Твердотельная электроника.-3

386

Широкое применение получили не отдельные СИД, а матрицы СИД, позволяющие воспроизводить букву или цифру, - цифро-знаковые индикаторы (ЦЗИ). Внешний вид ЦЗИ из семи излучающих сегментов показана на рис.5.38. ЦЗИ изготавливаются в виде монолитных матриц или гибридных ИС я а керамической подложке.

Полупроводниковые ЦЗИ могут собираться в знаковое табло, линейную шкалу или экран и применяются в устройствах отображения аналоговой и цифровой информации. Широкое применение полупроводниковые ЦЗИ нашли в бытовой технике (микрокалькуляторы, электронные наручные часы).

5.10. Оптопары

Оптопарой называется оптоэлектронный прибор, содержащий излучатели и фотоприемники, оптически и конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В излучателях энергия электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприемниках, наоборот, оптический сигнал вызывает электрический ток или напряжение. Таким образом, оптопара представляет собой прибор с электрическими входными и выходными сигналами, т. е. связь с внешней схемой электрическая. Внутри оптопары связь входа с выходом осуществляется с помощью оптических сигналов. В электрической схеме такой прибор выполняет функцию выходного элемента - фотоприемника с одновременной электрической изоляцией(гальванической развязкой) входа и выхода. Однако сводить назначение оптопары только к обеспечению электрической изоляции было бы неверно. Введение с помощью оптопары оптического управления позволяет

387

получить электронные устройства с исключительно своеобразными параметрами и характеристиками.

С точки зрения применения именно фотоприемник является определяющим элементом оптопары, а излучатель выбирается «под фотоприемник». С точки зрения конструктивно-технологи- ческой оба элемента - приемник и излучатель - являются «равноправными». Более того, излучателем в большинстве случаев определяются эффективность преобразования энергии и срок службы оптопары. Тем не менее еще раз следует подчеркнуть, что схемотехническое «лицо» оптопары определяет именно фотоприемник.

Принципиальные достоинства оптопар, обусловленные использованием фотонов в качестве носителей информации, заключаются в обеспечении высокой электрической изоляции входа и выхода, однонаправленности потока информации, отсутствии обратной связи с выхода на вход и широкой полосе пропускания.

Кроме того, важными достоинствами оптопар являются: возможность бесконтактного (оптического) управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управления; невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае оптопар с протяженным оптическим каналом обусловливает высокую помехозащищенность, а также исключает взаимные наводки;

возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики которых под действием оптического излучения изменяются по заданному (сколь угодно сложному) закону;

расширение возможностей управления выходным сигналом оптопары путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на оптический канал и, как следствие этого, создание разнообразных датчиков и приборов для передачи информации.

Современным оптопарам присущи и определенные недостатки:

низкий КПД, обусловленный необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - излучение - электричество), и значительная потребляемая мощность;

388

сильная температурная зависимость параметров; высокий уровень собственных шумов;

конструктивно-технологическое несовершенство, связанное в основном с использованием гибридной технологии.

Перечисленные недостатки оптопар по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники постепенно устраняются. Широкое применение оптопар определяется прежде всего неповторимостью достоинств этих приборов.

Рассмотрим отдельные элементы оптопар подробнее

(рис.5.39).

Рисунок 5.39. Структура оптопары:

И – излучатель; ОК – оптический канал; ФП - фотоприемник

Излучатель оптопары. Основным излучателем современных оптопар является инжекционный излучающий диод. В будущем - для создания сверхбыстродействующих оптопар(tпер ¸ 10-9-10-10 с) и мощных оптопар с протяженным оптическим каналом - применение полупроводниковых лазеров, характеризующихся высоким быстродействием и высокой направленностью излучения, может оказаться целесообразным и экономически оправданным.

Следует подчеркнуть отличия в конструкции оптического окна излучателя оптопары по сравнению с обычным излучающим диодом. Излучатель излучающего диода изготавливают с кольцевой излучающей областью вокруг расположенной в центре контактной площадки. В результате видимая область излучения как бы увеличивается на площадь контактной площадки. Для оптопары излучающая область должна быть минимальной по площади, что уменьшает краевые потери излучения. Минимальная площадь излучающей области ограничивается -до пустимой плотностью тока через излучатель. Контактная площадка в излучателе оптопары смещается из центра излучаю-

щей области. Это создает минимальное затенение и также

(20 ¸ 50) кВ.

Таким образом, при выборе типа оптического канала необходимо в зависимости от применения оптопары удовлетворить следующие требования:

1)обеспечить заданный уровень электрической изоляции между входом и выходом оптопары(между излучателем и фотоприемником);

2)согласовать материал оптического канала с излучателем и фотоприемником спектрально, т. е. обеспечить высокую прозрачность для излучения в рабочем диапазоне длин волн;

390

3) снизить до минимума потери на отражение на границах излучатель — оптический канал и оптический каналфотоприемник.

При выборе оптического канала требования к изоляции оказываются решающими, если расстояние между излучателем и фотоприемником мало. Если же расстояние достаточно велико, например, при использовании световодов, изолирующие свойства становятся менее важными. Зато большое значение приобретает спектр пропускания оптического канала, который является составной частью спектральной характеристики системы И—ОК—ФП (рис. 5.40).

Рис. 5.40. Спектральные характеристики элементов оптопары

6. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

6.1. Общие сведения о биполярных транзисторах (БТ)

БТ – это полупроводниковый прибор, содержащий два взаимодействующих ЭДП, три или более выводов. Усилительные

генераторные и переключательные свойства БТ обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Взаимодействие переходов осуществляется при условии, что толщина базы W должна быть много меньше длины диффузионного смещения носителей, инжектированных в базу Lб , т.е.

W << Lб . Это соотношение является основным требованием к

базе БТ и условием взаимодействия переходов. В противном случае носители, инжектированные в базу, прорекомбинируют в слое базы и не дойдут до коллекторного перехода.

391

БТ имеет выводы: эмиттер, базу и коллектор. ЭДП, прилегающий к выводу от эмиттера называют эмиттерным переходом (Э), а прилегающий к коллектору - коллекторным (К) (рис. 6.1).

Рисунок 6.1. Структура и выводы БТ

Между эмиттерным и коллекторным переходами находится слой базы (Б). Основное назначение эмиттерного перехода - инжекция неосновных носителей в базу. Основное назначение коллекторного перехода – экстракция неосновных носителей из базы.

Рассматриваемый вид транзистора называют биполярным потому, что в его работе принимают участие носители двух знаков – электроны и дырки.

БТ – это управляемый током активный элемент электроники. Управление выходным током в БТ осуществляется за счет изменения входного тока. БТ является активным элементом, так как имеет возможность производить усиление по мощности.

Различают p-n-p и n-p-n транзисторы. Их условно-графичес- кие изображения представлены на рис. 6.2.

Направление стрелки в эмиттерном выводе показывает направление тока эмиттера.

Рисунок 6.2. Условно-графическое обозначение БТ

392

БТ могут включать в схемах с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис.6.3.).

Общим считается электрод, являющийся общим для входной и выходной цепей.

Отличительной особенностью схем с ОЭ и ОБ является малое входное сопротивление, тогда как схема с ОК имеет высокое входное сопротивление.

БТ может быть включен нормально и инверсно. Нормальное включение – это когда эмиттерный переход включен в прямом, а коллекторный в обратном направлении.

Инверсное включение – когда коллекторный переход включен в прямом, а эмиттерный в обратном направлении.

Рисунок 6.3. Схемы включения БТ

Отличие свойств эмиттерного и коллекторного переходов, а следовательно и нормального и инверсного включения, хорошо видно из рис. 6.4, где показана структура реального БТ.

площади коллекторного перехода. В зависимости от смещения переходов различают три режима работы БТ: активный, насыщения и отсечки.

Активный режим – эмиттерный переход смещен в прямом, коллекторный в обратном направлениях.

Режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении.

Режим отсечки – оба перехода смещены в обратном направлении.

Из трех указанных режимов управляемым режимом является активный режим работы БТ.

По характеру движения носителей зарядов от эмиттера к коллектору БТ подразделяются на дрейфовые и бездрейфовые.

Бездрейфовый БТ – это транзистор, у которого носители от эмиттера к коллектору перемещаются за счет диффузии.

Дрейфовый БТ – это транзистор, у которого носители заряда перемещаются от эмиттера к коллектору и за счет диффузии и за счет внутреннего электрического поля в базе транзистора. Внутреннее электрическое поле в базе возникает из-за неоднородного легирования базы. База бездрейфового БТ легирована однородно.

6.2. Потоки носителей зарядов в БТ

С учетом того, что поток дырок из эмиттера в базу много больше, чем поток электронов из базы в эмиттер, ток рекомбинации IЭрек мал. В дальнейшей работе БТ главную роль играют дырки,

инжектированные из эмиттера в базу. Двигаясь по базе дырки частично рекомбинируют, создавая ток I рекv за счет рекомбина-

ции носителей в объеме, I рекБ - за счет рекомбинации на базовом контакте, I рекS - за счет рекомбинации на поверхности. Не про-

рекомбинировавшие дырки дойдут до коллекторного ЭДП(ток IKP ) и экстрагируются полем коллекторного перехода, создавая

395

ток коллектора. Кроме того, в цепи коллектора будут протекать токи, обусловленные тепловой генерацией носителей в базе

( IгенБ ), в коллекторном переходе ( IгенК ) и слое коллекторного по-

лупроводника ( Iген ). При наличии процессов ударной ионизации в ОПЗ коллекторного перехода в цепи коллектора появится ток лавинного размножения IЛ . Таким образом, в цепи коллек-

тора протекают следующие компоненты тока: IKP , IгенБ , IгенК ,

Iген , IЛ .

IК = IKP + IгенБ + IгенК + Iген + IЛ .

Обычно токи тепловой генерации обозначают как ток IКБ 0 :

IКБ 0 = IгенБ + IгенК + Iген и называют обратным током коллекторно-

го перехода. Из пяти компонент тока IК только одна компонен-

та является зависящей от тока эмиттера( IKP ), остальные ком-

поненты тока IК являются неуправляемыми, т.е. не зависящими

от тока эмиттера. Исходя из схемы потоков носителей зарядов в БТ, можно записать два уравнения:

Первое уравнение говорит о том, что ток эмиттера распадается на две компоненты – ток базы IБ и ток коллектораIК . Причем ток базы – это ток, связанный с рекомбинацией носителей в базе и чем он меньше, тем лучше БТ.

Второе уравнение говорит о том, что ток эмиттера передается в цепь коллектора с некоторым коэффициентомa и кроме

того в цепи коллектора протекает неуправляемая компонента тока, связанная с тепловой генерацией ( IКБ 0 ).

6.3. Внутренние и внешние параметры БТ

Для характеристики свойств БТ используются внутренние и внешние физические параметры. К числу внутренних парамет-