В.В. Филинов, А. В. Филинова - Электроника и основы измерений, страница 4

Без включения нагрузки фотодиод может работать в двух режимах: 1) короткого замыкания и 2) холостого хода. В режиме короткого замыкания напряжение на диоде равно нулю, и ток в диоде определяется Ф. Таким образом, в режиме короткого замыкания соблюдается прямая пропорциональность между током в диоде и световым потоком. При Ф=0 существует теневой ток Is. Такая пропорциональность достаточно хорошо соблюдается в пределах 6-7 порядков.

В режиме холостого хода тока в диоде нет, а напряжение холостого хода U_xx отмеченное на рис.1.7 а, лежит на горизонтальной оси. Таким образом, при I=0 область р заряжается положительно, а область h – отрицательно и между электродами фотодиода при освещении появляется разность потенциалов, называемая фото-ЭДС (Е_ф). Е_ф равна напряжении U_xx и не может превышать контактной – разности потенциалов U_k Для кремниевых фотодиодов напряжения U_xx<0,7B.

Для режима холостого хода характерна логарифмическая зависимость выходного напряжения от освещенности, причем выходное напряжение не превышает некоторого определенного значения при любой освещенности.

Фотодиоды находят применение как приемники энергии оптического излучения. Так солнечные батареи изготавливаются на основе фотодиодов с Светоизлучающие диоды (светодиоды) преобразуют электрическую энергию в световое излучение за счет рекомбинации электронов и дырок. В обычных диодах рекомбинация электронов и дырок происходит с выделением тепла, т.е. без светового излучения. Такая рекомбинация вызывается фононной. большой площадью р-n-перехода.

Рис. 1.8 Условное схематическое изображение светодиода (а) и спектральные характеристики излучения (б)

В светодиоде преобладает рекомбинация с излучение света, которая называется фотонной. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот. Для изменения длины волны излучения можно менять полупроводниковый материал, из которого изготовлен светодиод. На рис.1.8 а, показано схематическое изображение светодиода, а на рис. 1.8 б приведены спектральные характеристики излучения.

Для изготовления светодиодов наиболее часто используются фосфид галлия или арсенид галлия. Для диодов видимого излучения часто используют фосфид-арсенида галлия.

Светодиоды изготавливают как в виде отделенных индикаторов, так и в виде семисегментых или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок- сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать уже не только изображение цифры, но и любого индицируемого знака (буква, специального символа и т.д.).

Светодиоды и фотодиоды часто используются в паре, которая получила название оптрон. При этом они помещаются в один корпус (рис. 1.9) таким образом, чтобы светочувствительная площадка фотодиода располагалась напротив излучающей площадки светодиода.

Оптроны широко используются в электронной аппаратуре для гальванической развязки входных и выходных цепей. Входные и выходные цепи в таких приборах оказываются электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах является одним из основных методов повышения помехоустойчивости аппаратуры.

Рис. 1.9. Оптрон: 1- светодиод; 2-фотодиод

Основной носитель помех в радиоэлектронной аппаратуре – корпус. Корпус используется как один их полюсов электропитания, поэтому подключение к нему разных силовых устройств приводит к наведению кратковременных импульсных помех при коммутациях сильноточных цепей. В то же время для передачи информации чисто электрическим путем между устройствами- источником и приемником информации – должна быть электрическая связь по корпусу. Если к этому же корпусу подключены силовые цепи, то помехи, вызванные коммутациями в этих цепях, приводят к сбоям в работе других устройств, подключенных к корпусу.

Передача информации с помощью оптронов позволяет развязать электрические цепи питания источника и приемника информации, так как носителем информации является электрически нейтральное оптическое излучение. Таким образом, устройства могут иметь разные корпуса, т.е. оказываются гальванически развязанными и не подверженными воздействию помех.

Кроме защиты от воздействия помех, гальваническая развязка на основе оптронов позволяет решить еще одну задачу – совместную работу устройств, находящихся под разными потенциалами. Любая, даже небольшая, разность потенциалов не позволяет чисто электрически соединять разные устройства, поскольку это приведет к выходу их из строя. Передача сигнала в оптроне возможна, даже если цепи светодиода и фотодиода находятся под разными (в некоторых оптронах до 500 В) напряжениями. Таким образом, устройства, информационно связанные с помощью оптрона, могут находится под разными электрическими потенциалом.

1. Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой р-n-перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной – сплавление, диффузия, эпитаксия, - что в значительной мере определяет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n-транзисторы и p-n-p-транзисторы. Упрощенное устройство плоскостного n-p-n-транзистора приведено приведено на рис. 1.10а, его условное обозначение – на рис. 1.10 б, а схема замещения – на рис. 1.10 в. Аналогичные представления для p-n-p-транзистора приведены на рис. 1.10 г, д, е.

Средняя часть рассматриваемых структур называется базой- Б, одна крайняя область - коллектором- К (накопитель электронов), а другая – эмиттером - Э (источник электронов). В несимметричных структурах электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частотного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. Полярность напряжений, приложенных к электродам транзистора, показана на рис. 1.10 в,д.

Рис.1.10. Устройство n-p-n-транзистора-a, его схематическое изображение-б и схема завещания в. Устройство p-n-p- транзистора г, его схематическое изображение-д и схема замещения-е

В линейном режиме работы транзистора рис. 1.10 эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – в обратном.

Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным. На рис. 1.11 показаны структура транзистора, n-p-n-типа. Конструктивной особенностью биполярных транзисторов является то, что база выполнена слаболегированной, т.е. основных носителей зарядов в ней намного меньше чем в эмиттере и коллекторе.

Рассмотрим работу транзистора типа n-p-n. Между коллектором и базой приложено относительно высокое обратное напряжение U_КБ (рис. 1.11). При отсутствии эмиттерного тока I_Э небольшой обратный ток I_К0 через закрытый коллекторный переход обусловлен движением только неосновных носителей заряда (для транзистора типа n-p-n коллектор). Ток I_К0 не зависит от тока эмиттера, но существенно зависит от температуры и с ее повышением возрастает. Обратный коллекторный ток обычно составляет 10÷100 мкА у германиевых и 0,1÷10 мкА у кремниевых транзисторов.

Рис. 1.11. Движение носителей заряда в транзисторе типа n-p-n

При подаче на переход база-эмиттер прямого напряжения U_ЭБ от источника питания возникает эмиттерный ток I_Э, основные носители заряда – электроны преодолевают переход и попадают в базу. База выполнена из обедненного носителями заряда p-полупроводника и для нее электроны являются неосновными носителями заряда. Попавшие в область базы электроны частично рекомбинируют с дырками базы. Но поскольку толщина базы небольшая и концентрация дырок в базе низкая, рекомбинируют лишь немногие электроны, образуя базовый ток I_Б. Большинство же электронов, попав в ускоряющее электрическое поле вблизи коллекторного p-n-перехода, втягиваются в коллектор, свободно проходя через закрытый p-n-переход. Эта составляющая коллекторного тока мало зависит от напряжения на коллекторном p-n-переходе, т.е. при наличии электрического поля все электроны, за исключением рекомбинировавших, попадают в коллектор. Очевидно, что ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на значение тока базы и практически равен току эмиттера.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Для современных биполярных транзисторов α=0,9÷0,995. При I_э≠0 коллекторный ток транзистора

Таким образом, входным (управляющим) током является эмиттерный ток, а выходным – коллекторный.

Транзисторы p-n-p работают аналогично, только полярности внешних источников меняются на противоположные.

В зависимости от того, какой электрод транзистора используется в качестве общего вывода для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Рассмотренная на рис. 1.11 схема включения называется схемой с ОБ, на практике она используется редко. Наиболее распространенной является схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (рис.1.12). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы

Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

Рис. 1.12. Включение транзистора типа n-p-n по схеме с общим эмиттером