Принципы работы полупроводникового диода.

Светодиод. Фотодиод. Оптронная пара.

Светодио́д — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа A^IIIB^V(например, GaAs или InP) и A^IIB^VI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов.

Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и, как правило, объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.

Принцип действия и схемы включения биполярных транзисторов.

Характеристики транзистора.

Рассчитывают режим работы применительно к заданной нагрузке.

Режимы работы транзистора.

Каскады усиления мощности.

Операционный усилитель.

Компаратор на базе ОУ.

Компоратор- устройство сравнения двух величин: заданной( опорной) и входной изменяющейся. При их равенстве происходит срабатывание ОУ.

При Uвх=0 потенциал инвертирующего входа равен нулю, потенциал неинвертирующего входа равен +Uоп. Отсюда потенциал инвертирующего сигнала по отнощению к неинвертирующему входу отрицательный.

Следовательно на выходе будет положительное напряжение Umax(+). Повышение входного сигнала до Uвх<Uоп на выходе получаем Uвыхm(+). При равенстве Uвх=Uоп потенциал инвертирующего сигнала становится положительным по отношению к неинвертирующему. В результате происходит срабатывание ОУ и на выходе получают сигнал Uвыхm(-)

Постоянное напряжение, например: АКБ можно регулировать широтно импульсным способом, включая и выключая нагрузку от источника с помощью полупроводниковых ключей транзисторов и тиристоров. Для управления транзистором или тиристором используют компараторы, на неинвертирующий вход которого подают постоянное опорное напряжение Uоп, а на инвертирующий вход подают треугольное( пилообразное) напряжение. В момент времени t=t0 Uоп>Uвх, Uи=0, Uн=Uоп, в результате Uи отрицательно по отношению к неинвертирующему входу.На выходе получаем Uвыхm(+). Такое состояние сохранится до t=t1. На этом промежутке протекает ток базы. Транзистор полностью открыт и к нагрузке прикладывается напряжение источника E. Ток нагрузки нарастает по экспоненте в течении этого времени. В момент времени t=t1 происходит равенство напряжений Uи=Uн, происходит срабатывание компаратора. В результате в промежутке времени t=t1-t2 Uи>Uн. Напряжение на выходе компаратора меняет знак(-), к транзистору прикладывается запирающее напряжение, ток базы становится равным нулю, в результате, согласно 1-му з-ну коммутации, для сохранения значения тока iн в момент коммутации возникает ЭДС самоиндукции, которое проводит ток через диод по цепи +ес-Д0-R-(-ес). Ток начинает спадать в течении времени t1-t2. В промежутке времени t2-t3 Uоп>Uвх, Uи<Uн. В результате на выходе компаратора вновь появляется положительный импульс, который открывает транзистор. Ток iн вновь начинает возрастать, Д0 закрывается напряжением Е. В дальнейшем процессы повторяются. При Uоп>Uвхm, Uн>Uи, на выходе Uи>Uн, на выходе получаем постоянное напряжение, которое открывает транзистор. Изменяя величину опорного напряжения изменяем ширину импульсов. Этим регулируем среднее значение постоянного напряжения. RL представляет собой обмотку возбуждения.

21.Устройство широтного регулирования постоянного напряжения с использованием компараторов.

22. Компаратор с положительной обратной связью и опорным напряжением(триггер Шмидта).

Сопротивления R1 и R2 образуют положительную обратную связь. Задаемся выходными напряжениями +-.

При срабатывании сигнала ( компаратора) на его выходе напряжение меняет знак и приобретает значение Uвыхm(-). Напряжение на неинвертирующем входе будет равно Uоп-Ur2=Uн. Напряжение Ur определяется по формуле(4). Откладываем на передаточной хар-ке напряжение Ur2 и определяем момент отпускания. Следует отметить,что напряжение на неинвертирующем входе будет равно Uн=Uоп- Ur2 (2).

- гистерезис.

Гистерезис получается в связи с изменением потенциала на неинвертирующем входе в соответствии с формулой (2).

Мультивибратор на базе ОУ.

принципы работы полупроводникового диода.

Полупроводниковый диод – это прибор, в основе которого лежат свойства полупроводника, с двумя выводами и наличием одного электрического перехода. В отличие от обычных диодов, принцип работы такого диода основан на p-n переходе.

Все такие диоды классифицируются по назначению на:

· импульсные;

· варикапы;

· высокочастотные;

· туннельные;

· верхвысокочастотные (СВЧ);

· полупроводниковые стабилитроны;

· обращенные.

 Основной принцип работы полупроводникового диода заключается в следующем:

состоит диод из слоев полупроводника типов p и n. На стыке соединения этих слоев образуется сам p-n переход. Электрод, который подключен к p, называют анодом, а электрод, подключенный к n, соответственно катодом. Существует состояние, при котором ни к катоду, ни к аноду не прикладывается напряжение, при этом полупроводниковый диод находиться в так называемом состоянии покоя. В части n находятся свободные электроны, а в части p положительно заряженные ионы называемые дырками. Вследствие того, что существуют частицы с зарядами разных знаков, в местах их нахождения происходит возникновение электрического поля и притягивание их друг к другу. Существуют два вида включения диода – прямое и обратное.

На практике, подключая полупроводниковый диод с обратным напряжением, происходит возникновение очень маленького тока, который может быть измерен только микро либо нано амперах. Вследствие сильного напряжения кристаллическая структура диода может быть легко разрушена, и прибор начнет очень хорошо проводить электрический ток. Такой вид напряжения называют напряжением пробоя.

После процесса разрушения диод не подлежит восстановлению, и прибор выходит из строя. При прямом виде подключения, между анодом и катодом должно быть определенное значение напряжения, чтобы диод начал проводить электрический ток. Для разных типов материала существует разное значение такого напряжения.

 

2. ВАХ p - n перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

где I₀ – тепловой обратный ток p-n-перехода; U_д – напряжение на p-n-переходе; j_т = k T/ q – тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов (j_к) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, j_т = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная темпе­ратура; q –заряд электрона.

Рис. 2.4. Вольт-амперная характе-ристика p-n-перехода и влияние температуры на прямой и обратный токи

При отрицательных напряжениях порядка 0,1…0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь (е⁴ » 0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е⁴ » 54,6). Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изме­нению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода ха­рактерен режим заданного прямого тока.

Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

При небольшом увеличении обратного напряжения от нуля обратный ток сначала возрастает до значения, равного значению теплового тока (I₀), а с дальнейшим увеличением U_обр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, значение обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (U_{обр.проб}) приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Рис. 2.5. Виды пробоя p-n-перехода: 1 – лавинный; 2 – туннельный; 3 – тепловой

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

Влияние температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показано штриховой линией (см. рис. 2.4). Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера (j₀) и увеличение энергии подвижных носителей зарядов.

Рассмотрим причины, вызывающие пробой p-n-перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем p-n-перехода (рис. 2.5) называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (U_{обр.проб}). Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар «свободный электрон – дырка». В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.

 

3. Особенности работы полупроводниковых диодов при выключении.

 

4.Стабилитрон. Принцип работы.

123Следующая ⇒

Поделиться: