Четырнадцатый билет
14. Мощный выпрямительный диод, импульсные и высокочастотные диоды, стабилитрон, варикап. Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи.
Мощный выпрямительный диод
К мощным относят высоковольтные и сильноточные диоды, переход которых способен выдерживать большие обратные напряжения (до нескольких кВ) и большие прямые токи (до нескольких кА).
При заданном обратном напряжении Uобр < Uпр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя Uпр.
Увеличение w достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу, высоковольтного p-n диода делают слаболегированной.
Вторую область перехода, эмиттер, делают сильнолегированной. Это позволяет сделать достаточно большой электронную или дырочную составляющие диффузионного тока. Тем самым обеспечивается необходимое значение прямого тока.
Увеличение допустимого прямого тока достигается также за счёт увеличения площади переходов. При этом снижается плотность прямого тока Jпр = Iпр/S, которая не должна превышать критического значения. Кроме того, при увеличении площади перехода S уменьшается сопротивление открытого состояния, что уменьшает тепловые потери при больших токах. Особенно большой прямой ток достигается в диодах Шотки, так как их напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чем у p-n диодов.
Мощные выпрямительные диоды применяются в выпрямителях – преобразователях переменного тока в постоянный.
Импульсные и высокочастотные диоды
Импульсные диоды должны обладать минимальным временем переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В высокочастотных диодах минимальны паразитные реактивные составляющие токов. То и другое обеспечивается, в основном, минимизацией барьерной и диффузионной ёмкостей диодов.
Уменьшение барьерной ёмкости переходов достигается уменьшением площади контакта S.
Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений.
В диодах с p-n переходом диффузионную ёмкость удаётся уменьшить за счёт уменьшения толщины
базы.
Т.к. у этих диодов эмиттером является сильнолегированная n-область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. В диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряд, а также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость.
Диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ.
Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ.
Стабилитрон
Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 1250 С и малой склонностью к возникновению теплового пробоя.
На стабилитрон подано обратное напряжение, достаточное для возникновения электрического пробоя. Rогр не позволяет току в стабилитроне превысить предельно допустимое значение Iобр.макс. Тем самым исключается переход электрического пробоя в тепловой.
Лавинный механизм пробоя реализуется при относительно малом уровне легирования примесями базы диода. Напряжение стабилизации при лавинном пробое, как правило, превышает 6 В. При большой концентрации примесей возникает туннельный пробой, напряжение стабилизации при котором менее 6 В.
Варикап
Варикапы - это полупроводниковые диоды, использующие при своей работе зависимость барьерной емкости р-n-перехода от обратного напряжения. Эта зависимость называется вольт-фарадной характеристикой (ВФХ).
При обратном напряжении на p-n переходе ток в нём очень небольшой и, если есть переменная составляющая Nд, существует ёмкостная составляющая обратного тока Iобр. Ёмкостный обратный ток тем больше, чем больше Cб и выше частота переменной составляющей. Его величина может намного превосходить активную составляющую обратного тока. Поэтому p-n переход при обратном напряжении можно использовать, как ёмкостный элемент..
Барьерной емкостью можно управлять, изменяя обратное напряжение на p-n переходе. Так как толщина p-n перехода увеличивается при обратном смещении, то барьерная емкость уменьшается за счет условного «увеличения расстояния между обкладками эквивалентного конденсатора»
Таким образом, p-n диод при Uобр является элементом с ёмкостью Cб, которую можно изменять.
При изготовлении варикапа полупроводник, тип примесей и закон их распределения в областях выбираются так, чтобы зависимость Cб(Uобр) была более сильной.
Свето- и фотодиоды
Одна из областей их p-n перехода очень тонкая, что позволяет возникающему в переходе свету излучаться в окружающее пространство (светодиод) или позволяет внешнему свету проникать в переход (фотодиод).
В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии.
Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника.
Цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника.
В фотодиодах внешний свет проникает в p-n переход и вызывает в нём генерацию электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым, увеличивают дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового токов нарушается и в режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фото-э.д.с., также возникающая в результате нарушения равновесного состояния.
Солнечные батареи
Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование световой энергии в электрическую, такие контакты используются в солнечных батареях.
29. Основные понятия и числовые характеристики надёжности.
Основным понятием теории надёжности является «отказ». Наступление отказов является случайной функцией времени, в связи с чем теория надёжности в значительной степени базируется на теории вероятности.
Одной из главных числовых характеристик надёжности является интенсивность отказов λ: λ = n / Nt ,
где n – количество отказов при испытании или эксплуатации объектов; N – количество объектов; t – время испытания или эксплуатации. В качестве единицы времени используется не принятая в СИ секунда, а более естественная в данном случае единица – час.
Первый отказ при испытании партии объектов может наступить очень быстро или, напротив, спустя очень большое время. Поэтому необходимо дождаться, по крайней мере, нескольких отказов (достоверной выборки). При определении интенсивности отказов λ большой проблемой является необходимость наблюдения за отказами большого количества объектов в течение большого времени. Ускорению появления отказов помогает увеличение температуры (ускоренные испытания). Скорость всех физических и
химических процессов экспоненциально растёт с увеличением температуры. Именно такие процессы, например, коррозия, приводят к отказам.
Наряду с λ часто используется среднее время наработки на отказ tср: tср = 1 / λ
а также вероятность безотказной работы за время наработки на отказ p:
p = e - λ/t
где t - заданное время наработки на отказ.
Для интенсивности отказов любого объекта характерна зависимость от времени вида
1 - дефекты, 2 - благоприятный период, 3 - старение
Участок 1 соответствует первому времени испытания или эксплуатации. Повышенная λ в первые часы (дни, недели) работы связана с незамеченными при изготовлении скрытыми дефектами. Затем, когда все скрытые дефекты уже себя проявили, наступает наиболее благоприятный и продолжительный период надёжной работы, участок 2. Однако любым объектам свойственны старение или износ, приводящие к увеличению числа отказов (участок 3).
Повышение надёжности ИС достигается тщательным выявлением скрытых дефектов. Длительная надёжная работа ИС обеспечивается в основном, высококачественным корпусом, который защищает ИС от действия кислорода, влаги и агрессивных примесей воздуха, от света и некоторых других видов радиации, от механических повреждений и пыли.
44. Ключи интегральных схем: среднее время переключения, средняя потребляемая мощность, средняя работа переключения.
Для ЦИС характерен набор главных параметров:
1. Скорость изменения состояния ключей, которое определяет быстродействие (тактовую частоту fC) ЦИС. Чаще всего быстродействие оценивается средним временем переключения t:
t = (t01 + t10) / 2,
2. Энергопотребление ключей, от которого зависит количество выделяющегося в ЦИС тепла и поэтому, предельное количество транзисторов и степень интеграции. Энергопотребление ключей оценивается средней потребляемой мощностью Р:
Р = (Р0 + Р1) / 2,
где Р0 и Р1 – мощности, потребляемые ключом в состояниях 0 и 1.
Так как один из транзисторов комплементарной пары всегда закрыт, а соединены они последовательно, то в статическом состоянии ток от источника не потребляется Pстат ~ 0. (Возможны небольшие токи утечки)
Главным критерием качества ключей ЦИС является средняя энергия переключения Pt – энергия, затрачиваемая на одно изменение состояния ключа.
Зная Pt можно оценить среднюю потребляемую мощность ЦИС в целом. Так как вся потребляемая ИС электрическая энергия переходит в тепловую, эту мощность называют рассеиваемой мощностью Ррасс:
Ррасс = Pt · m · fC
59. Интегральные схемы на переключаемых конденсаторах.
Рассмотрим цепь на рис. 56. Здесь транзисторные ключи S1 и S2, изготовление которых сложности не представляет, управляются так, что их состояния постепенно изменяются. Конденсатор С может обладать
очень маленькой ёмкостью и поэтому его изготовление в виде МДП конденсатора трудности не представляет.
Рис. 56
Когда S1 замкнут, происходит заряд емкости С. Когда S1 разомкнут, возникает некоторый ток разряда. В результате от входа к выходу протекает некоторый средний ток. Если изменение состояний происходит с большой тактовой частотой fc, то такая цепь ведет себя как активное сопротивление со средней величиной Rэкв = 1/ С ∙ fc. Сопротивление таких «резисторов» тем больше, чем меньше емкость С, и чем выше тактовая частота.
Фундаментальным свойством RC-цепей является также то, что вид и параметры их АЧХ и ФЧХ определяется не столько абсолютными величинами R и С, сколько постоянными времени τ RC-цепочек.