10.9. Полупроводниковые резисторы, конденсаторы, оптоэлектронные приборы

На основе полупроводников изготовляются резисторы с постоянным сопротивлением, а также резисторы с нелинейными ВАХ. К последним относится варистор. Его типовая ВАХ и условное обозначение приведены на рис. 10.39. Варисторы применяются, например, в стабилизаторах и ограничителях напряжения подобно опорному диоду.

Терморезисторы — полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от температуры внешней среды. Различают терморезисторы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Варикапы — конденсаторы на основе полупроводников, в которых используется зависимость емкости p-n перехода от приложенного к нему напряжения. Условное обозначение и типовая характеристика варикапа приведены на рис. 10.40.

Оптоэлектронными называются полупроводниковые приборы, способные работать в качестве источников (светоизлучающие диоды) и приемников (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры) электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн λ=0,2—50 мкм.

Р абота светоизлучающего диода, условное обозначение и конструкция которого приведены на рис. 10.41, а и б, основана на излучении квантов света — фотонов при самопроизвольной рекомбинации носителей зарядов в p-n переходе, смещенном в прямом направлении. Рекомбинация зарядов сопровождается их переходом с высокого энергетического уровня на более низкий. При этом избыточная энергия выделяется путем излучения кванта света. Диапазон длин волн видимого глазом света составляет 450—680 нм. В светоизлучающих диодах применяются полупроводниковые материалы: фосфат галлия (GaP), карбид кремния (SiC) и др. Добавление активаторов может изменять цвет излучения диода. Например, на основе фосфата галлия легированного цинком, кислородом или азотом получают диоды зеленого, желтого и красного цветов свечения.

Инфракрасный излучающий диод в отличие от светоизлучающего диода излучает электромагнитную энергию в инфракрасной невидимой области спектра.

Работа фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов и фототиристоров основана на явлении внутреннего фотоэффекта, т.е. генерации в полупроводниках избыточных пар носителей заряда — электронов и дырок — под действием излучения.

В фоторезисторах это приводит к изменению электрической проводимости полупроводника при их освещении.

В фотодиодах избыточные свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем p-n перехода и заряжают p-область положительным и n-область отрицательным зарядами. В результате между выводами разомкнутой цепи фотодиода появляется напряжение (10.3), равное фотоЭДС (0,7—0,8 В). Различают генераторный и фотодиодный режимы работы фотодиода. В генераторном режиме фотоЭДС используется в качестве источника электрической энергии в цепи фотодиода. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикалывается напряжение обратное фотоЭДС. При этом электроны и дырки, генерируемые излучением, увеличивают обратный ток, значение которого увеличивается пропорционально интенсивности излучения.

Фототранзистор имеет структуру обычного n-p-n биполярного транзистора на основе кремния. Ток в цепи фототранзистора зависит не только от напряжения между выводами коллектора и эмиттера, но и от его освещенности. При напряжении между коллектором и эмиттером 5 В типовое значение тока коллектора при отсутствии (наличии) освещенности фототранзистора составляет 0,1 мкА (до 1 мА). Диапазон рабочих температур -40—85°С.

Фототиристор с тремя p-n переходами имеет два вывода — анодный и катодный. Его ВАХ подобна ВАХ триодного тиристора (см. рис. 10.37) с той особенностью, что напряжение включения U_вкл зависит от освещенности фототиристора.

О птопары (оптроны) представляют собой оптоэлектронные приборы, содержащие в одном корпусе взаимодействующие друг с другом светоизлучающий диод и фотоприемник. Условные обозначения оптопар с фотоприемниками в виде фоторезистора, фотодиода, фототранзистора и фототиристора приведены на рис. 10.42, а—г. Их основные достоинства заключаются в отсутствии гальванической связи между электрическими цепями излучателя и фотоприемника и помехозащищенности оптических каналов.

Оптопары с открытым оптическим каналом щелевого (рис. 10.42, д) и отражательного (рис. 10.42, е) типов используются в качестве пози-ционно-чувствительных датчиков.

Оптоэлектронные интегральные схемы на основе оптопар, элементов усиления, формирования и обработки сигналов применяются в устройствах автоматики в качестве переключателей в электрических цепях управления, коммутаторов тока до 0,5 А при напряжении до 30 В, реле постоянного тока до 100 мА при напряжении до 100 В и др.