Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Вольтамперная характеристика показывает зависимость тока от проложенного напряжения. , где - обратный ток насыщения p-n перехода, - напряжение, - постоянная Больцмана Т⁰- температура.

При увеличении обратного напряжения происходит пробой p-n перехода. Различаются два вида прибоя электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Рис. 10

Электрический прибой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой).

Тепловой прибой связан с вырыванием электронов из ковалентных связей за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. Тепловая генерация приводит к увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к дальнейшему повышению температуры полупроводника.

При чрезмерном нагреве перехода происходит изменение структуры кристалла и выхода его из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющая на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом случае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения.

Анализ вольтамперной характеристики позволяет рассматривать переход как нелинейный элемент.

Сущность электростатической эмиссии заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освобождаться из ковалентных связей и преодолеть не потенциальный барьер. Двигаясь с большей скоростью на участке p-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизирую их. В результате чего появляются новые свободные электроны и дверки.

Лекция № 2

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковыми диодами называются приборы с одним электронно—дырочным переходом и двумя выводами. Они применяются для выпрямления переменного тока, детектирования переменных колебаний, стабилизации постоянного напряжения и т.д. По назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные, стабилитроны туннельные, варикапы и др.

В справочниках обозначение диодов состоит из 6 элементов:

Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал: г или 1-германий; к или 2 – кремний; А или 3-соединения галия.

Второй элемент (буква) указывает тип полупроводникового прибора;

Д- выпрямительные диоды; Ц- выпрямительные столбы;

А- сверхвысокочастотные диоды; С- стабилитроны; И- тунельные диоды;

В- варикапы; Л- излучающие диоды; Г-генераторы шума; Б- диоды Ганна; К- стабилизаторы тока.

Третий элемент – число, определяющее назначение и качественные свойства диода. У стабилитронов 3 элемент определяет индекс мощности.

Четвертый и пятый элемент- обозначают порядковый номер разработки. У стабилитронов пятый и четвертый элементы обозначают напряжение стабилизации.

Шестой элемент (буквенный) определяет разновидность прибора техническим признакам.

Примеры маркировки:

ГД412А – диод германиевый; Д- выпрямительный; 4-универсальный (с рабочей частотой не более 1000 мГц);

Номер разработкт 12, группа А.

АИЗ01А – диод тунельный; 3-переключательный для широкого применения; номер разработки 01, группа А.

АЛ302А – светодиод; 3-для широкого применения с яркостью не более 500 кд/м² ; номер разработки 0,2, гр. А.

КС168А- кремниевый стабилитрон; 1-мощностью 0,3 Вт;

68-напряжение стабилизации 6,8В; гр. разработки А.

Выпрямительные диоды условное обозначение

Рис 1

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный (пульсирующий).

В качестве материала используют кремний, германий.

Для улучшения отвода тепла в диодах средней и большой мощности к их корпусу приваривают винт.

Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ).

Рис. 2

Основными параметрами являются:

- постоянное прямое напряжение ;

- макс. доп. обр. напр. ;

- пост. обр. ток ;

- средн. выпрям. ток ;

- макс. доп. мощность рассеиваемая диодом.

По максимально допустимому выпрямленному значению среднего тока диоды делятся на маломощные , ср. мощности , мощные .

Варикапы. Условное обозначение варикапа.

Варикапами называют полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании зависимости емкости перехода от обратного напряжения.

Варикапы используются в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

В варикапах изменение обратного напряжения, приложенного к p-n переходу, приводит к изменению барьерной емкости между областями p-n .

Величина барьерной емкости диода С_б может быть определена из формулы

; -площадь p-n перехода, - ширина перехода,

- диэлектрическая проницаемость.

Характеристика варикапа имеет вид:

Рис.3

Основными параметрами варикапа являются:

- номинальная емкость ;

- коэффициент перекрытия емкости

- максимальное обратное напряжение .

Полупроводниковые стабилитроны

Стабилитроном называется диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него в заданном диапазоне тока. Он предназначен для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.

ВАХ показана на рисунке.

Рис. 4

Рабочим участком стабилитрона является участок электрического обратимого пробоя. При изменении тока, протекающего через стабилитрон, напряжение на нем мало отличается от значения .

Принцип работы стабилитрона заключается в том, что при изменении изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно к нему нагрузке практически не меняется.

Рис. 5

У современных стабилитронов напряжение стабилизации лежит в пределах от 1 до 1000 В при токах стабилизации от 1 мА до 2А.

Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации примерно равно 0,5 …200 Ом.

Фотодиоды. Условное обозначение

Фотодиоды представляют собой фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого содержит структуру полупроводникового диода.

Фотодиод выполнен так, что его p-n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через который поступает свет, и защищен от воздействия света с других сторон.

Схема включения фотодиода показана на рисунке.

Рис. 6

Напряжение источника питания приложено к диоду в обратном направлении. Когда фотодиод не освещен, в цепи протекает обратный ток небольшой величины (10-20 кА) для германиевых и 1-2 кА для кремниевых. При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствии чего увеличивается переход неосновных носителей заряда через переход. Это приводит к увеличению тока в цепи. Следует отметить, что фотодиод можно включать и без внешнего источника напряжения. Режим работы с внешним источником называется фотодиодным, а без внешнего -вентильным. В вентильном режиме под действием светового потока возникает э.д.с., поэтому он не нуждается в постороннем источнике напряжения.

Вольтамперная характеристика определяет зависимость тока фотодиода от напряжения на нем при постоянном световом потоке (рис. 7).

При через диод протекает темновой ток.

Характерной особенностью рабочей области характеристик является полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения.

Рис. 7

Световая характеристика фотодиода в широком диапазоне изменений светового потока оказывается линейной ( рис. 8).

Рис.8

Спектральная характеристика показывает зависимость спектральной чувствительности от длины падающего на фотодиод света (рис.9).

Рис. 9

Параметры фотодиодов:

Интегральная чувствительность . Рабочее напряжение - постоянное напряжение, при котором обеспечиваются номинальные параметры фотодиода.

Темновой ток .

Фотодиоды широко применяются в фотометрии, фотоколометрии, для контроля источников света, прозрачности среды, регистрации и счета ядерных частиц, автоматического регулирования и контроля температуры, в ЭВМ устройствах ввода и вывода.

Светодиоды.

Светодиодом называют полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.

При подаче на переход p-n прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция дырок в область n , а электронов в область p. При встрече электрона и дырки их заряды компенсируются и данные носители исчезают. У многих полупроводников при рекомбинации происходит выделение тепла, которое отдается кристаллической решетке. Однако у полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga), мышьяка ( As) рекомбинация является излучательной в виде квантов света-фотонов. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника и особенностей рекомбинации носителей заряда излучение может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра.

Наибольшее распространение получили диоды, излучающие желтый, красный и зеленый свет.

Параметрами светодиодов являются:

Яркость свечения диодов В(кд/м²) при max прямом токе;

Постоянное прямое напряжение при max допустимом токе;

Полная мощность излучения , мВт.

Максимально допустимое обратное напряжение .

Тунельные диоды.

Тунельные диоды отличаются малым удельным сопротивлением p и n областей (содержание примесей до 10²¹/см³).

В качестве материала используются германий, арсенид и антимонид галлия.

В тунельных диодах используются тунельный механизм переноса носителей заряда через р-n переход и в характеристике диода имеется область с отрицательным сопротивлением.

Основные параметры: - пиковый ток; - ток впадины; - напряжение пика; - напряжение впадины; - емкость диода.

По назначению делятся на генераторные, переключающие, усилительные.

Лекция №3