Основні схеми вмикання і статичні характеристики біполярного транзистора

Кремнієві стабілітрони

Явище електричного пробою, небезпечне для звичайних діодів, знаходить корисне застосування в кремнієвих площинних діодах, що дістали назву кремнієвих стабілітронів, або опорних діодів.

При виготовленні стабілітронів найширше використовуються сплавною і дифузійно-сплавниі методи отримання р-n переходів. Початковим матеріалом при виготовленні стабілітрона служить пластинка кремнію

n -типа. У неї вплавляється алюміній, що є акцепторною домішкою для кремнію. Кристал з р-n переходом поміщається зазвичай в герметизований металевий корпус (мал. 6.4).

 

 

Нормальним режимом роботи стабілітронів є робота при зворотній напрузі, що відповідає оборотному електричному пробою р-п переходу.

Слід зазначити, що ефект Зенера і лавинний механізм електричного пробою р-n переходу спостерігаються як у кремнієвих, так і у германієвих діодів. Проте виділення тепла, супроводжуюче ці процеси, приводить для германію до додаткової теплової генерації носіїв заряду, що спотворює картину лавинного пробою. Тому в якості матеріалу для напівпровідникових стабілітронів використовується кремній, що має вищу температурну стабільність.

Найважливішою характеристикою стабілітрона є його вольт-амперна характеристика (мал. 6.5). У прямому напрямі вольт-амперна характеристика стабілітрона практично не відрізняється від прямої гілки будь-якого кремнієвого діода. Зворотна гілка її має вид прямої вертикальної лінії, що проходить майже паралельно осі струмів. Тому при зміні в широких межах струму падіння напруги на приладі практично не змінюється. Ця властивість кремнієвих діодів і дозволяє використовувати їх як стабілізатори напряжения1.

Оскільки електричний пробій настає при порівняно низькій зворотній напрузі, потужність, що виділяється в р-п переході навіть при значних зворотних струмах, буде невелика, що оберігає р-n перехід від теплового (безповоротного) пробою. Перевищення гранично допустимого зворотного струму стабілітрона приводить, як і в звичайних діодах, до виходу приладу з ладу.

Основними параметрами кремнієвих стабілітронів є:

Напруга стабілізації - падіння напруги на стабілітроні в області стабілізації при номінальному значенні струму.

Мінімальний струм стабілізації Іст. min - таке значення струму через стабілітрон, при якому виникає стійкий пробій.

Максимальний струм стабілізації Іст.mах - найбільше значення струму через стабілітрон, при якому потужність, що розсіюється на стабілітроні, не перевищує допустимого значення.

Диференціальний опір rст - відношення приросту напруги на стабілітроні до приросту струму в режимі стабілізації

Іст

Величина rст характеризує міру стабільності напруги стабілізації при зміні струму пробою.

 

 

Максимальна потужність розсіювання - найбільша потужність, що виділяється в р-п переході, при якій не виникає тепловий пробій переходу.

Температурний коефіцієнт напруги стабілізації - відношення відносної зміни напруги стабілізації до абсолютної зміни температури довкілля (виражається в %/град).

Найбільш проста, але досить поширена схема стабілізатора постійної напруги на кремнієвому стабілітроні приведена на мал. 6.6. Схема є дільником напруги, що складається з резистора і стабілітрона VD. При зміні живлячої напруги напруга на стабілітроні і на навантаженні змінюється трохи, в чому і виражається стабілізуюча дія схеми.

Одна з можливих схем стабілізатора змінної напруги на кремнієвих стабілітронах приведена на мал. 6.7, а. Напруга мережі через трансформатор Т поступає в схему, що складається з резистора і зустрічно включених стабілітронів VD1 і VD2. Змінна напруга обмежується на рівні напруги стабілізації стабілітронів VD1 і VD2. В результаті цього на виході виходить напруга трапецеїдальної форми (мал. 6.7, б). При зміні величини вхідної напруги амплітуда вихідної напруги залишається постійною, а діюче значення міняється трохи (за рахунок деякої зміни площі трапецій).

 

 

6.3. Високочастотні діоди

 

Високочастотні діоди - прилади універсального призначення. Вони можуть бути використані для випрямлення, детектування і інших нелінійних перетворень електричних сигналів в діапазоні частот до 600 Мгц. Високочастотні діоди виготовляються, як правило, з германію або кремнію і мають точкову

Мал. 6.8. Конструкція точкового діода:

1 - виводи; 2 - скляний балон; 3 - кристал германію; 4 - електрод з вольфрамового дроту

структуру. Конструкція точкового германієвого діода показана на мал. 6.8. Діод складається з кристала германію, припаяного до кристалотримача, контактного електроду у вигляді тонкого вольфрамового зволікання і скляного балона. Розміри кристала складають 1 X 1 X 0,2 мм. Радіус області зіткнення зволікання з германієм зазвичай не перевищує 5- 7 мкм.

Для отримання р-п переходу діод в процесі виготовлення піддають струмовому формуванню. З цією метою через нього в прямому напрямі пропускається короткочасний імпульс струму величиною до 400 мА. В результаті формування тонкий шар напівпровідника, що примикає до вістря, придбаває діркову провідність, а на межі між цим шаром і основною масою пластинки виникає р-п перехід. Така конструкція діода забезпечує невелику величину місткості р-п переходу (не більше 1 пФ), що дозволяє ефективно використовувати діод на високих частотах. Проте мала площа контакту між частинами напівпровідника з провідністю типу п і р не дозволяє розсіювати в області р-п переходу значні потужності. Тому точкові діоди менш потужні, чим площинні, і не використовуються у випрямлячах, розрахованих на велику напругу і струми. Вони застосовуються, головним чином, в схемах радіоприймальної і вимірювальної апаратури, працюючої на високих частотах, а також у випрямлячах на напругу не вище декількох десятків вольт при струмі близько десятків міліампер.

Включення високочастотних точкових діодів в схему принципово не відрізняється від включення площинних випрямних діодів. Аналогічний і принцип роботи точкового діода, заснований на властивості.односторонньої провідності р-п переходу. Типова вольт-амперна характеристика точкового діода показана на мал. 6.9, а. Зворотна гілка характеристики точкового діода значно відрізняється від відповідної гілки характеристики площинного діода. Зважаючи на малу площу р-п переходу зворотний струм діода малий, ділянка насичення невелика і не так різко виражений. При збільшенні зворотної напруги зворотний струм зростає майже рівномірно. Вплив температури на величину зворотного струму позначається слабкіше, ніж в площинних діодах,- подвоєння зворотного струму відбувається при прирості температури на 15-20 °З (мал. 6.9, б). Нагадаємо, що в площинних р-п переходах зворотний струм зростає приблизно в 2-2,5 разу при підвищенні температури на кожні 10 °C.

 

Властивості високочастотних діодів характеризують параметри, аналогічні вказаним в параграфі 6.1. Істотне значення для оцінки властивостей високочастотних діодів мають:

Загальна місткість діода С_д - місткість, виміряна між виводами діода при заданих напрузі зміщення і частоті.

Диференціальний опір г_дкф - відношення приросту напруги на діоді до малого приросту струму, що викликав його.

Діапазон частот - різниця граничних значень частот, при яких середній випрямлений струм діода не менш заданої долі його значення на нижчій частоті.

Високочастотні точкові діоди можуть бути використані в схемах детектування, в якості обмежувачів, нелінійних опорів, комутаційних елементів і т. п.

Останніми роками усе більше застосування знаходять діоди, засновані на випрямляючій дії контакту метал - напівпровідник - так звані діоди Шотки. На відміну від звичайних точкових діодів, у яких контакт здійснюється притиском металевої голки, у діодів Шотки контакт є тонкою плівкою металу (золото, нікель, алюміній, платина, вольфрам, молібден, ванадій та ін.). Як було показано вище прилади, що використовують контакт метал - підлозіпровідник, працюють на основних носіях заряду, що дозволяє істотно зменшити їх інерційність, а отже, підвищити швидкодію. Час перемикання діодів Шотки із замкнутого стану у відкрите і навпаки визначається малою величиною бар'єрної місткості, яка зазвичай не перевищує 0,01 пФ.

Основна перевага діодів Шотки в порівнянні з діодами на р-п переходах - можливість набуття менших значень прямого опору контакту, оскільки металевий шар за цими властивостями перевершує будь-кого, навіть сильно легований шар напівпровідника.

Малий прямий опір і невелика місткість бар'єру Шотки дозволяє діодам працювати на надвисоких частотах. Типовий діапазон робочих частот складає 5-250 ГГц, а час перемикання - менше 0,1 не. Зворотні струми діодів Шотки малі і складають декілька мікроампер. Зворотна напруга лежить в інтервалі 10.. 1000 В.

Слід зазначити, що діоди Шотки набули поширення порівняно недавно (на початку 70-х років), хоча їх теорія налічує більше 50 років. Це пояснюється тим, що лише останніми роками, завдяки вдосконаленню технології виробництва напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем, вдалося отримати бар'єри Шотки з характеристиками і параметрами, близькими до ідеальних.

 

Імпульсні діоди

 

Імпульсні діоди призначені для роботи в швидкодіючих імпульсних схемах з часом перемикання 1 мкс і менш. При таких коротких робочих імпульсах доводиться враховувати інерційність процесів включення і виключення діодів і вживати конструктивно-технологічні заходи, спрямовані на зниження бар'єрної місткості і скорочення часу життя неврівноважених носіїв заряду в області р-п переходу.

За способом виготовлення р-п переходу імпульсні діоди підрозділяються на точкові, сплавні, зварні і дифузійні (меза і планерні).

Конструкція точкових імпульсних діодів практично не відрізняється від конструкції звичайних високочастотних діодів. В деяких випадках для поліпшення характеристик діода на вістря контактної голки наносять домішку (зазвичай індій або алюміній), що утворює акцепторні центри в германії і кремнії я-типа. В процесі електроформування приконтактна область напівпровідника сильно нагрівається і безпосередньо під вістрям голки утворюється невелика по розмірах р-область.

У сплавних діодах р-п перехід отримують вплавленням в кристал напівпровідника електронної провідності шматочка сплаву,

 

що містить атоми акцепторної домішки. Межа між початковим монокристалом і сильно легованим р-шаром р-п періхід. Зазвичай такий метод використовується при виготовленні кремнієвих імпульсних діодів. При створенні аналогічних германієвих діодів замість методу сплаву використовують метод імпульсного зварювання. В цьому випадку до кристала германію підводиться тонка золота (з присадкою галію) голка і через отриманий контакт пропускається імпульс струму великої амплітуди, внаслідок чого кінець золотої голки зварюється з германієм.

Найбільш швидкодіючі імпульсні діоди отримують методом дифузії донорних або акцепторних домішок в твердий напівпровідник. Проникаючи на деяку глибину напівпровідника, дифундуючи атоми міняють тип провідності цієї частини кристала, внаслідок чого виникає р-п перехід. Після отримання дифузійної структури здійснюють те, що хімічне труїть поверхні напівпровідника, після якого р-п перехід зберігається тільки усередині" невеликої області яка височіє над іншою поверхнею у вигляді столика (меза). Такий вид кристала називають мезаструктурою. Місткість р-п переходів мезадіодів нижча, а напруга пробою вища, ніж у сплавних або зварних діодів. Час перемикання мезадіодів не перевищує 10 нс.

Дуже перспективними є діоди, отримані за допомогою планарно-епітаксіальної технології При їх виготовленні домішка вводиться в напівпровідник (зазвичай кремній) локально - через "вікна" в захисній окисній плівці Si02. Що виходять при цьому р-п переходи відрізняються високою стабільністю параметрів і надійністю.

Проста схема включення імпульсного діода приведена на мал. 6.11, а. Під впливом вхідного імпульсу позитивної полярності (мал. 6.11, б) через діод протікає прямий струм, величина якого визначається амплітудою імпульсу, опором навантаження і опором відкритого діода. Якщо на діод, через який протікає прямий струм, подати зворотну напругу так, щоб його замкнути, то діод закривається не миттєво (мал. 6.11, в). У перший момент спостерігається різке збільшення зворотного струму через діод і лише поступово з часом він зменшується і досягає сталого значення. Вказане явище пов'язане із специфікою роботи р-п переходу і є проявом так званого ефекту накопичення. Суть цього ефекту полягає в наступному. Під час протікання прямого струму через р-п перехід здійснюється інжекція носіїв. В результаті інжекції в безпосередній близькості до переходу створюється концентрація неосновних неврівноважних носіїв яка у багато разів перевищує концентрацію рівноважних неосновних носіїв в області р-п переходу: чим більше концентрація неосновних носіїв, тим більше зворотний струм. Час життя неврівноважних носіїв обмежений - поступово їх концентрація зменшується як за рахунок рекомбінації, так і за рахунок відходу через р-п перехід. Тому через деякий час ( на мал. 6.11, в) неврівноважні неосновні носії зникнуть; зворотний струм відновиться до нормального значення.

Основною характеристикою імпульсних діодів є їх перехідна характеристика. Вона відбиває процес відновлення зворотного струму і зворотного опору діода при дії на нього імпульсної напруги зворотної полярності (див. мал. 6.11, в).

Основні параметри імпульсних діодів:

Час відновлення зворотного опору - інтервал часу від моменту проходження струму через нуль після перемикання діода із заданого прямого струму в стан заданої зворотної напруги до моменту досягнення зворотним струмом заданого низького значення.

Заряд перемикання - частина накопиченого заряду, витікаюча в зовнішній ланцюг при зміні напряму струму з прямого на зворотне.

Загальна місткість Сд - місткість, виміряна між виводами діода при заданих напрузі зміщення і частоті.

Імпульсна пряма напруга - пікове значення прямої напруги на діоді при заданому імпульсі прямого струму.

Імпульсний прямий струм - пікове значення імпульсу прямого струму при заданій тривалості, шпаруватості і формі.

Для імпульсних діодів вказують також величину постійної прямої напруги при протіканні постійного струму і величину зворотного струму.при заданій величині зворотної напруги. Граничні режими визначаються величиною максимально допустимої постійної зворотної напруги, максимально допустимою величиною імпульсної зворотної напруги, а також величинами максимально допустимого постійного прямого струму і максимально допустимого імпульсного прямого струму /ін..

Імпульсні діоди широко застосовуються в імпульсних схемах самого різного призначення, наприклад в логічних схемах електронних цифрових обчислювальних машин.

 

Варикапи

 

Варикапами називають напівпровідникові діоди, у яких використовується бар'єрна місткість замкнутого р-п переходу, залежна від величини прикладеної до діода зворотної напруги. Конструкція варикапа показана на мал. 6.12. У кристал кремнію 5

 

 

 

з одного його боку вплавив у вакуумі алюмінієвий стовпчик 4 для отримання р-n переходу, а з іншого боку - сплав золото - сурма для отримання омічного контакту 6. Ця структура вплавляється у вакуумі в коваровий позолочений кристалотримач 7. До алюмінієвого стовпчика прикріплений внутрішній вивід 2. З’єднаний кристалотримача з балоном 3 і виводом 1 здійснюється сплавом у водні.

Для використання властивостей варикапа до нього потрібна підвести зворотна напруга (мал. 6.13).

Як відомо, за відсутності зовнішньої напруги між р- і n- областями існують контактна різниця потенціалів (потенційний бар'єр) і внутрішнє електричне поле. Якщо до діода прикласти зворотну напругу (мал. 6.14, а), то висота потенційного бар'єру між р- і n- областями зросте на величину прикладеної напруги (мал. 6.14, б), зросте і напруженість електричного поля в р-n переході. Зовнішня зворотна напруга відштовхує електрони глибше всередину n-областs, а дірки - всередину р-области.

Таким чином, зміна зворотної напруги, прикладеної до р-n переходу, призводить до зміни бар'єрної місткості між р- і n -областями. Величина бар'єрної місткості діода Cб, може бути визначена з формули

 

 

де - відносна діелектрична проникність напівпровідника; S - площа р-n переходу; d - ширина р-n переходу.

Формула (6.3) аналогічна формулі для місткості плоского конденсатора. Проте, незважаючи на схожість цих формул, між бар'єрною місткістю і місткістю конденсатора є принципова відмінність. У звичайному конденсаторі відстань між його пластинами, а отже, і його місткість не залежать від на пряжения, прикладеного до конденсатора. Ширина ж р-n переходу залежить від величини прикладеної до нього напруги, отже, бар'єрна місткість залежить від напруги: при зростанні замикаючої напруги ширина р-п переходу збільшується, а його бар'єрна місткість зменшується.

 

 

Основною характеристикою варикапа є залежність його ємності від величини зворотної напруги (вольт амперна характеристика). Типова характеристика показана на мал. 6.15. Залежно від призначення величина номінальної ємності варикапів може бути в межах від декількох пікофарад до сотень пікофарад. Залежність місткості варикапа від прикладеної напруги визначається технологією виготовлення р-nпереходу.

 

Параметри варикапів:

Номінальна ємність - Сном- ємність між - виводами варикапа при номінальній напрузі зміщення (зазвичай Uсм = 4 В).

Максимальна ємність - Сmax- місткість варикапа при заданій напрузі зміщення.

Мінімальна місткість Cmin - місткість варикапа при заданій максимальній напрузі зміщення.

Коефіцієнт перекриття - Кс - відношення максимальною эмності діода до мінімальної.

Добротність Q - відношення реактивного опору варикапа до повного опору втрат, виміряне на номінальній частоті при температурі 20°С.

 

Максимально допустима напруга Umах - максимальне миттєве значення змінної напруги, забеспечуюче задану надійність при тривалій роботі.

Температурний коефіцієнт місткості (ТКЕ) - відношення відносної зміни ємності при заданій напрузі до абсолютної зміни температури довкілля.

Максимально допустима потужність Рmax- максимальне значення потужності, що розсіюється на варикапі, при якому забезпечується задана надійність при тривалій роботі.

Основне застосування варикапа - електронне налаштування коливальних контурів. На мал. 6.16, а приведена схема включення варикапа в коливальний контур. Контур утворений індуктивністю L і місткістю варикапа Св. Розділовий конденсатор Ср служить для того, щоб індуктивність L не закорочувала варикап по постійному струму. Місткість конденсатора Ср має бути в декілька десятків разів більше місткості варикапа.

Постійна напруга U, що управляє, подається на варикап з потенціометра R2 через високоомний резистор R1. Перебудова контуру здійснюється переміщенням движка потенціометра R2.

Ця схема має істотний недолік - напруга високої частоти впливає на варикап, змінюючи його місткість. Це веде до розладу контуру. Включення варикапів за схемою, показанийній на мал. 6.16, б, дозволяє значно зменшити розлад контуру при дії змінної напруги. Тут варикапи включені по високій частоті послідовно один назустріч одному.

Тунельні діоди

Тунельним називається напівпровідниковий діод, в якому використовується тунельний механізм перенесення носіїв заряду через р-n перехід і в характеристиці якого є область негативного диференціального опору.

Для виготовлення тунельних діодів використовуються германій, арсенід і антимонід галію. Найбільш широкого поширення набули германієві тунельні діоди.

 

 

Незалежно від початкового матеріалу основним способом виготовлення р-n переходу тунельних діодів є вплавлення. Після вплавлення переходу для зменшення його площі (що потрібне для поліпшення частотних властивостей приладу) перехід піддають електролітичному труїнню. Потім діод поміщають в металокерамічний корпус, що має гнучкі виводи. Конструкції деяких тунельних діодів показані на мал. 6.17, а, би.

Властивості тунельного діода визначаються формою його вольт-амперної характеристики, для зняття якої може бути використана схема, приведена на мал. 6.18, а. Нагадаємо лише, що на ділянці А б вольт-амперної характеристики (мал. 6.18, б) тунельний діод може бути еквівалентно замінений деяким негативним опором певної величини.

Проте тунельний діод сам по собі не може бути генератором електричної енергії, оскільки це суперечить закону збереження енергії. Річ у тому, що негативний опір служить зручним математичним символом, а не реальною фізичною величиною, і означає лише, що на деякій ділянці вольт амперної характеристики приладу збільшення напруги зменшує струм (і навпаки). Усі відомі прилади можуть посилювати і генерувати електричні сигнали лише при подачі на них енергії від зовнішніх джерел (акумуляторів, батарей). У таких пристроїв до. п. д. завжди менше одиниці, а негативний опір в них виконує функцію автоматичного (у генераторах) або такого, що управляє зовнішнім сигналом (у підсилювачах) клапана, регулюючого вступ електричної енергії від джерела живлення в навантаження.

 

 

Важлива перевага тунельного діода перед звичайними напівпровідниковими приладами полягає в його дуже високий робочій частоті. Це пояснюється тим, що тунельний перехід електронів відбувається практично миттєво - порядку . тунельні діоди, що Виготовляються нині, можуть працювати на частотах до 10й Гц.

Внаслідок того, що при тунельному переході електрони не витрачають своєї енергії, тунельний діод може працювати при дуже низькій температурі, при якій звичайні напівпровідникові прилади перестають працювати. Тунельний діод може працювати також і при вищій температурі, ніж звичайні напівпровідникові прилади. Однією з переваг тунельних діодів є дуже мала споживана потужність (не більше 1 % потужності, споживаної звичайним напівпровідниковим приладом).

Основними параметрами тунельних діодів є:

Піковий струм Іп - прямий струм в точці максимуму вольтамперної характеристики (мал. 6.18, б).

Струм западини Ів - прямий струм в точці мінімуму вольтамперної характеристики.

Напруга піку Uп - пряма напруга, відповідна піковому струму.

Напруга западини Uв - пряма напруга, що відповідає мінімальному струму.

Напруга розчину Upp - пряма напруга на другій висхідній гілці при струмі, рівному піковому.

Місткість діода Сд - сумарна місткість переходу і корпусу діода при заданій напрузі зміщення.

За призначенням тунельні діоди діляться на наступні основні групи: підсилювальні, генераторні, перемикальні.

Розглянемо роботу тунельного діода в перемикальній схемі. Основний у більшості перемикальних схем на тунельних діодах являється ланцюг, що є послідовним з'єднанням тунельного діода з іншими елементами. Приклад такого ланцюга показаний на мал. 6.19, а.

До подачі змінного вхідного сигналу під дією зовнішньої напруги Е в ланцюзі діода тече постійний струм Іо, а до діода прикладається напруга ярем . При подачі змінного сигналу залежно від його полярності струм в ланцюзі діода або зменшуватиметься на величину і, або збільшується на ту ж величину. При струмі Іо - і на діоді буде напруга U2 (мал. 6.19, б), а при струмі Іо + i - напруга U3. Потім при мірі зменшення струму на діоді падає до величини U4 і потім стрибком зміниться до U1. В результаті при негативній напрузі сигналу напруга на діоді (і на виході) буде рівна U2, а при позитивному значенні рівна U3, причому U3 > U2. Ця різка різниця між величинами напруги на виході і дозволяє розглядати тунельний діод як прилад з двома стійкими станами, т. е. електронний ключ. Перехід з одного стійкого стану в інше здійснюється дуже швидко - за час с, у зв'язку з чим тунельні діоди принципово придаьні для роботи в електронних обчислювальних машинах (у схемах тригерів, осередків, що запам'ятовують, логічних елементів і т. д.).

 

 

Фотодіоди

Фотодіод є фотогальванічним приймачем випромінювання без внутрішнього посилення, фоточутливий елемент якого містить структуру напівпровідникового діода. Фотодіод поєднує в собі достоїнства напівпровідникових приладів (малі маса і розміри, великий термін служби, низька живляча напруга, економічність) з вищою чутливістю в порівнянні з електровакуумними фотоелементами і фоторезисторами.

Пристрій фотодіода аналогічно пристрою звичайного площинного напівпровідникового діода. На мал. 6.20 приведена конструкція типового фотодіода. Фотодіод виконаний так, що його р-n перехід однією стороною звернений до скляного вікна, через яке поступає світло, і захищений від дії світла з інших сторін.

Схема включення фотодіода приведена на мал. 6.21. Напруга джерела живлення прикладена до фотодіода у зворотному напрямі. Коли фотодіод не освітлений, в ланцюзі проходить зворотний (темневий) струм невеликої величини (10-20 мкА для германієвих і 1-2 мкА для кремнієвих діодів).

При освітленні фотодіода з'являється додаткове число електронів і дірок, внаслідок чого збільшується перехід

 

неосновних носіїв заряду: електронів з р- області в n- область і дірок у зворотному напрямі. Це призводить до збільшення струму в ланцюзі. При правильно підібраному опорі навантаження і напрузі джерела живлення цей струм залежатиме тільки від освітленості приладу, а падіння напруги на опорі можна розглядати як корисний сигнал, що впливає на інші елементи схеми.

Слід зазначити, що фотодіод можна включати в схеми як із зовнішнім джерелом живлення, так і без нього. Режим роботи фотодіода із зовнішнім джерелом живлення називають фотодіодним, а без зовнішнього джерела - вентильним.

У вентильному режимі у фотодіоді під дією світлового потоку виникає э. д. е., тому він не потребує стороннього джерела напруги.

Розглянемо основні характеристики фотодіодів.

Вольт-амперна характеристика при Ф = const визначає залежність струму фотодіода від напруги на нім при постійній величині світлового потоку (мал. 6.22, а). При повному затемненні (Ф = 0) через фотодіод протікає темновий струм ,

 

рівний сумі зворотного струму насичення р-п переходу і струму витоку. З ростом світлового потоку збільшується. Характерною особливістю робочої області вольт-амперних характеристик є практично повна незалежність струму фотодіода від прикладеної напруги. Такий режим настає при зворотній напрузі на діоді близько 1 В. Оскільки темновий струм малий, те відношення струму при освітленні до темнового струму велике, що дуже важливо при індикації освітлення. Якщо зворотна напруга перевищить деяке допустиме значення, то в p-n переході виникає ефект лавиноподібного розмноження носіїв заряду, який може привести до виходу фотодіода з ладу.

Світлова характеристика зображує залежність струму фотодіода від величини світлового потоку при постійній напрузі на фотодіоді: (Ф) при - const. У широкому діапазоні змін світлового потоку світлова характеристика фотодіода виявляється лінійною (мал. 6.22, б).

Спектральна характеристика показує залежність спектральної чутливості від довжини хвилі світла, що падає на фотодіод. Спектральні характеристики германієвих і кремнієвих фотодіодів показані на мал. 6.22, в.

Параметри фотодіодів.

Інтегральна чутливість - відношення фотоструму діода до інтенсивності не монохроматичного випромінювання заданого спектрального складу, що падає,: /Ф.

Робоча напруга - постійна напруга, прикладена до фотодіода, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.

Темновий струм - струм, що протікає через фотодіод при вказаній напрузі на нім у відсутність потоку випромінювання в діапазоні спектральної чутливості.

Довговічність - мінімальний термін служби фотодіода за нормальних умов експлуатації.

Фотодіоди, як і приймачі променистої енергії інших типів, широко застосовуються. Вони можуть використовуватися у фотометрії, фотоколориметрії, для контролю джерел світла, виміру інтенсивності освітлення, прозорості середовища, реєстрації і рахунку ядерних часток, автоматичного регулювання і контролю температури і інших параметрів, зміна яких супроводжується зміною оптичних властивостей речовини або середовища. Широке застосування фотодіоди знаходять також в пристроях введення і виведення сучасних ЕОМ, в оптоелектронних схемах.

 

Світлодіоди

 

Світлодіодом називають випромінюючий напівпровідниковий прилад з одним електронно-дірковим переходом, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію некогерентного світлового випромінювання.

Мал. 6.23. Пристрій світлодіода:

1 - лінза; 2 - коваровий балон; 3-напівпровідникова пластина з р-п переходом; 4 - ніжка; 5 – виводи

Як було показано вище (параграф 3.3), при, подачі р-п перехід прямої напруги спостерігається інтенсивна інжекція неосновних носіїв заряду: електронів в р- область і дірок в n - область. Інжектовані неосновні носії рекомбінують з основними носіями цієї області напівпровідника і їх концентрація швидко падає у міру видалення від р-п переходу в глиб напівпровідника. При зустрічі електрона і дірки їх заряди компенсуються і ці носії заряду зникають. Тому при рекомбінації виділяється енергія. У багатьох напівпровідників рекомбінація носить безвипромінювальний характер - енергія, що виділяється при рекомбінації, віддається кристалічній решітці, т. е. перетворюється зрештою на тепло. Проте у напівпровідників, виконаних на основі карбіду кремнію (SiC), галію (Ga), миш'яку (As) і деяких інших матеріалів, рекомбінація є випромінювальною - енергія рекомбінації виділяється у вигляді квантів випромінювання - фотонів.

Тому у таких напівпровідників проходження через р-п перехід струму в прямому напрямі супроводжується некогерентним оптичним випромінюванням певного спектрального складу. Це явище використовується для створення світлодіодів, які іноді називають також люмінесцентними діодами.

Залежно від ширини забороненої зони напівпровідника і особливостей рекомбінації носіїв заряду випромінювання може лежати в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій частинах спектру. Найбільшого поширення набули світлодіоди, випромінюючі жовте, червоне і зелене світло. Створені також зразки світлодіодів з переналаштовуючим кольором світіння.

Конструкція типового світлодіода, використовуваного в якості джерела випромінювання, показана на мал. 6.23. Кристал напівпровідника з відповідними виводами поміщають в коваровий або керамічний балон, верхня частина якого закінчується скляною (чи з епоксидної смоли) лінзою. За допомогою лінзи випромінювання придбаває задану спрямованість.

Властивості і ефективність роботи світлодіодів характеризуються сукупністю електричних, світлових і експлуатаційних параметрів. Найважливіші з них:

Яскравість світіння діода В (кд/ ) при максимально допустимому прямому струмі, мА.

Постійна пряма напруга при максимально допустимому струмі, В.

Повна потужність випромінювання, мВт.

Максимально допустима зворотна напруга, В.

Ширина діаграми спрямованості світлового випромінювання.

 

Величина для більшості світлодіодів не перевищує декількох вольт; має величину порядку одиниць - десятків міліампер; яскравість світіння В - десятки кандел на квадратний метр; - долі милливатта; маса приладу не перевищує декількох долею грама; температурний діапазон - 60 °С.. +70°С.

Найважливіші характеристики світлодіодів - спектральна і характеристика спрямованості. Перша з них є

залежність відносної потужності випромінювання від довжини випромінюваної хвилі при певній температурі середовища. Друга визначає величину інтенсивності світлового випромінювання залежно від напряму випромінювання.

На мал. 6.24 показані габаритні розміри, спектральна характеристика і характеристика спрямованості світлового випромінювання світлодіодів типу АЛ301 (А, Б).

 

2. Напівпровідникові резистори(варистори, терморезистори, фоторезистори)

Терморезистори

Форма, габарити і конструктивні особливості сучасних терморезисторів дуже різноманітні: їх виконують у вигляді дисків (мал. 5.1, а), мініатюрних намистинок (мал. 5.1, б), плоских прямокутників (мал. 5.1, б) та ін.

Залежно від типу використовуваного напівпровідникового матеріалу і габаритів чутливого елементу початковий опір терморезисторів складає від декількох ом до десятків мегом.

На мал. 5.2 зображений простий електричний ланцюг, зщо стоїть з терморезистора RK і лінійного резистора R, величина якого не залежить від температури. Якщо до цього ланцюга прикласти напругу Е, в ній встановиться деякий струм /, величина якого визначається з рішення системи рівнянь:

 

де Uт - падіння напруги на терморезисторі в сталому режимі.

Залежність Uт - f (І) є вольтамперною характеристикою терморезистора (мал. 5.3) з трьома основними ділянками: OA, АВ і ВС. На початковій ділянці OA характеристика лінійна, оскільки при малих струмах потужність, що виділяється у терморезисторі, мала і практично не впливає на його температуру.

 

 

 

 

 

 

На ділянці А В лінійної характеристики порушується. З ростом струму температура терморезистора підвищується, а його опір зменшується. При подальшому збільшенні струму на ділянці ВС зменшення опору виявляється таким значним, що ріст струму веде до зменшення напруги на терморезисторі. У кінці ділянки ВС вольтамперна характеристика усе більш наближається до горизонтальної лінії паралельної осі абсцис. Це і дозволяє використовувати деякі типи терморезисторів для стабілізації напруги.

Характерним для ланцюга, що містить терморезистор RK і лінійний резистор R, являється різке, стрибкоподібне наростання або убування струму, викликане зміною опору терморезистора. Це явище дістало назву релейного ефекту. Релейний ефект може статися в результаті зміни температури довкілля або величини прикладеної до ланцюга напруги.

На мал. 5.4, а показано виникнення релейного ефекту при зміні навколишньої температури.

Вольтамперна характеристика І терморезистора відповідає температурі довкілля Т1 характеристика II - температурі Т2, III - зображує залежність UT = Е - IR. При температурі Т1 струм в ланцюзі І1, визначається абсцисою точки вольтамперної характеристики терморезистора і характеристики III. При підвищенні навколишньої температури від T до Т2 вольтамперна характеристика терморезистора опускається. При цьому струм спочатку зростає плавно до значення І2 в точці 2, яка відповідає нестійкому стану схеми, і далі (при невеликому підвищенні температури) стрибком зростає до І3 в точці 3, де стійко зберігає своє значення при постійності температури. Це явище називається прямим релейним ефектом.

Зменшення температури призводить до плавного зменшення струму до значення І4в точці 4 і далі - до стрибкоподібного зменшення струму до І1 (точка 1). Це явище називається зворотним релейним ефектом.

На мал. 5.4, би показано виникнення релейного ефекту при зміні прикладеної напруги.

При напрузі джерела E1 режим роботи ланцюга визначається точкою 1. При збільшенні напруги до Е2 робоча точка переходить в положення 2. Тепер досить невеликого збільшення напруги, щоб робоча точка стрибком перемістилася в положення 3, що відповідає різкому збільшенню струму від І2 до І3.

Релейний ефект використовується в різноманітних схемах теплового захисту, температурної сигналізації, автоматичного регулювання температури і т. д.

Окрім вольтамперної характеристики, найважливішою характеристикою терморезистора є залежність його опору від температури. Типова температурна характеристика R = = (Т) терморезистора з негативним температурним коефіцієнтом приведена на мал. 5.5.

Найважливішими параметрами терморезисторів є:

Номінальний (холодний) опір - опір робочого тіла терморезистора при температурі довкілля 20 °С, Ом.

Температурний коефіцієнт опору , що виражає у відсотках зміну абсолютної величини опору робочого тіла терморезистора при зміні температури на 1 °С. Звичайне значення приводиться для температури 20 °С. Значення для будь-якої температури в діапазоні 20-150 °З визначається із співвідношення

 

 

де В = - коефіцієнт температурної чутливості, залежний від фізичних властивостей матеріалу, К;

Т1 - початкова температура робочого тіла; Т2- кінцева температура робочого тіла, для якої визначається значення Rт1, і Rт2, - опори робочого тіла терморезистора при температурах відповідно до Т і Т2.

Найбільша потужність розсіювання - потужність, при якій терморезистор, що знаходиться при температурі 20 °С, розігрівається протікаючим струмом до максимальної робочої температури.

Максимальна робоча температура - температура, при якої характеристики терморезистора залишаються стабільними тривалий час (впродовж зазначеного терміну служби).

Постійна часу - час, впродовж якого температура терморезистора стає рівною 63 °З при перенесенні його з повітряного середовища з температурою 0°З в повітряне середовище з температурою 100 °З, с. Таким чином, параметр характеризує теплову інерцію терморезистора.

Постійна часу є відношенням теплоємності С до коефіцієнта розсіювання b

Теплоємність C - кількість тепла, яке необхідно повідомити терморезистору, щоб підвищити температуру робочого тіла на 1 °C, Дж/°С.

Коефіцієнт розсіювання b - потужність, що розсіюється терморезистором при різниці температур робочого тіла і довкілля в 1 °C, Вт/град.

Терморезистори з негативним температурним коефіцієнтом використовуються для виміру і регулювання температури, термокомпенсації різних елементів електричному ланцюгу, працюючих в широкому інтервалі температур, виміру потужності високочастотних коливань і індикації променистої енергії, стабілізації напруги в ланцюгах постійного і змінного струмів, в якості регульованих безконтактних резисторів і т. п.

Терморезистори з позитивним температурним коефіцієнтом (позистори) виготовляються на основі титанату барії, легованої спеціальними домішками, які в певному інтервалі температур збільшують свій питомий опір на декілька порядків. Існуюча технологія дозволяє виготовляти позистори з позитивним ат, що становить 0,15-0,2 (1/°С). По своєму конструктивному оформленню позистори аналогічні терморезисторам типу (мал. 5.1, а) пігулки. Вони мають діаметр близько 5 мм і висота 1,5 мм. Дротяні виводи припаяні до торцевих поверхонь пігулки. Від атмосферних дій позистор захищений шаром електроізоляційної емалі.

Принцип роботи позистора ілюструє схема, приведена на мал. 5.6. У цій схемі позистор RK, включений послідовно з опором навантаження , використовується в якості обмежувача струму. Коли опір навантаження падає нижче певного значення, в ланцюзі збільшується струм і зростає температура позистора. Опір позистора при цьому зростає, що обмежує струм в ланцюзі навантаження.

 

5.2. Фоторезистори

 

Фоторезистори виготовляються на основі сульфіду кадмію, селеніду кадмію, сірчистого свинцю, а також полікристалічних шарів сірчистого і селенистого кадмію. Конструкції фоторезисторів різноманітні. Світлочутливі елементи зазвичай поміщаються в пластмасовий або металевий корпус, а в окремих випадках

 

 

 

коли потрібно малі габарити, випускаються без корпусу.

Приклади конструктивного оформлення деяких типів фоторезисторів показані на мал. 5.7.

Фоторезистор включається в ланцюг послідовно з джерелом напруги і опором навантаження (мал. 5.8).

Якщо фоторезистор знаходиться в темряві, то через нього тече темновий струм

(5.5)

де Е - э. д. с. джерела живлення; - величина електричного опору фоторезистора в темряві, звана темновим опором; - опір навантаження.

При освітленні фоторезистора енергія фотонів витрачається на переклад електронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-діркових пар зростає, опір фоторезистора падає і через нього тече світловий струм

(5.6)

Різницю між світловим і темновим струмом дає значення струму , первинного фотоструму провідності, що дістав назву

(5.7)

Коли променистий потік малий, первинний фотострум провідності практично безінерційний і змінюється прямо пропорціонально величині променистого потоку, що падає на фоторезистор. У міру зростання величини променистого потоку збільшується число електронів провідності. Рухаючись усередині речовини, електрони зіштовхуються

з атомами, іонізують їх і створюють додатковий потік електричних зарядів, що дістав назву вторинного фотоструму провідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рух електронів провідності. В результаті цієї зміни фотоструму запізнюються в часі відносно змін світлового потоку, що визначає деяку інерційність фоторезистора.

Основними характеристиками фоторезисторів є:

Вольт-амперна, характеризуюча залежність фотоструму (при постійному світловому потоці Ф) або темпового струму від прикладеної напруги. Для фоторезисторів ця залежність практично лінійна (мал. 5.9, а).

Світлова (люкс-амперная), характеризуюча залежність фотоструму від світлового потоку постійного спектрального складу, що падає. Напівпровідникові фоторезистори мають Нелінійну люкс-амперную характеристику (мал. 5.9, б). Найбільша чутливість виходить при малих освітленнях. Це дозволяє використовувати фоторезистори для виміру дуже малих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струм росте приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахил люкс-амперної характеристики залежить від прикладеної до фоторезистора напруги.

Спектральна, характеризуюча чутливість фоторезистора при дії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжини хвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуваним для виготовлення світлочутливого елементу. Сірчано-кадмієві фоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектру, селенисто-кадмієві - в червоній, а сірчисто-свинцеві - в інфрачервоній (мал. 5.9, в).

Частотна, характеризуюча чутливість фоторезистора при дії на нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявність інерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотоструму залежить від частоти модуляції світлового потоку, що падає на них, - із збільшенням частоти світлового потоку фотострум зменшується (мал. 5.9, г). Інерційність обмежує можливості застосування фоторезисторів при роботі із змінними світловими потоками високої частоти.

Основні параметри фоторезисторів:

Робоча напруга - постійна напруга, прикладена до фоторезистора, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.

Максимально допустима напруга фоторезистора - максимальне значення постійної напруги, прикладеної до фоторезистора, при якому відхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує вказаних меж при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.

Темновий опір - опір фоторезистора у відсутність випромінювання, що падає на нього, в діапазоні його спектральної чутливості.

Світловий опір - опір фоторезистора, виміряний через певний інтервал часу після початку дії випромінювання, що створює на нім освітленість заданого значення.

Кратність зміни опору - відношення темнового опору фоторезистора до опору при певному рівні освітленості (світловому опору).

Допустима потужність розсіяння - потужність, при якій не настає безповоротних змін параметрів фоторезистора в процесі його експлуатації.

Загальний струм фоторезистора - струм, що складається з темнового струму і фотоструму.

Фотострум - струм, що протікає через фоторезистор при вказаній напрузі на нім, обумовлений тільки дією потоку випромінювання із заданим спектральним розподілом.

Питома чутливість - відношення фотоструму до добутку величини світлового потоку, що падає на фоторезистор, на прикладену до нього напругу, мкА/(лм В)

 

(5.8)

 

де - фотострум, рівний різниці струмів, що протікають по фоторезистору в темряві і при певній (200 лк) освітленості, мкА; Ф - світловий потік, що падає, лм; U - напруга, прикладена до фоторезистора, В.

Інтегральна чутливість - твір питомої чутливості на граничну робочу напругу.

Постійна часу - час, впродовж якого фотострум змінюється на 63 %, т. е. у е разів (е 2,718).

Постійна часу характеризує інерційність приладу.

Останніми роками фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Це пояснюється їх високою чутливістю, простотою конструкції, малими габаритами і значною допустимою потужністю розсіювання. Значний інтерес представляє використання фоторезисторів в оптоелектроніці (параграф 10.1).

 

5.3. Варистори

 

Варистори є напівпровідниковими резисторами із струмопровідним елементом, виконаним з карбіду кремнію і керамічного єднального матеріалу. Зовнішній вигляд варисторів стержневого і дискового типів показаний на мал. 5.10, а. Деякі напівпровідникові варистори призначені для застосування в мікросхемах. Конструктивне оформлення мікромодульного варистора показане на мал. 5.10, б.

Схема включення варистора приведена на мал. 5.11, а. Із збільшенням прикладеної напруги опір варистора зменшується, а струм, що протікає в ланцюзі, наростає. Основною особливістю варистора є нелінійність його вольт-амперної характеристики (мал. 5.11, б), яка пояснюється явищами, провитікаючими на контактах і на поверхні кристалів карбіду кремнію.

При підвищенні напруги, прикладеної до варистору, візрозтане напруженість електричного поля між окремими кристалами. Це супроводжується електростатичною емісією з гострих зубців і граней кристалів карбіду кремнію. Одночасно відбувається пробій оксидних плівок, що утворюються на поверхні кристалів, а також мікронагрів контактних точок між кристалами. Усе це призводить до підвищення провідності варистора, причому полярність прикладеної напруги істотного значення не має - нелінійний ріст струму через прилад спостерігається при підвищенні напруги будь-якої полярності. Оскільки вольт-амперна характеристика симетрична, варистор

 

може бути використаний в ланцюгах і постійного, і змінного струму.

Основні параметри варисторів:

Статичний опір - значення опору варистора при постійних величинах струму і напруги

 

Динамічний опір - опір варистора змінному струму

 

Динамічний опір в цій точці вольт-амперної характеристики може бути визначений по тангенсу кута нахилу дотичної до вольт-амперної характеристики.

Коефіцієнт нелінійності - відношення статичного опору у вибраній точці вольт-амперної характеристики до динамічного опору в цій же точці

 

(5.9)

 

Величина позитивна. Для варисторів, що випускаються нині, вона має значення близько 2…6 залежно від типу і номінальної напруги варистора.

Показник нелінійності - величина, зворотна коефіцієнту нелінійності

 

(5.10)

 

У широкому діапазоні напруги і струмів вираження для вольт-амперної характеристики варистора може бути представлене у виді

; (5.11)

 

де А і В - постійні коефіцієнти, пов'язані між собою співвідношенням

 

(5-12)

Щоб визначити показник або коефіцієнт нелінійності, досить знайти струми і , протікаючі через варистор при значеннях напруги і . Тоді

 

 

 

 

Класифікаційна напруга - напруга на варисторі при цьому значенні струму.

Класифікаційну напругу стержневих варисторів зазвичай визначають при струмі 10 мА. У дискових варисторів класифікаційну напругу визначають при струмах 2…3мА.

Класифікаційна напруга не є робочою експлуатаційною напругою варистора, яку вибирають виходячи з допустимої потужності розсіювання варистора і значення допустимої амплітуди напруги.

Допустима амплітуда імпульсної напруги зазвичай вказується в технічних умовах на варистор.

Класифікаційний струм - струм, при якому визначають класифікаційну напругу варистора.

Температурний коефіцієнт струму - характеризує зміну (підвищення) електропровідності варистора з ростом температури

 

(5.15)

 

де - струм при температурі рівної 20 ± 2 °С; - струм при температурі , рівною зазвичай 100 ± 2 °С.

Допустима потужність розсіювання - потужність, при якій варистор зберігає свої параметри в заданих технічними умовами межах впродовж терміну служби.

Сучасні варистори використовуються в різноманітних електронних схемах: для захисту приладів і елементів схем від перінапруги; стабілізації напруги і струму; регулювання і перетворення електричних сигналів.

Основні схеми вмикання і статичні характеристики біполярного транзистора

 

Як елемент електричного кола транзистор зазвичай використовується так, що один із його електродів є вхідним, другий вихідним, а третій - спільний відносно входу та виходу. У коло вхідного електроду вмика­ється джерело вхідного змінного сигналу, що його треба підсилити за потужністю, а у коло вихідного - навантаження, на якому виділяється посилена потужність. Залежно від того, який електрод є спільним для вхідного і вихідного кіл, як це показано на рис. 2.14, розрізняють три схеми вмикання транзисторів:

• зі спільною базою - з СБ;

• зі спільним емітером - з СЕ;

• зі спільним колектором - з СК.

 

 

Слід зазначити, що основні схеми вмикання розглядаються для сиг­налу напруги змінного струму.

У схемі з СБ: - вхідний струм, - вихідний, передатність струму:

• статична -

• динамічна -

У схемі з СЕ: - вхідний струм, - вихідний, передатність струму:

• статична - (2.6)

• динамічна - (2.7)

 

У схемі з СК: І_Б - вхідний струм, І_Е - вихідний,

Для електричних схем на біполярних транзисторах існує чотири сім'ї статичних вольт-амперних характеристик ("статичних" у тому розумінні, що для транзистора задаються фіксовані значення напруги між деякими його електродами або струму в одному з кіл, і знаходяться відповідні їм значення струму у другому колі або напруги між іншими електродами - у статичному режимі):

• сім'я вхідних характеристик

(сім'я - тому, що для кожного конкретного значення маємо свою залежність = f());

• сім'я вихідних характеристик

• сім'я характеристик керування (характеристик прямої передачі)

• сім'я перехідних характеристик (характеристик зворотного зв'язку)

Для кожної схеми вмикання з чотирьох сімей статичних ВАХ не­залежними є лише дві. Для аналізу роботи транзистора та визначення його параметрів використовують частіше перші дві.

Для схеми з СБ статичні ВАХ, наведені на рис. 2.15, описуються залежностями:

• вхідні -

(при U_KE=0 маємо ВАХ прямо зміщеного базо-емітерного р-п переходу);

• вихідні -

 

Із рисунку видно, що вихідні характеристики ма