Универсальные и импульсные диоды

Универсальными называют высокочастотные диоды, применяемые для выпрямления, модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов, частота которых не превышает 1 ГГц. К универсальным относятся диоды, выполненные по самым разным технологиям (точечные, микросплавные и т.п.), их основным отличием от типичных выпрямительных диодов является малое время обратного восстановления. Диоды этой группы могут быть использованы, например, в выпрямителях, работающих на высоких частотах, в детекторах, модуляторах, преобразователях, ограничителях и других устройствах.

Импульсными называют диоды, имеющие малые длительности переходных процессов и предназн для работы в кач-ве ключевых элементов при воздействии импульсов малой длительности или при больших значениях импульсного тока. Такие диоды могут быть использованы в триггерных и генераторных схемах, ограничителях, коммутаторах и других импульсных устройствах. В кач-ве импульсных успешно используются точечные и микросплавные диоды, быстродействие которых увеличивается путем подбора легирующей примеси, уменьшающей время жизни неосновных носителей. Такой примесью к полупроводнику \(n\)‑типа может быть, например, золото.Лучшими импульсными хар-ками обладают некоторые спец виды диодов, использующие разнообразные физические эффекты и св-ва полу-проводников для уменьшения времени переходных процессов, происходящих при переключении диода. К таким диодам в первую очередь относятся: диоды с накоплением заряда, диоды Шоттки, диоды Мотта, \(p\)-\(i\)-\(n\)-диоды.В общем случае четкой границы для пар-ров и применимости тех или иных видов полупроводниковых диодов не сущ. Напр, диоды Шоттки могут прим-ся и в выпрямителях, и в качестве импульсн ключей, и как детекторные и смесительные диоды диапазона СВЧ. В свою очередь, многие универсальные диоды неплохо работают в импульсн режимах, а диоды СВЧ иногда могут использоваться и в низкочастотных диапазонах.

17 Стабилитрон это тоже диод, но предназначен он не для выпрямления переменного тока, хотя и может выполнять такую функцию, а для стабилизации, т.е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом участке ВАХ, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на обратной ветви ВАХ, где незначитель-ное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор.

Стаби́стор — п/п-вый диод, в кот для стабилизации напряжения исп-ся прямая ветвь ВАХ (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Отличительной особенностью стабисторов по сравнению со стабилитронами явл меньшее напряжение стабилизации, кот составляет примерно 0,7 В. Последов соединение двух или трёх стабисторов даёт возможность получить удвоенное или утроенное значение U стабилизации. Некоторые типы стабисторов предст.собой единый набор с последователь-ным соединением отдельных элементов.Стабисторам присущ отрицательныйтем-пературный коэфф сопроти-вления, т.е. напряжение на стабисторе при неизменном токе уменьшается с увелич температуры. В связи с этим стабисторы исп для темпера-турной компенсации стабилитронов с положительным коэфф-том напряжения стабилизации.Основная часть стабисторов — кремниевые диоды. Кроме них промышленность выпускает иселеновыеполикристалличес-киестабисторы, кот отличаются простотой изготовления, а значит, меньшей стоимостью. Однако селеновые стабисторы имеют меньший гарантированный срок службы (1000 ч) и узкий диапазон рабочих температур.

18Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором при приложении напряжения в прямом направлении, туннельный эффект проявляется в появлении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ.Обычныедиоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в ВАХ, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50-150 А при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области.При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Фермиn-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке ВАХ участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. ВАХ обращённого диода (сплошная линяя), и туннельного диода(пунктирная)

Обращённый диод — п\п диод, на свойства которого значительно влияет туннельный эффект в области p-n перехода. В отличие от туннельного диода ВАХ обращённого диода практически не имеет «горба», что обусловлено немного меньшей, чем у туннельного диода, концентрацией примесей в полупроводнике.[2] Из-за неполного легирования обладает значительной температурной зависимостью.

19 Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED — light emitting diode)— п\п прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него эл тока. Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении эл тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) опр-ся типом используемыхполупроводниковых материалов, образующих p-n-переход. При пропускании эл тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда - электроны и дырки - рекомбинируют с излучениемфотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на др).Не все п\п-вые материалы эффективно испускают свет при рекомбинац.

Достоинства: 1.Светодиоды не имеют никаких стеклянных колб и нитей накаливания, что обеспечивает высокую механич прочность и надежность(ударная и вибрационная устойчивость) 2. Отсутствие разогрева и высоких напряжений гарантирует высокий уровень электро- и пожаробезопасности 3. Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда требуется высокое быстродействие 4. Миниатюрность 5. Долгий срок службы. 6. Высокий КПД. 7. Относительно низкие U пит. и потребляемые токи, низкое энергопотреб-ление 8.Большое кол-во различн цветов свечения, направленность излучения 9. Регулируемая интенсивность.

Недостатки: 1. Относительно высокая стоимость. Отношение деньги/люмен для обычной лампы накаливания по сравнению со светодиодами составляет примерно 100 раз 2. Малый световой поток от одного элемента 3. Деградация параметров светодиодов со временем 4. Повышенные требования к питающему источнику

У светодиодов есть несколько основных параметров:1.Тип корпуса 2. Типовой (рабочий) ток 3. Падение (рабочее) напряжения 4. Цвет свечения (длина волны, нм) 5. Угол рассеивания

Фотодио́д — приёмник оптического излучения[1], который преобразует попавший на его фоточув-ствительную областьсвет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Принцип работы: При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода Cp-n. Фотодиод может работать в двух режимах: фотогальванический — без внешнего напряжения, фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности: простота технологии изготовления и структуры, сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия, малое сопротивление базы, малая инерционность

 

20Варикапы — это полупроводниковые диоды, в которых используется барьер­ная емкость p-n-перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратно­го напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении. Схематическое изображение варикапа приведено на рис.7,а, а его вольт-фарадная характеристика — на рис.7,б. Условное обозначение варикапа со­держит из пять элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К — кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В — варикап). Третий элемент — цифра, определя­ющая назначение варикапа (1 — для подстроечных варикапов, 2 — для умножительных варикапов). Четвертый элемент — это порядковый номер разработки. И наконец, пятый элемент — соответствует разбраковке по параметрам. Так, например, на рис.7,б приведена характеристика варикапа КВ117А. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить:
где С0 — начальная емкость варикапа при Uв=0, Uв — напряжение на варикапе, yК — контакная разность потенциалов. Основными параметрами варикапа являются: его начальная емкость С0, добротность QC, коэффициент перекрытия по емкости КC. Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности варикапа Q к мощности Р: Q_C=Q\P.Рис.7. Схематическое изображение варикапа (а) и зав-сть емкости варикапа от обратного напряжения (б). Коэф-т перекрытия по емкости определяется как отношение макси­мальной емкости Сmaх варикапа к его минимальной емкости Сmin: К_С=Сmax/Сmin.

21ТАКЖЕ СМ.22 Транзи́стор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока.

Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы. Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника, где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

 

22 ТАКЖЕ СМ.21 Биполярный транзистор состоит из трёх различным образомлегированныхполу- проводниковых слоёв: эмиттера E (Э), базы B (Б) и коллектора C (К). В зависимости от чередования типа проводимости этих слоёв различают n-p-n (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты.Слой базы расположен между эмиттерным и коллекторным слоями ислабо-легирован, поэтому имеет большое омическое сопротивление. Общая площадь контакта база-эмиттер выполняется значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается для: большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность захвата неосновных носителей заряда из базы в коллектор и, т.к. в рабоч режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, при работе в коллекторном переходе выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибо-ром, повышение площади способствует лучшему отводу тепла от коллекторного перехода), поэтому реальный биполярный транзистор общего применения явл несиммет-ричным устройством.В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направ-лении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направл (закрыт).

Для определённости рассмотрим работу n-p-n транзистора, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая p-n-p транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В n-p-n транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электроноврекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время реком-бинации относительно велико. Сильное эл поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны), и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, т.о., практически равен току эмиттера, за исключением небольш потери на рекомбинацию в базе, кот и образует ток базы (Iэ=Iб+Iк). Коэф-т α, связывающий Iэи Iк(Iк=α Iэ) наз-ся коэф-том передачи тока эмиттера. Числен-ное значение коэффициента α 0,9—0,999. Чем > коэф-т, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэф-т мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений Iкпропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малым током базы можно управлять значительно бо́льшим током коллектора.

23 Система условных обозначений современных типов транзисторов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919-81. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код. Первый элемент обозн исходный полупров-вый материал, из которого изготовлен транзистор. Используются буквы или цифры:

Г или 1 - для германия или его соединений; К или 2 - для кремния или его соединений; А или 3 - для соединений галлия; И или 4 - для соединений индия. Второй элемент - буква, определяющая подкласс (или группу) транзистора: Т - для биполярных транзисторов; П - для полевых. Третий элемент - цифра, определяет функциональные возможности транзистора.Для транз малой мощности (с макс рассеиваемой мощностью Ррас.maxне более 0,3 Вт):1 - низкой частоты, с граничной частотой коэф-та передачи тока или максимальной рабочей частотой (граничной частотой) не более 3 МГц; 2 - средней ч-ты, с граничной частотой более 3, но не более 30 МГц; 3 - высокой и сверхвысокой частот, с граничной частотой более 30 МГц;Для транз ср мощн (с Ррас.max более 0,3 Вт, но не более 1,5 Вт):4 - низкой ч-ты, с граничной ч-той не более 3 МГц; 5 - средней ч-ты, с граничной ч-той более 3, но не более 30 МГц; 6 - высокой и сверхвысокой частот, с граничной ч-той более 30 МГц;Для транзисторов большой мощности (с Ррас.maxболее 1,5 Вт):

7 - низкой ч-ты, с граничной ч-той не более 3 МГц; 8 – ср частоты, с граничной ч-той более 3, но не более 30 МГц; 9 - высокой и сверхвысокой частот, с граничной ч-той более 30 МГц. Четвертый элемент - число, обозначает порядковый № разработки транзистора. Пятый элемент - буква, условно определяет классифика-цию транзисторов по пар-рам.Для бескорпусных приборов в состав обозначения дополнительно через дефис вводится цифра, характеризующая соответствующую модификацию конструктивного исполнения:

1 - с гибкими выводами без подложки; 2 - -//- на подложке; 3 - с жесткими выводами без подложки; 4 - -//- на подложке; 5 - с контактными площадками без подложки и без выводов;6 - -//-на подложке и без выводов.

 

 

24 Основные параметры транзисторов: Коэффициент передачи по току. Входное сопротивление. Выходная проводимость. Обратный ток коллектор-эмиттер.

Время включения. Предельная частота коэффициента передачи тока базы. Обратный ток коллектора. Максимально допустимый ток. Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:коэффициент усиления по току α; сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой: rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода; rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода; rб — поперечное сопротивление базы.

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения. h11 = Um1/Im1, при Um2 = 0. Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения. h12 = Um1/Um2, при Im1 = 0. Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h21 = Im2/Im1, при Um2 = 0. Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения. h22 = Im2/Um2, при Im1 = 0.Схемы включения биполярных транзисторов:
С общ эммитером, базой и коллектором соотв.

 

 

25Режимы работы биполярных транзисторов

 Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

 Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

 Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

 Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

 

26 Существует и другая форма представления этой взаимосвязи в виде эквивалентных схем, когда реальные процессы в нелинейных устройствах можно заменить на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров. На основе рассмотренных характеристик представим эквивалентную схему транзистора при включении по схеме с общей базой в следующем виде. Основные пассивные элементы (сопротивления rэ, rк, rб, емкости коллекторного СБ и эмиттерного СД переходов), активные элементы (генератор тока αIэ в коллекторной цепи, источник ЭДС μэкUк в эмиттерной цепи, отражающей обратную связь между эмиттером и коллектором) изображены на эквивалентной схеме (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общей базой

Приведенная эквивалентная схема справедлива для рассмотрения статических характеристик биполярного транзистора, а также для рассмотрения этих характеристик в области низких частот. Эта схема называется Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа (рис. 5.18).Рис. 5.18. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры

27 Усилительные свойства транзисторов определяются свойствами мате­риала, из которого они изготавливаются, технологией их производства, конструкцией, режимом работы и схемой включения. С ростом частоты усилительные свойства ухудшаются. Это означает, что уменьшается уси­ление, падает выходная мощность, появляется фазовый сдвиг, т. е. за­паздывание выходного тока по отношению к входному. На диапазон рабо­чих частот транзисторов оказывают влияние следующие параметры:

– время пролёта неосновных неравномерных носителей в области базы от эмиттерного перехода до коллекторного;

– ёмкости эмиттерного Сэ и коллекторного Ск переходов;

– объёмное сопротивление базы rб’, определяемое её геометрическими размерами.

Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) необходимо:

1. Уменьшить время пролёта носителей через базу, т. е.

а) уменьшить ширину базы;

б) использовать n-p-n-транзисторы, так как подвижность электронов больше, чем у дырок;

в) использовать германиевые транзисторы, так как в германии подвиж­ность носителей выше, чем в кремнии. Большие возможности открывает применение арсенида галлия.

2. Снижение емкости эмиттерного и коллекторного переходов.

3. Снижение объёмного сопротивления базы.

Однако эти условия противоречивы. Для уменьшения времени пролёта носителей необходимо уменьшить ширину базы, но при этом возрастает сопротивление базы. Уменьшение удельного сопротивления базы за счёт увеличения концентрации примеси приводит к уменьшению ширины кол­лекторного перехода и увеличению ёмкости коллекторного перехода.

Удачным решением проблемы является увеличение скорости переме­щения носителей с помощью ускоряющего электрического поля в базовой области. Этот принцип положен в основу дрейфовых транзисторов.
В дрейфовых транзисторах n-p-n-типа концентрация примесей в эмиттерной стороне базы в 100 раз больше, чем около коллектора. Из-за наличия гра­диента концентрации примесей (а, следовательно и дырок) основные но­сители в базовой области – дырки начинают диффундировать в направле­нии коллекторного перехода. Однако, в отличии от диффузии неосновных носителей, смещение основных оставляет нескомпенсированные заряды ионов акцепторной примеси. В результате возникает электрическое поле и устанавливается динамическое равновесие: действие градиента концен­трации уравновешивается действием электрического поля. Направление электрического поля в базе является ускоряющим для электронов, движу­щихся от эмиттера к коллектору (плюс у коллектора, минус у эмиттера). Кроме того, при наличии сильно легированного базового слоя вблизи эмиттерного перехода, сопротивление тела базы получается малым даже при тонкой базе. Одновременно малая концентрация примесей вблизи коллекторного перехода приводит к значительному уменьшению ёмкости последнего.В результате дрейфовые транзисторы могут работать в СВЧ-диапазоне (граничные частоты достигают 10 ГГц).

 

28Униполярные транзисторы. Типы униполярных транзисторов. Принцип работы.

1.Устройство и принцип действия униполярного транзистора. Униполяными, или полевыми, транзисторами наз. полупроводниковые приборы, в которых регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока. Оба названия этих транзисторов достаточно точно отражают их основные особенности: прохождение тока в канале обусловлено только одним типом зарядов, и управление током канала осуществяется при помощи электрического поля. Электроды, подключенные к каналу, наз стоком (Drain) и истоком (Source), а управляющий электрод наз затвором (Gate). Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком.

Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП(«металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.