Главная | Обратная связь

Высокочастотные диоды

Высокочастотные диоды предназначены для нелинейных электрических преобразований сигналов на частотах до сотен мегагерц. Их применяют в детекторах высокочастотных сигналов, преобразователях частоты, модуляторах и т. д. Отличительной особенностью этих диодов является незначительная величина барьерной емкости, что достигается путем уменьшения площади - перехода. Поэтому высокочастотные диоды являются точечными или микросплавными. Для уменьшения времени жизни носителей в базу диода вводят примесь золота. Параметры у высокочастотных диодов те же, что и у низкочастотных выпрямительных диодов. В СВЧ-диодах обычно используют точечный контакт, осуществляемый простым прижимом к поверхности полупроводника острия металлической контактной пружины. Эти диоды изготовляют из низкоомного материала с малым временем жизни носителей заряда. Они имеют небольшой радиус точечного контакта (2 - 3 мкм), что обеспечивает получение незначительной барьерной емкости. Напряжение пробоя СВЧ-диодов очень низкое (3 - 5 В), а прямое напряжение относительно высокое. Конструкция СВЧ-диодов обычно приспособлена к сочленению с элементами коаксиального или волноводного тракта.

 

Туннельные диоды

В туннельных диодах используют контакт вырожденных полупроводников, на вольт-амперной характеристике которых при прямом напряжении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рисунок 1.14, a).

Рисунок 1.14. Вольт-амперные характеристики туннельного (а)

и обращенного диодов (b);

условные обозначения туннельного (c) и обращенного диодов (d)

 

Ниже перечислены специфические параметры туннельных диодов.

Пиковый ток - прямой ток в точке максимума вольт-амперной характеристики. Его значение может находиться в интервале от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.

Ток впадины I_в - прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики.

Отношение токов I_п / I_в - отношение пикового тока к току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия I_п / I_в > 10, для германиевых туннельных диодов I_п / I_в = 3...6.

Напряжение пика U_п - прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия U_п = 100...150 мВ, для германиевых диодов U_п = 40...60 мВ.

Напряжение впадины U_в - прямое напряжение, соответствующее току впадины. У туннельных диодов из арсенида галлия U_в = 400...500 мВ, у германиевых диодов U_в = 250...350 мВ.

Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет применять туннельные диоды для усиления, генерирования, переключения и преобразования электрических колебаний.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенностью является то, что вместо участка с отрицательным сопротивлением на вольт-амперной характеристике имеется практически горизонтальный участок (см. рисунок 1.14, б). В этих диодах обратная ветвь соответствует проводящему состоянию, а прямая ветвь - закрытому состоянию. Поэтому обращенный диод обладает выпрямительным эффектом. В обращенных диодах отсутствует накопление неравновесного заряда, то есть они могут применяться на СВЧ. Обращенные диоды из арсенида галлия имеют максимальный ток в проводящем состоянии около 3 мА при напряжении около 0,15 В . В закрытом состоянии ток составляет от 0,05 до 0,15 мА при напряжении менее 0,9 В.

 

Варикапы

Полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в качестве управляемой (нелинейной) емкости, т.е. зависящей от приложенного напряжения, называют варикапами. В качестве управляемой емкости используется барьерная емкость - перехода и ее зависимость от приложенного обратного напряжения (рисунок 1.15,а). Номинальная емкость большинства варикапов (емкость между выводами варикапа при номинальном напряжении смещения - обратном напряжении, которое чаще всего составляет 4 В) лежит в пределах от 2 до 600 пФ, в зависимости от типа варикапа. Заметим, что в качестве варикапов можно использовать плоскостные кремниевые диоды.

К основным параметрам варикапов (помимо номинальной емкости) относятся: максимальная емкость варикапа при заданном минимальном напряжении смещения; минимальная емкость варикапа при заданном максимальном напряжении смещения; коэффициент перекрытия - отношение максимальной емкости к минимальной (для большинства приборов эта величина лежит в пределах от 1,5 до 4,4); добротность варикапа - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного тока к сопротивлению потерь, при заданном значении емкости или обратного напряжения.

Рисунок 1.15 -. Зависимость барьерной емкости диода

от величины обратного напряжения (а); условное обозначение варикапа (b)

 

1.3.7 Светодиоды

Светодиоды - полупроводниковые источники некогерентного оптического излучения, принцип действия которых основан на явлении электролюминесценции при инжекции неосновных носителей заряда через -переход. Приборы, излучающие в видимом диапазоне, принято называть светоизлучающими диодами - СИД. В своем большинстве они используются как индикаторы для отображения информации, а также как малоинерционные источники света для генерации световых импульсов малой длительности. Приборы, излучающие в ближней инфракрасной области спектра, принято называть ИК-светодиодами. Они, как правило, предназначены для работы в качестве источников излучения в различного рода оптоэлектронных устройствах, в системах автоматического контроля, в датчиках, в системах накачки, ИК-подсветки.

В основе принципа действия лежит явление излучения, связанное с самопроизвольной рекомбинацией носителей заряда при протекании прямого тока через - переход. Электроны, находящиеся в зоне проводимости, рекомбинируют с дырками в валентной зоне и отдают энергию равную ширине запрещенной зоны , которая обычно выделяется в виде фононов (квантов тепла) и частично в виде фотонов (квантов света).

Отношение числа излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей называют внутренним квантовым выходом, он обычно составляет несколько процентов. Частота генерируемых электромагнитных колебаний зависит от ширины запрещенной зоны и постоянной Планка

 

. (1.10)

 

Поскольку в реальных полупроводниках рекомбинация происходит между электронами и дырками, находящимися в самых различных энергетических состояниях, возникающее излучение оказывается некогерентным, а спектр излучения - размытым. Спектральная характеристика и условное обозначение светодиода приведено на рисунке 1.16.

 

Рисунок 1.16 -. Спектральные характеристики светодиодов (а); зеленый (1), красный (2). Условное обозначение светодиода (b)

 

Фотодиоды

Фотодиодами называют полупроводниковые диоды, в которых осуществляется управление величиной обратного тока с помощью света. Фотодиод устроен так, что в нем обеспечивается доступ света к - переходу. В отсутствие светового потока в фотодиоде при обратном напряжении существует небольшой обратный ток, называемый темновым током. При воздействии света в области p-n-перехода происходит генерация электронно-дырочных пар, и обратный ток возрастает. Если внешняя цепь разомкнута, то возникшие в результате генерации носители заряда накапливаются в - и - областях структуры, вследствие чего уменьшается ширина - перехода и снижается высота потенциального барьера. В результате на зажимах фотодиода появляется фото-ЭДС, зависящая от величины светового потока. Устройство фотодиода и схема его включения показаны на рисунке 1.17, а, а на рисунке 1.17, б приведено его условное обозначение.

 

 

Рисунок 1.17 -. Устройство фотодиода и схема его включения (a); условное обозначение фотодиода (b)

 

Фототок, возникающий в диоде под действием света, пропорционален величине светового потока:

 

, (1.11)

 

где - интегральная чувствительность, характеризующая величину фототока, возникающего при облучении фотодиода потоком белого света яркостью в 1 лм.

Направление фототока совпадает с направлением теплового тока, то есть отрицательное.

 

Рисунок 1.18 - Вольт-амперные характеристики диода

 

В общем случае уравнение вольт-амперной характеристики фотодиода (рисунок 1.18 ) с учетом принятых положительных направлений тока имеет вид

 

. (1.12)

 

Здесь - напряжение на диоде.

Если , то , то есть в цепи имеется обратный ток, зависящий от светового потока.

Если в цепи отсутствует источник постоянного напряжения ( ), то обратный ток создает на резисторе падение напряжения . Ток в этом случае будет равен

 

. (1.13)

 

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: фотодиодном или фотогальваническом. В фотодиодном режиме на диод подают обратное напряжение. В этом режиме ток и напряжение определяются по пересечению нагрузочной линии с одной из вольт-амперных характеристик. При изменении светового потока изменяются ток в цепи и напряжение на диоде.

В фотогальваническом режиме внешний источник напряжения в цепи отсутствует. Режим работы определяется также по пересечению нагрузочной линии с соответствующей вольт-амперной характеристикой. В данном случае она проходит через начало координат. При R = 0 (короткое замыкание) нагрузочная линия совпадает с осью ординат, а при R = ∞ (обрыв цепи) она совпадает с осью абсцисс. По точкам пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения можно определить фото-ЭДС при разных световых потоках. У кремниевых фотодиодов она составляет около 0,5 - 0,55 В.

Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, обычно называют полупроводниковыми фотоэлементами.

Оптопары

Оптопарами называют приборы, в которых конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В оптопаре светоизлучающий диод преобразует электрический сигнал в световой, который через оптическую среду передается на фотоприемник, где снова преобразуется в электрический сигнал. Такое двойное преобразование сигнала позволяет устранить электрическую связь между источником сигнала и нагрузкой. В качестве фотоприемника помимо фотодиодов используют фототранзисторы, фототиристоры и фоторезисторы.

 

 

Магнитодиоды

Магнитодиодный эффект заключается в относительно резком возрастании сопротивления полупроводникового диода в прямом направлении под воздействием поперечного магнитного поля. Наиболее отчетливо этот эффект проявляется при несимметричном - переходе и удлиненной базе, т. е. когда концентрация равновесных носителей заряда, например, в - области, много больше, чем в n-области, и расстояние между - переходом и вторым контактом значительно превышает диффузионную длину. Возрастание сопротивления такого диода после появления поперечного магнитного поля обусловлено уменьшением подвижности носителей заряда, что приводит к росту сопротивления базы.

Полупроводниковые приборы, в которых используется магнитодиодный эффект, предназначенные для применения в качестве датчиков магнитного поля, называют магнитодиодами. Они обладают чувствительностью к магнитному полю, в сотни и тысячи раз большей чувствительности датчиков Холла и магниторезисторов. Это существенно упрощает схемное решение многих задач, так как исключает необходимость в промежуточных усилителях: сигнал можно подавать непосредственно на регистрирующий или исполнительный орган того или иного устройства.

Магнитодиоды получили распространение в качестве преобразователей малых механических перемещений в электрические сигналы достаточно большой амплитуды - бесконтактных механических переключателей (коммутаторов) электрических сигналов. Одно из применений коммутаторов - бесколлекторные двигатели постоянного тока. Кроме того, их используют для измерения магнитных полей, магнитодефектоскопии изделий из ферромагнитных материалов (стальные трубы, рельсы, канаты, прокат и т. д.), снятия информации в магнитных устройствах памяти, измерения СВЧ-мощности и ее пространственного распределения, ввода информации в ЭВМ.