Диффузионная ёмкость диода с тoлстой базой

 

Выведем выражение для диффузионной ёмкости для диода p⁺-n-структурой и толстой базой. Как и в диоде с тонкой базой, будем учитывать только инжекцию дырок в n-базу. Распределение концентрации дырок в диоде с толстой базой представлено на рис…

Инжектированный заряд пропорционален заштрихованной области под кривой распределения концентрации дырок

.

Зависимость концентрации инжектированных дырок от координаты, как было установлено ранее, имеет следующий вид

 

 

.

Тогда заряд инжектировнных дырок

 

.

В диоде с толстой базой W_n>>L_p, поэтому экспонентой во второй скобке можно пренебречь в виду её малости. Тогда

.

Определим диффузионную ёмкость

.

Умножим и разделим правую часть на L_p. Поскольку L_p² = D_pt_p, тогда

или

.

 

Как и в диоде с тонкой базой, диффузионная ёмкость экспоненциально зависит от приложенного прямого напряжения к p-n-переходу и пропорциональна току.

 

Сравнение диффузионной и барьерной емкостей

 

Сравним диффузную ёмкость с барьерной ёмкостью. На рис.. приведены зависимости барьерной и диффузионных емкостей диода от напряжения для кремниевого диода. При напряжении большем 0,5 В диффузионная ёмкость намного больше барьерной.

Необходимо отметить, что диффузионная ёмкость, в отличие от барьерной ёмкости, зависит от частоты. На высоких частотах диффузионная ёмкость уменьшается, т. к. уменьшается инжектированный заряд. Он инжектируется в область базы, прилегающую к ОПЗ. Существенная часть инжектированных носителей не успевает распространиться в глубину базы к моменту смены знака напряжения на диоде. На достаточно высоких частотах весь, вводимый в положительный полупериод заряд, выводится в отрицательный полупериод в ОПЗ. (Если заряд маленький, то его приращение также будет маленьким).

 

Эквивалентные схемы диода

 

Существуют эквивалентные схемы диода для большого и малого сигналов.

Эквивалентная схема диода для режима малого сигнала (рис…) содержит параллельно соединённые дифференциальное сопротивление диода, барьерную и диффузионную ёмкости. Она используется, когда представляют интерес не величины напряжения и тока, а их приращения относительно постоянных значений. На вольт-амперной характеристике эти постоянные значения называют значениями в рабочей точке. Дифференциальное сопротивление диода равно производной от тока по напряжению в рабочей точке вольт-амперной характеристики

R_диф = dU/dI.

 

Выразим величину дифференциального сопротивления через ток диода в рабочей точке. Для этого найдём обратную величину дифференциального сопротивления

.

Подставим в него выражение для тока, например, в случае диода с тонкой базой

 

,

тогда

.

При 300К величина равна 0,026 В. R_диф - зависит от режима по постоянному току. Например, при токе 1 мка R_диф = 26 кОм, при токе 1мА R_диф = 26 Ом.

На рис.. представлены графики, иллюстрирующие работу диода, нагруженного на резистор, при действии малого сигнала в форме синусоиды и постоянного напряжения, задающего режим по постоянному току (рабочую точку). Малосигнальные схемы применяются тогда, когда нелинейную вольт-амперную характеристику на участке в окрестности рабочей точки можно заменить прямой линией с приемлемой средней погрешностью.

 

2. Эквивалентная схема диода для режима большого сигнала

 

При уровне переменного напряжения на диоде, когда нелинейностью вольт-амперной характеристики пренебрегать невозможно, используют эквивалентную схему диода в режиме большого сигнала. На рис.. изображена эквивалентная схема диода с толстой базой в режиме большого сигнала. Значения C_б и C_диф можно взять средними или вычислять для каждого малосигнального приращения значения тока или напряжения. R_б – сопротивление базы, VD – нелинейная статическая модель p-n-перехода. Для диода с тонкой базой сопротивление базы учитывается моделью диода и поэтому на схеме отсутствует. На рис.. представлена работа диода при действии большого сигнала.

Эквивалентные схемы полупроводниковых приборов широко применяют при расчёте электрических принципиальных схем и их компьютерном моделировании.

 

Переходные процессы в диоде

 

Переходной процесс в диоде это процесс установления тока при скачке напряжения или напряжения при скачке тока. Другими словами это реакция диода на ступеньку тока или напряжения. Для упрощения анализа переходного процесса будем рассматривать диод с p⁺-n-структурой и тонкой базой.

Рассмотрим переходной процесс при подключении к диоду генератора напряжения. Пусть генератор напряжения подключен к диоду и вырабатывает вначале положительный скачок напряжения, а затем отрицательный (рис..). При подаче положительного напряжения концентрация примеси на границе базы с координатой 0 увеличится скачком от p_n0 до величины, определяемой приложенным напряжением

.

 

В первый момент времени концентрация инжектированных носителей возрастёт вблизи координаты 0 (рис..), так как для продвижения носителей в глубь базы требуется время. Поэтому градиент концентрации, а следовательно и ток, в первый момент времени будут большими (рис..., кривая 1). По мере диффузии носителей в глубь базы градиент концентрации будет уменьшаться (кривые 2, 3, 4). Это приведёт к уменьшению тока в моменты времени 2, 3, 4. Когда носители достигнут вывода базы уменьшение градиента концентрации, а, следовательно, и тока прекратится.

При подаче обратного напряжения на диод концентрация носителей в координате 0 станет в соответствии с выражением … меньше p_n0. Поскольку для ухода носителей в ОПЗ из базы требуется время, то в первый момент времени 1^¢ возникнет большой градиент концентрации вблизи ОПЗ (рис..). Знак градиента изменится на противоположный. Это приведёт к изменению направления тока. В ОПЗ из базы будут уходить только неосновные носители (дырки), так как для основных (электронов) поле ОПЗ будет тормозящим. Оставшийся без дырки электрон (база до ухода дырки в ОПЗ была электронейтральной) своим полем вытолкнет ближайший к выводу электрон в металлический электрод базы. Этот электрон создаст дрейфовый ток. В части базы знак градиента концентрации неосновных носителей не изменится (рис…) при смене полярности напряжения. В этой области к электроду базы диода будут диффундировать и дырки и электроны, причём с одинаковой скоростью (амбиполярная диффузия). На электроде базы будет происходить их рекомбинация. Одновременная диффузия дырок и электронов к электроду не будет создавать тока. По мере ухода дырок в ОПЗ, рекомбинации в базе и на выводе базы, градиент концентрации будет уменьшаться. Это приведёт к уменьшению тока (кривые 2^¢, 3^¢, 4^¢) до значения характерного для обратного напряжения (I_s + I_ген). Этот процесс подобен зарядке и разрядке конденсатора через резистор. Инерционность переходного процесса обусловлена накоплением инжектированного заряда в базе и его рассасыванием. Следует подчеркнуть, что при малом уровне инжекции можно считать, что в базе электрического поля нет. Электрическое поле дырок компенсируется полем электронов. Поэтому процессы накопления и рассасывания зарядов происходят за времена, определяемые диффузией носителей в базе.

Рассмотрим переходной процесс в диоде при включении диода в схему с импульсным источником тока (рис…). Генератор тока обычно представляет собой последовательно включенные генератор напряжения E и резистор R_i. Сопротивление резистора должно быть таким, чтобы падение напряжения на нём при протекании прямого тока было много больше, чем на диоде. На кремниевом диоде падает примерно 0,7 В. Поэтому напряжение положительной полярности источника напряжения E₁ должно быть порядка 7 В. При токе 10 мА сопротивление резистора должно быть равно 700 Ом. Будем рассматривать процессы только в n-базе с учётом её сопротивления R_б. На рис… приведено распределение концентрации носителей в n-базе в различные моменты времени. Особенностью распределений в различные моменты времени после подачи прямого напряжения является то, что производная концентрации дырок в координате 0, одинакова для всех моментов времени и определяется током (ток здесь чисто диффузионный и пропорционален градиенту концентрации дырок при х = 0). Ток поддерживается источником тока и равен

 

.

 

В моменты времени t₁, t₂, t₃ носители не успевают за счёт диффузии дойти до вывода базы, поэтому наряду с диффузионным, в базе протекает дрейфовый ток электронов. При достижении вывода базы дырками переходной процесс накопления электронов в базе заканчивается и в токе остаётся только диффузионная компонента.

Рассмотрим вначале случай малого уровня инжекции, т.е. не будем учитывать модуляцию сопротивления базы. Концентрация дырок в координате 0 определяет напряжение на p-n-переходе. Как видно из рис…, напряжение на p-n-переходе растёт по мере накопления дырок в базе. Поэтому на диаграмме рис…, напряжение на p-n-переходе U_p-n имеет конечную длительность фронта нарастания. Дополнительное затягивание фронта связано с зарядом барьерной ёмкости. Поскольку ток увеличивается скачком, то и напряжение на сопротивлении базы U_Rб также увеличивается скачком (рис..). Поэтому результирующее напряжение на диоде U_Д, как сумма напряжения на p-n-переходе и сопротивлении базы, имеет пъедестал. На выводе базы дырки рекомбинируют. Устанав ливается равенство между количеством дырок, входящих в базу и уходящих из неё в единицу времени. Это означает, что накопление инжектированного заряда в базе прекращается. Устанавливается стационарное распределение концентрации дырок в базе. Поэтому напряжение на p-n-переходе, а, следовательно, на диоде, перестаёт изменяться.

При подаче обратного напряжения E₂ накопленные дырки начнут уходить из базы в ОПЗ. Уход дырки из базы в ОПЗ вызывает нарушение электронейтральности базы и, как, следствие, уход электрона из базы на вывод. Таким образом замыкается обратный ток. Величина этого тока соизмерима с прямым током и ограничена величиной E₂/R_i. Уход дырок в ОПЗ, вызывает изменение знака градиента концентрации дырок в области базы, прилегающей к ОПЗ и уменьшение концентрации дырок в координате 0 (рис…). Градиент концентрации в координате 0 определяется обратным током, который до момента времени, когда концентрация дырок в координате 0 не достигнет p_n0, будет постоянным (рис…), так как величина тока ограничена сопротивлением R_i. Одновременно с уходом дырок в ОПЗ за счёт градиента концентраций в области базы, примыкающей к выводу, будет происходить уход дырок на вывод базы. Однако он не вызовет протекания тока противоположного направления поскольку одновременно на вывод будут диффундировать электроны (будет происходить амбиполярная диффузия). Таким образом, процесс ухода инжектированных носителей из базы, называемый рассасыванием заряда, будет происходить за счёт диффузии дырок в ОПЗ и на вывод диода. Обратный ток сравним по величине с прямым. Он намного больше теплового и тока генерации. Если Е₂ больше Е₁, то он будет больше прямого. Следует отметить, что до момента достижения концентрации в координате 0 величины p_n0 напряжение на p-n-переходе будет оставаться прямым за счёт падения напряжения на сопротивлении R_i. При подаче напряжения обратной полярности напряжение на сопротивлении базы R_б меняет знак, так как ток течёт в обратную сторону. На диаграмме напряжения на диоде U_Д из-за этого наблюдается скачок. До достижения концентрации в координате 0 значения p_n0 напряжение на p-n-переходе падает со временем примерно по линейному закону. Линейно будет падать и напряжение на диоде. Когда концентрация в координате 0 достигнет значения p_n0, процесс рассасывания заряда закончится. Начнётся процесс восстановления обратного напряжения диода, который обусловлен перезарядкой барьерной ёмкости. При этом обратный ток быстро убывает до установившегося значения (I_s + I_ген), а напряжение на p-n-переходе и диоде достигает значения E₂. Сумма времён рассасывания и восстановления обратного напряжения составляет время восстановления обратного сопротивления.

В схемных применениях для уменьшения инерционности диода необходимо снижать время восстановления обратного сопротивления. Это можно осуществить путём изменения конструкции диода или путём изменения электрического режима.

Длительность этапа рассасывания уменьшается с ростом отношения обратного тока к прямому. Большему прямому току соответствует больший инжектированный заряд. Чем больше обратный ток, тем меньше требуется времени на рассасывание заряда. (зависимости времени рассасывания и спада тока есть в Зи ч. 1 с 119, есть там и формулы). Длительность времени рассасывания можно оценить по следующей эмпирической формуле

 

t_расс. = t_пр ln(1 + I_пр./I_обр.),

 

где t_пр – время пролёта, I_пр – прямой ток, I_обр – обратный ток.

Время рассасывания можно сократить, если уменьшить время пролёта для диода с тонкой базой, путём уменьшения толщины базы. Время жизни в диоде с толстой базой снижают путём легирования базы золотом. Золото создаёт в запрещённой зоне центры рекомбинации (разрешённые уровни примерно в середине запрещённой зоны), что снижает время жизни. Зависимость времени жизни t от концентрации золота N_t определяется соотношением

.

Предельная концентрация электрически активных центров золота в кремнии составляет 10¹⁷ см^-3. Это соответствует минимальному времени жизни 0,5 нс. Негативным последствием легирования золотом является увеличение обратного тока диода и увеличение сопротивления базы. Поэтому N_t обычно не превышает 0,1N_d.

Время восстановления обратного напряжения снижается при уменьшении площади p-n-перехода и сопротивления базы (использование p⁺-n-n⁺ структуры).

 

Частотная характеристика выпрямления

 

Частотная характеристика выпрямления это зависимость отношения выпрямленного тока к_. выпрямленному току на частоте 50 Гц I_в/I_в50гц от частоты f источника напряжения переменного тока синусоидальной формы (рис.). Она характеризует качество выпрямления диодом переменного тока на различных частотах. С ростом частоты качество выпрямления снижается (рис…). Частота, на которой отношение I_в/I_в50гц уменьшается до 0,707, называется предельной.

Длительность переходных процессов в диоде, связанных с накоплением или рассасыванием заряда и восстановления обратного сопротивления, пропорциональна t. Здесь t - время пролёта для диода с тонкой базой или время жизни для диода с толстой базой. На низких частотах t намного меньше периода напряжения. Поэтому к моменту смены знака напряжения в базе практически не остаётся инжектированного в положительный полупериод заряда. Ток через диод течёт практически в одном направлении. Нет обратного тока, связанного с рассасыванием инжектированного заряда (рис..). Отношение I_в/I_в50гц практически равно 1.

На средних частотах t сравнимо с периодом напряжения T. К моменту смены знака напряжения часть инжектированного в базу в положительный полупериод заряда остаётся в базе. Поэтому в отрицательный полупериод происходит рассасывание заряда и течёт обратный ток (рис..). Средний выпрямленный ток это разность заряда, прошедшего в прямом направлении, и заряда, прошедшего в обратном направлении, за период, делённая на период. Поэтому средний выпрямленный ток уменьшается. Соответственно уменьшается отношение I_в/I_в50гц (рис..).

На высоких частотах t значительно больше T. Инжектированный в базу в положительный полупериод заряд заполняет малую часть базы, прилегающую к ОПЗ. Поэтому в отрицательный полупериод он полностью выводится в ОПЗ. Диод теряет выпрямляющие свойства.

Выпрямительные кремниевые диоды на основе p-n-перехода с толстой базой имеют предельные частоты единицы килогерц (0.5 – 20 кГц). Диоды с тонкой базой – до 200 кГц. Выпрямительные диоды на основе перехода металл-полупроводник – до 200 кГц, арсенид-галлиевые диоды - до единиц МГц. Использование выпрямительных диодов на частотах намного больших, чем частота сети 50 Гц, обусловлена широким применением бестрансформаторных источников питания. В них сетевое напряжение частотой 50 Гц преобразуется в напряжение с частотой от десятков до сотен кГц и затем выпрямляется. Такое преобразование позволяет резко уменьшить вес и объём источника питания за счёт уменьшения номиналов реактивных элементов схем.

 

Контакт металла с полупроводником

В зависимости от величины разности работ выхода металла и полупро­водника, концентрации и типа носителей в полупроводнике, знака и плотности поверхностного заряда на границе металл-полупроводник мо­жет быть выпрямляющим или невыпрямляющим. Переход металл-полупровод­ник называют переходом Шотки. Эти переходы используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей приборов (создание невыпрямляющих, так называемых омических контактов) и производства быстродействующих диодов (диодов Шотки).

Рассмотрим, при каких условиях образуется выпрямляющий контакт металл-полупроводник. В полупроводнике n-типа он образуется, когда работа выхода электронов из полупроводника в вакуум меньше, чем из металла в вакуум. Рассмотрим контакт в состоянии равновесия, когда внешнее напряжение на контакте равно нулю. В момент образования контакта электронов с энергией большей E_c в полупроводнике больше, чем электронов с такой энергией в металле. При этом концентрация свободных электронов в металле выше, чем в полупроводнике, на несколько порядков. Поэтому поток электронов из полупроводника в металл будет больше встречного потока электронов из металла в полупроводник. В полупроводнике образуется обеднённый слой, в котором концентрация электронов намного меньше концентрации неподвижных положительных ионов донорной примеси. В металле у металлургической границы на расстоянии порядка межатомного образуется избыток электронов. В контакте возникнет электрическое поле, расположенное в основном в обеднённом слое полупроводника. Полупроводник заряжается положительно, а металл отрицательно. В результате потенциальная энергия электронов в зоне проводимости полупроводника уменьшается, а в металле увеличивается. Возникнет потенциальный барьер для электронов полупроводника, который будет уменьшать поток электронов из полупроводника (рис….). Потенциальный барьер для электронов металла имеет высоту от дна зоны проводимости металла до дна зоны проводимости полупроводника на металлургической границе. Наличие разных по величине потенциальных барьеров для потоков электронов из металла и полупроводника объясняется различной структурой энергетических зон металла и полупроводника. Когда поток электронов из полупроводника станет равным потоку электронов из металла в полупроводник, потенциальный барьер для электронов полупроводника перестанет увеличиваться. Равновесная высота потенциального барьера для электронов полупроводника равна разности работ выхода металла ej_м и полупроводника ej_п

 

ej_мп = ej_м - ej_п.

 

В равновесии уровень Ферми в металле и полупроводнике займет одинаковое положение.

Наряду с разностью работ выхода на величину потенциального барьера для электронов полупроводника n-типа влияет отрицательный поверхностный заряд полупроводника. Его величина зависит от технологических факторов. При качественной технологии его величина составляет 10¹⁰ – 10¹¹ см ^–2 для кремния и до 10¹³ см ^–2 для арсенида галлия. Наличие отрицательного заряда на поверхности полупроводника означает существование потенциального барьера для электронов у поверхности ещё до образования контакта. При очень высокой плотности поверхностного заряда высота барьера для электронов полупроводника практически не зависит от рода металла.

В контакте металла и с полупроводником p-типа обеднённый слой в контакте получается, когда работа выхода из металла меньше работы выхода из полупроводника. При этом электроны из металла переходят в валентную зону полупроводника (можно говорить, что дырки из полупроводника переходят в металл). Это уменьшает концентрацию дырок у поверхности полупроводника. В результате образуется обеднённый слой в полупроводнике, где концентрация отрицательных ионов акцепторов много больше концентрации дырок. В металле в поверхностном слое у контакта, порядка мажатомного расстояния образуется положительный заряд, связанный с недостатком электронов. Однако расчёты показывают [Епифанов, с 206], что из-за незначительного (от долей до единиц процентов) изменения концентрации электронов в этом слое и его малой толщины по сравнению с длиной свободного пробега электронов изменение электропроводности этого слоя не происходит. За счёт появления электрического поля между металлом и полупроводником происходит изгиб энергетических зон полупроводника. В металле изгиба практически нет из-за высокой концентрации электронов. Для дырок полупроводника образуется потенциальный барьер (рис…..). Для электронов (неосновные носители в полупроводнике p-типа) поле в обеднённом слое ускоряющее. Чем больше обеднённый слой, тем больше в нём генерируется электронов, которые перемещаются в металл. В равновесии потоки электронов из металла (то же самое, что поток дырок из полупроводника в металл) и электронов из полупроводника выравниваются. Для дырок устанавливается высота потенциального барьера, равная разности работ выхода электронов из металла и полупроводника (контактной разности потенциалов умноженной на заряд электрона).

Отрицательный поверхностный заряд, притягивая дырки, увеличивает их концентрацию в приповерхностном слое, что уменьшает высоту потенциаль­ного барьера для дырок полупроводника. Таким образом, в полупроводнике p-типа на высоту потенциального барьера для дырок, кроме разности работ выхода металла и полупроводника влияет плотность поверхностного заряда.

Рассмотрим на примере контакта металла и полупроводника n-типа прохождение тока через контакт при приложении к нему внешнего напряжения. Будем рассматривать случай, когда концентрация донорной примеси в полупроводнике меньше 10¹⁷ см^-3. При этом ширина потенциального барьера для электронов полупроводника оказывается намного больше длины волны де Бройля. Поэтому туннелированием сквозь барьер можно пренебречь.

Приложим к контакту напряжение минусом к полупроводнику и плюсом к металлу. ******

Поэтому поток электронов из металла в полупроводник постоянен. Рассмотрим контакт металла и полупроводника n-типа в отсутствии поверхностного заряда на границе раздела. Если работа выхода полупроводника ej_п больше работы выхода металла ej_м , то при образовании контакта поток электронов из металла n_nм будет больше встречного потока электронов из полупроводника n_nп в металл. Полупроводник будет заряжаться отрицательно, а металл положительно. Образуется потенциальный барьер, который установит равенство встречных потоков электронов. Потенциальная энергия электронов в полупроводнике увеличится, а в металле уменьшится. Высота барьера определяется разностью работ выхода электрона металла и полупроводника

 

.

 

Концентрация электронов в полупроводнике вблизи контакта увеличится. Образуется обогащённый электронами слой полупроводника. Ввиду значительно (несколько порядков) большей концентрации электронов в металле перераспределение электронов в нём происходит в слое, сравнимом с межатомным расстоянием. При этом не образуется выпрямляющий контакт, так как по обеим сторонам металлургической границы не образуется обеднённых слоёв. При приложении напряжения к контакту плюсом к металлу потенциальный барьер увеличится и электроны преимущественно будут переходить из полупроводника в металл. При изменении знака напряжения потенциальный барьер уменьшится и электроны преимущественно будут переходить из металла в полупроводник. Таким образом, при любом знаке напряжения переход остаётся невыпрямляющим.

Если работа выхода электронов из полупроводника меньше, чем из металла, то при образовании контакта поток электронов из полупроводника n_nп будет больше встречного потока электронов из металла. Уход электронов приведёт к образованию обеднённого электронами слоя в полупроводнике. Двойной слой образуется избытком электронов в металле на расстоянии порядка межатомного размера от металлургической границы и зарядом положительных неподвижных ионов в полупроводнике. Размер области пространственного заряда в полупроводнке зависит от концентрации донорной примеси.

В области контакта концентрация электронов увеличивается их становится меньше в n - области, поэтому все приложенное напряжение будет падать в n - области, т.к. сопротивление в n - области будет больше.

2.ej_n/n < ej_me Если N_d > 10¹⁷ см^-3 в n/n особенность потенциального барьера в том, что потенциальный барьер для электронов оказывается соизмерим с длиной волны Де Бройля и является прозрачным для электрона. В результате всё внешнее приложенное напряжение падает на n - базе и контакт является невыпрямляющимся (т.е. омическим). Это самое широкое применение контактов.

 

Гетеропереходы

 

Гетеропереход - контакт полупроводников с различной химической структурой (с различной шириной запрещенной зоны). Этот контакт более сложен в технологическом отношении. Для его получения необходимо, чтобы построение кристаллических решёток отличалось не более, чем на несколько процентов. Например: Si - Ge; GaAs - Al_xGa_1-xAs, x - доля атомов Ga, замещенная Al; GaAs - Al_xGa_1-xAs_1-yP_y;

Энергетическая диаграмма: В ряде учебников материал с большим E_g обозначается заглавной буквой, а с меньшей E_g прописной. n - N} p - P} - изотипные переходы; p - N} n - P} - анизотипные переходы; Пример: p - N (71) Потенциальный барьер в зоне для дырок на E_v больше, чем контактная разность потенциалов, а потенциальный барьер в зоне проводимости на Ec меньше, чем контактная разность потенциалов. Потенциальные барьеры в E_c и E_v имеют разную высоту, из-за этого обеспечивается практически односторонняя инжекция. Инжекция в таких контактах всегда идёт из широкозонного полупроводника.

 

Предельные режимы работы полупроводниковых диодов

********************************************************

Функциональные возможности полупроводниковых диодов

 

1. Выпрямление переменного тока основано на том, что диод имеет низкое статическое сопротивление в прямом направлении и высокое в обратном. Типичная схема однополупериодного выпрямителя:

 

Если t= RC >> T(период), то ток постоянный.

Двухполупериодный выпрямитель:

 

		(73)

 

В отличие от схемы однополупериодного выпрямителя падение напряжения происходит на 2 диодах.

2. Детектирование - выпрямление радиочастот (десятки и сотни МГц).

 

Квадратичное детектирование:

 

 

 

 

3.Стабилизация и ограничение напряжения. (75)

Стабилитрон:

Схемы ограничения.

 

 

 

 

4.Функция ключа. (77)

 

 

 

При подаче положительного импульса диод запирается, его сопротивление больше, чем R в схеме и в результате на выходе отсутствует сигнал. Если приходит отрицательный импульс, то используются свойства диода (малое сопротивление).

5.Функция конденсатора с электрически управляемой ёмкостью.

 

Используется зависимость барьерной ёмкости от величины обратного напряжения. Схема для изменения рабочей частоты колебательного контура приведена ранее (с….).

6. Функция фотоприёмника или генератора фотоэдс

 

 

 

 

диод в режиме фотоприемника в 3-ей области - фото-

включается в обратном направлении; диодный режим;

 

 

 

 

R_ос - сопротивление обратной связи; R_вх. = R_ос/K; К - коэффициент усиления; K = (50000).

Быстродействие фотодиода определяется временем диффузии носителей к p-n-переходу, временем пролёта ОПЗ и временем перезарядки барьерной ёмкости через сопротивление внешней цепи. Для повышения быстродействия фотодиода уменьшают размеры кристалла до величин квадрата со стороной в 1мкм, как например в фотодиоде ФД21КП. Если на фотодиод подать обратное напряжение, то уменьшается барьерная ёмкость. Таким образом можно повысить быстродействие фотодиода при измерении переменного фотосигнала за счёт уменьшения времени перезарядки барьерной ёмкости.

Чтобы повысить чувствительность фотодиода можно увеличивать его площадь. Однако при этом увеличивается его барьерная ёмкость, что снижает быстродействие. Другим способом повышения чувствительности без снижения быстродействия является использование фотодиода, работающего в режиме лавинного пробоя. Лавинный пробой инициируется освещением фотодиода.

В кремниевом фотодиоде максимум зависимости фототока от длины волны излучения (максимум спектральной характеристики) находится в диапазоне l = 0,8 – 0,9 мкм. Со стороны длинных волн чувствительность фотодиода ограничена шириной запрещенной зоны. Если hn < E_g, он не будет регистрироваться. Со стороны коротких волн спектр ограничен прозрачностью входного окна и глубиной проникновения света в кристалл.

В германиевом фотодиоде максимум зависимости фототока от длины волны излучения (максимум спектральной характеристики) находится в диапазоне l = 1,6 – 1,9 мкм.

Примеры маркировки фотодиодов: ФД7Г: ФД - фотодиод; Г - германий; ФД21КП: К - кремний;

 

7. Функция генерации света

Генерация света осуществляется за счёт излучательной рекомбинации при инжекции носителей через p-n-переход. Светодиоды генерируют спонтанное (некогерентное) излучение. Полупроводниковые лазеры генерируют когерентное излучение. Схема включения лазера или светодиода приведена на рис.. Сопротивление R выбирается таким, чтобы ток через диод не превышал своего среднего или импульсного значения.

В светодиодах существует проблема вывода излучения из кристалла из-за явления полного внутреннего отражения. Оно возникает за счёт того, что коэффициент преломления кристалла выше коэффициента преломления воздуха. Излучение, падающее на поверхность раздела из кристалла под углом большим угла Брюстера, полностью отражается в кристалл, где поглощается тем больше, чем больший путь проходит до выхода из кристалла под углом меньшим угла Брюстера. Светодиоды излучают в инфракрасной области (0.8 – 1мкм), а также излучение красного, зелёного и синего цвета (GaAs; GaP; SiC). Излучают диоды и в ближней ультрафиолетовой области спектра (длина волны в диапазоне 405 - 350 нм). В интернете появилось сообщение о генерации УФ излучения на длине волны 250 нм. В этом диапазоне до настоящего времени излучали только газоразрядные лампы. Типичные значения токов светодиодов 10 – 20 мА. Падение напряжения находится в пределах от 1,5 В для инфракрасных светодидов до 3,5 В для ультрафиолетовых. Чем короче длина волны, тем больше падение напряжения на светодиоде.

В основе работы полупроводниковых лазеров лежит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Его смысл заключается в том, что переход электрона с уровня в зоне проводимости на свободный уровень в валентной зоне (рекомбинация с дыркой) происходит под действием кванта излучения. Вероятность такого перехода тем выше, чем больше интенсивность излучения. При лазерной генерации вероятность индуцированных переходов намного выше спонтанных. При вынужденном излучении генерируются кванты света неотличимые от квантов, вызвавших переход электрона в валентную зону. Они имеют ту же поляризацию, частоту, фазу, направление распространения. Другими словами генерируется когерентное излучение.

Для обеспечения работы полупроводникового лазера необходим резонатор, обеспечивающий положительную обратную связь по оптическому каналу и повышение интенсивности излучения в кристалле до уровня, когда доля индуцированных переходов становится намного большей, чем спонтанных. Резонатор образуется путём скалывания кристалла по плоскостям спайности и нанесения на одну грань отражающего покрытия. Полупроводниковые лазеры изготавливаются на основе гетеропереходов. Мощность излучения в непрерывном режиме лазеров инфракрасного диапазона составляет единицы Вт. Лазерные матрицы обеспечивают мощность излучения в сотни Вт. Лазеры видимого диапазона генерируют излучение мощностью в десятки мВт.