Введение в электронику. Учебное пособие

По отношению к диодам с p-n переходом преимущество диодов Шоттки заключается в принципиальном отсутствии явления накопления зарядов, что обусловливает отсутствие у него времени рассасывания: tрасс = 0. Это свойство способствует широкому применению диодов Шоттки в логических быстродействующих биполярных интегральных микросхемах и в современных высокочастотных силовых импульсных преобразователях электрической энергии, в частности, в источниках электропитания.

Эти два преимущества позволяют реализовывать устройства силовой электроники с более высоким КПД и с более высокой частотой преобразования электрической энергии, что снижает их материалоемкость и стоимость. Применение диодов Шоттки в логических электронных схемах увеличивает их быстродействие.

Наравне с этими двумя преимуществами диоды Шоттки не свободны от недостатков. Первый из них заключается в значительно бóльших величинах обратных токов, что показано токами Iобр1 и Iобр2 на рисунке 2.7 для одного и того же напряжения Uобр* . Практически, если имеется диод с p-n переходом, для которого Iобр2 = 10–100 мкА, то аналогичный по остальным параметрам диод Шоттки будет иметь

21

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Iобр1 = 5–50 мА. Второй недостаток заключается в том, что промышленностью не выпускаются диоды Шоттки с максимально допустимыми обратными напряжениями Uобр max более чем 100–200 В. Это ограничивает области применения диодов Шоттки в электронной аппаратуре. Они применяются в основном в низковольтных выпрямителях источников вторичного электропитания, у которых выходные напряжения достаточно малы: Uн = 5–15 В. Однако это не ограничивает их применение в современной электронной аппаратуре, они занимают определенную нишу в практической электронике. Перечень параметров диодов Шоттки идентичен параметрам кремниевых диодов с p-n переходом, однако очевидно, что их численные значения отличны.

2.1.3. Светодиоды

Светодиодами называются диоды с p-n переходом, которые при протекании по ним прямого тока Iсв преобразуют энергию электрического тока в излучение определенного спектра или конкретной длины волны излучения.

Преобразованиеэлектрическойэнергиивсветовоеизлучениеосуществляется за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация (объединение) электронов и дырок происходит с выделением тепла, то есть без светового излучения. Такая рекомбинация называется фононной. В светодиодах преобладает рекомбинация с излучением света, поэтом она называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения требуется изменение исходного материала полупроводниковой структуры, из которой изготавливается светодиод. На рисунке 2.8,а показано условное схематическое обозначение светодиода, а на рисунке 2.8,б приведены примеры спектральных характеристик излучения светодиодов для различных исходных материалов полупроводниковых структур. Эти полупроводники являются гетероструктурами, в отличие от кремниевых Si, являющихся моноструктурой. Изменением величины тока Iсв достичь изменения его спектральной характеристики, то есть цвета излучения невозможно.

Для передачи информации, например, от пульта дистанционного управления на телевизор или другой прибор применяется диапазон инфракрасного излучения (ИК).

22

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

б)

Рисунок 2.8 — Условное обозначение светодиода (а) и примеры спектральных характеристик излучения (б)

при различных исходных гетероструктур

В принципиальных электронных схемах светодиод, в зависимости от функционального назначения, может обозначаться какVD или HL. Обозначение HL применяется обычно тогда, когда светодиод служит индикатором. Если же он является передатчиком информации в цифровых или аналоговых устройствах электроники, то его обозначают: VDсв.

Индикаторные светодиоды широко применяются в бытовой и профессиональной электронной аппаратуре для указания включения того или иного блока, аппарата или диапазона работы устройства. Известно, что в электронной аппаратуре они в настоящее время практически полностью вытеснили применявшиеся ранее лампы накаливания, так как срок их службы светодиодов составляет десятки-сотни тысяч часов и надежность гораздо выше.

Для индикации включенного состояния того или иного электронного устройства или вывода цифровой или буквенной информации используются светодиоды или наборы светодиодов, излучающие в видимой части спектра.

Существуют также специальные двухцветные или трехцветные индикаторные устройства, применяющиеся в электровакуумных дисплеях прежних выпусков. Конструктивно они включают в себя два или три установленные рядом полупроводниковые кристаллы светодиодов. Когда ток светодиода протекает одновременно, например, через два светодиода различного цвета излучения, то их результирующее излучение (сложение цветов) будет давать другую цветность. Раздельное протекание токов через светодиоды позволяет обеспечить два других цвета излучения. Один из примеров подобного включения светодиодов приведен на рисунке 2.9.

23

Аналогичным образом могут быть получены индикаторы с бóльшим количеством цветов излучения.

Светодиоды используются также в других, более сложных функциональных информационных и силовых устройствах электроники. Например, в рекламных светодиодных табло, чей размер составляет несколько квадратных метров.

За последнее время светодиоды стали широко использоваться в системах освещения бытовых, промышленных и других объектов. Причиной этому служит высокая энергетическая эффективность светодиодных систем, позволяющая значительно снизить потребляемую мощность; на железнодорожных станциях широко распространены светодиодные системы освещения.

Основные параметры светодиодов:

—мощность излучения Ризл при определенном значении тока Iсв;

—максимум спектрального распределения излучения l, мкм;

—прямое падение напряжения Uпр на p-n переходе светодиода;

—максимальнодопустимоесреднеезначениепрямоготока Iсвmax;

—максимально допустимое импульсное значение тока Iсв имп–.

2.1.4. Фотодиоды

Фотодиод представляет собой диод с открытым для восприятия внешнего излучения p-n переходом, осуществляющим прием внешнего оптического сигнала. Световой поток, воздействующий на этот переход, приводит к появлению в одной из областей полупроводника дополнительных носителей зарядов, в результате чего увеличивается обратный ток Iфд обр и на выводах фотодиода происходит увеличение напряжения фото-ЭДС — Uфд. Это свойство ис-

24

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

пользуется для контроля наличия того или иного излучения и измерения его интенсивности при различных длинах волн l. Здесь, как и у светодиодов, область принимаемого излучения может лежать в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового.

На рисунках 2.10, а, б показано условное обозначение фотодиода (а) и приведены ВАХ фотодиода (б) при различных уровнях освещенности Ф, воздействующей на p-n переход.

Рисунок 2.10 — ВАХ фотодиода (а) для различных уровней освещенности (б)

Область прямой проводимости фотодиода характеризуется тем,

что при нулевой освещенности, когда Ф = Ф= 0, напряжение

1

на p-n переходе равно нулю. При Ф = Ф 2 напряжение на неподключенных к какой-либо электрической цепи выводах фотодиода равно Uфд = Uхх, что соответствует холостому ходу работы фотодиода. Если фотодиод в этом режиме накоротко замкнуть, то ток, протекающий в замкнутой цепи, будет равен Iкз (режим короткого замыкания). В области обратной проводимости при Ф = 0 обратный ток фотодиода равен Is (называется темновым током фотодиода Iтемн). При появлении освещенности он увеличивается до величиныIфд, которая определяется

где Iф = SiФ — фототок; Si — интегральная чувствительность фотодиода; Ф — световой поток. Напряжение холостого хода фотодиода находится

25

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Напряжение холостого хода не может превышать контактной разности потенциалов p-n перехода yk и поэтому для кремниевых диодов: Uхх < 0,7 В.

Существуют два режима работы фотодиода. Принцип работы первого из них заключается в том, что на фотодиод подается обратное напряжение, и при освещении p-n перехода изменяется его обратный ток Iф. В случае использования второго режима работы воздействие освещенности приводит к изменению напряжения Uфд в области прямой проводимости фотодиода.

Схема включения фотодиода, соответствующая первому режиму работы (режим обратного включения), приведена на рисунке 2.11, а, а ВАХ обратной области проводимости, иллюстрирующая работу схемы, показана на рисунке 2.11, б.

Рисунок 2.11 — Схема включения фотодиода (а), ВАХ области обратной проводимости (б) и график выходного напряжения схемы (в)

Для определения характеристик работы схемы и определения параметров элементов воспользуемся известным приемом, широко применяемым при анализе и расчете электронных схем.

Сопротивление нагрузки Rн схемы отобразим на ВАХ следующим образом. Предположим, что ток в последовательной цепи схемы равен нулю, тогда все напряжение питания Еп будет приложено к диоду VDф. Это показано точкой Еп на оси напряжений ВАХ. Далее положим, что падение напряжения на диоде VDф равно нулю. Тогда ток в схеме будет определяться только сопротивлением резисто-

26

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

ра Rн. Это показано точкой Еп/Rн. Прямая линия, соединяющая эти две точки, называется нагрузочной характеристикой схемы (рисунок 2.11, а). Все изменения тока, протекающего через VDф, и падения напряжения на нем определяются точками пересечения нагрузочной характеристики с графиками ВАХ. В частности, если схема работает в темновом режиме, когда Ф = 0, то через фотодиод протекает темновой ток Iтемн, а напряжение на нем будет равноUтемн. Далее предположим, что максимальная освещенность, воздействующая на светодиод, равна Фmax = Ф2. Точке пересечения нагрузочной характеристики и соответствующей функции Uфд = f(Iфд) соот-

ветствуют ток Iф max и напряжение Uф min.

Таким образом, при изменении освещенности от величины Ф = 0 до значения Ф = Ф2 в схеме будут происходить указанные изменения тока и напряжения на VDф. Вследствие этого будут происходить и изменения напряжения на нагрузке Rн. Для указанных на графике рисунка 2.11, б параметров соответствующие величины напряжения на нагрузке определяются выражениями

Увеличение освещенности Ф, вызывающее увеличение тока Iфд, приводит к увеличению напряжения Uн на нагрузке Rн, а при уменьшении Ф происходит уменьшение напряженияUн. При возрастании освещенности Ф напряжениеUн асимптотически приближается к величине напряжения питанияЕп, что показано на графике рисунка 2.11, в.

Схемы обратного включения фотодиода рисунка 2.11, а находят широкое применение в промышленных и железнодорожных устройствах автоматики. В частности, на их основе построены приборы для определения механических перемещений и размеров объектов, уровнемеры жидких и сыпучих грузов, регистрации наличия объекта в надлежащих местах, датчики пути и скорости и многие другие.

Режим прямого включения фотодиода (схема рисунка 2.12,а) определим на примере рассмотрения графиков области прямой проводимости ВАХ (рисунок 2.12, б). Сущность этого режима работы заключается в изменении напряжения на выводах фотодиода при изменении его освещенности.

27

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Как видно из графиков, увеличение освещенности Ф приводит

Рисунок 2.12 — Схема прямого включения фотодиода (а)

иВАХ области прямой проводимости (б)

Врежиме короткого замыкания в нагрузке, когдаUфд = 0, ток, протекающий в цепи фотодиода, будет равен Iкз. Это показано на графиках ВАХ рисунка 2.12, б значениями Iкз3 > Iкз2 > Iкз1, которые соответствуют возрастающим величинам освещенности Ф 3 > Ф2 > Ф1. Поэтому, если в примененной схеме требуется иметь максимальное

напряжение Uфд, то стремятся увеличивать сопротивление нагрузки Rн, а если необходим максимальный токIфд, то устанавливают Rн = 0. Для увеличения напряжения Uфд применяется последовательное включение фотодиодов. Тогда для режима холостого хода сум-

марное напряжение n фотодиодов определится как US = nUххk, где Uххk — напряжение, соответствующее освещенности Ф k фотодиодов.

Солнечные батареи по сущности работы являются приемниками оптического излучения, в которых используются фотодиоды, работающие в режиме прямого включения. Для увеличения мощности, отдаваемой солнечной батареей в нагрузку, площадь элементов солнечной батареи, то есть площадь открытогоp-n перехода делается значительной и составляет практически несколько десятков, иногда сотен квадратных сантиметров. Из подобных элементарных объектов могут набираться большие панели площадью до десятков квадратных метров и более. Это относится в основном

28

Б. С. Сергеев, М. А. Оськина. Введение в электронику

к мощным силовым гелиостанциям, предназначенным для обеспечения электроэнергией городов и поселков, а также сложных космических объектов.

В солнечных батареях применяются кремниевые полупроводниковые структуры, так как их характеристика поглощения хорошо согласуется со спектральной характеристикой солнечного излучения.

Структура элемента солнечной батареи (СБ) приведена на рисунке 2.13.

Ф

В отличие от простой схемы, приведенной на рисунке 2.9, а, в солнечных батареях для повышения энергетической эффективности требуется, чтобы p-n переход при воздействии освещенности отдавал в нагрузку максимальную мощность Рн, а не максимальные ток или напряжение. Поэтому существуют определенные сопротивления нагрузки Rн солнечной батареи, при которых мощность в нагрузке Рн = Рн max будет действительно максимальной. Это делает задачу повышения энергетической эффективности солнечных батарей сложной и требует использования специальных регуляторов, осуществляющих непрерывное слежение за величиной мощности в нагрузке при всех изменениях освещенности и температуры окружающей среды. Это тем более важно, потому что изменения выходной мощности солнечной батареи при воздействии различных эксплуатационных факторов существенны из-за специфики полупроводниковых структур. В частности, на рисунке 2.14 приведены графики, иллюстрирующие изменения ВАХ солнечного элемента при изменении окружающей температуры. Они показывают противоположные количественные изменения токов и напряжений при изменении температуры.

Практические изменения напряжения Uхх в показанном на графи-

ке диапазоне температур: Uхх1 = (0,15–0,25) В, Uхх3 = (0,65–0,75 В),

а токи Iкз изменяются в 1,2–1,6 раз.

29

2. Дискретные полупроводниковые элементы электроники

Рисунок 2.14 — ВАХ СБ при различной температуре окружающей среды

2.1.5. Солнечные электростанции

Солнечные батареи используются в промышленной и бытовой электронике. Они применяются в калькуляторах, часах, радиоприемниках, детских игрушках, автомобильной технике и т.д. для электропитания различных электронных и электрических схем. Выпускаются домашние малогабаритные солнечные батареи для питания транзисторных радиоприемников. Основным источником электроснабжения космических аппаратов являются солнечные батареи. Их суммарная мощность, отдаваемая в нагрузку, составляет десят- ки-сотни киловатт. Энергетически наиболее выгодны солнечные батареи (для промышленных целей и бытового электроснабжения), так как получаемая при этом энергия бесплатная, экологически чистая и не требует использования топлива или гидроэнергетических ресурсов. В США в небольших городах южных штатов использование солнечных батарей как источников электроэнергии обеспечивает около 15–20 % бытовых потребностей. Солнечные батареи используются и в некоторых странах Азии и Африки. За рубежом, в частности, в Европе, солнечные батареи применяют и на железнодорожном транспорте для электропитания устройств автоматики и связи, в особенности на малодеятельных станциях с ненадежным и неустойчивым электроснабжением.

Коэффициент полезного действия существующих и выпускаемых промышленностью СБ составляет hсб = (15–17)%, а теоретически достижимое его значение равно 25 %.

На рисунке 2.15 приведена структурная схема солнечной электростанции (гелиостанции).

30