|
|
Лекции по электронике1. Курс лекций угату 2008 удк ббк ш21 Шаньгин Е. С
Стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.
Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений.
Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 2.5, б.
В обычных условиях прямой ток, образованный электронами зоны проводимости, переходящими из полупроводника в металл, имеет очень малую величину. Это является следствием недостатка электронов, энергия которых позволила бы им преодолеть данный барьер.
Для увеличения прямого тока необходимо «разогреть» электроны в полупроводнике, поднять их энергию. Такой разогрев может быть осуществлен с помощью электрического поля.
Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n-типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается весьма малым.
Диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц (1 ГГц=1·109 Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) – около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение – сотни вольт.
Варикап. Это полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, емкость которого управляется напряжением. Условное графическое обозначение варикапа представлено на рис. 2,5, в.
На варикап подают обратное напряжение. Барьерная емкость варикапа уменьшается при увеличении (по модулю) обратного напряжения. Характер изменения емкости у варикапа такой же, как и у обычного диода.
Туннельный диод. Это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Условное графическое обозначение диода представлено на рис. 2.5,г.
Для примера изобразим (рис. 2.8) прямую ветвь вольт-амперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс=20 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс=20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц).
Рис. 2.8. Вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода
Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Полезно отметить, что проверка диода тестером не допускается. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц.
Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов.
В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.
Обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен.
Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода (отличающаяся очень малым падением напряжения) используется в качестве прямой ветви «обычного диода», а прямая ветвь – в качестве обратной ветви. Отсюда и название – обращенный диод.
Условное графическое обозначение обращенного диода представлено на рис. 2.5,д.
Рассмотрим для примера вольт-амперные характеристики германиевого обращенного диода 1И104А (рис. 2.9), предназначенного, кроме прочего, для работы в импульсных устройствах (постоянный прямой ток – не более 0,3 мА, постоянный обратный ток – не более 4 мА (при  ), общая емкость в точке минимума вольт-амперной характеристики 1,2…1,5 пФ).
Как видно из графика (рис. 2.9), обе ветви вольт-амперной характеристики практически симметричны (в зеркальном отражении) относительно начала координат. Участок отрицательного дифференциального сопротивления размещен на участке положительного напряжения между 0,1 и 0,3 В. При этом амплитуда тока на участке с отрицательным дифференциальным сопротивлением не превышает 0,05 мА.
Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика обращенного диода
Классификация и система обозначений. Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89.
Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.
Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:
Г, или 1 – германий или его соединения;
К, или 2 – кремний или его соединения;
А, или 3 – соединения галлия;
И, или 4 – соединения индия.
Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв:
Д – диоды выпрямительные и импульсные;
Ц – выпрямительные столбы и блоки;
В – варикапы;
И – туннельные диоды;
А – сверхвысокочастотные диоды;
С – стабилитроны;
Г – генераторы шума;
Л – излучающие оптоэлектронные приборы;
О – оптопары.
Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков приборов (их функциональных возможностей) используются следующие цифры.
Диоды (подкласс Д):
1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого
тока не более 0,3 А;
2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого
тока более 0,3 А, но не свыше 10 А;
4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного
сопротивления более 500 нс;
5 – импульсные диоды с временем восстановления более 150 нс, но не
свыше 500 нс;
6 – импульсные диоды с временем восстановления 30…150 нс;
7 – импульсные диоды с временем восстановления 5…30 нс;
8 – импульсные диоды с временем восстановления 1…5 нс;
9 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных
носителей заряда менее 1 нс.
Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц):
1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более
0,3 А;
2 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А;
3 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3 А;
4 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А.
Варикапы (подкласс В):
1 – подстроечные варикапы;
2 – умножительные варикапы;
Туннельные диоды (подкласс И):
1 – усилительные туннельные диоды;
2 – генераторные туннельные диоды;
3 – переключательные туннельные диоды;
4 – обращенные диоды.
Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):
1 – смесительные диоды;
2 – детекторные диоды;
3 – усилительные диоды;
4 – параметрические диоды;
5 – переключательные и ограничительные диоды;
6 – умножительные и надстроечные диоды;
7 – генераторные диоды;
8 – импульсные диоды.
Стабилитроны (подкласс С):
1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным
напряжением стабилизации менее 10 В;
2 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным
напряжением стабилизации 10…100 В;
3 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным
напряжением стабилизации более 100 В;
4 – стабилитроны мощностью не более 0,3…5 Вт с номинальным
напряжением стабилизации менее 10 В;
5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным
напряжением стабилизации 10…100 В;
6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным
напряжением стабилизации более 100 В;
7 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации менее 10 В;
8 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации 10…100 В;
9 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным
напряжением стабилизации более 100 В.
Генераторы шума (подкласс Г):
1 – низкочастотные генераторы шума;
2 – высокочастотные генераторы шума.
Примеры обозначения приборов:
2Д204В – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3…10 А, номер разработки 04, группа В.
КС620А – кремниевый стабилитрон мощностью 0,5…5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер разработки 20, группа А.
ЗИ309Ж – арсенидогаллиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж.
3. Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n–переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.
Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором.
Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n –перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.
Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором.
На рис. 3.1,а показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 3.1,б).
Транзистор p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 3.2, а. Более простой вариант условного графического обозначения – на рис. 3.2,б.
Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна. Транзисторы типа n-p-nболее распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это можно объяснить тем, что основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а транзисторах типа p-n-p – дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.
Рис. 3.1. Структура транзистора типа n-p-n (а)
и его графическое обозначение (б)
Рис. 3.2.Структура транзистора типа p-n-p (а)
и его графическое обозначение (б)
Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.
Количественные особенности структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора типа n-p-n лежат те же физические процессы, которые рассмотрены при изучении полупроводникового диода. Особенности транзистора определяются особенностями его конструкции.
Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, показанное на рис. 3.3. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n–переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 3.4).
Рис. 3.3. Структура транзистора Рис. 3.4. Схема с двумя диодами
В схеме с диодами ток каждого диода зависит от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.
Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 – 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.
Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки. Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (которые при расчетах обычно считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.
Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменного напряжения. Представим три характерные схемы включения транзистора.
Схема с общей базой (ОБ) (рис. 3.5). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх. Учитывая, что  , можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.
Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ)
Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)
Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как  , а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвыхзначительно больше амплитуды напряжения uвх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.
Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
Схема с общим коллектором (ОК) (рис. 3.7). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u1 и u2 заменяют закоротками (закорачивают).
Рис. 3.7. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК)
После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения uвх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором.
Напряжение uбэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения uвых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.
Учитывая, что , можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.
Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения uбэ, так и напряжения uвых.
На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.
h – параметры транзистора
При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.8). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером.
Рис. 3.8. Транзистор в виде четырехполюсника
Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие:
i1 – переменная составляющая тока базы;
u1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;
i2 – переменная составляющая тока коллектора;
u2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.
Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры.
Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u2=0) :
 .
Аналогично
 - коэффициент обратной связи по напряжению.
Режим работы при i1=0 называют холостым ходом на входе.
Далее
 - коэффициент передачи тока,
 - выходная проводимость.
При этом
 ,
т. е.
Коэффициенты hijопределяются опытным путем. Параметры, соответствующие схеме с общим эмиттером, обозначаются буквой «э», а схеме с общей базой – буквой «б».
4. Полевые транзисторы
Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 году.
Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током).
Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором.
Устройство полевого транзистора. Схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведено на рис 4.1,а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 4.2,а. Стрелка указывает направление от слоя p к слою n(как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.
Рис. 4.1. Структура полевого транзистора
Рис. 4.2. Графическое изображение полевого транзистора:
а) с управляющим переходом и каналом p-типа;
б) с управляющим p-n–переходом и каналом n-типа
Удельное сопротивление слоя n(затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n–перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое p.
Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n–переходом и каналом n–типа. Его условное графическое обозначение представлено на рис. 4.2,б.
Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используют схемы с общим истоком (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Схема включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ)
Так как в рабочем режиме  , а  , входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП103Л для тока утечки затвора Iз.ут при t<85°C выполняется условие  .
Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида
 ,
где f – некоторая функция.
Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений): Uис.макс, Uзс.макс, Рмакс.
Для транзистора КП103Л Uис.макс=10 В,Uзс.макс=15 В, Рмакс=120 мВт (все при t=85°С).
Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида
 const,
где f – некоторая функция.
Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение uзи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно быть по модулю больше чем 0,5 В.
Параметры, характеризующие свойства транзистора усиливать напряжение.
Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора):
 .
Обычно задается uзи=0. При этом для транзисторов рассматривается крутизна максимальная Для КП103Л S=1,8…3,8 мА/В при uис=0, t=20°C.
Внутреннее дифференциальное сопротивление Rис.диф (внутреннее сопротивление) определяется выражением:
 .
Для КП103Л  при uис=10 В, uзи=0.
Коэффициент усиления
 .
Можно отметить, что
 .
Для КП103Л при S=2 мА/В и Rис.диф=25 кОм М=2 (мА/В)·25 кОм=50.
Принципы управления параметрами электронного активного элемента, заложенные в полевых транзисторах, могут быть реализованы в более сложных электронных устройствах. К таким устройствам можно отнести ячейку памяти на основе полевого транзистора с изолированным затвором (флэш-память). Устройства флэш-памяти являются современными быстродействующими программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ) с электрической записью и электрическим стиранием информации (ЭСП-ПЗУ). Эти устройства являются энергонезависимыми, так как информация не стирается при отключении питания, выдерживают не менее 100 000 циклов записи/стирания.
Одной из разновидностей приборов, реализующих принципы полевых транзисторов, являются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Приборы с зарядовой связью используются:
в запоминающих устройствах ЭВМ;
в устройствах преобразования световых (оптических) сигналов в электрические.
5. Тиристоры
Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n–переходов.
Тиристор по принципу действия – прибор ключевого типа. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном – разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или диодными, тиристорами (динисторами). Приборы с управляющими электродами называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами.
Тиристоры являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые называют также устройствами преобразовательной техники (управляемые выпрямители, инверторы и т. п.).
Существует большое количество различных тиристоров. Наиболее часто используют незапираемые тиристоры с тремя выводами, управляемые по катоду. Такие тиристоры содержат два силовых и один управляющий электрод и проводят ток только в одном направлении.
Упрощенное изображение структуры тиристора представлено на рис. 5.1, а его условное графическое обозначение – на рис. 5.2.
Обратимся к простейшей схеме с тиристором (рис. 5.3), где использованы следующие обозначения:
ia– ток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора);
uak– напряжение между анодом и катодом;
iy– ток управляющего электрода (в реальных схемах используют импульсы тока);
uyk– напряжение между управляющим электродом и катодом;
uпит – напряжение питания.
Рис. 5.1. Структурная схема тиристора
Рис. 5.2. Графическое изображение тиристора
Рис. 5.3. Схема управления с применением тиристора
Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения Uпер (uпит<Uпер) и что после подключения источника питания импульс управления на тиристор не подавался. Тогда тиристор будет находиться в закрытом (выключенном) состоянии. При этом ток тиристора будет малым (ia=0) и будут выполняться соотношения  ,  (нагрузка отключена от источника питания).
Если предположить, что выполняется соотношение uпит>Uпер или что после подключения источника питания (даже при выполнении условия uпит<Uпер) был подан импульс управления достаточной величины, то тиристор будет находиться в открытом (включенном) состоянии. При этом для всех трёх переходов будут выполняться соотношения  ,  ,  (т. е. нагрузка оказалась подключенной к источнику питания).
Существуют тиристоры, для которых напряжение Uпер больше 1 кВ, а максимально допустимый ток ia больше, чем 1 кА.
Характерной особенностью рассматриваемого незапираемого тиристора, который очень широко используется на практике, является то, что его нельзя выключить с помощью тока управления.
Для выключения тиристора на практике не него подают обратное напряжение uак<0 и поддерживают это напряжение в течение времени, большего так называемого времени выключения tвыкл. Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд. За это время избыточные заряды в слоях n1 и p2исчезают. Для выключения тиристора напряжение источника питания uпит в приведенной выше схеме (см. рис. 5.3) должно изменить полярность.
После указанной выдержки времени на тиристор вновь можно подавать прямое напряжение (uак>0), и он будет выключенным до подачи импульса управления.
Существуют и широко используются так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 5.4). Условное графическое обозначение симистора показано на рис. 5.5.
 
Рис. 5.4 Рис. 5.5
Классификация и система обозначений тиристоров
Выпускаемые с 1980 года тиристоры имеют классификацию и систему обозначений, установленные ГОСТ 20859.1-89. В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код, состоящий из девяти элементов.
Первый элемент (буква или буквы) обозначает вид прибора: Т – тиристор; ТЛ – лавинный тиристор; ТС – симметричный тиристор (симистор); ТО – оптотиристор; ТЗ – запираемый тиристор; ТБК – комбинированно выключаемый тиристор; ТД – тиристор-диод.
Второй элемент (буква) – подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч – высокочастотный (быстро включающийся) тиристор; Б – быстродействующий; И – импульсный.
Третий элемент (цифра от 1 до 9) обозначает порядковый номер модификации (разработки).
Четвертый элемент (цифра от 1 до 9) – классификационный размер корпуса прибора.
Пятый элемент (цифра от 0 до 5) – конструктивное исполнение.
Шестой элемент – число, равное значению максимально допустимого среднего тока.
Седьмой элемент – буква Х для приборов с обратной полярностью (основание корпуса – катод).
Восьмой элемент – число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии (сотни вольт).
Девятый элемент – группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров: (duзс/dt). Аббревиатура «зс» означает запертое состояние.
Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ 20859.1–89:
ТЛ171-320-10-6 – тиристор лавинный первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конструктивное исполнение – штыревое с гибким катодным выводом, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А, повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 1000 В (10-й класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс.
6. Оптоэлектронные приборы
Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение.
Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм, что соответствует частотам примерно от 0,5·1012 Гц до 5·1017 Гц. Иногда говорят о более узком диапазоне частот – от 10 нм до 0,1 мм (5·1012…5·1016 Гц). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около 1015 Гц).
На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары).
Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус.
Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.
Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиод-фотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор.
Основные достоинства оптоэлектронных приборов:
высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;
полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;
отсутствие влияния приемника излучения на источник (однонаправленность потока информации);
невосприимчивость оптических сигналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность).
Излучающий диод (светодиод)
Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.
Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и систему обозначений излучающих диодов.
Устройство. Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рис. 6.1,а, а его условное графическое обозначение – на рис. 6.2,б.
Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода и в областях, примыкающих к указанной области. При рекомбинации излучаются фотоны.
Характеристики и параметры. Для излучающих диодов, работающих в видимом диапазоне (длина волн от 0,38 до 0,78 мкм, частота около 1015 Гц), широко используются следующие характеристики:
зависимость яркости излучения L от тока диода i (яркостная характеристика);
зависимость силы света Iv от тока диода i.
Рис. 6.1. Структура светоизлучающего диода (а)
и его графическое изображение (б)
Яркостная характеристика для светоизлучающего диода типа АЛ102А представлена на рис. 6.2. Цвет свечения этого диода – красный.
Рис. 6.2. Яркостная характеристика светодиода
График зависимости силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛ316А представлен на рис. 6.3. Цвет свечения – красный.
Рис. 6.3. Зависимость силы света от тока светодиода
Для излучающих диодов, работающих не в видимом диапазоне, используют характеристики, отражающие зависимость мощности излучения Р от тока диода i. Зона возможных положений графика зависимости мощности излучения от тока для излучающего диода типа АЛ119А, работающего в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,93…0,96 мкм), представлена на рис. 6.4.
Приведем для диода АЛ119А его некоторые параметры:
время нарастания импульса излучения – не более 1000 нс;
время спада импульса излучения – не более 1500 нс;
постоянное прямое напряжение при i=300 мА – не более 3 В;
постоянный максимально допустимый прямой ток при t<+85°C – 200 мА;
температура окружающей среды –60 …+85°С.
Рис. 6.4 . Зависимость мощности излучения от тока светодиода
Для информации о возможных значениях коэффициента полезного действия отметим, что излучающие диоды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,95 мкм, ширина спектра не более 0,05 мкм), имеют коэффициент полезного действия не менее 10 %.
Система обозначений. Используемая система обозначений светоизлучающих диодов предполагает применение двух или трех букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛ331. Первая буква указывает на материал, вторая (или вторая и третья) – на конструктивное исполнение: Л – единичный светодиод, ЛС – ряд или матрица светодиодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обозначают номер разработки.
Фоторезистор
Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Схематическое изображение структуры фоторезистора приведено на рис. 6.5,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.5,б.
Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости). Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика (рис. 6.6).
 
Рис. 6.5. Структура (а) и схематическое обозначение (б) фоторезистора
Рис. 6.6. Люкс-амперная характеристика фоторезистора ФСК-Г7
Часто используют следующие параметры фоторезисторов:
номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротивление равно 5 МОм);
интегральную чувствительность (чувствительность, определяемая при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава).
Интегральная чувствительность (токовая чувствительность к световому потоку) S определяется выражением:
 ,
где iф– так называемый фототок (разность между током при освещении и током при отсутствии освещения);
Ф – световой поток.
Для фоторезистора ФСК-Г7 S=0,7 А/лм.
Фотодиод
Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б.
Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода
Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.
Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-n-перехода).
Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода
Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.
На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).
В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана.
Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u· i> 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10).
 
|
|
|
Скачать 6.22 Mb.