Параметры тиристоров
1. Напряжение включения (Uвкл) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние.
2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (Uобр.max) – это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров Uвкл.= Uобр.max
3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.
4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (0,8÷1,3 В)
5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности.
6. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается
7. Время отключения – это время, в течении которого закрывается тиристор.
8. Предельная
скорость нарастания анодного тока
.
Если анодный
ток будет быстро нарастать, то p–n–переходы
будут загружаться током неравномерно,
вследствие чего будет происходить
местный перегрев и тепловой пробой.
9. Предельная
скорость нарастания анодного напряжения
.
Если предельная скорость нарастания
анодного напряжения будет больше
паспортной, тиристор может самопроизвольно
открыться от электромагнитной помехи.
10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».
11. Управляющее напряжение отпирания – это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».
Контрольные вопросы
1. Что такое полупроводниковый диод?
2. Как обозначаются диоды и диодные сборки?
3. Чем отличается анод от катода?
4. Привести вольтамперную характеристику диода.
5. Пояснить отличие электрического пробоя от теплового.
6. Как диоды делятся по прямому току?
7. Перечислить основные параметры полупроводниковых диодов.
8. Достоинства и отличия диода Шоттки от германиевых и кремниевых.
9. Какой участок является рабочим у стабилитрона?
10. Пояснить работу тиристора.
11. Условное графическое изображение динистора, симистора и тиристра.
12. Как закрыть тиристор?
13. Что произойдет, если будут превышены значения или ?
ЛЕКЦИЯ 3
ЭЛЕМЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
(2 часа)
План
1. Общие сведения об оптоэлектронике.
2. Светодиоды, фотодиоды, фоторезисторы, фототиристоры, простейшие оптроны. Принцип их действия, параметры и характеристики. Применение в электронных устройствах.
3. Оптоэлектронные устройства.
Фотоэлектрические полупроводниковые приборы
Фотоэлектрическими
называют такие приборы, в которых
лучистая энергия преобразуется в
электрическую. Принцип действия
полупроводниковых фотоэлектрических
приборов основан на использовании
внутреннего фотоэффекта, суть которого
заключается в следующем. Лучистая
энергия излучается в виде квантов света
(фотонов) с энергией
,
где
– постоянная Планка,
– частота излучения.
Под воздействием этой энергии в чистых полупроводниках энергия части валентных электронов может увеличиться настолько, что они смогут преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости. В примесных полупроводниках n–типа под воздействием лучистой энергии электроны с донорных уровней могут перейти в зону проводимости, а в полупроводниках р–типа дырки с акцепторных уровней – в валентную зону.
Для того чтобы
электроны чистого полупроводника могли
преодолеть запрещенную зону, необходимо
сообщить им энергию, большую энергии
активации собственной электропроводности
h
ΔW
.
Это является условием
возникновения фотоэффекта.
В примесных полупроводниках электронам
нужно сообщить энергию большую, чем
энергия ионизации ΔW
,
то есть
>ΔW
.
Полупроводник при этом приобретает
добавочную проводимость, которая
называется фотопроводимостью. Отметим,
что проводимость, обусловленная тепловым
возбуждением носителей заряда, называется
также темновой проводимостью. Когда
энергия фотона равна энергии активации
(энергии ионизации для примесных
полупроводников), ее называют порогом
фотоэффекта.
Длину волны λ
,
соответствующую минимальной частоте
ν
,
называют красной
границей внутреннего фотоэффекта.
Для разных полупроводников значения
λ
,
различны. Так, для германия λ
= 1,7 мкм, т.е. граница фотоэффекта лежит
в инфракрасной области.
Фоторезистор
Фоторезисторы – полупроводниковые приборы, которые имеют два контакта и электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава падающего излучения.
Фотодиод
Фотодиоды – это полупроводниковые фотоэлектрические приборы с одним p–n–переходом и двумя контактами, принцип действия которых основан на использовании внутреннего фотоэффекта. Фотодиодом называется фотогальванический приёмник излучения, светочувствительный элемент которого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления.
Принцип действия. При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотогенерация собственных носителей зарядов (рис. 3.1), что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных носителей зарядов.
Рис. 3.1. Фотогенерация в полупроводниках
Однако фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток, так как неосновных носителей зарядов значительно меньше, чем основных.
Рис. 3.2. Зависимость фототока от величины светового потока
Для фотодиодов
– это фототок. Зависимость фототока
от величины светового потока
=
f(Ф)
представлена на рисунке 3.2.
Спектральная
характеристика
– это зависимость фототока от длины
волны светового излучения
.
Темновой
ток – ток
через фотодиод при отсутствии светового
потока и при заданном рабочем напряжении.
Интегральная
чувствительность
– это отношение фототока к световому
потоку
.
Рабочее напряжение – это обратное напряжение, подаваемое на фотодиод, при котором все параметры фотодиода будут оптимальными.
Рис. 3.3. Типовая схема включения фотодиода
Фототранзистор
Фототранзистор
– это полупроводниковый фотоэлектрический
прибор с двумя р–n–переходами.
Устройство и принцип действия
фототранзистора такие же, как и биполярного
транзистора. Часто фототранзистор имеет
два вывода от эмиттера и коллектора.
Внешняя часть базы является
фоточувствительной поверхностью,
поэтому эмиттер обычно имеет небольшие
размеры. В корпусе имеется окно для
пропускания света. Когда свет падает
на транзистор, в обоих p–n–переходах
освобождаются неосновные носители, но
увеличение фототока дают те из них,
которые образуются у смещенного в
обратном направлении перехода
коллектор–база. Как тепловой ток утечки
I
перехода коллектор–база усиливается
транзистором и дает больший ток утечки
коллектор-эмиттер, так же усиливается
и фототок. Чувствительность фототранзисторов
обычно в сто раз выше, чем у фотодиода.
Базовый вывод у фототранзистора часто
не используется. Изображение фототранзистора
на электрических схемах показано на
рис. 3.4.
Рис. 3.4. Фототранзистор
Светодиод
Светодиоды – полупроводниковые приборы, в которых происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.
В основе принципа действия светодиодов лежит свойство излучательной рекомбинации – излучение квантов света при рекомбинации пар электрон – дырка. Рекомбинация наблюдается, если p–n–переход включен в прямом направлении. Рекомбинация будет излучательной не всегда. В ряде случаев вся энергия, приложенная к переходу, передается атомам решетки, т.е. имеет место безизлучательная, или тепловая, рекомбинация. Так, в германиевых переходах электрическая энергия выделяется почти полностью в виде тепловой. Диод, представляющий собой монокристалл n–типа, в котором создан p–n–переход, помещен в корпус – стеклянную линзу, пропускающую излучаемый свет. От областей n и p–типа сделаны выводы из некорродирующего металла (золота, серебра). Светодиоды имеют малые габариты и массу, низкое потребление мощности, высокую стабильность и большой срок службы. Инерционность светодиодов мала, она составляет десятимиллионные и стомиллионные доли секунды. Светодиоды широко применяются в световых табло, в счетно–решающих машинах для ввода–вывода цифровой и буквенной информации, а также в оптоэлектронике.
Принцип действия. При прямом включении основные носители заряда переходят через p–n–переход и там рекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. При обратном включении через p–n–переход переходят неосновные носители заряда в область, где они становятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют.
Рис. 3.6. Светодиод
Основные характеристики:
а) Яркостная характеристика – это мощностная зависимость излучения от прямого тока Pu=f(Iпр).
б) Спектральная характеристика – это зависимость мощности излучения от длины волны Pu=f(λ).
Основные параметры:
– яркость свечения при максимальном прямом токе;
– полная мощность излучения Pu.max.
Оптоэлектронные устройства
Оптоэлектроника – это область электроники, охватывающая вопросы теории и практического применения методов преобразования оптических (световых) сигналов в электрические и наоборот в системах передачи, обработки и хранения информации. Оптоэлектроника – сравнительно новое перспективное научно–техническое направление. В оптоэлектронных устройствах переработка сигналов осуществляется с помощью приборов, работа которых основана на электронных и фотонных процессах, т. е. элементами оптоэлектронных устройств являются фотоэлектрические приборы, а связь между элементами оптическая. В таких устройствах практически устранена гальваническая связь между входными и выходными цепями и до минимума сведена обратная связь между входом и выходом. Комбинации элементов позволяют создавать оптоэлектронные устройства с различным функциональным назначением.
Оптроном, или оптоэлектронной парой называется устройство, состоящее из светоизлучателя, фотоприёмника и оптически прозрачной среды между ними (световода). Светоизлучателем служит излучающий диод, фотоприёмником может служить фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, поэтому оптроны называют резисторными, транзисторными, диодными, симисторными, динисторными. Основная задача оптрона – обеспечить передачу информации без электрической связи между входом и выходом.
Условные графические обозначения (УГО) оптронов изображены на рисунке 3.8.
Рис. 3.8. УГО оптронов: резисторный, диодный, транзисторный и динисторный
Маркировка оптронов.
А |
О |
Д |
103 |
А |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Расшифровывается маркировка так:
1 группа – материал полупроводника. Буква «А» означает арсенид галлия.
2 группа. Буква «О» означает, что мы имеем дело с оптроном.
3 группа. Тип оптрона по виду фотоприёмника. «Д» – диодный оптрон, «У» – тиристорный, «Т» – транзисторный.
4 группа – группа по электрическим параметрам.
5 группа – модификация прибора в четвёртой группе.
В цифровых ИМС чаще всего применяют диодные оптроны
Рис. 5.10. Оптрон в интегральных схемах
Принцип действия. При подаче на вход логического нуля ток через светодиод не протекает, светодиод не светится, и через фотодиод будет протекать очень маленький темновой ток, которого не достаточно для отпирания транзистора VT1. При подаче на вход логической единицы светодиод зажигается, и через фотодиод будет протекать достаточно большой световой обратный ток, который открывает транзистор VT1. Оставшаяся часть схемы работает как базовый элемент ТТЛ.