Туннельный и обращенный диоды.

 

Туннельные диоды изготовляют из полупроводниковых материалов с высокой концентрацией примеси, называемых вырожденными полупроводниками. Запирающий слой в них уже, чем в обычных диодах (0,1—0,2 мкм), чем объясняется значительно большая напряженность электрического поля, обусловленная контактной разностью потенциалов (до 10⁶ В/см). Условное обозначение диода приведено на рис.3.9.1.

 

 

Рисунок 3.9.1. Условное обозначение туннельного диода.

 

 

Туннельный диод, как и другие типы диодов, является полупроводниковым прибором с двумя электродами и одним p-n -переходом. Его отличие от других диодов состоит в том, что p-n -переход туннельного диода изготовляется из полупроводниковых материалов с очень высокой концентрацией примесей. Толщина обедненного слоя в таком переходе получается очень малой, и даже при незначительных напряжениях, приложенных к переходу, возникает электрическое поле очень высокой напряженности. При этом возникает явление, называемое туннельным эффектом (отсюда и название этого прибора). Электрическое поле высокой напряженности вызывает непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника. Возникающие при этом электронно-дырочные пары могут создавать так называемые туннельные токи (прямой и обратный), которые оказывают существенное влияние на вольтамперную характеристику p-n- перехода (рис.3.9.2).

 

 

 

Рисунок 3.9.2. Вольтамперная характеристика туннельного диода

 

Так, обратный туннельный ток во много раз превышает обратный ток p-n -перехода. При малых значениях прямого напряжения, когда переход еще закрыт, возникает прямой туннельный ток значительной величины. Этому соответствует участок ВАХ от начала координат до т. Б. Увеличение прямого напряжения приводит к ослаблению туннельного эффекта и уменьшению туннельного тока. Этому соответствует участок БВ. При дальнейшем росте прямого напряжения переход открывается, и его ВАХ соответствует прямой ветви характеристики p-n -перехода (участок от т. В и правее).

Прямая ветвь вольтамперной характеристики туннельного диода имеет две характерные точки – т. Б, называемую пиком туннельной характеристики, и т. В, называемую впадиной. Падающий участок ВАХ БВ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением: R_i=ΔU₀/ΔI₀ <0 (уменьшение тока при возрастании напряжения)

Благодаря наличию участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельные диоды могут быть использованы в качестве активных элементов усилителей, генераторов и других устройств, традиционно выполняемых на других типах электронных приборов (электронных лампах или транзисторах).

Основными параметрами туннельного диода являются:

ток I_п и напряжение U_п пика ВАХ;

ток I_в и напряжение U_в впадины ВАХ;

напряжение раствора U_р при прохождении через диод тока, равного току пика на второй восходящей ветви ВАХ;

отношение тока пика к току впадины I_п/I_в;

дифференциальное сопротивление диода на падающем участке ВАХ.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их условное обозначение представлена на рис. 3.9.3.

 

 

Рисунок 3.9.3. Условное обозначение обращенного диода.

 

Они изготовляются из полупроводниковых материалов с несколько меньшей, по сравнению с туннельными, концентрацией примесей. ВАХ обращенного диода имеет следующий вид (рис. 3.9.4). Обратный туннельный ток быстро нарастает с ростом обратного напряжения примерно также, как в туннельном диоде. При прямом напряжении, в отличие от туннельного диода, нарастание туннельного тока очень незначительно, и заметный прямой ток появляется после того, как переход откроется. Таким образом, при малых напряжениях обращенный диод будет работать как выпрямитель, причем проводящей будет не прямая, а обратная ветвь ВАХ (отсюда и его название).

 

 

 

Рисунок 3.9.4. Вольтамперная характеристика обращенного диода.

 

Светодиод.

Светодиод – полупроводниковый прибор с двумя выводами, прямосмещенным p-n- переходом, излучающий свет, вызванный рекомбинацией носителей заряда. Условное схематическое изображение светодиода представлено на рис. 3.10.1, внешний вид – на рис. 3.10.2, устройство на рис 3.10.3. Светодиод состоит из кристалла пролупроводника 2, снабженного выводами во внешнюю цепь 1 и помещенного в корпус с полимерной линзой 3 (см. рис. 3.10.3). Линза служит для того чтобы придать излучению заданную направленность. Они окрашиваются и придают излучению нужный цвет.

Рисунок 3.10.1. Условное обозначение светодиода.

 

Рисунок 3.10.2. Внешний вид светодиодов.

 

Рисунок 3.10.3. Устройство светодиода. 1-выводы; 2-пластинка полупроводника с p-n-переходом; 3-полимерная линза.

 

Светодиод преобразует электрическую энергию рекомбинации электронов и дырок в световую. В обычных диодах рекомбинация происходит с выделением тепла и называется фононной. В светодиодах она происходит с излучением света и называется фотонной. Рекомбинационный ток содержит излучательную и безизлучательную составляющии, которые являются функциями тока, протекающими через p-n- переход. Обычно излучении лежит в узком диапазоне частот (см. рис. 3.10.4). Для изменения длины волны излучения надо менять материал светодиода или ток. Наиболее часто для их изготовления применяют арсенид галлия, фосфид галлия и другие материалы.

 

 

Рисунок 3.10.4. Спектральная характеристика излучения светодиодов.

 

 

Квантовым выходом η называют отношение числа фотонов n_ф излученных во внешнюю цепь к числу носителей заряда n прошедших через p-n-переход.

 

η = n_ф/n

 

Квантовый выход светодиодов лежит в диапазоне (0,1-30%).

 

Основные параметры:

постоянное прямое напряжение U_пр при максимально допустимом токе (не превышает нескольких вольт);

максимально допустимый прямой ток I_{пр макс} (единицы, десятки мА);

яркость В при максимально допустимом прямом токе (десятки кандел на м²);

полная мощность излучения Р_пол при максимально допустимом прямом токе (доли мВт);

характеристика направленности определяет интенсивность излучения в зависимости от его направления (см.рис.3.10.5);

 

Рисунок 3.10.5. Характеристика направленности светодиода АЛ301(АБ).

Спектральная характеристика представляет собой относительную мощность Р/Р_пол излучения в зависимости от длины волны при постоянной температуре (см. рис. 3.10.6).

 

Рисунок 3.10.6. Спектральная характеристика диода АЛ301(А,Б).

 

 

Контрольные вопросы:

 

1. Как образуется р-n -переход и какие токи проходят через него?

2. Что представляет собой статическая вольтамперная характеристика р-n -перехода?

3. Назовите основные виды пробоя р-n -перехода.

4. Какие из видов пробоя лежат в основе принципа действия некоторых полупроводниковых приборов?

5. Опишите устройство полупроводникового выпрямительного диода.

6. Как классифицируют полупроводниковые диоды?

7. Какие характеристики и параметры характеризуют свойства полупроводниковых диодов?

8. Охарактеризуйте основные группы полупроводниковых диодов.

9. На чем основана работа стабилитронов?

10. Для чего применяют стабилитроны?

11. На каком напряжении работает стабилитрон: прямом или обратном?

12. Для чего применяют варикапы, на чем основана их работа?

13. Какой эффект лежит в основе работы туннельных и обращенных диодов?

14. В чем заключается преимущество излучающих диодов перед другими источниками излучения?

15. Какие характеристики светодиодов Вы знаете?

16. Как зависит емкость варикапа от напряжения?

17. Где нашли применение точечные диоды?

18. В каких случаях применяют обращенные диоды?

19. При каком виде пробоя диод утрачивает свою работоспособность?