- •Часть 1.Курс лекций
- •Глава 1. Полупроводниковые приборы
- •1.1.Электропроводимость полупроводников.
- •1.2.Электронно – дырочный переход.
- •1.3.Полупроводниковые диоды.
- •1.4.Биполярный транзистор.
- •1.5.Полевые транзисторы.
- •1.5.2.Принцип действия полевого транзистора.
- •1.6. Тиристоры.
- •Глава 2. Фотоэлектронные приборы
- •2.1.Внутренний и внешний фотоэффекты
- •Глава 3.
- •3.1.Назначение и классификация выпрямителей.
- •3.2.Однофазные выпрямители.
- •3 .2.1.Однополупериодный выпрямитель.
- •3.2.2.Двухполупериодные выпрямители.
- •3.3.Трехфазные выпрямители.
- •3.4.Управляемые выпрямители.
- •3.5.Стабилизаторы.
- •3 .5.1.Стабилизаторы напряжения.
- •3.5.2.Стабилизаторы тока
- •Глава 4
- •4.1.Классификация и основные характеристики усилителей.
- •4.2.Обратная связь в усилителях
- •4.3.Однокаскадные усилители на биполярных транзисторах
- •4.3.Усилитель на полевом транзисторе
- •4.4.Межкаскадные связи
- •4.5.Избирательные усилители
- •4.6.Импульсные(широкополосные) усилители
- •4.7.Усилители постоянного тока
- •Глава 5
- •5.1. Колебательный контур
- •5.2. Генераторы lс типа
- •5.3. Генераторы rс - т и п а
- •5.4.Импульсные генераторы
- •5.5.Генераторы пилообразного напряжения.
- •5.6. Электронный осциллограф
- •Глава 7. Интегральные микросхемы.
Глава 2. Фотоэлектронные приборы
2.1.Внутренний и внешний фотоэффекты
Электронные приборы, принцип действия которых основан на преобразо-вании лучистой энергии в электрическую, называются фотоэлектронными приборами.
Преобразование лучистой энергии в электрическую возможно за счет внутреннего и внешнего фотоэффекта. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего образуются пары электрон – дырка. На внутреннем фотоэффекте созданы такие приборы, как фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. В приборах с внешним фотоэффектом - фотоэлементах, фотоэлектронных умножителях получение свободных электронов с поверхности фотокатода обусловлено фотоэлектронной эмиссией, открытой российским физиком А.Г.Столетовым.
По принципу действия фотоэлементы делятся на три основные группы:
1.Фотоэлементы с внешн.фотоэффектом - выходом электронов с поверхности металла под действием энергии электромагнитного излучения.
2.Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом-изменением эл. сопротивления полупроводника под действием энергии электромагнитного излучения.
3.Фотоэлементы с вентильным или фотогальваническим эффектом –
Образованием э.д.с. между слоями с различной проводимостью под действием электромагнитного излучения.
2.2.Фоторезисторы. Фоторезисторами называются полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых изменяется под действием светового потока.
Р ис.2.1. а. К принципу действия фоторезистора;
б. Корпус фоторезистора;
в. Условное обозначение;
г. ВАХ фоторезистора;
д. Световая характеристика фоторезистора.
Принцип действия фоторезисторов основан на использовании внутрен-него фотоэффекта. Под действием световой энергии в полупроводнике возникают дополн. носители заряда—электроны и дырки, т.е. образуется дополнительная проводимость–фотопроводимость. Сопротивление при этом уменьшается. Если к возбужденному свет.потоком полупроводнику 2(рис. 2.1,а), нанесённому на стекл. пластину 1 и снабженному металл.электродами 3, приложить напряжение Uф, то движение электронов станет направленным и по цепи резистора Rн будет проходить ток Iф. Выходное напряжениеUвых на резисторе Rн, воздействует на следующие элементы электроники. Во избежание воздействия окружающей среды (влажности, загрязнения и т. п.) фоторезистор запрессовывается в пластмассовый корпус 4(рис.2.1,б) с окном 5 для света и снабжается штырьками 6.
Для изготовления фоторезисторов применяются сернистые и селенистые соединения кадмия и свинца.
Основные характеристики: световая, вольт-амперная и спектральная. Световая характеристика (рис. 2.1,д) - зависимость фототока от освещенности светочувствительной поверхности фоторезистора при постоянном напряжении.
Вольт-амперная характеристика (рис.2.1,г) - зависимость фототока и темнового тока от напряжения на фоторезисторе при постоян. освещенности поверхности.
Спектральная характеристика фоторезистора - зависимость фототока от длины волны падаюшего света.
Фоторезисторы из сернистого кадмия имеют максимум чувствительности в видимой части спектра. Другие фоторезисторы более чувствительны к инфракрасным лучам.
Главное достоинство фоторезисторов — высокая удельная интегральная чувствительность. У сернисто-свинцовых фоторезисторов 400—500 мкА/лм. Это позволяет использовать фоторезисторы без усилителей а малые габариты применять их широко. Они используются в системах фотоконтроля и фотоэлектронной автоматики, в качестве чувствительных элементов на входе приемников в системах оптической связи, обнаружения инфракрасного излучения, радиоастрономических и других систем.
Основные недостатки фоторезисторов: инерционность и сильное влияние температуры, что приводит к большому разбросу характеристик фоторезисторов одного типа.
Маркировка фоторезисторов:
первый элемент : СФ (сопротивление фоточувствительное);
второй элемент: цифра - тип светочувствительного материала;
третий элемент (после дефиса): цифра - конструктивное оформление.
Пример маркировки: СФ2-4, СФ1-5.
2.3.Вентильные фотоэлементы. В вентильных фотоэлементах световая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, поэтому для них не требуется посторонних источников тока.
Рис.2.2.Устройство и условное обозначение вентильного фотоэлемента
Принцип действия вентильного (фотогальваничес-кого) фотоэлемента основан на использовании запирающего слоя, образуемого р-п-переходом. На металл.электрод1нанесен тонкий слой полупроводникового материала 2 (обычно селена и сернистого таллия), на поверхность которого распылением наносится тонкий слой металла 4-второй электрод фотоэлемента. Запирающий слой 3создается термической обработкой. В результате переме-щения основн. носителей на границе полупроводника и полупрозрачного слоя металла образуется запирающий слой. При облучении кванты света, проникая в р-п-переход, увеличивают число неосновных носителей-дырок в п-области и электронов в р-области. Дырки под действием потенциального барьера перемещаются из п-области в р-область, а электроны — наоборот. В результате на р-п-переходе образуется избыток зарядов, создающих дополнительную разность потенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой(фото-эдс). При замыкании в эл. цепи под действием фото-эдс будет проходить эл.ток, зависящий от интенсивности светов.потока, падающего на фотоэлемент.
Наибольшее применение получили селеновые, сернисто-таллиевые и крем-ниевые фотоэлементы вентильного типа. Интегральная чувствительность селенового фотоэлемента- 400-600 мкА/лм и расположена в области голубых и зеленых лучей. В сернистоталлиевых фотоэлементах интегральная чувствитель-ность около 11000мкА/лм. Спектральная характеристика этих фотоэлементов захватывает всю область видимого спектра и большую часть инфракрасной области. Особый тип вентильных фотоэлементов, кремниевые - для изготовле-ния солнечных батарей, преобразующих солнечную энергию в электрическую.
Рис.2.3. Устройство солнечного фотоэлемента
Солнечный фотоэлемент состоит из пластины кремния п-типа. На поверхность пластины путем диффузии вводят примесь бора, образуя слой р-типа. Толщина этого слоя не больше 2—3 мкм, поэтому свет.энергия легко проникает в зону р-п-перехода. Максимум интегральной чувствительности солнечного фотоэлемента лежит в инфракрасной области. Солнечные фотоэлементы обладают высоким КПД, достигающим 10—13% (КПД сернисто-таллиевых фотоэлементов - 1,1%). Соединяя последовательно кремниевые фотоэлементы, получают солнечную батарею, с большим сроком службы, которая используется для электропитания таких устройств как искусств.спутники Земли и космические корабли.
2 .4.Фотодиоды. Фотодиодом называется двухэлектродный полупроводни-ковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, обратный ток которо- го изменяется под действием лучистой энергии и является его рабочим током.
Рис.2.4.Схемы включения фотодиода:
а) с внешн.источником эл.питания(фотодиодный);
б) без источника эл.питания (вентильный или фотогальванический).
1.При работе фотодиода в фотодиодном режиме, на диод не действует поток лучистой энергии и через р-п-переход протекает небольшой обратный - темновой ток неосновных носителей эл.зарядов, возникающих при разрывах ковалентных связей, из-за теплового воздействия окружающей среды. При облучении фотодиода, из-за внутреннего фотоэффекта, возникают дополнительные дырки и электроны. Дырки диффундируют вглубь облучаемой области, доходят до р-п-перехода и под действием эл. поля р-п-перехода увлекаются в р-область диода.
Т.о., поток лучистой энергии увеличивает число неосн. носителей эл.зарядов, а значит и ток в цепи.
2.При работе фотодиода в вентильном режиме и при отсутствии потока лучистой энергии темнового тока в цепи нет, т.к. р-п-переход находится в равновесном состоянии, т.е. токи диффузии уравновешиваются токами дрейфа. При облучении фотодиода дырки и электроны будут возникать из-за разрыва ковалентных связей. Под действием эл. поля р-п-перехода дырки будут пере-ходить в р-область, а электроны останутся в п-области, т.к. не в состоянии преодолеть потенциальный барьер р-п-перехода.
Т.о., при облучении диода происходит накопление дырок в р-области и электронов в п-области, понижается высота потенциальн. барьера р-п-перехода на величину фото-эдс, возрастают диффузионные токи осн.носителей через р-п-переход. В этом режиме фотодиод не требует внешнего источника питания, т.к. сам является генератором эл. тока, фото-эдс может достигать 1 В.
Основные характеристики: световая, вольт-амперная и спектральная.
Германиевые фотодиоды захватывают область инфракрасных лучей
(λ =1,5 мкм). Для кремниевых — максимум солнечного спектра (λ = 0,8 мкм).
Параметры фотодиодов: величина темнового тока, максимально допусти-мое напряжение, рабочее напряжение, интегральную чувствительность.
Маркировка фотодиодов:
ФД — фотодиод германиевый; ФДК—фотодиод кремниевый;
Цифра после букв - номер заводской разработки. Например, ФД-3, ФДК-1.
2.5.Фототранзисторы. Фоторезисторы и фотодиоды являются пассивными преобразователями лучистой энергии, т. е. не обладающими усилительными свойствами. В отличие от этих приборов фототранзистор является активным преобразователем, в нем происходит не только преобразование энергии излучения, но и усиление.
К онструктивно фототранзистор представляет структуру плоскостного транзистора р-п-р или п-р-п-типа. База фототранзистора подвергается облуче-нию потоком лучистой энергии.
Рис.2.5.Устройство и схемы включения фототранзисторов:
а) со свободной базой;
б)с базой, на которую подается напряжение смещения.
Конструктивно фототранзис-торы выполняются в металическом корпусе со стеклянным окном. Возможны две схемы включения фототранзисторов: схема со свободной базой (рис. 2.5, а) и схема (рис. 2.5,б), в которой на базу подается напряжение смещения, необходимое для получения линейной характеристики.
При облучении базы в ней создаются неравновесные носители (дырки и электроны), которые будут втягиваться в коллекторную область транзистора, увеличивая обратный ток коллекторного перехода. Основн. неравновесные носители останутся в базе, при этом снизится высота потенциального барьера эмиттерного перехода. Уменьшение высоты потенциального барьера увеличит инжекцию дополн.зарядов из эмиттера в базу, меньшая часть которых реком- бинирует в области базы, а большая - уйдёт в коллектор через коллекторный переход. Коллекторный ток возрастёт.
Основные параметры: темновой ток, интегральная чувствительность, коэф-фициент передачи по току β, допустимый ток и мощность при облучении.
Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются в качестве приемников лучистой энергии в различных фотоэлектронных устройствах.
Маркируются фототранзисторы буквами ФТ, например ФТ-1.
2.6.Светодиоды. Светодиодом называют полупроводниковый диод с одним электронно-дырочным переходом, в котором происходит непосредственное преобразование эл. энергии в энергию светового излучения (видимого или инфракрасного) за счет рекомбинации электронов и дырок.
В обычных диодах в процессе рекомбинации выделяется энергия, отдаваемая кристаллической решет-ке, т.е.превращается в теплоту. У полупроводников на основе арсенида галлия, карбида кремния при рекомбинации происходит излучение света.
Рис.2.6.Устройство и схема включения светодиода.
Светодиоды нуждаются в источнике питания с боль-шим внутренним сопротивлением. Для этого последовательно с источником питания включают резистор R0, уменьшающий зависимость тока от напряжения питания.
Основные характеристики: вольт-амперная Iпp=f1(U); зависимость мощности и яркости излучения от прямого тока: Р=f2(Iпр) и В=f3(Iпр).
Основные параметры: мощность излучения Р, длина волны излучаемого света λ и КПД.
Длина волны λ, определяющая цвет свечения, зависит от материала полу-проводника. Так, длина волны излучения фосфида галлия соответствует зеле -ному цвету, а введением примесей можно получить желтый и красный цвета. КПД светодиода - отношение мощности излучения к эл.мощности, подводимой к диоду - лежит в пределах 0,1 — 1%. Низкие напряжения (менее 3 В) и малые токи (5—10 мА) обеспечивают совместимость светодиодов с и.м.с. Кроме этого, небольшие габариты, высокая надежность, большой срок службы и низкая стоимость делают светодиоды особенно удобными в схемах ЭВМ (в схемах индикации, системах фотопамяти и др.).Светодиоды имеют инерцион- ность, не превышающую10-6-10-8с, что позволяет применять их в импульсных цепях на частотах от 1 до 100 мГц. Светодиоды находят применение в индика- торных схемах, в выч.технике, ядерной радиоэлектронике, автоматике, электрон. цифровых часах и т.д. Широкое применение получили не отдельные светодиоды, а матрицы светодиодов, позволяющие воспроизводить цифру или букву от А до Я, которые применяются в устройствах отображения информации и различных табло.
2.7.Оптроны.
Светодиоды нашли широкое применение в создании нового класса приборов - оптронов.
Р ис.2.7.Условные графические изображения оптронов: а — резисторный; б—диодный; в— транзисторный; г — тиристорный.
Они состоят из источника - светодиода и приемника излучения (фоторезистора, фотодиода, фототранзис-тора), связанных оптической средой и конструктивно объединенных в одном корпусе. Вход и выход оптрона электрически развязаны. Оптическую среду распространения сигнала от излучателя к приемнику представляет световод - нить из прозрачного диэлектрика. Световой луч поступает в торец световода, после многократного отражения от боковых стенок, выходит с другого конца световода. С помощью волоконного световода можно разместить приемник далеко от излучателя, обеспечив их высокую эл. изоляцию и помехоустойчивость.
Оптроны применяются в быстропереключающих схемах, генераторах, для согласования высоковольтных и низковольтных цепей, измерений в цепях высокого напряжения, усиления и модуляции.
Оптроны являются элементной базой для нового направления электроники — оптоэлектроники.