Лекции

Рис. 1.61

Выражения для баланса зарядов в базах на этом участке запишутся в следующем виде:

а ток через динистор определится приближенно следующим выражением:

т.е. ток Ia, текущий через прибор, обусловлен процессами в прямосмещенных р-n-переходах и описывается прямой ветвью их вольт-амперных характеристик.

Основными параметрами динисторов являются: напряжение переключения UП , соответствующее точке 2 характеристики; ток включения Iвкл, соответствующий току Ia в точке 2, где dUK dIa 0; ток удержания Iуд, соответствующий точке 3, т.е. это

минимальный ток, при котором динистор еще открыт; падение напряжения на открытом динисторе при определенном прямом токе; обратный ток Ib при нормированном обратном напряжении; номи-

нальный прямой ток Iан ; максимальное обратное напряжение, при-

кладываемое к динистору без опасности пробоя Ubmax .

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики динистора аналогична соответствующей ветви выпрямительного диода.

Ia

Iу3>Iу2>Iу1>0

Iу3 Iу2 Iу1 Iу=0

0 Ua

Рис. 1.62

Как видно из рисунка 1.62, напряжение переключения UП существенно различно при разных токах управляющего электрода Iу. Во включенном состоянии падение напряжения на тиристоре

невелико (единицы вольт).

В принципе, как уже отмечалось, возможно статическое управление и импульсное. Однако из-за заметного разброса управляющего тока тиристоров в тех схемах, где необходимо точное фиксирование момента включения, предпочтительнее управлять импульсами напряжения с крутыми передними фронтами. Соотношения амплитуд импульсов напряжения и тока управляющего электрода, определяемые так называемой входной характеристикой, приведены на рисунке 1.63.

Iу, мА

статическое управл.

импульсное управл.

0 Uу, В

Рис. 1.63

Длительность импульса должна быть больше времени включения тиристора, т.е. времени его перехода из закрытого в открытое состояние. Для возврата однооперационного тиристора в закрытое состояние необходимо обеспечить уменьшение тока Ia до

На рисунке 1.66 показана схема включения с дросселем насыщения ДН, который выполняет роль ключа К.

Степень намагничивания ДН определяется током управления Iу. Когда Iу мал, степень намагничивания ДН мала, т.е. – велико

и сопротивление ДН источнику переменного тока велико. Это аналогично разомкнутому состоянию ключа К в схеме рисунка 1.65, т.е. в цепи электрода управления течет ток и тиристор в положительные полупериоды U открыт. При полном токе намагничивания сопротивление дросселя ДН мало, что равносильно замкнутому состоянию ключа К, т.е. тиристор закрыт. Конденсатор С предупреждает возможность появления перенапряжений при резких изменениях тока в обмотке дросселя ДН.

Ниже приведены условно-графические обозначения различных типов тиристоров.

– динистор;

– тиристор с управлением по катоду;

– тиристор с управлением по аноду;

– симистор (симметричный тиристор).

1.9.ФОТОДИОДЫ

1.9.1.Полупроводниковые фотодиоды

Полупроводниковый фотодиод – это диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Отличительной особенностью фотодиодов является их способность работать как в фотодиодном режиме с внешним источником напряжения, приложенном в запирающем направлении, так и в фотогальваническом (вентильном или фотогенераторном) режиме без внешних источников электрической энергии.

В своей работе фотодиоды используют явление внутреннего фотоэффекта, суть которого заключается в возбуждении и ионизации атомов кристаллической решетки основного вещества или примеси в р-n-переходе или прилегающих к нему областях под действием световых квантов (фотонов). При возбуждении атомов основного вещества генерируются электроны и дырки, повышается при этом собственная проводимость полупроводника. Такой фотоэффект называют «собственным». При возбуждении атомов примеси говорят о «примесном» фотоэффекте. Обычно имеют место оба эффекта при превалировании одного из них.

1.9.2. Режим фотодиода

Режим, при котором на р-n-переход подается напряжение смещения в обратном направлении, называется режимом фотодиода. Потенциальный барьер при этом возрастает, прямой ток становится практически равным нулю, а обратный ток, обусловленный неосновными носителями, при отсутствии освещения также невелик и называется «темновым». При освещении в результате фотоэффекта происходит размножение носителей обоих видов. Увеличение числа основных и неосновных носителей в абсолютном исчислении при этом одинаково, а относительное приращение существенно выше для неосновных носителей, поскольку их исходная концентрация на несколько порядков ниже. В результате в переходе перепад концентраций носителей одного вида уменьшился,

уменьшилось движение основных носителей, несколько уменьшился потенциальный барьер и диффузионное поле. Однако даже в условиях несколько меньшего диффузионного поля за счет значительного приращения числа неосновных носителей их дрейфовое движение заметно возрастет. Под действием поля перехода неосновные носители р-n-перехода и прилегающих к нему областей, обычно в пределах диффузионной длины, создают через переход значительный обратный ток. Схема включения фотодиода в фотодиодном режиме показана на рисунке 1.67.

Обратный ток в этом случае называют «фототоком». Рабочими участками вольт-амперных характеристик фотодиода являются их обратные ветви, т.е. участки, находящиеся в третьем квадранте

(рис. 1.68).

Снимая указанные характеристики при различных световых потоках, получают их семейство. Пересечение кривых с осью токов соответствует режиму короткого замыкания выводов фотодиода, а пересечение кривых с осью напряжений – режиму холостого хода, т.е. при разомкнутых выводах. Рабочим участком характеристик является область насыщения, которой соответствует у серийных фотодиодов напряжение от десятых долей до единиц вольта. При весьма малых обратных напряжениях ток во внешней цепи равен приблизительно току короткого замыкания IK , а с ростом обратного напряжения он определяется суммой тока короткого замыкания и темнового тока I0 :

где Ф – световой поток, лм.

K достигает значений в несколько десятков. Минимальный световой сигнал, вызывающий во внешней цепи фотодиода изменение тока, различимое на фоне шумов, называется пороговой чувствительностью.

Для каждого полупроводника существует некоторая область спектра излучения, энергия фотонов которой достаточна для создания электронно-дырочных пар в материале. Характеризуется это качество для фотодиодов «спектральной характеристикой», показывающей зависимость относительного изменения фототока от длины волны У германия максимум спектральной характеристики приходится на 1,55 мкм, а для кремния находится в диапазоне от 0,6 до 1 мкм.

Естественно, что фотодиоды, как и другие приборы, обладают определенной инерционностью, что ограничивает их частотный диапазон работы. Частотная характеристика фотодиодов показывает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты модуляции светового потока. Вообще есть три основных фактора, влияющих на инерционность фотодиодов: время диффузии или дрейфа неосновных носителей заряда через базу Д ; время их пролета через p-n-пе-

реход i; время перезаряда барьерной емкости p-n-перехода, характеризующееся постоянной времени r Cбар, где r – сопротивление

базы. У сплавных фотодиодов превалирующую роль играет в инерционности время диффузии, т.е. Д значительно больше i и

времени перезаряда. В диффузионных фотодиодах создается ускоряющее электрическое поле в базе из-за неравномерного распределения примесей, что снижает время дрейфа носителей через базу до нескольких наносекунд. В таких фотодиодах все три фактора влияют на инерционность примерно одинаково.

Построение фотодиодов возможно не только на основе р-n-перехода, но и на основе контакта металл-полупроводник, а также с использованием гетеропереходов.