Туннельный диод, фотодиоды, светодиоды

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД, ФОТОДИОДЫ, СВЕТОДИОДЫ

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД

Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода не изменяя своей энергии.

Для получения туннельного эффекта используется полупроводниковый материал германий, арсенид галлия с очень большой концентрацией примесей – до 10²¹ примесных атомов в 1 см³. в то время как в обычных полупроводниках концентрация примесей не превышает 10¹⁵ см³.

Вследствие высокого содержания примесей в обеих областях полупроводникового кристалла ширина p-n перехода оказывается очень малой, не более 0,01 мкм, что приводит к значительному повышению напряженности электрического поля на переходе, порядка 10⁸ В/м. В этих условиях имеется конечная вероятность того, что электрон движущийся в сторону очень узкого барьера, пройдет сквозь него, как через туннель и займет свободное состояние с такой же энергией по другую сторону от барьерного слоя.

Чтобы подчеркнуть специфичность прохождения электронов через p-n переход описанное явление было названо туннельным эффектом.

На рис.1. показана вольтамперная характеристика p-n перехода с туннельным эффектом. Основная ее особенность состоит в том, что при подаче прямого напряжения превышающего некоторое напряжение U₁, прямой туннельный ток начинает резко убывать.

Наличие падающего участка характеристики АВ рис. 1, можно объяснить следующим образом. Увеличение прямого напряжения, с одной стороны, приводит к увеличению туннельного тока, а с другой – уменьшает напряженность электрического поля в p-n переходе. Поэтому при некотором значении прямого напряжения U₂, когда напряженность электрического поля в p-n переходе резко снижается, туннельный ток прекращается, а p-n переход приобретает обычные свойства, связанные с прохождением через него диффузного тока (на рис.1. кривая 1) в интервале после U₂, соответствующая полному току p-n перехода, совпадает с кривой 2 диффузного тока, показанной пунктиром.

С ростом напряжения в интервале от U₁ до U₂ ток падает. Следовательно, на этом участке p-n переход оказывает переменному току отрицательное сопротивление

.

Уменьшение тока с ростом напряжения эквивалентно сдвигу фазы между указанными величинами на 180^О. Поэтому мощность переменного сигнала, равная произведению тока на напряжение, будет иметь отрицательный знак. Это показывает, что отрицательное сопротивление не потребляет мощности переменного сигнала, а отдает его во внешнюю цепь.

С помощью отрицательного сопротивления можно скомпенсировать потери, вносимые в схему положительным сопротивлением, и, таким образом, в зависимости от поставленной задачи осуществить усиление, генерирование или преобразование электрических сигналов.

На этом явлении основано действие туннельных диодов, пригодных для усиления и генерирования СВЧ колебаний и для построения быстродействующих импульсных устройств.

Нелинейные электронные устройства Прянишников с.246 – 248.

Генераторы с внутренней обратной связью (с отрицательным сопротивлением). В рассмотренных типах генераторов цепи обратной связи отделены от усилительного элемента. Однако существует большая группа генераторов, в которых внешних цепей обратной связи нет совсем. В таких генераторах используются участки вольтамперных характеристик различных элементов, имеющие отрицательное сопротивление. Участки с отрицательным сопротивлением (или проводимостью) имеются у некоторых типов электронных ламп, например, тетродов, туннельных диодов, динисторов и тиристоров. Если отрицательное сопротивление такого элемента больше положительного сопротивления колебательного контура, то, включив такой элемент в состав контура, можно скомпенсировать потери и тем самым создать в контуре незатухающие колебания.

На рис. 1, а показан генератор на туннельном диоде VD. В состав генератора входят, кроме туннельного диода, источник питания Е и катушка индуктивности L с сопротивлением R. Вольтамперная характеристика туннельного диода (рис. 1, б) на участке А-В имеет отрицательное дифференциальное сопротивление r_диф= (20... 100Ом). При включении питания рабочая точка вначале перемещается по ветви О-А. Достигнув точки А, из-за наличия в цепи индуктивности рабочая точка перемещается скачком в точку Б. Если напряжение источника меньше значения u₂, то рабочая точка перемещается из точки Б в точку В, откуда скачком возвращается в точку Г. Далее процесс повторяется. Очевидно, что напряжение питания должно выбираться из условия u₁<Е<u₂, а сопротивление R < │r_диф│. Так как скачки из точки А в точку Б и из точки В в точку Г происходят достаточно быстро, то на выходном напряжении они представлены в виде прямых линий. На участках А-Г и Б-В скорость перемещения зависит от постоянной времени RL-цепи и характеристик диода. Форма выходного напряжения приведена на рис. 1 б. Аналогичным образом работает генератор на динисторе (или тиристоре). Схема генератора на динисторе приведена на рис. 23.11 а. Она содержит, кроме динистора, источник питания Е, сопротивление R и емкость С. Вольтамперная характеристика динистора имеет участок отрицательного сопротивления (прово­димости) А-Б. При включении питания током I Е/К заряжается конденсатор С. Когда напряжение на конденсаторе С достигнет значения u_вкл, произойдет включе­ние динистора VD и конденсатор разрядится до напряжения Uоткл. Если выполняет­ся условие, что ток i₂<Е/R, то рабочая точка динистора переместится в точку В и дальше процесс повторится. На участке разряда конденсатора выходное напряже­ние имеет вид прямых линий и ввиду малого сопротивления включенного динис­тора скорость разряда достаточно высокая. Заряд конденсатора происходит по экспоненте и скорость его зависит от напряжения питания Е, сопротивления R и емкости С. Форма выходного напряжения генератора приведена на рис. 1, б.

В заключение отметим, что генераторы такого типа с негармоническим напряжением сложной формы называются релаксационными. Форму выходного напряжения релаксационного генератора можно сделать гармонической, если в схему включить колебательный контур, который обеспечит фильтрацию высших гармоник выходного напряжения.

Рис.1. Генератор релаксационных колебаний

Рис.2. Форма выходного напряжения

на туннельном диоде и форма выходного напряжения

генератора на динисторе

Расчет генератора на туннельном диоде. Для расчета генератора на туннель­ном диоде можно воспользоваться приводимыми ниже формулами:

- длительность переключения из точки А в точку Б (и из В в Г):

;

- длительность вершины импульса от точки Б до точки В:

- длительность паузы от точки 0 до точки А:

- частота колебаний , где .

Пример расчета.

Туннельный диод ГИ304А с параметрами: i₁ = 5 mA, i₂ =1 mA, u₁ = 0,075 B, u₂ = 0,45 B, C_Д = 20 пФ, I_max =10 mA, R = 10 Oм, L =4 мкГн.

Расчет.

1. Длительность переключения t₀ = 2,20∙10^-12∙ нс.

2. Длительность вершины импульса t_И = мкс.

3. Длительность паузы t_П = мкс.

4. Период колебания Т = 0,16 + 0,4 + 0,1 = 0,57 мкс.

5. Частота колебаний f = T^-1 = 1,75 МГц.

6. Амплитуда импульса u_И ≈ u_З = 0,4 В.

До подачи переменного входного сигнала под действием внешнего напряжения Е в цепи диода течет постоянный ток /₀, а к диоду при­кладывается напряжение U_t— Е — При подаче переменного сигнала в зависимости от его полярности ток в цепи диода будет либр уменьшаться на величину i, либо увеличиваться на ту же величину. При токе /₀— i на диоде будет напряжение t/₂(рис. 6.19, б), а ири токе /₀+ i — напряжение U₃. Затем по мере уменьшения тока напряжение на диоде упадет до величины U_А и потом скачком изменится до Uf В результате при отрицательном напряжении сигнала напряжение на диоде (и на выходе) будет равно 0_г, а лри положительном значении равно; U₃, причем £/₃<С U Эта резкая разница между величинами напряжений на выходе и позволяет рассматривать туннельный диод как прибор с двумя устойчивыми состояниями, т. е. электронный ключ. Переход из одного устой­чивого состояния в другое совершается, очень быстро — за время Ю^-8...Ю^-8 с, в связи с чем туннельные диоды принципиально при­годны для работы в электронных вычислительных машинах (в схе­мах триггеров, запоминающих ячеек, логических элементов и т. д.).

Фотодиоды

Фотодиод представляет собой фотогальванический приемник из­лучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент ко­торого содержит структуру полупроводникового диода, Фотодиод сочетает в себе достоинства полупроводниковых приборов (малые масса и размеры, большой срок службы* низкие питающие напря­жения, экономичность) с более высокой чувствительностью в© сравнению с электровакуумными фотоэлементами и фоторезисто­рами.

Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плос­костного полупроводникового диода. На рис. 6.20 приведена кон­струкция типичного фотодиода-. Фотодиод выполнен так, что это р-п переход одной стороной обращен н стеклянному окну, через ко*

торое поступает свет, и защищен от воздействия света с других сторон.

Схема включения фотодиода приведена на рис. 6.21. Напряже­ние источника питания приложено к фотодиоду в обратном налрав- леши. Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит обратный (тем- новой) ток небольшой величины (10—20 мкА для германиевых и 1—2 мкА для кремниевых диодов).

При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неос­новных носителей заряда: электронов из, /^-области,в ^область и дырок в обратном направлении. Это приводит к увеличению тока в цепи. При правильно подобранном сопротивлении нагрузки R_u и напряжении источника питания Е этот ток будет зависеть только от освещенности прибора, а падение напряжения на сопротивлении можно рассматривать как полезный сигнал, воздействующий на другие элементы схемы.

Следует отметить, что фотодиод можно включать в схемы как с внешним источником питания, так и без него. Режим работы фотодиода с внешним источником питания называют фотодиодным, а без внешнего источника — вентильным.

В вентильном режиме в фотодиоде под действием светового по­тока возникает э. д. е., поэтому он не нуждается в постороннем ис­точнике напряжения.

Рассмотрим основные характеристики фотодиодов.

Вольтамперная характеристика /_д = / (£/_д) при Ф = const определяет зависимость тока фотодиода от напряжения на нем при постоянной величине светового потока (рис. 6.22, а). При полном затемнении (Ф = 0) через фотодиод протекает темновой ток /,, равный сумме обратного тока насыщения р-п перехода и тока утеч­ки. С ростом светового потока /_д увеличивается. Характерной осо­бенностью рабочей области вольтамперных характеристик является практически ложная независимость тока фотодиода от. прило­женного напряжения. Такой режим наступает при обратных на­пряжениях на диоде порядка 1 В. Поскольку темновой ток мал, то отношение тока при освещении к темновому току велико, что весьмэ важно при индикации освещения. Если обратное напряже­ние превысит некоторое допустимое значение, то в р-п переходе возникает эффект лавинообразного размножения носителей заряда, который может привести к выходу фотодиода из строя.

Световая характеристика изображает зависимость тока фото­диода, от величины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде: /_д= / (Ф) при £/_д= const. В широком диапазоне изменений светового потока световая характеристика фотодиода оказывается линейной (рис. 6.22, б).

Спектральная характеристика показывает зависимость спект­ральной чувствительности от длины волны падающего на фотодиод света. Спектральные характеристики германиевых и кремниевых фотодиодов показаны на рис. 6.22, в. Параметры фотодиодов.

Интегральная чувствительность 5_ИНТ— отношение фототока диода к интенсивности падающего немонохроматического излучения заданного спектрального состава: 5_ИНТ = Iне­рабочее. напряжение U_p— постоянное напряжение, приложен­ное к фотодиоду, при котором обеспечиваются номинальные пара­метры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях,, -

Темновой ток /_т — ток, протекающий через фотодиод при ука­занном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапа­зоне спектральной чувствительности.

Долговечность — минимальный срок службы фотодиода при нормальных условиях эксплуатации.

Фотодиоды, как и приемники лучистой энергии других типов, широко применяются. Они могут использоваться в фотометрии, фого колор и метр ни, для контроля источников света, измерения ин­тенсивности освещения, прозрачности среды, регистрации и счета ядерных частиц, автоматического регулирования и контроля тем­пературы и других параметров, изменение которых сопровождается

изменением оптических свойств вещества или среды. Широкое при­менение фотодиоды находят также в устройствах ввода и вывода современных ЭВМ, в оптоэлектронных схемах.

Светодиоды

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

^: Как было показано выше (параграф 3.3), при подаче в р-п переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция неоснов­ных носителей заряда: электронов в р-область и дырок в л-область. Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с оснорны* ми носителями данной области полупроводника и их концентрация быстро падает по мере удаления от р-п перехода в глубь полупро­водника. При встрече электрона и дырки их заряды компенсиру­ются и данные носители заряда исчезают. Поэтому при рекомби­нации выделяется энергия. У многих полупроводников рекомбина­ция носит безызлучательный характер — энергия, выделяющаяся при рекомбинации, отдается кристаллической решетке, т. е.превра­щается в конечном итоге в тепло. Однако у полупроводников, вы­полненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga), мышья­ка (As) и некоторых других материалов, рекомбинация является излучательной — энергия рекомбинации выделяется в виде квантов излучения — фотонов.

Поэтому у таких полупроводников прохождение через р-п переход тока в прямом направлении сопровождается некогерентным оптическим излучением определенного спектрального состава. Это явление используется для создания светодиодов, которые инбгда называют также люминесцентными диодами.

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 светодиоды, излу­чающие желтый, красный и зеленый свет. Созданы также образцы светодиодов с перестраиваемым цветом свечения.

Конструкция типичного светодиода, используемого в качестве источника излучения, показана на рис. 6.23. Кристалл полупровод­ника с соответствующими выводами помещают в коваровый или

керамический баллон, верхняя часть которого заканчивается стеклянной (или из эпоксид­ной смолы) линзой. С помощью линзы из­лучение приобретает заданную направлен­ность.

" Свойства и эффективность работы светодиодов характеризуются совокупностью электрических, световых и эксплуатационных пара­метров. Важнейшие из них: • Яркость свечения диода В (кд/м²) при максимально допустимом

Прямом токе /пр. max, мА.

Постоянное прямое напряжение U_np при максимально допусти­мом токе, В.

Полная мощность излучения Р_полн, мВт.

Максимально допустимое обратное напряжение U₀б_Р. шах. В. Ширина диаграммы направленности светового излучения. Величина U,_!p для большинства светодиодов не превышает не­скольких вольт; /_пр.max имеет величину порядка единиц — десятков миллиампер; яркость свечения В —десятки кандел на квадратный метр; Рполн —доли милливатта; масса прибора не превышает не­скольких долей грамма; температурный диапазон — 60°С...+70°С.

Важнейшие характеристики светодиодов—спектральная и ха­рактеристика направленности. Первая из них представляет собой

Р

зависимость относительной мощности излучения „ от длины

лолн

излучаемой волны при определенной температуре среды. Вторая определяет величину интенсивности светового излучения в зависи­мости от направления излучения.

На рис. 6.24 показаны габаритные размеры, спектральная ха­рактеристика и характеристика направленности светового излуче­ния светодиодов типа АЛ301 (А, Б).

Ш

Дата добавления: 2015-11-05