ЭП-8 вариант

Задача 2.

Стабилитрон подключен для стабилизации напряжения параллельно резистору нагрузки R_H . Параметры стабилитрона U_cm= 9 B; I_{cm min=}1 мА; I_{cm max =}20 мА и сопротивление нагрузки R_H=3 кОм .Определите величину сопротивления ограничительного резистора R_огр, если напряжение источника Е₀ изменяется от E_min=20 В до E_max=30 B. Будет ли обеспечена стабилизация во всем диапазоне изменений напряжения источника Е?

Рисунок 2.1 – Подключение стабилитрона для стабилизации напряжения.

Решение:

Определим средний ток стабилизации:

Определим среднюю величину питающего напряжения:

Находим ток нагрузки:

При этом необходимая величина напряжения будет равна:

Следовательно, величина ограничительного резистора равна:

Диапазон изменения напряжения будет равным:

Отсюда видно, что стабилизация получается во всем диапазоне изменения напряжения питания.

Задача 4.

Фотодиод включен последовательно с источником питания и нагрузочным резистором R_H=100 кОМ. Обратный ток насыщения затемненного фотодиода (темновой ток) равен I₀=1мкА.

Фототок при световой энергии Ф₁ равен I_ф1=30 мкА, при Ф₂ равен I_ф2=70 мкА, при Ф₃=0 равен I_ф3=0.

Вычислить и построим семейство ВАХ идеализированного фотодиода для световых потоков Ф₁, Ф₂. и Ф₃ в области напряжений U от 0 до – 10В (при расчетах принять, что фототок не зависит от напряжения на запертом переходе; Т = 300 К).

Решение:

Расчет вольтамперной характеристики проведем в соответствии с уравнением . Для комнатной температуры kT/q=0.026.

В результате расчета обратной ветви (U<0) вольтамперной характеристики получили:

Uобр, В	0	0.05	0.1	0.2	10
Iобр ф1, мкА	30	30.85	30.98	31	31
Iобр ф2, мкА	70	70.85	70.98	71	71
Iобр ф3, мкА	0	0.85	0.98	1	1

Построенная по этим значениям вольтамперная характеристика изображена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Вольтамперная характеристика.

Напряжение холостого хода при I_Ф1 = 30 мкА

, U_xx = 0,089 B

Напряжение холостого хода при I_ф2 = 70 мкА

, U_xx=0,11 B

Напряжение холостого хода при I_ф3 = 0 U_xx = 0

Световой поток

Ф₁ = ; Ф₁= 2*10³ лм

Ф₁ = ; Ф₁= 4,7 *10³ лм

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего напряжения

• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структур

• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

• малое сопротивление базы

• малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов:

Параметры:

• чувствительность -отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

, ; — токовая чувствительность по световому потоку

, — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы -помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ) -зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ = f(IΦ);

• спектральные характеристики -зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения;

• световые характеристики - зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока;

• постоянная времени - это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению;

• темновое сопротивление - сопротивление фотодиода в отсутствие освещения;

• инерционность.

Принцип работы:

Структурная схема фотодиода.

1 — кристалл полупроводника;

2 — контакты;

3 — выводы;

Ф — поток электромагнитного излучения;

Е — источник постоянного тока;

RH — нагрузка.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n

1) Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.

Рассмотрим теперь неоднородный полупроводник, в котором концентрации электронов п(r) и дырок р (r) изменяются от точки к точке. По этой причине в неоднородном полупроводнике должен возникнуть диффузионный ток электронов и дырок, который будет определяться диффузией носителей заряда из областей, где их кон­центрация больше, в области с меньшей концентрацией.

Предположим, что в полупроводнике кон­центрация носителей заряда возрастает в на­правлении оси х, как это изображено на рис. 1.

Рис.1 К расчёту градиента концентрации носителей заряда

Проведем через точку x плоскость, перпендикулярную оси х, и рассмотрим дви­жение носителей заряда в слоях 1 и 2 толщи­ной d_x расположенных ;справа и слева от этой плоскости. В результате хаотического движения носители заряда уйдут из слоя 1, но поскольку каждый электрон может с рав­ной вероятностью двигаться вправо и влево, половина их уйдет из слоя 1 в слой 2. Однако за это время в слой 1 придут носи­тели заряда из слоя 2, Так как их количество в слое 2 больше, чем в 1, то обратный поток электронов будет больше прямого. Если

— средняя концентрация электронов в слое 1, а в слое 2, то разность концентрации элек­тронов в этих слоях будет равна:

(1)

Согласно (1) разность концентраций электронов пропорцио нальна градиенту их концентрации, поэтому и поток электронов I_n, возникающий в результате их диффузии в направлении х, будет пропорционален градиенту концентрации электронов в этом направ лении. Его можно записать

(2)

где D_n — коэффициент диффузии электронов. Аналогично диффузионный поток дырок (3)

где D_p — коэффициент диффузии дырок.

Потоки электронов и дырок, как следует из уравнений (2) и (3), текут в сторону меньших концентраций носителей заряда.

Диффузионным потоком носителей заряда соответствуют диффу­зионные токи электронов J_{n диф} и дырок J_{p диф} :

(4)

(5)

В том случае, если n и p являются функциями координат (х, у, z), диффузионный ток в векторной форме имеет вид для электронов

(6)

и для дырок (7)

Диффузионный ток, возникший из-за наличия градиента концентрации носителей заряда, приведет к пространственному разделению зарядов, что вызовет появление статического электрического поля, которое создаст дрейфовые токи электронов и дырок. При термодинамическом равновесии в каждой точке полупроводника дрейфовый ток будет уравновешивать диффузионный ток, поэтому суммарный ток будет равен нулю.

Допустим, что неоднородный полупроводник находится во внешнем постоянном электрическом поле напряженностью ε. Под действием этого поля электроны и дырки приобретут направленное движение, в результате чего появятся электронные и дырочные токи проводимости. Если внешнее электрическое поле слабое и не изменяет характера движения носителей заряда, то дрейфовые составляющие плотности тока запишутся на основании закона Ома в виде

(8)

Полный ток будет складываться из диффузионного и дрейфового токов. Для электронов и дырок он будет равен:

(9)

(10)

Таким образом, плотность общего тока J в любой точке не одно родного полупроводника в любой момент времени будет определяться уравнением

(11)

Необходимо отметить, что диффузионный ток существен только в полупроводниках. Это происходит потому, что в полупроводниках концентрации электронов и дырок могут изменяться в широких пре­делах при постоянной суммарной концентрации зарядов. В металлах концентрация электронов практически постоянна.

2) Полупроводниковые резисторы: варисторы и терморезисторы. Типы и основные характеристики

Полупроводниковыми резисторами называют приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов. Рассмотрим три наиболее распространенных типа полупроводниковых резисторов. Терморезистор представляет собой полупроводниковый нелинейный резистор, сопротивление которого значительно изменяется при изменении температуры. Терморезистор выполняют в виде бусинки, диска, цилиндрического стержня, плоской шайбы. В некоторых конструкциях предусмотрено помещение терморезистора в металлический или стеклянный герметизированный баллон.

Терморезисторы, обладающие отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, называют термисторами. Они нашли широкое применение в радиоэлектронном оборудовании самого различного назначения.

К важнейшим параметрам термисторов относятся: холодное сопротивление – сопротивление термистора при температуре окружающей среды 20 °С; температурный коэффициент сопротивления TKС, выражающий в процентах изменение сопротивления термистора при изменении температуры на 1 °С; максимальная рабочая температура – температура, при которой характеристики термистора остаются стабильными в течение установленного срока службы; наибольшая рассеиваемая мощность – мощность, при которой термистор при протекании тока разогревается до максимальной рабочей температуры; теплоемкость Н – количество теплоты, необходимой для повышения температуры термистора на 1 °С; коэффициент рассеяния b – мощность, рассеиваемая термистором при разности температур термистора и окружающей среды в 1 °С; постоянная времени τ – время, в течение которого температура термистора становится равной 63 °С при перенесении его из среды с температурой 20 °С в среду с температурой 100 °С. Постоянная времени определяется как отношение теплоемкости к коэффициенту рассеяния: τ = Н/b.

В устройствах промышленной электроники термисторы применяются достаточно широко для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации различных элементов электрических схем, работающих в широком диапазоне температур, стабилизации напряжения в цепях переменного и постоянного токов, а также в качестве регулируемых бесконтактных резисторов в цепях автоматики.

В ряде специальных устройств находят применение так называемые полупроводниковые болометры, состоящие из двух термисторов. Один из термисторов (активный) непосредственно подвергается воздействию контролируемого фактора (температуры излучения), а другой (компенсационный) служит для компенсации влияния температуры окружающей среды.

Позисторами называют полупроводниковые термисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления. В качестве полупроводника в них используют титанат бария со специальными примесями, сопротивление которого увеличивается при повышении температуры.

Как и для термисторов с отрицательным ТКC, для позисторов основными характеристиками являются вольтамперная и температурная. Параметры

Позисторов аналогичны параметрам термисторов с отрицательным TKC.

Рис.1

Варистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Примерный вид вольтамперной характеристики варистора приведен на рис. 2. Симметричность характеристики позволяет использовать варистор в цепях как постоянного, так и переменного тока.

К основным параметрам варисторов относятся: статическое сопротивление при постоянных значениях напряжения и тока Rст = U /I; динамическое сопротивление переменному току Rд = ∆U / ∆I; коэффициент нелинейности – отношение статического сопротивления к динамическому в данной точке характеристики р = Rст / Rд; наибольшая амплитуда импульсного напряжения и допустимая рассеиваемая мощность. Исходя из двух последних параметров, выбирают рабочее эксплуатационное напряжение варистора.В схемах промышленной электроники варисторы применяют для регулирования электрических величин, стабилизации токов и напряжений и для защиты приборов и элементов схем от перенапряжений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы: Учебник. – Мн.: Выш.шк., 1999.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991.

3. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника: Учеб. Пособие. – Мн.: Дизайн ПРО, 2000.

4. Ткаченко Ф.А., Хандогин М.С. Электронные приборы: Учеб. пособие. – Мн.: БГУИР, 1997.

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

6. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. – М.: Радио и связь, 1991.

7. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. – М.: Высш. шк., 1987.

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник / Под общ. Ред. Н.Н.Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

13