Основы микроелектроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопросы

1. Оптоэлектронные приборы - определение, устройство, принцип работы

2. Выпрямительные диоды - определение, устройство, принцип работы, ВАХ

3. Работа транзистора в режиме насыщения. Принцип работы

Ответы:

1.Оптоэлектронные приборы - определение, устройство, принцип работы.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники в микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства:

Высокая информационная ёмкость оптического канала. Острая направленность излучения. Возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей. Возможность простого оперирования со зрительно воспринимемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными приборами очень широкие возможности применения в качестве элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем самым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры. Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения и инфравидения.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным (светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия оптического квантового генератора - лазера (1960 г.). Примерно в то же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое распространение светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, устройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектроники.

Генерация света. Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, длины которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон замечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующиеей частота колебаний и длина волны света связаны следующими соотношениями:

7)

7n 0[Гц] = 3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2

78

7e 4ф 0[эВ] = 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2

70

При известной удельной мощности P плотность фотонного потока N определяется выражением

N[м 5-2 0с 5-1 0] = 5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].

Все светогенерационные эффекты относят либо к тепловому излучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр излучения нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так называемого абсолютно чёрного тела имеет вид

f( 7l 0,T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[ exp(hc/(kT 7l 0)) - 1] 5-1 0,

где h, c, k - известные универсальные константы; T - абсолютная температура. При достаточно высоких температурах (>2500...3500 К) часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.

При этом, однако, всегда значителен длинноволновый "хвост".

Люминесценция представляет собой излучение, характеризующееся тем, что его мощность превышает интенсивность теплового излучения при данной температуре ("холодное" свечение).

Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе за счёт энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение этих электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испусканием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:

1,23

7l 0 = ------------- [мкм]

(E 42 0 - E 41 0)[эВ]

оптоэлектронный прибор диод луч

Физика люминесценции предопределяет две примечательные особенности процесса: узкий спектр излучения и возможность использования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике главным образом используются электролюминесценция (пробой и инжекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и катодолюминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).

При распространении световых лучей важную роль играет дифракция, обусловленная волновой природой света и приводящая, в частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходимости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).

Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем соизмерим с 7 l 0, а плотность записи информации с помощью световых потоков не может превысить 7 l 5-2 0.

В веществе с показателем преломления n скорость распространения светового луча становится c/n, а поскольку величина n зависит от длины волны (как правило, растёт с уменьшением 7 l 0), то это обуславливает дисперсию.

Источники излучения. Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучателей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих диодах (некогерентное излучение).

В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость газового наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень монохроматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую направленность и, в конечном счёте, когерентность излучения. В то же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки газоразрядных приборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ как универсальный оптоэлектронный элемент.

Значительные мощности излучения твердотельных лазеров обуславливают перспективность применения этих генераторов в дальнодействующих волоконнооптических линиях связи.

Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных применений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте управления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре тонкий слой n-типа проводимости "зажат" между областями n- и p-типов того же материала, но с большими значениями концентраций алюминия и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В роли резонатора может также выступать поверхностная дифракционная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической обратной связи.

Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупроводниковые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминесцентные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в результате рекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высвечивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меняется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, синий (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия с мышьяком генерируют невидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92 мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют максимальную чувствительность. Для светодиодов характерны малые размеры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быстродействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5 В) и токи (10...100 мА).

Таблица 1.1 Основные материалы для светодиодов.

Излучатели на основе люминофоров представляют собой порошковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров (от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из них знакобуквенные индикаторы, отображать различные схемы, карты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция - свечение люминофора под действием электронного луча. Такие источники излучения представляют собой электровакуумную лампу, анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зелёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, большие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию удобной для различных применений в оптоэлектронике.

2.Выпрямительные диоды - определение, устройство, принцип работы, ВАХ.

Рис 2.1 - Способы изображения цепей диода на схемах

Общая характеристика выпрямительных диодов.

Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток.

Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов (рис. 2.2).

Рисунок 2.2

Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов (рис. 2.3).

Рисунок 2.3

Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов.

Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей.

Диоды в схемах выпрямителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам (рис 2.4). Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток - малый КПД (рис 2.5).

Рисунок 2.4

Рисунок 2.5

Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители (рис 2.6)

Рисунок 2.6

Рисунок 2.7

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 - закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).(Рисунок 2.7)

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторичной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах (рис 2.8).

Рисунок 2.8

3.Работа транзистора в режиме насыщения. Принцип работы

Режим насыщения. Транзистор открывается, когда на вход подается положительное напряжение, и при условии uбэ > Uотп. коллекторный и базовый токи увеличиваются. По мере нарастания тока базы растет коллекторный ток и уменьшается коллекторное напряжение uкэ за счет падения напряжения на резисторе а также уменьшается обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу.

Пока при увеличении тока на коллекторном переходе имеется обратное напряжение, транзистор находится в активном режиме и имеет место следующее соотношение между токами:

При некотором значении базового тока напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю и дальнейшее увеличение тока Iб, а следовательно, и тока Iк приводит к появлению прямого напряжения на коллекторном переходе, т. е. потенциал базы относительно коллектора становится положительным. В прямом направлении оказывается включенным не только эмиттерный, но и коллекторный переход. Это приводит к тому, что не все носители, инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода, перехватываются им. Навстречу потоку неосновных носителей, идущих из базы в коллектор, движется поток таких же носителей из коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих потоков. В результате коллекторный ток при дальнейшем увеличении тока базы перестает расти. Транзистор переходит в режим насыщения, который характеризуется постоянством тока коллектора В связи с тем что в режиме насыщения коллекторный переход не осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит их накопление и интенсивная рекомбинация и пропорциональная зависимость между токами Iб и Iк не выполняется.

Напряжения на коллекторе и базе насыщенного транзистора остаются практически постоянными.

Графики вольтамперных характеристик биполярного транзистора для схемы с общей базой приведены на рисунке 3.1. Можно выделить три основных области, соответствующих различным режимам работы транзистора. Построим распределение неосновных носителей для характерных точек, расположенных в каждой из этих областей (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 - Статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора в схеме с общей базой.

Режим насыщения (т. B и т. C на рисунке 3.1), соответствует режиму, при котором ток коллектора ограничен и не обеспечивает отвод всех подходящих к коллектору инжектированных носителей заряда, границы режима насыщения определяются условиями UЭБ > 0 и UКБ ? 0, следовательно, в соответствии с (3.10), pn(0) > pn0, pn(w) ? pn0. В т. B UЭБ > 0 и UКБ = 0, соответственно pn(0) > pn0 и pn(w) = pn0. В т. C увеличение эмиттерного тока (и соответственно UЭБ) не сопровождается увеличением коллекторного тока, однако приводит к увеличению концентрации носителей заряда около коллектора, т.е. напряжение на коллекторном переходе становится больше 0. Таким образом, в т. C UЭБ > 0 и UКБ > 0, соответственно pn(0) > pn0 и pn(W) > pn0. Поскольку в т. С ток такой же как в т. B, градиент концентрации остался прежним.

Рисунок 3.2 - Распределение носителей в базе транзистора при различных режимах (положение рабочих точек см. рис. 3.1)

Наибольшее распространение в полупроводниковых схемах нашло включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером. Вольтамперные характеристики для транзистора в схеме ОЭ возможно получить перестроением характеристик для схемы ОБ с учетом соотношений между токами и напряжениями в схемах ОБ и ОЭ (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Обозначение токов через электроды транзистора и разности потенциалов между электродами для схемы ОЭ

Список литературы

«Основы промышленной электроники» Криштафович А.К., Трифонюк В.В., Высшая школа, 1985г.

«Основы промышленной электроники» под редакцией Герасимова В.В., Высшая школа, 1985г.

«Основы электроники» Жеребцов И.П., Энергоатомиздат, 1989г.

«Полупроводниковые оптоэлектронные приборы» Иванов В.И., Аксёнов А.И., Энергоатомиздат, 1984г.

5.«Основы полупроводниковой электроники» Игумнов Д.В., Костюнина Г.П., Энергоатомиздат, 1986г.

Размещено на Allbest.ru