увеличивается и ток проводимости светодиода. Фототранзистор оптрона воздействует на транзистор, подавляя возможную нестабильность выходного напряжения.

Замена электромеханических изделий

Вкомплексе технических решений, ориентированных на повышение эффективности и качества устройств автоматики, радиотехники, электросвязи, промышленной и бытовой электроники, целесообразной и полезной мерой является замена электромеханических изделий (трансформаторов, реле, потенциометров, реостатов, кнопочных и клавишных переключателей) более компактными, долговечными, быстродействующими аналогами. В этом направлении ведущая роль принадлежит оптоэлектронным приборам и устройствам. Управление компактными и быстродействующими оптоэлектронными трансформаторами, переключателями реле уверенно осуществляется с помощью интегральных микросхем цифровой техники без специальных средств электрического согласования.

На рис. 8.42 приведена схема оптоэлектронного трансформатора.

Вэнергетическом режиме оптроны используются в качестве вторичных источников ЭДС и тока. Хотя КПД оптронных преобразователей невелик, однако возможность введения дополнительного источника напряжения или тока в любую цепь устройства без гальванической связи с первичным источником питания позволяет разработчику решать нестандартные технические задачи.

181

9. ШУМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Токи и напряжения в цепях электронных приборов подвержены случайным изменениям, называемым шумами. Шумы присущи всем электронным приборам. Причины возникновения шумов различны: спонтанные флуктуации скоростей генерации и рекомбинации носителей заряда; захват носителей ловушками; случайные распределения носителей по электродам прибора; флуктуации скоростей диффузии; плотности носителей и др. Шумы приборов ограничивают нижний предел сигналов, которые можно обнаружить, измерить, усилить, т.е. шумами определяется пороговая чувствительность прибора. Частотный спектр шума всегда превышает диапазон рабочих частот прибораНесмотря. на их малость, именно они определяют в большинстве случаев возможность применения приборов в ряде телекоммуникационных и радиотехнических устройств. В усилителях и преобразователях частоты, используемых во входных каскадах радиоприемников, уровень шумов определяет чувствительность последних, а в усилителях мощности и автогенераторах, применяемых в передающих устройствах, шумы, приводя к флуктуации фазы (частоты) и амплитуды колебаний, вызывают ошибки в передаче информации, что ограничивает потенциал системы в целом.

Поэтому к уровню шумов электронных приборов предъявляются определенные требования.

Рассмотрим основные источники и виды шумов в полупроводниковых приборах.

Тепловые шумы

Хаотическое тепловое движение микрочастиц в кристаллической решетке полупроводника является основной причиной шумов в полупроводниковых

182

приборах. Тепловые шумы возникают не только во внешних цепях, но и в резистивных областях самих приборов. Это происходит в базе биполярного транзистора, в канале полевого транзистора.

Хаотическое тепловое движение подвижных носителей заряда создает на этих сопротивлениях шумовое напряжение Uø.ò . Так как в биполярных

транзисторах объемное сопротивление базы rб’ значительно больше сопротивления эмиттера и коллектора, то в соответствии с формулой Найквиста среднее квадратическое значение напряжения можно записать

где к – постоянная Больцмана, Т – температура,

∆f – полоса частот, в которой определяется шумовое напряжение.

В полевых транзисторах сопротивление канала является наибольшим, поэтому

При прохождении носителей через потенциальные барьеры эмиттерного и коллекторного переходов, а также обратно смещенного p-n-перехода затворканал в полевых транзисторах возникают дробовые шумы. Эти шумы

Как следует из приведенных выражений, интенсивность тепловых и дробовых шумов не зависит от частоты и имеет равномерный характер.

Шумы токораспределения

В биполярных транзисторах в процессе распределения эмиттерного тока Iэ между коллектором и базой возникают шумы токораспределения.

Шумовой ток, возникающий при токораспределении, протекает в цепях коллектора и базы и определяется выражением

183

Избыточные шумы

На низких частотах в полупроводниковых приборах проявляются значительные шумы, обусловленные флуктуациями поверхности проводимости кристалла. Они называются избыточными, или шумами мерцания.

Интенсивность избыточных шумов можно описать соотношением

где А – коэффициент, зависящий от типа материала, m=0,9-1,5.

Избыточные шумы с ростом частоты быстро уменьшаются.

Коэффициент шума

В качестве шумового параметра транзисторов выбирается коэффициент шума Kш, представляющий отношение мощности шумов на выходе

транзистора Pш. вых и той ее части, которая создается за счет усиления шумов

где Kp – коэффициент усиления транзистора по мощности.

Уровень шумов практически не зависит от схемы включения. Коэффициент шума зависит от внутреннего сопротивления входного источника и частоты. В технических условиях низкочастотный коэффициент шума обычно определяется по частоте 1 кГц при сопротивлении входного источника

Rвх=500-1000 Ом. Типичное значение низкочастотного коэффициента шума биполярных транзисторов лежит в пределах 10-20 дБ, а для «малошумящих»

Kш=6-10 дБ. При увеличении внутреннего сопротивления входного источника повышается шумовое напряжение и коэффициент шума увеличивается. По этой причине биполярные транзисторы нецелесообразно использовать во входных цепях высокочувствительных измерительных устройств и в высококачественных усилителях звукозаписи, имеющих высокоомный источник усиливаемых колебаний.

Шумы полевых транзисторов, работающих с основными носителями, имеют меньший уровень, чем шумы биполярных транзисторов. В малошумящих полевых транзисторах удается получить коэффициент шума до 0,5 дБ. Основной причиной уменьшения шума является отсутствие в них рекомбинации носителей. В целом полевые транзисторы имеют преимущества перед биполярными транзисторами по шумовым свойствам. Благодаря малой величине шумового тока полевые транзисторы особенно пригодны для усиления сигналов источников с высоким внутренним сопротивлением.

184

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одной из важнейших задач полупроводниковой электроники является увеличение рабочих частот, увеличение быстродействия полупроводниковых приборов, в том числе и интегральных микросхем.

В этом направлении достигнут значительный прогресс: максимальная частота генерации биполярных транзисторов достигла десятка гигагерц. Значения этого параметрабиполярныхтранзисторовужеблизко ктеоретическомупределу.

Основным фундаментальным физическим ограничением, определяющим теоретический предел быстродействия различных полупроводниковых приборов, является конечность времени релаксации заряда, т.е. времени установления электрической нейтральности различных частей структуры полупроводникового прибора. Время релаксации должно быть значительно меньше полупериода переменного сигнала. Это необходимо для того, чтобы за время изменения входного напряжения на биполярном транзисторе успела измениться высота потенциального барьера эмиттерного перехода, в полевом транзисторе – успело произойти изменение толщины канала, в варикапе – изменилась бы толщина p-n-перехода и т.д.

Максимальная концентрация примесей в базе диодов, биполярных транзисторов или в подложке полевых транзисторов ограничена сверху обычно зна-

чениями 1016...1017 см-3. Время релаксации заряда для таких концентраций при-

месей в кремнии 10-12…3·10-13 с.

Вторым фундаментальным ограничением быстродействия полупроводниковых приборов является конечность скоростей движения носителей заряда и соответственно определенное время, необходимое для отбора энергии постоянного электрического поля носителей заряда. Известно, что минимальное время изменения энергии электрона на величину kT:

где Emax – максимально допустимая напряженность электрического поля, выше которой наступает пробой;

Vmax – максимальная скорость дрейфа электронов.

Для кремния при Т=300 К, Emax=3·105 В/см, Vmax=107 В/см, tkT=0,9·10-14 c.

В большинстве полупроводниковых приборов процесс усиления – отбор энергии от постоянного электрического поля и передача части энергии переменному электрическому полю – происходит в p-n-переходе, где напряженность поля изменяется с координатой. Поэтому часть пути носитель заряда испытывает воздействие напряженности электрического поля, значительно мень-

ше Emax. То же самое можно сказать и о скорости носителей заряда. Итак, можно утверждать, что реальное время, необходимое для приобретения носителем заряда добавочной энергии в несколько kT, должно быть более 10-12 с.

185

Кроме этих фундаментальных причин ограничения быстродействия в реальных полупроводниковых приборах необходимо учитывать постоянные времени перезарядки барьерных емкостей p-n-переходов, постоянные времени перезарядки распределенных емкостей в МДП-структурах и приборах с зарядовой связью.

Таким образом, для продвижения вверх по частотному диапазону необходимо изыскивать новые принципы усиления и генерации электрических колебаний.

Увеличение быстродействия выпрямительных диодов, особенно мощных, (что очень важно) может быть достигнуто путем использования гетеропереходов и выпрямительных переходов между металлом и полупроводником. При этом можно исключить относительно медленный процесс накопления неосновных носителей и соответственно процесс рассасывания этих носителей.

Другой проблемой является повышение допустимой мощности рассеяния полупроводниковых приборов, что трудно осуществить не в ущерб быстродействию этих приборов. Решение проблемы отвода тепла может быть достигнуто использованием полупроводниковых материалов с широкой запрещенной зоной. Собственная проводимость широкозонных полупроводников возникает при более высоких температурах. Поэтому приборы на их основе могут работать при больших удельных мощностях рассеяния.

Одним из таких материалов является арсенид галлия. Кроме того, подвижность носителей в нем больше, чем в других используемых полупроводниках, что должно обеспечить увеличение быстродействия полупроводниковых приборов на основе арсенида галлия как в дискретном, так и в интегральном исполнении.

Современный этап развития полупроводниковой электроники характеризуется большим объемом научно-исследовательских и технических работ, которые выполняются как зарубежными, так и отечественными фирмами и направлены на дальнейшее совершенствование и создание современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

186

ЛИТЕРАТУРА

1.Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. Полупроводниковые прибо-

ры. – М.: Высш. шк., 2000. – 479 с.

2.Дулин В.Н., Аваев Н.А., Демин В.П. Электронные приборы. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 496 с.

3.Батушев В.А. Электронные приборы. – М.: Высш. шк., 1980. – 383 с.

4.Булычев А.А., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. –

Мн.: Выш. шк., 1999. – 415 с.

5.Бобровский Ю.Я., Корнилов С.А., Кратиров И.А. и др. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. – М.: Радио и связь, 1998. – 560 с.

6.Валенко В.С., Хандогин М.С. Электроника и микросхемотехника: Учеб. пособие. – Мн.: Беларусь, 2000. – 319 с.

7.Смирнов А.Г. Квантовая электроника и оптоэлектроника. – Мн.: Выш.

шк., 1987. – 197 с.

8.Быстров Ю.А., Литвак И.И., Персианов Г.М. Электронные приборы для отображения информации. – М.: Радио и связь, 1985. – 240 с.

9.Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств. – М.: Додека 21 век, 2002. – 319 с.

10.Ткаченко Ф.А. Техническая электроника. – Мн.: Дизайн ПРО, 2000. –

348 с.

187

Св. план 2004, поз. 115

Учебное издание

Хандогин Михаил Степанович

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Учебное пособие для студентов специальностей I-39 01 01 «Радиотехника»,

I-39 01 02 «Радиотехнические системы»,

I-39 01 03 «Радиоинформатика» всех форм обучения

Редактор Т.Н. Крюкова Корректор Е.Н. Батурчик

Издатель и полиграфическое исполнение: Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» Лицензия на осуществление издательской деятельности №02330/0056964 от 01.04.2004.

Лицензия на осуществление полиграфической деятельности №02330/0133108 от 30.04.2004. 220013, Минск, П. Бровки, 6

188